Michio Kaku

Božská rovnice

Hledání teorie všeho

přeložil Jan Petříček

edice Střed

PRAHA | 2022

Michio Kaku

Božská rovnice

Hledání teorie všeho

Z anglického originálu

The God Equation. The Quest for a Theory of Everything

vydaného nakladatelstvím Doubleday v New Yorku v roce 2021

přeložil Jan Petříček.

Vydal PROSTOR, nakladatelství, s. r. o.,

Nad Spádem 649/10, 147 00 Praha 4,

v roce 2022 jako svou 608. publikaci

a 128. svazek edice Střed.

Odpovědný redaktor tištěné knihy Radovan Beneš.

Redakce textu Rani Tolimat.

Jazyková korektura Radovan Beneš.

Grafická úprava tištěné knihy Toman Design.

Sazba tištěné knihy Adam Lederer (ProAL).

Elektronické formáty připravil KOSMAS, www.kosmas.cz

V českém jazyce elektronické vydání první.

© Michio Kaku 2021

Translation © Jan Petříček 2022

Czech edition © PROSTOR 2022

ISBN 978-80-7260-515-6

eprostor.com

prostor@eprostor.com

fb.com/nakladatelstvi.prostor

Mé milující ženě Shizue a mým dcerám

dr. Michelle Kakuové a Alyson Kakuové

Úvod k finální teorii

Měla to být finální teorie, jediný rámec, který sjednotí všechny síly kosmu a všechno vzájemně sladí, od pohybu rozpínajícího se vesmíru až po rej nepatrných subatomárních částic. Úkolem bylo napsat rovnici, jejíž matematická elegance zahrne celou fyziku.

Do pátrání se pustili někteří z nejvýznamnějších světových fyziků. Stephen Hawking dokonce pronesl přednášku se slibným názvem „Je konec teoretické fyziky na dohled?“

Kdyby taková teorie byla úspěšná, byl by to vrcholný úspěch vědy. Byl by to svatý grál fyziky, jediný vzoreček, z něhož by se v principu daly odvodit všechny ostatní rovnice, počínaje velkým třeskem a konče zánikem vesmíru. Šlo by o završení dvou tisíc let vědeckého zkoumání, započatého v dobách, kdy si starověcí myslitelé poprvé položili otázku „Z čeho se skládá svět?“

Je to strhující vize.

Einsteinův sen

S výzvou, před niž nás tento sen staví, jsem se poprvé setkal jako osmileté dítě. Jednoho dne noviny oznámily, že právě zemřel velký vědec. Článek doprovázel nezapomenutelný obrázek.

Byla to fotografie jeho stolu, na němž ležel otevřený zápisník. Popisek říkal, že největšímu vědci naší doby se nepodařilo dokončit práci, kterou zahájil. To mě zaujalo. Jaký problém může být tak těžký, že ho nedokázal vyřešit ani veliký Einstein?

Zápisník obsahoval jeho nedokončenou teorii všeho neboli to, co Einstein nazýval „jednotnou teorií pole“. Toužil najít rovnici, možná dlouhou jen pár centimetrů, která by mu dovolila (řečeno jeho slovy) „číst v Boží mysli“.

S nedostatečnou představou o obtížnosti problému jsem se rozhodl jít ve stopách tohoto velikána a doufal jsem, že svým malým dílem přispěju k dokončení jeho pátrání.

O totéž se však bezvýsledně pokoušelo mnoho dalších lidí. Jak jednou řekl princetonský fyzik Freeman Dyson, cesta k jednotné teorii pole je posetá pozůstatky neúspěšných pokusů.

Dnes se nicméně mnoho předních fyziků domnívá, že se konečně začínáme blížit řešení.

Hlavní (a podle mě jediný) kandidát se jmenuje teorie strun. Ta tvrdí, že vesmír není tvořen bodovými částicemi, ale maličkými vibrujícími strunami; každý „tón“ přitom odpovídá odlišné subatomární částici.

