Od Aristotelova „horror vacui“ a éter … ke kvantové teorii a antihmotě

Od antiky (řecko-římské období starově­ku, velmi přibližně od 5. stol. př. n. l až do 5 stol. n. l.) až do 19. století byl systematic­ký rozvoj vědy svazován jedním z dlouho­době mylných předpokladů, do té doby do­konce po staletí považovaném za pravdivý a neměnný – a to pojmem a hypotézou éte­ru. Éter – podivuhodná, nevažitelná substan­ce vyplňující zemský i mezihvězdný prostor.

 

Dogmatický předpoklad existence éteru dokázal existovat mnoho staletí a byl jedním z nejstarších a nejodolnějších omylů vědy a výkladu světa vůbec.

 

Přibližně od konce 16. století, kdy se Ga­lileo Galiei (1564 –1642) zasloužil o novo­dobý rozvoj fyziky, trvalo ještě další tři sta­letí, než se nakonec ukázalo, že v případě éteru jde o jednu z nejpodivuhodnějších po­míjivostí vědy. A vlastně teprve až 20. sto­letí potvrdilo pravdu starých atomistů (Dé­mokrita, Leukippa), že namísto éteru existují pouze atomy a prázdno.

 

Na ustavení éteru jako nezlomného pra­vidla výkladu světa má zásluhu jeden z nej­významnějších filozofů starého Řecka, žák Platónův a vychovatel Alexandra Makedon­ského, filozof Aristoteles (obr. 1).

 

Aristoteles (384 –322 př. n. l.) se narodil ve městě Stagiera jako syn uznávaného léka­ře. Od mládí se zajímal spíše než o lékařskou praxi svého otce, jak mělo být obvyklé, o vše­možné přírodní, fyzikální, chemické a bio­logické jevy, vysvětlované v té době, pokud vůbec, pouhou vůlí bohů. To však zvídavému Aristotelovi nestačilo. Stal se žákem do ma­tematiky zahleděného Platóna, univerzálně se zabýval mechanikou, matematikou, zoologií a astronomií a sám sobě kladl otázky: Co je to duha a jak vzniká? Proč vítr vane a mění směr? Proč jsou mořské páry sladké? Z čeho pochází zemětřesení? Jak je veliká Země? Co je to zvuk?... a mnohé další.

 

Mnoho úsilí Aristoteles věnoval pohybu. Sledoval plavbu lodí, let ptáků, pohyb těles na zemi i ve vzduchu. Vyhazoval kameny do výšky a pozoroval jejich pád na zem. Proč kámen pokračuje v letu, když se oddělí od ruky? Proč se vozík na cestě zastaví? Podle Aristotelem vytvořené teorie letící těleso za sebou zanechává prázdný prostor a vzduch tlačící se okamžitě na uvolněné místo těleso dál postrkuje. Prostor nesmí zůstat prázdný! Příroda sama klade odpor vzniku prázdna – strach z prázdna, horror vacui!

 

Aby bylo toto pravidlo splněno vždy i ve vesmíru – protože i astronomii věnoval Aris­toteles mnoho času – musí podle Aristotela existovat nějaká látka – materie, která prázd­no vyplní – všudypřítomná materie, „éter“!

 

Sám materialista Aristoteles však převzal teorii éteru od idealisty Pýthagora. Éter pro­hlašuje za pátý element (čtyři živly oheň, vzduch, voda a země), z něhož je složeno nebe. Prostřednictvím pěti elementů a bož­ské prozřetelnosti (pohyb hvězd řídí prv­ní hybatel) vysvětloval Aristoteles všech­ny jevy okolního světa. Aristoteles byl jis­tě velký myslitel a pozorovatel, ale nebyl to v žádném případě fyzik-experimentátor. Ni­kdy neověřoval své závěry fyzikálními ex­perimenty, ale pouze z pozorování vyvozo­val myšlenkové závěry.

 

Přes nespornou Aristotelovu pozorovací schopnost je proto jeho svět spletitý, smyš­lený, nepřirozený a nesmyslný. Odpovídá však nízké úrovni doložitelného poznání své doby, síle náboženského dogmatu a nevědec­kému přístupu k poznatkům. Aristoteles vy­tvořil a zanechal myšlenkové dílo, jež další pokolení byla schopna pouze přebírat. Pro­to celá staletí existovalo Aristotelovo vidě­ní světa, včetně éteru, bez pochybností, spí­še pro pořádek a pro utvrzování nábožen­ských dogmat.

 

Na počátku novověku Aristotelovo učení za správné přijala církev a bránila tak další­mu rozvoji fyziky i přírodní filozofie. A tak není divu, že nové myšlenky si svou cestu razily jen s velkými obtížemi. A to zejména od okamžiku, kdy na scénu vědy a poznání vstoupil první skutečný fyzik – Galileo Ga­lilei, který se na rozdíl od Aristotela pečli­vě a systematickým uskutečňováním experi­mentů přesvědčoval o předpokladech svých pozorování. Galileovo „A přece se točí …“ je počátkem procesu vrcholícího nakonec kvantovou teorií.

