Student World

Před téměř přesně 100 lety, 4. března 1904, se narodil významný americký teoretický fyzik ruského původu George Gamow. V roce 1928 dokázal, že se alfa-částice mohou chovat jako vlny, čímž vyřešil dlouho trvající záhadu poločasu alfa-rozpadu. O dvacet let později formuloval myšlenky, které daly vzniknout moderní teorii o vzniku vesmíru. Velkou popularitu si získaly jeho populárně-vědecké knihy, především příběhy pana Tompkinse, známé i z českých překladů.

Gamow se narodil 4. března v Oděse, jeho rodiče byli učitelé. Studoval nejprve na Oděsské univerzitě, ale začátkem 20. let odešel na univerzitu do Leningradu. V té době zde působil Alexandr Alexandrovič Fridman (1888-1925), jehož přednášky o teoriích relativity Gamow navštěvoval. Fridman na základně Einsteinových myšlenek jako první formuloval matematický model vesmíru, který není statický – rozpíná se, anebo se smršťuje.

George Gamow měl skvělé studijní výsledky. Díky tomu se mu dostalo neobyčejného privilegia: sovětská vláda mu umožnila studium v zahraničí, konkrétně na univerzitě v německém Göttingenu, což v té době bylo středisko, kde se rodila fyzika 20. století. Zde se mohl u samotného zdroje seznámit s nově vznikající revoluční fyzikální teorií, s kvantovou mechanikou. Gamowa v té době ale poutala zejména otázka chování atomového jádra, konkrétně alfa-rozpadu, který stále dělal fyzikům vrásky na čele. Tento jev zevrubně studoval novozélandský fyzik Ernest Rutheford, jenž při experimentování s alfa-částicemi zjistil zvláštní věc: při průchodu vrstvou vzduchu nebo velmi tenkou slídovou destičkou se dráhy alfa-částic trochu odchylovaly od přímek. Díky tomuto jevu Rutheford formuloval základní teorii o struktuře atomu, podle níž uprostřed atomu existuje kladně nabité jádro. Další pozorování sice potvrdila správnost Ruthefordovy teorie, ale otázky zůstávaly. Později, to již spatřil světlo světa Bohrův model atomu, se ukázalo, že alfa-částice jsou jádra izotopu helia.

Proč se ale některá těžká jádra rozhodnou vyzářit právě jádra hélia? To fyzikům dlouhou dobu nedávalo smysl. Od poloviny 20. let si ale museli zvykat na ještě podivnější skutečnosti kvantového světa. Svět jader a atomů se ukázal být zcela odlišným od obvyklého světa lidské zkušenosti, kde se vzdálenosti měří v metrech, centimetrech či milimetrech. Právě radioaktivní rozpad jader byl jedním z nejdůležitějších průzorů do subatomárního světa. Částice unikající při samovolném rozpadu těžkých jader zanechávaly stopy v mlžné komoře. Tyto stopy poskytovaly fyzikům cenné informace o povaze těchto částic, včetně hodnoty jejich energie. Těmto energiím se začalo říkat energetické hladiny a diagramaticky se znázorňovaly jako série vodorovných čar. Ty ukázaly fyzikům cestu z labyrintu otázek: ukázalo se na nich, že vyletující dceřiná jádra mohou existovat jen v řadě diskrétních energetických stavů, což byl nepochybný důkaz jejich kvantových vlastností. Jednoduše řečeno, ukázalo se, že v atomovém světě mění jádra své energie skokem.

Mladému Gamowovi se dostalo vzácné příležitosti pohybovat se mezi středisky, kde se rodily tyto neobyčejné myšlenky, které brzy měly od základů změnit svět lidské společnosti. Göttingen, Kodaň, Cambridge, Leningrad. Ve své doktorské práci v roce 1928 společně s Gurneyem a Caondonem brilantně vyřešil dlouho trvající záhadu spojenou s vlastnostmi alfa-rozpadu. Podstatnou částí vysvětlení bylo právě vlnové chování alfa-částic. Byl to jeho první velký příspěvek k moderní fyzice, ale zdaleka ne poslední.

V polovině 30. let, kdy začaly v jeho rodné zemi nabírat obrátky stalinské represe, Gamow emigroval do USA. Zde se začala druhá etapa jeho neobyčejně plodného vědeckého života, úzce spjatá s jeho působením na univerzitě ve Washingtonu. Vedle toho, že ve spolupráci s Edwardem Tellerem formuloval základní teorii beta-rozpadu, se Gamowova pozornost se v té době obrátila k jaderným procesům v nitru hvězd. Úvahy spojené s touto problematikou jej přivedly ke spolupráci s Ralphem Alpherem a Robertem Hermanem. Společně konce 40. let vypracovali první verzi moderní kosmologické teorie. Vznikla jako výsledek nevinně znějící otázky: kde se vlastně ve vesmíru vzaly chemické prvky? Existence bezmála stovky přirozených chemických prvků si ve světle nových poznatků o atomovém jádře totiž vyžadovala skutečnost, že se v jisté fázi vesmíru muselo dojít ke slučování protonů a neutronů. Aby k takové syntéze došlo, bylo samozřejmě zapotřebí obrovské energie.

