A PŘECE SE TOČÍ 32 / GRAVITACE. Kapitola čtvrtá

Transkript

1 Kapitola čtvrtá A PŘECE SE TOČÍ A příroda bude tudíž sama o sobě velice uspokojivá a velice jednoduchá a všechny velké pohyby nebeských těles bude konat prostřednictvím gravitační přitažlivosti, jež tato tělesa postihuje, a téměř všechny malé pohyby jejich součástí prostřednictvím jiných přitažlivých a odpudivých sil, jež tyto součásti postihují. Isaac Newton, Optika, 2. vydání (1718) Nejdramatičtějším krokem v posunu vědy od starořeckého postoje bylo nahrazení Země ve středu vesmíru Sluncem. Možná se nezdá, že by tato změna pohledu měla na naše chápání gravitace velký vliv, avšak odsunutí Země ze středu všeho vyvrátilo základní argument, že těžké věci se touží posunout blíž ke středu všehomíra. Ačkoli myšlenka, že Země se pohybuje okolo Slunce, nám dnes připadá zřejmá, protože jsme si na ni velice zvykli, nejde o domněnku, která by nějak zvlášť vycházela ze selského rozumu. Zdá se docela jasné, že Slunce se pohybuje oblohou a během dne oběhne kolem Země. Stále mluvíme o západu Slunce, nikoli o východu horizontu. Už od dob starých Řeků si ale lidé byli vědomi, že pohyb je relativní, takže bylo obtížné říci, co se pohybuje a co stojí. Většina z nás zažila ten zvláštní pocit, když sedíte na nádraží ve vlaku a náhle se dá do pohybu sousední vlak. Na okamžik se klidně může zdát, jako by se náš vlak pohyboval opačným směrem. (Což člověka zneklidní, pokud je vlak na konečné stanici.) Pohyb skutečně cítíme, dokud naše mozky nerozluští, co se doopravdy děje. Bez dalších vodítek je nemožné pouhým pohledem na sousední objekt přijít na to, zda se objekt, v němž jsme, pohybuje vůči svému okolí, nebo zda se vůči okolí hýbe sousední objekt. 32 / GRAVITACE

2 Totéž platí pro Slunce při pohledu ze Země. V principu se Slunce pohybuje kolem Země zrovna tak jako Země okolo Slun ce a oba tyto pohledy jsou rovnocenné. Víme, že toto si už ve 3. století př. n. l. uvědomil jeden řecký astronom. Knihu, v níž Aristarchos ze Samu tuto teorii předložil, nemáme, ale jeho mladší současník Archimédés se o této dráždivé myšlen - ce zmiňuje. Archimédés napsal knihu nazvanou O počítání písku, v níž vyčíslil, kolik zrnek písku by bylo potřeba k vyplnění vesmíru. 1 To může vypadat jako zcela marná činnost na úrovni výpočtu, kolik andělů se vejde na špičku jehly, ale Archimédés tím sledoval jistý cíl. Rozčilovala ho omezenost řecké číselné soustavy a chtěl králi Gelónovi ze Syrakus, svému mecenáši, názorně předvést, že používaný postup lze zlepšit. Největším číslem v řecké soustavě byla myriáda: Kdybyste řekli myriáda myriád, mohli byste dojít až ke 100 milionům, to ale byla horní mez čísel, jež ležela žalostně nízko, řešil-li se úkol jako počítání zrnek písku na pláži, nemluvě o počtu zrnek, která by vyplnila vesmír. Archimédés tedy vytvořil celou novou soustavu, která fungovala bez omezení: začínala na úrovni myriády myriád a pokračovala výš. Aby možnosti svého systému předvedl, vypočítal, kolik by bylo třeba zrnek písku, aby vyplnila úplně vše. Pod pojmem vesmír tehdy lidé chápali zhruba to, co bychom nazvali sluneční soustavou Zemi, Slunce a Měsíc, planety a hvězdy, o nichž se domnívali, že jsou upevněny na sféře těsně za oběžnou dráhou Saturnu. To vše se otáčelo kolem Země, jež ležela uprostřed toho všeho. Aby však pokryl všechny možnosti, provedl Archimédés také výpočet vycházející z odlišného vesmíru: 2 Aristarchos ze Samu vydal knihu, která sestává z určitých hypotéz, v nichž předpoklady vedou k výsledku, že vesmír je mnohonásobně větší než to, co je dnes takto nazýváno. Jeho hypotézy spočívají v tom, že stálice a Slunce zůstávají nehybné [a] že Země A PŘECE SE TOČÍ / 33

