Vesmír je ... plný tajemné energie.

Vesmír je plný záhad. Čím víc toho o vesmíru víme, tím záhadnějším jevy objevujeme. Jedním z nejexotičtějších je tzv. "temná energie", která tvoří 70 procent toho, čemu říkáme univerzum.

Paradoxně je hmota, která je nám důvěrně známá - hmota, ze které jsou vytvořena naše těla, zářící hvězdy, planety i veškeré pozorované objekty, hmotou spíše exotickou. Vesmír jí obsahuje jen 4 procenta.

Oproti tomu 25 procent celkového obsahu vesmíru připisujeme takzvané "temné hmotě". Tajemná "temná" (spíše bychom jí měli říkat "průhledná hmota") není schopna interakce s elektromagnetickým zářením. Nejen že sama záření nevysílá, dokonce ani záření nepohlcuje. Je prostupná nejen pro záření ale i pro klasickou, výše zmíněnou baryonovou hmotu vesmírných objektů. Právě teď, když čtete tyto řádky, procházíte shlukem temné hmoty, aniž byste si její existence všimli, aniž by vás nějak ovlivnila. Tuto zvláštní, neutrální hmotu registrujeme pouze díky jejímu gravitačnímu vlivu. (Více v předchozím blogu.) Oba druhy hmoty ovšem nejsou hlavní komponentou, ze které se náš vesmír skládá. Tou je neznámý, tajemný jev, který dostal název "temná energie".

Temná energie

Ještě před padesáti lety by se většina fyziků této myšlence jen usmála.

Určité procesy, které pozorujeme díky moderní technice, nám odhalily zajímavý fakt. Vesmír je z velké části tvořen další, tajemnou komponentou. Ve skutečnosti nevíme, zda se jedná o jeden jediný jev nebo souhrn několika jevů. Nevíme ani, kam bychom měli fyzikálně "temnou energii" zařadit.  Zdá se jen, že je svým projevem spojena ne s hmotou vesmíru, ale s jeho prostorem.

Pokus o definici

Při vysvětlení podstaty tajemné "temné energie" se vědci většinou drží dvou schemat.

Podle jednoho by mohla být konstantou, která je neměnná. Znamenalo by to, že vznikla spolu s prostorem samým a vyjadřuje jednu z jeho vlastností.  Tato představa příjemně navazuje na existenci tzv. "kosmologické konstanty". Ta byla zavedena Albertem Einsteinem a měla pomoci "opravit" některé rovnice tak, aby výpočty souhlasily s tehdy platnými představami o neexpandujícím, statickém vesmíru. Einstein sice později svého počinu litoval a označil ho za "největší oslovinu svého života", temná energie by mu dnes, s odstupem desetiletí, ovšem mohla přinést určitou rehabilitaci.

Představa temné energie jako vlastnosti vesmíru, konstanty, kterou je nutno akceptovat, se řadě fyziků nelíbí. Je málo elegantní. Konstanty, jedno jakého druhu, jsou vnímány spíše jako kapitulace, jako neschopnost vysvětlit daný jev. Proto se nemálo vědců přiklání ke druhému schematu. Temná energie v něm vystupuje ve formě fyzikálního pole. Mělo by se jednat o skalární pole, které je homogenní, takže nepůsobí žádným vybraným směrem. I u něj se dá najít analogie se starší představou uspořádání vesmíru - s představou všudypřítomného etéru.

První praktický důkaz

Na představách a osobních preferencích fyziků ale koneckonců nezáleží - důležité jsou výsledky praktických pokusů. I ta sebeelegantnější teorie není ničím bez praktického ověření.

K dnešnímu dni se zdá být teorie, předpokládající existenci temné energie ve formě pole, pravděpodobnější, než ve formě konstanty. Porovnání rychlostí, kterými se vesmír rozpínal dnes a dříve, přineslo překvapivé zjištění: expanze vesmíru se (minimálně v průběhu posledních 6 miliard let) zrychluje. To by znamenalo postupné zvýšení podílu "temné energie" na chování vesmíru. Odpovídalo by vlastnosti skalárního pole, jehož síla vzrůstá s jeho objemem.

