Fascinace chladným vesmírem – Herschel

V roce 1800 položil na stůl, ozářený slunečními paprsky, skleněný hranol. Do míst, kam dopadala duha z rozloženého slunečního světla, umístil teploměr. Dnes nás nepřekvapí, že největší nárůst teploty pozoroval hned vedle červené čáry duhy – tam, kde se na papíře neobjevila žádná další barva. Správně vydedukoval, že do tohoto místa dopadá nějaký zatím neznámý druh záření. Dnes mu říkáme infračervené, protože je ve spektru umístěno vně červené barvy.

Friedrich Wilhelm Herschel, Sir William Herschel (Foto: Lemuel Francis Abbott [Public domain], via Wikimedia Commons)

Tento objev nezůstal jeho jediným. Friedrich Wilhelm Herschel se stal nejúspěšnějším a nejvynalézavějším astronomem  historie.

Narodil se 1738 v Hannoveru. 1757 emigroval do Anglie, kde objevil svou novou vášeň – astronomii. Své teleskopy si budoval sám. V roce 1781 objevil planetu Uran a téměř přes noc se stal světoznámým. Díky apanáži, kterou mu udělil král, se mohl vědě nerušeně věnovat po celý zbytek života. Kromě planety Uranus objevil také jeho dva měsíce Titania a Oberon a měsíce Saturnu – Mimos a Enceladus. Jeho největší teleskop byl jeho vlastním dílem – měl průměr zrcadla 122 cm a ohniskovou vzdálenost 12 metrů.

Na jeho počest byl pojmenován největší teleskop, jaký kdy lidstvo vyslalo na oběžnou dráhu.

Vesmírný teleskop Herschel, 2009 - 2013 (Grafika: NASA, Public domain)

Projekt Herschel vlastnil dosud největší zrcadlo (3,5 metru), zhotovené z jednoho kusu materiálu. Pomocí tří spektrometrů sledoval infračervené záření v oblasti 57 – 670 µm. Aby nedocházelo k ovlivnění zachyceného signálu, byl celý systém chlazen na teplotu několika stupňů Kelvina. To se dělo pomocí tekutého helia. Relativně velké rozměry nedovolily chladit celý teleskop, dostal tedy tepelný štít a chlazení se omezilo jen na jeho přístroje.

Raketa Ariane 5 ho vynesla v květnu 2009 (spolu s teleskopem Planck) na oběžnou dráhu kolem země. Během dalších dvou měsíců se pomalým manévrem dostal na místo, kde měl strávit dalších 3,5 let, do té doby, než se vypotřebuje helium, potřebné k chlazení přístrojů. V  blízkosti Země by ho příliš rušilo její tepelné záření.

Byl umístěn do tzv. Lagrageova bodu,  místa, kde gravitace ostatních těles (Země a Slunce) působí jako kotva. Objekty, které se do těchto bodů dostanou, nemohou samy o sobě svou pozici opustit. Lagrangeovy body jsou proto oblíbená parkoviště teleskopů, které z nějakého důvodu nemohou fungovat přímo na oběžné dráze Země.

Mise teleskopu Herschel skončila v roce 2013. Poté, co bylo vypotřebováno všechno chladicí medium, uvolnil satelit místo v Lagrangeově bodu pro jiné projekty. Byl odeslán na bezpečnou vzdálenou, tzv. "hřbitovní" dráhu kolem Slunce.

Lagrange bod - L2
V soustavě Země-Slunce se bod č. 2 nachází na oběžné dráze kolem Slunce, 1,5 milionu kilometrů za oběžnou dráhou Země. Oba lokální zdroje infračerveného záření jsou pak na jedné přímce a satelit se k nim může při průzkumu vesmíru otočit zády, aby nebyl rušen.

Proč právě infračervené záření? Čím je pro vědce zajímavé?

Vesmír je chladný, alespoň většina jeho objektů je relativně chladná. Mezihvězdný plyn a prach mají teplotu pouhých několika stupňů Kelvina a záření, které vysílají se proto pohybuje v infračervené oblasti spektra.

Infračervené paprsky pronikají hravě oblaky prachu a plynu. Hodí se proto pro výzkumobjektů, které nejsou běžnému, viditelnému světlu dostupné.

Do infračervené oblasti je posunuta ta část informace, která pochází z velice starých objektů. To se děje díky rozpínání vesmíru. Čím starší objekty, tím vzdálenější jsou. Čím vzdálenější objekt, tím rychleji se od nás vzdaluje. Čím rychlejší je jeho pohyb, tím větší je přesun informace v jeho spektru k infračervenému konci.

V infračervené oblasti se také nacházejí spektrální čáry mnohých molekul, zajímavých pro výzkum procesů v planetárních atmosférách, případně v protoplanetárních soustavách.
Herschel teleskop měl oproti (v minulém blogu zmiňovanému) pozemnímu teleskopu ALMA možnost zkoumat i ty vlnové délky infračerveného záření, pro které je atmosféra naší planety neprostupná.

Jakým způsobem září hmota…
… je dáno její teplotou. Horké vlákno žárovky vyzařuje vlnové délky, které jsme schopni vidět očima, zatímco chladné objekty samy o sobě nevidíme. Vlnová délka, kterou vyzařují leží v infračervené oblasti spektra. Pokud je nutno je zobrazit, musíme použít  kamery se senzorem, citlivým na infračervené záření. Tzv. termovizní kamery se například používají pro lokalizaci tepelných ztrát domů.

Procesy v mezihvězdné hmotě

V oblacích mezihvězdného plynu a prachu probíhá neustálý souboj gravitace a tepelného záření. Gravitace se snaží oblak zhušťovat a zmenšovat, tepelné záření se ho snaží rozpínat. U hmotnějších objektů logicky vítězí gravitace. Oblak kolabuje a v jeho centru se tvoří nové hvězdy, obklopené protoplanetárními systémy. Právě takové soustavy zkoumal teleskop Herschel.

V hodně vzdálených (proto i hodně starých) galaxiích objevil Herschel oblasti ve kterých vznikaly naráz statisíce hvězd. Ve srovnání s nimi působí naše vlastní, dnešní galaxie klidně a spořádaně. Průměrně v ní vzniká jedna hvězda ročně.

