Imaginární zahrady s reálnými ropuchami II.
DUDLEY R. HERSCHBACH
Sága vědy v příkladech Polem mého výzkumu prochází křížem krážem několik zahradních cestiček. Budu sledovat jednu z nich. Začíná před pětasedmdesáti lety ve Frankfurtu u prací Otto Sterna. Vynález rychlé vakuové pumpy mu umožnil, aby se začal zabývat experimenty s „molekulovými paprsky“, někdy také nazývanými „molekulovými svazky“. To jsou tenké, řídké, stužkovité proudy molekul, pohybující se v dostatečně vysokém vakuu (tedy za dostatečně nízkého tlaku), aby paprsek molekul nebyl narušován srážkami s molekulami plynu v pozadí. Nejslavnější ze Sternových pokusů s molekulovými paprsky byl vymyšlen tak, aby ověřil nezvyklou předpověď jedné z prvních forem kvantové mechaniky, jak ji navrhl Niels Bohr. Jeho model atomu předpokládal, že elektrony obíhají kolem jádra pouze po určitých definovaných orbitálních dráhách. Klasická Newtonova mechanika naproti tomu žádná taková omezení neklade. Sternův experiment se soustředil právě na tento klíčový rozdíl. Jeho jednoduchý přístroj byl umístěn ve skleněné trubici velikosti litrové sklenice, vyčerpané na vysoké vakuum. Atomy stříbra, odpařující se ze zahřívaného vlákna, v něm procházely úzkou štěrbinou, která z nich vymezila úzký paprsek, široký jen 0,1 mm, tedy asi jako lidský vlas. Tenký atomový paprsek pak procházel mezi póly malého magnetu a za ním atomy stříbra dopadaly na skleněnou destičku. Sternův magnet byl ovšem velmi zvláštní: jeden jeho pól vybíhal do ostré hrany, jako hřeben střechy domu, opačný pól měl tvar širokého žlábku, jako příkop. Magnetické pole bylo proto mnohem silnější u ostrého pólu a slabší u žlábkovitého pólu. Podle Bohrova modelu je kruhový pohyb vnějšího elektronu atomu stříbra příčinou toho, že se atom chová jako malinký tyčkový magnet. Model nadto předpovídal, že takové atomové magnety mohou směřovat pouze jedním ze dvou směrů („nahoru“ nebo „dolů“), jestliže na ně působí vnější pole – takové jako pole Sternova magnetu. Následkem toho by se atomy v jedné z těchto dovolených orientací měly při průletu polem odchylovat směrem silnějšího pole ostrého pólu, atomy v druhé dovolené orientaci směrem slabšího pole žlábkovitého pólu: paprsek by se měl rozštěpit na dvě složky (viz obr.). Naopak, kdyby pro atomy platila Newtonova mechanika stejně jako pro planety, atomové magnety by mohly mít jakoukoliv orientaci v prostoru: při průchodu Sternovým magnetem by se neměl paprsek stříbrných atomů rozštěpit na dvě složky, ale jen poněkud rozšířit. Experiment jednoznačně prokázal, že se paprsek rozštěpil na dvě složky. Zmíněný objev odhalil existenci toho, čemu se teď říká prostorové kvantování. Na tehdejší fyziky zapůsobil jako šok a stal se jedním z nejzávážnějších klíčových poznatků, které ukazovaly, že pro popis světa atomů je nezbytná nová mechanika. Je však třeba
Sternův experiment: svazek atomů stříbra se při průchodu magnetickým polem štěpí do dvou svazků
zdůraznit dvě stránky této věci. Zaprvé, Otto Stern sám se zdráhal přijmout kvantovou hypotézu. Naopak doufal a očekával, že jeho pokus podpoří použitelnost Newtonovy klasické mechaniky pro atomy. Zadruhé, atomový magnetizmus, demonstrovaný Sternovým experimentem, vlastně nemá původ v orbitálním pohybu elektronu, ale v jiné základní vlastnosti elektronu – v jeho spinu. Ten byl ovšem objeven až o několik let později. Bohrův model byl zakrátko odložen jako překonaný, byl považován za postupný krok, který pouze omezeným způsobem simuloval některé stránky daleko úplnější kvantové teorie. Uvádím tady tohle všechno proto, že to zřetelně ukazuje, jak krátkozraké jsou názory kulturních konstruktivistů. V historickém kontextu poskytl Sternův experiment „antisociální“ výsledek. Jinými experimenty se prokázalo, že Bohrův model nebyl správný. Nicméně nebyla to „společensky vykonstruovaná smyšlenka“, ale pořádný kus lešení k výstavbě obecné kvantové teorie. Potomci Sternovy techniky molekulových paprsků a jeho koncepce separace kvantových stavů jsou velmi početní. Z prostorového kvantování se odvíjí jaderná magnetická rezonance (NMR), radioastronomie a také lasery. Spektroskopická metoda NMR, kterou koncem třicátých let poprvé rozvinul na Kolumbově univerzitě Isidor Rabi, se týká orientace jaderných magnetů – nebo