Poznání a údiv včera, dnes a zítra: očima fyzika JIŘÍ BIČÁK
Název Poznání a údiv si vybral pro svou knížku vydanou v roce 1962 Victor Weisskopf, jeden z vynikajících teoretických fyziků tohoto století,1) autor průkopnických prací především v jaderné fyzice a fyzice elementárních částic. Většinu života strávil ve Spojených státech, rád ale připomínal, že za mnoho vděčí kulturním tradicím Rakouska-Uherska, zvláště své rodné Vídni – od Mozarta a Beethovena po Freuda a Boltzmanna. Vzpomínám na 25. říjen 1990, kdy Victor Weisskopf přednášel v „modré“ posluchárně rektorátu Karlovy univerzity, v první řadě seděl Václav Havel a my byli plni naděje a optimistického očekávání, jak se v této kdysi nejpokročilejší oblasti Rakouska-Uherska bude věda dále rozvíjet. Ani Weisskopfův název však není originální. V motu své knížky Weisskopf cituje Francise Bacona: Veškeré poznání a údiv (který je semenem poznání) je ve své podstatě pocitem rozkoše. Bacon byl velmi zajímavou postavou 17. století. Bertrand Russell mu ve své Historii západní filozofie věnuje celou kapitolu a řadí ji hned za výklad o vzestupu vědy. Bacon byl prvním, kdo se pokusil o logickou systematizaci vědeckého postupu – zdůrazňoval význam indukce, systematického pozorování a následného vytváření hypotéz a teorií. Tvrdil, že bychom neměli být ani jako pavouci, kteří tvoří pouze ze svých vnitřků, ani jako mravenci, kteří jen sbírají, ale jako včely, které nejprve sbírají, pak uspořádávají a tvoří. Baconovým snem bylo vytvořit Šalamounův dům, z dnešního pohledu jakýsi výzkumný ústav, v němž by existovaly specializované laboratoře a knihovny, členové („fellows“) by byli rozděleni do skupin. Někteří by navštěvovali cizí země a získávali tam nové poznatky, jiní by studovali literaturu apod. Vize Francise Bacona byla nejvýznamnějším podnětem pro založení slovutné Královské společnosti (Royal Society) r. 1660 v Londýně. Její založení nadšeně vítal také Jan Ámos Komenský, který napsal: Vás chválím, vám tleskám a ujišťuji vás, že vám tleská celý svět! Další náš emigrant té doby, Václav Hollar, vytvořil rytinu, která byla použita jako frontispis v knize Historie Královské společnosti z r. 1667. Jak se plní Baconovy sny dnes? Z hlediska vývoje globálních vlastností vesmíru je 350 let jepičím intervalem. Naše chápání světa včetně jeho kosmologických aspektů však pokročilo nejen za 350 let od Bacona, ale i za 35 let od prvního vydání Weisskopfovy knihy, a to způsobem nepředvídatelným. Bacon ještě neuznával Koperníkovu soustavu, i když už
146
VESMÍR 78, březen 1999 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
v roce 1609 vyšla Keplerova Astronomia Nova. Weisskopf před 35 lety dával přednost teorii stacionárního vesmíru (dnes již vyvrácené), nevěděl například nic o reliktním kosmologickém záření, o pulzarech, o černých dírách, uvedu-li příklady z oblastí mně blízkých. Bylo to však zvláště patrné v prvních desetiletích našeho století, kdy se zásadním způsobem změnil náš obraz světa – byla vytvořena teorie relativity a kvantová teorie, byla pozorována a teoreticky pochopena expanze vesmíru. Přestože ctím hudbu, malířství, literaturu i množství nových vědních oborů, které v našem století vznikly, a přestože vím, že se mnou mnozí nebudete souhlasit, troufám si říci, že současný fyzikální obraz světa je tím největším, co bylo v kultuře našeho století vytvořeno. Tak tomu nemusí být ve století příštím. V něm možná biologické a snad i společenské vědy radikálně změní náš pohled na svět a na nás samé. Rozvoj fyziky v prvních desetiletích 20. století lze charakterizovat Churchillovým výrokem z bitvy o Británii: Nikdy předtím neudělalo tak málo lidí tak mnoho v tak krátkém čase. Na pokroky vědy tehdy rychle reagovala i naše humanitní kultura. Otokar Březina v dopise z roku 1924 píše: ...Planckova teorie kvant, Bohr, Minkowski, Einstein... kdež to jsme od obrazu světa, jak se jevil vědeckému sebevědomí před půl stoletím! Jaké „sebevědomí“ mají fyzikové dnes? Před třemi roky vydala Britská fyzikální společnost ve spolupráci s Americkou fyzikální společností Fyziku dvacátého století – ve třech knihách na více než dvou tisících stránkách. Obsahuje 27 kapitol. Většina z nich představuje dnes samostatný fyzikální obor. I když se pro přehlednost rozhodneme některé obory spojit, sotva je můžeme redukovat na méně než následujících dvanáct: n kvantová mechanika, n teorie relativity a gravitace, n atomová a molekulární fyzika, n jaderná fyzika a fyzika elementárních částic, n termodynamika, rovnovážná a nerovnovážná statistická mechanika, n fyzika pevných látek a polymerů, n optika a optoelektronika, n