Ernst Mach Fyzik - filosof 2. 6. 2016 Jiří Langer, MFF UK

Stručná historie Macha * 18.2.1838 v Chrlicích do 14 let domácí výuka 1852 – 1855 piaristické gymnázium v Kroměříži 1855 – studium na vídeňské univerzitě 1860 doktorát – these „O elektrickém výboji a indukci“ 1864 profesor ve Štýrském Hradci (Gratz) 1867 profesor v Praze 1879–1880 rektorem Karlovy – Ferdinandovy univerzity 1882 rozdělení univerzity 1883-84 rektorem německé univerzity 1895 profesor filosofie ve Vídní 1898 mrtvice, ochrnut na půl těla 1901 odchází do důchodu, ustanoven členem horní komory rakouského parlamentu 1913-1916 u syna Ludwiga v Bavorsku + 19. 2. 1916

Machova hlavní díla Einleitung in die Helmholtz′sche Musiktheorie, 1866 Úvod do Helmholzovy teorie hudby Optisch-akustische Versuche, 1872 Opticko-akustické pokusy Die Mechanik in ihrer Entwicklung, 1883 Mechanika ve svém vývoji Die Analyse der Empfindungen und das Verhältnis des Physischen zum Psychischen, 1886 Analýza počitků a vztah fyzikálního k psychickému Die Principien der Wärmelehre, 1896 Principy učení o teple Populär-wissenschaftliche Vorlesungen, 1896 Populárně vědecké přednášky Über Erscheinungen an fliegenden Projektilen, 1898 O jevech spojených s letícím projektilem Erkenntnis und Irrtum, 1905 Poznání a omyl Die Prinzipien der physikalischen Optik, 1921 Principy fyzikální optiky

Mach – experimentální fyzik

Machovo dílo fyzikální Rázové vlny v plynech Pohyb nadzvukovou rychlostí – Machovo číslo, Machův kužel Demonstrační zařízení – Machovo kyvadlo, Machův vlnostroj Termodynamika Machův princip

Machovo kyvadlo k demonstraci závislosti doby kyvu na gravitačním zrychlení

Machovy proužky přechod mezi světlou a tmavou plochou je spojitý, vidíme však nalevo světlejší, napravo temnější proužek – optický klam Mach se zajímal o fyziologii a psychologii vjemů, je jedním ze zakladatelů Gestalt psychologie

Rázové vlny buzené elektrickým výbojem Schematický obrázek stop rázových vln na začazené desce

Machova fotografie nadzvukové střely z r. 1889 „schlieren“ technika Machův kužel sin α =rychlost zvuku/ rychlost střely α

Jak si posvítit na střelu

Mach – positivistický filosof

Einstein zde chválí epistemologii jako pomůcku vědy Označuje za nedorozumění brát Macha jako idealistického filosofa a uvádí, že se jím inspiroval při tvorbě teorie relativity

1873 -1928, Empiriomonism 1904-6 Alexander Bogdanov, ruský machista, kvůli kterému Lenin asi napsal svůj spis proti Machovi „Materialismus a empiriokriticismus“ Mach = Berkeley Berkeley = subjektivní idealista Pryč s nimi!

Poněvadž se zjistilo, že se vyskytuje pohromadě nějaká barva, chuť, vůně, tvar a pevnost, považujeme to vše za jedinou určitou věc, označenou jménem jablko. Jiné skupiny idejí ustavují kámen, knihu … G. Berkeley, Pojednání o základech lidského poznání Tělesa nevytvářejí počitky, ale komplexy elementů (komplexy počitků) vytvářejí tělesa. Když se tělesa fyzikům zdají být realnými, zatímco „elementy“ jsou jen přechodná zdání, fyzikové zapomínají že tělesa jsou jen myšlenými komplexy elementů (komplexy počitků). Ernst Mach: Analýza počitků

George Berkeley (1685-1753) Esse est percipi An Essay towards a New Theory of Vision A Treatise concerning the Principles of Human Knowledge, Passive Obedience Three Dialogues between Hylas and Philonous De Motu.