Kdybychom měli dostatečně výkonný mikroskop, viděli bychom, že elektrony, kvarky, neutrina atd. nejsou ničím jiným než vibracemi nepatrných, gumičkám podobných smyček. Pokud bychom na tyto gumičky dostatečně dlouho brnkali všemi možnými způsoby, nakonec bychom stvořili všechny známé subatomární částice ve vesmíru. To znamená, že všechny fyzikální zákony lze převést na harmonie těchto strun. Chemie, to jsou melodie, které na ně můžeme hrát. Vesmír je symfonie. A Boží mysl, o níž tak výmluvně psal Einstein, je kosmická hudba rozléhající se prostoročasem.

Nejde jen o akademickou otázku. Pokaždé když vědci odkryli novou sílu, změnilo to vývoj civilizace a osud lidstva. Například Newtonův objev zákonů pohybu a gravitace položil základy věku strojů a průmyslové revoluci. Vysvětlení elektřiny a magnetismu, které předložili Michael Faraday a James Clerk Maxwell, připravilo cestu městskému osvětlení a přineslo nám výkonné elektrické motory a generátory, stejně jako okamžitou komunikaci přes televizi a rádio. Einsteinova rovnice E = mc^2 objasnila energii hvězd a pomohla nám zkrotit jadernou sílu. A když Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg a další přišli na kloub záhadám kvantové teorie, přinesli nám dnešní revoluci v oblasti špičkových technologií – se superpočítači, lasery, internetem a všemožnými báječnými udělátky v našich obývacích pokojích.

Všechny zázraky moderní techniky vposled vděčí za svůj vznik vědcům, kteří postupně objevovali základní síly světa. Nyní vědci možná mají na dosah prostředky, jak tyto čtyři přírodní síly – gravitaci, elektromagnetickou sílu a slabou a silnou jadernou sílu – skloubit v jedinou teorii. Ta by mohla nakonec poskytnout odpověď na vůbec nejhlubší záhady a otázky vědy, jako jsou:

- Co se stalo před velkým třeskem? A proč k němu vůbec došlo?

- Co se nachází na druhé straně černé díry?

- Je možné cestovat časem?

- Existují červí díry vedoucí do jiných vesmírů?

- Existují vyšší dimenze?

- Existuje multiverzum složené z paralelních vesmírů?

Tato kniha je o hledání této finální teorie a o všech peripetiích jedné z jistě nejpodivuhodnějších kapitol v dějinách fyziky. Projdeme všechny dřívější revoluce, jež nám daly naše technologické divy: newtonovskou revoluci, ovládnutí elektromagnetické síly, teorii relativity, kvantovou teorii a nakonec i dnešní teorii strun. A vysvětlíme, jak by tato teorie rovněž mohla vrhnout světlo na nejhlubší tajemství prostoru a času.

Zástup kritiků

Překážky však zůstávají. Vzdor všemu nadšení, jež strunová teorie vyvolala, kritici horlivě poukazují na její nedostatky. A skutečný pokrok začal po počátečním humbuku váznout.

Nejnápadnějším problémem je, že přes všechny lichotivé ohlasy opěvující krásu a složitost teorie nemáme žádné spolehlivé, testovatelné důkazy. Svého času panovaly naděje, že konkrétní důkazy pro finální teorii najde Velký hadronový urychlovač (LHC), největší urychlovač částic v dějinách, nacházející se u Ženevy ve Švýcarsku. Ale ty se zatím nenaplnily. LHC dokázal objevit Higgsův boson (či „božskou částici“), tato částice však byla jen malinkým chybějícím dílkem finální teorie.

I když se objevily ambiciózní návrhy na ještě výkonnější nástupce LHC, není žádná záruka, že tyto nákladné stroje vůbec něco objeví. Nikdo s jistotou neví, při jaké energii nalezneme nové subatomární částice, které by mohly teorii potvrdit.

