Počátky studia vakua

V uplynulých desetiletích jsme si připomínali řadu „čtyřstovkových výročí“ významných vědců: r. 1564 se narodil Galileo Galilei, r. 1571 Jan Kepler, r. 1592 Jan Amos Komenský, r. 1595 Jan Marek Marci, r. 1596 René Descartes. Loni 20. listopadu do řad čtyřsetletých jubilantů přibyl Otto von Guericke.

Přerod stavitele v diplomata

Když se tento muž r. 1624 vrátil po studiích do rodného Magdeburku, pověřilo ho vedení města stavebními pracemi, zejména výstavbou městských opevnění. V té době již střední Evropou otřásala třicetiletá válka. Převážně protestantský Magdeburk byl ve velmi svízelné situaci. Jako svobodné říšské město, těšící se řadě historických výsad a privilegií (některé z nich pocházely ještě z dob císaře Otty I.), byl trnem v oku katolicky orientovanému císaři Ferdinandu II., jehož vojska v čele s Valdštejnem město několikrát obléhala. Do politicko-vojenského konfliktu se později zamíchala i švédská strana. Tragickým vyvrcholením byla bitva r. 1631, v níž bylo císařské vojsko (teď už bez Valdštejna) na hlavu poraženo Švédy. Magdeburk byl vypálen a zcela zpustošen.

Je to s podivem, ale i v těchto nepříznivých podmínkách se Guerickovi dařilo. Několikrát byl zvolen do funkce městského radního, později se stal dokonce jedním ze čtyř starostů. Postupoval i ve své stavební kariéře, po zničení města se plně zapojil do jeho obnovy. Tu řídila překvapivě sama švédská armáda, a Guericke se dokonce na nějaký čas stal jejím důstojníkem. Němečtí autoři hodnotí tuto skutečnost jako projev Guerickova nesmírného patriotizmu vůči rodnému městu, je to však příliš složité, než aby nebyly možné i jiné interpretace. Řadu let pracoval Guericke pro město, ať už jako stavitel nebo (stále častěji) jako politik, vyjednavač, diplomat pověřovaný nejrůznějšími úkoly. Asi nejvýznamnější jeho misí byla účast na kongresu, na němž byla v říjnu 1648 vestfálským mírem ukončena třicetiletá válka. V této souvislosti se často cituje Guerickovo životní heslo: Libertas, leges et pax sunt optima dona (Svoboda, zákony a mír jsou nejlepšími dary).

Putování v císařových stopách

V následujících letech svěřil Magdeburk Guerickovi delikátní úkol – měl s císařem, tehdy už s Ferdinandem III., dojednat, aby městu byla vrácena a znovu potvrzena historická privilegia, o něž bylo připraveno. A tak jezdil Guericke se svou suitou po Evropě a císaře doslova pronásledoval. Nejprve jel do Vídně, zde však nebyl přijat. V r. 1652 přijel za císařem do Prahy (máme to doloženo několika listy, které odtud Guericke napsal), kam císař přijel na návštěvu a představil zde svou druhou manželku Marii Eleonoru Mantovskou. Ani tady však neměl Guericke štěstí, audience se opět nedočkal. Nás by pochopitelně zajímalo, zda tu navázal nějaké kontakty s pražským prostředím, ale po nich není bohužel ani stopy. Další pokus jej zavedl do Řezna, kde se r. 1653 sešel říšský sněm. Tato cesta představovala pro 51letého Guericka význačný přelom.

Říšský sněm, který tentokráte trval více než rok (předcházela mu volba mladičkého Ferdinanda IV. za římského krále) býval nejen setkáním menšího počtu účastníků, politků a diplomatů, ale doslova divadlem, k němuž se sjížděly tisíce dalších osob, především řemeslníků a obchodníků všeho druhu. Guericka, který měl při čekání na audienci spoustu volného času, zaujali především knihkupci. Koupil si zde řadu vědeckých knih, Keplera, Descarta a další, setkával se s vědci a diskutoval s nimi o nejrůznějších problémech. V jeho korespondenci čteme, že ho především zaujala „nová věda“, fyzika, v jejímž čele stál experiment. A to Guerickovi jako praktickému inženýrovi neobyčejně vyhovovalo.

