Neviditelný čert

V předchozím zahřívacím kole seriálu o neznámém vesmíru byly naznačeny počátky moderní kosmologie. V tomto kole téhož vás s pomocí Zdroje seznámím se zajímavým vědeckým přístupem jistého anglického astrofyzika. Na první pohled to může vypadat, že jsem od původního cíle (velký třesk) ustoupil ještě více do pozadí. Ale není tomu tak. Tato zahřívací část v sobě obsahuje jeden velmi důležitý aspekt. Na scénu přichází nový (revoluční) přístup fyzikálního bádání. Má v sobě spoustu zajímavých vědeckých podnětů, zároveň však i řadu nastražených pastí vedoucích na scestí.

Lucifer

V roce 1905 si cambridgeský astrofyzik Arthur Eddington přečetl článek neznámého německého fyzika Alberta Einsteina. Byla to práce, jež nakonec vedla ke slavnému vzorci E = mc², což je zjednodušená verze rovnice, kterou Einstein použil v názvu své práce až v roce 1946. Hlavní myšlenka Einsteinova článku z roku 1905 spočívala v tom, že pokud nějaké těleso absorbuje energii (E), stane se těžším (nabyde větší hmotnosti m), a naopak pokud ji uvolní, stane se lehčím. Ona slavná rovnice nám zcela jednoduše předkládá myšlenku, že to, čemu říkáme energie a hmotnost, je v podstatě totéž, jen z jiného úhlu pohledu. Obě veličiny svým způsobem charakterizují „množství“ hmoty. A pokud předpokládáme zákon zachování hmoty, pak přesně to, co ubereme z veličiny jedné, musíme přidat k veličině druhé. Ten převod je postulován ve zmíněné rovnici, přičemž c je rychlost světla ve vakuu.

Poznámka: Zdroj, který slouží k sepsání tohoto vesmírného (kosmologického) seriálu, bohužel obsahuje řadu nepřesností. Do jaké míry je to záležitost originálu či českého překladu, netuším. V tomto případě je v něm uvedeno, že „hmota a energie jsou vzájemně zaměnitelné“. A že „světlo lze transformovat na částice a naopak“. Jakoby fotony byly jenom energií, tedy nehmotné. To je samozřejmě nesmysl. Fotony sice nemají klidovou hmotnost (ve stavu klidu v podstatě neexistují), mají však hmotnost pohybovou. Důkazem, že jakousi hmotnost mají, je kupříkladu to, že v blízkosti velmi hmotných těles, jako je třeba Slunce a jiné hvězdy, se jejich dráha díky gravitaci zakřivuje (gravitační čočka).

Možná vás to překvapí, ale Einstein nebyl první, který s touto domněnkou přišel. V roce 1717 Isaac Newton ve čtvrtém vydání své Optiky napsal: „Je možné, že velká množství hmoty a světla jsou přeměnitelná na sebe navzájem a že tělesa přijímají velkou část své aktivity z částic světla, které vstupují do jejich struktury?“ Einstein to převedl do řeči matematiky a určil přesné množství hmotnosti, o kterou objekt přijde, když vyzáří energii, a naopak. A Eddington si uvědomil, že toto je princip, na jehož základě září Slunce.

Pokud měl Eddington přesvědčit své vědecké kolegy, že jeho idea je něčím lepším než jen pouhou spekulací, musel změnit způsob, jak dělat vědu. Dosud totiž platilo, že každý pokrok musí spočívat na předchozích poznatcích a musí být potvrzen jednoznačným matematickým důkazem nebo pozorováním. Takto věda fungovala od dob Newtona, a i když vedla k pevnému řetězci důkazů, odmítala zároveň problémy, se kterými si nevěděla rady. Z tohoto pohledu musejí solidní astronomické analýzy vycházet výhradně z potvrzených fyzikálních faktů na základě Newtonových zákonů gravitace. Můžeme analyzovat pohyb hvězd a planet, ale nemůžeme poznat jejich nitro.

Eddington se tímto nenechal omezovat a ve své mysli živil představu, že se Slunce a další hvězdy chovají jako mocné stroje, vyrábějící energii podle vzorce E = mc². Jediné, co potřeboval najít, byl fyzikální proces, který by této rovnici vyhovoval. Jak se ukázalo, nemusel se rozhlížet dlouho, jelikož fyzikové právě zajásali nad objevem radioaktivity. V Paříži Marie a Pierre Curie jako první zkoumali ty podivné atomy, ze kterých vylétají částice. V Cambridgi se Ernest Rutherford pokoušel rozbít atom. Oba výzkumy ukazovaly na atom jako na zdroj velké energie, popsatelný Einsteinovou rovnicí a dost silný na to, aby dodával energii hvězdě. Jak ale dokázat, že atomy jsou skutečným pramenem hvězdné síly, když nebylo možné sluneční jádro přímo změřit?

