Předmluva Krásu fyziky charakterizuje jedna prostá skutečnost: i dítě může vznést dotazy, které neumí zodpovědět žádný profesor. Tato kniha vychází v sérii Velké otázky, jenže velké otázky fyziky – to je problematická věc. Ve fyzice totiž neexistují žádné malé otázky. Zdánlivě nedůležité teoretické úvahy či nový experiment mohou najednou vést k zásadní změně pohledu. Například od dotazu, zda fyzikální zákony platí vždy, nebo mohou být někdy narušeny, je zdánlivě jen krůček k otázce, zda fyzika ponechává místo pro stvořitele. Ale úvahy se nezastaví u tohoto bodu. Fyzika nám říká, že stvořitel nemusí být nějaká božská bytost; možná žijeme v jednom z nekonečně mnoha vesmírů, z nichž každý byl stvořen bytostmi jen lehce inteligentnějšími než ty, které jsou jejich největším tvůrčím činem. Možná jsme právě my samotní stvořili vesmír. Jsou-li ve hře tak zásadní cíle, není divu, že ty nejobdivovanější vědce nacházíme právě mezi fyziky. Albert Einstein se stal celebritou takřka přes noc, když jeho obecná teorie relativity od základu změnila naše představy o vesmíru. Televizní pořad Kosmos Carla Sagana zůstává vůbec nejsledovanějším seriálem. Richard Feynman se svým věcným rozborem fyzikálních aspektů spojených s katastrofou raketoplánu Challenger ukázal, jaká síla se skrývá v hluboké znalosti fyziky. Práce Stephena Hawkinga, kterou vyložil v bestselleru Stručná historie času, vzbudila nebývalý zájem o vědecké poznání u lidí, kteří dříve vědě nevěnovali jedinou myšlenku. K těmto gigantům se mohou řadit snad jen objevitelé DNA. Lidé se ovšem fyziky zároveň bojí. Když se v náhodném rozhovoru zmíním, že jsem ji vystudoval, řada lidí reaguje se
6
P Ř E D M L U VA
zvláštní směsicí obdivu a rozpaků.Vyslovují se s úctou o tom, když se někdo snaží pochopit vesmír, zároveň ale dávají najevo, že takové snahy jdou zcela mimo ně. „Hm, fyziku jsem nikdy nechápal.“ Pronášíte-li i vy občas takové výroky, pak doufám, že tato kniha váš přístup změní. Tím nejlépe střeženým tajemstvím fyziky je, že je příliš obsáhlá, než aby kdokoli mohl všemu rozumět. To ale není na závadu – právě v tom spočívá jádro jejího půvabu. Fyzika toho má ke zkoumání tolik, že jakmile se jednou zmocní vaší představivosti, nedokážete se od ní odtrhnout. Hodiny na zdi vám budou připomínat nepolapitelnou povahu času. Při pohledu na sluneční svit si budete uvědomovat, že je to výsledek krásného složitého tance částic, známého jako jaderná syntéza. Když uvidíte padat dešťovou kapku, napadne vás řada „proč“ a přemýšlení nad nimi vám pomůže zpříjemnit si čekání na konec té nejdelší bouřky. To, jak roste slunečnice, vypovídá mnoho o zachování energie a o tom, jak sluneční světlo utváří život na Zemi. Pokročte dále. Zeptejte se, co je to světlo, a rázem se ocitnete na pokraji problému, který řada vědců pokládá za nejhlubší tajemství přírody. Tato kniha má předvést, jak některé jednoduché otázky vyústily v ty nejzásadnější objevy, které lidstvo kdy učinilo. Pojednává o fyzice způsobem, jakým jste o ní ve škole neslyšeli: o co v ní celkově jde, jaké má důsledky, co víme o vesmíru – a co o něm nevíme. Carl Sagan jednou řekl: „Někde něco neuvěřitelného čeká, aby to bylo objeveno.“ Doufám, že pro vás tento proces objevování může začít zde.
7
O CO JDE VE FYZICE?
