DÉMOKRITOS BY SE DIVIL
"Podle dohody sladké je sladké, podle dohody hořké je hořké, podle dohody horké je horké, podle dohody studené je studené, podle dohody barva je barva. Ve skutečnosti jsou však jen atomy a prázdnota." Takhle viděl svět řecký filozof Démokritos (460--370 př. n. l). Trvalo přes dva tisíce let, než mohla jeho geniální představu prověřit věda a technika. Poslední století fyzikálního bádání však přineslo výsledky, na které už naše představivost nestačí. Žasnou nad nimi i sami fyzikové. Jedním z nich je RNDr. VLADIMÍR DVOŘÁK, DrSc. (68), donedávna ředitel Fyzikálního ústavu Akademie věd.
Když do vašeho životopisu nahlédne laik, ochromí ho posvátná úcta. Dopracoval jste se k úspěchům v oborech, u nichž člověk nerozumí ani názvům. Přednášíte po světě, školíte doktorandy, publikujete ve vědeckých časopisech. Jste se svými výsledky spokojen?
Největší slávu jsem zažil před třiceti lety. Tehdy jsem -- téměř současně s jedním Japoncem a dvěma Rusy -- vysvětlil neočekávané vlastnosti některých látek a zavedl pro ně termín nevlastní feroelektrika, který se kupodivu užívá dodnes. Tohle vychloubání ale celé patří do velkých uvozovek. Já osobně mám ze svého povolání často spíš trauma. Celý život tady něco dělám, nejsem za to tak úplně špatně placen, ale k čemu je to dobré? Pár citací v časopisech ... V takových chvílích mi pomáhá jen jedno. Ve srovnání s tím, na kolik přijde tank nebo stíhačka, jsem vlastně levný. A užitečný. Alespoň jsem nashromáždil nějaké znalosti a postupně je předal mladším kolegům.
Zkuste teď myslet spíš na nás nevzdělance. Ví už moderní fyzika, z čeho je svět?
Budete považovat za úhybný manévr, když řeknu, že z elementárních částic?
Budu. Protože mi z nich jde hlava kolem. Nejdřív jsme poznali Démokritovy atomy, údajně nejmenší myslitelné částice hmoty. Pak jsme zjistili, že se skládají z protonů, neutronů a elektronů. Jenže ty se zase skládají z menších částic, kvarků tuším. A ty jsou z ještě menších částic. Menší a menší ... pokračuje to, jako když rozkládáte matrjošky. A na konci prý jsou částice přímo virtuální. Některé vypočtené, jiné jen tušené. Ty prý neváží vůbec nic, ale bez nich by to nefungovalo ...
Tak pozor. Elektron vynechte, to je skutečně velmi elementární částice. U něj se žádná vnitřní struktura nepředpokládá. Z kvarků se skládají protony a neutrony v jádře atomu. Ale doporučuji začít odjinud. Mikropohled na svět těch nejmenších částic není pro pochopení zákonitostí našeho světa zase tak podstatný. Pro běžné chápání přírody nám stačí charakterizovat atom jádrem a elektrony, které kolem tohoto jádra krouží.
Ostatní nám může být jedno?
Určitě ne. Ale před detailním rozebíráním, z čeho je svět, je užitečné položit si otázku, jaké síly ho drží pohromadě. Kolem nich se totiž celá fyzika točí. Už přes tři sta let.
Kam se dotočila?
Známe čtyři základní síly. Jako první se předmětem zkoumání stala gravitace. Je nejslabší z nich, ale působí na obrovské vzdálenosti mezi nebeskými objekty. Jako první ji popsal Isaac Newton. Další obrovský pokrok přinesly Maxwellovy rovnice, jež vysvětlily projevy elektromagnetických sil. Od dob Maxwella také víme, že tyto síly mezi tělesy přenáší elektromagnetické pole, které se šíří rychlostí světla. Dalšími dvěma silami jsou slabá a silná jaderná interakce. První se projevuje při rozpadu částic, druhá drží obrovskou silou pohromadě jádra atomů.
Když všechny síly známe, co nám chybí?
Pro pochopení většiny vlastností našeho světa skoro nic. Celou chemii a podstatnou část fyziky lze dokonce vysvětlit jen elektromagnetickými silami a ničím jiným. Rozhodují skoro o všech pozorovatelných vlastnostech každé látky, o slučování molekul, téměř o všem, na co si vzpomenete.
V čem je tedy problém?
Nejdřív dopovězme, v čem není. Působení všech vyjmenovaných sil známe natolik, že s nimi můžeme operovat s naprostou přesností. Díky Einsteinovým teoriím relativity známe lépe i vlastnosti času a prostoru. Umíme rozbíjet jádra atomu a proměnit atomy jednoho prvku v atomy jiného. A také víme, že mezi hmotou a energií není žádný zásadní rozdíl. Energie má hmotnost a hmota zase energii, mezi nimi je jen obrovský nepoměr.
