Max Born - teoretik a filozof kvantové mechaniky

S obdobím rozkvětu atomové fyziky ve dvacátých letech minulého století na proslulé univerzitě v německém dolnosaském městě Göttingenu (Georg-August-Universität) je významně spjato jméno německo-britského matematika a fyzika židovského původu Maxe Borna, od jehož úmrtí uplynulo počátkem letošního roku 50 let. Born byl jednou z klíčových postav moderní fyziky, a to  jako její spolutvůrce i jako organizátor vědy a vysokoškolský pedagog. Podílel se zde nejen na vzniku evropského centra „kvantové revoluce“, představujícího přední světové středisko teoretické fyziky a matematiky, ale především na výchově desítek budoucích významných vědců.

Životopis

Vědecky a umělecky nadaný Max Born se narodil v intelektuální rodině s vědeckou a uměleckou tradicí 11. prosince 1882, a to v polském městě Wrocław (Vratislav) patřícím tehdy pod názvem Breslau k slezské části Pruska. Jeho otec Gustav Jacob Born byl profesorem anatomie a embryologie na lékařské fakultě tamní univerzity a patřil k zakladatelům směru známého v biologii pod jménem evoluční mechanika. Dědeček Marcus Born byl první židovský okresní lékař v Prusku. Matka Margarethe Kaufmannová pocházela z rodiny majitele textilních továren, ale zemřela, když byly Maxovi čtyři roky. Jeho nevlastní bratr Wolfgang (1893-1949) z otcova druhého manželství s Berthou Lipsteinovou, byl malíř, publicista a historik umění (společně s matkou emigroval do USA a oba zde působili na City College v New Yorku). K mnoha významným rodinným přátelům patřil již v Breslau například dermatolog a bakteriolog Albert Neisser nebo chemik, lékař a zakladatel chemoterapie Paul Ehrlich, jeden z prvních nositelů Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu (1908). V roce 1913 se Max Born oženil s dcerou göttingenského profesora práva Hedwikou ( „Hedi“) Ehrenbergovou (1891-1972), se kterou měl tři děti (a později pět slavných vnoučat): dceru Irene (jejími dětmi jsou britská herečka a zpěvačka Olivia Newton-John, lékař Hugh Newton-John, herečka Rona Newton-John), druhou dceru Gritli a syna Gustava, který byl známým farmakologem (jeho dcera Georgina „Georie“ Born je britská antropoložka, vysokoškolská profesorka na Cambridgské a Oxfordské univerzitě a aktivní koncertní violoncellistka a basová kytaristka v několika rockových skupinách, syn Max Born je herec).

Po skončení války se výborný klavírista Max Born setkal v Berlíně s tehdy již slavným vědcem a náruživým houslistou Albertem Einsteinem. Pro oba vědce se stala hudba a společné občasné muzicírování přátelským poutem, které je navzájem spojovalo - přes řadu rozdílných názorů na některé aktuální odborné problémy - až do Einsteinovy smrti v roce 1955.

Cesta za vzděláním a první vědecké úspěchy

Mladý nadaný Max po maturitě na König-Wilhelm gymnáziu (1901), kde však nijak nevynikal a více jej zajímaly humanitní předměty, vystudoval nejdříve právní vědy a filozofii, teprve poté matematiku a fyziku na univerzitě ve svém rodišti (1901-1904). Protože tehdejší německý vysokoškolský systém umožňoval studentům snadno přestupovat z jedné univerzity na druhou, pokračoval ve vzdělávání v Heidelbergu (1902), Curychu (1903) a nakonec v Göttingenu (1904-1906). Zde mu byla v roce 1906 udělena cena Filozofické fakulty za práci „O stabilitě elastických drátů a pásek v rovině a prostoru za různých okrajových podmínek“ a o rok později na jejím základě školu absolvoval Magna Cum Laude (s velkou pochvalou) a získal titul doktora filozofie. Nejvíce ho ovlivnily přednášky jeho učitelů - světově proslulých matematiků Davida Hilberta, Hermanna Minkovského (než on sám poznal Bornovy výjimečné schopnosti, cestu mu „prošlapala“ nevlastní matka Bertha, která znala profesora od mládí z tanečních kursů v Köninsbergu, dokonce jej zvala do jejich domácnosti na nedělní obědy), Carla Rungeho a Felixe Kleina, astronoma Karla Schwarzschilda a fyzika Woldemara Voigta. Zde se také připojil ke skupině mladých nadaných německých studentů židovského původu (Ernst Hellinger, Richard Courant, Otto Toeplitz), se kterými později spolupracoval a sdílel společné životní osudy po roce 1933. Na radu svého otce s definitivní volbou vědecké specializace nespěchal. Proto dále navštěvoval přednášky z ostatních přírodních věd, filozofie a historie umění včetně porovnávání možností společenského, kulturního a sportovního života v různých evropských univerzitních městech. V roce 1907 musel nastoupit vojenskou službu v Berlíně, ale po několika měsících byl pro astmatické potíže demobilizován. V roce 1909 předložil na göttingenské univerzitě habilitační práci (Über das Thomson´sche Atommodel) a jako soukromý docent zde začal přednášet teoretickou fyziku a pracovat na řešení otázek dynamiky krystalové mřížky v duchu Einsteinovy teorie kvant. Společně s americkým fyzikem a technikem Theodorem von Kármánem vypracoval teorii závislosti tepelné kapacity krystalů na teplotě. Svoje poznatky o vztahu struktury a vlastností krystalických látek shrnul v monografii Dynamik der Kristallgitter (1915).

