Na našem webu vycházejí převážně dosti vážné články, ani aprílové či silvestrovské speciály nebývají zvykem. Řekl jsem si ovšem, že by možná nebylo špatné toto změnit. Na dnešní den jsem si proto připravil méně vážný text o zajímavých, kuriózních a vtipných příhodách a souvislostech fyzikálního výzkumu převážně ve 20. století. A byť se některým serióznějším tématům také nevyhneme, přece jen bude dnešní text založen mnohem více právě na humorných historkách mnoha předních fyziků, které jasně prokazují, že pření odborníci v oblasti astronomie či fyziky nejsou žádní nudní suchaři, jak si je lidé občas mylně představují.

Proč nebyl Paul Dirac dobrým rybářem, ale ve fyzice vynikal

Paul Adrien Maurice Dirac (1902 – 1984) bývá zcela po právu zahrnován mezi největší fyziky 20. století. A protože měl tento anglický fyzik poměrně zvláštní osobnost, patří mezi vhodné kandidáty pro náš aprílový článek. S Diracem je spojena celá řada legendárních historek, začněme však tou, která nejvíce souvisí s kosmonautikou, byť velmi nepřímo.

Na základní škole dostal Dirac, společně se svými spolužáky, za úkol vyřešit následující hádanku: „Tři rybáři spolu vyrazili na lov a chytili určitý počet ryb. Protože byl již večer a ke břehu bylo daleko, šli spát. Rybář, který se probudil jako první si řekl, že nebude čekat na ostatní a odnese si svůj podíl. Počet ryb ale nebyl dělitelný třemi. Proto jednu rybu hodil do vody, vzal si třetinu ze zbývajícího počtu a odplul na jednom ze člunů. Když se probudil druhý rybář, udělal to stejné, zahodil jednu rybu do moře, vzal si svou třetinu a odplul. Totéž učinil třetí rybář. Určete, kolik ryb rybáři dohromady ulovili.“

Pro mladého Diraca byla odpověď zcela jasná. Okamžitě prohlásil, že rybáři chytili dohromady minus dvě ryby. Tím pochopitelně prokázal nepříliš dobré porozumění problémům běžného světa. Zato však jasně demonstroval svou matematickou genialitu. Z oné úlohy totiž můžeme sestavit následující rovnici: (((x – 1) 2/3 – 1) 2/3 – 1) 2/3 = y. Po úpravě dostaneme 8x = 27y + 38. Co zjistíme? Číslo minus dva je skutečně jejím řešením. A to navíc řešením velmi dobrým a matematicky krásným, neboť jde o jediné řešení při němž platí, že x = y. Pokud vás zajímá smysluplné řešení, pak je to číslo 25 a poté každé další číslo větší o 27, takže 52, 79…

Paul Dirac na své matematické začátky nezapomněl ani později. Když se o mnoho let později zabýval matematickými problémy kvantové mechaniky a formuloval vlastní kvantověmechanickou rovnici, dnes nazývanou Diracova, dostával zde dosti záhadné výsledky. Jakoby snad existovala nějaká záhadná forma hmoty s některými vlastnostmi, které oproti hmotě běžné nabývají přesně opačných hodnot. Jiný fyzik by možná takový výsledek zavrhl jako absurditu či matematickou kuriozitu bez reálného významu. Ne tak Dirac. Ten tvrdil, že existuje nový typ částic, které mají obrácenou hodnotu elektrického náboje než částice standardní hmoty.

A měl úplnou pravdu, jak jen o několik let později prokázali Carl Anderson a Seth Neddermayer, kteří objevili pozitron, antičástici elektronu. Antihmota, jak se této podivné formě hmoty od té doby říká, je dnes předmětem intenzivního výzkumu. A zásluhou přístroje PAMELA nebo detektoru AMS-02 tento výzkum probíhá i v kosmickém prostoru. Zvláště AMS-02 patří dnes mezi absolutní vědeckou špičku mezi zařízeními umístěnými na ISS a obecně v kosmickém prostoru. Tady tedy názorně vidíte, k čemu může vést zdánlivě bláznivá idea potrhlého fyzika.

To ovšem nebyla jediná zvláštnost Paula Diraca. I v osobních vztazích byl dosti svérázný. Jeho manželkou byla jistá Margit, sestra jednoho z jeho kolegů Eugena Wignera. Tuto skutečnost považoval Dirac za naprosto zásadní, mnohem důležitější než to, že jde o jeho vlastní manželku. Takže když k němu domů přišel jeho přítel a povšiml si, že se zde vyskytuje žena, kterou neznal, otázal se Diraca, o koho jde. Dirac ihned odvětil: „To je přeci Wignerova sestra!“ Eugene Wigner právě proto Diraca velmi dobře znal. Takže není divu, že o dalším hrdinovi našeho vyprávění, Richardu Feynmanovi, při jedné příležitosti prohlásil, že „Feynman je druhý Dirac. Jen je to tentokrát člověk.“

Neobyčejný génius

Richard Feynman (1918-1988) byl velmi zvláštní člověk, muž mnoha talentů i rozporů. Jeden z nejgeniálnějších fyziků historie, ale při osobním chování mnohdy velmi arogantní a k některým ženám vyloženě sexistický. Přesto svou sestru velmi podporoval ve studiu fyziky, i když jejich rodiče byli silně proti. V mládí se účastnil projektu Manhattan, později se ovšem na vývoji jaderných zbraní již nepodílel. Autor několika knih s příhodami z vlastního života, z nichž některé si ovšem prokazatelně domyslel nebo vymyslel úplně. A jak se v jedné z jeho knih praví, jediný člověk na světě, kterého Nobelovská komise seznala být vhodným držitelem nejprestižnějšího vědeckého ocenění a současně psychiatrická komise armády USA duševně méněcenným.

Feynmanovy příhody zná snad úplně každý a dnes již o tomto významném fyzikovi bylo řečeno téměř všechno. Předpokládám, že většina z vás zná historky o tom, jak se při práci na atomové bombě bavil tím, že otevíral tajné sejfy a stal se v tom skutečně mistrem. Popřípadě o jeho úžasných schopnostech počítání z hlavy (v tom jej ještě převyšoval Hans Bethe). Jakožto člověk, který žije u svých koček, zvláště oceňuji jeho příhodu ze studií, kdy se zaměřil i na biologii a v rámci přípravy jednoho z referátů v knihovně marně sháněl „mapu kočky“ (správně anatomický obraz). Opomenout nemůžeme ani jeho tragický, ale mimořádně krásný a silný příběh jeho osudového vztahu s Arline Greenbaum, která v roce 1945 tragicky zemřela. Přestože se Feynman později znovu dvakrát oženil, Arline vždy považoval za svou životní lásku.