spíše jaderných spinů – ve vnějším poli. Klíčové stránky jevu ukazuje obr. 2. Energie interakce spinu atomového jádra s polem se pro různé orientace poněkud liší. Vyšší energetický stav odpovídá nevýhodné orientaci, nižší energetický stav výhodnější orientaci. Pomocí radiových vln (tedy elektromagnetického záření v oblasti frekvencí radiových vln) vhodného „rezonančního“ kmitočtu lze přimět jaderný spin k tomu, aby svou orientaci změnil, čili přimět jej k překlopení neboli „flipu“. Nebylo ovšem od počátku samozřejmé, že malilinké jádro, rozměry asi stotisíckrát menší než „dráha“ elektronu v atomu, bude s elektrony dostatečně interagovat. Pokud by vzájemné působení bylo zanedbatelné, různé orientace jaderného spinu (výhodné „nahoru“ a nevýhodné „dolů“) by zůstaly stejně pravděpodobné i ve vnějším magnetickém poli. Nedošlo by k žádné čisté absorpci rezonančních radiových vln, protože překlopení spinu, vyvolané radiovými vlnami, by bylo stejně pravděpodobné pro polohy „nahoru“ i „dolů“. Čistá absorpce energie radiových vln může nastat jen tehdy, jestliže vzájemné interakce dovolují, aby obsazení stavů různých orientací spinu bylo nestejné. Ve snaze uniknout tomuto omezení Rabi navrhl elegantní způsob využívající paprsky volných atomů. Do evakuované komory umístil dva magnety Sternova typu, ale s opačně orientovanými poli. Paprsek atomů, procházející prvním polem (A), se rozštěpí na dvě složky podle jaderného spinu, ale po průchodu druhým polem (B) se zase spojí v jeden. Mezi tyto magnety (které vlastně působí jako magnetické čočky rozptylka a spojka) umístil Rabi třetí magnet (C). Ten však měl ploché pólové nástavce, takže postrádal vlastnosti čočky, ale sloužil k tomu, aby definoval orientace „nahoru“ a „dolů“. Protože atomy v paprsku se pohybují v podstatě beze srážek, obsazení jednotlihttp://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 77, duben 1998
225
ESEJ
Musíme dále vzdělávat svou zahrádku. (Voltaire)
vých složek orientace spinu jsou si rovna. Také radiové vlny v oblasti pole C překlopí v rezonanci stejné množství spinů nahoru a dolů. Teď ovšem každý spin, který změnil za polem A orientaci, nebude znovu fokusován polem B. To umožnilo Rabimu, aby detegoval, které frekvence radiových vln vyvolaly rezonance. Rabi tak vypracoval novou univerzální spektroskopickou metodu s neobyčejně vysokým rozlišením. Jeho práce poskytly obrovské množství informací o struktuře atomového jádra a vedly k četným plodným aplikacím. Rozsah použití spektroskopie jaderné magnetické rezonance se nesmírně rozšířil po roce 1945, kdy jaderné rezonance byly poprvé zaznamenány v kapalinách a pevných látkách. Stalo se to díky výzkumům Edwarda Purcella (na Harvardově univerzitě) a Felixe Blocha (na Stanfordově univerzitě) se spolupracovníky. V jejich modelových experimentech bylo klíčovým objevem zjištění, že četnost jaderných spinů s orientací „nahoru“ a „dolů“ v magnetickém poli (C) se může lišit díky interakcím uvnitř molekuly (intramolekulovým) nebo interakcím s okolními molekulami (intermolekulovým), takže vlastně Rabiho magnetů A a B není vůbec třeba. Od té doby bylo vypracováno velké množství velmi složitých variací této metody, od nichž se odvíjejí řady dalších aplikací. Spektra jaderné magnetické rezonance (NMR) se dnes běžně používají při určení detailních strukturních vlastností bílkovin, obsahujících tisíce atomů. Mimochodem, tímto způsobem byla identifikována ona chybějící metylová skupina při genetickém rozhodování na chromozomu Y, o níž jsme mluvili dříve. Jinou skvostnou aplikací je zobrazování pomocí magnetické rezonance, které poskytuje daleko větší rozlišení při sledování vnitřních orgánů lidského těla než Röntgenovy paprsky a dá se také využít k zobrazení měkkých tkání, jako třeba tkáně mozkové. Dnes můžeme doslova zachytit a zobrazit záblesk rodící se myšlenky. Radioastronomie obrovsky rozšířila obzor toho, co můžeme vidět na nebi. Základní experiment uskutečnil Purcell na Harvardu v roce 1951. Zachytil radiofrekvenční emisi při překlopení spinu jádra vodíkového atomu pod vlivem magnetického pole, které vyvolává orbitální pohyb nespárovaného elektronu volného atomu vodíku. Vodík je daleko nejčetnějším prvkem ve vesmíru, a možnost zmapovat tímto způsobem jeho rozložení brzy