Existuje vzduchoprázdno, nebo ne?

Jednou z aktuálních otázek tehdejší vědy byl problém, zda existuje vzduchoprázdno. Pro tradiční aristotelské myslitele nebylo co řešit. Aristotelovým heslem bylo horror vacui – příroda se vakua děsí, a jakmile někde vakuum vznikne, okamžitě ho zaplní. Galileovy pokusy s čerpáním vody do výšky a snahy jeho žáků V. Vivianiho a E. Torricelliho zkonstruovat barometr však Guerickovi naznačily, že otázka bude asi složitější. Jednou z osobností, která se zapojila do celoevropské diskuse o tomto problému, byl kapucínský mnich Valerián Magni (1586–1661).

V. Magni byl složitou osobností. Působil protireformačně, ale orientován byl výrazně protijezuitsky. I po odsouzení Galilea zůstal otevřeně jeho stoupencem, stýkal se mimo jiné s J. A. Komenským. Ač Ital, vyrostl a mnohokrát pobýval v Praze (kde vstoupil do řádu), v různých službách však působil po celé střední Evropě. V r. 1647, kdy dlel na královském dvoře ve Varšavě, předvedl (inspirován svými italskými vrstevníky) jednoduchý pokus s trubicí naplněnou rtutí a do rtuti ponořenou, jímž demonstroval existenci vakua v horní části trubice. O vakuu pak téhož roku ve Varšavě vydal drobný spisek, vůbec první svého druhu.

S Magnim se Guericke setkal r. 1653 v Řezně a brzy se s ním spřátelil. Magni mu věnoval svůj varšavský spisek. Není pochyb, že Magni, ač ve vědeckých otázkách spíše laik, se v otázkách vakua dobře orientoval. Nejenže napsal zmíněný spisek, ale vedl na toto téma učené disputace a spory s aristoteliky Jagellonské univerzity v Krakově. Méně toho víme o úrovni Guerickových vědomostí – byť je jasné, že Guericke byl ve zmíněných otázkách rovněž víceméně samoukem. Někteří autoři se domnívají, že počátky Guerickova zájmu o vakuum spadají do r. 1649, kdy za svého pobytu v Norimberku navštívil výrobnu hasičských stříkaček a zajímal se o to, jak takový aparát vlastně funguje. V tehdejším pojetí válčení, kdy vypalování měst a nepřátelských osad bylo na denním pořádku, byla stříkačka důležitou součástí výzbroje každé armády.

S vývěvou u císařského dvora

Z kontextu se můžeme dohadovat, že Guericke byl v debatách o vakuu Magnimu důstojným partnerem. Při nich mu také asi naznačil, že má doma, v rodném Magdeburku, aparáty vlastní konstrukce – šlo zřejmě o první vývěvu. Magni se rovněž dozvěděl, že Guerickovým vlastním posláním v Řezně je setkat se a jednat s císařem, a tu – jako zkušený intrikán – vymyslel drobnou lest: Guericke předvede své pokusy císařskému dvoru, vzbudí tím jeho zájem, snáze si sjedná audienci a pro následující jednání si vytvoří daleko lepší podmínky, než by měl jako řadový emisar. Guericka plán zaujal, a tak v prosinci 1653 opustil Řezno a „zaskočil“ si do Magdeburku pro své experimentální zařízení. Veřejná demonstrace Guerickových pokusů se před říšským sněmem konala opakovaně – v květnu a červnu 1654.

Soudobé zprávy mluví o vysoké vyzrálosti a kvalitě pokusů, které dávají tušit, že byly předváděny častěji. Zimu a jaro 1654 zřejmě věnovali Guericke s Magnim přípravě a pilování experimentů i potřebného zařízení.