3 se otáčí kolem Slunce po obvodu kružnice, přičemž Slunce leží uprostřed této oběžné dráhy. Archimédés měl upřímně řečeno ohledně argumentace Aristarcha ze Samu jisté pochybnosti a poukazoval na to, jak málo má stoupenců, ale podíval se na ni a došel k závěru, že heliocentrická soustava by byla výrazně větším vesmírem než tradiční model (i když stále víceméně v měřítku sluneční soustavy). Tuto myšlenku nikdy nebral vážně šlo pouze o zajímavé matematické cvičení. Většina ostatních přírodních filozofů představu odsunutí Země ze středu vesmíru jednoduše nebrala na vědomí, dokud nepřišel Mikuláš Koperník. Koperník (přesněji Mikołaj Kopernik, jehož známe pod počeštělou verzí jména) se narodil ve městě Thorn (dnešní Toruni) v Polsku roku Ačkoli v mládí studoval humanitní vědy v Krakově a potom církevní právo na Boloňské univerzitě, byl zde ubytován u profesora matematiky, který v něm vzbudil zájem o astronomii; šlo zatím do značné míry jen o koníček. Další zastávkou na Koperníkově cestě za vzděláním bylo studium lékařství v Padově a nakonec získání doktorátu z církevního práva. 3 I když byl Koperník po návratu do Polska formálně kanovníkem fromborské kapituly, dělil svůj čas mezi pomoc se správou diecéze biskupa Łukasze von Watzenrode, svého strýce, a výkon lékařské praxe. Ve volném čase jej ale stále fascinovala astronomie, což ho přivedlo k sepsání dvou knih o pohybu nebes. Zatímco první z nich, nazvaná De Hypothesibus Motuum Coelestium a se Constitutis Commentariolus, prošla víceméně bez povšimnutí, druhá měla vyvolat vědeckou revoluci. Jeho druhá kniha, kterou napsal asi 15 let po té první, zůstala nejprve 13 let v šuplíku a až potom byla vydána. Jmenuje se De Revolutionibus Orbium Coelestium (O obězích nebeských sfér) a Slunce klade pevně do středu vesmíru, zatímco obyvatelé nebes (včetně Země) okolo něj spořádaně obíhají. Že byla vytištěna jen pár dnů před Koperníkovou smrtí dne 24. května 34 / GRAVITACE