Jak vnímáme objekty? Berkeley: Věci existují jen v mysli! Esse est percipi – být znamená být vnímán – ale konečný vjem až v mysli!

Pojednání o základech lidského poznání Z Berkeleyho Poněvadž se zjistilo, že se vyskytuje pohromadě nějaká barva, chuť, vůně, tvar a pevnost, považujeme to vše za jedinou určitou věc, označenou jménem jablko. Jiné skupiny idejí ustavují kámen, knihu … Každý uzná, že ani naše myšlenky, vášně … neexistují mimo mysl. Kupodivu převládá názor, že domy, řeky …mají existenci odlišnou od způsobu, jak je vnímá rozum. Tento princip v sobě obsahuje zřejmý rozpor Dilema. Zkrátka, i kdyby existovala vnější tělesa, nikdy bychom se to nemohli dovědět. A kdyby neexistovala, mohli bychom si myslet právě tak dobře jako teď, že existují Mach by řekl ano! Berkeley: Nic není evidentnějšího, než existence Boha , který je niterně přítomen v naší mysli a vzbuzuje v ní ty různé ideje … Mach: rozhodně ne! Mach – zdůrazňuje monismus své epistemologie, neklade otázku, zda je prvotní hmota či vědomí.

Ronald Knox (1888 – 1957) “There was a young man who said "God Must find it exceedingly odd To think that the tree Should continue to be When there's no one about in the quad." Reply: "Dear Sir: Your astonishment's odd; I am always about in the quad. And that's why the tree Will continue to be Since observed by, Yours faithfully, God.”

Francis Bacon, The New Organon [Book One] Francis Bacon, The New Organon [Book One]. 1620: Those who have handled sciences have been either men of experiment or men of dogmas But the bee takes a middle course: it gathers its material from the flowers of the garden and of the field, but transforms and digests it by a power of its own The men of experiment are like the ant, they only collect and use; the reasoners resemble spiders, who make cobwebs out of their own substance. Not unlike this is the true business of philosophy; for it neither relies solely or chiefly on the powers of the mind, nor does it take the matter which it gathers from natural history and mechanical experiments and lay it up in the memory whole, as it finds it, but lays it up in the understanding altered and digested. Therefore from a closer and purer league between these two faculties, the experimental and the rational (such as has never yet been made), much may be hoped.

R. Bacon, The Advacement of Learning O cestě za jistotami Začneme-li s jistotami, skončíme v pochybách. Začneme-li v pochybách, skončíme s jistotami. R. Bacon, The Advacement of Learning   Předvedu strýci vraždu mého otce . Budu ho sledovat a nespustím ho z očí. A jestli sebou jenom cukne, hned budu vědět na čem jsem. Ten duch by mohl býti ďábel, neboť ďábel ví, jak převtělit se třeba za anděla. Co když jen využil mé slabosti a smutku – duchové to dělávají – a chce mne zatratit. Budu mít důkaz a pořádný – dám sehrát hru a tím svědomí krále pěkně polapím. W. Shakespeare, (Martin Hilský) Hamlet Ale co když … Nikdy nekončící řetěz možných pochybností Pochybnosti jsou zrádci. Berou nám to, co bychom mohli získat, jen nemít strach to zkusit W. Shakespeare, Measure for Measure (Martin Hilský) Něco za něco

Machův positivismus – snaha o nalezení empiricky podložených jistot Hume, Reichenbach, Popper – jde o snahu beznadějnou – jistoty nedosáhneme Positivismus ale přispěl k redukci nepodloženého bla, bla… (jak říká Einstein – metaphysics of empty talk …) ]: „S hodnotnou částí fyzikálních teorií nutně vstřebáváme i pořádnou dávku falešné metafyziky, kterou je těžké odfiltrovat od toho, co si zaslouží být zachováno, zejména když jsme si na tyto teorie zvykli.“