V té době již díky pozorování Edwina Hubblea vědělo, že se vesmír rozpíná (viz článek o E. Hubbleovi http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/76A43CD2C103046DC1256DAC003141C5). Gamow si z toho logicky odvodil, že v minulosti musely být galaxie k sobě blíž, hustota hmoty byla a střední energie částic byly rovněž daleko vyšší. Pokud byl tedy vesmír na svém počátku „zhuštěnou ohnivou koulí“, muselo v něm dojít k procesům, kdy se protony a neutrony dostaly tak blízko k sobě, že začaly tvořit atomová jádra. Se svými spolupracovníky se Gamow původně domníval, že tímto způsobem vznikly všechny chemické prvky ve vesmíru. Výpočty ale záhy ukázaly, že počáteční jaderná syntéza protonů a neutronů mohla vytvořit jen jádra deuteria, helia a lithia.

Astrofyzika se v polovině minulého století ke Gamowově teorii stavěla skepticky, ne-li přímo výsměšně. Renomovaný astronom Fred Hoyle, spoluautor tehdy všeobecně uznávané teorie ustáleného (stacionárního) vesmíru, podle níž měla hmota vznikat z ničeho, v rozhlasové přednášce pro BBC opovržlivě označil Gamowovu myšlenku jakožto „big bang“, Velký třesk. To přirozeně ještě netušil, že právě Gamowova teorie se stane základem moderní astrofyziky a kosmologie.

Gamow si totiž také uvědomil, že teplo vzniklé při velkém třesku muselo ve vesmíru zanechat stopy v podobě oslabeného záření. Protože k tomuto oslabení došlo vlivem rozpínání vesmíru, domníval se, že toto „reliktní“ záření bude již velmi chladné, pouhých několik stupňů nad absolutní nulou. Na základě této úvahy vyjádřil odvážnou myšlenku, že by se vědci měli pokusit toto záření zachytit. Jeho výzva zůstala dlouhé roky bez odezvy. Nakonec se ale k překvapení celého vědeckého světa ukázalo, že Gamow měl pravdu. Arno Penzias a Robert Willson z Bellových laboratoří skutečně v polovině 60. let zachytili slabý radiový signál, jakýsi nadbytečný šum. Bylo to Gamowem předpovězené reliktní záření, důkaz velkého třesku. Zatímco Penzias a Willson obdrželi za zachycení reliktního záření v roce 1978 Nobelovu cenu za fyziku, Gamow se přes svoje nesporné zásluhy tohoto ocenění nedočkal. Zemřel nečekaně v roce 1968.
(Poznámka Pavel Houser: asi skutečně náhle, velmi krátce po dopsání své autobiografie Moje světočára; zde přitom na konci říká, že sice už asi nebude psát popularizační práce o fyzice, ale možná ještě něco napíše o kuchařství nebo o lovu zvěře.)

Kromě řady vědeckých prací, v nichž se zabýval kvantovou mechanikou, atomovou a jadernou fyzikou, astrofyzikou, kosmologií a biologií, si Gamow získal jméno i díky svým úžasným populárně-vědeckým knihám, které doslova obletěly svět (a některé jsou přeloženy i do češtiny). „Gamow se dokázal těšit z fyziky jako málokdo,“ napsal český astrofyzik Jiří Bičák. „Fyzika pro něj byla vždy velkou zábavou a vzrušením.“

Knihy George Gamowa v českých překladech:
Pan Tompkins v říši divů (Mladá fronta, 1986)
Pan Tompkins stále v říši divů (Aurora, 2001)
Moje světočára (Mladá fronta, 2000)

Internet:
The George Gamow Memorial Lecture Series Hompage – rozsáhlý web věnovaný odkazu GG, kde najdete jak podobné biografické a bibliografické informace, tak i ukázky z Gamowových knih (pouze v angličtině)
http://spot.colorado.edu/~gamow/george

Poznámky Pavel Houser:
– Gamow byl po svém odchodu ze země v SSSR samozřejmě na indexu a vyloučen ze Sovětské akademie věd. Někteří z přátel, které popisuje ve své autobiografii Moje světočára, rovnou zahynuli. Rehabilitován byl až ve 2. polovině 80. let. Z tohoto hlediska je vlastně překvapivé, že v Mladé frontě mohl Pan Tompkins vyjít už v roce 1986. O zrodu pana Tompkinse viz např. http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/0B898F5AB449E6EFC1256CCD006812E7.
– Gamowova autobiografie Moje světočára, kterou jsme zde na Science Worldu již několikrát zmínili (např. http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/C1256CB8004086B3C1256A6200426914) je velice půvabná kniha, skoro bych byl v pokušení ji prohlásit za návod, jak zajímavě a inteligentně prožít vlastní život.
– A mimochodem – Gamow se také pokusil o luštění genetického kódu. Jeho myšlenkový postup byl logický, byť shodou okolností chybný. Dokonce nosil kravatu se vzorem nukleové kyseliny (http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/C1256CB8004086B3C1256C760065AA90).

autor Jan Kapoun