fyzika kapalin; fyzika nízkých teplot (suprakapalin, supravodičů), n fyzika plazmatu, n astrofyzika a kosmologie, n přístrojová fyzika (elektronové mikroskopy, holografie...), lékařská fyzika (radiologie, tomografie...). Takový rozvoj vyžadoval od mnoha fyziků askezi a sílu překonávat frustrace z neúspěchu. Všechny tyto obory ovšem přinesly nepřeberné množství výsledků, aplikací a radosti z poznání. Přinesly i rozkoše jiného druhu – nebýt fyziky pevných látek, kvantové optiky a elektroniky, nemohli bychom poslouchat například Beethovenovy pozdní kvartety v dokonalém provedení doma. Základní fyzikální objevy vedoucí k rozvoji lékařské fyziky se každodenně podílejí na záchraně a zlepšování nespočetně mnoha životů. Nejen úspěchy, ale i rizika Přes všechny tyto úspěchy je dnes fyzika vystavena některým vážným rizikům. V celosvětovém měřítku klesá počet studentů zajímajících se o fyziku. SouProf. RNDr. Jiří Bičák, DrSc., (*1942) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu UK. Na katedře teoretické fyziky MFF UK se zabývá obecnou relativitou, kosmologií, astrofyzikou a filozofií fyziky 20. století. Je zakládajícím členem US ČR.
visí to zčásti s tím, že v některých zemích klesají finanční prostředky poskytované univerzitám, a fyzika je drahá. Existují i rizika „filozofičtější“ povahy – o těch se zmíním později. Nadějí je, že si fyzikové začínají uvědomovat, jak důležitá je výchova k vědě. V letošním lednovém čísle zpráv Americké fyzikální společnosti je rozsáhlá speciální příloha věnována „revoluci ve vzdělávání v přírodních vědách“ ve Spojených státech. Dnes již Amerika neklade důraz na přípravu expertů pro účely obrany nebo výrobu satelitů, které by byly odpovědí na vypuštění Sputniku, ale důraz klade na vědeckou kulturu celé společnosti. V technologicky stále náročnějším světě se v některých oborech nebude možno orientovat bez vědeckých a technických poznatků. Michio Kaku, profesor teoretické fyziky v New Yorku, vydal letos v únoru knihu s titulem Vize, jak věda zrevolucionizuje 21. století. Když Kaku přednášel začátkem letošního března v Postupimi, uváděl množství nových technologií, s nimiž lidé přijdou v budoucnu do kontaktu. Zdůrazňoval, že síla rozumu, představivost a invence budou nejdůležitějšími součástmi bohatství zemí. Vlak se rozjíždí, nutno zaplatit jízdenku, tj. vychovávat mladou generaci k vědě, tvrdí Kaku. Fyzikové se však budou muset obracet na celou společnost a ukazovat jí nejen to, že poznání je „ve své podstatě pocitem rozkoše“, ale že také může řešit mnohé z největších problémů dnešního světa, jako jsou například problémy životního prostředí a energie. Rád bych se o těchto otázkách krátce zmínil. Potom se vrátím zpět k „čisté“ vědě, abychom zažili i trochu baconovské rozkoše. Modelování klimatu Říká se, že první polovinu světa stvořil Bůh, druhou polovinu Shakespeare. Literární vědci s různými epochami historie asociují různé typy Shakespearových her. V minulém století byly nejpopulárnější Shakespearovy komedie. Naše století dávalo přednost Hamletovi, Othellovi, Králi Learovi. Příští století, jak se dnes zdá, vyzdvihne Shakespearovy romance, jako je Zimní pohádka nebo Bouře. Hry, v nichž jde o rovnováhu mezi člověkem a přírodou, o soulad lidské moci a přírodních dějů. Snažíme se o takovou rovnováhu my – kolem naší vesmírné mikročástice, které říkáme Země? Desátého prosince 1997 na jednání o problémech zemského klimatu v Kjótu se představitelé průmyslových zemí dohodli, že jejich země sníží emise plynů, které vytvářejí skleníkový efekt, o 5–8 %. Při zvýšení množství CO2 na dvojnásobek modely klimatu předpovídají, že během příštích 100 let může stoupnout průměrná teplota zemského povrchu asi o 2,5 °C, hladina moří stoupne asi o 0,6 m, hydrologické cykly budou pravděpodobněji intenzivnější, což na některých místech povede k častějším a dramatičtějším potopám a obdobím sucha. Klima – to není počasí. Klima je průměrné chování atmosféry, střední chování počasí za delší dobu než asi 10 let. Modely vývoje globálního klimatu jsou založeny na klasických, ale značně složitých rovnicích hydrodynamiky, dynamiky plynů a rovnicích teorie přenosu záření, které se řeší na superpočítačích. (Nezapomeňme, kolik „čisté“ fyziky muselo být nejdříve pochopeno, než vznikl hardware superpočítačů.) Body sítě, v níž se příslušné rovnice řeší, odpovídají na zemském povrchu vzdálenosti asi 200 km. Celkově se v jednotlivých bodech a v různých výškách řeší desítky až stovNěkteré otázky probírané v článku jsou částečně hrazeny granty GAČR 202/93/0503, GAČR 202/96/0206 a GAČR 209/99/0261 (relativistická fyzika a astrofyzika).