Pro ty, kdo se zabývají vznikem života ve vesmíru, přinesl teleskop Herschel dobrou zprávu. Potvrdil přítomnost vody jak v mezihvězdných oblacích, tak  v galaxiích a soustavách právě se tvořících hvězd. Planetární soustavy proto mohou obsahovat dostatek vody, potřebné pro život.

U hvězdy TW Hydrae, vzdálené 176 světelných let, objevil teleskop Herschel protoplanetární disk, ze kterého se formují planety kolem centrální hvězdy. Pozorování ukázala, že je hmotnost tohoto disku daleko vyšší, než se očekávalo.  Poukazuje to na fakt, že ve vesmíru mohou vznikat planetární soustavy, které jsou daleko hmotnější a komplexnější než ta naše. Planety mohou být hmotnější nebo jich může být více.

Výše zmíněné dva příklady jsou jen malým zlomkem  úspěchů, které projekt dosáhl. Herschel byl enormně výkonnou a zdařilou misí – během svého pobytu na oběžné dráze provedl satelit více než 35 000 měření. Jejich výsledky budou vědci zpracovávat ještě řadu let.

Foto: velké Magellanovo mračno, infračervenou fotografii pořídil teleskop Herschel. (ESA/NASA/JPL-Caltech/STScI (NASA Jet Propulsion Laboratory) [Public domain], via Wikimedia Commons)

Vesmír ... se rozpíná. Odkud to víme?

To, že se vesmír rozpíná, a to dokonce neustále se zvyšující rychlostí, byl jeden z nejúžasnějších objevů minulých let. Odkud ale vědci získali jistotu, že tomu tak je? (Chandra a průzkum supernov typu 1a)

Teorie, kterou nikdo neocenil

Píšeme rok 1930. Na zámořské lodi, mířící z indického Madrasu do Southamptonu, bere Subrahmanyan Chandrasekhar do ruky tužku a začíná pracovat na rovnici, která změní způsob, jakým se budeme o několik desetiletí později dívat na vesmír.
Tehdy devatenáctiletý mladík je to, čemu se říká zázračné dítě. Do školy začíná chodit sice až v deseti letech, přesto na sebe rychle upozorní svou cílevědomostí. "Vezmi si jeden úsek, prostuduj ho tak, abys o něm mohl napsat učebnici, která bude leta považována za nejdůležitější ve tvém oboru, přejdi na jiné téma - a zopakuj to," se stane jeho životním mottem.

Chandrasekhar je na cestě do Anglie, kde se chce zapsat na slavnou Trinity College v Cambridgi. Aby se připravil na své studium fyziky u profesora Fowlera, čte si po cestě nejen jeho práce, ale i spisy, zabývající se teorií relativity. V ruce má i knihu významného a vlivného vědce, profesora Eddingtona o složení hvězd. Během plavby, která trvá jen 18 dní, vypracuje na základě těchto materiálů převratnou teorii. Definuje množství hmoty hvězdy, která je potřeba k tomu, aby ji síly, působící v jádře, přivedly ke kolapsu.

Tento objev - ho málem stál karieru dřív, než začala.

Eddington nebyl přepracováním a poopravením své práce mladým a neznámým přistěhovalcem z Indie vůbec nadšený.  "Chandra", jak mu budou později jeho spolupracovníci říkat,  se díky své teorii dostává navíc mezi dva mlýnské kameny staršího, urputného sporu Eddingtona s jiným vědcem, Milnem.  Objev kritické hranice hmoty explodující hvězdy zůstává zprvu bez veřejné odezvy. Vědci v Cambridgi se teorie vysmívají nebo si ji netroufnou komentovat, aby se neznelíbili mocnému Eddingtonovi - a Chandrovo tamní  studium probíhá dramaticky a nevesele. Poté, co  je hotový s doktorskou prací a chce ji ukázat svému mentorovi, profesoru Fowlerovi, dostává se mu prý jen kategorického: "Nechci to vidět, definitivně ne!  Prostě to jen odevzdejte ..."

Není divu, že Chandra Anglii při první vhodné příležitosti opouští. Jeho novým působištěm se stává v roce 1937 chicagská univerzita, kde se mu dostane zaslouženého ocenění. Zůstane jí věrný až do smrti. V roce 1983 obdrží za své teoretické studie fyzikálních procesů probíhajících ve hvězdách Nobelovu cenu za fyziku. Je to více než padesát let od objevu kritické hmotnosti bílých trpaslíků, což je nezvyklé, Nobelova cena se uděluje spíše za aktuální výzkum.

Bílý trpaslíci  a supernovy typu 1a

Bílý trpaslík vzniká na konci aktivního života hvězdy s průměrnou nebo podprůměrnou hmotností. Za svůj název vděčí vysoké teplotě, která ovlivňuje barvu jeho světla a malým rozměrům, srovnatelným s velikostí Země.

Degenerovaný elektronový plyn
Elektrony patří ke skupině částic, které říkáme "fermiony". Na rozdíl od jiné skupiny (bosonů), nemohou dva fermiony zaujmout identický kvantový stav.
Při vysokých hustotách látky jsou všechny kvantové stavy elektronů obsazeny až do určité maximální energie, které odpovídá určitá maximální hybnost. Tomuto stavu se říká degenerace.

Degenerovaný elektronový plyn  vyvíjí sílu, opačnou působení gravitace, která se ho snaží dále stlačovat. Udržuje tak jádro bílého trpaslíka v rovnovážném stavu.

Klasický  bílý trpaslík, poté, co vyčerpal palivo pro jadernou fuzi (spálil vodík a helium), explozivně odhodí vnější vrstvy své atmosféry. Na místě původní hvězdy zpravidla zůstane jen neaktivní jádro skládající se převážně z uhlíku a kyslíku, obalené nepatrnou vrstvou zbylého helia, případně zbytky vodíku.

Nepříliš hmotný bílý trpaslík je udržován ve stabilním stavu tlakem degenerovaného elektronového plynu ve svém jádře.

Ne všichni bílí trpaslíci jsou ale stabilní. Klasickým příkladem je dvojhvězda, kde je jedna z hvězd hmotnější než druhá, a kde pozorujeme jev vzájemného předávání hmoty. Hmotnější část dvojhvězdy spotřebuje palivo pro termonukleární reakci rychleji a tím se i rychleji promění v bílého trpaslíka. Díky gravitaci si následně může "půj čovat" materiál od svého vesmírného dvojčete. Když pak její hmota naroste na úroveň zhruba 1,4 dnešní hmotnosti Slunce,  nazývané podle svého objevitele"Chandrasekharova mez",   exploduje hvězda ve formě specifické supernovy typu 1a.