Nesmyslné otázky, nečekané výdobytky a nikdy nekončící cesta za porozuměním
O
tázka v nadpisu se přetřásá v hodinách fyziky už mnoho desetiletí. Odpověď na ni často začíná apokryfickým příběhem o legendárním řeckém filosofovi Archimédovi a koruně krále Hierona. Hieron panoval v sicilském městě Syrakusy. Jednou dal zlatníkovi určité množství zlata a chtěl, aby mu z něho zhotovil korunu. Zlatník korunu odevzdal, ale král se doslechl, že část zlata v ní nahradil stříbrem. Hieron proto pověřil Archiméda, kterému v té době bylo jen něco přes dvacet let, aby zjistil, je-li to pravda. Podle této historky, kterou zapsal římský spisovatel Marcus Vitruvius Pollio, Archimédes našel řešení problému, když si všiml, kolik vody vytlačí jeho tělo v lázni. Stříbro, které má menší hustotu než zlato, vytlačí při stejné váze více vody. Archimédes tedy provedl pokusy, při nichž nořil kusy zlata a kusy stříbra o stejné váze do vody a sledoval, kolik tekutiny vytlačí. To mu umožnilo určit, že v koruně je skutečně příměs stříbra. Po svém objevu prý rozradovaný vyrazil z lázní, běžel nahý po ulici a volal: „Heureka“ (objevil jsem). Je toto úkolem fyziky – odpovídat na zdánlivě nezodpověditelné otázky? Dnes jsme schopni své okolí zkoumat ve velikém rozpětí měřítek. Kdysi si lidé mysleli, že viditelná hmota je spojité prostředí, pak jsme však pokročili k menším 8
O CO JDE VE FYZICE?
měřítkům a došli až k atomům, potom dále k fundamentálním částicím, až jsme dospěli k představě, že hmota ve skutečnosti pochází z fluktuací energie v prázdném prostoru (viz Jsou pevné látky skutečně solidní?). Kdysi byla nejzazší pozorovatelnou mezí hvězdná obloha. Dnes víme, že pozorovaný vesmír je obrovský, má průměr skoro 28 miliard světelných let (viz Jsem jedinečný?). A nesmíme zapomenout ani na těžce získaný triumf fyziky, objev, že světlo se pohybuje ve všech vztažných systémech stejnou konstantní rychlostí (viz Můžeme cestovat v čase?). Známe značnou část historie vesmíru, víme toho mnoho o struktuře hmoty i naší planety. Ale hlavní poučení, kterého se nám dostalo, je, že kdykoli si myslíme, že už přírodě skoro rozumíme, znovu nás překvapí a ukáže nám, že toho ve skutečnosti víme málo. Snad nejlépe to vystihl ve svých vzpomínkách Isaac Newton. „Nevím, jak se budu jevit světu, ale sám si připadám jako malý chlapec, který si hraje na mořském břehu a občas se zaraduje, když najde o něco hladší oblázek nebo hezčí ulitu, a zatím před ním leží celý nepoznaný oceán pravdy.“
„Nevím, jak se budu jevit světu, ale sám si připadám jako malý chlapec, který si hraje na mořském břehu a občas se zaraduje, když najde o něco hladší oblázek nebo hezčí ulitu, a zatím před ním leží celý nepoznaný oceán pravdy.“ ISAAC NEWTON
Alternativa k pověře Jeden aspekt fyzikálního poznání oceňoval Isaac Newton méně než většina učenců jeho doby, a to možnosti, jež věda dává k potlačení mysticismu a pověrčivosti. Newton byl též alchymistou a znalcem bible; za své největší dílo pokládal studie o starozákonní knize Daniel. Kdykoli se zdálo, že fyzika vrhá stín pochybnosti na spirituální záležitosti, Newton takový výklad odmítal. Na kritiky náboženství ze strany astronomů odpovídal: „Já jsem ty věci studoval, vy ne.“ Newton ponechal prostor pro boží ruku v běhu 9
O CO JDE VE FYZICE?