Neplánovaně ušetřený čas mimo vojenskou službu využil k půlročnímu pobytu v Cavendishově laboratoři na Univerzitě v Cambridgi. Pracoval zde jako stážista v laboratoři anglického experimentálního fyzika a objevitele elektronu Sira Josepha John Thomsona (1856-1940) a irského fyzika a matematika Sira Josepha Larmora, které sice obdivoval, ale podle vlastních slov „mnohem cennějším bylo pro něho poznání způsobů zdejšího navazování kontaktů mezi lidmi, života mezi studenty i dobrosrdečnosti a pohostinství Anglie“. Navíc mu jeho oblíbený Lusticiánský profesor fyziky Larmor - tehdy jeden z nejprestižnějších akademiků na světě - doporučil, aby po výbuchu jím sestavené drahé aparatury a vyplavení celé laboratoře, dělal kariéru v jiné oblasti, nejlépe teoretické, včetně mínění, že se nikdy dobrým fyzikem nestane. Snad také proto se po návratu do Německa věnoval v rodném Breslau intenzivnímu studiu teoretických prací Maxe Plancka (1858-1947) a Alberta Einsteina (1879-1955). Během svého krátkého letního pobytu ve Spojených státech u profesora Alberta Michelsona (1892-1931) na Chicagské univerzitě pracoval experimentálně na jeho jedinečném mřížkovém spektrografu a ve svých přednáškách již prosazoval myšlenky teorie relativity. V roce 1914 Max Planck nabídl Bornovi místo mimořádného profesora teoretické fyziky na berlínské univerzitě, ale záhy na jaře druhého roku Velké války byl povolán do armádní vědecké kanceláře, kde se zabýval radiokomunikacemi a akustickým průzkumem pro detekci a zaměřování palby. Výsledkem náhodného setkání (1918) s chemikem Fritzem Haberem („otcem“ novodobé chemické války) v Berlíně byl objev metody pro zjišťování mřížkové energie iontových sloučenin, dnes známé jako Bornův-Haberův cyklus (zabývající se vznikem iontových sloučenin reakcí kovů s halogeny - např. fluoridu lithného nebo bromidu sodného).

Vznik „klukovské“ fyziky

Mezi ty, kteří získali pod jeho vedením akademický titul Ph.D. nebo byli jeho asistenty a spolupracovníky (mnozí se stali nositeli Nobelových cen za fyziku a chemii), patřili například James Frank (1882), Wolfgang Pauli (1900), Pascual Jordan (1902), Enrico Fermi (1901), Paul Dirac (1902), Robert Oppenheimer (1904), Edward Teller (1908), Werner Heisenberg (1901), Eugene Wigner (1902), Lothar Nordheim (1899), Egil Hylleraas (1898), Friedrich Hund (1896), Siefried Flüge (1912), Max Delbruck (1906), Georg Gamov (1904), Viktor Wieisskopf (1908), Joseph Mayer (1904), Maria Goeppert-Mayer (1906) a další učenci různých národností. Především to však byla v podstatě celá generace příslušníků tzv. „Knabenphysik“ (klukovské fyziky) - původně výsměšného pojmu narážejícího na to, že protagonistům převratu ve fyzice po první světové válce bylo jen něco málo přes dvacet let (viz data jejich narození). Všichni se však neobvykle rychle stali součástí světové špičky ve fyzice a matematice, proto pochopitelně vedle nadšení pro jejich mládí vyvolávali kritiku a vzbuzovali nedůvěru. Za normálních okolností by jim asi nikdo nenaslouchal. Měli štěstí, že generaci starší a již ve vědeckém světě uznávanou tehdy tvořily zcela výjimečné vědecké a lidské osobnosti: Max Planck, Ernest Rutherford, Albert Einstein, Niels Bohr a Max Born. Zvláště posledně jmenovaný měl pro tyto „kluky“ pochopení a svou autoritou jim vytvářel nezbytné zázemí. S řadou z nich později spolupracoval na výzkumu v různých fyzikálních oborech a společně publikoval; nebyl samotářským typem vědce a rád tvořil v týmu, což tehdy ještě nebylo zcela samozřejmé.