Při výbuchu vznikají z uhlíku a kyslíku v jádře hvězdy těžší prvky. Typickým rozlišovacím znakem pro supernovu typu 1a je přítomnost absorpčních čar křemíku a absence čar vodíku a helia v zachyceném spektru záření. V centru exploze na rozdíl od jiných druhů supernov nezůstává masivní zbytek původní hvězdy.

Měření vzdáleností pomocí supernov typu 1a

Supernovy typu 1a jsou jedním z nejjasnějších objektů ve vesmíru. Hodí se proto výborně jako tzv. "standartní svíčka" - pomůcka k měření velkých vzdáleností.

Vzhledem k faktu, že původním tělesem je vždy bílý trpaslík a mechanismus vedoucí k jeho výbuchu je známý, jsou  i množství vyzářené energie a spektrální charakteristika vysílaného záření  předvídatelné.  Skoro 70 procent z nich má identické spektrum i svítivost 15 dní po průchodu maximem. Křivka světelnosti se dá dobře modelovat a vysvětlit proměnou prvků v jádře supernovy ( radioaktivním rozpadem izotopu niklu přes kobalt na železo). B udoucí supernova se rychle po několik týdnů zjasňuje, pak nastává krátká exploze a po ní jas postupně po dobu několika měsíců klesá. V ideálním případě zachytí astronomové hvězdu už v úvodní fázi zjasňování před výbuchem a mohou sledovat všechny následné změny během exploze.

Pomocí tzv. Phillipsova vztahu se dají světelné křivky supernov 1a dále normovat. Zpřesňují se tím výsledky pozorování. Phillipsova ovnice spojuje pokles svítivosti v modré části spektra 15 dní po maximu s absolutní svítivostí supernovy.

Srovnání předpokládané absolutní svítivosti a její naměřené zdánlivé hodnoty umožní určit, v jaké vzdálenosti od Země se supernova nachází. Čím slabší se supernova zdá, tím více je od nás vzdálena.

Význam supernov typu 1a 

Rudý posuv
je přemístění spektrálních čar ve spektru směrem k jeho rudému konci. Projevuje se samozřejmě v celém spektru elektro-magnetického záření, nejen v jeho viditelné části. Kosmologický rudý posuv je způsoben vznikem nového prostoru mezi objektem a pozorovatelem. Opakem rudého posuvu je posuv modrý, při kterém se spektrální čáry jeví posunuty směrem k ultrafialovému konci spektra.

Z rudého posuvu zachyceného světla, který prozradí analýza jeho spektra, lze vypočítat, o kolik větší vzdálenost musely fotony urazit cestou k Zemi, zatímco se prostor mezi supernovou a námi za dobu jejich letu zvětšil.
Srovnáním hodnot vzdálenosti, v níž supernova explodovala a té, kterou muselo světlo na své pouti k nám překonat navíc v důsledku rozpínajícího se prostoru, pak  získáme hodnotu rozpínání vesmíru.

Ke zjištění, jak se v průběhu času rozpínání prostoru měnilo, tedy jestli se zpomaluje, zůstává stejné nebo se zrychluje, se dá použív srovnání výsledků měření různě vzdálených supernov.

Hned dva na sobě nezávislé týmy, zabývající se průzkumem vzdálených supernov typu 1a, potvrdily v roce 1998 a 1999, že se rozpínání našeho vesmíru zrychluje.

Adam G. Riess et al. 1998:  Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant, The Astronomical Journal, Volume 116 Number 3a
S. Perlmutter et al. 1999:  Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae, The Astrophysical Journal Volume 517 Number 2
Oba týmy popsaly desítky vzdálených supernov, které byly méně jasné, než bychom očekávali vzhledem k jejich vzdálenosti. Kdyby se rozpínání vesmíru zpomalovalo, bylo by to naopak – byly by jasnější.

Za tento objev jim byla v roce 2011 udělena Nobelova cena za fyziku.

Nejchytřejší mozky planety - muž, který dal jméno kvantové fyzice

„Realitou není ani tak viditelná, ale pomíjivá hmota, neboť hmoty by bez ducha nebylo, nýbrž neviditelná a nesmrtelná duše,“ řekl kdysi slavný fyzik, který dal jméno kvantové fyzice a posléze popůjčil své vlastní jméno německé Fyzikální společnosti.

Když začal studovat teoretickou fyziku, sdělil mu učitel, že ztrácí čas. Všechny principiální objevy už prý byly uskutečněny, mladý muž by udělal lépe, kdyby se věnoval hře na klavír, ve které od mládí vynikal. Budoucí nositel Nobelovy ceny se tímto pesimistickým názorem nedal odradit. Podle jeho vlastních slov ho ze všeho nejvíc lákala myšlenka, že se bude moci přiblížit vysvětlení některých tehdy záhadných fyzikálních jevů. Ani ve snu nepomyslel, že jeho práce dá světu nový impuls a kompletně změní fyziku jako takovou.

Jeho první práce se týkají termodynamiky. Nikdy se nezbaví pocitu, že je ve fyzikálních zákonech ukryto něco absolutního. Fascinuje ho myšlenka, že energie nemůže sama od sebe ani vznikat ani zanikat, jen přechází z jedné formy do druhé. Tato teze je na jedné straně přitažlivá svou harmonií, na druhé straně ale odhaluje základní problém představ o vzniku vesmíru - kde a jak vznikla tato energie? Fyzika v době, kdy se jí zabýval zmiňovaný vědec, je plná podobných hádanek.

K jedné z nich patří paradox záření horkých těles. Zahřáté kovy do svého okolí vysílají záření různé barvy . Čím vyšší je jejich teplota, tím více je jejich barva posunuta k ultrafialovému konci spektra. Při určité teplotě by měl tedy kousek kovu začít zářit v ultrafialové části spektra a tím se stát pro naše oko neviditelným. Experiment ale tento jev nepotrvrdil, jakkoliv je kov zahříván, před očima  nám nezmizí.

