Můj život fyzika

Byl jsem rád, že mohu odjet z Evropy, kde v té době nebyla už žádná perspektiva. V Rochesteru tehdy byla menší příjemná univerzita, a taková je tu i dnes. V té době zde byla velmi dobrá katedra fyziky (a taková je rovněž i teď). Poměrně dobře zde byla zastoupena jaderná fyzika, měli tu dokonce cyklotron, prováděly se zde dost pokročilé experimenty s excitovanými jádry, zkoumal se zde také průchod potenciálovou bariérou. Moje zkušenost v jaderné fyzice mi zde byla velmi užitečná.

Náš život v Rochesteru, daleko od nacistického teroru, byl mimořádně příjemný a zcela nepodobný rozvrácenému životu v Evropě sužované hrozbou války. Poznali jsme zde hodně fyziků, Američanů i Evropanů. Bylo zde mnoho čerstvých emigrantů, například H. Bethe, který žil poblíž Ithaky, jen několik mil od Rochesteru. V létě jsme jezdili na západní pobřeží, navštívili jsme Berkeley a Stanford, kde R. Oppenheimer a F. Bloch shromáždili velkou a velmi aktivní skupinu fyziků.

Při vzpomínce na první roky ve Spojených státech nemohu opomenout skutečnost, jak hluboký dojem na nás udělalo přijetí společenstvím amerických vědců. Přijali nás vřele a jednali s námi jako s rovnými, někdy i jako s významnějšími kolegy. Ihned jsme se zde cítili jako doma, jako rovnoprávní členové společnosti, skoro jako bychom se tu narodili. V žádné jiné zemi – a žili jsme v různých státech – jsme se necítili tak dobře, nesetkali jsme se s tak bezprostředním přijetím a s tak velkým uznáním.

V roce 1939, dva roky po našem příjezdu do Ameriky, začala druhá světová válka. Na počátku války zůstávaly Spojené státy mimo vlastní konflikt. Na vědu a vědce začala však mít válka velký vliv od okamžiku, kdy do ní USA v roce 1941 otevřeně vstoupily. Většina mých přátel-fyziků se zapojila do vývoje radiolokátorů a atomové bomby. Atomová bomba však byla až pozdějším projektem, proto zprvu většina mých známých – jak Američanů, tak Evropanů – pracovala na vývoji radarových zařízení. Velkým odborníkem na problematiku radiolokátorů byl J. Schwinger, jenž v té době vypracoval teorii vlnovodů. Někteří Evropané, kteří přijeli z Německa či Rakouska a do Spojených států se (jako například i já) dostali krátce předtím, byli považováni za „nepřátelské cizince“. Nepouštěli nás k práci na vojenským projektech, ale žádalo se po nás, abychom se ujali výuky studentů. V té době jsem přednášel teoretickou fyziku v Rochesteru, v Ithace a dalších městech, kde jsem zastupoval vědce, kteří přešli do vojenských laboratoří. Byla to další zajímavá zkušenost.

Štěpení jádra

Nyní se vrátím k objevu štěpení jádra a jeho využití při výrobě bomby a získávání energie. V roce 1942 se E. Fermimu podařilo uskutečnit řetězovou reakci a technická aplikace procesu štěpení se tak stala reálnou možností. Mnozí fyzikové byli bez ohledu na to, zda jsou „nepřátelští cizinci“ či ne, požádáni, aby se přidali k práci na tomto projektu. Pro dosažení tohoto záměru bylo nezbytné shromáždit co nejúčinnější intelektuální potenciál. Začátkem roku 1943 mě R. Oppenheimer požádal, abych se připojil ke skupině fyziků, kteří v Los Alamos pracovali na vývoji atomové bomby.