Vědec a pedagog

V prvním poválečném roce 1919 se Born stal řádným profesorem na Přírodovědecké fakultě univerzity ve Frankfurtu nad Mohanem, kde ve stejné době působili významní fyzikové Otto Stern a Walther Gerlach. O dva roky později se stal profesorem a ředitelem Ústavu teoretické fyziky na göttingenské univerzitě. Zpočátku se zabýval teoretickými problémy fyziky, zejména Einsteinovou teorií relativity, Planckovou kvantovou fyzikou a vlnovou teorií francouzského fyzika de Broglieho. Kolem roku 1925 jej oblíbení asistenti Werner Heisenberg a Pascual Jordan „přetáhli“ na stranu nově vznikající moderní fyziky - kvantové mechaniky, do podivné teorie subatomárního světa, ve které se naše běžné chápání sil a pohybů ukazuje jako mylné. Ačkoliv je to zřejmě nejdůležitější teorie fyziky, zůstává zahalena tajemstvím - nikdo přesně neví, jak a proč funguje, nedává jednoduché odpovědi - například říká, že nějaká částice (atomy a další menší částice) může existovat v celé řadě různých stavů zároveň. Čím usilovněji se je snažíme lokalizovat, tím více ovlivňujeme rychlost (Heisenberův princip neurčitosti). Později s přispěním dalšího ze zakladatelů kvantové mechaniky, dánského fyzika a filozofa Nielse Bohra (1885-1962), společně rozpracovali maticovou mechaniku známou jako kodaňská interpretace. Přes potíže, které máme s jejím pochopení, vděčíme jí téměř za vše v moderní technice. Popisuje, jak spolu interagují atomy při tvorbě molekul, jak fungují polovodiče a jak pracují lasery. Bez kvantové mechaniky (tento název použil poprvé právě Born) bychom neměli počítače, přehrávače MP3, mobilní telefony nebo životně důležité lékařské přístroje (počítačovou tomografii - a mnoho dalšího). K dalším vědeckým přínosům patří zavedení (společně s Norbertem Wienerem) operátorů fyzikálních veličin do kvantové mechaniky a jejich aplikování na nejrůznější dosud nevyřešené problémy. S Robertem Oppenheimerem položil základy teorie výpočtu deformací elektronových obalů atomů. S Maxem Lauem a Kun Huangem vypracoval termochemickou teorii vibrací krystalové mřížky. Na základě vlnové mechaniky odvodil v roce 1926 Rutherfordův vzorec rozptylu (pravděpodobnost odchýlení částice je nepřímo úměrná čtvrté mocnině její rychlosti a čtvrté mocnině sinu úhlu odchýlení) a použil jej k objasnění rozptylu částic alfa. Představit si vlnu nebo dokonce vlnovou funkci jako popis částic je obtížné. V roce 1926 Born vysvětlil, jak ji chápat; druhá mocnina její absolutní hodnoty udává hustotu pravděpodobnosti toho, že částici najdeme v daném bodě o určitých souřadnicích.

