Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 1493 dotazů
938) Achilles a želva
24. 08. 2003
Dotaz: Jsou-li dvě vozidla jedoucí za sebou a zadní vozidlo jede rychleji, než
vozidlo před ním, každodenní zkušenost říká, že je přední vozidlo dříve či
později předjeto. Nicméně, přední vozidlo nestojí a tak když se do stejného
bodu dostane vozidlo rychlejší, to pomalejší je již o kus dál a tak neustále
dokola ve stále kratších intervalech. Jak se tedy mohou vozidla předjet? (Martin Holub)
Odpověď: To, co se ptáte, je z historie známo jako paradox Achilla a želvy
(Achilles je rychlejší vozidlo, ale vyběhl později, želva je pomalejší,
dobíhané vozidlo). Ty dílčí intervaly mezi nimi se stále zkracují a
pokud Achilles i želva se pohybují rovnoměrně, pak se zkracují
geometrickou řadou. Ta má konečný součet, třebaže má nekonečně mnoho
členů. Součet dílčích intervalů udává právě vzdálenost, po které
Achilles želvu dohoní. V tom okamžiku mají oba stejnou polohu. Poté tedy
už běží Achilles vepředu a želva ho (marně) dobíhá.
Dotaz: 1) Můj dotaz je velmi primitivní, kde se ve vzorci s=1/2.a.t.t
(dráha, zrychlení, čas) vzalo číslo 1/2? (Interpid)
Odpověď: Zkuste si vynést do grafu závislost rychlosti nějakého rovnoměrně zrychleného pohybu na čase.
Dráha takového pohybu je rovna obsahu plochy pod grafem. Obsah trojúhelníka umíte jistě spočítat
je to 1/2.v.t = 1/2.a.t2.
Dotaz: Jak to, že širší pneumatiky znamenají
větší smykové tření? Ve škole se přece učíme, že smyková třecí síla nezávisí
na velikosti stykové plochy (F=mgf). Jak to tedy je? (Kamil)
Odpověď: Mezi pneumatikami a vozovkou nejde při normální jízdě před smykem o
smykové tření ale tření statické, kde třecí síla je součinem mgf
limitována, ale není až do kritického momentu dosažena. Nezávislost
na styčné ploše není absolutní. Pneumatiky závodních vozů se na
silnici "lepí" .
Dotaz: Je možné vytvořit časoprostorovou smyčku v našich podmínkách a pokud ano, jaké
pro to plynou důsledky a jak se dají řešit. Prosil bych o podrobnou analýzu.
Zatim jsem zjistil, že nic tomu teoreticky nebrání A jeste jeden dotaz: Jsou
už nějaké výsledky z oboru kvantové teorie gravitačního pole. Pokud ano, prosil
bych o jejich zaslání. (David)
Odpověď: Nejdříve co je míněno uzavřenými časovými smyčkami: Protoročas obsahuje
uzavřené časové smyčky, pokud se v něm pozorovatel (žijící ve svém
lokálním času neustále dopředu) může navrátit do situace, ve které již
jednou byl. Tj. pokud se může dostat do "prostoročasové" oblasti, kde se
již nacházel (na stejné místo ve stejném čase). Proto se také uzavřeným
časovým smyčkám často populárně říká stroje času - umožňují se dostat
do své vlastní minulosti.
"Je možné vytvořit časoprostorovou smyčku v našich podmínkách a pokud
ano, jaké pro to plynou důsledky a jak se dají řešit."
Pokud je dotazem míněno, zda je v rámci našich technických možností
někdy v blízké budoucnosti vyrobit uzavřenou časovou smyčku tak odpověď
zní "NE". Pokud je míněno, zda naše souhrnné současné znalosti a teorie
připouštějí uzavřené časové smyčky, tak odpověď zní "Nevíme jistě, ale
nejspíš ne."
"Zatim jsem zjistil, že nic tomu teoreticky nebrání..."
Zde je však nutno dodat, že možnost existence uzavřených časových smyček
byla a je v teoretické fyzice zkoumána - zejména v obecné teorii
relativity (teorii popisující prostor, čas a gravitaci).
Tento zájem vedl k překvapivému zjištění, že uzavřené časové smyčky
nejsou zas tak paradoxní, jak se dlouho předpokládalo. Ukazuje se, že
samotná teorie prostoru a času, bez specifických odkazů na teorii hmoty,
a priori uzavřené časové smyčky nevylučuje.
Problém nastává, když do okolí časově uzavřené smyčky chceme umístit
hmotu. V takovém případě může totiž hmota, která se vrátí zpět do
minulosti, interagovat sama se sebou - a to může vést ke sporům. Ze
sci-fi literatury jsou asi nejznámější různé varianty situace, kdy
cestovatel v čase zabrání tomu, aby se sám narodil - což je evidentně
logicky sporné.