Vědec, o kterém je dnes řeč, se na problém dívá  z nové stránky.  Postuluje, že energie není zahřátým tělesem vysílána nepřetržitě, ale v malých balíčcích, kvantech – podobným kapkám vody, opouštějících netěsnící vodovodní kohoutek. Světlo světa spatří první teorie, která popisuje nejmenší možnou jednotku, která je schopna způsobit změnu systemu - kvantum.

1900 představí svou teorii kolegům a pokládá tím základní kámen nové fyzice, kterou budeme později nazývat kvantová. V té době je mu už 42 let. Kolegové jeho myšlenku zpočátku ignorují, trvá řadu let, než se s ní smíří a pochopí ji. Není divu - samotného vědce, který převratnou myšlenku formuloval, následky popsaného jevu pro klasickou, do té doby platnou fyziku zaskočily.

Muž, který "objevil" Einsteina

K jeho objevům se dá počítat nejen nový pohled na podstatu fyzikálních jevů -  určitým způsobem k nim patří i kolega, fyzik Albert Eistein. Ten v té době pracuje v Bernu v patentním úřadě. Oba muže spojuje sympatie, která přeroste v silné přátelství. 1913 ho povolává do Akademie věd - kde začíná slavná éra kvantové fyziky. Tu ukončí až Hitlerův režim, když donutí k odchodu jeho židovské spolupracovníky. Einstein v té době emigruje, oba vědci ale zůstanou navždy přáteli.

Kdesi v hloubi duše byl vždy spíše konzervativní a nešťastný z toho, že se stará teorie musí nahradit novou. "Nové teorie se neprosadí tím, že všechny přesvědčí o svých přednostech," prohlásil. "Nové teorie se prosadí díky tomu, že příznivci starých teorií vymřou," chápe své kolegy.

Až po první světové válce ocení vědecký svět jeho teorii Nobelovou cenou.

1905 ji použije Einstein při objasnění podstaty fotoelektrického efektu. Vysvětlí, proč ultrafialové světlo umí vyrazit elektrony z kovové desky, infračervené záření toho ale schopné není. Tento jev se nedá vysvětlit vlnovou teorí, musí se tedy v případě záření různých vlnových délek jednat ne o vlny, ale o balíčky energie s různou kvalitou - energie ultrafialového kvanta je vyšší, než energie infračerveného. Einstein, jeden z nejgeniálnějších vědců všech dob, za tuto teorii později obdrží Nobelovu cenu.

Kvantovou teorii uplatní také Bohr pro vysvětlení tzv. kvantových skoků elektronů atomu. Elektrony, které opouštějí určitou energetickou hladinu, to dělají poté, co pohltily nebo naopak vyzářily - specifické kvantum energie.

Slavný vědec se, stejně jako většina jeho kolegů, zabývá filozofií. "Ro zdíl mezi zbožným člověkem a vědcem  je ten, že ten jeden vidí boha na začátku všeho, a ten druhý ho najde na konci všeho, " říká.    Tvrdě odsuzuje ezoteriky, kteří zneužívají vědu pro svoje účely.

"Štěstí nespočívá v tom, znát pravdu, ale dobrat se pravdy", říká. "Když je pravda nalezena, je všechno u konce. Naštěstí se příroda zasazuje o to, abychom tu ultimativní pravdu nenašli." Tato věta úspěšného vědce je platná dodnes. Dnes, když se s odstupem jednoho století díváme na jeho geniální myšlenky, chápeme možná víc než kdy předtím, že pravé podstaty vesmíru se možná nikdy nedobereme.

K jeho nejexotičtějším názorům patří odsouzení principu  demokracie. Zastává názor, že dřív, než všichni začnou rozhodovat o veřejných věcech, meli by všichni těmto věcem rozumět.

V jeho osobním životě se střídají roky šťastného rodinného života s osobní tragedií. Pochová jak svou první ženu, tak všechny svoje děti. Syn Karl padne v první světové válce. Obě dcery zemřou při porodu. Poslední syn je zatčen po atentátu na Hitlera. Ani on sám, vlivný fyzik, jehož jméno bude v poválečné době zdobit německou společnost pro fyziku,  ho neumí zachránit. Snaží se  přimlouvat jak u Himmlera tak u Goeringa, ale jeho prosby zůstanou nevyslyšeny. Poslední syn vědce, který dal světu pojem planckovo kvantum, je krátce před koncem války režimem popraven.

Max Planck zemřel po několika mrtvicích v roce 1947 v Německém Goettingenu.

Nejchytřejší mozky planety - žena, která vymyslela název "radioaktivita"

Narodila se ve druhé polovině 19. století do relativně chudé polské rodiny a dostala jméno Maria. Už v ranném věku udivila svými schopnostmi. Jako čtyřletá se od své sestry naučila plynule číst. Rodičům se za to prý se slzami omlouvala, jak se vypráví v jedné anekdotě z jejího života. Oba rodiče byli učitelé, proto je pravděpodobné, že jim tímto překvapením nejspíš udělala obrovskou radost. I když tou dobou studium žen nebylo samozřejmostí, tito vzdělaní lidé všechny svoje dcery při získávání vědomostí ze všech sil podporovali.

V Polsku tou dobou nebylo možné, aby dívka studovala na Univerzitě, následuje proto svou starší sestru do Paříže, kde se zapisuje na Sorbonskou univerzitu. I tam jsou tou dobou dívky spíš exotickou záležitostí a většinou to jsou cizinky, univerzita ale jejich studium toleruje. Studium fyziky i matematiky zakončí s nejlepšími výsledky (ve fyzice první, v matematice druhá), a získává první, lokální slávu.

Becquerelovo záření

Henri Becquerel studoval v roce 1896 fosforeskující vlastnosti uranové rudy. Část svých vzorků uschovával v temné komoře, která se v tehdejší době využívala pro zhotovení fotografií. Jeden z jeho vzorků se omylem dostal na neexponovanou fotografickou desku, kterou poničil a zanechal na ní tmavé stopy.  Becquerel správně vydedukoval, že tyto stopy mohou být způsobeny jen nějakým, do té doby neznámým druhem záření, vně spektra viditelného světla.

V následujících letech se během své vědecké práce seznámí se svým budoucím mužem, Pierrem. Společně se pak věnují výzkumu zvláštního, do té doby neznámého záření, které v roce 1896 objevil Henri Becquerel.