4 1543, to lze stěží považovat za pouhou shodu okolností: Koperník věděl, že jde o knihu, která vyvolá sváry. Není pochyb, že dojít k závěru, jímž přetvořil vesmír, Koperníkovi umožnil všechen čas a úsilí, jež vkládal do astronomických pozorování. Mnoho večerů trávil v čiré temnotě, kterou dnes ve městě již nezažijeme; obcházel nejvyšší věže, do nichž se mu podařilo získat přístup, a vysoko nad pouličním životem studoval pomocí dřevěných a kovových přístrojů bez čoček pohyby planet. Každý ví, že katolická církev se tehdy urputně stavěla proti myšlence, že Slunce leží ve středu vesmíru tolik přinejmenším jednoduchá verze běhu událostí. Ve skutečnosti zde byly jemnější nuance. Je pravda, že církev měla námitky proti tomu, že by Slunce mělo být pevné. V bibli jsou dvě zmínky, že Slunce se na obloze zastavilo, z čehož, jak se zdá, vyplývá, že se pohybuje. Církev ctila Aristotela coby autoritu, přesto byla připravena jeho myšlenky upravit tam, kde to bylo nutné. (Řekl například, že vesmír je věčný, což lidé klidně opomíjeli, aby to odpovídalo Písmu.) Mějte také na paměti, že Koperník byl aktivním členem církevní hierarchie, nikoli jakýmsi otrapou zvenku. Spis De Revolutionibus byl vlastně napsán za podpory katolické církve a byl věnován papeži. A přece byli kolem Koperníka tací, jimž byla kniha nepohodlná a kteří nabádali k opatrnosti, což možná vysvětluje, proč se její vydání pozdrželo. Zřejmě bez Koperníkova souhlasu nahradil vydavatel původní úvod knihy upozorněním, že jde pouze o myšlenky a hypotézy, které by neměly být brány příliš vážně. A zanedlouho byla celá práce otevřeně odsouzena. Tehdy se zdálo, že veškeré úsilí se soustředí na to, co z Koperníkovy představy plyne pro oběžné dráhy planet. Jeho model věci hodně zjednodušil: tím, že nechal Zemi kroužit kolem Slunce mezi Venuší a Marsem, odstranil veškeré podivné chování planet včetně toho, že by se musely na svých drahách vracet. Nyní mohly cestovat po drahách, o nichž se předpokládalo, že jsou úhledné a dokonale kruhové. Pokud však měl Koperník A PŘECE SE TOČÍ / 35

5 pravdu, plynul z toho ještě další důsledek. Bylo nutné se vzdát pojetí gravitace, jehož se lidé drželi od Aristotelových dob. Podle starého modelu vesmíru možná vycházely podivné oběžné dráhy, lidem ale dávalo smysl, že věci padají k Zemi, pokud ta je totožná se středem vesmíru. Pokud však nyní bylo středem Slunce a Země byla degradována na pouhou obíhající planetu, musela mít gravitace odlišné vysvětlení. Věci koneckonců nemají tendenci odletět ke Slunci, když je pustíte: padají k Zemi. Spíš než na přirozené tíhnutí ke středu to vypadalo na přitažlivost mezi tělesy. Koperníka se v našem chápání sluneční soustavy držely dvě důležité postavy. Tycho Brahe, astronom narozený v Dánsku jen pár let po Koperníkově smrti, přispěl mnoha podrobnými pozorováními pohybů hvězd a planet ze své hvězdárny s romanticky znějícím jménem Uraniborg, která byla pro tento účel vy - budována na ostrově Hven, jenž leží mezi švédskou provincií Zeeland a dánským ostrovem Scania. Brahe byl nepochybně silná osobnost. Proslavil se také tím, že mu byla v souboji uťata špička nosu a po zbytek života nosil kovové protézy, takže vypadal jako středověký kyborg. Byl zastáncem astronomických výhod Koperníkova uspořádání, přišel ale s kompromisem, který Zemi podržel ve středu vesmíru (takže gravitace i nadále fungovala, jak měla ), a přece vysvětlil podivné pohyby planet. Tycho Brahe tvrdil, že Měsíc a Slunce obíhají okolo Země, zatímco všechny ostatní planety cestují kolem Slunce. To možná fungovalo, pokud jde o prostou shodu s pozorováním protože jde o správný relativistický obrázek z pohledu ze zemského povrchu, ale dnes se nám to jeví jako velice umělý konstrukt, který Zemi dával povahu nepřirozeně odlišnou od všech sesterských planet. Stanovisko, že Tychonův model jde proti přírodě, zastával nepochybně také druhý muž, který konkrétně přispěl k našemu obrázku fungování vesmíru. Šlo o německého astronoma Johannese Keplera. Byl o 25 let mladší než Brahe a neúspěšně se 36 / GRAVITACE

