Můj život fyzika

Narodil jsem se v roce 1908 ve Vídni v Rakousku. Dětství jsem prožil v rakousko-uherské monarchii a během první světové války jsem byl ještě malý kluk. V dětství jsem se stal svědkem rozpadu monarchie a středoškolské vzdělání jsem získal již v době velkých přeměn. V mnoha věcech mne ovlivnila kulturní tradice Vídně, sahající od Mozarta a Beethovena až k Freudovi a Boltzmannovi. V roce 1926 jsem se zapsal na Vídeňskou univerzitu a koncem tohoto roku jsem zde začal studovat fyziku. Když jsem se začal věnovat fyzice, měl jsem tedy již několik let zpoždění, a tak jsem se nemohl podílet na vytváření rané kvantové mechaniky. Mnozí z mých dobrých přátel, k nimž patřili Hans Bethe, Felix Bloch, Rudolf Peierls a Walter Heitler, byli o něco starší než já. Tři roky však v té době znamenaly mnoho. Studium na univerzitě jsem zahájil r. 1926, kdy už byla kvantová mechanika vytvořena, ale já měl před sebou ještě několik let studia. Z toho vyplývá, že jsem nemohl začít ve fyzice aktivně pracovat dříve než kolem r. 19291930. Přitom všechny základní důležité výsledky v kvantové mechanice byly získány dříve, v průběhu let 19251930. Pokud jste mladí, tři nebo čtyři roky znamenají hodně; v dospělosti příliš velkou roli nehrají, ale jejich důležitost se opět projeví, když začnete stárnout. Dnes bych byl docela rád, kdyby mi bylo o tři roky méně.

Před příchodem na univerzitu jsem přirozeně věděl, že existuje moderní fyzika. Když jsem studoval na gymnáziu, četl jsem populární knížky tehdy se psalo mnoho populárních knih o Bohrově modelu atomu a kvantové teorii. Za mého mládí vycházel velmi dobrý časopis Kosmos. I v něm se objevilo několik článků o Bohrově atomu. Vzpomínám si na jeden z nich: Niels Bohr v něm populárněvědeckou formou objasnil periodickou tabulku pomocí principu postupného zaplňování elektronových hladin atomu. Tato práce na mě udělala velký dojem a to, jak prostě lze všechny zákonitosti objasnit, jsem považoval za fantastický objev.

První setkání s kvantovou mechanikou

Zatím se všechny mé kontakty s fyzikou odehrávaly na populárněvědecké úrovni. Mé první skutečné setkání s kvantovou mechanikou přišlo až později, když jsem začal studovat. V té době se však kvantová mechanika studentům nepřednášela (možná by to tak mělo být i teď, ale není). Setkal jsem se s ní přibližně až v roce 1928, když jsem přešel na Univerzitu v Göttingenu. Předchozí dva roky, které v podstatě odpovídaly prvnímu cyklu studia, jsem strávil ve Vídni. Mým učitelem byl Hans Thirring, dobrý fyzik a znamenitý pedagog. Přednášel řadu oborů teoretické klasické fyziky (mechaniku, optiku, elektrodynamiku, termodynamiku) a podle mého názoru patřily jeho přednášky k tomu nejlepšímu, co lze v průběhu studia fyziky získat. Bylo to úžasné! Po dvou letech jsem se Thirringa zeptal: Co mám studovat teď? Řekl mi: Mohu vám poradit jediné: jestli chcete proniknou do fyziky hlouběji, odjeďte z Vídně.

Uposlechl jsem jeho rady a odjel do Göttingenu. V té době v Německu existovaly dvě významné fyzikální školy: jedna, již vytvářeli M. Born, J. Frank, P. Jordan, W. Heitler a mnoho dalších, byla v Göttingenu, druhá, v níž působil A. Sommerfeld se svou skupinou, v Mnichově. Myslím, že jsem udělal chybu, když jsem si za své příští působiště zvolil Göttingen. Kdybych šel do Mnichova, dostalo by se mi mnohem lepší průpravy v matematické fyzice ve srovnání s tím, co jsem mohl získat v Göttingenu. Bylo nezbytné prodělat v tomto směru patřičný trénink. Jeho nedostatek jsem pak pociťoval v celém svém dalším vědeckém životě.