1. Rytina Václava Hollara, která tvoří frontispis v knize The History of the Royal Society of London, for the Improving of Natural Knowledge z roku 1667 od Thomase Sprata. Nalevo od busty krále Karla II., který 15. 7. 1662 udělil Společnosti zakládací Chartu, je první prezident Společnosti lord Brouncker, napravo je Francis Bacon. Rytina je signována V. Hollarem vpravo dole.
ky milionů rovnic. Do modelů vývoje klimatu však musí být vložena nějaká počáteční data. Až poměrně nedávno začaly tyto modely uvažovat jako dynamické systémy také oceány. Ve Physics World (časopisu Britské fyzikální společnosti) z prosince 1996 je uveřejněn článek, který potvrzuje, že role oceánů v globálním klimatu je dosud málo pochopena.2) V roce 1990 však začal první světový experiment zkoumající oceány, který s použitím bójí, lodí, a zvláště satelitů bude pokračovat ve sbírání dat ještě v prvních letech příštího století; poté bude vyhodnocen a výsledky se začnou využívat k vylepšení počítačových modelů klimatu. Na experimentu se podílejí výzkumné skupiny z 25 zemí, financovány jsou ze svých národních organizací. I nás by se měly oceány týkat. Ostatně v Zimní pohádce – tedy hře příštího století – Shakespeare Čechám moře přisoudil. Klima a skleníkový efekt jsem vybral pouze jako jeden z vitálních problémů interakce člověka s přírodou. Je zde související problém ozonu, problém znehodnocení půdy, likvidace odpadů (mj. i kosmického – statisíců úlomků satelitů a raket, které krouží kolem Země). V řešení každého z nich budou fyzikální metody kombinované s novými technologiemi hrát důležitou roli. Problém energie Nemáme-li podporovat růst skleníkového efektu, jak máme získávat energii? Spojené státy mají dostatečhttp://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 78, březen 1999
147
2. Kvantová teleportace. Ustálilo se hovořit o přenosu kvantového stavu od Alice k Bobovi.3) Alice má nějakou částici (A) v nějakém konkrétním kvantovém stavu a chce umožnit Bobovi vytvořit přesně stejný stav na jiné částici (B). K přenosu informace o původním stavu částice A se jako nástroj používají dvě částice B a C, které jsou v kvantově provázaném stavu, jako tomu je např. v Einsteinově-Podolského-Rosenově experimentu.
né rezervy uhlí na dalších asi 500 let. Skleníkový efekt a znečištění prostředí ale nějakou významnou roli uhlí v budoucnu vylučují. Existují prognózy, že zásoby nafty a zemního plynu významně poklesnou již kolem roku 2040, což může vést k celkové ekonomické krizi. Richardu Feynmanovi, jednomu z géniů fyziky našeho století, který se podílel na konstrukci první atomové bomby, prý v jakémsi buddhistickém chrámu mnich řekl, že každému z nás je dán klíč k nebeským branám. Zároveň je to však také klíč, který otevírá brány pekel. Takovým klíčem se v druhé polovině tohoto století jevila jaderná energie. Nejprve se zdálo, že nás povede do pekel. Dnes se situace mění. Například v americké Lawrence Livermore Laboratory, hlavním centru pro vývoj jaderných zbraní, se nyní výzkum začíná orientovat mimo jiné právě na modely vývoje globálního klimatu. Američtí fyzikové sehráli důležitou roli i při jednání o zákazu všech nukleárních testů. Nyní je tu však také problém Indie a Pákistánu. Je ovšem jaderná energie ještě klíčem k nebeským branám? Energii lze získat štěpením těžkých jader a syntézou lehkých jader. Veřejné mínění je velmi rezervované ve vztahu k prvnímu způsobu – k získávání energie štěpením v jaderných elektrárnách. Ví se o katastrofách, o problémech jaderného odpadu i o tom, že odhad ceny likvidace existujících jaderných zbraní je kolem 500 miliard dolarů. Mnohé země však budou nadále udržovat i budovat nové jaderné elektrárny, protože zatím nemají k dispozici jiné, vhodnější zdroje energie. Na jaderné štěpení přišel člověk samostatně, syntézu okopíroval z přírody. Aby se mohla spojit dvě atomová jádra a přitom uvolnit energie, musí se nejprve překonat elektrické odpuzování mezi protony spojujících se jader. U Slunce to dělá gravitace. Člověk v