Je možné najít další důkazy?

Změřit hodnotu "temné energie" nebude vůbec lehké. Přesto se vynalézavé vědecké týmy snaží vyvinout  experimenty, které by mohly prokázat existenci nebo neexistenci příslušného silového pole. To by mělo v malých měřítcích působit na atomy jakousi novou, neznámou silou. Částice, která by tuto sílu zprostředkovávala, dostala název "kosmon" (analogicky ke jménu "graviton"). Jako následek působení tohoto pole bychom mohli teoreticky očekávat minimální změny přírodních konstant v čase. Změnou stavu pole, například jeho odstíněním, by se daly teoreticky vyvolat změny v hodnotě elektrického náboje, změny ve vzájemné interakci, neodpovídající hmotnosti jednotlivých částic, a podobně.

Vzhledem k tomu, že je temná energie v kosmu rozmístěna pravidelně a nevykazuje žádnou strukturu, nedá se její vliv odvodit podobně, jako se to povedlo u temné hmoty. Ta má naopak tendenci shlukovat se do útvarů ne nepodobných shlukům viditelné hmoty - a působit na svoje okolí gravitační silou. Spolehlivě ji prozradí efekt gravitační čočky, při kterém mění dráhu světelných paprsků jiných objektů.

Temná energie se projevuje jen svým celkovým vlivem na vývoj vesmíru. Působí jako negativní gravitace, která se snaží vesmír rozpínat. V dobách, kdy temná energie převládá, je rozpínání vesmíru rychlejší. Předpokládáme, že to byla právě ona, kdo způsobil tzv. "inflační fázi" v době krátce po velkém třesku. Tehdy vznikal nový prostor rychlostí, která několikanásobně přesahovala rychlost světla. Později vliv temné energie poklesl, nejspíše díky většímu vlivu gravitace v tehdy poměrně malém univerzu. V dnešní době získává znovu větší vliv, díky narůstajícím rozměrům vesmíru.

Na vlivu temné energie na náš vesmír bude záležet i jeho budoucnost. Pokud se nám podaří zjistit, jakým způsobem tato energie funguje, na jakých principech pracuje, můžeme odhadnout, jaký scénář ho čeká. Podle dnešních představ pravděpodobně skončí roztržením vazeb elementárních částic, kolapsem hmoty, který dostal zkratku "big rip".

Objevy temné hmoty a temné energie posunuly fyziku na novou úroveň tak, jako to kdysi udělal objev kvantových jevů. Je těžké odhadnout, jaké další úžasné objevy, spojené s temnou energií, lidstvo čekají.

Je ale dobře možné, že už dnes - kdesi - kreslí mladý, nadějný fyzik první čáry do nového diagramu, který jednoho dne změní naše myšlení. Že se právě někde otevírá brána do světa, jaký si dnes neumíme ani představit.

Vesmír je ... průhledný.

Max Planck, německý fyzik, který dal jméno nejmenšímu smysluplnému úseku prostoru a času, dostal od svého profesora dobře míněnou radu: "Mladý muži, věnujte se raději hře na klavír...

... fyzika Vám nic nového nepřinese, vše již bylo objeveno." Planck se nenechal odradit od svého plánu, prozkoumat fyzikální záhady, které tehdy byly považovány za jedny z posledních. O několik let později položil základy nové fyzice, kterou dnes nazýváme kvantovou. Její vlastnosti se od vlastností hmoty v našem běžném světě často dramaticky liší.