Prokáží, že záhadné paprsky nejsou vlastností samotné uranové rudy, ale spíše výsledkem aktivity některých jejích atomů. Začínají pátrat po novém prvku, který by byl aktivnější než uran a brzo přicházejí na to, že se jedná o prvky dva.

Objev Polonia a Radia jim zaručí Nobelovu cenu za fyziku v roce 1903, o kterou se oba partneři dělí s Henry Becqurelem. Za vědecký úspěch oba platí špatným zdravotním stavem, způsobeným radioaktivním ozářením. K jejich zdravotním problémům patří i Mariin potrat v roce 1903.

V roce 1904 dostává Pierre profesuru na Sorboně, kde vede katedru všeobecné fyziky, zatímco Marie dostává na starost laboratoře. Stanou se slavným párem, který neunikne ani pozitivní pozornosti tehdejších medií.

Šťastný rodinný život, korunovaný významnou vědeckou kariérou slavného páru bude trvat jen dva roky.

V roce 1906 přichází Mariin muž Pierre o život při autonehodě. Z Marie se stává vdova samoživitelka, od které se očekává, že se stáhne do ústraní. Na nějakou dobu skutečně upadne do depresí, vždyť přišla o jedinou spřízněnou duši nejen v osobním, ale i v pracovním životě. Bezpochyby jí z krize pomohla nabídka Sorbonské univerzity, aby převzala Pierrovu povinnost přednášet studentům na katedře, a pokračovala tak v jeho práci. V roce 1908 oficiálně převezme jeho profesuru na Sorboně a stává se tak první ženou, která kdy na univerzitě zastávala tuto funkci.

"Jednou jsi dole, jednou nahoře."

Málokterý příběh naplňuje známé rčení tolik, jako její život. V roce 1911 jsou pařížské bulvární noviny zaměstnány neuvěřitelnou aférou - Marie si dovolila mít milence. Žije s ním v pronajatém bytě, navíc je její milenec pořád ještě ženatý. To, co v té době společnost mlčky přejde u mužů, se ženě neodpouští. Na Mariinu hlavu se snášejí vzteklé a neustávající výpady novin, výhrůžky vraždou od podvedené manželky a pohrůžka procesem. Aféra nakonec vyšumí do ztracena a skončí vyrovnáním, dlouhou dobu ale zatěžuje pověst v Mariině osobním i profesním životě.

Ve stejném roce dostává Marie další Nobelovu cenu, tentokrát za chemii. Stává se tak jedinou ženou, která dostane Nobelovu cenu dvakrát - a jediným vědcem v historii, který ji získá ve dvou různých vědeckých oblastech. Nobelova komise se snaží Marii přesvědčit, aby se s ohledem na právě probíhající aféru veřejného výstupu a veřejného převzetí ceny vzdala. Marie odmítá a cenu si před očima celého vědeckého světa převezme.  Do Švédska se hrdě dostaví  v doprovodu své dcery a sestry.

Během první světové  války se věnuje popularizaci do té doby většině lékařů neznámé možnosti ohledání válečných zranění - radiologie. S její pomocí je možné během chvilky nacházet střepiny střel a granátů v tělech pacientů a zachránit tak spoustu životů, které by byly jinak ztraceny. Marie neváhá a sama sebe nabízí do role figuranta, nechává se rentgenovat, aby váhající lékaře přesvědčila o výkonnosti nové metody. Její iniciativou je založeno přibližně 200 radiologických center. Rentgenovými aparáty vybaví také dvacet vozů, které objíždí vojenské lazarety. Sama si v té době udělá řidičský průkaz, aby mohla řídit jeden z nich.

Po válce se angažuje ve feministickém hnutí v USA a napomáhá zakládání vědeckých ústavů, zabývajících se výzkumem radioaktivity v různých zemích světa. Na srdci jí leží hlavně mezinárodní vědecká spolupráce.

V její práci jí pomáhá dcera Irene. Nobelovy ceny pro Irene se Marie Curie nedočká - zemře rok předtím na následky dlouholeté expozice radioaktivními prvky, které celý život zkoumala.

Na počest Marie a Pierre Curie byl pojmenován chemický prvek s protonovým číslem 96 "Curium". Také tehdejší, dnes zastaralá, jednotka radioaktivity (aktivita jednoho gramu Radia) dostala název "Curie".

Nejchytřejší mozky planety - muž s kočkou a krabicí plnou záhad

Vědec, kterého znáte nejspíše díky geniálnímu a lehce neetickému, myšlenkovému experimentu s kočkou uzavřenou do tmavé krabice, se narodil v roce 1887 ve Vídni. Řízením osudu tak byla jeho kariera narušena jak první, tak druhou světovou válkou. Té první se účastnil aktivně, i když měl to štěstí, že sloužil u jednotek, kterých se větší bojové aktivity netýkaly. Před tou druhou byl nucen utéci z Berlína, kde právě zastával post profesora na katedře teoretické fyziky Humboldtovy univerzity, do Anglie.

Ani období mezi válkami pro něj nebylo nijak lehké - často střídal zaměstnání, když hledal optimální finanční   zabezpečení a činnost, která by měla vysokou vědeckou reputaci. Pracoval na univerzitách v  Jeně, Breslau, Zuerichu a  nakonec v Berlí ně, kde zakotvil v roce 1927. Převzetí moci fašisty ovlivnilo jeho karieru stejně jako kariery mnoha jeho součastníků. I když se ho přímo netýkaly protižidovské čistky (byl synem katolíka a evangeličky), přesto se necítil ve fašistickém Německu dobře. Obavy z nejisté budoucnosti ho přiměly v roce 1933 k přesídlení do anglického Oxfordu.

Skalární veličina
Skalární veličina se dá vyjádřit určitým číslem. Je nezávislá na směru působení. Příkladem skaláru je teplota.

V témže roce získal svou Nobelovu cenu za fyziku za svou v roce 1926 publikovanou teorii vlnové mechaniky. Po něm nazvaná rovnice vysvětluje pozorovaná spektra atomu vodíku lépe než všechny dosavadní teorie.

Jeho teorie vysvětluje, že změny stavu částice v čase jsou určeny její energií. Energie přitom není skalární veličinou, ale naopak operátorem.