Je velmi nesnadné popsat, jak se od třicátých let utvářely naše pocity a nálady. Tohle musí posoudit každý sám za sebe. Je mnoho lidí, kteří teď tvrdí, že se tenkrát měli fyzikové zabývat hledáním pravdy a nedávat svoje schopnosti do služeb vývoje zbraní hromadného ničení. Lehko se to řekne, a možná že je to i pravda. Těch, kteří tak učinili, bylo však velmi málo. Například W. Pauli, jenž byl tehdy přinucen opustit Evropu, zůstal v Princetonu a nepřemýšlel o účasti v žádném vojenském projektu. Pro člověka v mém postavení a také pro mnoho dalších však bylo těžké účast na tomto projektu odmítnout. Vskutku nemohu říci, proč jsem vlastně do Los Alamos jel. Značný vliv na to měla obava, že by bombu mohl vyrobit Hitler (viz též Vesmír 73, 545–548, 1994/10). Možná ale má pravdu i ten, kdo si řekne, že jsem se tak zachoval, protože to udělali i jiní. Vyjádřit význam fyziky je velmi nesnadné. Fyzika nepředstavuje jen hledání pravdy, ale i potenciální vládu nad přírodou, a tyto dva aspekty nelze od sebe jednoduše oddělit. Někdo může říci, že fyzik je povinen zabývat se jen hledáním pravdy a vládu nad přírodou ponechat někomu jinému, ale při takovém pohledu se vyhýbáme problému a nedíváme se skutečnosti do tváře. Nejzávažnější stránkou fyziky a mnoha dalších věd je to, že nereprezentují jen poznání přírody, ale že jsou těsně spojeny s její praktickou realitou, co se týče života, smrti, tragédií, zneužití role člověka a společnosti. Kdo může určit, co je dobré a co špatné? Můžeme argumentovat ve prospěch obou stránek vědy. Poté, co se člověk naučil ovládat štěpení, došlo ke strašným událostem. Je však možné, že první bomba měla vliv na ukončení války. Koneckonců právě to jme měli na mysli a domníváme se, že jsme tím zachránili životy milionům lidí – a je dost možné, že máme pravdu. Daleko horší bylo ospravedlnit druhou bombu. Na tom všem jsme měli podíl a nechci to dnes odsuzovat nebo schvalovat.

Musím přiznat, že čtyři roky v Los Alamos pro mne představovaly velkou zkušenost jak z hlediska lidského, tak z hlediska vědeckého, přestože byly zasvěceny vývoji nejsmrtonosnějšího vynálezu ze všech, které kdy člověk vytvořil. Takové jsou protiklady života. Z lidského hlediska byl neustálý intelektuální a přátelský kontakt s nejlepšími světovými fyziky, jako byli N. Bohr, E. Fermi, J. Chadvick, R. Peierls či E. Segre, mimořádně užitečný. Navždy mi zůstanou v paměti diskuse, jež jsme vedli o filozofických otázkách, o umění, politice, fyzice a o existenci budoucího světa pod hrozbou superzbraně. I z čistě profesionálního hlediska jsme se však potýkali s úkoly, s nimiž jsme se předtím vyrovnávat nemuseli. Bylo velmi zajímavé zabývat se jednotlivými materiály v nestandardních podmínkách.

Pokoušeli jsme se předvídat chování těchto materiálů a prováděli jsme s nimi odpovídající experimenty za podmínek, které se tisíckrát odlišovaly od obvyklých stavů. Držet v ruce kousek kovu, jehož tvůrcem nebyla příroda, ale člověk, na vlastní oči pozorovat dosud nevídané události a procesy – v tom bylo něco vpravdě pozoruhodného.

První jaderný výbuch

Pak přišla velká zkouška, první jaderný výbuch. Byl jsem jako starší teoretik na zkušební plošině v poušti v Novém Mexiku, jež měla zajímavé jméno Jornada del Muerte, což vlastně znamená „Směna smrti“. Jezdil jsem v džípu z jednoho stanoviště na druhé a podával zprávy o intenzitách různých druhů záření, jaká se tam očekávala. Museli jsme samozřejmě předem vypočítat vzdálenost, která by byla pro člověka bezpečná. Někdo poznamenal, že by nebylo špatné posadit mě do kovové kabiny přesně do vzdálenosti, kterou jsme my teoretikové označili za bezpečnou. A opravdu se ukázalo, že poznámka byla na místě, zmýlili jsme se při tomto výpočtu dokonce pětinásobně. V místě teoreticky definovaném jako bezpečné by mě čekala smrt. Reálná intenzita paprsků gama byla o mnoho větší, než jsme předpokládali, nesprávně byla odhadnuta rovněž energie a stupeň pohlcování záření.