tokamacích – reaktorech jaderné fúze – vkládá plazma horké asi sto milionů stupňů do „magnetických lahví“. V roce 1994 tokamak v Princetonu dosáhl na zlomek sekundy dosud největšího výkonu – 9 milionů wattů.4) Typická jaderná elektrárna generuje zhruba 100krát více energie, a to neustále. Uskutečnění řízené termonukleární reakce (ne tedy jen výbuchu vodíkové bomby) vyžaduje mnohem více času a umu, než se čekalo. Loni byl Princetonský tokamak z finančních důvodů uzavřen. Příštím velkým krokem bude konstrukce termonukleárního reaktoru, na které se budou podílet Rusko, Japonsko, Evropská unie a Spojené státy. V roce
148
VESMÍR 78, březen 1999 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
2010 by měl tento reaktor vyrábět 1000 megawattů (tj. měl by mít výkon jako jaderná elektrárna) po dobu asi tisíce vteřin. Fyzikové z Princetonu dnes předpokládají, že v roce 2025 budou vybudovány první prototypy elektrárny, založené na termonukleární fúzi. V roce 2050 by měly být termonukleární elektrárny v běžném používání. Palivem, a to velmi levným, patrně bude deuterium získávané z mořské vody. V roce 1998 se v Praze konala velká mezinárodní konference o termojaderné fúzi. Experimenty s tokamaky mohou zásadně přispět i k našemu poznání fyziky plazmatu. Termonukleární fúze probíhající na Slunci nezůstane jen zdrojem života, ale ve stále větší míře bude i zdrojem prakticky použitelné energie. Optimisté přesvědčení o rychle se vylepšující technologii solárních buněk věří, že již po roce 2025 bude 60 % elektřiny na Zemi přicházet ze Slunce. Sotva však v Evropě. Kvantová teorie Při jaderném štěpení, při termonukleární fúzi i při konverzi slunečního záření na elektrický proud hrají zásadní roli kvantové jevy. Kvantová mechanika, přednášená v základních vysokoškolských kurzech a každodenně užívaná dnešními chemiky a fyziky, je zcela konzistentní teorie, která je v souladu s obrovským množstvím jevů. Z interpretačního hlediska je však velmi bizarní. Chceme-li studovat kvantovou teorii, musíme si zvyknout na výroky typu „určitou minci naleznu s pravděpodobností 75 % ve své kapse a s pravděpodobností 25 % ve vaší kapse“. V kvantové teorii počítáme jen pravděpodobnosti: víme-li, jak něco vypadá nyní, neurčíme, jak to bude přesně vypadat v budoucnu (jako to umíme při zkoumání „klasických“ makroskopických systémů), ale zjistíme pouze, s jakou pravděpodobností měříme tuto hodnotu a s jakou pravděpodobností jinou hodnotu. Nemáme determinizmus klasické fyziky. Někteří fyzikové věří, že se jim podaří determinizmus – možnost jednoznačných předpovědí – nějak do teorie znova zavést. Jedním z nich byl Einstein. Lapidárně říkával: „Bůh nehraje v kostky.“ Před šestnácti lety byly provedeny první experimenty, které ukázaly, že principiální neurčitost kvantové teorie je mikrosvětu vlastní. Kvantové stavy lze přenášet Před několika měsíci bylo na Univerzitě v Innsbrucku dokonce experimentálně demonstrováno, že lze teleportovat kvantový stav jedné částice na částici jinou. Teleportace, čili přenášení nějakého objektu na dálku, znamená vyrobit daný objekt ve vzdáleném místě, aniž bychom přenášeli jeho části. Ve světě klasické fyziky to lze provést snadno. Pošlete například skenovanou informaci a podle ní na vzdáleném místě objekt vyrobíte. Ale co když chceme teleportovat přesný stav objektu, v němž hrají roli kvantové vlastnosti? Podle relací neurčitosti přece nemůžeme změřit všechny vlastnosti objektu s libovolně velkou přesností. Teleportaci kvantového stavu z částice A na částici B lze provést tím, že nejprve vytvoříme kvantově provázaný stav částice B a další částice C. Vhodným měřením dvojice částic A a C lze docílit toho, že vzdálená částice B bude ve stavu přesně stejném, jaký měla původně částice A. Částice A však svůj původní stav ztratí (viz obr. 2). Kvantové stavy tedy lze teleportovat, ale kvantové částice nelze klonovat. Vedoucí innsbrucké skupiny A. Zeilinger věří, že během asi 10–20 let bude možno teleportovat atomy, molekuly, dokonce i malé viry.