Možná nejdůležitější kritikou teorie strun však je, že předpovídá existenci multiverza složeného z bezpočtu vesmírů. Einstein jednou prohlásil, že klíčová otázka zní: Měl Bůh při stvoření vesmíru na výběr? Je náš vesmír jediný možný? Strunová teorie je sama o sobě jenom jedna, ale zřejmě má nekonečné množství řešení. Tomuto problému – faktu, že náš vesmír je možná jen jedním z celého oceánu stejně platných vesmírů – fyzikové říkají „problém krajiny“ (landscape problem). Je-li náš vesmír jednou z mnoha možností, která je ta naše? Proč žijeme právě v tomto vesmíru, a ne v jiném? Jaká je tedy predikční síla strunové teorie? Je to teorie všeho, nebo teorie čehokoliv?

Přiznávám, že jsem v tomto hledání osobně zainteresovaný. Na teorii strun pracuji od roku 1968, už od okamžiku, kdy se poprvé objevila – náhodou, neohlášeně a zcela neočekávaně. Sledoval jsem pozoruhodný vývoj této teorie, která se z jediného vzorečku rozrostla v disciplínu, k níž bylo napsáno tolik odborných článků, že by zaplnily celou knihovnu. Dnes teorie strun tvoří základ velké části výzkumu provozovaného v předních laboratořích světa. Jak doufám, tato kniha čtenáři poskytne vyváženou a objektivní analýzu objevů a mezí strunové teorie.

Zároveň vysvětlí, proč toto pátrání upoutalo pozornost nejlepších vědců světa a proč teorie strun vyvolává tolik vzrušení a sporů.

Kapitola 1
Sjednocení – pradávný sen

Když hledíme na nádhernou noční oblohu, obklopeni všemi hvězdami zářícími na nebesích, snadno se nás zmocní závrať z jejího nevýslovného majestátu. Naše pozornost se obrací k nejzáhadnějším otázkám ze všech.

Řídí vesmír nějaký velký plán?

Jak najít smysl ve zdánlivě nesmyslném kosmu?

Má naše existence hlavu a patu, nebo je vše marnost?

Vzpomínám si na jednu báseň Stephena Cranea:

Člověk řekl vesmíru:

„Pane, já existuji!“

„Jenomže,“ odvětil vesmír,

„tento fakt ve mně nevyvolal žádný pocit povinnosti.“

Řekové byli mezi prvními, kdo se doopravdy pokusili vnést řád do chaotického světa kolem nás. Filozofové jako Aristoteles se domnívali, že všechno lze převést na směs čtyř základních složek: země, vzduchu, ohně a vody. Jak však z těchto čtyř prvků vzniká bohatá složitost světa?

Řekové navrhli přinejmenším dvě odpovědi na tuto otázku. První ještě před Aristotelem podal filozof Demokritos. Měl za to, že všechno lze převést na maličké, neviditelné a nezničitelné částice, které nazýval „atomy“ (což řecky znamená „nedělitelný“). Kritikové však upozorňovali, že existenci atomů nelze přímo dokázat, protože jsou příliš malé, než aby se daly pozorovat. Demokritos nicméně mohl poukázat na přesvědčivé nepřímé důkazy.

Vezměme si například zlatý prsten. Postupem času se prsten odírá. Něco se ztrácí. Každý den se z prstenu odlupují malé kousíčky hmoty. I když jsou tedy atomy neviditelné, lze jejich existenci měřit nepřímo.

Dokonce i dnes se vyspělá věda většinou provozuje nepřímo. Složení Slunce, podrobnou strukturu DNA nebo stáří vesmíru známe díky měřením tohoto typu. Všechny tyto věci víme, ačkoli jsme nikdy nenavštívili hvězdy, nevstoupili do molekuly DNA ani nebyli svědky velkého třesku. Toto rozlišení mezi přímými a nepřímými důkazy bude mít zásadní důležitost, až budeme probírat pokusy dokázat platnost jednotné teorie pole.

Průkopníkem druhého přístupu byl velký matematik Pythagoras.

Pythagora napadlo uplatnit matematický popis na každodenní jevy, jako je hudba. Traduje se, že si všiml podobností mezi tóny vyluzovanými drnkáním na struny lyry a zvuky kladiv bušících do kovadlin. Zjistil, že kladiva vytvářejí hudební frekvence kmitající s určitými poměry. Něco, co přináší takové estetické potěšení jako hudba, má tedy původ v matematických vztazích mezi zvuky. A to, jak se Pythagoras domníval, možná ukazuje, že se týmiž matematickými pravidly řídí všechny rozmanité předměty, které vidíme kolem sebe.