Podobný paradox lze naformulovat i pro systémy, které máme dostatečně
pod kontrolou, tj. pro systémy, jejichž lokální chování velmi dobře
známe - např. pro systém pružných koulí. V blízkosti stroje času by
zručný hráč kulečníku mohl namířit kouli tak, aby se po průletu strojem
času trefila sama do sebe a odchýlila se z dráhy vedoucí do stroje času.
Analýza takovýchto jednoduchých systémů překvapivě vedla ke zjištění, že
nejsou nutně sporné. Konkrétně, že pokud požadujeme platnost lokálních
zákonů (u kulečníkových koulí např. první Newtonův zákon a zákon
odrazu) v prostoročase obsahujím uzavřené časové smyčky, tak skoro
všechny počáteční podmínky mají logicky konzistentní globální časový
vývoj splňující zmíněné lokální zákony. (Tento výrok však např. neplatí
v dvou dimenzionálním prostoročase.)
Tj., i experiment, kdy se chceme koulí vystřelenou skrze stroj času
trefit do ní samotné, bude mít konzistentní řešení; lišící se však od
toho, co bychom očekávali. Jeden typ řešení bývá, že koule vyletí ze
stroje času po trajektorii mírně odlišné než jsme očekávali, své mladší
verze se dotkne pouze mírně - ne čelně, jak jsme plánovali - a pouze
trochu změní svoji trajektorii. Mladší verze tak do stroje času vletí po
mírně jiné dráze, což bude konzistentní s odlišnou dráhou po které ze
stroje času vylétne.
Taková analýza byla však provedena pouze pro několik jednoduchých
systémů. Obecně se ukazuje, že pokud hmota může interagovat sama se
sebou pouze "jednoduchým" způsobem (např. pro pole platí princip
superpozice), tak přítomnost uzavřených časových smyček nevede nutně ke
sporu. Na druhou stranu se zdá evidentní, že pro dostatečně složité
systémy (nelineární interakce, nespojité "reakční" funkce, ...) uzavřené
časové smyčky ke sporu vedou. Což znamená, že buď musí být zakázány
uzavřené časové smyčky nebo modifikovány ony silně interagující teorie.
Teorie uzavřených časových smyček se též zabývala otázkou vzniku těchto
smyček. Je znám mechanizmus, kdy se z červí díry (zkratka spojující dvě
místa v prostoročasu podobě jako ucho na hrníčku spojuje dvě místa na
jinak válcovitém povrchu hrníčku) dá vyrobit stroj času. Mohlo by se tak
zdát, že spornost uzavřených časových smyček nutně vede ke spornosti
červích děr. Zůstává v±ak otevřená otázka, zda se při vzniku uzavřené
časové smyčky z červí díry neuplatní právě výše diskutovaná interagující
hmota a jakousi kumulací samointerakce nezabrání vzniku smyčky. Např. S.
Hawking je o existenci takovéhoto "principu kauzální ochrany" přesvědčen.
Pokud se však vrátím k otázce experimentální. I kdyby se ukázalo, že
teorie uzavřené časové smyčky připouští, je zcela jasné, že podmínky a
škály, které hrají roli při vzniku a udržování uzavřených časových
smyček jsou zcela mimo rámec našich (nejen současných) možností. Proti
výrobě stroju času jsou cesta k nejbližší hvězdě či výroba velkého
kvantového počítače vysoce realistické projekty. A to bych normálně tyto
projekty označil za utopii, které se ještě hodně generací nedožije (i
když bych si přál, abych se mýlil).
"Prosil bych o podrobnou analýzu."
Odstavce výše nebyly podrobnou analýzou. Podrobná analýza tohoto tématu
nelze podat v e-mailu. O složitých věcech lze mluvit jednoduše pouze do
určité úrovně. Pokud chcete vědět více, musíte hodně investovat a
naučit se jazyk, ve kterém se prostor a čas popisuje. Nejjednodušší cesta
jak rozumět strojům času je vystudovat teoretickou fyziku a zabývat se
obecnou teorií relativity (případně kvatovou gravitací hrající roli v
otázce vzniku uzavřených časových smyček). Neexistuje jednodušší cesta
- bez technické porozumění příslušných rovnic a modelů zůstanete vždy
jen na okraji velmi zajímavé oblasti našich znalostí o světě. Na okraji,
který sám o sobě je velmi zajímavý, ale za ním stojí ještě mnohem víc.
Nicméně na populární úrovni bych doporučil knížku R. Gotta III
"Cestování Einsteinovým vesmírem"
a hlavně knížku od Kipa Thorna, zabývající se vedle strojů času ještě
mnoha jinými tématy. Ta by měla vyjít v Mladé frontě někdy příští rok.
Neznám přesně český název, ale bude to určitě jediná kniha od tohoto
autora a bude to jedna z nejlepších popularizačních knih na našem trhu.