Jiné fyzikální obory

Třebaže je Bornovo jméno spojováno zpravidla s kvantovou mechanikou, působil i v jiných fyzikálních oborech, např. v optice. Jedním z jeho nejoblíbenějších žáků byl česko-americký profesor optické fyziky Emil Wolf (1922-2018), se kterým společně napsal v letech 1951-1954 „Základy optiky“, jednu ze standardních učebnic optiky běžně známou jako „Born a Wolf“. Časopis Vesmír v roce 2002 spočítal, že Wolf je třetím nejcitovanějším českým fyzikem. „Většina německých vědců s nacisty kolaborovala; i Heisenberg pro ty darebáky ohnivě pracoval.“ (Max Born, Edinburgh 1944). V Göttingenu Born působil do jara 1933. Po uchopení moci nacionálními socialisty a vlně antisemitismu musel pro svůj židovský původ nejdříve opustit univerzitu a poté emigrovat z Hitlerovy Třetí říše. Stejný osud postihl desítky dalších fyziků, chemiků a matematiků přestavujících značnou část elity německé i evropské vědecké obce (Einstein, Frank, Goeppert-Mayerová, Bohr, Bethe, Fuks, Pauli, Teller, Hevesy, Franck, von Neumann, Nordheim, Stern, Weyl, Rabi, Schrödinger, Herzberg, Weisskopf, Wigner aj.) Nicméně řada vynikajících vědců z nejrůznějších důvodů hitlerovské Německo neopustila; někteří se ve válečných letech aktivně zapojili do projektu jaderných zbraní na půdě tzv. Uranového klubu (Uranvereinu), který naštěstí slovy historiků vědy „zamrzl na laboratorní úrovni“. Born odešel nejprve do Itálie a posléze přijal pozvání působit na St. John College v Cambridgi (roku 1939 se stal členem britské Královské společnosti a ve stejném roce, den před začátkem druhé světové války, získal britské občanství), kde během příštích třech let nejen přednášel, ale spolu s polským fyzikem Leopoldem Infeldem (1898-1968) řešil některé speciální otázky Maxwellovy teorie elektromagnetického pole. Tehdy také absolvoval půlroční pracovní cestu k vedoucímu katedry fyziky na univerzitě v Kalkatě Ch. V. Ramanovi a do Indického fyzikálního ústavu v Bangalóre. V roce 1936 přijal nabídku na místo profesora teoretické fyziky na univerzitě ve skotském Edinburghu, kde působil dalších 17 let. Se svými spolupracovníky a žáky zde založil přední světovou školu kontinentálního stylu, složenou většinou z uprchlíků nejen z hitlerovského Německa, ale z celé okupované Evropy. Jeho tehdejší studenti vzpomínali, že když Born ráno přišel do práce, nejprve je všechny obešel, aby se zeptal na pokroky v jejich výzkumu. Poskytl jim nezbytné rady, často představující stránky výpočtů týkajících se jejich práce, které sám připravil doma. Talentovaným studentům ukládal náročnější úkoly a nutil je jít v jeho stopách, těm méně nadaným rozdával a trpělivě vysvětloval úkoly méně náročné, ale vždy tak, aby se všichni cítili rovnocennými. Zbytek dopoledne strávil přednáškami, a teprve poté se zabýval svou vlastní výzkumnou prací. Domů odcházel obvykle pozdě v noci nebo až k ránu. Za svého edinburského působení přednášel na desítkách vědeckých konferencí nejen ve Velké Britanii, ale i daleko za jejími hranicemi; jeden semestr byl také hostujícím profesorem na káhirské univerzitě v Egyptě.

Společenská odpovědnost a ocenění vědecké práce

Napsal přes 300 odborných článků a dvě desítky vědeckých a populárně naučných knih včetně řady učebnic. Z nich velmi oblíbenou byla učebnice Atomic Physics, která se dočkala jen v angličtině osmi vydání. „Byl to nejskromnější učenec, jakého jsem znal, klidná a ušlechtilá muzikantská duše,“ řekl o něm americký matematik a zakladatel kybernetiky Norbert Wiener.

Proti válce

Ačkoliv počátkem první světové války sdílel všeobecné národní nadšení v Německu, záhy své občanské postoje přehodnotil a rozhodl se neúčastnit žádných výzkumných prací, které mohly být zneužity pro vojenské účely: „Vědci všech dob mají tendenci tvrdit, že jejich obor je neutrální a apolitický a jeho zneužití jde na vrub generálům a politikům.“ Proto také odmítl zapojit se během druhé světové války do amerického projektu Manhattan, vedoucího k první jaderné zbrani na světě. V roce 1955 se připojil k signatářům tzv. Russellova-Einstenova manifestu o důsledcích použití atomových zbraní. O dva roky později připojil také svůj podpis k Deklaraci göttingenské osmnáctky.