V antickém Řecku tedy vznikly přinejmenším dvě velké teorie našeho světa: myšlenka, že se všechno skládá z neviditelných a nezničitelných atomů, a myšlenka, že rozmanitost přírody lze popsat pomocí matematiky vibrací.

S pádem klasické civilizace bohužel tyto filozofické debaty utichly. Myšlenka, že by mohlo existovat paradigma k vysvětlení vesmíru, upadla v zapomnění skoro na tisíc let. Západní svět obestřela temnota a vědecké bádání bylo z většiny vytlačeno vírou v pověry, magii a čarodějnictví.

Znovuzrození v renesanci

V 17. století se několik velkých vědců odhodlalo zpochybnit zavedený řád a zkoumat povahu vesmíru, ale čelili tvrdému odporu a pronásledování. Johannes Kepler, jenž jako jeden z prvních používal matematiku k popisu pohybu planet, byl rádcem císaře Rudolfa II. a možná unikl perzekuci díky tomu, že do své vědecké práce zbožně začleňoval náboženské prvky.

Bývalý mnich Giordano Bruno takové štěstí neměl. Byl obviněn z kacířství a v roce 1600 odsouzen k smrti. Zacpali mu ústa, nahého ho vlekli ulicemi Říma a nakonec upálili na hranici. A co byl jeho největší zločin? Tvrzení, že by mohl existovat život na planetách obíhajících kolem jiných hvězd.

Tentýž osud málem potkal i velkého Galilea, otce experimentální vědy. Na rozdíl od Bruna však Galileo pod hrozbou smrti své teorie odvolal. Přesto po sobě zanechal trvalé dědictví v podobě svého dalekohledu, snad nejrevolučnějšího a nejpodvratnějšího vynálezu v dějinách vědy. S jeho pomocí se člověk mohl na vlastní oči přesvědčit, že Měsíc je posetý krátery, že Venuše prochází fázemi odpovídajícími hypotéze, že obíhá kolem Slunce, nebo že Jupiter má měsíce – což všechno byly kacířské myšlenky.

Bohužel byl Galileo uvržen do domácího vězení, kde ho nikdo nesměl navštěvovat, a nakonec oslepl. (Prý proto, že se dalekohledem jednou podíval přímo do slunce.) Zemřel jako zlomený člověk. V roce jeho úmrtí se však v Anglii narodil muž, který měl dokončit Galileovy a Keplerovy neúplné teorie a vypracovat jednotnou teorii nebes.

Newtonova teorie sil

Isaac Newton je možná největší vědec v dějinách. Ve světě posedlém čarodějnictvím a magií se odvážil zapsat všeobecné zákony nebes a uplatnit novou matematickou metodu (takzvaný kalkulus), již vynalezl za účelem zkoumání sil. Jak napsal fyzik Steven Weinberg: „Naděje spojené s vytvořením moderní finální teorie jsou spjaty se jménem Isaaca Newtona.“ V jeho době byla považována za teorii všeho, tj. teorii popisující veškerý pohyb.

Všechno začalo, když mu bylo dvacet tři let. Cambridgeská univerzita byla uzavřena kvůli černému moru. Jednoho dne v roce 1666 se Newton procházel po svém venkovském statku a uviděl spadnout na zem jablko. A pak si položil otázku, která měla změnit běh lidských dějin.

Jestliže padá jablko, padá také Měsíc?

Před Newtonem církev učila, že existují dva druhy zákonů. První jsou zákony platící na Zemi, zákony zkažené hříchem smrtelníků. Druhé jsou čisté, dokonalé a harmonické zákony nebes.

Jádrem Newtonovy myšlenky bylo navrhnout jednotnou teorii zahrnující nebesa i Zemi.

Do zápisníku si nakreslil památný obrázek (viz obr. 1).