Eddington ponechal stranou čistou vědeckou metodu a zkoušel řešení odvodit od konce. Zkoušel vynalézt takovou situaci, která by odpovídala rozumné fyzice hvězd, a pozorovatelné výsledky vyřešit matematicky. Do nitra hvězdy sice bylo nemožné se dostat, zjistit jeho složení a vypočítat opacitu (číslo udávající, jak snadno záření proniká látkou), kterýkoli astronom však mohl změřit energii vystupující z jejího povrchu a pokusit se zpětně dopočítat něco o její opacitě. Pak si mohl pohrávat s variantami složení tak dlouho, dokud by čísla do sebe nezapadla.

Šlo o jakési reverzní inženýrství, nikoli o klasickou metodu poznávání, a astronomie se tím oddělila od matematiky a jejich technik. Eddington nenavrhoval teorii nitra hvězd, nýbrž model. Podstatný rozdíl mezí teorií a modelem spočívá v tom, že teorie říká, proč se něco děje, zatímco model popisuje pouze to, jak se něco může dít. Pokud byly výsledky modelu ve shodě s výsledky pozorování, která se dala provádět, jako například měření jasnosti Slunce, bylo všechno v pořádku. Pokud ne, tak lze model vždycky všelijak upravovat, celkově předělat, nebo dokonce zahodit podle toho, co přinesou nová pozorování. Takové modely sice za určitých okolností nabízejí jedinou cestu k pokroku, jejich stinnou stránkou však je, že otevírají dveře pro těžce zvládnutelné omyly.

Z laboratoří po celé Evropě přicházelo stále více dokladů o tom, že atomy prvků lze přeměňovat na prvky jiné buď jejich štěpením, nebo nuceným slučováním. Eddingtona zaujala fúze atomů vodíku za vzniku helia. Ukázalo se, že jádro helia je o 0.8% lehčí než čtyři vodíková jádra, ze kterých bylo složeno. Eddington přišel s hypotézou, že tento „defekt hmotnosti“ vzniká proto, že jeho část se přemění na energii (fotony) v souladu s Einsteinovou rovnicí. Potíž byla v tom, že teplota, která donutí jádra vodíku spojovat se dohromady, byla spočítána na nesmírných 15 miliard stupňů. To bylo opravdu moc a na Eddingtona se snesla sprška kritiky kvůli jeho modelu i jemu samotnému. V témže roce mu však přišli na pomoc dva význační vědci – Werner Heisenberg a Niels Bohr –, kteří společně pracovali v Dánském institutu teoretické fyziky na univerzitě v Kodani.

Bohr vyvinul model atomu, jenž obsahuje malé, kladně nabité jádro, obklopené záporně nabitými elektrony, které se pohybují po jakýchsi oběžných drahách (orbitech). Každý elektron může obsadit celou řadu orbitů a může mezi nimi přeskakovat, pokud absorbuje nebo emituje energii (foton). Různost uspořádání elektronových drah a počet elektronů ve vnějších částech atomu jsou příčinou různých chemických vlastností prvků. Heisenberg k tomu dodal svůj slavný princip neurčitosti, jenž praví, že nelze zároveň přesně určit polohu a rychlost elektronu.

Jak se ukázalo, tak tento princip platí pro všechny elementární částice, a nejenom v souvislosti s měřením (pozorováním), ale v samotné podstatě jejich existence. Každá elementární částice definovaná současnu fyzikou (standardním kvantovým modelem) se vyskytuje v podobě jakéhosi „oblaku pravděpodobnosti“ – tedy ne jako „pevná kulička“. Díky tomu není jakákoli interakce elementárních částic podřízena pevnému střetu, ale překryvu oněch oblaků pravděpodobnosti výskytu. Říká se tomu kvantové tunelování, které má za následek, že Eddingtonům model již nepotřebuje v jádru Slunce 15 miliard Kelvinových stupňů, ale stačí patnáct milionů (Eddingtonovi na základě astronomických měření vyšlo 40 milionů).

Eddingtonův model tedy stál na správných základech. Od té doby až podnes mají astronomové za to, že Slunce a další hvězdy jsou jadernými pecemi, z nichž většina jasně září vlivem toho, že atomy vodíku fúzují na helium. Není však třeba usnout na vavřínech. Slunce nás totiž i nadále dokáže překvapit, a tím nám ukazuje, že v našich představách o tom, co se odehrává v jeho nitru, máme stále mezery.

Jakož i v čemkoli jiném…

Zdroj: Stuart Clark, Neznámý vesmír v 10 kapitolách, Euromedia Group, a.s. – Knižní klub v edici Universum, Praha 2017

13.12.2017, 00:00:00   Publikoval Luciferkomentářů: 8