A byla to právě Arline, která vymyslela a Feynmanovi předala heslo „What Do You Care What Other People Think?“, které se stalo názvem jeho druhé popularizační knihy. Do češtiny byla přeložena jako „Snad Ti nedělají starosti cizí názory“, ačkoliv dle mého soudu lepší překlad by byl „Co je Ti po tom, co si druzí lidé myslí.“ Toto heslo Feynman přijal za své a později se dle něj řídil. Snad právě i to ovlivnilo jeho pozdější úžasné vědecké výsledky. Měl totiž zvláštní styl práce. Spoustu svých poznatků nepublikoval. Současně nevěřil automaticky téměř ničemu, ale musel si to sám přepočítat a ověřit. To jej na jednu stranu omezovalo a obralo ho o ještě více objevů a uznání, na druhou stranu mu to umožnilo si udržet svěží mysl i v pozdějším věku.

A podobně jako byl univerzální v životě, kdy dělal fyziku, ale též se věnoval hudbě či malířství, dokázal zabřednout i do mnoha oborů ve fyzice. Významně ovlivnil optiku, fyziku nízkých teplot i teoretickou a částicovou fyziku. Jeho nejslavnější příspěvek je ale z kvantové teorie elektromagnetismu, kdy dokázal vyvinout metodu dráhových integrálů, která dávala stejné výsledky jako matematicky korektnější přístup Schwingera a Tomonagy. Kouzlo je v tom, že těchto shodných výsledků dosahoval ne za měsíce či týdny, jako jeho kolegové, ale v rámci hodin.

Jeho spolupracovníkem, který s ním tuto metodu rozvinul byl Freeman Dyson. Ten Dyson, který vymyslel koncept Dysonovy sféry, jakož i jaderně pulsní projekt Orion. A mimochodem, Dysonova dcera Esther byla náhradnicí Charlese Simonyiho při jeho druhém kosmickém letu v Sojuzu TMA-14. Možná právě kvůli spojení s Dysonem a také kvůli své přirozené zvídavosti a touze řešit složité otázky nakonec Feynman přijal post v komisi, která vyšetřovala havárii raketoplánu Challenger.

Nejvýznamnějším Feynmanovým spolupracovníkem byl ale bezesporu Murray Gell-Mann. Tyto dva muže pojil zvláštní vztah. Na jednu stranu byli dobří přátelé, na stranu druhou spolu často i soupeřili. Oba totiž měli velké ego a tak spolu často velmi náruživě debatovali a hádali se o různých otázkách nejen z fyziky, ale i z dalších oblastí lidského života.

Jak získat čestné občanství v Peru

Murray Gell-Mann (1929-2019) byl geniálním dítětem americké fyziky. Sám se jako nadané dítě i rozpoznal a pak začala jeho hvězdná kariéra. Střední školu dokončil už ve čtrnácti letech a následně nastoupil na Yaleovu univerzitu, kde roku 1948 získal bakalářský titul. V dalším studiu chtěl pokračovat na některé z univerzit slavné Ivy League, přihlásil se proto na Princetonskou a Harvardovu univerzitu. Princeton ho ale odmítl a Harvard jej sice přijal, ale nemohl mu poskytnout stipendium. Americký teoretický fyzik rakouského původu Vitor Weisskopf jej proto pozval na Massachusettský technologický institut (MIT).

Gell-Mannovi se ale nelíbila představa studia na technické univerzitě, takže dokonce uvažoval o sebevraždě. Nakonec se však rozhodl proti tomuto nápadu, protože jak sám řekl, když nastoupí na MIT a zjistí, že studium stojí za nic, může spáchat sebevraždu, kdykoli se rozhodne. Opačný postup, tedy nejprve sebevražda a pak teprve studium, však možný není. Nakonec se mu však ve studiu dařilo dobře a roku 1951 získal na MIT doktorát. Posléze vyučoval po krátkou dobu na několika institucích, ale v roce 1955 přijal profesorské místo na Kalifornském technologickém institutu (Caltech) a to právě kvůli Feynmanovi, který jej velmi inspiroval.

Společně se pak objevovali i na různých propagačních materiálech univerzity, přičemž Gell-Mann byl, k Feynmanově značné nelibosti, vždy považován za toho hezčího. Inu byl také o deset let mladší. Oba velcí fyzikové se vzájemně dobře doplňovali, mnoho problémů týkajících se kvantové fyziky vyřešili společně. Nicméně měli i určité spory dané jejich rozdílným filosofickým přístupem k vědě. Některé skutečnosti, třeba to, že protony a neutrony jsou složeny z menších částic, proto vymysleli nezávisle na sobě.

Často spolu žili ve vzájemné shodě, například když učili letušky říkat „rozptyl kvarku na kvarku“ a „rozptyl kvarku na antikvarku“, popřípadě když dávali svému příteli malíři Jirayru Zorthianovi za pomoci svých manželek, které odvedly jeho pozornost do pokoje páva. Známá je také skutečnost, že oba měli stejnou dodávku značky Dodge, ta Feynmanova byla pomalována Feynmanovými diagramy a byl na ní nápis Quantum, ta Gell-Mannova byla zase pokreslená částicemi a měla nápis Quark. Jednou se Gell-Mann ptal Feynmana, zda někdo někdy poznal jeho diagramy. Feynman odpověděl, že jedinkrát, když se na čerpací stanici ptal jistý pán Feynmana, proč má na autě Feynmanovy diagramy. Feynman odpověděl: „Protože já jsem Richard Feynman!“

Oba přední vědci však měli i občasné spory. Zatímco Feynman byl ve vyjadřování velmi nedbalý a jazyku nepřikládal velkou důležitost, Gell-Mann byl naopak pedantní a na správnost používání jazyka velmi dbal. To mezi nimi vedlo k častým prudkým hádkám. Feynman se navíc kolegu snažil často přistihnout při chybě. Moc se mu to ale nedařilo. Jednou třeba seděla skupinka přátel z Caltechu na večeři a někdo pronesl jakýsi výrok, který Gell-Mann okomentoval tím, že jde o pleonasmus. Protože ale nikdo jiný u stolu nevěděl co to je, byl Gell-Mann požádán, aby to vysvětlil. „Pleonasmus je forma redundance,“ odpověděl suverénně Gell-Mann.