Obr. 1. Dělovou kouli můžeme vystřelovat se stále větší energií, takže nakonec oblétne celou Zemi a vrátí se do výchozího bodu. Newton prohlásil, že tato úvaha vysvětluje oběh Měsíce kolem Země, čímž sjednotil fyzikální zákony platné na Zemi se zákony nebeských těles.

Vystřelíte-li z vrcholku hory dělovou kouli, urazí určitou vzdálenost, než spadne na zem. Když ji však budete vystřelovat se stále větší rychlostí, pokaždé před návratem na zemský povrch dolétne dál než předtím – a nakonec obkrouží celou Zemi a vrátí se na vrcholek hory. Z toho Newton vyvodil, že přírodní zákon ovládající jablka a dělové koule, totiž gravitace, ovládá také oběh Měsíce kolem Země. Pozemská a nebeská fyzika jsou jedna a tatáž.

K tomuto objevu Newton dospěl tak, že zavedl pojem síly. Předměty se pohybují proto, že je postrkují nebo za ně tahají síly, které jsou všeobecné a lze je přesně a matematicky změřit. (Dříve se někteří teologové domnívali, že se předměty pohybují působením touhy, takže věci padají proto, že prahnou po sjednocení se Zemí.)

Takto Newton zavedl klíčový pojem sjednocení.

Ale jak známo, Newton byl uzavřený člověk a velkou část své práce si nechával pro sebe. Neměl mnoho přátel, umění společenské konverzace mu bylo zcela cizí a často se s ostatními vědci dostával do sporů o to, kdo na nějaký objev přišel jako první.

V roce 1682 došlo k senzační události, která změnila běh dějin. Přes Londýn přeletěla ohnivá kometa. Všude se o ní mluvilo, mezi králi i mezi žebráky. Odkud se kometa vzala? Kam směřuje? Co její příchod zvěstuje?

Jedním z těch, kdo se o kometu zajímali, byl astronom Edmond Halley. Vydal se do Cambridge za proslulým Isaacem Newtonem, který se už proslavil svou teorií světla. (Newton nechal projít sluneční paprsky skleněným hranolem a ukázal, že se bílé světlo rozkládá na všechny barvy duhy. Tím dokázal, že bílé světlo je ve skutečnosti složená barva. Zároveň vynalezl nový typ dalekohledu, který místo čoček používal zrcadla.) Když přišla řeč na kometu, o níž všichni mluvili, Newton Halleyho ohromil. Uměl totiž dokázat, že komety obíhají po eliptických drahách kolem Slunce, a dokonce na základě vlastní teorie gravitace dovedl předpovědět jejich trajektorii. Ve skutečnosti je sledoval pomocí dalekohledu, který vynalezl, a pohybovaly se přesně tak, jak předpověděl.

Halley nevycházel z údivu.

Okamžitě pochopil, že je svědkem zlomového okamžiku v dějinách vědy, a nabídl Newtonovi, že zaplatí náklady na tisk jeho knihy Matematické principy přírodní filozofie (či jednoduše Principia), z níž se mělo stát jedno z největších děl v celé vědecké literatuře.

Dále si Halley uvědomil, že podle Newtonových předpovědí se komety mohou vracet v pravidelných intervalech, a spočítal, že kometa z roku 1682 se vrátí v roce 1758. (Halleyova kometa v souladu s předpovědí přeletěla nad Evropou na Boží hod roku 1758, čímž posmrtně upevnila Newtonovu a Halleyovu reputaci.)

Newtonova teorie pohybu a gravitace je jedním z největších triumfů lidského ducha. Newton objevil princip sjednocující všechny známé zákony pohybu. Alexander Pope napsal:

Přírodu a její taje noc temná nám vždy halila.

Pak Bůh děl: ‚Budiž Newton!‘ a jasná zář vše zalila.[*]

Dodnes to jsou právě Newtonovy zákony, jež dovolují inženýrům NASA řídit naše vesmírné sondy na jejich cestě Sluneční soustavou.

[*] Překlad Popeových veršů převzat z: Michio Kaku, Einsteinův vesmír, přel. M. Žofka, Dokořán, Praha 2009, s. 19. (Pozn. překl.)