nebeského hodinového stroje, pokrok fyziky však potřebu přímého božího zásahu brzy vytěsnil. Když se císař Napoleon zeptal Pierra-Simona Laplace, proč se ve svém novém díle o nebeské mechanice nezmiňuje o Bohu, Laplace odpověděl: „Tuto hypotézu jsem nepotřeboval.“ Jedním z cílů fyziky je hledat, co se ve vesmíru dá vysvětlit soustavou zákonů – čím jednodušší tyto zákony jsou, tím lépe. Před rokem 600 př. n. l. se sice rozvinuly určité technologie, ale tehdejší civilizace věnovaly zákonitostem světa malou pozornost. Pak přišla milétská škola. Město Milét na západním pobřeží asijské části dnešního Turecka se stalo domovem způsobu myšlení, které se z hlediska dnešní vědy jeví jako skutečná žízeň po hlubokém poznání. Miléťané se snažili hledat zákony vysvětlující přírodní jevy místo toho, aby ponechávali tajemství vesmíru zahalena v mystickém religiózním hávu. Přišli s teoriemi o vzniku zemětřesení, povaze blesku a struktuře vesmíru. Milétští filosofové o těchto problémech veřejně diskutovali, zkoumali, jak by se jejich teorie daly ověřit, a přijímali experiment jako arbitra pravdy. Anaximenes z Miléta může být považován za zakladatele vědeckého experimentu. Zkoumal, jak se liší teplota vydechnutého vzduchu, když jej vyfoukneme mezi sevřenými rty a široce otevřenými ústy. Došel k závěru, že stlačením se vzduch ochlazuje, rozpínáním naopak zahřívá. Skutečnost, že neměl pravdu, že je tomu právě naopak, je další poučení z historie fyziky. Nikdy si nemůžeme být jisti, že „přejatá moudrost“ je pravdivá; přijímané teorie, a dokonce i „fakta“ o fungování věcí ve vesmíru se často ukážou chybnými a nahradí je nové myšlenky. Ale i ty mohou být vyvráceny, falzifikovány. Fyzika je procesem neustálého testování teorií a hypotéz – dokonce i těch, o nichž bychom si velmi přáli, aby byly správné. Právě z toho důvodu fyzika jaksi postrádá „vědecké svaté“. Není to obor, kde by spolu soutěžily velké spekulativní představy, 10
O CO JDE VE FYZICE?
HLEDÁNÍ ZÁKONŮ SPOLEČNOSTI James Wilson, který sehrál podstatnou roli při sepisování americké ústavy a stal se jedním z prvních šesti soudců nejvyššího soudu jmenovaných Georgem Washingtonem, si vzal myšlenky fyziky k srdci. Když ve svých přednáškách o zákoně definoval roli vlády, řekl: „Každá část působí a je na ni působeno, podporuje a je podporována, řídí a je řízena ostatními částmi … existuje nutnost pohybu v lidských záležitostech, a tyto síly jsou k pohybu nuceny, i když se stále pohybují ve vzájemném souladu.“ Wilsonův výrok je hodný Isaaca Newtona – jako by připomínal podobné zákony, jež umožnily Newtonovi stanovit, jak pracuje sluneční soustava. Vztah Newtona k politickým teoriím je ovšem snadné vysledovat. Inspiroval ho Koperník, který uvedl ve známost dílo Aristarcha ze Samosu, jenž žil v Řecku mezi rokem 310 a 230 př. n. l. Aristarcha
zase inspiroval řecký filosof, aristokrat a politik Platon. Za největší Platonův příspěvek k naší civilizaci se pokládá Republika, pojednání o tom, jak nejlépe řídit společnost. Platon byl ovšem také význačným astronomem – jako úplně první si například všiml, že anomálie v pohybu planet se dají vysvětlit kombinací kruhových drah. Platon se domníval, že fyzika je pro politika výborným tréninkem. Političtí vůdci by se podle něj měli vzdělávat ve fyzikálních vědách, jako je astronomie, ne proto, že by jejich práci pomáhalo pozorování hvězd nebo námořní navigace, nýbrž proto, že toto vzdělání rozvíjí abstraktní myšlení, a to je pro člověka ve vedoucím postavení nezbytné. Tyto schopnosti jsou stále atraktivní. Ti, kdo vystudovali fyziku, jsou velmi žádaní i vně laboratorních stěn – ve finančnictví, obchodě a státních úřadech.
shody se zde dosahuje sbíráním experimentálních důkazů. Ti, kteří nepřijmou výsledky experimentů, aniž pro to uvedou dobré důvody, se octnou na „špatné“ straně plotu a jsou vyvrženi z hlavního vědeckého proudu.