6 pokoušel docílit, aby Dán nahlédl, že mít Slunce uprostřed má větší smysl. Kepler měl své vlastní podivné názory, převážně o mystické geometrické struktuře vesmíru, která klade každou z planet na dráhu, jejíž velikost je dána jedním z platónských mnohostěnů (pravidelný čtyřstěn, krychle, pravidelný osmistěn atd. i když ne v tomto pořadí). Byl ale velkým zastáncem Koperníkovým. Kepler využil Tychonova zevrubná data a přišel s několika pozoruhodně jasnozřivými myšlenkami ohledně toho, jak se planety pohybují, když si uvědomil, že cestují po elipsách, nikoli po kružnicích, což se předpokládalo od dob antického Řecka, a předložil zákony, které popisují rychlost, jíž se planety pohybují, a dobu, kterou na oběhnutí své dráhy potřebují. Ačkoli z těchto zákonů plynou jisté důsledky pro gravitační jevy, jak o něco později zjistil Newton (viz stranu 54), nezdá se, že by Kepler o mechanizmu, díky němuž planety zůstávají na svých drahách, uvažoval nějak hlouběji. To lze sotva říci o muži, jenž se proslavil tím, že riskoval život podporou heliocentrického modelu o velkém Galileu Galileim. Galileo byl ve skutečnosti o sedm let starší než Kepler: narodil se v italské Pise roku Jeho předchůdci byli do značné míry akademičtí rebelové. Koperník například viděl, že s tradičním pohledem, jenž klade Zemi do středu vesmíru, je něco v nepořádku, ale dokázal předložit pouze intelektuální argumenty. Galileo udělal víc. Byl nepochybně geniálním vědcem, ale zároveň byl mazaným publicistou. Rebelem byl více na základě nutkání než racionálních úvah; měl niterný pocit, že to, že se věda spoléhá na Aristotelovy teorie, je naprosto špatně, a nehodlal ustoupit jen proto, aby se podřídil. Zdá se, že tuto vzpurnost spolu se zájmem o matematiku a duševní silou zpochybňovat obecně vžité názory podědil po svém otci Vincenzovi. Galilei starší byl hudebník, který se rád pouštěl do křížku s tehdy zažitým míněním a v jedné své knize o hudbě napsal, že ti, kdo se spoléhají na autority, jednají velice absurdně. Navzdory svému nadšení pro matematiku nebyl však A PŘECE SE TOČÍ / 37

7 příliš potěšen, když se jeho syn vzdal studia lékařství, aby se soustředil na matematiku a vědu. Galileův sklon ke vzdorovitosti byl silnější než odpor jeho otce a nic ho nemohlo zastavit. Během univerzitních let se na něj jen valily spisy, které bezvýhradně uznávaly teorie starých Řeků a Aristotela zvlášť. Pro Galilea byly myšlenky bezúčelné bez pokusů a pozorování, které by je podpořily. Měl pocit, že je třeba zbořit zažité představy a vybudovat novou vědu vycházející z toho, co se ve skutečnosti pozoruje. Zdá se, že i jeden z nejznámějších příběhů o Galileovi tento jeho postoj dokládá. Aristotelés tvrdil, že různé objekty padají k Zemi různě rychle: čím jsou hmotnější, s tím větší naléhavostí tíhnou do své přirozené polohy. Čím vyšší je jejich váha, tím rychleji se ženou do středu vesmíru. Aristotelés by nikdy ani nepomyslel na to, že by to ve skutečnosti vyzkoušel, Galileo ale byl z jiného těsta. Podle legendy házel Galileo koule o různé váze z bláznivě nakloněné zvonice baziliky svého rodného města a pozoroval, že padají stejně rychle, což dokazovalo, že Aristotelés se ohledně tohoto fundamentálního rysu gravitace mýlil. S touto historkou je bohužel jeden velký problém: Galileo nikdy nebyl tím, kdo by své úspěchy udržoval v tajnosti, a přece se nikdy nezmínil, že by tento pokus uskutečnil. Dozvěděli jsme se o něm, až když jeho asistent dával dohromady příběhy o Galileovi, jak se blížila smrt tohoto velkého muže. Je více než pravděpodobné, že se nikdy neodehrál. To neznamená, že by Galileo nepřevrátil řecké představy o gravitaci na hlavu, původně ale jeho pokusy v oblasti přírodních věd musely hrát druhé housle po shánění obživy. Když se mu nepodařilo získat titul lékaře, přišel o stálý příjem a byl nucen vydělávat si, jak jen mohl vynalézal, učil, dělal všechno, co mu mohlo přinést nějaké peníze. To se ukázalo být ještě potřebnější, když mu zemřel otec a Galileo dostal na starost věno svých sester. Jistotu, po níž toužil, aby mohl pokračovat ve výzkumech, povětšinou poskytovalo zaměstnání u italských panských dvorů, což znamenalo, že Galileo neustále vyhledával nové příležitosti, 38 / GRAVITACE