Co je symetrie?

Newtonův gravitační zákon je pozoruhodný také tím, že se vyznačuje symetrií, takže rovnice zůstává stejná, i když provedeme určité pootočení. Představme si kouli obklopující Zemi. Gravitační síla je v každém jejím bodě stejná. Ve skutečnosti má Země právě z tohoto důvodu tvar koule spíše než nějaký jiný: gravitace ji stlačila stejnoměrně. Proto se nikdy nesetkáme s krychlovitými nebo jehlanovitými planetami. (Malé asteroidy mají často nepravidelný tvar, protože na asteroidu je gravitační síla příliš malá na to, aby ho stlačila rovnoměrně.)

Pojem symetrie je jednoduchý, elegantní a intuitivní. Jak navíc uvidíme v této knize, symetrie není jenom líbivá ozdoba teorie, nýbrž zásadní vlastnost, která poukazuje na hluboký fyzikální princip ležící v základu vesmíru.

Co však máme na mysli, když říkáme, že je rovnice symetrická?

Předmět je symetrický, pokud zůstane stejný či invariantní i poté, co přeskládáte jeho části. Kupříkladu koule je symetrická, protože zůstane stejná i poté, co ji pootočíme. Jak to však můžeme vyjádřit matematicky?

Představme si Zemi, jak obíhá kolem Slunce (viz obr. 2). Poloměr oběžné dráhy Země udává R a toto číslo zůstává stále stejné, zatímco se Země pohybuje po své dráze (ve skutečnosti je oběžná dráha Země eliptická, takže R trochu kolísá, ale to pro náš příklad není podstatné). Souřadnice oběžné dráhy Země udávají čísla X a Y. Jak Země krouží kolem Slunce, X a Y se neustále mění, ale R je invariantní – nemění se.

Obr. 2. Když Země obíhá kolem Slunce, poloměr oběžné dráhy R zůstává stejný. Jak se Země pohybuje po své dráze, její souřadnice X a Y se neustále mění, ale R je invariantní. Na základě Pythagorovy věty víme, že X^2 + Y^2 = R^2. Newtonova rovnice tedy vykazuje symetrii, ať už ji vyjádříme pomocí R (protože R je invariantní), nebo pomocí X a Y (díky Pythagorově větě).

Newtonovy rovnice tuto symetrii zachovávají. To znamená, že zatímco Země obíhá kolem Slunce, gravitace mezi oběma tělesy zůstává stejná. Naše vztažná soustava se mění, ale zákony jsou konstantní. Ať už se na problém díváme z jakéhokoli úhlu pohledu, pravidla jsou stále tatáž a výsledky vycházejí vždy stejně.

Až budeme probírat jednotnou teorii pole, budeme na tento pojem symetrie narážet neustále. Ve skutečnosti uvidíme, že symetrie je jedním z našich nejúčinnějších nástrojů ke sjednocení všech přírodních sil.

Potvrzení Newtonových zákonů

V průběhu staletí byly Newtonovy zákony mnohokrát potvrzeny – s obrovskými dopady na vědu i společnost. V 19. století si astronomové na obloze všimli podivné anomálie. Planeta Uran se od předpovědí odvozených z Newtonových zákonů odchylovala. Její oběžná dráha neměla tvar dokonalé elipsy, nýbrž byla trochu rozkolísaná. Buď byly Newtonovy zákony nesprávné, nebo existovala dosud neobjevená planeta, která svou gravitací působí na oběžnou dráhu Uranu. Panovala tak velká důvěra v Newtonovy zákony, že fyzikové jako Urbain Le Verrier úmornými výpočty zjistili, kde by se tato záhadná planeta mohla nacházet. V roce 1846 astronomové tuto planetu na první pokus objevili ani ne jeden úhlový stupeň od předpovězeného místa. Nová planeta dostala jméno Neptun. To byla hvězdná chvíle Newtonových zákonů. Poprvé v dějinách byla čistá matematika použita ke zjištění přítomnosti významného nebeského tělesa.