Díky slavné rovnici, která nese jeho jméno, umíme vysvětlit vlastnosti atomů a molekul. Vlnové funkce jejich elektronů dnes nazýváme atomovými orbitaly a jejich pomocí vysvětlujeme chemické vlastnosti atomů a jejich vazby jinými atomy.

V očích laické veřejnosti se proslavil svým myšlenkovým experimentem z roku 1935.

Zdravý selský rozum ...
... je podle Alberta Einsteina souhrn všech předsudků, které si člověk vytvoří během svého života.

Popisuje diskrepanci mezi zdravým selským rozumem a stavy, které se odehrávají v kvantovém světě. Ten se od našeho liší natolik, že v něm fungují procesy, které jsou pro nás na první pohled exoticky nepochopitelné.

Zatahl do něho nebohou kočku, která uzavřená v krabici čeká na svůj osud. Spolu s ní se v krabici nachází speciální zařízení - tu kočku otráví v momentě určeném pomocí náhody.

Erwin Schrödinger vysvětlil, že kočka je zároveň živá i mrtvá, případně napůl mrtvá a napůl živá, a to až do doby, kdy experimentátor krabici otevře, aby zjistil její stav. To ovšem platí jen pro nevyrušenou kočku, proto je pro experiment potřeba krabice, která ji spolehlivě izoluje od ostatního světa.

Myšlenkový experiment by se dal obohatit o další kvantový jev, tunelový efekt. Teorie, hojně potvrzená praktickým pozorováním, popisuje možnosti protonů opustit jádro atomu i tehdy, když by na to vlastně neměly mít dostatek energie. Díky kvantovým jevům protony "tunelují" z jádra ven - v případě kočky v krabici by to znamenalo, že kus kočky leží vedle krabice, aniž by jí to fyzicky uškodilo.

V klasickém světě se kvantové efekty neprojevují, protože klasický svět se skládá ze spousty částic, které mezi sebou reagují, takže jejich kvantové vlny kolabují (analogicky vyrušené kočce, která z krabice vyskočí a uteče) a jejich vlastnosti se zprůměrňují.

Kvantově mechanické vlastnosti mizí mimo jiné úměrně k tomu, jak stoupá počet částic v systému, spolu s nárůstem jeho teploty (analogicky situaci, kdy pomyslnou kočku spolu s krabicí nakopnete - pravděpodobnost, že se kočka vyděsí, vyrazí víko krabice a uteče je tím vyšší, čím vyšší silou do krabice kopete) a s růstem vzdálenosti, ze které je objekt měřen.

Tímto se samozřejmě omlouvám všem kočkám do krabic zavřených i nakopnutých, případně otrávených, konkrétně pak kočce blogu idnes Lindě, která jistě tyto řádky nečte ráda, ač není sama ani otrávená ani zavřená.

Vědec, který daroval světu smrtelně-nesmrtelnou kočku, byl v průběhu druhé světové války a po ní profesorem na univerzitách v Dublinu, Gratzu a Vídni. Prokázal univerzálnost svého myšlení, když pracoval nejen v oblasti fyziky, ale také biologie. Jeho neprodávanější publikací je tenká knížka s názvem "Co je život?", ve které mimo jiné představil tehdy revoluční myšlenku o existenci genetického kódu živých organismů.

Erwin Schrödinger zemřel v roce 1961 na následky vleklé tuberkulózy.

Kvantová mechanika a zodpovědnost jednotlivce

Kvantová mechanika je vědní obor, který se zabývá zákony našeho světa, který poodhaluje tajemství hmoty a podstatu naší existence.  Popisuje dvojí možnost chování elementárních částic. Izolované jednotlivé částice mohou existovat ve formě hmoty a ve formě záření, říká teorie. Stejně tak, ve filozofickém smyslu, popisuje naši realitu. My, bytosti, kterým byl dán dar myšlení a inteligence,  můžeme svoje znalosti a schopnosti nasměrovat ke dvěma extrémům - k pozitivním nebo negativním cílům.

Lidstvo, nahlížející do hlubin atomového jádra, je poprvé v průběhu své existence, konfrontováno se schopností spolehlivě zničit samo sebe.

Omlouvá člověka dobrý úmysl v případě negativních následků jeho snažení? Tuto otázku ultimativně vystupňovaly okolnosti, provázející svržení atomové bomby na města Hirošimu a Nagasaki.

Nikdy nebyl žádný jiný vědec, snad s výjimkou Alfréda Nobela, konfrontován s podobnými následky svého snažení tak, jako se to stalo fyzikům, zkoumajícím podstatu hmoty vesmíru během první poloviny dvacáteho století. V globálním měřítku se ukázalo, že zodpovědnost musí jít ruku v ruce s vědeckým snažením, protože následky mohou být v daném momentu nedozírné a pro lidstvo jako celek likvidační.

Na základě kvantové mechaniky byly vyvinuty jak zbraně, tak nové metody lékařské diagnostiky, je jen na nás, lidech, kteří svým chováním ovládají politiku a strategii vyspělý států, jakým směrem se bude ubírat další vývoj lidstva. A je na jednotlivých vědcích, jakým způsobem se zachovají v případě, že politika selže a jejich znalosti, schopnosti a poznatky bude chtít použít k destrukci světa kolem sebe.

Příkladem duálního přístupu fyziků k věci je v minulém blogu zmiňovaný Werner Heisenberg,  který se zdráhal vyrobit pro hitlerovské Německo atomovou bombu - a jeho kolegové za oceánem, kteří tyto skrupule neměli.

Vracím se k  "případu Heisenberg" v tomto blogu proto, že mě fascinuje svým navždy aktuálním obsahem. Kdo z nás by byl v momentě osobního ohrožení, v momentě, kdy s jeho životem může po libosti nakládat diktatura, schopen a ochoten myslet víc na blaho ostatních, než na své vlastní? Kdo z nás, při představě, že se ocitne v podobné situaci, zachová chladnou hlavu? Smíme házet kamenem po těch, kdo se podřídili?

Doufejme, že vědců, kteří v kritické situaci zareagují stejně jako pan Heisenberg je dostatek i v dnešní době.

Dnes možná většina z nich pracuje v laboratořích, kde zkoumají mikroorganismy, které mohou být zneužity jako biologické zbraně.