Tak nebo onak, zvolil jsem Göttingen a poznal jsem v něm významné fyziky, tvůrce kvantové mechaniky. Seznámení s velikány nebylo však tak důležité jako setkání s velkým počtem mladých lidí, kteří byli na mé nebo o trochu vyšší úrovni vzdělání. Všichni usilovali o vědění, s potěšením diskutovali a rádi se přeli. Byl zde však i jeden starší fyzik, jenž na mě udělal větší dojem než ostatní a ovlivnil můj postoj k fyzice. Byl to Paul Ehrenfest. Mám dojem, že byl v Göttingenu pouze na jeden semestr v roce 1929, kdy zastupoval nemocného Maxe Borna. P. Ehrenfest mi projevil osobní sympatie (oba jsme totiž pocházeli z Vídně) a jako první mě naučil nedůvěřovat složitému matematickému aparátu a formalizmu, který se tehdy ve fyzice používal. V Göttingenu byl Ehrenfest velmi populární. S oblibou kladl jakoby hloupé otázky a povzbuzoval k tomu i druhé nepovažoval totiž problém za zvládnutý, jestliže byl zvládnut pouze formálně matematicky. Naučil mě jak zvládnout skutečnou fyziku, jak rozlišovat fyziku od formalizmu a jak pronikat do podstaty věcí. Rád opakoval: Fyzika je jednoduchá, ale rafinovaná. Čím jsem starší, tím více si uvědomuji, nakolik mě svými názory ovlivnil.

Mladí lidé v Göttingenu

Dovolte mi, abych se vrátil k mladým lidem, kteří tehdy v Göttingenu pracovali. Byli mezi nimi mladí lektoři, jako byli W. Heitler, G. Herzberg, L. Nordheim a E. Wigner, a doktorandi stejně staří se mnou, například M. Delbrück, E. Teller a Maria Mayerová. Studovali jsme spolu kvantovou mechaniku a zúčastňovali se vzájemných diskusí. Byla to pozoruhodná zkušenost a přinášela vskutku nezapomenutelné zážitky. Nikdy nezapomenu na G. Herzberga v mé paměti zůstane jako jeden z vynikajících učitelů. Tenkrát poprvé přednášel na téma, které je nyní vtěleno v jeho knize Úvod do atomové fyziky. Byl to na svou dobu vynikající kurz a platí to pořád, i teď, po čtyřiceti letech. Atomová kvantová mechanika, důsledky symetrie, spektrální termy, spektroskopická systematika, pravděpodobnosti přechodů to všechno bylo krásné, protože to bylo objeveno jen pár let předtím, než tento kurz začal.

Být doktorandem bylo v té době pozoruhodné, ale zároveň nepříjemné, protože neustále vznikaly nové ideje. Sotva jste strávili Schrödingerovu rovnici či Heisenbergovu kvantovou mechaniku, už jste slyšeli, jak vaši kolegové mluví o Dirakově rovnici (viz příhodu 1 ) a kvantové elektrodynamice. Výuka postupovala velmi rychle a na úžasné úrovni. Vrátím se k svému tvrzení, že jsem měl tříleté zpoždění. Doktorandi, kteří se zabývali výzkumnou činností (H. Bethe, R. Peierls, F. Bloch a W. Heitler), měli štěstí. V té době byla každá dizertace, na jejímž podkladě se uděloval PhD, natolik objevná, že vlastně otevírala novou oblast fyziky. R. Peierls se zabýval vodivostí tepla a vytvořil novou kapitolu fyziky pevných látek. H. Bethe se ve své dizertaci věnoval difrakci elektronů na krystalech a také objevil další z nových oblastí fyziky pevných látek. W. Heitler a F. London odstartovali kvantovou chemii a H. Wentzel formuloval teorii fotoefektu.