Jak jsme zmiňovali výše, kdykoli vědci přišli na kloub jedné ze základních sil vesmíru, nejen tím odkryli tajemství přírody, ale zároveň revolučně proměnili společnost. Newtonovy zákony nejenže vrhly světlo na záhady planet a komet, položily také základy zákonům mechaniky, které dnes používáme při navrhování mrakodrapů, motorů, tryskových letadel, vlaků, mostů, ponorek a raket. Počátkem 19. století kupříkladu fyzikové uplatnili Newtonovy zákony k vysvětlení povahy tepla. Vědci tehdy spekulovali, že teplo je nějaká forma tekutiny šířící se látkou. Další zkoumání však ukázalo, že teplo jsou ve skutečnosti molekuly v pohybu, podobající se maličkým ocelovým kuličkám, jež do sebe neustále vrážejí. Newtonovy zákony nám dovolily přesně spočítat, jak se od sebe dvě kuličky odrazí. Připojením bilionů a bilionů dalších molekul se pak daly vypočítat přesné vlastnosti tepla. (Když se například ohřeje plyn obsažený v uzavřeném prostoru, rozpíná se podle Newtonových zákonů, jelikož teplo zvyšuje rychlost jeho molekul.)

Inženýři pak mohli tyto výpočty použít ke zdokonalení parního stroje. Mohli spočítat, kolik uhlí je zapotřebí k přeměně vody v páru, která pak bude moci pohybovat převody, písty, koly a pákami, a tak pohánět stroje. S objevem parního stroje na začátku 19. století množství energie, kterou měl dělník k dispozici, prudce stouplo na stovky koňských sil. Ocelové kolejnice najednou mohly propojit vzdálené konce světa a ohromně se zvýšil tok zboží, poznatků a lidí.

Před průmyslovou revolucí zboží vyráběly malé, uzavřené cechy vyškolených řemeslníků, kteří se lopotili i při práci na nejprostších předmětech do domácnosti a žárlivě střežili tajemství svého umění. Proto byl výrobků často nedostatek a byly drahé. S příchodem parního stroje a dalších výkonných zařízení, které díky parním strojům vznikly, se zboží dalo masově vyrábět za zlomek dřívější ceny, čímž se nesmírně rozrostlo bohatství národů a zvýšila se naše životní úroveň.

Když přednáším o Newtonových zákonech slibným studentům techniky, snažím se zdůrazňovat, že tyto zákony nejsou jenom suché, nudné rovnice, ale že změnily dějiny moderní civilizace a stvořily bohatství a prosperitu, které vidíme všude kolem sebe. Občas dokonce studentům ukazujeme filmový záznam zachycující katastrofický pád mostu Tacoma Narrows ve státu Washington v roce 1940 – jako ohromující příklad chybné aplikace Newtonových zákonů.

Newtonovy zákony, založené na sjednocení fyziky nebes s fyzikou Země, uvedly do pohybu první velkou technologickou revoluci.

Záhada elektřiny a magnetismu

Trvalo celých dvě stě let, než se dostavil další velký průlom. Ten přineslo zkoumání elektřiny a magnetismu.

Už lidé starověku věděli, že magnetismus lze zkrotit. Poprvé si tuto sílu podmanili Číňané, když vynalezli kompas, čímž pomohli zahájit věk objevů. Elektřiny se však starověcí lidé báli. Blesky pokládali za výraz božího hněvu.

Základy zkoumání elektromagnetismu konečně položil až Michael Faraday, chudý, ale pracovitý mladík bez formálního vzdělání. Ještě jako chlapci se mu podařilo získat místo asistenta v Královském institutu v Londýně. Člověk jeho nízkého společenského postavení by tam za běžných okolností do konce života jen zametal podlahy, umýval sklenice a snažil se být nenápadný. Tento mladík byl však tak neúnavný a zvídavý, že mu nadřízení dovolili provádět experimenty.