Následovaly generace fyziků, které se opíraly o nově získané znalosti kvantových jevů. Stovky vědců rozpracovaly teorie popisující chování mikro- i makrosvěta. Jejich práce přispěla k odhalení dalších a dalších fyzikálních zákonitostí. Zároveň se objevily další fyzikální záhady. Situace ve vědě dělá dojem nekonečné posloupnosti. Každá nová teorie, která řeší problémy, způsobené teorií stávající, otevírá dveře dalším problémům a vytváří půdu pro teorii budoucí. I dnes pořád ještě stojíme na prahu dalších objevů, které budou možná ještě velkolepější a zajímavější než to, čím kdysi udivil vědeckou společnost Max Planck.

Dnešní teorie, popisující stav vesmíru, vycházejí z paralelní existence dvou druhů hmoty, baryonové a tzv. "temné".

Baryonová hmota
je druh hmoty, která se svým okolím reaguje všemi čtyřmi základními silami: silnou a slabou interakcí, gravitací a (pokud vlastní náboj) i elektromagnetickou interakcí. Typickými zástupci baryonové hmoty jsou proton a neutron. Podléhají tzv. Paulimu vylučovacímu principu, který postuluje, že v jednom bodě prostoru se může nacházet vždy jen jedna hmotná částice. (Na rozdíl od tvz. "bosonů", kterým koexistence se stejnojmennými kolegy v jednom bodě prostoru nevadí, tak jako je tomu například u fotonů.) 

"Všechno, co ve vesmíru vidíme, se skládá z baryonů."

Naše pozorování vesmíru je založeno na příjmu elektromagnetického záření, nesoucího informaci. Ať už jsou to fotony ve viditelném části spektra nebo v rentgenové oblasti, radiovlny nebo pozorování reliktního záření - informace se k pozorovateli zpravidla dostávají díky schopnosti hmoty interagovat se zářením, případně ho samostatně vysílat.

Je tedy logické, že hmota, ze které jsme sami vznikli, hmota, která je schopná reagovat na světlo, pro nás donedávna byla obsahem vesmíru a vším, co vesmír definuje.

"Víme, že nic nevíme."

Situace se změnila koncem minulého století. S postupným rozvojem technologií se zlepšily naše pozorovací schopnosti. Dnes umíme například rozlišit jednotlivé hvězdy cizích galaxií tak dokonale, že jsme schopni pozorovat nejen jejich svítivost, ale i jejich pohyb.

Bylo to právě sledování objektů v okrajových částech galaxií, které zásadním způsobem změnilo naši definici vesmíru.

Okrajové hvězdy, které se nacházejí daleko od centra galaxie, se totiž pohybují způsobem, který zdánlivě odporuje fyzikálním zákonům. Jejich rychlost je neúměrně vysoká. Logickým vysvětlením tohoto stavu je předpoklad, že se v galaxiích nachází daleko více hmoty, než jen té, o které máme informace a kterou pozorujeme.

Jev dostal název "temná hmota".

Temná hmota

je inaktivní druh hmoty. Nereaguje s elektromagnetickým zářením. O jejích vlastnostech ohledně slabé a silné interakce proto nemáme logicky žádné informace. Byla objevena díky svému gravitačnímu působení. Nevíme, jakými částicemi je tvořena.

Ve skutečnosti by se pro něj lépe hodilo označení "průhledná hmota". Tzv. temná hmota totiž na rozdíl od baryonické nereaguje s elektromagnetickým zářením. V praxi to znamená, že může existovat okolo nás, aniž bychom kdy měli možnost ji zaregistrovat. Procházíme skrz ni, aniž bychom si toho všimli. Pravděpodobně to platí také naopak.

Zatímco baryonická hmota tvoří 4 % hmoty vesmíru, na "průhlednou hmotu" připadá 27 % z jeho celkové hmotnosti.

Pohled na tato čísla dává tušit, jaké místo zaujímají lidé ve vesmíru jako celku. My, zástupci uvědomělé hmoty, nejen že nejsme pomyslným centrem stvoření, nejsme ani centrem vlastní galaxie nebo vlastního hvězdného systému. Nejsme dokonce ani vytvořeni z hmoty, která je ve vesmíru nejběžnější...