Přirozená šířka spektrálních čar

Když jsem se konečně dostal k fyzice, bylo vlastně už pozdě, všechny zásadní efekty byly objeveny. Co jsem tedy mohl dělat? Když jsem si vybíral doktorskou dizertaci, uvažoval jsem o kvantové elektrodynamice. P. Dirac tehdy publikoval svou první stať z kvantové elektrodynamiky o vzájemném působení světla a částic. Osobně mě nejvíce zajímala otázka radiačního útlumu neboli přirozené šířky spektrálních čar. Pokoušel jsem se sám nalézt řešení této úlohy z elektrodynamiky v exponenciálním tvaru, ale daleko jsem se nedostal, protože jsem byl příliš mladý a nevzdělaný. O radu jsem požádal velkého Wignera, bylo mu sice jen o pár let více než mně, ale byl už dost známý. Samozřejmě mi pomohl najít správný směr a spolu jsme napsali článek o přirozené šířce spektrálních čar. Byla to první publikace, jež obsahovala divergentní integrál. Pokusil jsem se Wignera přesvědčit, že integrál lze učinit libovolně malým. Ne, ne, je nekonečný, odpověděl mi. Nevěřil jsem mu, ale nakonec se ukázalo, že měl pravdu. Část zmíněného článku se později stala součástí mé dizertace. Divergentní integrály tehdy ještě nebyly vypočteny ostatně nejsou vypočteny ani dnes, po čtyřiceti letech. A to je politováníhodné. Ještě k zmíněnému spoluautorství: Představte si mladého člověka, kterého nikdo nezná, nicméně jeho jméno začíná na W. Poštěstilo se mu napsat první článek spolu s E. Wignerem, a navíc je tato publikace podepsána Weisskopf, Wigner (a nikoliv Wigner, Weisskopf). Tenkrát jsem si dal závazek. Řekl jsem si: Bohové mi byli milostivi, když mi dovolili pracovat s Wignerem, a proto od nynějška, ať bych napsal jakoukoliv práci s kýmkoliv, budu se při uvádění autorství vždy řídit abecedním pořádkem. Tak jsem to dělal celý život, s výjimkou případu, kdy můj student změnil pořadí autorů bez mého vědomí. Když jsem se stal spoluautorem knihy, kterou snad někteří znáte pod jmény Blatt a Weisskopf, musel jsem s tím bojovat. Vydavatel trval na pořadí Weisskopf a Blatt, protože jsem byl starší. Řekl jsem mu: Nemohu s tím souhlasit, protože jsem se zapřisáhl a přísahu nemohu zrušit. Vydavatel odpověděl: Pane, vaše přísaha nás nezajímá, musíte být první, protože jste významnější z autorů. Nakonec jsem vydavatele přesvědčil argumentem, že při pořadí Weisskopf a Blatt je zdůrazněn Blatt, a pokud budeme uvedeni v pořadí Blatt a Weisskopf, budu zvýrazněn já.

Ekonomická deprese v Evropě i v Americe

Nyní několik slov o tom, co má jistý vztah k situaci sedmdesátých let: Nejsem si jist, zda víte, že v dějinách ekonomického rozvoje západního světa byl rok 1931 těžkou dobou, mnohem strastiplnější než rok 1971, a to zvláště pro mladé fyziky, kteří hledali uplatnění. Byla to hrozná doba jak v ekonomickém, tak v politickém smyslu. Hitler už byl tehdy dost silný a všude se předpovídalo, že bude stát v čele Německa. Přitom byla katastrofální ekonomická deprese jak v Americe, tak v Evropě. Co měli dělat mladí fyzikové? Ukazovalo se, že rozumné východisko neexistuje. Najít práci bylo v té době těžké i pro takové fyziky, jako byli H. Bethe a F. Bloch. Neměli jsme žádnou naději. Dnešní studenti tomu ani nemohou uvěřit. Pokud dnes studují fyziku, najdou si práci a mají desítky příležitostí. Chce-li uchazeč dostat dobře placenou práci, nemusí být nadmíru schopný. Před čtyřiceti lety jsme takové perspektivy neměli. Můj otec mi řekl, že jsem se při výběru oboru zmýlil a že mám studovat něco realističtějšího, například technickou nebo k tomu ještě další praktickou profesi. Protože jsme neměli konkrétní vyhlídky, byli jsme ochotni přijmout i příležitostnou práci za poloviční plat.