odhalila zcela nečekané stránky struktury galaxií. Příbuzné metody, které využívají radiofrekvenční a mikrovlnnou spektroskopii, také odhalily proti všemu očekávání pozoruhodnou směsici molekul v mezihvězdných mračnech, jež vznikla jako výsledek nepřeberného množství dříve netušených chemických reakcí. Kromě metod, jimiž se zkoumají atomová jádra, bílkoviny a galaxie, vedla cesta Otto Sterna také k nové formě světla jako takového: k světlu laserovému. Jméno LASER je akronymem pro „Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation“ neboli světlo zesílené stimulovanou emisí záření [pozn. překl.: SZSEZ bohužel nezní ani zdaleka tak dobře]. Základní experiment uskutečnil Charles Townes a jeho studenti na Kolumbově univerzitě v roce 1955. Využíval paprsek molekul čpavku vystavený elektrickému poli, které fungovalo docela podobně jako Sternův magnet, tj. jako zařízení pro selekci kvantových stavů čpavkové molekuly, a vybíralo energeticky nevýhodné molekulové stavy. Když byla molekula vystavena mikrovlnnému záření, překlopila se do energeticky výhodnějšího stavu a vyslala přebytek energie jako záření. Na rozdíl od obyčejného světla mělo ovšem toto emitované záření velmi zvláštní vlastnost, zvanou „koheren-
226
VESMÍR 77, duben 1998 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
ce“. Rozdíl je analogický rozdílu mezi davem pohybujícím se bez cíle a pochodující kapelou: příslušné záření „drží krok“ nebo – chcete-li – elektromagnetické vlnění má stejnou fázi. Tak se zrodily molekulové zesilovače a oscilátory a všechny ty ostatní zázraky kvantové elektroniky. Záření laserů dnes slouží k očním operacím, čte hudbu nebo data z kompaktních disků, prohlíží čárové kódy na balíčcích zeleniny v supermarketech nebo v posloupnostech dvojic bází DNA v lidském genomu. Otto Stern byl fyzikální chemik a jistě by ho potěšilo, že jeho technika molekulových paprsků, rozšířená o spektroskopie magnetické a elektrické rezonance a o lasery, se vyvinula v mocný nástroj studia molekulové struktury a reaktivity. V mé vlastní práci je základní metodou prosté zkřížení dvou molekulových paprsků ve vakuu a detekce produktů během jejich volného letu, dříve než následné srážky znehodnotí informaci o detailní dynamice reaktivní srážky, kterou tyto částice nesou. Tato metoda, používaná a dále vypilovávaná během posledních třiceti let v řadě laboratoří, nám umožňuje pochopit síly, které se uplatňují při tvorbě a zániku chemických vazeb, a také najít souvislost mezi nimi a elektronovou strukturou reagujících molekul. Od tohoto místa dále chci sledovat cestičku, která se jaksi obrací zpět od stezky vyšlapané Sternem. Atomový a molekulový paprsek se obvykle tvoří v malé komůrce zdroje, umístěné ve vakuové aparatuře. Stern zdůrazňoval, že tlak v této zdrojové komůrce má být dostatečně malý, aby se atomy nebo molekuly vzájemně nesrážely, když vylétají výstupním otvorem. Takový vystupující paprsek je pak skutečně statisticky náhodným vzorkem plynu ve zdroji, nenarušeným srážkami ve výstupním otvoru. Tento vysoce ideální přístup ale bezostyšně porušovali chemici, kteří chtěli studovat reakce ve zkřížených paprscích. Jak také jinak: ty pokusy zoufale vyžadovaly co nejvyšší intenzitu částic, a proto chemici prostě používali zdroje při daleko vyšších tlacích. Srážky ve výstupním otvoru pak vedly k nadzvukovému proudění plynu. A to se ukázalo být překvapivě výhodné. Jednak se zvýšila intenzita částic, a nadto nadzvukové, supersonické paprsky měly úzké rozdělení jak směrové, tak molekulových rychlostí. Za vhodných podmínek se pak podařilo znatelně zmenšit rotační a vibrační pohyby molekul v paprsku, vlastně vytvořit paprsek částic o velmi malé vnitřní teplotě. Všechny tyto vlastnosti nadzvukových paprsků vyplývají ze srážek molekul v přecpaném ústí zdroje. Pochopí je okamžitě každý, kdo se někdy vydal na sobotní výprodej ve velkém obchodním domě, jako je třeba bostonský Filene’s. Typické je, že se před vchodem shromáždí hustý dav (jako plyn o vysokém tlaku uvnitř zdroje). Když se rozletí dveře a dav se valí dovnitř, srážky přinutí všechny, aby se nechali unášet stejným směrem a stejnou rychlostí, ať chtějí nebo nechtějí. Jestliže jsou nadto někteří zákazníci vzrušeni představou výhodného nákupu do té míry, že rozčileně poskakují, gestikulují a otáčejí se (jako vibrující a rotující molekuly), odskáčou to častějšími a tvrdšími srážkami. Někdy dokonce utrží i monokly nebo rozbitý nos, což tyto temperamentní spotřebitele patřičně zchladí (k nižším a použitelnějším teplotám). Drastické zchlazení, k němuž dochází v supersonických paprscích, se ukázalo jako neobyčejně užitečné. Zejména v tom, že vedlo před několika lety k objevení nové formy prvkového uhlíku, jehož molekuly mají šedesát uhlíkových atomů, uspořádaných do propojených šestiúhelníků a pětiúhelníků stejně symetricky jako na povrchu fotbalového míče. Této molekule se