Více než součet částí Albert Einstein a Richard Feynman jsou dobrou ilustrací toho, že fyzika jako celek je něco většího než jednotliví fyzici. Einstein je dnes v obecném povědomí ikonou, ale když umíral, nebyl již mezi svými kolegy „hrdinou“, tedy uznávanou vedoucí osobností. Právě naopak, na jeho hledání během pozdějšího života se fyzici často dívají s určitým politováním. Nejznámější objevy udělal na začátku 11
O CO JDE VE FYZICE?
kariéry. Jeho experimentálně ověřený objev fotonu byl jedním ze základů kvantové teorie (viz Co je to světlo?). Teorie fotonů zničila staletí starý pohled na světlo jako vlnu. V téže době jeho speciální teorie relativity zásadně změnila naši představu o čase. Jeho objev, že energie a hmotnost jsou navzájem zaměnitelné (viz Proč platí rovnice E = mc2?), odhalil základní věci o povaze hmoty a jeho obecná teorie relativity opravila více než tři sta let uznávaný Newtonův gravitační zákon (viz Proč padá jablko?). Pak už ale Einsteinovy práce fyziku moc neovlivňovaly. Kvantová revoluce značně pozměnila podobu kvantové fyziky a Einstein ji odmítal přijmout jako teorii užitečnou pro popis vesmíru. Poslední léta života strávil neúspěšným hledáním teorie sjednocující elektromagnetismus a obecnou teorii relativity, která by měla pozměnit i kvantovou teorii.Většina fyziků se však domnívala, že kvantová mechanika změny v tomto směru nepotřebuje. Okruh jeho spolupracovníků a následovníků se postupně zmenšoval. Richard Feynman je možná druhý nejznámější fyzik hned po Einsteinovi. Byl výborným popularizátorem fyziky, originální nápaditý „První zásadou je, myslitel, a co je nejdůležitější, zůstal hrdinou že nesmíte podléhat vědců pracujících v kvantové teorii. Feynman sebeklamu – a právě vás sice nedosáhl závratných výšin Einsteinových je nejsnadnější objevů, ale jeho příspěvek k vývoji kvantové teorie pole byl neocenitelný.Vybudoval oklamat.“ kvantovou elektrodynamiku, teorii popisující RICHARD FEYNMAN interakci záření s hmotou (viz Co je to světlo?), která je často oslavována jako nejúspěšnější fyzikální teorie. Jednou z nejsilnějších Feynmanových stránek jako fyzika byla jeho schopnost naslouchat argumentům kolegů, sklánět se před silou experimentálních důkazů a přistupovat k problémům s přesvědčením o vlastní nevědomosti. Známý je jeho výrok: „První zásadou je, že nesmíte podléhat sebeklamu – a právě vás je 12
O CO JDE VE FYZICE?
nejsnadnější oklamat.“ Jeho neochotu klamat sebe samého shrnuje výrok o disciplíně, která se stala pastí pro Einsteina.V knize Povaha přírodních zákonů napsal: „Myslím, že mohu bezpečně prohlásit, že kvantové mechanice nikdo nerozumí. Nikdy si raději neříkejte ,Jak je to možné?‘, jinak se dostanete ... do slepé uličky, ze které ještě nikdo neunikl. Nikdo neví, jak je to možné.“ To je důvod, proč Einstein nebyl v pozdější fázi svého života fyziky tak ctěný jako Feynman. Zatímco Einstein „Viděl-li jsem dále do takové slepé uličky vstoupil, Feynman přiznal hranice svého porozumění kvantové teorii, ale než ostatní, bylo to následoval další fyziky a pokračoval ve smělých proto, že jsem stál výbojích na tomto území. To je další na ramenou obrů.“ pozoruhodnost fyziky – umět stavět na základech ISAAC NEWTON položených jinými. Jak to kdysi napsal Isaac Newton: „Viděl-li jsem dále než ostatní, bylo to proto, že jsem stál na ramenou obrů.“ Důsledkem kvantové mechaniky bylo i to, že fyzika udělala podivuhodný krok – položila si své vlastní hranice. Heisenbergův princip neurčitosti (viz Je ve skutečnosti všechno náhodné?) vytyčil meze toho, co může fyzika říct o mikrosystému.