A ještě jeden dotaz: Jsou už nějaké výsledky z oboru kvantové teorie
gravitačního pole. Pokud ano, prosil bych o jejich zaslání.
Nějaké výsledky jsou a není jich málo. Nicméně myslím, že pořád lze
bezpečné říci, že nemáme konzistentní úplnou teorii kvantové gravitaci.
Kandidátů na ni (či spíš směrů, ve kterých se tato terie hledá) je několik:
~~ Asi nejznámější a největší oblast, ve které se kvantová gravitace
hledá, je "teorie strun" (teorie zkoumající 2-dimenzionální - a dnes i
více-dimenzionální - objekty v prostorech vyšších dimenzí, ve kterých
se na kvantové úrovni objevují různé módy připomínající gravitony). Pod
teorií strun se však v současnosti skrývá tak široké pole různých teorií
a modelů, že je obtížné i pro odborníka se zde orientovat.
~~ Již letitým kandidátem je "supergravitace" (teorie zapojující
fermiony do samotné geometrické struktury prostoročasu).
~~ Dalším nadějným kandidátem jsou tzv. "teorie smyčkové gravitace"
(teorie snažící se popsat gravitaci pomocí nových proměnných, ve kterých
by bylo možné provést standardní kvantování; tyto proměnné jsou typicky
parametrizované smyčkami v prostoročase a odtud název "smyčková
gravitace").
~~ Vedle toho lidé též pracují v rámci "nekomutativní geometrie". (Zde
se přeformuluje teori prostoročasu do formy, kdy násobení funkcí na
prostoročasu není komutativní. Tímto se např. "rozmaže" pojem bodu.)
~~ V neposlední řadě se gravitace kvantuje přímočarým způsobem "sčítáním
přes historie" (vlnová funkce vesmíru je dána funkcionálním integrálem
přes všechny realizovatelné geometrie), tento přístup se však potýká s
zatím nezvládnutými technickými potížemi.
Všechny výše uvedené teorie se testují na modelech, kdy se většina
stupňů volnosti gravitačního pole ignoruje - na tzv.
"minisuperprostorových modelech".
V případě kvantové gravitace je velmi obtížné podávat známé výsledky na
populární úrovni. Uvědomme si, že se zde setkává kvantová teorie a
teorie prostoročasu. Obě teorie samotné jsou velmi obtížné na pochopení,
natož jejich skloubení. Odpovídáme si zde na otázky, co znamená
kvantování prostoru a času, kde slovo "kvantování" znamená něco mnohem
složitějšího než nějaká "diskretizace", jak se často populárně uvádí. I
v těch nejkonzervativnějších přístupech ke kvantové gravitaci se mluví o
superpozicích různých prostoročasů, prostoročasové pěně, tunelování
geometrií, vzniku vesmíru z "ničeho", atd. Tyto hesla sice znějí velmi
zajímavě a lákavě, ale bez podrobného technického zázemí maji skoro
prázdný obsah.
Proto, ještě více než u strojů času, je v případě zájmu o kvantovou
gravitaci potřeba doporučit: vystudujte 5 let teoretickou fyziku - když
se budete hodně snažit, tak pak budete schopni si o kvantové gravitaci
číst. Vystudujte další 4 roky doktoradnské studium na zahraniční
univerzitě a když budete dobří, tak budete schopni v oblasti kvantové
gravitace pracovat. A čekáme na někoho, kdo bude geniální a kvantovou
gravitaci vymyslí.
Dotaz: Jak lze převádět tepelnou energii na elektrickou? Existují kovy nebo slitiny,
které vedou teplo elektrony? Lze uskutečnit převod v malém prostoru (asi
0,5 m3)? (Karel)
Odpověď: 1. Není to tak prosté, protože druhý zákon termodynamiky zakazuje např.,
aby se při cyklickém ději teplo odebírané z jediné tepelné lázně měnilo na
práci, aniž se přitom část tepla dodá jiné tepelné lázni s nižší teplotou.
Ale například sluneční světlo můžete částečně převádět na práci (např.
elektrický proud), protože jeho ekvivalentní teplota je vyšší než teplota
našeho pozemského okolí. Elementárním příkladem takového převodu je
křemíkový fotočlánek.
2. Tepelná i elektrická vodivost všech kovů a jejich slitin je převážně
způsobena elektrony, které se v nich celkem volně pohybují.
3. To je otázka spíš technická než fyzikální: řešení závisí jednak na tom,
v jaké formě teplo dodáváte (horká voda, sluneční světlo,...), jak hodláte
systém chladit okolím (ten 2. zákon přelstit nejde) a taky jak to udělat s
rozumně nízkými pořizovacími i udržovacími náklady, aby to vůbec mělo
ekonomický smysl.
Myslím, že dosti perspektivní jsou polykrystalické křemíkové moduly,
technologicky méně náročné než monokrystalické, ale detaily neznám.