Na to si vzpomínám. Einstein dokonce kdesi uvádí konkrétní příklad. Množství tepla, které by dokázalo přeměnit třicet tisíc tun vody v páru, vážilo by asi jeden gram. Kdybychom dokázali takovou energii z jediného gramu hmoty uvolnit, s energetickou krizí by byl amen ...
Vědci se o něco takového snaží už několik desetiletí. Konkrétně o spojení deuteria a tritia. Energii, již bychom takovou termonukleární reakcí získali, bohužel zatím umíme jen spočítat. Podle prvních předpovědí měla běžet už před dvaceti lety, dnes se nesměle hovoří o roce 2030.
Proč to tak trvá?
Je tu spousta technických potíží. Ale nechte mě ještě dopovědět, kam moderní fyzika dospěla. Další obrovský pokrok přinesla kvantová teorie. Ta popisuje nové a podstatné vlastnosti naší reality, které nejsme schopni vnímat vlastními smysly.
Šlo by to vysvětlit srozumitelněji?
I fyzika má své hranice. Třeba v měření. Čím přesněji změříme polohu nějaké částice -- třeba elektronu --, tím méně budeme vědět o její rychlosti. A naopak. Jestliže změříme rychlost, nebudeme přesně vědět, kde ta částice byla. Limity jsou i v počtech. Když elektron při oběhu atomového jádra přeskočí z jedné dráhy na druhou, vyzáří kvantum světla na určité vlnové délce. Když na něj posvítíte, zase světlo pohltí. Tohle všechno dovedeme změřit a přesně spočítat. Ovšem -- jen u nejjednoduššího atomu s jedním elektronem a jedním protonem. Jakmile kolem jádra obíhá mnoho elektronů nebo máme obrovské množství atomů, rovnice sice dovedeme napsat, ale jsou tak složité, že dostáváme jen přibližná řešení. Kvantová mechanika však s nimi umí přesně pracovat a dovede si poradit i s vlnovou podstatou částic, ze kterých se všechny materiální objekty skládají.
Kde zůstala přesnost, na níž si fyzika tak zakládala?
Kvantová mechanika sice objevila, že nemůžeme přesně určit polohu i rychlost částic v jednom okamžiku, ale to není nedokonalost, nýbrž principiální přírodní vlastnost. Kvantová mechanika nejenže vysvětlila jevy nepochopitelné pro klasickou fyziku, ale je také nejpřesnější teorií, jaká kdy byla vymyšlena. Spolu s teorií relativity je vrcholným výtvorem lidského ducha. Díky nim dnes létáme do kosmu, operujeme laserem a bůhvíco ještě. Jsou i základem moderní chemie a biologie a nejchytřejší teoretičtí fyzikové se dnes věnují oborům, které s těmito vědami hraničí.
Zůstaňme u fyziky. S teoriemi relativity přišel Albert Einstein v první polovině minulého století, od definování zákonů kvantové mechaniky uběhlo několik desetiletí. Přišlo se od té doby na něco zásadního?
Záleží na měřítku. Objevů, jež by mohly výrazně změnit náš život (pokud je jednou budeme umět úspěšně využít), je řada. Třeba supravodivost, při níž teče elektrický proud vodičem bez energetických ztrát. Hitem poslední doby jsou teorie o zpracovávání informací v takzvaných kvantových počítačích. Zatím se používají čipy, co umějí vyjádřit jen ano nebo ne. Do mikroskopických kvantových objektů je ale možné uložit víc informací najednou. Tím by se výpočty neobyčejně zrychlily. Nicméně -- tohle jsou jen cíle odvozené ze znalostí, o nichž už byla řeč. Když se vrátím k oněm čtyřem základním silám, nenaplněna zůstává snaha o jejich jednotný popis. Ten by pak mohl být jakousi teorií všeho. Zatím se podařilo sjednotit jen elektromagnetismus a sílu odpovědnou za rozpad některých atomových jader.
Někteří fyzikové hledají jednotné vysvětlení v teorii superstrun. Američan Brian Green jí předloni věnoval knihu nazvanou Elegantní vesmír. Základem našeho světa prý je síť vibrujících strun, jež mají jako jediný rozměr délku ...
Věcí, které si lze jen těžko představit, je v teorii superstrun víc. Například další rozměry našeho vesmíru, jichž jsme si ještě nevšimli, protože prý jsou svinuté a nesmírně malé, o víc než patnáct řádů menší, než je rozměr protonu! Tahle knížka je nesmírně vzrušující, ale zatím není teorie strun experimentálně nijak potvrzena.
Zato prý řeší konflikt mezi Einsteinovou obecnou relativitou a kvantovou mechanikou.
Uvedené teorie nejsou v žádném protikladu. Obě jsou velmi úspěšné, kvantová mechanika v mikrosvětě, obecná relativita ve vesmíru. Jen se prozatím nepodařilo najít jejich společný základ. Teorie strun možná otevře cestu k jejich usmíření.