Skromná věda Z rovnic popisujících kvantový stav mikročástic, například elektronu, vyplývá, že můžeme přesně stanovit buď jejich hybnost, tedy součin hmotnosti a rychlosti, nebo polohu, nemůžeme však přesně změřit oboje najednou. Přesné změření polohy částice vylučuje přesné určení její hybnosti, obě veličiny zároveň mohou být určeny jen s omezenou přesností. Werner Heisenberg si uvědomoval praktickou stránku této skutečnosti – to, co mohou odhalit naše experimenty, má své hranice. Když se foton, kvantum světla, odrazí od elektronu, umožní nám to určit jeho polohu. Jenže při srážce foton předá část své hybnosti elektronu, a tak samotný akt měření polohy vnáší neurčitost do měření hybnosti. Podobně měření hybnosti vnese vždy jistou neurčitost do zjištění polohy částice. Ať se jedná 13
O CO JDE VE FYZICE?
o teorii nebo o experiment, vždy platí určitá omezení ohledně toho, co jsme schopni určit. Fyzika je v mnoha směrech pokorná disciplína. Existuje ovšem řada věcí, kvůli kterým musí vystupovat s pokorou. To také mohou dosvědčit fyzikové, kteří stáli u vývoje atomové bomby. Kdybychom otázku „K čemu je fyzika?“ položili západním vládám po druhé světové válce, setkali bychom se s naprostým nepochopením, jak se vůbec na něco takového můžeme ptát. Válka ukázala, že fyzika je všechno. Fyzika poskytla fantastické inovace: radar, počítače, atomovou bombu a samozřejmě i televizi a mikrovlnné trouby. Fyzika hýbala ekonomií a byla ochránkyní národů. Kdybyste ale položili stejnou otázku fyzikům, jejich odpověď by byla méně nadšená. Okamžitě po první zkoušce atomové bomby v Novém Mexiku řekl harvardský fyzik Kenneth Bainbridge vedoucímu projektu Robertu Oppenheimerovi: „Teď jsme všichni pěkní neřádi.“ I Oppenheimer se potýkal se smíšenými emocemi. O pár desítek let později prohlásil, že všichni věděli, že od toho okamžiku už svět nikdy nebude takový, jaký býval. Tvrdil ale, že kdyby se znovu dostal do takové situace, jednal by stejně. Již ve své řeči v roce 1945 uvedl: „Jste-li vědcem, věříte, že je dobré zkoumat, jak svět funguje … je správné poskytnout celému lidstvu co největší možnosti svět řídit.“
Svět v naší kapse Je snad toto poslání fyziky – získat kontrolu nad světem? Je pravda, že fyzika – či přinejmenším její technické aplikace – stvořily moderní svět. Chceme-li stručně charakterizovat naši dobu, můžeme ji popsat jako období mikroelektronické revoluce, stačí připomenout televizi, počítače, internet, mobilní telefony. To vše má základ ve fyzikálních objevech – přesněji řečeno, tato zařízení využívají křemíkových technologií. Během druhé světové války se výzkumníci snažili vypěstovat co nejčistší krystaly křemíku a germania pro potřeby radaru. Fyzici, především pracovníci Bellových laboratoří v USA, v těchto výzkumech pokračovali i po válce a podařilo se jim z nich vytvořit polovodiče. Technologie 14
O CO JDE VE FYZICE?