Feynman s přítelem ihned spěchali do knihovny, aby se v naučném slovníku přesvědčili o správnosti Gell-Mannova tvrzení. A jak zjistili, skutečně jde o formu redundance. Feynman prašti pěstí do stolu a zakřičel: „Vždycky má pravdu, vždycky.“ Což se ostatně shodovalo s pozorováním jednoho z Gell-Mannových studentů. Ten když byl dotázán, aby řekl jaká byla nejhorší Gell-Mannova vlastnost, prohlásil, že je to skutečnost, že má vždycky pravdu.

Jindy si zase Feynman přišel stěžovat za Gell-Mannem, že mu volal jakýsi člověk, který tvrdil, že vymyslel úplně úžasnou a novou fyzikální teorii. Říkal, že se pána nemohl asi hodinu zbavit a vyslechl si spoustu nesmyslných výroků o magnetismu i dalších oblastech fyziky. Když domluvil, řekl Gell-Mann: „Ano, toho muže velmi dobře znám. Také mi volal. Ovšem já jsem rozhovor s ním ukončil za jedinou minutu.“ „Proboha, to je úžasné,“ řekl Feynman. „A jak jsi to prosím Tě dokázal?“ Na to Gell-Mann lakonicky odvětil: „Řekl jsem mu, aby zavolal Tobě, Richarde, protože ty jsi tady skutečným odborníkem na toto téma.“

Navíc Gell-Mann neměl příliš rád Feynmanovu praxi vyprávět historky sám o sobě, z nichž vždy Feynman vycházel jako ten nejchytřejší. Je totiž pravda, že mnohé z nich byly dosti zveličené. Tuto skutečnost Feynmanovi vyčetl i v nekrologu, který o něm v roce 1988 napsal. Mnozí z toho byli značně rozhořčeni, ale Feynmanovi blízcí naopak tvrdili, že by takový přístup kvitoval, velice totiž oceňoval upřímnost. Takže není pravděpodobné, že by jej Gell-Mannův krok urazil.

Zajímavé je, že i přes jejich blízký vztah nebyl Gell-Mann na Feynmanově pohřbu. To ráno totiž do jeho domu vtrhli agenti FBI, kteří zabavili některé předměty z jeho sbírky starožitností. Gell-Mann totiž, kromě jiného, miloval i různé domorodé kultury amerického kontinentu, jejichž předměty nakupoval. Některé z nich ovšem původní majitel získal nelegálně a tak se Gell-Mann dostal do problémů. Příkladně ovšem spolupracoval a z celé věci nakonec vyšel jako hrdina. Získal klíč od města Lima, čestné občanství tamtéž a nejvyšší státní vyznamenání tohoto státu.

Proč je důležité ovládat matematiku?

Často se ve sci-fi nebo v bláznivých představách lidových fyziků hovoří o tom, že lidé překonají při cestování rychlost světla. To pochopitelně podle obecné relativity možné není. Známe ale jevy a situace, kdy lze skutečně rychlost světla překonat. Je tomu tak ve chvíli, kdy hovoříme nikoliv u rychlosti světla ve vakuu, ale o rychlosti světla v nějakém prostředí. Typicky třeba ve vodě. Právě ve vodě se totiž mohou elektrony pohybovat rychleji než fotony, částice světla. To objevil v roce 1934 sovětský fyzik Pavel Čerenkov.

První nepřesné vysvětlení jevu podal Sergej Vavilov, sovětský fyzik a předseda Akademie věd SSSR. To je mimochodem velmi zajímavé, protože jeho bratr Nikolaj, který se věnoval genetice byl v období stalinského teroru zatčen a odsouzen k smrti, později zemřel ve vězení. Je pozoruhodné, že tato situace jeho bratrovi v kariérním postupu nezabránila. Nicméně ve vysvětlení našeho jevu se pletl. Správný popis podali roku 1937 Ilja Frank a Igor Tamm. Právě druhý jmenovaný bude pro nás dále zajímavý. Díky Georgi Gamowovi známe totiž jednu jeho legendární příhodu z doby občanské války v Rusku.

Tehdy se lidé měli opravdu špatně a na mnoha místech, včetně Oděsy, kde Tamm pracoval, dokonce hladověli. Tamm se proto rozhodl, že zajde na venkov, aby vyměnil stříbrné příbory za nějaké jídlo. V oblasti však v té době operovali i kozáci, kteří jej zajali a přivedli před atamana. Tento vysoký muž s kulometnými pásy kolem ramen začal na Tamma drsným hlasem křičet: „Ty zkurvysynu, Ty komunistický agitátore. Jakožto podporovatele bolševiků Tě okamžitě zastřelíme.“ Tamm však protestoval: „Ale já nejsem podporovatel bolševiků, já jsem profesorem tady na univerzitě v Oděse a jen jsem sem přišel pro nějaké jídlo.“ „Aha, zajímavé,“ prohlásil ataman. „A čeho jsi profesorem? Co vyučuješ?“ Zajímal se ataman. „Matematiku a přírodní vědy,“ odpověděl Tamm.

„Dobrá, tak si tě trochu vyzkoušíme,“ rozhodl se nakonec po chvíli přemýšlení ataman. „Řekni mi, jaký je odhad chyby , které se dopustíme, když ukončíme MacLaurinovu řadu v n-tém členu. Pokud to dokážeš, jsi volný, jestli ne, dám Tě zastřelit.“ Tamm nemohl věřit svým uším, neboť jde o poměrně složitý matematický problém. Nicméně třesoucí se rukou s hlavní pušky před sebou dokázal najít řešení a podat je atamanovi. „Správně!“ Řekl ataman, „vidím, že jsi nelhal. Můžeš jít.“ Kdo byl ten muž se Igor Tamm nikdy nedozvěděl, možná byl také profesorem matematiky.