Nejchytřejší mozky planety - muž, který nechtěl pro Hitlera sestrojit atomovou bombu

V roce 1942 požádal tento německý vědec svého dávného známého a přítele, Nielse Bohra, o schůzku, aby ho nenápadně seznámil s rozhodnutím, že se hitlerovské Německo nebude angažovat ve vývoji atomové bomby. Neměl úspěch. Bohr byl tématem, které chtěl jeho v nacistickém Německu žijící přítel probrat, částečně znechucen a částečně zděšen. Na otázku, jestli je možné sestavit atomovou bombu, odpověděl mladý muž totiž  "jsem si jistý, že je to možné". Bohr jeho úmysl nepochopil a slova interpretoval jako výhružku. Z větší části i díky tomuto nedorozumnění přistoupila americká strana válečného konfliktu k provedení projektu Manhattan. 

Německý vědec, který chtěl původně ujistit spojence ve válce s hitlerovským Německem o tom, že se Německo vývoje atomové bomby vzdalo, tak odstartoval její vývoj v USA.

Už ve třicátých letech byl známým a uznávaným vědcem. 1933, když mu bylo právě 31 let, obdržel Nobelovu cenu za fyziku. Jeho kariéra nebyla jednoduchá. V předválečném štvavém období přišel nejen o své spolupracovníky židovského původu, také on sám byl označen za "bílého žida" a perzekucím se vyhnul jen s největším úsilím a s nasazením osobních kontaktů svého tchána.

1939 uvažoval krátce o emigraci do USA, nakonec ale zůstal v Německu, které se díky politickým změnám stalo pravým opakem toho, co mladý vědec obdivoval - přírodního řádu. "Moderní fyzika nás učí, že realita je klam. Opravdová realita je výběr možností z tisíců realit". 

On i jeho spolupracovníci byli osvobozeni od aktivní vojenské služby, protože se zabývali strategicky důležitými výzkumy. Už od roku 1938 je známo, že se v atomu uranu skrývá obrovská, ke stavbě bomb jistě zneužitelná síla. Vědci v té době zkoumali , jestli intenzita řetězové reakce postačí k vojenskému využití. 

1941 vybudoval jeho tým předstupeň atomového reaktoru. V té době se vědec rozhoduje, že navštíví v Kodani svého bývalého přítele Bohra. Představuje si, jak s ním bude probírat teoretické a filozofické otázky  angažovanosti vědců ve výzkumech s válečným využitím.

"Myslíš, že se dá uran použít k výrobě atomové bomby?" začíná Bohr opatrně rozhovor.

"Jsem si jistý, že tomu tak je", zní odpověď mladého muže.

Niels Bohr je zděšen a rozhovor na místě končí. 

Je ironií osudu, že netuší pravý důvod, proč se s ním chtěl mladý vědec setkat; že mu jeho přítel pouze zkouší nenápadně naznačit, že se Německo  rozhodlo  svůj projekt atomové bomby zastavit. 

Německo se snažilo využít veškeré zdroje, které pro něj byly dostupné a které shledalo nacistické vedení jako perspektivní. Hitler vydal příkaz, podle kterého byly ukončeny všechny vývojové projekty, které byly delší než půl roku. Tehdejší ministr zbrojního průmyslu Speer si nechal od nositele Nobelovy ceny vypracovat studii o možnostech  využití štěpné reakce k sestrojení atomové bomby. Vědec, jehož jméno se dočtete na konci blogu, mu odpověděl, že by nároky na její výrobu byly nepřiměřeně vysoké a její konstrukce by trvala 3 až 5 let. Tímto výrokem byl projekt německé uranové bomby, v souladu s hitlerovým příkazem, shozen ze stolu.

Vědec vůdcům nacistického Německa mimo jiné zamlčel i to, že by se bomba dala vyrobit i z plutonia. a že její vývoj by netrval dlouho a ani náklady na její sestrojení by nepřekračovaly možnosti tehdejšího zbrojního průmyslu. 

Když v roce 1945 přichází konec války a s ním úleva a vysvobození z nejisté a nebezpečné situace, je zatčen americkými vojáky a internován spolu s větší skupinou vědců ve sběrném táboře. Spojenci chtějí vyzvědět, nakolik byli úspěšní při pokusech využití energie z uranového jádra. Zde ho také zastihne zpráva o tom, že to, co považoval za náplň svého života, fyzika jádra, nyní způsobilo smrt více než sta tisíce lidí. Dojde k názoru, že věda a její vývoj patří k vývoji lidstva a že jedinec nemůže za chod dějin.

Po válce se stává ředitelem fyzikálního institutu Max-Planckovy společnosti, účastní se aktivně vybudování instituce,kterou dnes známe pod názvem CERN.  Snaží se prosadit svou vizi, kterou je sdílení poznatků mezi vědci celého světa, jejich mezinárodní spolupráce. 

Ve svých posledních aktivních letech žije v Mnichově a hledá to, čemu dnes říkáme " univerzální teorie všeho". Zabývá se elementárními částicemi a zákony, které je propojují.

***

Tento vědec, patřící k těm nejvýznamnějším v dějinách lidstva, se zabýval nejen fyzikou, ale i filozofií. Během války vyjádřil svoje myšlenky slovy: "Doba, ve které žijeme, ohrožuje svým neklidem vše, co je pro nás cenné."  "Je důležité, aby ti, pro které svět ještě znamená světlo, drželi pohromadě a aby se mezi sebou navzájem rozpoznali."  (volný překlad W.H.)

Jeho jméno znáte nejspíše díky teorii, kterou definoval už v roce 1925. Ta říká, že nelze zároveň určit místo, na kterém se elementární částice nachází, a zároveň určit její impuls (hybnost). Vešla do dějin vědy jako Heisenbergova teoriie neurčitosti. 

Při popisu jevů, které vládnou na úrovni elementárních částic hmoty, se nedají používat běžně známé procesy, které známe z makrokosmu.

Byl to právě Werner Heisenberg, kdo přišel na princip, podle kterého se dá popsat chování těchto částic, když integroval do matematických vzorců proces měření samého. Ve světě elementárních částic není výsledek násobení 5x3 nebo 3x5 identický. V obou případech má matematická operace rozdílný výsledek. Vlastnosti částic záleží nejen na nich samotných, ale i na skutečnosti, zda jsou a zda nejsou objektem pozorování. Dokud je nikdo nepozoruje nebo neměří, nachází se například elektrony jen v neurčitém stavu, popsaném pouze matematickou funkcí. Teprve měření z nich udělá "skutečnou" hmatatelnou částici. 