Ke konci války jsme byli všichni rádi, že se vracíme do běžného života, za katedru a k výzkumné práci. Doufali jsme, že nastane doba míru a vytvoří se nový svět, lepší než ten, který byl v troskách, jež zbyly po skončení nejničivějšího válečného střetu v dějinách, a který způsobil smrt nesmírného množství lidí. Znovu nás ovládla obrovská touha soustředit se na základní výzkum. Chtěli jsme využít nové přístroje a metody, jež byly vyvinuty v průběhu válečného výzkumu, pro další zkoumání přírody a ne k vývoji účinnějších typů zbraní. S velkým nadšením jsme se pustili do svých starších i nových úkolů a velmi nás v tom podporovaly vládní autority, které si uvědomily sílu a moc fyziky.

Výpočet Lambova posuvu

Po válce jsem se stal profesorem fyziky na Massachusettské technice. Od roku 1936 existovaly nejasné důkazy o tom, že poloha pozorovaných (energetických) hladin vodíku přesně neodpovídá předpovědím plynoucím z Dirakovy rovnice – tzv. Pasternakův efekt. Existovalo několik úvah o tom, jak by se dal tento efekt vypočítat pomocí kvantové elektrodynamiky se započtením divergencí. Po válce jsem se rozhodl, že se budu tímto problémem zabývat, a pracoval jsem na tom spolu s velice schopným doktorandem Brucem Frenchem, který je dnes známým specialistou v teorii struktury jádra. Přemýšleli jsme o výpočtu tohoto efektu, který je známější pod názvem Lambův posuv, chtěli jsme izolovat nekonečnou vlastní energii elektronu. Byly to těžké výpočty, protože dosud nebyla dostatečně rozvinuta technika renormalizace. Bylo třeba vypočítat rozdíl energií volného a vázaného elektronu, přičemž obě energie byly nekonečně velké. Museli jsme postupovat velice přesně, protože výpočet rozdílu divergujících veličin vede k chybám. Postupně jsme překonali těžkosti způsobené tím, že tou dobou nebyly ještě dostupné spolehlivé experimentální výsledky. Mezitím však W. Lamb a E. Rutherford provedli výborný experiment, a nakonec jsme dostali výsledek, který nádherně souhlasil s jejich měřeními. Sdělil jsem to Julianu Schwingerovi a Dicku Feynmanovi. Schwinger byl na Harwardu a Feynman tehdy působil na Cornellu. Zopakovali naše výpočty, ale jejich výsledky s našimi nesouhlasily, přičemž oba získali stejnou hodnotu. „Nu což, je velká pravděpodobnost, že mají pravdu oni a ne my,“ řekl jsem tehdy Frenchovi a odložili jsme publikování výsledků, abychom našli chybu. Hledali jsme ji půl roku. V té době však W. Lamb a N. Kroll uveřejnili svůj výpočet – a jejich výsledek víceméně souhlasil s naším. Feynman mi zavolal z Ithaky: „Pravdu máte vy, to já jsem se zmýlil.“ Kdybychom tehdy bývali měli dostatek odvahy naše výsledky zveřejnit, mohl být náš článek první, který objasnil Lambovy a Ruthefordovy experimenty. Jaké ponaučení tato historie nabízí? Je třeba věřit tomu, co děláte. Nobelovu cenu můžete získat nejen za to, co děláte, ale rovněž za vytrvalost. Naše chyba a naše slabost tkvěla v tom, že jsme si dostatečně nevěřili. Metody, které jsme použili, byly později samozřejmě zdokonaleny a vylepšeny. Dnes může obdobnou práci vykonat kterýkoliv student za několik hodin. Vděčíme za to pokroku, a neřekl bych, že jen ve vědě, nýbrž v její matematické technice. A to není jedno a totéž.