Faraday později udělal jeden z největších objevů v oblasti elektřiny a magnetismu. Ukázal, že když vezmete magnet a zasunete ho do drátěné cívky, vznikne v drátu elektřina. To bylo úžasné a důležité zjištění, jelikož vztah mezi elektřinou a magnetismem byl do té doby úplně neznámý. Obráceně se také dalo ukázat, že pohybující se elektrické pole může vyvolat magnetické pole.

Faradayovi postupně docházelo, že tyto dva jevy jsou ve skutečnosti dvě strany téže mince. Toto prosté zjištění přispělo k nástupu věku elektřiny, v němž obří vodní elektrárny začaly osvětlovat celá města. (Ve vodní elektrárně proud vody dopadá na soukolí, které roztáčí magnet. Ten potom postrkuje elektrony uvnitř drátu, jenž posílá elektřinu do elektrických zásuvek u vás doma. Opačný jev – změna elektrických polí v magnetická – je důvodem, proč funguje váš vysavač. Elektřina ze zásuvky ve zdi roztáčí magnet, který pohání čerpadlo vysávající vzduch a zároveň nechává rotovat válce vysavače.)

Jelikož však Faraday neměl formální vzdělání, jeho znalosti matematiky nestačily na to, aby dokázal své pozoruhodné objevy matematicky popsat. Místo toho zaplňoval své zápisníky podivnými nákresy znázorňujícími siločáry, jež připomínají pavučiny tvořené železnými pilinami v okolí magnetu. Navíc vynalezl pojem pole, jeden z nejdůležitějších pojmů v celé fyzice. Pole sestává z těchto siločar rozprostřených v prostoru. Každý magnet je obklopen magnetickými čarami. Také Země má magnetické pole, jež vychází ze severního pólu, šíří se okolním vesmírem a pak se vrací k jižnímu pólu. Jazykem polí lze vyjádřit dokonce i Newtonovu teorii gravitace; můžeme říct, že Země obíhá kolem Slunce, protože se pohybuje v gravitačním poli Slunce.

Faradayův objev pomohl vysvětlit původ magnetického pole obklopujícího Zemi. Protože Země rotuje, rotují i elektrické náboje uvnitř Země. Tento neustálý pohyb uvnitř Země zodpovídá za vznik magnetického pole. (Pořád však zůstávala jedna záhada: Kde se bere magnetické pole tyčového magnetu, v němž se přece nic nepohybuje ani nerotuje? K této záhadě se vrátíme později.) Všechny známé síly vesmíru dnes vyjadřujeme jazykem polí, poprvé zavedeným Faradayem.

Vzhledem k Faradayovu obrovskému podílu na zahájení věku elektřiny ho fyzik Ernest Rutherford prohlásil za „největšího vědeckého objevitele všech dob“.

Faraday byl také alespoň na svou dobu neobvyklý tím, že rád předváděl své objevy veřejnosti, a dokonce i dětem. Proslul svými vánočními přednáškami, při nichž zval všechny zájemce do londýnského Královského institutu, kde mohli přihlížet úchvatným demonstracím divů elektřiny. Faraday vstupoval do velké krychle se stěnami pokrytými kovovou fólií (takovému prostoru se dnes říká „Faradayova klec“) a potom na ni přivedl elektrický náboj. I když byl kov zjevně nabitý, Faradayovi nic nehrozilo, protože elektrické pole se rozprostřelo po celém povrchu krychle, takže elektrické pole v jejím vnitřku zůstalo nulové. Dnes se tento efekt běžně používá k ochraně mikrovlnných trub a citlivých přístrojů před bludnými elektrickými poli anebo k ochraně tryskových letadel, do nichž často uhodí blesky. (Jako moderátor televizního pořadu stanice Science Channel jsem jednou vstoupil do Faradayovy klece v bostonském Muzeu vědy. Klec ostřelovaly obrovské elektrické blesky o napětí až dvou milionů voltů a zaplňovaly sál hlasitým praskáním. Ale já jsem uvnitř necítil vůbec nic.)

Maxwellovy rovnice

Vážení čtenáři, právě jste dočetli ukázku z knihy Božská rovnice.
Pokud se Vám líbila, celou knihu si můžete zakoupit v našem e-shopu.