E. Mach Vždy jsem cítil jako šťastnou okolnost, když jsem v patnácti letech narazil v knihovně mého otce na Kantovy Prolegomena ke každé příští metafyzice. Kniha na mne tehdy silně a nesmazatelně zapůsobila, tak, jak pak už žádná jiná filosofická četba. O dva tři roky později jsem si najednou uvědomil nadbytečnost ,věcí o sobě‘. … S hodnotnou částí fyzikálních teorií nutně vstřebáváme i pořádnou dávku falešné metafyziky, kterou je těžké odfiltrovat od toho, co si zaslouží být zachováno, zejména když jsme si na tyto teorie zvykli.“

E.Mach:Analyse der Empfindungen (Analýza počitků) Vždy jsem cítil jako šťastnou okolnost, když jsem v patnácti letech narazil v knihovně mého otce na Kantovy Prolegomena ke každé příští metafyzice. Kniha na mne tehdy silně a nesmazatelně zapůsobila, tak, jak pak už žádná jiná filosofická četba. O dva tři roky později jsem si najednou uvědomil nadbytečnost „věcí o sobě“. … Kant: Poznáváme jen phenomena, noumena, „věci o sobě“ jsou pro nás nepoznatelné Mach: Věci, tělesa, hmota nejsou nic než kombinace elementů – tzv. atributů = zamítá věci o sobě

Princip ekonomie myšlení (Denkökonomie) Mach neuvažuje o tom, zda přírodní zákony obrážejí něco jako objektivní zákony „reality“. To, co nazýváme přírodními zákony vytváří naše mysl k ekonomickému uspořádání počitků. Princip ekonomie myšlení (Denkökonomie) je podstatným prvkem epistemologie Machovy a pozitivistů vůbec. Přírodní zákony mají být vztahy mezi měřitelnými veličinami

Paige, mon amy, emplis icy et couronne le vin, je te pry Paige, mon amy, emplis icy et couronne le vin, je te pry. -A la Cardinale! -Natura abhorret vacuum. F. Rabelais: Gargantua Chapt. 1.5.

Kam s ním? Mefisto:Tomu se příště už naučíte, až poznáte, jak vše redukovat a náležitě klasifikovat (překlad Otokara Fischera). Positivismus {A.Comte (1798 – 1857) ) Fenomenalismus (E. Husserl (1859 – 1 938) ) Instrumentalismus (W. James (1842-1910)) z Erkenntnis und Irrtum [5]: „Je ale pravda, že to co filosof pokládá za začátek, přírodovědec vidí jako velmi vzdálený cíl své práce.“

Richard Feynman „Elektron je teoretická konstrukce, kterou používáme; je tak užitečná, že bychom téměř mohli říct, že elektron je reálný …

Philipp Frank ve sborníku Albert Einstein Philosopher – Scientist, P Philipp Frank ve sborníku Albert Einstein Philosopher – Scientist, P. Schilpp ed. “Machův původní positivistický požadavek že každé tvrzení ve fyzice musí propojovat jen pozorovatelné veličiny musí být musí být nahrazen obecnějším požadavkem, že při formulaci principů je povoleno užití jakýchkoli symbolů nebo slov, mohou-li z nich být logicky odvozeny vztahy mezi pozorovatelnými veličinami.“ Například zavést čtyřpotenciál místo „pozorovatelnych“ E a B je více jak výhodné V kvantové teorii nezbytné pracovat s pomocnými veličinami (vlnová funkce, stavový vektor …)

významně přispěl k interpretaci moderní fyziky Grüße aus Berlin Následovnící filosofie E. Macha: Vídeňský kroužek neopositivstů či logických empiriků významně přispěl k interpretaci moderní fyziky Neurath, Carnap, Schlick (Reichenbach) Frank, Hahn

Machův princip

Ether as the sensorium Dei Isaac Newton: Absolute space is sensorium Dei

Newtonův myšlenkový experiment Vědro začíná rotovat, voda zatím v klidu – hladina je rovná Voda rotuje spolu s vědrem – hladina prohnutá E. Mach, Mechanika: Newtonův pokus s rotujícím vědrem s vodou nám říká jen to, že relativní rotace vody vzhledem ke stěnám nebudí žádné pozorovatelné odstředivé síly, zatímco rotace vody vzhledem k Zemi a nebeským tělesům ano Nikdo neví, jak by experiment s vědrem dopadl, kdyby se síla stěn vědra zvětšila tak, až by byla řekněme několik mil Zbývá nám tedy takový experiment provést a uvést ho do souladu s ostatními známými fakty …

Machův kýžený experiment Člověče, Šebestová, my tomu Newtonovi ještě ukážeme Dobrý den, mohli byste prosím roztočit vesmír?