Věda mezi humanitními obory Ve hře „Jak se vám líbí“ říká Shakespeare ústy vévody: Sladká je moudrost těžit z protivenství, jež jako ropuchy, ač ohyzdné a jedovaté, v hlavě nosí klenot (překlad E. Saudka) Ovoce a květiny vědy a rozumu jsou po mém soudu dostatečně odolné, aby vzdorovaly i jedovatým kritikům. Jesliže však my jako zahradníci budeme správně reagovat, mohou nám být tito kritici nápomocni, abychom se naučili lépe pečovat o naše vzácné rostlinstvo. Konečně jak naše zahrady, tak „kritika vědy“ bující na akademických polích budou podrobeny tvrdému zkoumání budoucích generací učenců. Proto
tuto část uzavírám třemi poznámkami, které kladou důraz na to, proč a jak je třeba vzdělávat naše společné pozemky, zahrady patřící jak vědě, tak humanitním oborům. l Mistrovská díla přírodních věd, humanitních oborů i umění jsou vesměs důkazem nádherné tvůrčí schopnosti lidstva. Ať tato díla vznikla kdekoliv na světě, dnes jsou součástí bohatého dědictví, pečlivě opatrovaného všemi kulturami. To by mělo být pobídkou blízkých přátelských vztahů mezi těmito oblastmi. Před čtyřiceti lety jsem, jako začínající doktorand, slyšel tyto myšlenky zaznít v zanícené přednášce na Harvardově univerzitě z úst Isidora Rabiho: V čem je naděje, že dosáhneme moudrosti, která dává v naší době smysl? Moudrosti uvážlivého úsudku pevně spočívajícího na vědoucí mysli a citlivém srdci, moudrosti vyjádřené slovem i činem. Zcela jistě k ní nemůžeme dospět, dokud dvě mohutné větve lidského vědění, věda a humanitní obory, zůstanou oddělenými, neřkuli soupeřícími disciplínami. Pro mne samotného nespočívá hodnota vědy nebo humanitních disciplín ani zcela, ani zčásti v jejich náplni. Je především v živoucí tradici a v duchu, v němž se tyto odlišné disciplíny pěstují. Naším úkolem je vzájemně sladit tyto tradice. Největší překážkou na této cestě je vzájemná komunikace. Člověk, který není vědcem, nemůže s potěšením a porozuměním vědci naslouchat. Jen ve spojení vědy a humanitních oborů je naděje, že dosáhneme moudrosti hodné našich dnů a naší generace. Vědci se musí naučit vysvětlovat vědu v duchu této moudrosti, ve světle historie myšlenek a usilování lidstva, a ne jako místopis vesmíru neobývaného lidmi. Naši kolegové v humanitních oborech musí zase pochopit, že pokud jejich učení bude ignorovat velkou tradici vědy a všechno to, čeho věda dosáhla, jejich slova – jakkoliv výmluvná a elegantní – budou postrádat v této generaci smysl a neponesou ovoce. Jenom ve sdruženém úsilí je naděje, že najdeme myšlenkové společenství, jež nás vyvede z temnot a zmatků, které lidstvo sužují. Isidor Rabi o svých obavách později hovořil s C. P. Snowem a ten tyto otázky dále rozvinul ve svém slavném eseji o dvojí kultuře. V našich dnech se zdá být kulturní propast ještě širší a ještě hrozivější. Nové státní směrnice pro výuku amerických dějin jsou toho výmluvným příkladem. Po více než třech letech práce mnoha historiků vznikl dokument o dvou stech padesáti stranách s návrhem osnov pro pátou až dvanáctou třídu. Není v něm jediná zmínka o nějakém vědeckém objevu nebo o nějakém vědci. Dokonce ani o Benjaminu Franklinovi. l A přece hodně věcí může vyvolat hřejivý pocit u srdce, ať jde o vědce nebo humanisty slyšící Rabiho volání. Velké úsilí se dnes věnuje zásadním reformám vědecké výchovy na školách všech úrovní. Koneckonců posledních čtyřicet let přineslo záplavu článků, knih, filmů a televizních programů, které dělají vědu stravitelnou pro širokou veřejnost. Většina velkých měst má vzkvétající muzea vědy. Takové muzeum v Bostonu například přilákalo v předloňském roce 1,7 milionu návštěvníků (a to je dost: srovnejte to s 2,2 milionu fanoušků, kteří během baseballové sezony přijdou na utkání Red Sox!). Brzy budou tyto informace ještě snadněji dostupné díky internetu. O vědě se hodně a výborně píše v dobrém stylu humanitních oborů. Velká část toho se odvíjí z historie vědy, jež se dokonce začíná plně rozvíjet jako vědecká disciplína (byť často ignorovaná ostatními historiky). Sympatický velký podíl přichází přímo od vědců píšících v duchu „myšlenek a usilování lidstva“. Příklady http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 77, duben 1998