Byl jsem nezaměstnaný. Nejprve jsem nastoupil k Heisenbergovi jako neplacený doktorand v té době ještě neexistovaly placené doktorandské pracovní poměry. Požádal jsem rodiče o finanční výpomoc a díky ní jsem mohl strávit příjemný čas u Heisenberga a jeho spolupracovníků v Lipsku. Rok 1932 byl pro fyziku fantastickým rokem. E. Fermi publikoval teorii slabých interakcí, J. Chadwick objevil neutron, K. Anderson a S. Neddermeyer pozitron. Byly vytvořeny základy teorie slabých interakcí, silných interakcí a koncepce antihmoty. Druhá publikovaná práce E. Fermiho s elementárním výkladem kvantové elektrodynamiky pro nás byla doslova zjevením. Po tom, co jsme zdolali dosti těžkopádné stati P. Jordana a E. Wignera, W. Pauliho a W. Heisenberga, byl najednou výklad E. Fermiho tak jednoduchý a jasný, že jej mohli pochopit i fyzikové s nematematickým zaměřením.

Z Lipska do Charkova

V Lipsku jsem strávil zajímavou dobu. Povím vám jednu příhodu, jež se tam udála. Týkala se naší diskuse o tom, proč elektron a neutrino vyletují z jádra. Nyní každý student ví, že jde o tvorbu páru, avšak v té době byla tvorba páru něčím zcela novým, neboť teorie pozitronu byla v počátečním stadiu. Vzpomínám si, že jsme seděli v Lipsku v jedné kavárně naproti plaveckému bazénu. W. Heisenberg se díval na vstupní dveře. Uvažovali jsme: Jak je možné, že elektron vyletuje z jádra, jestliže tam předtím nebyl? Heisenberg řekl: Všichni děláte nesprávné závěry; podívejte se na dveře. Vidíte, že každý příchozí je oblečen a každý odcházející rovněž; usuzovali byste podle toho, že i plavci v bazénu jsou oblečeni?

Ještě několik slov o tom, jak jsem hledal práci. Protože F. Londona, který byl stálým asistentem u E. Schrödingera, požádali, aby jel na půl roku do Ameriky, měl jsem štěstí, že jsem byl přizván, abych půl roku pracoval v Berlíně jako Schrödingerův asistent. Když už mi došly peníze z domova, rozhodl jsem se, že musím někam odjet, kde bych mohl žít z vlastního výdělku. Nemohl jsem najít práci ani v Německu, ani v Anglii, ani ve Francii.

V roce 1933 jsem tedy odjel skoro na celý rok do Charkova v Rusku, protože tam bylo možno získat práci, jež zajišťovala prostředky k živobytí. Tou dobou v Charkově pracovali L. D. Landau, E. M. Lifšic, A. I. Achiezer a mnoho dalších ruských fyziků. Život v Rusku nebyl vůbec lehký (byl zde velký hlad, plynoucí z potíží, které provázely kolektivizaci), zato byl zajímavý a poučný.

Později na mě padl šťastný los (domnívám se, že se tak stalo zásluhou E. Schrödingera). Jednoho dne jsem totiž dostal dopis z Ameriky, v němž mi bylo sděleno, že jsem dostal Rockefellerovo stipendium (dnes už se toto stipendium fyzikům neuděluje). To pro mne znamenalo roční podporu k práci v libovolném městě, bylo jen zapotřebí sdělit, na čem jste v té době pracovali. Nevím, umíte-li si představit, jaký to mělo pro mě význam v době, kdy jsem se chystal vzdát se vší naděje a uvažoval jsem o tom, že s fyzikou skončím (nějaký čas už jsem učil na střední škole a velmi se mi to líbilo). Rockefellerovo stipendium bylo velkým povzbuzením, a ačkoliv cenové relace byly v té době odlišné od dneška, 1800 dolarů na rok mi připadalo jako nečekané bohatství. Rozhodl jsem se použít tuto podporu na to, abych jel do Kodaně za N. Bohrem, a potom na půlroční pobyt do Cambridže k velkému P. Dirakovi.

V Kodani s Maxem Delbrückem

Když jsem dorazil do Kodaně, setkal jsem se s Maxem Delbrückem, který se dnes zabývá biologií, ale tehdy se ještě věnoval fyzice. Řekl mi, že Kodaň je nádherné město, hlavně kvůli hezkým děvčatům. Odvětil jsem: Je to sice zajímavý postřeh, ale pro mě nemá význam, protože se chci zabývat především fyzikou. M. Delbrück mi řekl: Ať je tedy po tvém, ale aspoň se na ně můžeš podívat. Příští večer mě pozval, abych si šel s ním a s jeho přáteli zatančit, a ukázalo se, že měl pravdu. Jedna z dívek, které tam přišly, se stala mou ženou. Žena hraje v životě fyzika velkou roli; činí jeho život snesitelným, pokud on ho dokáže udělat snesitelným pro ni.

