Věda ve 20. století

V předchozí části článku se známý fyzik V. F. Weisskopf zamýšlel nad obdobím od počátku století do r.1945. Vědu tohoto období charakterizoval jako vědu provozovanou v malých skupinách, s relativně malými náklady a bez významné účasti státu. Co se změnilo po 2. světové válce?

Doba od roku 1946 přibližně do roku 1970 byla nejpozoruhodnějším obdobím pro všechny vědy. Události 2. světové války velmi ovlivnily zejména fyziku. K překvapení vládních úředníků se fyzikové stali úspěšnými inženýry v některých velkých vojenských výzkumných a vývojových podnicích, jakými jsou Laboratoř pro záření na Massachusettské technice, projekt Manhattan či jaderná fúze. Vědci, kteří se dříve zajímali hlavně o základní výzkum, vymysleli a zkonstruovali jadernou bombu pod vedením jedné z ‘nejezoteričtějších’ osobností – J. R. Oppenheimera. E. Fermi konstruoval první jaderný reaktor, E. Wigner byl velmi nápomocen při návrhu reaktorů produkujících plutonium a J. Schwinger vyvinul teorii vlnovodů, která byla podstatná pro radar. Ale víc než to: někteří z těchto lidí byli vynikajícími organizátory výzkumných a vývojových projektů velkého rozsahu a měli dobré vztahy s průmyslem, jako již výše zmíněné vojenské projekty.

Když 2. světová válka skončila, měla veřejnost dojem, že ji vyhráli fyzikové. To je pochopitelně přehnané, ale je skutečností, že radar zachránil Spojené království a snížil ohrožování transatlantických konvojů ponorkami a že atomová bomba bezprostředně ukončila válku s Japonskem. Fyzika a věda obecně získaly vysokou reputaci. To vedlo k vysokým výdělkům a velkorysé finanční podpoře z takových vládních zdrojů, jakými jsou Office of Naval Research (ONR), k vytvoření National Science Foundation (NSF), jejímž posláním je podpora základního výzkumu, National Institutes of Health (NIH) podporující biologii a medicínský výzkum a Atomovou komisi podporující základní výzkum v jaderné fyzice a fyzice částic. Důvody pro podporu základního výzkumu z vládních zdrojů bez ohledu na vojenské a jiné aplikace byly dvojí. Zaprvé válečná zkušenost zrodila silnou víru, že jakýkoli základní výzkum povede k užitečným aplikacím; zadruhé to bylo přání udržet vědce spokojené a mít jich hodně pro případ, že by jich bylo opět zapotřebí. Štědrá podpora bez ohledu na typ výzkumu přetrvala asi deset let po válce. Pak začaly mít vládní zdroje zájem na výzkumu orientovaném výlučně na vojenské nebo komerční využití. Základnímu výzkumu se dařilo dobře do sedmdesátých let.

Výsledky této podpory byly skutečně ohromující. Pokrok přírodních věd za tato tři desetiletí po válce byl mimořádný. Věda získala novou tvář. V tomto eseji by nebylo možné udělat seznam všech významných kroků a výsledků. Musím se omezit na ty nejvýznačnější, aniž bych zmiňoval jména jejich autorů. Výběr je libovolný a je ovlivněn mými omezenými znalostmi. V kvantové teorii pole: idea metody renormalizace umožňující vyhnout se nekonečnům teorie pole, která poskytla možnost provést výpočty libovolně přesně. Ve fyzice elementárních částic: poznání kvarkové struktury hadronů ustavující řád mezi jejich excitovanými stavy, existence nestabilních těžkých elektronů a několika typů neutrin (dvě byla objevena v tomto údobí, třetí v údobí následujícím), objev nezachování parity při slabých interakcích a sjednocení síly slabé a sil elektromagnetických jako složek jednoho společného silového pole. V jaderné fyzice: slupkový model jádra, podrobná teorie jaderných reakcí, objev a analýza rotačních a kolektivních stavů v jádře. A atomové fyzice: Lambův posun (to je nepatrný posun spektrálních čar, který může být vysvětlen kvantovou elektrodynamikou), maser a laser s jejich širokými aplikacemi, optické pumpování a nelineární optika. Ve fyzice kondenzované fáze: vývoj polovodičů a tranzistorů, vysvětlení supravodivosti, vlastnosti povrchů, nové nahlížení na fázové přechody a studium neuspořádaných systémů. V astronomii a kosmologii: velký třesk a jeho důsledky pro první tři minuty vesmíru, shluky galaxií a záření teploty 3 K jako optický dozvuk velkého třesku, objev kvazarů a pulzarů. V chemii: syntéza složitých organických molekul, určení struktury velmi velkých molekul fyzikálními metodami, jakými jsou spektroskopie záření X a jaderná magnetická rezonance, studium mechanizmů reakcí pomocí molekulových svazků a laserů. V biologii: vynoření se molekulární biologie jako spojení genetiky a biochemie, určení DNA jako nositele genetické informace následované objevem její struktury dvojité šroubovice, rozluštění genetického kódu, proces syntézy proteinů a detailní struktura buňky s jejími buněčnými organelami. V geologii: rozvoj a zdokonalení deskové tektoniky s využitím nově dostupných přesných přístrojů, objev rozšiřování oceánského dna pomocí sonarů a dalších elektronických zařízení.