Kvantové stavy jsou ovšem velmi křehké a v interakci s okolním světem provázané stavy své provázání (koherenci) rychle ztrácejí. Zda tedy bude možno v budoucnu teleportovat větší objekty, zůstává otázkou otevřenou. Interpretace kvantové teorie poutala pozornost včera, zkoumá se dnes a bude jistě předmětem zájmu i zítra. Na jedné straně se studují např. konkrétní možnosti realizace kvantových počítačů, v nichž by kvantová teorie hrála zásadní roli. Na straně druhé již od dob vydání prací Johna von Neumanna v 30. letech a později Eugena Wignera, kteří ve svých schématech kvantových měření potřebují jako „konečný stupeň měření“ (jako „poslední přístroj“) lidské vědomí, se stále považuje za centrální otázku vztah hmoty a vědomí, chcete-li hmoty a ducha. Možná že právě v těchto otázkách bude dnešní fyzika hlavní inspirací pro fyziku století příštího. Fyzika elementárních částic Jaký pokrok učinila a jakými směry asi půjde druhá základní fyzikální teorie 20. století, tj. teorie relativity? Speciální relativita („speciální“ proto, že nezahrnuje jevy, v nichž hraje roli gravitace) je každodenně používána v řadě oblastí fyziky, zejména však ve fyzice elementárních částic. Pro konstruktéry gigantických urychlovačů elementárních částic je inženýrskou vědou. Potom, když americký Kongres neschválil pokračování výstavby superurychlovače v Texasu, se naděje fyziků obrátily k Evropské laboratoři pro fyziku částic CERN u Ženevy. Bude zde vybudován velký urychlovač částic v kruhovém tunelu 27 km dlouhém, v hloubce 150 m.5) Nejpozději v roce 2004 by měly na urychlovači začít experimenty a po instalaci všech 1200 supravodivých magnetů, které budou udržovat částice na kruhové dráze, by v roce 2008 mělo být dosaženo energií, při nichž by měla být produkována mimo jiné i teoreticky předpokládaná Higgsova částice. Tak bude prozkoumán základ, na němž dnes stojí standardní model elementárních částic, který sjednocuje elektromagnetické, slabé a silné interakce. Je pravděpodobné, že urychlovač v CERN přinese významné objevy a vyjasní budoucnost fyziky elementárních částic alespoň pro příštích 20 let. Již dnes však lze říci, že fyzika částic dosáhla velkých úspěchů ve vytváření jednotného pohledu na strukturu hmoty. Standardní model částic ovšem nezahrnuje gravitaci. Obecná teorie relativity Obecná relativita je univerzální, klasickou (nekvantovou) teorií všech fyzikálních systémů. Týká se povahy samotného prostoru a času. Obecná relativita od 60. let prožívá velkou konjunkturu, a to především díky neočekávaným astronomickým objevům objektů, jako jsou kvazary, neutronové hvězdy a pulzary, v nichž silná gravitace hraje prvořadou roli. K popisu gravitace nelze v pozorovaných extrémních podmínkách používat starou Newtonovu teorii, je třeba přejít k obecné relativitě. Max Born, jeden z tvůrců kvantové teorie, charakterizoval ještě v roce 1955 svůj vztah k obecné relativitě slovy: Dnes, stejně jako v době jejího vzniku, v roce 1915, mi připadá jako největší čin lidského myšlení o přírodě, nejúžasnější kombinace filozofického pohledu, fyzikální intuice a matematické dovednosti. Ale její souvislosti se zkušeností jsou malé. Připadá mi jako velké umělecké dílo, z něhož se můžeme těšit a z dálky je obdivovat. Jak odlišná situace je dnes! Díky velkým pokrokům v jiných oblastech fyziky a techniky je k dispozici obrovské množství experimentálních dat, jejichž sítem obecná relativita prošla bez jakékoliv úhony,
3. Dvě neutronové hvězdy obíhající po kruhové dráze kolem společného těžiště vlivem emise gravitačního záření ztrácejí energii a přibližují se k sobě. V poslední fázi dojde k prudké srážce obou hvězd, při níž je vyzářena dávka gravitačních vln, jejichž frekvence rychle narůstá od desítek do několika stovek hertzů.