V Kodani byly však i jiné atrakce například Niels Bohr a jeho ústav. V té době se tam sešla zajímavá skupina: F. Bloch, G. Placzek, M. Delbrück, S. Chandrasekhar, J. E. Williams a C. Weizsäcker. Tehdy jsem se ještě zabýval kvantovou elektrodynamikou a stály přede mnou dva úkoly: jednak zjistit, jestli je opravdu pozitron zahrnut v Dirakově rovnici (tj. problém symetrie nábojového sdružení, jak se nazývá nyní), jednak problém jaderných sil, tedy počátek jaderné fyziky. To bylo něco úplně nového. V souvislosti s objevem existence jaderných sil v přírodě vyvstávaly otázky, co se má s těmito jadernými silami dělat. Je možné na ně opět aplikovat kvantovou mechaniku? Úvahy se soustředily na stavbu jádra a rovněž na kvantovou elektrodynamiku. To vše bylo natolik zajímavé, že jsem zůstal v Kodani více než půl roku, avšak včas jsem si vzpomněl, že musím jet k Dirakovi, a tak jsem odcestoval na několik měsíců do Cambridže v Anglii.

Z Cambridže do Curychu

V Cambridži jsem byl poněkud rozčarován. P. Dirac byl vskutku velkou osobností, ale pro studenta nebyl moc užitečný. Nebylo možné s ním besedovat, a pokud jste s ním hovořili, pouze poslouchal a říkal: Ano. Z perspektivy studenta byly rozhovory s Dirakem vlastně promarněnou příležitostí. Setkal jsem se zde i s Peierlsem, jenž rovněž získal Rockefellerovo stipendium. Od něho jsem se naučil nesmírně mnoho. Seznámil mě se složitými výpočty v elektrodynamice, s tzv. alfa-gymnastikou.

Mezitím se na mě opět usmálo štěstí. Dostal jsem dopis od Wolfganga Pauliho, v němž mi sděloval, že k němu mohu přijet a pracovat u něj jako asistent. Světe, div se, sám Pauli, velký Pauli! V té době jsem ho ještě neznal osobně, ale jen z doslechu a z několika konferencí. Žasnul jsem zaprvé nad tím, že jsem vůbec dostal práci (najít pracovní příležitost bylo stále ještě těžké), zadruhé nad tím, jaká práce to je u samotného Pauliho. Přišel jsem k Peierlsovi a sdělil mu: Právě jsem dostal práci u Pauliho. Peierles, který byl pár let předtím Pauliho asistentem, mi řekl: Jestli si myslíš, že je to důvod k nadšení, pak se mýlíš, být asistentem u Pauliho je hrozné. Zeptal jsem se proč. Však uvidíš! řekl mi (viz rámeček 2). Dal mi několik dobrých rad, o nichž pohovořím později. Za pár týdnů mě W. Pauli požádal, abych přijel do Curychu.

Báječná spolupráce v Curychu

S W. Paulim jsem pracoval rád. Můj obdiv k němu byl bezmezný (dnes nám Pauli vskutku chybí schází nám jeho pozoruhodná kritika, jeho přátelský postoj a rovněž nekompromisnost vůči všemu, co není dost dobré). Naučil jsem se od něj velký kus fyziky a měl jsem z toho velkou radost.