V každém případě měl Tamm později velmi úspěšnou kariéru, která dostala zlatou tečku v roce 1958, kdy společně s Čerenkovem a Frankem obdrželi za objev a objasnění podstaty Čerenkovova záření Nobelovu cenu za fyziku. S Čerenkovovým zářením se sice nesetkáte každý den, přesto to ale je možné. Když se například díváte do jaderného reaktoru, ona typicky modrá barva vody v reaktorové nádobě je způsobena právě Čerenkovovým zářením. Dnes se používají Čerenkovovy detektory, které umí toto záření detekovat ve výzkumu velmi často, například při detekci neutrin nebo kosmického záření. Čerenkovův detektor má ve své výbavě i dobře známá observatoř AMS-02 umístěná na vnějším plášti Mezinárodní kosmické stanice.

Božská a nebo prokletá částice?

Už jste někdy slyšeli někoho použít pro Higgsův boson název Božská částice? A víte, že většina fyziků to nesnáší? A víte jak toto pojmenování vzniklo? To si za chvíli řekneme, začneme ale od začátku, konkrétně od roku 1962. Vůbec první kdo předpověděl existenci Higgsova mechanismu, který s bosonem úzce souvisí byl totiž Philip W. Anderson. Ten se ovšem zabýval fyzikou pevných látek. Částicoví fyzikové přišli ke slovu až o dva roky později, kdy existenci mechanismu předpověděly nezávisle na sobě tři skupiny vědců.

Jako první přišli Belgičané Robert Brout a Francois Englert. Po nich zveřejnil svůj článek nejslavnější z celé sestavy Peter Higgs a nakonec tu byla také americko-britská skupina ve složení Carl Hagen, Gerald Guralnik a Tom Kibble. Běžně se tak sice označuje mechanismus jako Higgsův a stejně tak i příslušný boson, ale to se Peteru Higgsovi příliš nezamlouvá. Někdy se tak mechanismu říká Andersonův-Higgsův, nebo Broutův-Eglertův-Higgsův, Andersonův-Higgsův-Kibbleův, Higgsův-Kibbleův, nebo dokonce Broutův-Englertův-Hagenův-Higgsův-Guralnikův-Kibbleův. Sám Higgs pak preferuje označení písmeny všech autorů, tedy ABEGHHK’Th mechanismus. To je ovšem nezapamatovatelné (Jára Cimrman by se zlobil), proto tento název jedna kamarádka překřtila na „Abrakadabra mechanismus“.

Pokud se ovšem podíváte na onu změť písmen ABEGHHK’tH pořádně, všimnete si, že tam je kromě Andersona a šesti mužů z roku 1964 někdo navíc. To je to ’tH. Tím někým není nikdo menší než nizozemský fyzik Gerardus ’t Hooft. Jedná se o nositele Nobelovy ceny pro rok 1999, kterou získal za objasnění kvantové struktury elektroslabých interakcí. ’t Hooft je vůbec zajímavá postava. Na střední škole měl problémy s jazyky, přesto nakonec úspěšně složil zkoušky z pěti z nich, zatímco matematika mu vždy šla, takže v národní matematické olympiádě skončil už v 16 letech druhý. Když se jej jeden učitel na střední zeptal čím chce být, odpověděl: „Chci být člověkem, který ví všechno!“

Podobně jako byl Gell-Mann zázračné dítě americké fyziky, ’t Hooft byl géniem fyziky evropské. Už dávno před rokem 1999 se říkalo, že určitě dostane Nobelovu cenu, jen nikdo přesně nevěděl za jaký konkrétní výzkum a ve kterém roce. S Feynmanem měl zase společné to, že některé své výsledky nepublikoval. Kupříkladu přišel na zajímavou vlastnost silné jaderné interakce známou jako asymptotická volnost, ale i přes naléhání kolegů nikdy nepřipravil k publikaci příslušný článek. Takže když potom na stejnou věc přišli Gross, Politzer a Wilczek a publikovali ji, Nobelovu cenu obdrželi oni. A totožná situace nastala s Higgsovým mechanismem, jen s tím rozdílem, že o jeho objevu z roku 1964 nevěděli ani kolegové a našel se teprve po několika desetiletích v jeho zápiscích.

Nizozemský fyzik se tak potenciálně připravil o dvě Nobelovy ceny, ale vzhledem k jeho již zmíněnému ocenění z konce století ho to mrzet nemusí. A to zvláště proto, že druhou Nobelovu cenu vědci dostávají jen velmi výjimečně. A v případě asymptotické volnosti i Higgsova mechanismu bylo dostatek jiných kandidátů na tři volná místa, čili by ’t Hooft pravděpodobně stejně podruhé či potřetí vyznamenán nebyl. Bez zajímavosti není, že později ’t Hooft spolupracoval se známým a dosti kontroverzním projektem Mars One.

Ale zpět k Higgsovu mechanismu. Ten je nezbytný pro vysvětlení toho, jak dochází ke generování hmotnosti některých částic, především interakčních bosonů, jako jsou W a Z bosony. Higgsovo pole, které mechanismus předvídá prostupuje celým prostorem a velmi zjednodušeně řečeno lze říci, že díky interakci s ním získávají částice hmotnost. Lze to přirovnat k večírku. Pokud je na večírku někdo pro fyziky nezajímavý, třeba Karel Gott, ostatní s ním neinteragují a on může volně projít. To je analog částice s nulovou klidovou hmotou, třeba fotonu. Ale někdo zajímavý jako Peter Higgs okamžitě získá pozornost davu (ten reprezentuje ono pole) a proto skrz místnost projde jen těžko. Zde tedy představuje částici s vysokou klidovou hmotností.

Kvantovou excitací Higgsova pole je onen slavný Higgsův boson, dle některých Božská částice. Fyzikové ale nemají toto označení rádi, protože Higgsův boson nikterak nesouvisí s náboženstvím ani Bohem. Celá nešťastná záležitost vznikla z knihy slavného experimentálního fyzika Leona Ledermana nazvané The God Particle. Původně se však kniha měla jmenovat The Goddamn Particle, tedy prokletá částice. To odkazovalo na skutečnost, že se jej nedařilo skoro 30 let (v té době) pozorovat. Nakladateli se ale tento název nelíbil a vynutil si zkrácení na The God Particle. A neštěstí bylo na světě.