227
ESEJ
dostalo poněkud výstředního názvu „Buckyball“, „kulička Bucky“, úředněji fulleren, na počest její podobnosti s geodetickými dómy architekta Buckminstera Fullera (viz Vesmír 76, 65, 1997/2). Asi bude překvapením, že práce, která vedla k objevu fullerenů, byla motivována problémem ve spektrech mezihvězdného prostoru. Odtud totiž pochází nápad, že série dlouho neurčených absorpčních čar ve spektrech by mohla souviset s klastry (shluky) uhlíkových atomů. Dnes se ale nezdá, že by tomu tak bylo. A tak je trochu ironií, když se nakonec ukazuje, že fullereny a příbuzné molekuly mohou být ve značném množství extrahovány z obyčejných sazí. Celá záležitost otevřela pro syntetické chemiky obrovskou oblast molekulových struktur, odvozených od modifikace prvkového uhlíku, jehož jednotka má vaznost uhlíkového atomu šedesát místo obvyklých čtyř. A tak pohled do nebes vedl vědce k tomu, aby v popelu, který od dob jeskynního člověka ležel u jejich nohou, objevili molekulu z rodu překvapení Popelčina oříšku. Další zastavení naší cesty je u obrazovky počítače. Před třemi lety se snažil jeden doktorand Kalifornské univerzity v San Francisku najít nebo navrhnout molekulu, která by deaktivovala enzym klíčového významu pro reprodukci viru způsobujícího aids. Deaktivující molekula musí mít správnou velikost a tvar, aby dobře zapadla (v počítačovém modelování) do příslušné výdutě enzymu. Nadto musí mít torzo odpuzující vodu, neboť výduť je hydrofobní. Kamarád onoho doktoranda, naslouchaje jeho lamentacím nad tím, co všechno zkoušel a jak se nic nehodilo, mu spíše z legrace navrhl zkusit fulleren. Náš student se tedy vrátil k počítači a zjistil, že fulleren se kupodivu do výdutě přesně hodí. Brzy nato jiný chemik, na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, uvařil derivát molekuly C60 se dvěma křídly, která činí molekulu rozpustnou ve vodě, přestože molekulové torzo je hydrofobní. A pak fyziologové Emory University v Georgii přišli na to, že tento derivát fullerenu (zatím ve zkumavce) opravdu zcela deaktivuje enzym řídící reprodukci aidsu. To je samozřejmě všechno pořád velmi vzdáleno konečnému cíli, jímž je lék, který by bezpečně fungoval proti aidsu v živých buňkách. Přesto cestička od Sternových magnetů k viru způsobujícímu aids může sloužit jako jedna z mnoha ilustrací, jak základní výzkum otevírá nepřeberné množství nečekaných možností. Žádná grantová agentura na světě by asi nepovažovala za přijatelný návrh výzkumu, který by se ucházel o finanční podporu prací se supersonickými paprsky nebo se spektry mezihvězdného prostoru s cílem vyřešit problém aidsu. A přece se dá najít řada takových historických cestiček, které jsou oslavou hybridních objevů ze zdánlivě nesouvisejících políček zahrady vědy.
jsou četné: Lewis Thomas, Victor Weisskopf, Philip a Phylis Morrisonovi, Gerald Holton, Freeman Dyson, Jeremy Bernstein, Carl Sagan, Jared Diamond, James Trefil, Roald Hoffmann a mnozí další. Jiným žánrem je beletrie, která obsahuje alespoň kousek opravdové vědy (na rozdíl od scifi, vědou často jen klopýtající); pěkným příkladem je román Carla Djerassiho „Gambit la Bourbaki“, který vyšel nedávno. Humanitní výchova hodná svého jména a tradice jistě musí směřovat k tomu, aby zahrnula vědu do naší obecné kultury. Nemůžeme ale moc očekávat, pokud budeme i nadále udržovat vědu v kolejích oddělených kurzů. I něco takového jako „fyzika pro básníky“ nakonec nemůže než potvrdit převládající názor, že věda je jen pro profesionály. A přitom je nepřeberně způsobů, jak začlenit trochu vědy do nejrůznějších oborů – a naopak! Často takové drobky, užité k rozšíření obzorů, mají formu podobenství. Uvádím několik příkladů, které by se mohly hodit pro přednášky různého druhu.