8 jak věnovat některý svůj spis dalšímu šlechtici, jehož přízeň doufal získat. To Galileovi nebránilo v důležité práci, pro jeho povahu se ale zdá být typické, že jeho první průlomový objev měl být příkladem, kdy měl Galileo na zřeteli především svoje blaho, a tento objev zároveň provázely jisté machinace. Často se říká, že Galileo vynalezl dalekohled. Nevynalezl v jeho době se už dalekohledy jinde v Evropě vyráběly, speciálně je dělali holandští brýlaři. Galileo se doslechl, že jistý holandský optik míří do Benátek, aby se pokusil vzbudit o toto nové zařízení zájem místní šlechty. Štěstěna stranila Galileovi: benátský dvůr požádal pátera Paola Sarpiho, Galileova přítele, aby tuto novou technologii prozkoumal. Zatímco Sarpi zaměstnával svého holandského hosta, Galileo rychle sestavil svůj vlastní dalekohled a spěchal do Benátek, aby jej tam předvedl. Byl to veliký úspěch. Postarší benátští šlechtici museli být mírněni, aby se nepustili do nemístné potyčky o to, komu bude jako dalšímu dovoleno vzít si dalekohled na střechu a prohlížet si lodě v zálivu. Představitelům městského státu, který byl námořní velmocí, byly výhody plynoucí z dalekohledu zcela zřejmé. Galileo musel být ve velkém pokušení prodat tuto novou hračku tomu, kdo nabídne nejvíc, aby získal trochu tolik potřebné hotovosti, prokázal ale politickou prozíravost a dalekohled věnoval benátskému dóžeti, za což mu na oplátku bylo nabídnuto doživotní místo na Padovské univerzitě za dvojnásobný plat. Dalekohled dokázal víc než jen spravit Galileovu finanční situaci. S pomocí svých pozdějších modelů začal Galileo cupovat Aristotelův zastaralý pohled na vesmír na základě řady pozorování, která jednoduše nebylo možné do starého obrázku vtěsnat. Galileo studoval Měsíc a vytvořil krásné kresby hor a kráterů na jeho povrchu, podrobností, které bylo nemožné rozlišit neozbrojeným okem. Podle Aristotela byl Měsíc dokonalou koulí a Galileovi bylo stále zřejmější, že tomu tak není. Brzy poté došel k mnohem dramatičtějšímu objevu, jenž by bez dalekohledu nebyl možný. Při zkoumání planety Jupiter si A PŘECE SE TOČÍ / 39