 

Zejména jen o málo později, kdy Isaac Newton (1642 –1727) vytvořil svoji gravi­tační teorii (cca 1687) se objevila nutnost podrobně zjistit, jak je vlastně gravitační síla „přenášena“ prostředím. Do té doby ni­kdo z fyziků nad problémem přenosu sil „na dálku“ ani nebádal, ani nediskutoval. Nyní badatelé potřebovali konkrétní řešení, CO a JAK, jaká substance je za předávání při­tažlivých sil „zodpovědná“.

 

Éter se zcela jasně nabízel, ale sám o sobě nic nevysvětloval. A to již v Newtonově době nestačilo a problémy s jeho definicí měli již Holanďan Ch. Hugyens, Angličan R. Hooke, Ital Grimaldi a mnozí další. Sám Newton hy­potézu éteru sice používal, ale nevěřil jí. Když se již v průběhu 17. století pokoušeli badate­lé alespoň přibližně definovat charakteristiku toho univerzálního prostředí, získávali na­místo jasného určení této substance fyzikál­ní monstrum: éter má sice totéž složení jako vzduch, ale je mnohem řidší a lehčí, je jemný, pružný, přenáší světlo a vysvětluje další op­tické jevy, nebrzdí odvěké pohyby planet, ale přitom je přitahuje k sobě navzájem; nikdo ho nikdy neviděl ani nezvážil a teprve když pro­niká do jádra Země, kondenzuje na obyčejné kapaliny a plyny … a oplývá dalšími tak ne­polapitelnými vlastnostmi a příznaky, že se stává směsí protikladů, sloučením neslučitel­ného a spojením nespojitelného.

 

Od poloviny 17. století začne aristotelská fyzika při snaze vyložit tajemství přírody po­stupně selhávat. Přesto až do druhé poloviny 19. století bude éter přecházet z jedné teo­rie do druhé, bude plnit hned ten, hned onen úkol fyziků, bude napomáhat vlnové teo­rii světla (Fresnel, 1788 –1827), bude měnit a doplňovat stále jiné vlastnosti, bude udivo­vat, překážet i vysvětlovat.

 

Ještě v sedmdesátých letech 19. století D. I. Mendělejev (1834 –1907) uvažoval, co je éter z chemického hlediska. Umístil éter do nulové skupiny prvků své geniální tabul­ky prvků (1869 –70) a nazval jej newtonium.

 

Teprve v druhé polovině 19. století se začalo ukazovat, že tajemství přírody se ne­skrývá étericky mimo hmotu, ale přímo ve hmotě.

Až fyzikové, nejprve Michael Faraday (1791–1867) a poté zejména James Clerk Maxwell (1831–1879), svou předpovědí elek­tromagnetických vln (1872) se obešli bez éte­ru. Nejprve však bylo nutné, aby elektromagne­tické vlny a pole Heinrich Hertz (1857 –1894) v roce 1887 experimentálně doložil a H. A. Lorentz (1853 –1928) dokázal, že příčinou elek­tromagnetických jevů jsou elektrony (objev elektronu 1897, J. J. Thomson).

 

Maxwell tušil souvislost elektřiny a mag­netismu a snažil se proto nalézt a vyložit jed­notu fyzikálních, zejména elektromagne­tických jevů. Zní to jednoduše, ale ve sku­tečnosti to byl v polovině 19. století velký skok do neznáma a Maxwellovo tušení bylo výsledkem značného intelektuálního vypě­tí. V té době nebyl ještě zcela vžitý termín „energie“, natož pojmy jako „elektromag­netické vlny“ či „elektromagnetické pole“.

 

Maxwell intuitivně tušil a předpokládal, že elektrický proud se šíří nejen vodiči, ale též izolanty. To Maxwell vyvodil podle ne­velkého posuvu nábojů v dielektriku po při­ložení napětí, který ho na myšlenku proudu v izolantu přivedl.

Širší logika však vyžadovala, aby podob­ný proud existoval obecně i v prostoru, resp. dokonce i ve vakuu.

 

J. Maxwell se věnoval práci na matema­tickém zpracování Faradayových pozorová­ní a dospěl k teorii o existenci elektromag­netických vln.

 

Nejvýznamnějším Maxwellovým obje­vem je obecný matematický popis elektro­magnetického pole, v současnosti známý jako Maxwellovy rovnice (1872).

Při snaze fyziků vyšetřit a popsat koncem 19. století vlastnosti nových fenoménů mik­rosvěta, jakým elektromagnetické pole ne­sporně bylo, bylo zapotřebí stanovit zcela nové pojmy a nalézt pro ně nová pravidla je­jich chování. Zde však začala klasická new­tonovská fyzika selhávat.