Alfa-beta-gama model

Reliktní záření je pozůstatek po konci Velkého třesku. Tvoří jej fotony, které rovnoměrně prostupují celý prostoročas. Na počátku bylo toto záření emitováno ve viditelné části spektra, vinou rozpínání vesmíru se do dnešních dní posunulo do oblasti mikrovlnné. A právě tady ho hledají a pozorují mnohé pozemní, balonové i kosmické experimenty. Reliktní záření nám totiž může prozradit množství důležitých informací o našem vesmíru. Z toho důvodu jej zkoumaly sovětská družice Prognoz 9, americké sondy COBE a WMAP a evropská observatoř Planck. Do budoucna by se k nim měla přidat též japonská družice LiteBIRD.

Co však víme o historii výzkumu reliktního záření? Ze se musíme vrátit až do roku 1948 k výzkumné skupině George Gamowa, který se jako jeden z prvních vědců seriózně zabýval kosmologií. Sám Gamow byl velmi svérázný muž. Narodil se v Sovětském svazu jako Grigorij Gamov, s poměry ve své domovině byl ovšem nespokoje, a tak se snažili s manželkou Ljubov několikrát uprchnout. Původně měli v plánu na kajaku přeplout Černé moře z Krymu do Turecka. Když tento plán selhal, chtěli totéž zkusit za polárním kruhem u sovětské hranice s Norskem. Ani tehdy nebyli úspěšní a nakonec proto zvolili nudné řešení nevrátit se z jedné konference v západní Evropě.

Poté se usadili v USA, kde Gamow pokračoval ve svém výzkumu. Jako jeden z prvních vzal vážně myšlenku, že by vesmír mohl mít svůj počátek před nějakou určitou konkrétní dobou. Tuto variantu zkoumali s Ralphem Alpherem a Robertem Hermanem. Přišli na to, že pokud vesmír vznikl před několika miliardami let a byl na počátku velmi hustý a horký, pak by po těchto počátečních podmínkách měla zůstat přítomná památka v podobě reliktního záření o teplotě několika Kelvinů. Navrhli také, že se v těchto počátečních podmínkách uvařily chemické prvky.

Když se pak chystali výsledky publikovat, uplatnil se Gamowův velký smysl pro humor.  Povšiml si, že jeho jméno připomíná řecké písmeno gama a Alpherovo zase písmeno alfa. A protože v té době pracoval v USA i fyzik německého původu Hans Bethe (beta), požádal jej, aby se pod článek podepsal také. Bethe s tím souhlasil a tak je na přelomovém historickém článku uveden jako autor přestože se na něm nijak nepodílel. Hermana pak Gamow z autorství kvůli nevyhovujícímu příjmení vyškrtl úplně. Zůstali tak jen Alpher, Bethe a Gamow, proto se jejich práci říká alfa-beta-gama model.

Když se později alfa-beta-gama model proslavil byl Gamow dotázán, zda nelituje, že kolegu Hermana z autorství vyškrtl. Gamow to komentoval velmi lakonicky: „Ne, proč? Opakovaně jsem jej přece vyzýval k tomu, aby se nechal přejmenovat na Deltera, ale on to neustále zatvrzele odmítal. Takže si za to může sám.“

Reliktní záření nakonec objevili pracovníci Bellových laboratoří Arno Penzias a Robert Wilson, kteří detekovali záhadný signál přicházející z celé oblohy. Vůbec nevěděli oč jde, postupně se jim ale dařilo vyloučit možné zdroje šumu, ať už šlo o blízká města na východním pobřeží USA či jádro Mléčné dráhy. Odchytili dokonce i párek holubů, který se jim v jejich anténě uhnízdil. Nepomohlo to a nepomohlo ani odstranění bílého dielektrického materiálu (holubího trusu). Nakonec se však dokázali propojit s teoretickými fyziky, kteří v té době už po reliktním záření chtěli znovu pátrat a celou záležitost si vyjasnili. Objev tak byl na světě.

Co to jsou sféričtí zmrdi?

Jedním z nejvýznačnějších astrofyziků první poloviny dvacátého století byl americko-švýcarský astronom Fritz Zwicky. Mimochodem, jeho matka Františka Vrček byla Češka. Zwicky má na svém kontě celou řadu skutečně významných objevů. Jako první například předpověděl existenci neutronových hvězd, zvláštní formy hvězd, které vznikají jako konečná životní stádia velmi masivních hvězd hlavní posloupnosti. Tyto hvězdy mají hmotnost v řádu zhruba dvou Sluncí, avšak průměr jen kolem 15 až 20 kilometrů, hmota v nich je tak nesmírně hustá a tyto objekty vykazují i další extrémní charakteristiky, například enormní intenzity magnetického pole.

S neutronovými hvězdami ostatně souvisí další Zwickyho výzkum věnovaný supernovám, což je nesmírně masivní exploze hmotných hvězd, která se odehrává právě na konci fáze hlavní posloupnosti. Výsledkem exploze supernovy je buď neutronová hvězda, černá díra a nebo také nic, hvězda totiž může být kompletně zničena. Přesný výsledek závisí na hmotnosti hvězdy a na její metalicitě, tedy na zastoupení prvků těžších než vodík a helium. Zwicky popsal a navrhl možný mechanismus fungování supernov. Supernovy a neutronové hvězdy jsou v rámci kosmonautiky zkoumány poměrně běžně, vzpomeňme na rentgenové observatoře Chandra a XMM-Newton či gama observatoře Fermi a Swift.

Zapomenout nesmíme ani na Zwickyho objev temné hmoty. Při pozorování vzdálených kup galaxií si totiž všiml, že by se nemohly pohybovat tak, jak se pohybují a ani držet pohromadě, kdyby obsahovaly jen svítící hmotu, kterou vidíme. Zjevně nějaká hmota chyběla. Tomuto fenoménu se říká temná hmota. Zwicky s Janem Oortem ji objevili na úrovni kup a nadkup galaxií. Později Vera Rubin dospěla ke stejným závěrům na úrovni jednotlivých galaxií. Fenomén temné hmoty by mohly pomoci vysvětlit moderní kosmické observatoře jako teleskop Euclid nebo Vesmírný dalekohled Jamese Webba.