Mnoho z nových výsledků a objevů bylo založeno na zdokonalení přístrojů v elektronice a jaderné fyzice díky válečnému výzkumu. Jedním z nejdůležitějších nových nástrojů, rozhodujícím ve všech vědách, byl počítač. Jeho rozvoj a zdokonalování je snad nejrychlejší, které se kdy v technice událo. Počítač vedl k novým metodám vyhodnocování experimentálních dat, vedl k novým způsobům modelování a simulování přírodních procesů. Jak říkal S. Schweber - ‘existují nyní tři typy vědců: experimentální, teoretičtí a počítačoví.’

Přes obrovský skok ve všech vědách díky počítačům je s jejich používáním spojeno určité nebezpečí. Jestliže k určení důsledků teorie používám počítač, pak kdo jim rozumí? Počítač, nebo vědec? Počítač někdy nahrazuje myšlení a porozumění. Stejné nebezpečí se objevuje v přehnaném užívání počítačů při výuce vědám.

Charakter a sociologie vědy v období 1946–1970

V prvních dvou desetiletích tohoto údobí je překvapující převaha, téměř monopol, Spojených států v přírodních vědách. Nejvýznačnějšího pokroku ve vědě v období 1946 – 1960 dosáhly USA. Zřejmě rozhodující příčinou byly životní podmínky v ostatních zemích po válečné spoušti. Evropa a východní Asie musely být vybudovány znovu. Tím více musíme ocenit pionýrské úsilí zejména Anglie, Itálie a Francie, jakým byl výzkum kosmického záření v Anglii pod vedením Powella a ve Francii Leprince-Ringueta, a důležité italské experimenty s absorpcí mezonů (Conversi, Pancini a Piccioni). Situace byla obrácená, než byla situace v letech dvacátých. Evropští a východoasijští vědci museli strávit nějaký čas v USA, aby mohli úspěšně působit doma. Evropa byla ‘provinciální’ a USA byly ‘centrem’ ve vědě. Po šedesátých letech se evropská a japonská věda stala nezávislejší a mohla soutěžit s americkou. Vznikla řada evropských mezinárodních organizací, jakými jsou CERN (Evropské centrum jaderného výzkumu) ve fyzice částic, Evropská laboratoř molekulární biologie (EMBL) v biologii a Evropská jižní observatoř (ESO) v astronomii. V Evropě a v Japonsku se rozvinul standardní výzkum, který se americkému vyrovnal a v některých oblastech jej dokonce předčil.