Úspěch pokusů a neúspěch politické mise

Nemáme bohužel přímé zprávy, co bylo vlastně součástí Guerickova vystoupení, ale podle pozdější korespondence předváděl čtyři pokusy. V prvním z nich demonstroval, že ovzduší, které nás obklopuje, má svou tíži, a ukazoval, jak vysoko může vystoupit sloupec vody ve vyčerpané trubici. Druhý experiment dokazoval, že vakuum při nedostatečně pevných stěnách recipientu způsobí implozi, vyčerpaná nádoba se zhroutí dovnitř a rozpadne se na tisíce kousků. Ve třetím experimentu ukázal, že nádoba plná vzduchu má jinou váhu než nádoba, z níž byl vzduch vyčerpán, předváděl tedy vážení vzduchu (obrázek). Čtvrtý experiment měl doložit, že lze pomocí vakua vysvětlit vznik větru a pohybu mraků. Největšímu ohlasu ze všech pokusů se prý navzdory nebezpečnosti těšilo předvádění imploze.

Úspěch Guerickovy experimentální demonstrace na sněmu byl jednoznačný, daleko méně úspěšná však byla jeho jednání diplomatická. Jeden z Guerickových životopisců hovoří nejen o totálním, katastrofálním neúspěchu celé mise, ale také o zlovolném pošlapání městských práv, o jejichž uznání se bojovalo po mnoho století. Němečtí, a zejména magdeburští autoři se kvůli tomu dodnes na Ferdinanda III. zlobí. Posuďte ale, zda plným právem. Císař požadoval, aby Magdeburští svoje privilegia, vystavená císařem Ottou I. někdy v 10. století, předložili ad oculos. To ale nebylo možné, protože všechna shořela při obrovském požáru města v r. 1631.

Zdokonalování vývěvy

Nezdar dosud úspěšného vyjednavače a diplomata měl však pro dějiny fyziky příznivé důsledky. Dvaapadesátiletý a ne již zcela zdravý Guericke do značné míry rezignoval na veřejné funkce, zavřel se ve své pracovně a začal se plně věnovat studiu vakua. Z té doby pochází korespondence týkající se jeho předchozího i nového badatelského úsilí. Jeho hlavním partnerem se stal učený jezuita Caspar Schott, profesor filozofie a matematiky na univerzitě ve Würzburku, který velkou část této korespondence zařadil do svých mnohasetstránkových spisů, hlavně do spisu „Technica curiosa“ z r. 1657. Mohlo by se zdát, že jde o podružný detail, ve skutečnosti je to však důležitý dokument. Následujících 16–17 let Guericke se svou skupinou řemeslníků, prý velice obratných, usilovně pracoval na zdokonalování vakuové techniky a prakticky nic nepublikoval. Jeho hlavní – a v podstatě jediný – vědecký spis „Experimenta nova (ut vocantur) Magdeburgica de vacuo spatio“ vyšel tiskem o mnoho let později, teprve v roce 1672.

Zmíněná korespondence nám tedy umožňuje sledovat složitou cestu, jíž se ubíraly počátky vakuové techniky. V prvé řadě šlo o konstrukci vývěvy a její postupné zdokonalování. Specialisté shledávají u Guericka pět základních typů konstrukce. Kardinálním problémem byla těsnost nádoby, z níž měl být vzduch vyčerpán. Guericke začal s dubovým sudem, ten ale propouštěl vodu i vzduch; později přešel na recipienty měděné, které však při nedokonalé síle i tvaru praskaly (viz obrázek); dobrý materiál nakonec našel ve skle. Těsnost byla však samozřejmě velkým problémem nejen u recipientu, ale i v jakémkoli jiném místě vývěvy. Složitou otázkou byl „mrtvý prostor“, který bylo nutno zmenšit. Mnoho pozornosti také Guericke věnoval umístění a fungování ventilů.