Zwicky ovšem nebyl mezi kolegy příliš oblíben a to kvůli velmi svéráznému a poněkud vulgárnímu humoru. Pro lidi, které neměl rád kupříkladu často používal výraz sféričtí zmrdi, protože, jak říkával „dotyční vypadají jako zmrdi ze všech stran“. Zejména tak tituloval kolegy z observatoře Mount Wilson, které opravdu neměl příliš v lásce. Známy jsou třeba i případy, kdy za ním domů přišli studenti a jeho manželka, která jim otevřela, volala na Zwickyho: „Fritzi, pojď sem, ti zmrdi už jsou tady!“ Inu, studovat u Zwickyho nebylo jednoduché.

Sázky mezi vědci

I vědci se rádi baví, jak prokazují opakované sázky mezi předními vědci. První známou sázkou tohoto druhu je sázka, kterou uzavřel přední biolog a spoluautor evoluční teorie Alfred Russell Wallace s Johnem Hampdenem, zastáncem hypotézy ploché Země. Wallace sázku jednoznačně vyhrál, nicméně jak už je u zastánců konspiračních bludů obvyklé, Hampden výsledek nikdy zcela nepřijal a k Wallaceovi se následně choval velmi nevhodně, obtěžoval ho a dokonce mu vyhrožoval.

Přátelštější sázku uzavřeli v roce 1974 (některé zdroje uvádějí 1975) Kip Thorne a Stephen Hawking. Sázka se týkala objektu známého jako Cygnus X-1, prvního kandidáta na černou díru. Kip Thorne vsadil, že objekt je černou dírou, naopak Hawking vsadil opačně, tedy to, že Cygnus X-1 černou dírou není. Ve skutečnosti se ovšem nedomníval, že se o černou díru nejedná, sázku bral jako jakousi pojistku. Hawking totiž udělal na poli černých děr mnoho skvělých výsledků a kdyby se nakonec ukázalo, že černé díry neexistují, chtěl z toho alespoň něco mít. V tomto případě předplatné časopisu satirického časopisu Private Eye.

Jak se technika zdokonalovala a měli jsme k dispozici stále lepší a lepší observatoře, ukázalo se, že Cygnus X-1 je skutečně černá díra a že existuje i celá řada dalších černých děr. Některé z nich detekují i kosmické observatoře, například dvě velmi blízké černé díry nedávno zachytila družice Gaia. Bezprostřední okolí Sagittaria A* centrální supermasivní černé díry Mléčné dráhy zase monitorují kosmické teleskopy jako Hubble či Chandra. Hawking proto sám uznal porážku a vyplatil Thorneovi odměnu, roční předplatné časopisu pro muže Penthouse, z čehož neměla Thorneova manželka právě velkou radost, bývala by byla raději, kdyby její muž sázku prohrál.

Hawking a Thorne byli zataženi i do další sázky týkající se černých děr, tentokrát však stáli spolu na jedné straně barikády proti Johnu Preskillovi (a v pozadí i Leonardu Susskindovi, byť ten není na dokumentu sázky přímo podepsán). O co šlo? Jeden z nejzásadnějších problémů spojených s černými dírami je tzv. informační paradox. Víme, že z černé díry nemůže nic uniknout, dokonce ani světlo ne. Co se tedy stane s informací, která do černé díry spadne? Zde na sebe naráží obecná relativita a kvantová mechanika. Podle obecné relativity by z černé díry nic nemělo uniknout a informace by měla být navždy ztracena. Jenže kvantová mechanika zná zákon zachování informace, takže by se informace ztrácet neměly.

Hawking a Thorne v tomto případě věřili obecné relativitě, zatímco Preskill a Susskind kvantové mechanice. Jejich sporu se někdy v nadsázce říká Válka o černé díry a tento titul nese i Susskindova populárně naučná publikace, která o tomto problému pojednává. Hawking později přijal porážku a předal Preskillovi výhru, to je encyklopedii baseballu. Thorne ovšem Hawkingův argument neuznal a odmítl na výhru přispět. A většina fyzikální komunity je na jeho straně. Ačkoliv Hawking tvrdil, že problém vyřešil, vědecká komunita není přesvědčena. A nepříliš dobře byl přijat i důkaz Juana Maldaceny z Argentiny, který problém sice vyřešil, ale v anti-de Sitterově prostoru a náš vesmír není anti-de Sitterovský. Otázka informačního paradoxu tak zůstává dodnes otevřena.

Jak Lev Landau chránil vědu před přívalem idiotů

Na kosmických observatořích se relativně často využívá chlazení kapalným heliem. Tento postup využívají zejména observatoře pracující v infračervené či mikrovlnné části spektra, kde je nutné chlazení na velmi nízké teploty. Kapalné helium tak nesly kupříkladu observatoře Herschel či Spitzer, které pořídily krásné fotografie vesmíru v infračervené části spektra, popřípadě teleskopy COBE a Planck zkoumající reliktní záření. A chlazením na kapalné helium disponuje též Vesmírný dalekohled Jamese Webba, kde je nutné takto výrazně chladit přístroj MIRI.

Kapalné helium objevil sovětský fyzik Pjotr Kapica a američtí fyzikové John Allen a Don Misener. Největší zásluhu v jeho pochopení pak má další sovětský fyzik Lev Davidovič Landau. Landau se narodil v Baku v dnešním Ázerbájdžánu, měl ovšem židovský původ. Jak už to někdy u vědců bývá, byl vysoce inteligentní, současně však měl jisté problémy v praktickém životě. Rád se například vyjadřoval k politice, nedával di ovšem příliš pozor na pusu, takže byl režimu velmi nepohodlný a za éry největších Stalinových čistek skončil v gulagu. Z něj jej za cenu velké osobní statečnosti dostal právě Pjotr Kapica. Landau se také ve 30. letech oženil, ovšem vyznával volnou lásku a k tomuto přístupu nabádali svou manželku a přátelé. Manželka Kora z toho příliš nadšena nebyla, vydrželi spolu ovšem až do Landauovy smrti v roce 1968.

Landau si nebral příliš servítky se svými studenty a už vůbec ne s kolegy. Je známo, že byl nesmírně přísným vyučujícím, když prohlašoval, že chrání fyziku před přívalem idiotů. Jeho kurz teoretické fyziky absolvovalo úspěšně za zhruba 40 let jeho výuky jen kolem 60 studentů. Jedním z nich byl i vynikající český teoretický fyzik Jozef Kvasnica.