Heisenbergův princip neurčitosti

Heisenbergův princip říká, že čím přesněji určíme jednu z konjugovaných vlastností, tím méně přesně můžeme určit tu druhou – bez ohledu na to, jak dobré přístroje máme. To také znamená, že představa z klasické fyziky, že můžeme předpovědět chování systému, je ve světě elementárních částic nepoužitelná.

Příště: Kvantová mechanika a zodpovědnost jednotlivce 

Nejnadanější vědec, nejdůležitější učenec v dějinách lidstva

Byl největším a nejuznávanějším vědcem všech dob. S jeho genialitou se dodnes měří učenci všech vědních kategorií.  Byl géniem, který za své neobyčejné nadání platil, tak jak to v podobných případech bývá, tvrdou daň.  Do paměti svých blízkých  se zapsal fyzickou osamělostí, dobrovolným sociálním vyloučením a obsesivním chováním.

Jeho příchod na svět o vánocích roku 1642 připomíná vzdáleně motiv knihy „Malý lord“. Otec, kterému příslušel titul „Lord of the manor“ byl již po smrti, když chlapec spatřil světlo světa. Vyrůstal u babičky ve Woolsthorpu poté, co se jeho matka znovu provdala. Cílem bylo nejspíš zachování jeho titulu.

Už v dětském věku byl bystrý a vynikal díky svému nadání, není proto divu, že se směl v osmnácti letech zapsat ke studiu na Trinity College v Cambridgi. Zde také proběhlo první osudové setkání s jeho pozdějším patronem a objevitelem, profesorem Isaacem Barowem. Právě on byl pozdějším iniciátorem vydání jeho první knihy a kromě jiného se zasloužil o jeho členství v Královské společnosti (Royal Society).

Byl vynikajícím žákem, který využil dokonce i nucených prázdnin, způsobených epidemií moru, k rozvíjení dalších teorií (integrální a diferenciální výpočty, teoretické práce v oboru optiky a mechaniky). Poté, co Barrow v roce 1669 odešel na odpočinek, zaujal mladý génius jeho místo na katedře matematiky.

Pravděpodobně už v roce 1668 vynalezl zrcadlový teleskop. Kdo by si ale myslel, že se svým objevem hrdě pochlubil kolegům, ten se mýlí. Ponechal si jeho tajemství pro sebe, úspěch u druhých pro něj, zdá se, v této době neměl váhu. Až v roce 1672 představil svůj vynález Královské (vědecké) společnosti, a to na popud svého patrona Isaaca Barowa. V té době byl už znám díky svým matematickým schopnostem, jeho teleskopu byla tedy věnována patřičná pozornost. Díky důmyslné konstrukci, používající zrcadla místo optických čoček, byl jeho teleskop až 10x menší než stávající refraktory (čočkové teleskopy) a několikrát přesnější co se zobrazení objektů týče. Díky čočkovým teleskopům vědci jeho doby objevili mnohé z objektů naší sluneční soustavy. Díky novému reflektorovému teleskopu, si mohli některé z nich důkladně prohlédnout a studovat útvary na jejich povrchu.
Jeho úspěchy při výzkumu optických jevů ale přivedly i první útoky okolí. Po delší, pomocí dopisů vedené osobní válce s oponentem Hookem, se mladý vědec uzavřel sám do sebe a téměř přestal komunikovat s okolím. Hookovi, který byl hvězdou tehdejší Královské společnosti, nikdy neodpustil.

Jeho výjimečné schopnosti začaly být provázeny i výjimečnou extravagancí. Během následujících deseti let se věnoval soukromému bádání v oblasti alchymie. Nikdo z tehdejších uznávaných vědců se o alchymii nezajímal a ani by nepřipustil, aby bylo jeho jméno v souvislosti s ní citováno. Možná mu tahle situace dokonce vyhovovala. Neměl potřebu, se o své výsledky s nikým dělit a nikdo neměl potřebu se o ně zajímat.

Ke změně došlo až s návštěvou Edmunda Halley, který hledal způsob, jak matematicky dokázat teorie pohybu těles sluneční soustavy. Objevitel nejznámější ze všech komet, periodicky se do přísluní vracející Halleyovy komety, nadchl vědce novou úlohou. Jeho oponent Hook bude později tvrdit, že na základní myšlenku nebeské mechaniky přišel on. Výpočty, které se stanou základem moderní vědy a které ovlivní svět víc, než jakákoliv jiná teorie, budou publikovány v nejdůležitější knize, jakou lidstvo vyprodukovalo. Autorem bude excentrický, do sebe uzavřený a na svůj vlastní svět koncentrovaný, osamělý vědec, žijící životem poustevníka, vědec, který nestál ani o slávu ani o uznání svých vrstevníků.

O několik staletí později se budou jeho psychickým stavem zaobírat lékařští odborníci a diagnostikují u něj Aspergerův syndrom. Ale ani jeho zvláštně obsesivní, tehdejší dobou nepochopené nutkavé chování, nebude překážkou úspěchu jeho geniálního díla – knihy knih - Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687), později Optics (1704) a Arithmetica Universalis (1707).

Poté, co roku 1703 zemře Hook, převezme stárnoucí vědec jeho roli nejdůležitějšího člena Královské společnosti. Ke sklonku života se věnuje náboženským spisům a stává se víc, než jen podivínem. Jeho obsesivní chování se stupňuje tím více, čím více se ponořuje do studia náboženských textů.

Krátce před svou smrtí předá většinu ze svým poznámek ohni.
Nikdy se nedozvíme, jaké dokumenty nechal spálit, jaké objevy nepovažoval za natolik důležité, aby se o ně podělil se zbytkem světa.

Umírá 31. Března 1727 jako nejvýznamnější vědec v dějinách lidstva, bezpochyby i díky psychické poruše, která umožnila jeho výjimečné genialitě navždy změnit naše dějiny.
Už za svého života se dočkal větší úcty než mnozí jeho součastníci, kteří se o vědecké uznání aktivně snažili. Na jeho počest dnes nazýváme jednotku síly – Newton.