Lense-Thirringův efekt: „strhávání“ gravitačního pole rotující Zemí 1960 George Pugh a Leonard Schiff: Setrvačník na oběžné dráze koná geodetická precesi 6,8 arcsec/rok Lense-Thirring 0,044 arcsec/rok 2004 vypuštěna Gravity Probe B která Lense-Thirringa ověřila

Einstein a Machův princip Einstein zdůrazňoval, že Machova kritika Newtonova absolutního prostoru ho inspirovala při tvoření obecné relativity Termín „Machův princip“ zavedl v r. 1918 a dal mu tuto formulaci (dopis de Sitterovi): g-pole musí být určeno hmotou a nemůže existovat bez ní . … Můžeme mluvit o podmíněnosti geometrie hmotou Bylo to po zavedení kosmologické konstanty, rovnice s kosmologickou konstantou nemají za řešení Minkowského prostor Nepříjemnost – de Sitterův vesmír je bez hmoty a řeší Einsteinovy rovnice Dnes – můžeme říci, že obecná relativita má „machovské rysy“, že existují „machovská řešení“, jasná vyhovující formulace Machova principu neexistuje (ale existují tisíce článků na toto téma).

V čem fyzikálně inspirativní? I dnes největší problém při studiu teorie relativity je pochopit, že prostor, čas, současnost atd. není něco daného předem – známe z vlastního studia či pedagogické praxe. V době vzniku teorie relativity těžko přijatelné i pro výborné fyziky té doby. Proto asi Einstein uváděl, že pro vznik nejen obecné, ale i speciální teorie relativity byla pro něj inspirující četba Macha a Davida Humea. Uvědomit si, že současnost není absolutní bylo klíčové Newton versus Leibniz Prostor je jeviště Prostor řád koexistence

Prostor a čas jsou dobře uspořádané množiny počitků Mach: Mechanika Především zjišťujeme, že máme větší důvěru k naší zkušenosti prostoru a času, že jim přisuzujeme větší objektivitu a reálnější charakter nrž naší zkušenosti barev, zvuků teploty atd. Když se ale nad tím zamyslíme hlouběji, musíme přiznat, že naše vjemy prostoru a času jsou právě takovými vjemy jako jako jsou barvy, zvuky a vůně, jen jsme si jejich znalostí jistější … Prostor a čas jsou dobře uspořádané množiny počitků

Mach a moderní fyzika (Starý a nemocný) Speciální teorii nepřijal (obecné se v podstatě nedožil) Jeho syn Ludwig experimentálně zpochybňoval Michelsonův pokus (Machův-Zehnderův interferometer). Úvod k Optice (1913 -1920) velmi kritický k relativitě (G Wolters tvrdí, že předmluva je falsum, důkazy pochybné.) Nevěřil v atomovou teorii, kritika Boltzmana, ostré diskuse s Planckem

Einstein o epistemiologii Pro epistemology je vědec oportunista: Je realista – svět nezávislý na aktu vnímání Idealista - pojmy teorie jsou volné výtvory lidské mysli, protože je nelze logicky odvodit z empirie Positivista - teorie oprávněná jen tehdy je- li logickou reprezentací vztahů známých ze zkušenosti

Machův vztah k moderní fyzice Svolat duchy znám, Teď si s nimi nevím rady... Konec mechanistické fyziky Speciální a obecná relativita

Shrnutí Mach by si zasloužil desku i jen za své experimentální práce, jeho zásluhy však umocňuje inspirace, kterou (třeba i nechtěně) poskytl: Fyzika – obecná teorie relativity Epistemologie vědy – uvažujme-li realisticky, berme to však se zrnkem soli