založené na těchto materiálech nahradily méně efektivní elektronky. Křemíkové technologie zasáhly trh v roce 1952, kdy se objevily pohodlně přenosné rádiové přijímače s malou spotřebou energie nebo naslouchátka pro špatně slyšící. Rok nato přišel první tranzistorový počítač. Krátce poté se údolí u San Franciska, kde se nakupily elektronické firmy, začalo říkat „Silicon Valley“ (Křemíkové údolí). Dopad fyziky na náš život je jasně patrný – jedním z příkladů je laser. I lasery se vylíhly v Bellových laboratořích v rámci pokračování válečného výzkumu radarových technologií. Od roku 1957, kdy byly objeveny, se postupně staly všudypřítomnou součástí našeho života. Přehrávače CD a DVD, optické komunikace, čtečky čárových kódů v supermarketech, oční chirurgie a laserové tiskárny – to je jen několik příkladů jejich aplikace. Je tedy cílem fyziky rozvoj techniky? Vůbec ne. Technická revoluce 20. století byla nakonec důsledkem objevu – nebo, chcete-li, vynálezu – kvantové mechaniky. Ta však byla výsledkem snahy objasnit, proč se spektrum záření emitovaného při 100 °C troubou na pečení neliší od spektra záření něčeho jiného při téže teplotě – v době jejího objevu se nevědělo, jak dalekosáhlé důsledky to bude mít pro techniku a kolik nových přístrojů a jiných zařízení to přinese. V jádru lze říci, že se naše moderní technologie vyvinuly z kvantové teorie, jež měla své kořeny v termodynamice. Ta zase vznikla ze studia plynů – a tak dále. Fyzika představuje samostatnou řetězovou reakci – každý objev vyvolává nové otázky a ty zase vedou k novým objevům. Jak kdysi řekl George Bernard Shaw: „Věda nikdy nevyřeší problém bez toho, aby vyvolala desítku jiných.“
Nekonečný příběh Konec otázek není v dohledu. Fyzici v minulosti rádi prohlašovali, že jejich práce je u konce.V roce 1894 tvrdil americký fyzik Albert Michelson, že „už byly objeveny nejdůležitější zákony 15
O CO JDE VE FYZICE?
fyziky a ty jsou dnes tak pevně ověřeny, že možnost jejich nahrazení novými objevy je velice vzdálená“. Za deset let jsme měli revoluční teorii relativity a kvantovou mechaniku. V roce 1888 oznámil astronom Simon Newcomb konec astronomie – prohlašoval, že na nebi už toho zbývá objevit jen málo. Ale ani on neměl pravdu. Náš pohled na vesmír se od Newcombovy doby změnil asi mnohem radikálněji než za tisíce let před jeho narozením. A ačkoli nám vývoj kosmologie ve dvacátém století ukázal, z čeho pocházíme, přílišné sebevědomí se z uvažování vědců vytratilo. Poznali jsme, že velkou většinu vesmíru tvoří hmota vědě zatím neznámá, a tak si musíme uvědomovat, že jsme mohli poznat jen jeho malou část. Říká se ovšem, že finále je možná v dohledu: tzv. Teorie všeho. Jestliže fyzika začíná úsilím Miléťanů najít zákony vládnoucí přírodním jevům, teoreticky může skončit objevem jediného zákona – zákona, který dává konečný popis vesmíru. „Teorie všeho“ má sjednotit všechny částice, síly, které mezi nimi působí a prostor a čas do jediného jednotného popisu (viz Je teorie strun skutečně o strunách?). V tuto chvíli máme k tomuto cíli hodně daleko, ale právě jsme možná zjistili, o co ve fyzice opravdu jde: odhalit rozsah naší nevědomosti a možnosti, jak ji zmenšit. Někdy se za pokrok poznání musí zaplatit vysoká cena, jako tomu bylo v případě atomové bomby. Jindy, jak jsme to viděli na kvantové mechanice, získáme velkou odměnu. Fyzici vám ale většinou řeknou, že fyziku dělají především pro vzrušení z objevů a objevování, že objevy činí náš svět zajímavějším. Jak řekl básník John Dryden: „Radost z hledání a chápání je nejkrásnějším darem přírody.“
16