Ekonomie V roce 1880 byl kovový hliník vzácnější než zlato. I když hliníkových rud je dostatek, kov je tak pevně vázán s kyslíkem, že se nedařilo najít levný způsob, jak jej získat. Proto také tvoří vrchol Washingtonova pomníku malá pyramida z hliníku, proto byla z hliníku koruna dánského krále Kristiana X., proto na slavnostních večeřích Napoleona III. měli hosté před sebou zlaté talíře, ale čestný host talíř z hliníku. V chemických přednáškách na Oberlin College slýchal Charles Hall svého profesora, který tvrdil, že „kdokoliv dokáže získat kovový hliník z oxidu, nadělá jmění“. Hall tedy začal dlouhou řadu experimentů, v kůlně za domem rodičů a v pánvích a hrncích vypůjčených z matčiny kuchyně. V roce 1886 přišel na to, že může rozpustit oxid hliníku v roztavené hornině, zarazit do ní elektrody a elektrickým proudem uvolnit čistý kov. (Mimochodem, takto se hliník vyrábí dodnes.) Za pár let vznikl celý mohutný průmysl a cena hliníku klesla asi na padesát centů za libru. Předtím ale, po celé minulé století, se cena hliníku téměř nezměnila, a přece ekonomy nenapadlo použít hliník jako měnový standard. [Pozn. překl.: Jak jen docenit úsilí našich ekonomů, kteří nás už skoro padesát let vybavují hliníkovými mincemi? Ale oni možná jen naplňují předvídavé heslo Járy Cimrmana: Budoucnost patří aluminiu!]
Historie Syntéza polymerů hrála klíčovou roli při vstupu Spojených států do druhé světové války. Japonský útok na Pearl Harbour 7. prosince 1941 nebyl ani zdaleka takovou katastrofou, jakou byl pád Singapuru o tři měsíce později. Ten totiž připravil jak Spojené státy, tak Británii o téměř jediný zdroj kaučuku. Ve zprávě Bernanda Barucha (prezidentova poradce pro ekonomii) z té doby stálo: Ze všech kritických důležitých a strategických materiálů představuje nedostatek kaučuku největší hrozbu pro úspěch věci Spojenců... Jestliže se nám nepodaří rychle zabezpečit dosti velký nový zdroj kaučuku, zhroutí se jak naše válečné úsilí, tak i domácí hospodářství. Tato zpráva odstartovala bleskový program výroby syntetického kaučuku, založené na metodě, která byla vyvinuta a zavedena v Německu. V podstatě tedy klíč k záchraně poskytl náš nepřítel. Rychle bylo postaveno na padesát továren a to dovolilo zahájit koncem roku 1942 vojenské akce. Bez tohoto obrovského projektu by však vítězství Spojenců bylo stěží možné. Ale pozor: aby se celá věc mohla uskutečnit s úspěchem
228
VESMÍR 77, duben 1998 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
v tak tísnivě krátké době, museli jsme mít dostatečně velkou armádu polymerních vědců a inženýrů. A ta tady byla: úsilí o výrobu umělého hedvábí, které začalo o patnáct let dříve a vyvrcholilo přípravou nylonu, poskytlo z větší části zázemí, kde se tato životně důležitá záloha specialistů vytvořila už dříve.