Nastaly důležité změny v sociální struktuře vědy, zejména ve fyzice částic, v jaderné fyzice a v astronomii. Rychlý rozvoj těchto oborů vyžadoval větší a složitější urychlovače, rakety a družice v kosmu, rafinované detektory a složitější počítače. Vládní zdroje takováto zařízení stačily zabezpečit. Velikost a složitost nových zařízení vyžadovaly ke svému využívání velké týmy vědců, inženýrů a techniků. Organizovaly se až šedesátičlenné týmy, zejména ve fyzice částic. (Ve 3. období dosáhla velikost týmů několika set.) Jiná odvětví vědy, jako jsou atomová fyzika, fyzika kondenzované fáze, chemie a biologie, nepotřebovala tak velké skupiny. Mohla pokračovat ve svých výzkumech ‘postaru’ v malých skupinách, s několika málo výjimkami na špičce (např. v biomedicíně, kde jsou větší týmy občas zapotřebí).

Velké týmy přinesly nové sociální vztahy. Potřebovaly vedoucího, který zodpovídal nejen za intelektuální vedení, ale také za organizaci skupin se specifickými úkoly a za finanční zajištění. Ve vědecké komunitě se objevil nový typ osobnosti s charakterovými rysy odlišnými od vůdčích vědeckých postav minulosti. Účast mnoha mladých lidí, graduovaných studentů a postgraduálních pracovníků v těchto velkých týmech vytvořila určité problémy. Bylo pro ně obtížné získat uznání za svou práci, neboť jejich příspěvek zapadl v celkovém úsilí týmu. Aby bylo pro mladé lidi přitažlivé připojit se k velkým týmům, musejí mít skupiny určitou nezávislou iniciativu u dobře zadaných úloh, takže ti, kdo tuto úlohu vyřeší, mohou za svoji práci získat uznání.

Vývoj obrovských výzkumných zařízení rozštěpil charakter vědy na ‘malou’ a ‘velkou’. Malá věda obsahuje všechny obory, které se mohou zkoumat v malých skupinách a s relativně malými náklady, zatímco velkou vědu můžeme nalézt ve fyzice částic, v některých částech jaderné fyziky a astronomie, ve využití kosmu a ve fyzice plazmatu. Existuje rovněž velká věda ve fyzice kondenzované fáze a v biologii: použití synchrotronového záření v případě prvním a projekt lidského genomu v případě druhém. Velká věda potřebuje velké finance, takže otázka ospravedlnění velké vědy hraje rozhodující roli.

To vedlo k jinému dělení, vztaženému na použití daného odvětví vědy v průmyslu, v lékařské praxi anebo také v jiných vědách jako nástroje či náhledu. Takže můžeme rozlišovat ‘aplikovanou’ vědu a ‘neaplikovanou’ vědu. Oba tyto termíny musíme určit. ‘Aplikovanou’ vědou rozumíme výzkum, jehož aplikace jsou buď zřejmé, anebo snadno předpověditelné; ‘neaplikovanou’ vědou jsou míněny ty oblasti vědy, kde je dnes v dohledu jen velmi málo aplikací. Filozofický a intelektuální význam není chápán jako ‘aplikace’. Nikdy nemůžeme vyloučit, že některé současné nebo budoucí objevy nepovedou po několika letech či desetiletích dalšího výzkumu k aplikacím. To je důvod, proč budeme používat výraz ‘v současnosti bez aplikací’.

Aplikovaná věda zahrnuje část jaderné fyziky zabývající se reaktory a radioaktivitou, atomovou a molekulovou fyziku, jistě fyziku kondenzované fáze, fyziku plazmatu, chemii, vědy o Zemi a, pochopitelně, biologii s širokými aplikacemi v medicíně, zemědělství a produkci potravin.

Fyzika elementárních částic, některé části jaderné fyziky, astronomie a kosmologie jsou příklady věd intelektuálně a filozoficky extrémně důležitých, jejichž aplikace jsou však v současnosti nejasné. Jsou charakterizovány tím, čemu můžeme říkat ‘skok do kosmu’. Nazývejme tyto discipliny ‘kosmické vědy’, zatímco nesporně aplikovatelné oblasti vědy můžeme nazývat ‘vědy zemské’. Procesy studované kosmickými vědami jsou od nás příliš daleko v čase a v prostoru, abychom o ně měli bezprostřední zájem v pozemských podmínkách, jako je např. velký třesk a jeho důsledky, objev mezonů, kvarků a těžkých elektronů. Nepochybně je velkým úspěchem, že jsme schopni studovat tvoření galaxií ve vesmíru, nebo co se děje v nitru hvězd a, konkrétně, být schopni vytvořit v terčících urychlovačů podmínky, které existovaly zlomky sekundy po velkém třesku. Přirozeně tento druh výzkumu je nákladný. Je těžké vytvořit na Zemi kosmické podmínky. Ale tyto jevy jsou v mnoha ohledech odděleny od lidského prostředí a nesouvisí s jinými vědami. (Stanovisko, jež zde vyjadřuji, se liší od stanoviska, které jsem vyjádřil před dvaceti lety v článku „The significance of science“, Science 176, 138, 1972. Tehdy jsem byl mnohem optimističtější k možným budoucím aplikacím fyziky částic a astronomie.)