zatímco jiné, mnohem později vytvořené teorie gravitace byly experimentem vyvráceny. Obecná relativita dnes hraje roli i v běžném životě. Vliv gravitace na hodiny a na šíření světla předpovídaný obecnou relativitou musí být brán v úvahu v současných navigačních systémech (vzdálenosti se určují s přesností několika metrů a časy s přesností několika nanosekund). Hlavní roli však hraje obecná relativita v astrofyzice a kosmologii. Předpověděla existenci černých děr, které jsou dnes zjišťovány v jádrech takřka všech galaxií. Pozorování posledních dvou let ukázala s velkou přesvědčivostí, že černá díra o hmotě zhruba milionu Sluncí je i v centru naší Galaxie. Gigantické rotující černé díry také poskytují jediné přijatelné vysvětlení toho, jak vznikají relativistické výtrysky plynu v kvazarech a podobných aktivních zdrojích. V těchto případech jsou pozorovány a vysvětlovány nejenergetičtější jevy v přírodě: z oblastí řádově velkých pouze jako sluneční soustava zde vychází energie tisíckrát větší, než je celkové záření běžné galaxie, která v průměru obsahuje 100 miliard hvězd jako naše Slunce. Gravitační vlny Fyzika černých děr během posledních 25 let významně ovlivnila náš obraz vesmíru. Je velká naděje, že v následujících 25 letech jej podobně ovlivní experimentální objev gravitačních vln. Obecná relativita 4. Diagram ilustrující základní princip detektoru gravitačních vln založeného na laserovém interferometru
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 78, březen 1999
149
Pozorování svědčí o tom, že temné hmoty je ve vesmíru více než zářící hmoty. Jaké částice či objekty ji vytvářejí, je problémem příštího století. Na jeho řešení se budou podílet kosmologové, fyzikové elementárních částic i dalších oborů. Nedávný objev oscilací neutrin,6) a tedy jejich nenulové klidové hmotnosti (jejíž velikost zatím není známa), může řešení problému temné hmoty přiblížit. Vytvoření kvantové teorie gravitace
5. Plánovaný interferometrický detektor gravitačních vln LISA v kosmickém prostoru. Vrcholy naznačeného trojúhelníku tvoří satelity, které navzájem komunikují laserovými signály. Při dopadu gravitační vlny se mění vzdálenosti mezi satelity.
předpovídá, že jakákoliv změna (kromě sféricky symetrické) nějaké konfigurace hmot generuje gravitační vlny. Tyto vlny jsou detegovatelné, pokud jsou jejich zdroje dostatečně silné – např. výbuch supernovy nebo srážka dvou neutronových hvězd (viz obr. 3) či černých děr. Americká National Science Foundation dnes vynakládá nejvíce prostředků právě na konstrukci detektorů gravitačních vln. Typický detektor, např. LIGO (Laser Interferometer Gravity Wave Observatory), je laserový interferometr s rameny dlouhými 4 km (viz obr. 4). Při dopadu gravitační vlny se délka ramen změní o pouhých asi 10– 18 m, tj. o zhruba tisícinu poloměru protonu. Takové efekty je třeba měřit a získávat z nich informace. Detektory gravitačních vln představují ohromná umělecká díla experimentátorů a techniků. Evropská kosmická agentura plánuje na první desetiletí příštího století projekt ještě mnohem ambicióznější: vyslat do prostoru několik satelitů navzájem komunikujících lasery přes vzdálenosti několika milionů kilometrů. Projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna), viz obr. 5, může velmi prohloubit naše znalosti nejen astrofyzikálních objektů, ale i fundamentálních teorií. Proti dvěma srážejícím se neutronovým hvězdám je plánovaný cernský urychlovač hračkou (kterou ovšem máme „v ruce“), protože zde se sráží 1057 částic jedné hvězdy s 1057 částic hvězdy druhé. Urychlovačem je gravitace. Standardní kosmologický model Obecná relativita tvoří také základ současné kosmologie, vědy o struktuře a vývoji fyzikálního vesmíru „jako celku“. Ve standardním kosmologickém modelu, v němž se po počátečním velkém třesku vesmír rozpíná, vznikají galaxie, hvězdy, a nakonec my – pozorovatelé, mají zásadní důležitost nejrůznější pozorování. V posledních letech, spolu s výsledky Hubblova teleskopu, jsou to především pozorování satelitu COBE (Cosmic Background Explorer). Ten proměřuje reliktní elektromagnetické záření z doby asi 300 000 let po velkém třesku, kdy neexistovaly žádné hvězdy, žádné galaxie. Musely však tehdy existovat nějaké jejich první zárodky, a ty na reliktním záření musely zanechat nějaké stopy. A právě tyto očekávané stopy satelit COBE odhalil. Jsme uprostřed zlatého věku kosmologie a není pochyb, že její konjunktura bude pokračovat. Velkým tajemstvím zůstává podstata a role „temné hmoty“ ve vesmíru.