 

Od objevu elektronu (1897) a posléze od stanovení Bohrova modelu atomu (Niels Hen­rick David Bohr, 1885 –1962, dánský fy­zik; v roce 1913 vyvinul na základě před­stav Ernesta Rutherforda a kvantové hypo­tézy Maxe Plancka a Alberta Einsteina první kvantový model atomu) postupně vznikl uce­lený systém teoretických disciplín – kvan­tová teorie (1925 –26), kvantová mechani­ka, elektrodynamika atd.) popisující chová­ní a vlastnosti mikročástic, jejich struktur a fyzikálních polí, a to i v makroskopických měřítkách.

 

Roku 1927 N. Bohr ve spolupráci s Wer­nerem Heisenbergem a Erwinem Schrödin­gerem dali vzniknout tzv. kodaňské škole kvantové teorie. Dospěli k názoru, že atomo­vé jevy jsou jak částicového, tak i vlnového charakteru, tzn., že jevy v mikrosvětě jsou ne­určité a není možné je popsat jako analogii klasické fyziky. Tento „princip komplemen­tarity“ byl později úspěšně aplikován nejen ve fyzice, ale též i ve filozofii a v biologii.

Existenci antihmoty předpověděl v roce 1928 britský teoretický fyzik Paul Adrien Maurice Dirac (1902 –1984), který se zabý­val kvantovou teorií, obecnou teorií relativi­ty a kosmologií.

 

Antihmota je druh hmoty, který je složen z antičástic k běžným částicím, tzn. například elektronů a pozitronů („kladný“ elektron). Jestliže tedy existují atomy vodíku, měly by existovat i atomy antivodíku atd.

 

Brzy poté (v roce 1932) Američan Carl David Anderson antihmotu skutečně objevil, a to ve srážkách vysokoenergetických částic kosmického záření.

 

Za svoji základní práci v kvantové fyzice získal P. Dirac společně s Erwinem Schrö­dingerem v roce 1933 Nobelovu cenu. Paul Dirac je dále znám jako autor kontroverzní kosmologické teorie, tzv. hypotézy velkých čísel, a jako jeden z prvních fyziků pokouše­jících se o skloubení kvantové teorie s teorií gravitace (tzv. unitární teorie, A. Einstein).

 

Ve vědeckém světě nastalo po předpovědi a objevu antihmoty všeobecné vzrušení a mno­zí fyzikové nechali běžné bádání a pustili se do hledání antičástic (obr. 2). Dosud je nalezeno několik desítek antičástic a hledání „světa na­ruby, antisvěta za zrcadlem“ stále pokračuje.

 

Projevy antihmoty však lze studovat pouze ve vesmíru nebo při úzce specializovaných expe­rimentech (v ČR s úspěchem Fyzikální ústav AV, skupina Dr. J. Grygara).

 

Pokud víme, žádná volná antihmota v současnosti ve vesmíru neexistuje. Domníváme se však, že těsně po Velkém třesku, kdy ves­mír vznikl (údajně před 13,7 mld. let!), hmo­ta a antihmota existovaly v rovnováze, tedy že bylo stejně antihmoty jako hmoty. Co se s antihmotou stalo, je však hádankou, která také čeká na konečné vyřešení.

 

Současný popis částic hmoty jako nosičů energie - tzv. standardní model – není bez slabin. Ačkoliv už po více než 20 let úspěš­ně prochází všemi experimentálními testy, víme, že ani tento standardní model není úpl­ným popisem přírody a velmi pravděpodob­ně stejně jako aristotelská i newtonovská fy­zika jednou ve světle nových poznatků selže.

 

Obr. 1. Aristotelův pomník a park v obci Nová Stagiera na Chalkidiki, Řecko. Aristotelovo dílo je obrovské. Čítá na 400 knih s téměř půl milionem řádků. Nyní známe jen 143 titulů a ještě méně se jich dochovalo. Fyziky se tý­kají spisy Physica (Fyzika) – 8 knih, De caelo (O nebi) – 4 knihy, O meteorech, O vzniku a zániku. Některý jeho žák napsal Questiones mechanicae (Otázky mechaniky), kde Aris­toteles prezentuje své myšlenky, ale shrnuje i poznatky svých předchůdců.

Obr. 2. Prohlédněte si důkaz existence an­tihmoty viditelný prostým okem – anihilaci protonu a antiprotonu na fotografii skutečného případu z bublinové komory: Antiproton (jenž přilétá ze spodní strany obrázku – p) se srazil s protonem (jenž byl v klidu) a došlo k anihilaci. Při anihilaci vzniklo osm pionů. Jeden z nich se rozpadl na μ+ a ν. Dráhy kladně nabitých pionů se v magnetickém poli stáčejí na opač­nou stranu než záporně nabitých. Bublinová komora je mnohem dokonalejší detektor než mlžná komora, ale neposkytuje zdaleka takové možnosti jako moderní elektronické detektory.