Rozdělení na oblasti aplikované a v současnosti bez aplikací není tak ostré, jak je zde naznačováno. Dokonce i fyzika částic vedla k aplikacím; téměř se tak stalo před několika desetiletími, když L. Alvarez navrhl, že molekuly vodíku vytvořené z protonů a mezonů by mohly iniciovat procesy fúze, avšak ukázalo se to být nemožné. Většina z aplikací pochází z toho, čemu někdy říkáme vedlejší produkt. Techniky, které musely vyhovovat neobyčejně přísným požadavkům přesnosti a spolehlivosti, mají použití v jiných oblastech. Konkrétně, ultracitlivé a diskriminující detektory vyvinuté ve fyzice vysokých energií se ukázaly být nejužitečnější v medicíně, bilogii a nauce o materiálech. G. Charpak za ně získal Nobelovu cenu. Dále, některé z jemných matematických výsledků v kvantové teorii pole byly použity na problémy fyziky kondenzované fáze. Jsou dobré důvody očekávat v budoucnosti mnohem více vedlejších produktů.

Současná neaplikovatelnost kosmických věd je spojena se zajímavým jevem, který se objevil ve fyzikálních vědách – s hierarchií různých úrovní, které jsou bez vzájemných vazeb. Rozlišujeme na nejvyšší příčce fyziku elementárních částic (to není hodnocení), jadernou fyziku, atomovou fyziku, molekulovou fyziku, fyziku kondenzované fáze atd. jako nižší úrovně. Každá úroveň má své vlastní zákony a pojmy založené na interakci kvazielementárních jednotek, které jsou složeny z elementárnějších jednotek úrovně vyšší, avšak při slabších energetických změnách charakteristických pro nižší úroveň zůstávají fixovány ve svých základních stavech. Tak není pro danou úroveň důležité vnitřní složení jejích jednotek. Existují ‘efektivní’ teorie popisující podmínky na každé úrovni, které neberou ohled na vnitřní strukturu jednotek. Např. určité části jaderné fyziky zacházejí s protony a neutrony jako s kvazielementárními částicemi, jejichž kvarková struktura je irelevantní; atomová a molekulová fyzika zachází s interagujícími elektrony, atomy a jádry a vnitřní struktura jádra není důležitá. Kvarková struktura nukleonů je zcela jistě irelevantní pro biologii, která má své vlastní pojmy, zákony a vztahy. V každém kroku od vyšší úrovně k nižší vzrůstá složitost; objevují se nové zákony a pravidelnosti, které nejsou v rozporu se ‘základnějšími’ zákony úrovně vyšší, ale vynořují se ze složitých interakcí relevantních jednotek, aniž by byly přímo odvoditelné ze zákonů úrovně vyšší. Když vesmír chladl a expandoval, zdánlivě procházel stadii od nejvyšší úrovně k nižším a vytvářel na každém kroku novou rozmanitost a složitost, až dosáhl života na Zemi a snad i na jiných planetách.

Existence víceméně nepropojených úrovní fyziky měla nežádoucí efekt: nadměrnou specializaci. Vědci pracující na jedné úrovni toho nevědí moc o úrovních jiných, protože většinou tyto znalosti nepotřebují pro svůj výzkum. Dále, konkurenční tlak a potřeba sledovat stále rostoucí literaturu svého vlastního oboru jim nenechává čas k tomu, aby se zajímali o jiné úrovně.