... přesto chceme důkazy.

Pouhý předpoklad existence "průhledné hmoty" na základě pozorovaných rychlostí hvězd v galaxiích samozřejmě není dostačující k tomu, abychom přehodnotili svůj pohled na vesmír. Jakkoliv je teorie existence temné hmoty elegantní a logická, potřebuje důkaz o své platnosti. Dokázat existenci hmoty, kterou pozorovatel není schopen vidět, ovšem není lehké. Nezbývá než využít jejího gravitačního působení a najít situaci, ve které bude tato interakce zjevná i pro vzdáleného pozorovatele.

Praktické důkazy

Vědci vzali na pomoc jev, kterému se říká "gravitační čočka". Dochází k němu v případě, kdy se mezi pozorovatelem a pozorovaným objektem nachází vysoká koncentrace hmoty. Ta poté zakřivuje prostor ve svém okolí a nutí záření, nesoucí informaci o vzdálenějším pozorovaném objektu, nepatrně změnit svou dráhu. Pozorovatel na Zemi vidí tento objekt deformovaně, například v podobě kruhu, "kříže" nebo víceméně nepravidelného shluku. Zbývá jen odlišit deformovaný objekt od náhodně rozmístěných objektů. To se děje pomocí spektrální analýzy. V případě, že daný shluk objektů vykazuje identické spektrum, jedná se o jeden objekt, jehož obraz je deformován gravitační čočkou. Pokud v místě, kde bylo nalezeno gravitační působení, není žádný zdroj elektromagnetického záření - můžeme vycházet z toho, že je tato čočka vytvořena temnou hmotou.

Dalším praktickým pokusem je snaha o "zachycení" temné hmoty. Probíhá v Gran Sasso tunelu, chráněném téměř 1400 metry skalního masivu. Ten by měl odstínit kosmické záření tak, aby detektor temné hmoty reagoval pouze na ni. Krystal detektoru je chlazen a udržován na rozhraní teploty, při které v něm vzniká supravodivý stav. Výsledkem "zachycení" temné hmoty by měl být nepatrný nárůst teploty detektoru a tím i změna jeho vodivosti. Experiment, nazvaný zkratkou KREST, zatím neměl úspěch.

Teoretický důkaz

Existenci temné hmoty předpovídá i jedna z četných teorií o uspořádání hmoty. Tzv. teorie "Supersymetrie" vyžaduje existenci "symetrických částic". Umí mimo jiné vypočítat a předpovědět chování částic při srážkách, jejich rozpad a vznik částic nových. Výsledkem četných rozpadů by měla být neutrální, teoreticky existující částice nesoucí malou energii a větší množství hmoty. Tato částice by mohla být ideálním kandidátem pro temnou hmotu.

Logický důkaz

Existenci tzv. "temné" nebo "průhledné" hmoty můžeme odvodit také logickou úvahou. Pozorovaný vesmír vykazuje specifickou strukturu. Hmota je v něm ale rozložena pravidelně. Tato pravidelná struktura musela vzniknout ve velmi raném stadiu vesmíru. V dnešní době jsou jednotlivé části vesmíru od sebe totiž příliš vzdáleny, v podstatě spolu nemohou komunikovat, a tedy vytvářet společnou strukturu. Ve zmiňovaném časném období vesmíru však byly podmínky pro vznik shluků baryonické hmoty velmi nepříznivé. Vesmír ovládalo ultratvrdé záření, které veškeré vzniklé struktury zničilo. "Průhledná" hmota s tímto zářením nereaguje. Nejspíše to byla právě ona, kdo se podílel na vzniku prvních shluků, které k sobě později gravitativně přitahly baryonickou hmotu, a vytvořila tak zárodky hvězd a galaxií.

Lidstvo stojí na prahu fenomenálního objevu. Kdo se bude podílet na odhalení dalších tajemství existence temné hmoty?

Bude to pravděpodobně ten, kdo bude oplývat jinými nápady, než mají ostatní.