Polokoule, které od sebe nelze odtrhnout

Vedle zdokonalování vývěvy se Guericke věnoval i přípravě vakuových experimentů. Zmínili jsme se již o implozi. Guericke rád předváděl svoji „vzdušnou pušku“, kdy podtlak vymršťoval z válce střelu. Řada pokusů se opírala o zvedání závaží pomocí vyčerpaného válce a někteří autoři konstatují, že v těchto pokusech bylo vůbec poprvé předvedeno, jak tlak vzduchu koná mechanickou práci. Guericke vlastně stál na prvopočátku atmosférického parního stroje, k jehož uskutečnění bylo ovšem nutno vykonat ještě velmi mnoho. Nejpopulárnějším Guerickovým experimentem se staly magdeburské polokoule, které po vyčerpání vzduchu nebylo možné od sebe odtrhnout (viz obrázek). Tento pokus demonstroval Guericke poprvé r. 1657 na dvoře svého domu. Obě polokoule jsou k sobě tlakem vzduchu přitlačovány tak, že je od sebe nemohli odtrnout ani koně. Jejich počet Guericke postupně zvyšoval, nakonec jich nestačilo ani šestnáct. Právě tento pokus si (mnohem později) zvolil osvícený profesor medicíny A. Scrinci a r. 1754 jej předvedl v Praze před břevnovským klášterem císařskému páru Marie Terezie a Františka Lotrinského. Jeho cílem bylo demostrovat obrovskou sílu, která je skryta ve studiu fyziky, jež bylo u nás do té doby velmi zanedbáváno.¹⁾

Skutečnost, že Guericke své objevy dlouhá léta nepublikoval, měla ještě jeden důsledek. První závažný spis o vakuu pochází z pera anglického vědce Roberta Boyla (1627–1691). Jeho spis „New experiments ... touching the spring of air“ vyšel v Oxfordu r. 1660, tedy 12 let před spisem Guerickovým. Autor v něm popsal svůj typ vývěvy, který vyvinul spolu s R. Hookem (trochu jednodušší, než byla vývěva Guerickova), potvrdil platnost všech Guerickových experimentů a přidal k nim i řadu nových. Překvapivé bylo např. Boylovo zjištění, že teplá voda je uvedena do varu, vyčerpá-li se v jejím okolí vzduch. Na rozdíl od jiných případů, kdy se autoři přeli o prioritu objevu (ze 17. století je jich známa řada), k žádné kolizi nedošlo. Boyle ve svém spise korektně uvedl, že se inspiroval Guerickovými pokusy popsanými v díle Schottově.

Odkaz vědce-amatéra

Pro dokreslení Guerickova vědeckého profilu ještě dodejme, že má své místo i v počátcích dějin elektřiny. K r. 1663 se datuje jeho přírodně-filozofická snaha názorně předvést působení zemských sil. Vytvořil si k tomu sírovou kouli otáčivou na pevné ose, která měla znázorňovat Zemi. Při manipulaci s ní Guericke víceméně náhodou zjistil, že koule přitahuje poletující prachová peříčka, a ta jsou po dotyku odpuzována. Všiml si také, že všechny jevy zintenzivní, jestliže je koule předtím třena. Náhoda ho tedy přivedla k objevu vedení elektrostatické elektřiny. V jeho době neexistovala jasná představa o gravitačních silách, a tak mohl Guericke spekulativně uzavřít, že elektřina je právě ta síla, kterou Slunce drží své planety a planety zas své měsíce. Nebyl sám, kdo takto uvažoval – nedlouho předtím přisoudil Kepler obdobnou roli magnetizmu.

Přestože se Otto von Guericke začal zabývat fyzikou až v poměrně pozdním věku a byl do značné míry autodidaktem, stal se jednou z nejvýznačnějších osobností německé vědy 17. století. Jeho dílo došlo ohlasu i v zahraničí (možná většího než v tehdejších německých státečcích). Guerickova zkoumání přispěla výrazně k tomu, že se ve vědě otevřela nová kapitola – vakuová fyzika – která nejenže dodnes existuje a rozvíjí se, ale má před sebou další, nedohlédnutelné perspektivy.