Politické vědy Bernard Cohen, významný historik vědy, právě publikoval pozoruhodnou knihu Věda a otcové-zakladatelé. Kniha sleduje úlohu vědy v politickém myšlení B. Franklina, T. Jeffersona, J. Adamse a J. Madisona – pohled, který „většinou nápadně chybí v obvyklých učebnicích“. Zmíním se jen málo o Benjaminu Franklinovi: Coby americký idol je trefně líčen jako moudrý a vtipný pragmatik v obchodu i politice, ale jeho vědecká práce je silně podceňována. Obvykle bývá pojímán jako obtloustlý legrační strýc, jak pouští draka, anebo šikovný kutil, jak vynalézá užitečné strojky, tu bleskosvod, tu bifokální brýle, tu výkonná kamna. Cohen ovšem zdůrazňuje, že začátkem osmnáctého století byla elektřina větší záhadou než gravitace o sto let dříve. Franklin tuto záhadu rozlouskl, i když byl úplným samoukem a daleko od jakéhokoliv centra vzdělání. Jeho kniha Pokusy a pozorování o elektřině byla v Evropě senzací. Dočkala se pěti vydání v Anglii a byla přeložena do francouzštiny, němčiny a italštiny. Četli ji nejen učenci, ale i vzdělaná veřejnost včetně šlechty a duchovenstva. Franklinovi se dostalo vysokých poct, mimo jiné byl zvolen zahraničním členem Francouzské akademie; stal se tak prvním Američanem v této instituci, jediným po celé další století. Jeho proslulost jako vědce, srovnatelná s proslulostí Newtonovou v jeho době nebo Einsteinovou v době naší, přispěla významně k úspěchu americké revoluce. Franklin přijel do Paříže v roce 1776 právě v době, kdy Francie podepsala pakt o neútočení. Ten ji výslovně zavazoval k tomu, že neposkytne pomoc žádné rebelii v britských koloniích. Franklinův věhlas člověka, jenž zkrotil blesk, mu zjednal přístup ke královskému dvoru a zajistil obrovskou popularitu veřejnosti. To pak uspíšilo a zvýšilo životně důležitý přísun zbraní a financí z Francie americkým vzbouřencům. Franklinova sláva byla opravdu srovnatelná s popularitou rockové hvězdy našich dní. Tehdy sice ještě neexistovala potištěná trička, ale Franklinův portrét byl k vidění po celé Paříži na medailonech a praporcích, často s mottem Eripuit celeo fulmen sceptrumque tyrannis (vyrval blesk nebesům a žezlo tyranům). Ludvíku XVI. šla tato idolizace tak na nervy, že věnoval své oblíbené milence nočník s Franklinovým portrétem na dně.
Matematika Pasáž Cohenovy knihy o vědě v životě Thomase Jeffersona nabízí několik příkladů, podnětných a poučných v souvislosti s praktickými problémy. Mně se zvlášť líbí část, která se týká Jeffersonovy erudice v matematice. V mimořádně široké paletě Jeffersonových intelektuálních zájmů zaujímala věda postavení „nejvyššího potěšení“. Vážil si nad jiné Isaaka Newtona, studoval dychtivě jeho Principia, a dokonale zvládl geometrii i matematické výpočty. Když se zabýval návrhem vylepšeného pluhu, narazil na klíčový problém (té části) radlice, která odkrajuje a obrací ornici, když se čepel zakusuje do země. Nejdříve se o to snažil zkusmo, jen s pomocí jednoduchých geometrických výpočtů. Po poradě s přáteli-matematiky si však uvědomil, že nalezení optimálního tvaru vyžaduje vyřešení vážného výpočtového problému. A tak
Protože se Země točí
Výklady fyziků, profesorů Žáčka a Trkala, byl Šikl (profesor patologické anatomie) často zklamán. Začal jednou při přátelském obědě: „A to jsou v tom hned zborcené plochy a integrály. Ale vyložte prostá fakta prostým rozumem. Tak třeba, pánové, proč se produkt defekace kroutí do spirály?“ Fyzikové si ani nelízli. A dobře udělali. „Přece proto, že se pod defekujícím Země točí.“ Fyzikové prý po řadu týdnů na přátelský oběd nepřišli. Alarich a ti druzí, Medicína v županu a jiné historky. Mladá fronta, Praha 1969
Ostudné selhání českých fyziků neušlo pozornosti světové vědy a nepřímo vyprovokovalo Američany k podrobnému studiu příbuzných jevů, viz J. Walker: Why do honey and syrup form a coil when they are poured?, Scientific American 245 (3), 158–168, 1991. Z vědeckého pojednání o proudění sirupu a motorového oleje můžeme vydestilovat následující závěry obecného významu: l Silou, která způsobí spirální svíjení, je mechanické napětí, které vzniká ve vertikálním proudu tekutiny, jemuž kontakt s podložkou počal bránit v přímočarém pohybu. l Nikoli otáčení Země, ale kruhový profil trysky je jedním z hlavních faktorů, které rozhodují o vzniku spirálního svíjení. Kdyby se její tvar podobal protaženému oválu, tekutina dopadající na podložku by se většinou počala skládat jako stuha, podobně jako rozpuštěná čokoláda, když ji vyléváme přes hranu misky na povrch dortu. l Poloměr spirálního svíjení závisí na průměru proudu a viskozitě tekutiny (viz obr.). Je-li tekutina příliš hustá, její proud tlustý, a navíc omezené délky, položí se jako kláda. Čím