150
VESMÍR 78, březen 1999 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
Mluvili jsme o dvou základních univerzálních fyzikálních teoriích: o kvantové teorii a obecné teorii relativity. Zásadním problémem současné teoretické fyziky je spojení těchto teorií – vytvoření kvantové gravitace. Stále více teoretiků hledá k takové teorii cestu. Přestože v posledních letech bylo dosaženo řady podstatných výsledků, plný úspěch zůstává v nedohlednu. Naděje také vyvolává matematicky náročná teorie superstrun,7) která by měla nejen slaďovat obě předchozí teorie, ale má ambice stát se finální, jednotnou teorií fyzikálního světa – teorií všeho, jak se někdy v poslední době poněkud billboardově označuje. Teorie tohoto typu jsou podivuhodnými výtvory lidské schopnosti abstrakce a jsou dnes velkou inspirací i pro matematiku. Bezprostředně jsme se o tom mohli přesvědčit před několika týdny v Praze na přednášce jednoho z největších žijících matematiků, sira Michaela Atiyaha. Rizikem však je, že matematická konzistence a jednoznačnost i matematická a fyzikální krása při výběru „správné“ finální teorie zůstávají zatím hlavními kritérii. Podmínky nutné k empirickému ověření takových teorií jsou totiž tak extrémní, že je ani během 21. století na Zemi nevytvoříme. Jistou, i když myslím, že nevelkou (rád bych se mýlil) nadějí by bylo, kdybychom se pozorováním dokázali přiblížit k velkému třesku – např. objevem reliktního gravitačního záření, které by mělo přicházet z dob, kdy vesmíru bylo kolem 10–43 sekund. Z filozofického hlediska mi připadají nejzajímavější právě otázky související s kosmologickými počátečními podmínkami. Jaké počáteční podmínky mohou vést k vesmíru, v němž žijeme? Proč se realizovaly právě tyto podmínky? Proč jsou fyzikální zákony takové, jaké jsou? Proč vůbec je svět pochopitelný? Je myslím fascinující, že k těmto otázkám lze dnes přistupovat vědeckými metodami. Fyzikové si budou v nadcházejících desetiletích určitě stále častěji klást i otázky tohoto druhu. Budou však přitom muset ostřeji rozlišovat, co je fyzikální, skutečně vědecký problém a co je otázkou metafyziky. Postmodernizmus a věda Zdá se mi, že nejméně konstruktivním aspektem vztahu fyziky a filozofie je přetrvávající napětí mezi filozofií postmodernizmu či destruktivizmu a vědy. V poslední době má dokonce i humorné stránky. Vzhledem k současnému postavení vědy a rostoucí iracionalitě může však být toto napětí do budoucna i jistým rizikem. Postmodernista většinou uznává pouze spoluexistenci mnoha „vyprávění“, různých tradic a mnoha různých významových systémů, které mají stejnou platnost. Není pro něho příliš rozdíl mezi astronomií a astrologií, medicínou a léčitelstvím. Postmodernistům připadá každá jednota jako podvod... Teoretický fyzik Alan Sokal z New Yorku v roce 1995 poslal do předního amerického časopisu Social Text, v němž publikují významní představitelé humanitních oborů, článek s pozoruhodným názvem Překračování hranic: k transformativní hermeneutice kvantové gravitace. Redakce ho přijala a v roce 1996 článek vyšel. V následující publikaci (v jiném časo-
pise) však Sokal vysvětlil, že šlo o surrealistickou parodii, úmyslně proplétanou matematicko-fyzikálním žargonem a množstvím nejasností.8) Své formulace přitom přizpůsobil myšlenkám a stylu těch, kteří zpochybňují nároky vědy na objektivitu. Sokal tím chtěl upozornit na pokles intelektuálních standardů amerických humanitních oborů. Případ vyvolal velkou odezvu mezi zastánci postmoderního uvažování, do diskusí byli vtaženi i vědci. Sokal spolu s dalším teoretickým fyzikem, Jeanem Bricmontem, loni v říjnu vydal ve francouzštině knížku s titulem Intelektuální podvody. Myslím, že postoj většiny vědců k názorům postmodernistů na vědu a racionalitu výstižně vyjádřil nedávno zesnulý antropolog a sociolog Arnošt Gellner, pocházející z Čech a do Čech se z Cambridže navrátivší: Popírání zásad platného vědění je logicky nesmyslné a morálně nevkusné... Když jde o vážné záležitosti, když jsou v sázce lidské životy a blahobyt, když se rozhoduje o důležitých zdrojích, pak jediné vědění, které se legitimně smí použít, je to, jež splňuje kritéria osvícenské filozofie... Vážné vědění postmodernímu relativizmu nepodléhá, ale okrasy našeho kulturního života ano... Stoupencům relativizmu je možno jen říci: „Poskytujete skvělý popis způsobu, jakým si vybíráme menu nebo tapety. Pokud jde o popis skutečností našeho světa a návod k chování, je vaše pozice k smíchu.