Společně s kolegy je Landau též autorem legendárního desetidílného kurzu teoretické fyziky, který je dodnes hojně využíván. Jako dva hlavní autoři jsou uvedeni právě Landau a Jevgenij Lifšic. O kurzu se přitom říká, že jej Lifšic nevymyslel a Landau nenapsal. Ačkoliv byl totiž Lifšic velmi chytrý, Landauově genialitě se rovnat nemohl. Na druhou stranu, Landau měl velký problém s psaným projevem, prakticky nebyl schopen relevantně vyjádřit své myšlenky. Nutno ovšem podotknout, že kurz měl i další významné autory, z různých důvodů neuvedené. Jedním z nich byl Matvěj Bronštejn zavražděný stalinským režimem v roce 1938. Z toho důvodu se o něm v SSSR nemohlo příliš hovořit a absence jeho jména nebyla bohužel napravena ani v pozdějších vydáních kurzu.

Ani se svými kolegy z jiných oborů neměl Landau příliš slitování. Znám je třeba případ, kdy Trofim Lysenko prezentoval před sovětskou akademií věd své pomýlené hypotézy z oblasti zemědělství. Landau nebyl příliš nadšen. Lysenko zde například tvrdil, že pokud budeme kravám uřezávat rohy, budou se v dalších generacích rodit již jen krávy bez rohů. „To je moc zajímavé, Trofime Denisoviči. Vysvětlete mi tedy prosím, jak je možné, že se u lidí stále rodí panny,“ požádal Lysenka velmi udivený Landau.

V roce 1962 získal Landau za svou teorii vysvětlující kapalné helium Nobelovu cenu. Kvůli těžké autonehodě, kterou prodělal si ji ovšem nemohl vyzvednout osobně ve Stockholmu, ale musela mu být dopravena do nemocnice. Jeho zranění si vyžádala dlouhou rekonvalescenci. Když později vyšetřoval neuropsycholog Luria jeho duševní stav, požádal jej aby nakreslil kruh. Landau ovšem nakreslil kříž. Když jej Luria požádal, aby nakreslil kříž, Landau nakreslil kruh. Luria se jej otázal proč to dělá, na což Landau odpověděl: „Kdybych udělal to, oč mě žádáte, mohl byste dospět k závěru, že jsem se stal po nehodě mentálně retardovaným.“ Faktem je, že se Landau bohužel z nehody nikdy zcela nezotavil a zemřel předčasně v roce 1968.

K čemu může vézt výzkum levitace žab a nejslavnější křeček ve fyzice

Slyšeli jste už někdy o IG Nobelově ceně? Jedná se o humorné ocenění udělované za výzkum, kterému se napoprvé zasmějete, ale napodruhé vás donutí se zamyslet. Jméno získala podle fiktivního bratra Alfreda Nobela Ignáce. Poprvé byla IG Nobelova cena udělena v roce 1991 a od té doby se vyhlašují laureáti každý rok a to v celé řadě kategorií. Za oněch 32 let vyhrálo IG Nobelovu cenu množství nesmírně zajímavých výzkumů. Za všechny jmenujme třeba studii zabývající se tím, proč datly nebolí hlava, když tlučou do stromů, popřípadě výzkum snažící se vyřešit otázku, zda jde ze zmražených fekálií vyrobit funkční nůž.

Zajímavé je, že za celou historii existuje dosud pouze jediný člověk, který obdržel skutečnou Nobelovu cenu i humornou IG Nobelovu cenu. Je jím britský fyzik ruského původu Andre Geim. Ten je na univerzitě v Manchesteru znám svým velkým smyslem pro humor, sám vtipy často a rád dělá a vybízí k tomu i své kolegy. IG Nobelovu cenu Geim obdržel v roce 2000 za výzkum žab levitujících v magnetickém poli. O deset let později pak vyhrál skutečnou Nobelovu cenu za objev grafenu. O tomto materiálu se v poslední době hovořilo poměrně často, možná ale ne všichni vědí, co to grafen je, pro ty tu máme stručné shrnutí.

Kromě běžně známých forem uhlíku, tedy grafitu a diamantu může tento prvek nabývat ještě několika dalších podob. Jednou z nich je právě grafen. Jedná se o látku, která je tvořena supertenkou vrstvou uhlíku, ve skutečnosti pouze jediným atomem. Pokud tedy zanedbáme rozměr atomů, jedná se o 2D materiál, jelikož má nulovou výšku. Grafen má některé pozoruhodné vlastnosti. Jedná se o jeden z nejpevnějších materiálů na světě, pokud byste například měli pruh látky vytvořené z grafenu o rozměru metr krát metr, udržel by bez problémů živou kočku, ačkoliv jeho hmotnost je mizivá. Protože je však grafen průhledný, zdálo by se vám, jakoby kočka volně visela ve vzduchu bez jakékoliv opory.

Podobné triky jsou zábavné, ale grafen má velký potenciál praktického uplatnění. Díky své propustnosti pro světlo by mohl posloužit při výrobě displejů a fotovoltaických článků. Jako polovodič by dále mohl posloužit k výrobě nové generace tranzistorů a také procesorů či počítačových pamětí. Není proto divu, že o grafen a od něj odvozené materiály mají velký zájem i kosmické agentury jako je americká NASA či evropská ESA. Grafen už se zkoušel na experimentech nesených sondážními raketami startujícími ze základny Esrange, ale kompozity na bází grafenu byly použity i na, bohužel neúspěšném, lunárním vozítku Rašíd ze Spojených arabských emirátů.

Ale zpět k Andre Geimovi. Nelze zde opomenout ještě jednu humornou příhodu, která se s ním spojuje. Geim totiž jednou podepsal na svůj článek jako spolupracovníka jistou H. A. M. S. ter Tishu. Nejedná se přitom o žádnou skutečnou ženu, a už vůbec ne fyzičku z Nizozemska, jak by její jméno mohlo značit. Pokud umíte anglicky a máte trochu fantazie, už možná tušíte. Jedná se totiž o Geimovu samici křečka (Hamster) jménem Tisha.

Mimochodem, na výzkumu levitujících žab v magnetickém poli s Geimem spolupracoval další britský fyzik Michael Berry. I on tedy získal IG Nobelovu cenu. A protože je Berry opravdu vynikající fyzik s mnoha důležitými příspěvky v oblastech kvantové mechaniky, optiky i dalších oblastí, je jedním z favoritů na budoucí Nobelovu cenu za fyziku. Pokud by ji získal, byl by po Geimovi druhým držitelem IG Nobelovy i skutečné Nobelovy ceny.