Víme, co je to "vesmír"? Těžko posoudit - velký kus ho totiž chybí.

Představte si, že stojíte potmě na menším kopci a vychutnáváte klid osamělé letní noci. Když zvednete oči k nebi, uvidíte na něm poblikávat zhruba 6000 hvězd. Je to stejný pohled, jaký letní nebe nabízí už miliony let, stejný pohled, který vzbudil zvědavost našich předků, když se snažili pochopit svět kolem sebe.

 Myslím, že nepřeháním, když řeknu, že zvědavost je vlastnost, která je společná i lidem, kteří nejsou schopní vzájemné domluvy, kteří vedou války o zdroje nebo o imaginární duchovno. Díky ní byl vynalezen dalekohled, kterým se daly malinké lesklé body na obloze pozorovat daleko efektivněji než pouhým okem, díky ní byl vynalezen ještě dokonalejší a větší dalekohled, kterým bylo vidět daleko více hvězd. A po něm ještě dokonalejší a ještě větší. Začali jsme si prohlížet stále vzdálenější a vzdálenější oblasti vesmíru. Původních 6000 hvězd, které byly vidět na noční obloze neozbrojeným okem, se k dnešnímu dni rozrostlo na 500 miliard galaxií.

Naše zvědavost zničila původní jednoduchou představu o uspořádání Všeho a s ní prakticky veškerá dogmata, která na první pohled vypadala tak příjemně a logicky, když nám slibovala výsadní pozici v systému, řízeném Bohem.

Dnes víme, že Slunce se neotáčí kolem země, naopak. (Ještě že tu máme alespoň Měsíc - ten se skutečně točí kolem nás, i když to vypadá, že to dělá nedobrovolně a snaží se nás opustit. Každý rok se od nás vzdálí o 1,5 centimetru.)

Ukázalo se, že ani Slunce není centrem vesmíru a co víc - dnes už můžeme celkem spolehlivě prohlásit, že vesmír žádné centrum nemá. Slunce je pouze gravitačním centrem malé soustavy planet, která je jen malinkou částí objektu s názvem Mléčná dráha. Ve vesmíru samém vidíme pomocí dalekohledů výše zmíněných 500 miliard těchto gigantických objektů.

Je toto číslo definitivní? Pravděpodobně ne. Zdá se totiž, že velkou část vesmíru z fyzikálních důvodů nevidíme a nikdy ji vidět nebudeme. Co se týká vesmíru, smíme dnes dokonce pozorovat jeho větší část, než jakou budou moci pozorovat civilizace o několik miliard let později.

Vesmír totiž vůbec není tak statický a neměnný, jak se může zdát při pohledu na potemnělé nebe. Rozpíná se - a to rychlostí, která se dnes zvyšuje. V praxi to znamená, že ve vesmíru neustále vzniká nový prostor. Díky tomu se dá říct, že čím vzdálenější je určitý objekt, tím rychleji se od nás vzdaluje, protože mezi námi a jím se neustále objevuje další a další, nový prostor. Dokonce ani světlo (které se pohybuje maximální možnou rychlostí, jakou se v našem vesmíru dají přenášet informace) se k nám z dostatečně vzdálených oblastí vesmíru už nikdy nedostane, protože se jejich vzdálenost zvyšuje větším tempem, než jakým k nám postupují informace z nich. A právě díky tomu se pro nás stává velká část vesmíru nedosažitelnou, přestává pro nás reálně existovat, protože informace o ní mizí z našeho dosahu.

To všechno ale trumfne další překvapení, se kterým se setkali vědci, kteří zkoumali strukturu vesmíru. To, co považujeme za vesmír, je jen jeho malým zlomkem. Věta, která stojí v názvu článku rozhodně nepřehání. Dá se dokonce říct, že nám chybí pořádně velký kus vesmíru, respektive informace o jeho složení.