je proud jemnější, tím pravděpodobněji se začne svíjet do elegantní spirály. l Frekvence spirálního svíjení závisí také na výšce trysky nad terénem. V určitých mezích platí, že roste s výškou. Tyto závěry mohou bezesporu vysvětlit mnohé z výsledků četných praktických pokusů. Po letech byl tedy profesor Šikl vědou usvědčen jako obratný a možná i trošku záludný mystifikátor, což o něm ostatně všichni Alarichovi příznivci tušili. Naštěstí pro nás fyziky neměl Šikl ponětí o paradigmatech kvantové teorie. Z úvah o vlivu relací neurčitosti na tvar a polohu pozorovatelného výsledku studovaného fyzikálního procesu by se nám již tak snadno vylhat nepodařilo a nejsem si zcela jist, zda by nám Američané dokázali znovu pomoci. Navíc musíme sebekriticky přiznat, že pokud bychom se pokusili dogmaticky aplikovat americké výsledky na Šiklův problém v jeho úplnosti, narazili bychom na meze vědeckého redukcionizmu. Do
ESEJ
nepochopení nebo přehlížení rozdílu, který je třeba ve filozofických diskusích vždy pevně stanovit, totiž rozdílu mezi postačujícím a nutným. Nemohu věřit (a vlastně bych považoval za komicky trapný omyl, kdybych věřil), že užití rozumu je postačující, aby vysvětlilo stav našeho světa a – kdekoliv je to nutné – jej napravovalo. Pevně však věřím, že užití rozumu je za všech okolností bezpodmínečně nutné, a nedbáme-li o to, ženeme se do záhuby. Já a moji druhové věříme, že svět je možno změnit k lepšímu, učinit jej lepším místem pro život... a opravdu věřím, že se to už děje díky úsilí, v němž – přes všechny nedostatky, jež nijak neskrývám – přírodní vědy hrají důležitou roli... Pro zanícené lidi je vědomí, že tomu tak je, zdrojem síly a energickou pobídkou k spravedlivému a čestnému úsilí a další práci... Na hrůzu a zklamání, které může snad plynout z neschopnosti vědy odpovědět na nejzazší první a poslední otázky, si už obyčejní lidé dávno našli lék ve Voltairových slovech: „Musíme dále vzdělávat svou zahrádku.“ Úvodní stať knihy „Útěk od vědy a rozumu“, Annals of the New York Academy of Sciences, sv. 775, 24. 6. 1996, se svolením vydavatele přeložil Zdeněk Herman (dokončení z předchozího čísla Vesmíru, s. 165)
JAROMÍR PLÁŠEK
tohoto neblahého fenoménu se promítá fatální omezenost vědy, která se nechce vzdát iluze, že vlastnosti živé hmoty lze vysvětlovat pomocí pojmů vykutaných z idealizovaných experimentů fyziků a chemiků. V našem konkrétním případě jde o to, že modelové americké pokusy neberou v úvahu takovou zásadní biologicko-anatomickou skutečnost, jako je závislost průměru kontejnerového otvoru na viskozitě vytékající tekutiny. Je to jeden z mnohých příkladů toho, že vztah výpovědí vědců k „výpovědím přírody“ má povahu hry s neúplnou informací. Jednotlivá výpověď, kterou příroda poskytne, není předvídatelná. Musíme proto připustit, že není důležité jevům rozumět. Je však třeba umět o nich snivě mudrovat a nalézt v básnivém přemýšlení zdroj potěšení, skrze které se můžeme intuitivně přiblížit k uchopení existence neexistujích zákonů, kterými se řídí mnohost světů, v nichž ve skutečnosti žijeme. Existuje, či neexistuje pokrok ve vědě? Toť otázka, na kterou filozofové velice těžko hledají odpověď prvního dubna, stejně jako prvního máje či osmého prosince. Post scriptum: Autor nebude mít žádný pocit viny za ztracený čas čtenářů, kteří by se náhodou rozhodli vidět v tomto textu něco jiného než parodii na profesionální žargon některých vědních oborů.
Kresba © Jaromír Plášek
nakonec použil k pojednání problému orání brázd na zemském povrchu matematické nástroje, které Newton vyvinul k analýze pohybu nebeských těles. Jeffersonova úprava radlice byla používána celých sto let; kéž by se stala příkladem pro dnešní studenty matematiky! l Cílem humanitní výchovy je zejména vštěpovat návyky neustálé zvídavosti a nezávislého, odvážného myšlení. Bronowski i Rabi naléhavě doporučují, aby se na cestě za tímto cílem vzájemně doplňovaly humanitní obory a věda. Každá akademická subkultura se zabývá zcela odlišným okruhem otázek, vypracovává velmi odlišná kritéria jak hodnotit odpovědi, a vyvíjí svůj vlastní jazyk. To sice znesnadňuje komunikaci mezi obory, ale neměli bychom dovolit, aby to vyvolávalo neúctu. Věda nebo kterákoliv jiná subkultura se zabývá otázkami, které jsou jejím metodám přístupné. Měli bychom všichni usilovat o široké a všeobsahující společenství, v němž by celek mocně převyšoval součet jednotlivých částí. A nakonec se vracím k slovům Petra Medawara, neboť tak dobře vyjadřují, v co i já sám věřím: Považuji se za racionalistu, ale obvykle váhám se za něj veřejně prohlásit. A to pro všeobecně rozšířené
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 77, duben 1998
229