“ Jen ze zprávy na internetu vím o kontaktu prof. Milana Knížáka s vědci v budově Akademie věd 13. března 1998. Dle autora této zprávy se ve své přednášce M. Knížák bezvýhradně přihlásil k postmodernímu světovému názoru, který koncentroval do konstatování, že náš dnešní svět má „kašovitou“ povahu a že tento pocit kašovitosti je jeho základním životním pocitem. Námitky v následující diskusi prý M. Knížák odmítl jako projev zpozdilé ignorance. Hlásím se k zpozdilé ignoranci a podobně jako před 20 lety v „modré“ posluchárně rektorátu při oslavách stého výročí narození Alberta Einsteina připomenu JAN HORSKÝ: Albert Einstein – Génius lidstva Prometheus, Praha 1998, 4. svazek edice Velké postavy vědeckého nebe, 48 stran, náklad a cena neuvedeny
Kniha vychází k 120. narozeninám Alberta Einsteina (*14. března 1879). Einstein je bezpochyby velkou postavou 20. století; jeho vědecký přínos je srovnatelný s úspěchy J. Keplera či I. Newtona. Dvacet let po udělení první Nobelovy ceny za fyziku (1901) se této pocty dostalo také Einsteinovi. Je však paradoxem, že ji nezískal za obecnou teorii relativity, ale za objasnění fotoelektrického jevu. Ačkoli je kniha „nabitá“ fakty, díky autorovu originálnímu stylu je živá a poutavá. První část je věnována Einsteinově životní cestě od raného mládí až k pozdnímu „podzimu“. Ve druhé části se nám Einstein představuje jako velký fyzik a geniální myslitel. Získáme představu o jeho účasti na tvorbě kvantové teorie, o formulaci speciální teorie relativity a o jeho práci na novém gravitačním zákonu, který tvoří základ obecné teorie relativity. Třetí část, jež je zaměřena na současnost, se věnuje experimentálním testům Einsteinovy teorie gravitace a některým důsledkům této teorie. Závěrečná část si všímá Einsteinova vztahu k politice, zejména jeho názoru, že výsledky vědy mají sloužit dobru lidstva. Uváděná literatura může dobře posloužit jako zdroj pro další studium. Text je doplněn souborem dobových fotografií a řadou příloh. Najdeme zde přehled Einsteinových životopisných dat, jeho dva eseje Jak se dívám na svět a Jak vnímám
slova Otokara Březiny z dopisu brněnskému filologovi Františku Novotnému: Vždy budou duchové..., kteří budou usilovat, aby spojenou mocí poznání a snů, vědy a poezie, vytvořili jednotný obraz vesmírného dění, jenž by stejně odpovídal věčnému prahnutí lidského ducha po harmonii a kráse, i žízni srdce po spravedlnosti. Zdá se mi, že to je odpovědnější i silnější postoj než postmoderní pohled, který v každé jednotě vidí podvod. Není to snadný postoj. I Březina věděl, že jakákoliv snaha po jednotě nevyhnutelně vyžaduje zápas. Čiň se a doufej Před několika měsíci vyšla Stankovičova knížka Okradli chudého o Josefu Florianovi, svérázném venkovském vydavateli, mysliteli a také ctiteli Březiny. Ta mi umožňuje převést Březinova slova do trochu zemitější podoby. V červnu 1922 začal Florian vydávat ve Staré Říši sérii Kursů; v roce 1926 vydal mezi nimi také Kurs einsteinovský. V úvodu k nové edici píše: ...Základem naší theorie jest t.z.v. národní čest. Jsme totiž přesvědčeni, že s vyhynutím Umění a Vědy, lépe řečeno Poesie a Moudrosti, vymírá i národ. Toť axiom, který nám nevyvrátí sebe větší blahobyt národních drštěk. Národní drštky a národ není totéž... Chceme tím jen říci, že jako není vše zlato, co se leskne, tak není vše národem, co se rodí, co žere a co se nakonec po mnohých jiných živočišných funkcích promění v humus, od něhož se odvozuje dnešní humanita. Tedy národní čest. Že jí tolik jest ještě v národě, bychom se s naší Vědou a Uměním udrželi, v to s pomocí Boží doufáme. Čiň se a doufej! /Předneseno na zasedání Učené společnosti ČR 18. 5. 1998/ 1) Vesmír 73, 545, 611, 665, 1994/10, 11, 12 2) Vesmír 71, 485, 1992/9 3) Vesmír 77, 129, 189, 272, 333, 393, 1998/3–7; 77, 633, 1998/11 4) Vesmír 77, 208, 1998/4 5) Vesmír 72, 526, 1993/9 6) Vesmír 77, 366, 1998/7 7) Vesmír 77, 608, 1998/11 8) Vesmír 75, 483, 1996/9
svět, několik jeho myšlenek a poznámky autora knihy. J. Horský nám představuje Alberta Einsteina nejenom jako geniálního vědce, ale také jako skromného a dobrosrdečného člověka, jemuž do poslední chvíle života byly pravda a poznání nade vše. Milan Štefaník Kresba © Vladimír Jiránek
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 78, březen 1999
151