V teorii, kterou dnes považujeme za správnou a nejlépe prokázanou, se vesmír skládá z 96 procent z nedefinovatelné tzv. temné hmoty (která působí na svoje okolí pouze svou gravitací) a z tzv. temné energie, o jejíž podstatě nevíme vůbec nic.

Hmota, kterou vidíme, hmota, ze které se skládají hvězdy, galaxie i my sami, tvoří jen zhruba 4 procenta celku.

Temná hmota

 je dnes považována za původ námi pozorované struktury vesmíru - rozmístění galaxií, supergalaxií a shluků supergalaxií. Viditelná hmota se podle dnes platné teorie zdržuje v místech, kde je koncentrace temné hmoty nejvyšší.

K tomuto zjištění došli vědci, kteří zkoumali pohyby hvězd uvnitř galaxií. Na základě jednoho ze základních principů fyziky, o jejichž správnosti jsme přesvědčení, by se rychlost těles v určitých částech galaxie musela řídit nám známými a i v naší části galaxie platnými zákony. Zářící hvězdy galaxií se ovšem pohybují takovým způsobem, že by galaxie  neměly držet pohromadě a jejich hvězdy by se měly teoreticky rozlétnout do všech stran. Situace se vysvětlí až v momentě, kdy je do modelu pohybu galaxií zadána adekvátně větší hmotnost. Tuto pro nás neviditelnou, ale gravitačně na pohyby ostatních hvězd galaxie působící hmotu, dnes nazýváme "temnou" hmotou.

Temná energie

Tajemná temná energie se naopak snaží koncentraci hmoty do jednoho bodu překazit a způsobuje neustálé, v poslední době prokázané, zrychlení rozpínání vesmíru. Co je její podstatou, čím je způsobena a na jakém principu funguje - nevíme.

Je letní noc - vy stojíte na menším kopci a vychutnáváte si pocit klidu při pohledu k nebi, pokrytému tisíci hvězd. Je to stejný pohled, jaký letní nebe nabízí už miliony let. Je závratný a tajemný - až dnes ale máme přibližnou představu o tom, kolik toho vlastně o vesmíru nevíme.

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 velký třesk

Kvantová mechanika není jen vědním oborem, který vysvětluje chování jednotlivých izolovaných částic hmoty na úrovni základů její existence, je to i obor, který nám umožňuje nahlédnout do procesů, které se mohly odehrávat při vzniku vesmíru samotného.

V dnešním pojetí vesmíru je univerzum rozpínající se jednotkou, kterou lze zpětně sledovat v čase až k jejímu vzniku do stavu, kterému říkáme "singularita". Její teoreticky nulový objem a zároveň nekonečná hustota jsou nepřestavitelné hodnoty, které se dají běžným lidským myšlením pouze akceptovat, nikoliv pochopit. Kdy a proč vlastně vznikl vesmír - jsou otázky, které si  zvídaví lidé kladli odedávna bez možnosti, aby na ně mohli najít fundovanou odpověď. Zkusme do nich zakomponovat procesy, které předpokládá kvantová mechanika a provést malý myšlenkový experiment.

Prvním předpokladem v úvaze je postulát, že kvantová mechanika správně popisuje chování elementárních částic a také to, že správně popisuje procesy, probíhající v jejich mikrosvěte.

Teorie kvantové mechaniky, konkrétně Heisenbergova teorie, objasňuje pricip chování hmoty na úrovni mikrosvěta jako fluktuaci, neurčitost, neschopnost předvídat její chování.

Dnešní věda vychází z toho, že domněnka, že se vesmír před svým vznikem nacházel v jednom malém bodu, je správná. Pak by se na jeho chování dala aplikovat teorie, popisující chování elementárních částic, o kterých víme, že se účastní procesů mikrosvěta, chování, které jsme odpozorovali při fyzikálních experimentech s hmotou.