9 všiml čtyř světelných bodů, jež se pohybovaly kolem planety tak, že to po nějaké době bylo možné vysvětlit pouze tím, že jde o měsíce obíhající toto vzdálené těleso. Opět se prokázalo Galileovo politické cítění, když svůj nový objev pojmenoval Medicejské hvězdy po mocném vévodovi Cosimu de Medici. Na oplátku získal nové místo v Pise se stejným platem, jaký měl na původním místě, ale bez učitelských povinností a s penězi vyplácenými předem. Ze svého zaměstnání v Padově přitom ještě neviděl ani halíř. Objev Jupiterových měsíců byl pro Galilea poslední kapkou, která jej přiměla odsunout Zemi ze středu vesmíru. Základní dogma Aristotelova pohledu na svět znělo, že vše musí obíhat kolem Země. A přece Jupiterovy měsíce zjevně obíhaly kolem této planety, nikoli kolem Země! Jakmile se byť i jen jediné těleso těmito pravidly neřídí, celý Aristotelův model se rozpadá. Galileo cítil, že nastal čas dát koperníkovskému vesmíru odpovídající postavení. Co se stalo potom, to se často vykládá černobíle, jako by šlo o starý western: statečný Galileo se staví proti aristotelovskému vesmíru a je zlou katolickou církví krutě potrestán. Klaďas proti záporákům. S Galileem se nepochybně zacházelo špatně, on však prokázal neobvyklý nedostatek politického citu tím, jak přistupoval ke zveřejňování svých myšlenek, a strádal stejně tak v důsledku této ztráty soudnosti jako pro své originální úvahy. Svoji knihu o novém modelu sluneční soustavy, jež poprvé vyšla roku 1632, nazval Dialog o dvou hlavních světových systémech a dal jí tradiční formu diskuse. Šlo o klasickou konfrontační filozofii v písemné podobě. Její dva účastníci předkládají protichůdné pohledy jeden vesmír podle Aristotela a řeckého astronoma Ptolemaia, jeho stoupence, druhý podle koperníkovského modelu. Kniha má podobu diskuse mezi nimi, což je překvapivě starořecký přístup k jedné z prvních velkých zkoušek klasického myšlení. Kniha nebyla propašována ven a vydána tajně, ve skrytu před církevní hierarchií Galileo svoji práci předložil oficiálnímu cenzorovi a provedl v ní všechny požadované změny, aby byla 40 / GRAVITACE

10 církev s obsahem spokojená. Dovolil si však legrácku, která měla mít neblahé následky. Postava, která zastává starořecký pohled, se jmenuje Simplicio. Existoval řecký filozof tohoto jména, je ale těžké nevnímat Simplicia jako prosťáčka, který předkládá slabomyslný názor. Sotva jde o vyvážený obrázek. Co bylo ještě horší, jeden z požadavků cenzora byl, aby byl do textu vložen dodatek, který zdůrazní, že církev je zastánkyní vesmíru se středem v Zemi a že koperníkovský pohled je pouhým intelektuálním cvičením a neměl by být brán jako smysluplný popis skutečnosti. Galileo tento dodatek opravdu doplnil, ale ona slova údajně slova samotného papeže, jenž tento postoj jasně vyjádřil nezůstala neutrální poznámkou, nýbrž byla vložena do úst Simpliciovi. Označoval Galileo papeže za prosťáčka? Už si nadělal pár nepřátel a nyní jim dal ideální munici. Byl obviněn z kacířství. Spravedlivý soud stále ještě mohl dopadnout pro Galilea dobře, avšak inkvizice měla své metody, jak dosáhnout kýžených výsledků, a Galileo byl shledán vinným na základě pouhého formálního detailu. Před odsouzením Galileo potlačil svoji hrdost a přiznal, že se mýlil. Je možné, že za takovýto zločin mohl být upálen na hranici místo toho byl odsouzen k doživotnímu vězení. Právě v tomto okamžiku se měla v Galileově životě odehrát další proslulá událost, avšak zdá se, že i tato legenda je nepravdivá, právě tak jako ta s házením koulí z šikmé věže v Pise. Poté co Galileo odvolal, zamumlal prý Eppur si muove ( A přece se pohybuje ) jako výraz vzdorovitého přesvědčení, že Země není nehybná. Za daných okolností je to velice nepravděpodobné. Inkvizice nebyla orgánem, který by bral rebelii na lehkou váhu, a neexistuje žádný důkaz, že by tehdy k řečené vzpouře došlo, a to dokonce ani v životopise, z nějž se zrodila legenda o šikmé věži v Pise. Zdá se, že ke galileovským mýtům byla přidána asi o 100 let později. Galileův doživotní žalář naštěstí nakonec dostal podobu volného domácího vězení, takže učenec mohl pokračovat v práci. A PŘECE SE TOČÍ / 41