Jednou z našich společných prací byl článek o kvantování skalární vlnové rovnice, který se stal počátkem mezonové teorie. Zpočátku mi vadily některé nejasnosti spojené s Kleinovou-Gordonovou rovnicí. Podivoval jsem se nad tím, že se celkový počet částic, popsaný čtvercem vlnové funkce, nezachovává. Uvažoval jsem, že zde možná existuje něco, co je obdobou vzniku párů, ale nenašel jsem to, protože jsem na to neuměl použít metodu druhého kvantování. Proto jsem se pokusil vyložit tento problém Paulimu. Byl zrovna ve špatné náladě. (Nehledě na to, že se občas projevoval jako grobián, byl to ten nejlepší a nejsrdečnější člověk ze všech lidí, které jsem kdy potkal.) Pokusil jsem se začít: Poslyšte, Pauli, je tu něco, co zasluhuje pozornost. On na to odsekl: Dummheit, hloupost, jděte pryč! Znovu a znovu jsem se pokoušel začít. Poslouchejte mě, chci vám položit otázku. Dumm, dumm. To mě už naštvalo a zacitoval jsem: Ach Meister, warum so viel Eifer, warum so wenig Ruh, mich dünkt euer Urteil wäre reifer, hörtet Ihr besser zu. To znamená: Ó mistře, proč tak mnoho hněvu a tak málo klidu? Myslím, že váš soud by byl uvážlivější, kdybyste mě vyslechl pozorněji.

Po tomto výroku se na mě podíval a zeptal se: Co je to? To je z Die Meistersinger Richarda Wagnera. Opět odsekl: Wagner? Mag ich überhaupt nicht, tj. Wagner se mi vůbec nelíbí, čímž ovšem vše skončilo a mně nezbylo než se vzdálit. Za dva dny jsem se opět osmělil: Podívejte, mám zajímavý problém. Odpověděl: Proč jste mi to neřekl hned? Teprve pak začala naše báječná spolupráce, a když jsme vytvářeli něco nového, v té době naprosto neočekávaného, zažívali jsem při tom obrovskou radost. Ukázalo se, že i bez Dirakovy rovnice lze docílit vznik párů a jejich anihilaci i pro bezspinové částice.

V té době jsem se rovněž zajímal o studium elektromagnetických vlastností vakua, polarizaci vakua elektrickým polem a tvorbu párů. Tyto problémy jsem řešil spolu se dvěma Heisenbergovými žáky Eulerem a Kockelem. (Euler, vynikající fyzik a vnuk známého matematika, byl později zavražděn nacisty.) Zajímala nás nekonečna, jež se vyskytovala v elektrodynamice; kdybychom už tenkrát byli poněkud chytřejší, mohli jsme rozpracovat celou teorii renormalizace, a to byl teprve rok 1934. Hlavní myšlenky byly formulovány v článku, který jsem napsal právě v tomto roce. Mohli jsme ukázat, že divergující výrazy jsou ve své podstatě nepozorovatelnými veličinami jinými slovy že mohou být zahrnuty do renormalizované hmotnosti a náboje. Celá myšlenka renormalizace zde tudíž existovala, ale více jsme se tomu už nevěnovali a nerozpracovali ji. Naše verze ustrnula na počáteční cestě.

V téže době jsem na návrh W. Pauliho vypočetl vlastní elektromagnetickou energii elektronu a podařilo se mi ukázat, že teorie pozitronu dovoluje zmenšit řád divergence až do logaritmické úrovně. Musím přiznat, že jsem ve své první publikaci udělal vážnou chybu. Upozornil mě na ni Wendell Furry a v druhém článku, jenž vycházel z jeho připomínek, byl již uveden správný výsledek.

Brzy se středem pozornosti stala jaderná fyzika zaprvé v důsledku nárůstu kvantitativních experimentálních výsledků, zadruhé v důsledku určité stagnace v elektrodynamice. V roce 1935 se můj zájem soustředil na jadernou fyziku, zvláště poté, co Niels Bohr navrhl model složeného jádra. Pokračoval jsem v rozvíjení pojmu jaderné teploty a v aplikacích termodynamiky k malým objektům; byla to zajímavá práce a dověděl jsem se mnohé o jádru a o termodynamice. Nastal čas, abych opustil W. Pauliho i Curych a přijal pomocné místo u Nielse Bohra. Práce u něj byla placena z fondu určeného na podporu vědcům, kteří v důsledku hitlerovské perzekuce přišli o zaměstnání. Byla to jen dočasná práce, ale i tak bylo příjemné vrátit se do Kodaně. V té době odjel Niels Bohr do Ameriky na jednu z návštěv, jejichž cílem bylo najít uplatnění pro pronásledované fyziky, kteří se uchýlili do Kodaně. Když se někdy v roce 1937 vrátil, sdělil mi, že má pro mě místo v Rochesteru ve státě New York. Šlo o vysokoškolské místo instruktora s povinností konat přednášky za 2400 dolarů ročně.