Model neprůzračné krystalické koule a struktura jádra

Za nějaký čas jsem se začal více zajímat o jadernou fyziku. Se svými spolupracovníky, a hlavně s Hermanem Feshbachem, jsme vyvinuli několik nových metod zkoumání a objasňování jaderných rezonancí a rozptylových efektů. V jednom z našich modelů bylo jádro považováno za neprůzračnou, částečně pohlcující kouli. Tímto modelem, který bývá nazýván model neprůzračné krystalické koule, se dají dost dobře popsat mnohé vlastnosti jader. Spolu s J. Blattem jsme napsali objemnou knihu Teoretická jaderná fyzika a v průběhu psaní jsme se opět mnoho naučili. Přišel jsem na to, že snaha objasnit a jasněji vyložit libovolný fyzikální problém vede nejen k lepšímu pochopení daného problému, ale i k novým myšlenkám, výkladům, a nakonec k objevům. Je to další důkaz významu těsného propojení pedagogické a výzkumné práce. Osobně mě nikdy nenapadlo, že bych se měl zabývat jedním bez druhého. Mezi problémy, na nichž tehdy pracovala velká většina mých spolupracovníků včetně mne, patřil udivující soulad slupkového modelu jádra a experimentální reality. Na základě tohoto modelu se zdálo, že se jaderné konstituenty navzdory silnému vzájemnému působení mezi izolovanými nukleony pohybují v jádru skoro jako volné částice. Pokoušel jsem se tuto vlastnost vysvětlit jako důsledek Pauliho principu, který nedovoluje rozptyl nukleonu na sousedních nukleonech, pokud jsou všechny stavy, do nichž by se nukleon mohl rozptýlit, zaplněny ostatními nukleony. Spolu s F. Friedmanem jsme dokázali, jak efekty silného vzájemného působení (jako je úplné splynutí dopadajícího nukleonu s jádrem terče) a efekty kvazivolného pohybu částic (tj. takového, který se vyšetřuje ve slupkovém modelu a v takzvaných přímých reakcích) mohou existovat současně, a to bez logických protikladů.

Fyzika vysokých energií

Po mnohaletém výzkumu v oblasti struktury jádra se mi tato oblast začala jevit jako zbytečně složitá. Nemám rád složité věci, a tak jsem se rozhodl zabývat se fyzikou vysokých energií. V určitých směrech jsem měl vždy k fyzice vysokých energií vstřícný vztah. Chci připomenout, že k rozlišení mezi fyzikou struktury jádra a fyzikou vysokých energií se dospělo asi před patnácti až dvaceti lety; do té doby byla totiž samotná jaderná fyzika fyzikou vysokých energií. Skutečnou příčinou mého odklonu k jiné fyzice však bylo to, že po napsání velké knihy jsem se stal „expertem“ v oboru jaderné fyziky. W. Pauli jednou řekl: „Nechtějte se stát expertem, a to ze dvou důvodů: zaprvé se potom stanete virtuozem formalizmu a zapomenete na skutečnou přírodu, zadruhé tím riskujete, že už neuděláte nic skutečně zajímavého.“

Po druhé světové válce jsem byl stále víc a více angažován v úsilí sjednávat kontakty a zařizovat spolupráci mezi vědci z různých zemí. Byl jsem přesvědčen o potřebě existence mezinárodního vědeckého společenství. Vědci jsou schopni velice rychle chápat jeden druhého a své společné zájmy i cíle, zaměřené na hlubší proniknutí do tajů přírody. Obecné zájmy a snahy namířené k hlubšímu pronikání do tajů přírody jsou zárukou existence pevných spojení, která umožňují snadno překlenout geografické hranice bez ohledu na politické a sociální rozdíly. Vědecké hranice a vědecké problémy jsou skutečně mezinárodní nebo „nadnárodní“ a do značné míry nejsou závislé na politických ani ekonomických systémech. Věda proto může vytvářet mosty mezi různými částmi naší rozdělené planety. V tomto ohledu však v poválečných letech vyvstalo mnoho problémů: byly přerušeny kontakty, vytvořilo se neuvěřitelně mnoho ideologických a byrokratických překážek, které ztěžovaly volnou výměnu myšlenek a vzájemnou spolupráci. Velmi jsem se snažil – přesto ne vždy úspěšně – dát dohromady vědce z různých zemí a překonat tak bariéry znesnadňující dialog mezi Východem a Západem.