Ceny a vyznamenání

Významná jsou rovněž Bornova filozofická díla o společenské odpovědnosti vědců za to, k čemu a jak efektivně jsou využívány výsledky jejich výzkumů. V průběhu života obdržel mnoho cen a vyznamenání. Hlavního uznání se mu dostalo opožděným udělením Nobelovy ceny za fyziku (paradoxně spolu s německým atomovým fyzikem W. Bothem, který se zúčastnil prací na výrobě atomové bomby v nacistickém Německu) za statistickou interpretaci vlnové funkce (zavedené rakouským fyzikem Erwinem Schrödingerem) spolu s významnými výzkumy na poli kvantové mechaniky. Po jejím převzetí v roce 1954 prohlásil, že práce, za kterou se mu dostalo této cti, „neobsahují žádný objev nového přírodního jevu, ale jen zdůvodnění nového způsobu, jak o přírodních jevech přemýšlet“. Vedle Nobelovy ceny to byla Stokesova medaile, MacDougall-Brisbane medaile Edinburské královské společnosti, Hughesova medaile, medaile Maxe Plancka, medaile Michaela Faradaye aj. Byl členem Akademie věd SSSR, Královské společnosti v Edinburghu a Londýně, Akademie věd v Göttingenu, Pruské akademie věd, Německé akademie věd Leopoldina, Americké akademie umění a věd. Devětkrát mu byl udělen čestný doktorát. Na základě doporučení německé vědecké rady pro vyhodnocení ústavů bývalé východodoněmecké Akademie věd byl v roce 1992 založen v Berlíně-Adlershofu vědecky nezávislý neuniverzitní výzkumný Ústav pro nelineární optiku a krátkou pulzní spektroskopii, o rok později pojmenovaný na počest průkopníka moderní fyziky na „Institut Maxe Borna“. Jeho jméno také nese Max Born High School v Neckargemündu a Dortmundu, Max-Born-Gymnasium v Backnangu, Max Born Realschule v Bad Pyrmont, ulice Max-Born-Strasse v Hamburgu, Mannheimu, Berlíně, Düsseldorfu, Rheine, Frankfurtu, Laatzenu, Mohuči, Ulmu, Karlsruhe, Bietigheimu-Bissingenu, náměstí Max-Born-Ring v Göttingenu, atd. Jméno Born také nese měsíční kráter a asteroid (13954).

Po odchodu do důchodu v roce 1954 se spolu s manželkou vrátili natrvalo do Německa, kde posledních 16 let žili v lázeňském městě v Bad Pyrmontu v Dolním Sasku. Max Born zemřel v Göttingenu měsíc po svých 87. narozeninách 5. ledna 1970. Na hřbitově Stadtfriedhof je zde pochován v důstojné společnosti Walthera Nernsta, Davida Hilberta, Maxe Plancka, Wilhelma Webera, Otto Hahna a Maxe von Laue.

Použitá a doporučená knižní literatura:

Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Obzor, Bratislava 1971. Dosoudil, T.:Smrt ve žluté mlze. Epocha, Praha 2017. Sto let obecné teorie relativity. Vyšehrad, Praha 2014. Feynman, R., P.: To snad nemyslíte vážně. Aurora, Praha 1999. Greenspan, N. T.: Max Born. Nakladatelství Springer Spektrum (něm.), 2011 (Megaknihy.cz). Infeld, L.: Fyzika jako dobrodružství poznání. Orbis, Praha 1981. Kirkby, L., A.: Physik - Der Studiebegleiter. Nakladatelství Springer Spektrum (něm.), 2012 (Megaknihy.cz). Koubský, P.: Věda podle abecedy. Vydavatelství N media, Praha 2019. Krajník, E.: Základy maticového počtu. Vydavatelství ČVUT, Praha 2006. Kraus, I.: Fyzika v kulturních dějinách Evropy. Atomový věk. ČVUT, Praha 2010. Kraus, I.: Dějiny evropských objevů a vynálezů. Academia, Praha 2001. Kraus, I.: Století fyzikálních objevů. Academia, Praha 2014. Levenson, T.: Einstein v Berlíně. Práh 2004. Pacner, K.: Géniové XX. století. Kniha druhá. Motto, Praha 2016. Parson, P. (editor): 30 vteřin na vědu. Fortuna Libri, Praha 2012. Polkinghorne, J.: Kvantová teorie. Dokořán, Praha 2007. Sodomka, L., a kol.: Kronika Nobelových cen. Euromedia Group, Praha 2004. Štoll, I.: Objevitelé přírodních zákonů. Fragment, Praha 1997. Štoll, I.: Dějiny fyziky. Prometheus, Praha 2009. Tesařík, B.: Osobnosti energetiky. Asociace energetických inženýrů, Praha 2018. Weinlich, R.: Laureáti Nobelovy ceny za fyziku. ALDA, Olomouc 1998.