Pakliže se hmota na úrovni rozměrů elementárních částic chová nepředvídatelně, pakliže si ji představujeme jako ve svých vlastnostech "vibrující"  jednotku, je možné, že právě tento jev (vibrace, případně fluktuace) odstartoval proces, který způsobil rozpínání toho, čemu dnes říkáme vesmír. Fluktuací se změnila nějaká její vlastnost natolik, že se samovolně nemohla vrátit do původního stavu, podobně jako vlna, která je neustále dotována další a další energií větru - a která se neustále zvětšuje až do té doby než kolabuje a která se dostala do stavu, ve kterém už nemůže sama od sebe zaniknout.

Za potvrzení teorie o počáteční fluktuaci (a tím správného použití kvantové mechaniky v myšlenkovém experimentu "vznik vesmíru") považujeme dnes měřené reliktní záření. To je pozůstatkem z doby, kdy byl vesmír starý zhruba 400 000 let a proběhl v něm jev, který vesmír pro záření zprůhlednil. Dnes má teplotu 2,7 Kelvinu a zaznamenáváme ho pomocí projektu WMAP. Téměř všude je homogenní, pozorujeme v něm ale zmíněné malé fluktuace.

Proč mění pozorování kvantových jevů jejich stav?

Možným přiblížením je teoretická úvaha, přirovnávající neurčitost mikrosvěta k pozorování v makrosvětě: pokud chceme pozorovat nějaký objekt makrosvěta, musíme ho osvětlit. Pokud sledujeme menší a menší objekty, můžeme vycházet z toho, že budeme potřebovat více a více světla k jeho pozorování a musíme vynaložit více energie. Zároveň se ale jedná o objekty, které jsou v rámci tohoto myšlenkového experimentu menší a nepatrnější, takže si teoreticky můžeme představit moment, ve kterém vynaložená energie začíná být analogická s energií pozorovaného objektu, začíná ho ovlivňovat a další změnou rozměrů v neprospěch objektu dokonce určovat.

Jak velký byl vesmír v momentě, kdy pro něj platily kvantové podmínky a zákony?

Díky Heisenbergově teorii neurčitosti dnes víme, že sledování jevů makrosvěta dává smysl jen potud, pokud tyto jevy nepřekročí určitou minimální velikost. Při překročení této hranice se jevy stávají neurčitými, samo pozorování je mění natolik, že se nedá určit jejich původní stav.

Tato hranice mezi makrosvětem  a mikrosvětem je známa - rozměrové odpovídá 10-35 metru. Tuto velikost tedy musel mít původní vesmír, ve kterém působily zákony kvantové mechaniky. Pro srovnání - vesmír, pro který musely platit zákony kvantové mechaniky, byl 10+20 krát menší, než proton.

Vesmír se dále vyvíjel díky rozpínání a vzniku hmoty, která se oddělila od záření, původně  vyplňujícího celý vesmír.

Ve vesmíru, který by byl absolutně homogenní, ve vesmíru, jehož vnik by nebyl iniciován kvantovou fluktuací, by toto rozpínání způsobilo neustálé ředění hmoty v prostoru.

Díky fluktuacím na kvantové úrovni v našem vznikajícím vesmíru ale došlo zároveň i k fluktuaci vznikající hmoty, která se díky působení gravitace následně manifestovala vznikem hvězd a galaxií. Do procesu, kterým vykrystalizovalo dnešní rozložení hmoty ve vesmíru, byla přitom zapojena spíše nebaryonická, se zářením nereagující hmota, tzv. "temná hmota", nikoliv baryonická, běžná hmota, ze které se skládají hvězdy samy. O existenci temné hmoty máme důkazy jen díky její gravitaci a její vlastnosti se vědci pokoušejí vysvětlit mimo jiné díky kvantově mechanickým jevům.

Fluktuaci hmoty dnes považujeme za druhý důkaz správnosti původní úvahy (vzniku vesmíru jako následku fluktuace původního stavu singularity). Žijeme ve vesmíru, který vznikl náhodnou fluktuací a my sami, stejně jako struktura dnešního vesmíru jsme produktem jejích následků.