Pět let v CERN

Škody způsobené druhou světovou válkou byly znát i na evropské vědě. Vědecká komunita se rozpadla, mnohá zařízení přišla vniveč nebo zastarala. Bylo nutné podniknout něco pro obnovení podmínek, za nichž by se mohl ohromný evropský intelektuální potenciál podílet na rozvoji moderní vědy tak úspěšně, jak tomu bylo dříve. Snažil jsem se tomu pomáhat. Často jsem jezdil do Evropy přednášet, zúčastňoval jsem se diskusí s přáteli o fyzikálních problémech. V roce 1950 jsem byl prvním hostujícím zahraničním profesorem na Sorbonně. V roce 1960 mě po tragické smrti J. Bakkera, ředitele CERN, požádali, abych se stal jeho nástupcem. V té době již byly nově vybudované urychlovače připraveny pro výzkum, a tak se mi naskytla možnost udělat něco opravdu podstatného.

Souhlasil jsem a na období pěti let jsem se ocitl na postu generálního ředitele CERN. Tato léta považují za nejpozoruhodnější dobu svého života. Když jsem se ohlížel zpět, pak těchto pět let vlastně vydalo za dvacet let běžného života. Bylo to tím, že tehdy bylo zapotřebí mnoho udělat a mnohému se naučit. Velmi vzrušující a povzbuzující byla snaha navodit mezi všemi zúčastněnými atmosféru intenzivních společných výzkumů a diskusí. Bylo zajímavé pracovat s lidmi různých národností i profesí – s fyziky, inženýry, mechaniky, dělníky a také politiky. To, že jsem se mohl zúčastnit plánování budoucích evropských zařízení, jako byl urychlovač vstřícných svazků (ISR) nebo urychlovač na 300 GeV, jsem považoval za velké dobrodružství. Proč jsem po pěti letech z tohoto místa odešel? Nevím, proč jsem to udělal, ale nelituji toho. Rozhodně bylo zajímavé vrátit se do Ameriky s novou zkušeností získanou v CERN.

Zpátky do Ameriky

Zde nástin mého profesního životopisu končí. Nechci však, aby ve čtenáři vyvolal dojem, že dříve byla fyzika zajímavější, více vzrušující. První roky budování kvantové mechaniky jsou neopakovatelné v tom smyslu, že se za tu dobu dalo mnoho pochopit a objasnit. Tempo nových, překvapivých objevů a idejí se však nezpomalilo. Vezměme jen posledních patnáct let ve fyzice elementárních částic: objev antiprotonu r. 1955, objev nezachování parity r. 1956, objev baryonových a mezonových rezonancí r. 1960, objev hadronových symetrií a předpověď mezonu Omega počátkem r. 1960, objev druhého neutrina r. 1962, objev narušení symetrie hmota-antihmota r. 1964, objev specifických bodových objektů uvnitř nukleonu r. 1968. Těchto patnáct let se postaralo o stejně prudké a vzrušující tempo rozvoje jako předchozí doba. Je zřejmé, že teoretické objasňování těchto objevů se poněkud zpomalilo, ale zřejmě jsme očekávali příliš mnoho. Máme sklon zapomínat, jak mnoho experimentálního materiálu se nashromáždilo před vytvořením kvantové mechaniky.

Když nyní o všech těchto věcech víme, zapomínáme, jaká těžká a strastiplná byla cesta, která vedla k jejich poznání; seznamujeme se jen s jejich nejlogičtějším a nejjednodušším výkladem. Fyzika nepřestala být méně přitažlivá; život mladých fyziků je stejně zajímavý a okouzlující, jako byl a je můj život. Věřím, že studium přírody jim poskytne tolik sil a energie, kolik jich před časem při hledání smyslu a cílů v tomto těžkém a nevyzpytatelném období v lidských dějin dalo mně.

/Přednášku přeložil Miroslav Pardy./