Podle amerického fyzika Feynmana rozumělo Einsteinově teorii sotva pár desítek lidí, ale nakonec byl pochopen. Zatímco kvantové mechanice nerozumí dodnes nikdo. Souhlasíte?
Naše každodenní vjemy a pojmy se k popisu mikrosvěta moc nehodí. Jen si vzpomeňte, jak jsme se o atomech učili, že jsou jako kuličky, které se od překážek odrážejí. Podle kvantové mechaniky jsou to spíš vlnové objekty a mohou projít skrz. Tak to domyslete. Jste z atomů? Pak byste jednou mohl opustit byt stěnou nebo stropem ...
Je i nějaká pravděpodobnost, že bych se pak ještě poznal?
Je to absurdní, jistě. Jenže taková je celá kvantová mechanika. Je to nejpřesnější teorie všech dob a zároveň klade na naši mysl obrovské nároky. Zahrnuje totiž i věci, které jsou lidskou představivostí naprosto neuchopitelné. Ostatně -- teorie relativity rovněž.
Tak mi něco krásně nepochopitelného řekněte. Ale abych tomu rozuměl ...
Představte si, že proti sobě letí částice hmoty a antihmoty -- elektron a pozitron. Srazí se, anihilují a vyzáří kolmo na směr letu dva fotony.
Antihmotu znám jen jako spekulaci.
Pozitron předpověděl Durac v roce 1928 a o čtyři roky později byl objeven. Vraťme se ale k těm fotonům. Letí přesně opačným směrem a oba mají rychlost světla. Nic rychlejšího neexistuje. Nemůže existovat. A teď pozor: oba fotony jsou současně vlnami, jež kmitají v určitých rovinách. Vzájemné natočení těchto dvou rovin je pevně určeno. Jestliže ovšem otočíme kteroukoli z nich, druhá se v ten moment otočí také. Jako by oba fotony pevně spojovala nějaká tyč.
A ona nespojuje, že? Záhada ...
Dvě záhady. První se týká mechanismu toho spojení a druhá rychlosti. Připomeňme si. Nic -- tudíž ani informace -- se nemůže šířit rychleji než světlo. Jestliže se oba fotony touto rychlostí vzájemně vzdalují, jak se při "pootočení" jednoho fotonu dozví ten druhý, že se má otočit taky?
Je to vůbec pravda?
Experimentálně potvrzená. Vysvětlujeme to tak, že jde o vzájemně propletené stavy popsané jedinou vlnovou funkcí.
Řečeno s Hamletem -- slova, slova, slova. Co je za nimi?
Realita, nad kterou zůstává rozum stát. Hlavně ten můj.
Myslíte, že nám fyzika někdy nabídne vysvětlení, které nás dovede ke kvalitativně jinému pohledu na svět, než máme dnes? K nějaké syntéze, jež nám lépe ujasní naše místo v něm?
Jakkoli to nenávidím, musím teď promluvit jako Václav Klaus. Tohle není dobře položená otázka. Téhle otázce já nerozumím.
Mluvil jste o hledání teorie všeho. Slavný fyzik Stephen Hawking o ní kdesi píše, že je jen prvním krokem. Naším cílem podle něj není jen nějaký abstraktní popis. Událostem kolem nás i naší existenci bychom měli také porozumět. Myslíte, že k tomu dojde?
Podle mě nikdy. Samozřejmě nejsem génius typu Hawkinga a tohle nejsou otázky pro řešitele drobných fyzikálních problémů. Ale nevěřím v boha, který by všechno stvořil, notabene tak, že na počátku určil několik málo fyzikálních konstant a vztahů, jež o podobě našeho světa rozhodly. Tahle představa mi připadá šílená. Myslím, že život vznikl náhodně a třeba taky někde jinde, že žádný smysl nemá a jednou to zase všechno skončí. V jiná než racionální vysvětlení nevěřím, ale fyzika podle mě žádné filozofické zdůvodnění naší existence nenajde. To už bychom od ní chtěli opravdu moc.
RNDr. Vladimír Dvořák, DrSc., vystudoval matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy v Praze. Pak nastoupil do Fyzikálního ústavu Akademie věd, kde pracuje dodnes. Obory, jimž se věnoval, mají vesměs laikům nesrozumitelné názvy (například použití teorie grup ve fyzice pevných látek, feroelektřina, dielektrická spektrografie, nesouměřitelné struktury, kvazikrystaly a podobně). Kromě přednášek v tuzemsku působil na univerzitách v Japonsku, Švýcarsku, Francii a Španělsku. O jeho úspěších svědčí počet původních vědeckých prací (106) publikovaných v mezinárodních časopisech a také vysoce nadprůměrný počet citací (1600). V uplynulých osmi letech působil ve Fyzikálním ústavu AV ČR jako ředitel. Podle vlastních slov tím značně vědecky zaostal.
JAN ZVELEBIL
FOTO PETR JEDINÁK
zdroj: časopis Reflex