Co všechno může zmařit výzkum

Na závěr drobné ponaučení o tom, co všechno nám může zmařit měření. Objev B-modu polarizace reliktního záření a tím i reliktních gravitačních vln nám překazil mezihvězdný prach. V minulém desetiletí z toho byla pro vědce zapojené do projektu South Pole Telescope, kde výsledek získali, docela solidní ostuda. Ale nedá se nic dělat, to k životu výzkumníků patří a aspoň je to ponaučení pro všechny, aby byli opatrnější.

Prach v kosmu ale ještě není nic mimořádného, jsou i mnohem přízemnější příčiny. Velmi citlivé jsou pozemní interferometrické detektory gravitačních vln. A není divu, přesnost jejich měření musí být skutečně mimořádná, neboť jsou gravitační vlny kvůli slabosti gravitace a nutnosti složité kvadrupólové nesymetrie při jejich vzniku velmi slabé. Detektory tak musí zachytit i velmi malé změny, statisticky dokonce dokáží naměřit změnu délky na úrovni tisíciny protonu. Při jejich práci je ruší šumy seismické či tepelné, ale i mnohem banálnější. Například projíždějící auta. Svého času se museli technici vypořádat dokonce i s tím, že do stěn detektorů naráželi stepní běžci, rostliny, které využívají vítr ke svému šíření.

Známý je příběh nadsvětelných neutrin, která na počátku minulého desetiletí nadělala zmatek v hlavách mnoha fyziků a naopak vyvolala nadšení u řady lidových myslitelů snažících se dokázat chybnost obecné relativity. Neutrina posílaná z CERNu do národní laboratoře Gran Sasso v Itálii se totiž zdála letět rychleji než je rychlost světla ve vakuu. Situace se ovšem brzy vyřešila, když se ukázalo, že za všechno mohou špatně zapojené kabely. S CERNem se váže ještě jedna podobná příhoda, kdy fyzikové zjistili, že na jednom z experimentů dostávají velmi zvláštní periodicky se opakující výsledky. Zanedlouho se ukázalo, že za to mohou francouzské vlaky TGV, jejichž průjezd experiment detekuje.

Jsou dokonce teoretičtí fyzikové, kteří neumí s experimenty vůbec zacházet a často k nim ani nejsou připouštěni. V českém prostředí jde třeba o Petra Kulhánka, který tak tak na matfyzu udělal předmět Fyzikální praktikum, ovšem s podmínkou, že se k experimentům už nikdy nepřiblíží. Výše jmenovaný Richard Feynman měl zase na univerzitě, kde studoval, zákaz vstupu do laboratoře poté, co se mu vymkl z rukou jeden z experimentů. Ovšem nejproslulejší je v tomto směru rakouský teoretik Wolfgang Pauli. Ten kazil experimenty všude, kudy chodil. Kolegové si z něj kvůli tomu dělali legraci, ostatně i on sám to bral s humorem.

A experimentátoři si dávali velký pozor, aby neprováděli žádný důležitý experiment nejen v jeho přítomnosti, ale dokonce i když byl Pauli jen ve městě nebo projížděl kolem. Tak se jednou stalo, že jistý experiment dával velmi zvláštní výsledky, které jeho autoři nedokázali žádným rozumným způsobem vysvětlit. Tedy až do chvíle, kdy zjistili, že právě ve chvíle, kdy začal experiment zlobit projížděl ve vlaku přes jejich město Pauli.

Závěr

Snad jste si dnešní odlehčený článek dostatečně užili. Mohu přislíbit, že jsem si některé další neméně zajímavé příhody nechal do zásoby, takže za rok se ještě jednoho pokračování určitě dočkáte. Pokud vás koncept zaujal, můžete se tedy těšit na 1. dubna 2025.

Zdroje obrázků

• https://ichef.bbci.co.uk/images/ic/1200×675/p02bkwfq.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/50/Paul_Dirac%2C_1933.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/45/Carl_David_Anderson.jpg
• https://caltech-prod.s3.amazonaws.com/main/images/feynman01-NEWS-WEB.width-450_3YN6pEE.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/Schwinger.jpg
• https://i.natgeofe.com/n/64ef565d-f90e-43fe-91f9-ce94001385bd/01_freeman_h_15070220_4x3.jpg
• https://www.nobelprize.org/images/gell-mann-13216-portrait-medium.jpg
• https://www.trinityremembered.com/biographies/imgs/Weisskopf.jpg
• https://history.aip.org/phn/Photos/schwarz_john_b1.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b8/Cerenkov.jpg
• https://www.aldebaran.cz/famous/photos/Tamm_I.jpg
• https://www.nobelprize.org/images/higgs-15185-portrait-medium.jpg
• https://artscimedia.case.edu/wp-content/uploads/sites/218/2018/05/31094738/GerardtHooft-e1527775801603-600×900.jpg
• https://achievement.org/wp-content/uploads/2018/06/leon-lederman-9-scaled.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/2/2e/George_Gamow.jpg
• https://www.aps.org/publications/apsnews/200804/images/alpher_ralph_-web.jpg
• https://repository.aip.org/islandora/object/nbla%3A299011/datastream/OBJ/view
• https://img.luzernerzeitung.ch/2018/4/14/3f96d678-94c0-48da-ae13-091bc610c0ac.jpeg
• https://cdn.jwa.org/sites/default/files/mediaobjects/Rubin-Vera.jpg
• https://divisions-prod.s3.amazonaws.com/pma/images/thorne2Ckip_adH4YQ0.width-350.jpg
• https://divisions-prod.s3.amazonaws.com/cms/People/John%20P.%20Preskill/images/preskill-original.c05ef600.fill-310×412-c100.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Pyotr_Kapitsa_1930s.jpg
• https://www.nobelprize.org/images/landau-13158-portrait-medium.jpg
• https://relativity.phys.lsu.edu/Bronstein.jpg
• https://www.graphene.manchester.ac.uk/research/people/andre-geim/andre_geim_02_interior_page_headshot.jpg
• https://www.ornl.gov/sites/default/files/2019-03/MichaelBerry1.jpg
• https://www.nobelprize.org/images/pauli-13040-portrait-medium.jpg