Student World

Před téměř přesně 30 lety, 4. února 1974, zemřel indický fyzik a matematik Styendra Nath Bose, jenž v roce 1924 položil základní kámen ke kvantové teorii světla.

Světlo odnepaměti vzrušovalo fantazii přírodovědců. Po teorii Thomase Younga (1773-1829), pokládající světlo za vlnu, se zdálo, že se otázka jakž takž vyřešena, ačkoli pochybnosti se vkrádaly na každém kroku.

Na konci 19. století se tyto otázky vynořily s obnovenou závažností. Max Planck (1858-1947), aby vysvětlil chování černotělesového záření, zavedl intuitivně myšlenku kvant. Ukázalo se, že jeho představa je nosná a do jisté míry vysvětluje interakci záření a hmoty. O pár let později, v roce 1905, ukázal Albert Einstein (1879-1955), nová hvězda teoretické fyziky, že kvantováno musí být i samotné světlo. V té době byla řada fyziků, která tomu odmítala uvěřit, ale experimenty amerického fyzika Roberta Millikana (1868-1953) jeho teorii potvrdily. Millikan působil na Chicagské univerzitě a po zveřejnění Einsteinova článku o podstatě fotoelektrického jevu odmítal uvěřit, že by se mohlo světlo skládat z částic. Aby Einstinovy názory vyvrátil, rozhodl se provést sérii experimentů. Ale z jejich výsledků, které ho nemálo překvapily, bylo parné, že Einstein má pravdu – že světelná kvanta skutečně existují.

Význam existence světelný kvant v té době nikdo z fyziků plně nepochopil. Byl to právě Satyendra Nath Bose, kdo svou kvantovou teorií světla obci fyziků otevřel oči. Bose, pracující na Dhácké univerzitě v tehdejším Východním Bengálsku, spolupracoval na prvních překladech Einsteinových prací do angličtiny. V průběhu této práce ho napadlo, že je nutné vytvořit dokonalejší odvození Planckova zákona černotělesového záření, takové, v jakém by nedocházelo k nedůslednostem. Došlo mu, že je pro částice světla (které v té době ještě neměly název; jako fotony je označil v roce 1926 Gilbert Lewis) nezbytné formulovat nový druh statistiky.

Bose se do toho pustil. Pozoruhodné je, že zcela ignoroval tehdejší popis vln elektromagnetického záření, vlastně všechny slavné výdobytky elektromagnetismu. Namísto toho se čistě soustředil na „částice světla“, které je třeba počítat určitým speciálním způsobem. Protože chápal světlené částice jako nerozlišitelné, vyšlo mu, že způsob jejich chování záleží na tom, jak si vyměňují energii. Článek, v němž shrnul své poznatky, poslal v roce 1924 do časopisu Philosophical Magazine, ale neobdržel žádnou odpověď. Z toho důvodu poslal kopii článku samotnému Albertu Einsteinovi. Na geniálního fyzika učinily Boseho myšlenky takový dojem, že článek sám přeložil do němčiny, napsal k němu doporučení a poslal jej do prestižního Zeitschrift für Physik, kde Boseho článek konečně vyšel.

Vyvolal poprask! Jak je možné, ptali se fyzici, že Bose odvodil černotělesovou rovnici pro elektromagnetické záření na základě částic světla? Je to pouze tak, že s těmito částicemi zacházel jako s reálnými částicemi, jež se řídí jistým druhem statistiky a chovají se jako kvantový plyn? Boseovu statistiku využil i Einstein k řešení jiných problémů, které byly ale bohužel jeho posledními příspěvky ke kvantové mechanice. V témže roce, kdy byla publikována Boseho práce, se mezi fyziky začal šířit další šokující teorie, vyplývající z doktorské disertace Louise de Broglieho (1892-1987). Tento francouzský fyzik v ní jako první prohlásil, že elementární částice, jako je např. elektron, se může chovat jako vlna. Jeho kacířské myšlenky, kterou Einstein příkře odmítl, se chopil Erwin Srödinger (1887-1961), jenž ji rozvinul do podoby popisu kvantového světa, vlnové neboli kvantové mechaniky.

Bose se téhle fascinující revoluce, jež vedla k vytvoření dosud nejpřesnější fyzikální teorie, již neúčastnil. Ve 20. letech krátce pracoval v Evropě (spolupracoval např. s Marií Curie-Sklodowskou) a později ve Spojených státech, jeho zájem se obrátil k jiné revoluci, o nic méně významnější, k Einsteinově obecné teorii relativity. Stejně jako Albert Einstein, začal Bose pátrat po unitární teorii pole, což se později ve světle nových poznatků ukázalo jako velmi předčasná ambice. Jeho příspěvky na tomto poli jsou dnes již zapomenuty. V dalších letech působil jako profesor na Dhácké univerzitě a vedle toho se věnoval popularizaci vědy.
„Doopravdy jsem už ve vědě vůbec nebyl,“ povzdechl si na sklonku svého života. „Byl jsem jako kometa, kometa, která se na obloze objevila jen jednou, a už nikdy se pak nevrátila.“

Nicméně jeho přínos je neoddiskutovatelný. A jeho jméno je zvěčnělé v termínech, které rozněcují představivost fyziků i na začátku 21. století: částice, pro které platí tzv. Boseova-Einsteinova statistika, se nazývají bosony (jak zavedl Paul Dirac). Jsou to částice s celočíselným spinem, např. elektrony anebo ony částice světla, jež dostaly název fotony. Nový stav hmoty, jímž se v současnosti intenzivně zabývá fyzika nízkých teplot, byl označen jako Boseův-Einsteinův kondenzát (BEC). Jde o stav hmoty, do něhož přecházejí částice s celočíselným spinem při extrémně nízkých teplotách
(viz také článek Dosud nejnižší dosažená teplota – http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/CB4465F0547F1ED6C1256DA300418E09).

Literatura:
Gribbin, John: Schrödingers Kittens (1995, č. Schrödingerova koťata, Columbus, 2001)
Feynman, Richard: Character of Physical Law (London, 1992, č. O povaze fyzikálních zákonů, Aurora, 1998, 2001)

autor Jan Kapoun