Caltech: Objevitelé, kteří se obešli bez státních dotací

Potvrzení existence antihmoty, Richterova seizmologická stupnice, kvantová elektrodynamika, systém kvarků, stáří Země, fotografický hvězdný atlas, objev mezonů, pokrok ve studiu supravodivosti a supratekutosti, kvantová teorie chemických vazeb, zakladatelské práce v oborech molekulární biologie, genetiky a nanotechnologie - to jsou jen některé z objevů a inovací, jimiž ve 20. století obohatil svět vědy kalifornský Caltech. Právě do Kalifornie se podrobněji podíváme v tomto dílu seriálu mapujícího nejvýznamnější světová vědecká centra...

Zkrácená verze tohoto článku vyšla v březnovém Business Worldu. V právě vycházejícím Business Worldu 10/2004 najdete v rámci seriálu "Světová vědecká centra" článek o britské Cavendishově laboratoři, kde byla mj. objevena struktura DNA. Seriál jako celek nebude publikován on-line.

Univerzitní campus Kalifornského technologického institutu (California Institute of Technology, Caltech, http://www.caltech.edu) se nachází v Pasadeně, stotisícovém městě situovaném severně od Los Angeles, hlavního města státu Kalifornie. Univerzita je nezávislým vzdělávacím a výzkumným střediskem, které není součástí systému kalifornského státního školství. Protože je nezávislá na státních dotacích, její finanční zabezpečení pokrývá takřka výhradně privátní sektor.
Caltech je jedním z nejvýznamnějších vzdělávacích a výzkumných středisek na světě, ale rozhodně nepatří mezi univerzitní giganty - ba právě naopak, udržuje si tradici malé komunity a namísto kvantity sází na kvalitu. Přijatí studenti si musejí připravit nejen nemalý obnos, který vydají za školné (to ovšem pokrývá sotva 3 % celkových výdajů univerzity), ale i na to, že jejich studium bude neobyčejně náročné. Profesoři na této univerzitě se totiž nespokojují s průměrnými výsledky. Vyžadují nejen perfektní přípravu, ale i samostatnou vědeckou práci již v prvních ročnících. Na druhé straně snad na žádné ze světových univerzit nevládne tak uvolněná a přátelská atmosféra jako právě na Caltechu. V současné době zde studuje zhruba dva tisíce studentů.

Historie

Univerzita v kalifornské Pasadeně vznikla z podnětu politika Amose Throopa koncem 19. století. Na jeho počest bylo středisko nejprve známo pod názvem Throopův polytechnický institut (Throop Polytechnic Institute). Ačkoli v prvním roce měla univerzita pouhých jednatřicet studentů, záhy vstoupila do dějin vědy - zejména díky založení astronomických observatoří na hoře Palomar (Palomar Observatory) a na hoře Mount Wilson (Mount Wilson Observatory). Zakladatelem a prvním ředitelem těchto proslulých „hvězdáren“, jež jsou dodnes spravovány Kalifornským technologickým institutem, nebyl nikdo menší než George Ellery Hale (1868-1938), americký astronom, jenž se zabýval sluneční fyzikou.
Hale si získal značnou vědeckou prestiž nejen ve Spojených státech, ale i v Evropě. Společně s fyzikem Robertem A. Millikanem a chemikem Arthurem A. Noyesem, bývalým prezidentem Massachusettského technologického institutu (MIT), tvořili triumvirát, který v prvních dvou desetiletích 20. století restrukturalizoval Throopův institut. Středisko se začalo zaměřovat na přírodovědu, zvláště na fyziku, astronomii a chemii.
Že to byla to dobrá volba, se ukázalo již v letech po první světové válce. Robert Millikan (1868-1953), který vedl laboratoře pasadenské fyzikální fakulty, se stal prezidentem univerzity. Ve svých rozsáhlých vědeckých pracích se zabýval různorodými problémy ze široké škály oblastí fyziky, od mechaniky přes elektřinu po optiku. Světovou proslulost si ale získal díky svým experimentům na poli fyziky elementárních částic. V letech 1913-1917 se intenzivně věnoval měření náboje elektronu a podařilo se mu experimentálně dokázat předpoklad, že hmotnost vodíkového jádra je mnohanásobně větší než hmotnost elektronu. Díky speciálnímu přístroji, který zkonstruoval (dnes se označuje jako Millikanův kondenzátor), dále zjistil, že náboj elektronu je elementárním kvantem jakéhokoli elektrického náboje. Experimentálně stanovil i velikost kinetické energie elektronu, který z povrchu kovu vytrhává světlo určité frekvence, čímž potvrdil Einsteinovu teorii fotoelektrického jevu. Za tyto práce mu byla v roce 1923 udělena Nobelova cena za fyziku. Ale tím zdaleka nekončí Millikanův přínos moderní fyzice. V meziválečných letech na základě měření kmitočtu a energie elektronů určil hodnotu Planckovy konstanty. Zvláště významné bylo jeho studium kosmického záření.
Z nenápadné kalifornské univerzity učinil Millikan postupně jedno z nejpřednějších světových středisek fyzikálního výzkumu. Pasadenu začali navštěvovat největší postavy fyziky, kteří zde přednášeli o svých teoriích a objevech: Paul Dirac, Niels Bohr, Erwin Schrödinger a Werner Heisenberg; na začátku 30. let navštívil několikrát Caltech dokonce i Albert Einstein.
Millikanovo působení na Caltechu bylo pro tento vzdělávací a výzkumný vědecký institut klíčové. Nejenže svými experimenty připoutal zájem celého tehdejšího vědeckého světa, ale dokázal pro univerzitu získat i finanční zajištění - např. z Rockefellorovy a Carnegieho nadace.

Haleův dalekohled a Richterova stupnice

Jestliže první polovina 20. století byla na Caltechu ve znamení vynikající vědecké činnosti Halea a Millikana, v letech po druhé světové válce se dobré jméno institutu ještě zúročilo. Novým prezidentem Caltechu byl zvolen Lee Alvin DuBridge (ve funkci působil v letech 1946-1969). Ačkoli byl rovněž fyzikem, podpořil zároveň i rozvoj dalších přírodovědných odborů, především astronomie a geologie.
Caltech byl světovým střediskem astronomie již od působení Halea. Ve 30. letech pracoval v observatoři na Mt. Wilson Edwin Hubble (1889-1953), jeden z nejvýznamnějších astronomů 20. století. Dokázal, že galaxie jsou obrovské hvězdné soustavy podobné naší Mléčné dráze. Jeho největším vědeckým přínosem byl objev rozpínání vesmíru, „jeden z nejvýznamnějších myšlenkových přelomů v historii vědy“, jak jej označil Stephen Hawking.
DuBridge se z Hubbleova podnětu zasloužil o vybudování velkého dalekohledu na Palomarské observatoři, tzv. Haleova dalekohledu, který byl v letech 1949 až 1976 největším optickým dalekohledem na světě. Vedle tohoto špičkového optického zařízení zde astronomové dostali k dispozici i tzv. Schmidtův teleskop, díky němuž byl pořízen legendární Palomarský přehled oblohy (Palomar Sky Survey). Jde o velkolepý projekt fotografického hvězdného atlasu, který mapuje celou severní a část jižní oblohy a vedl k objevu tisíců nových hvězd, galaxií a komet.
Vedle klasické astronomie, zhodnocující poznatky z pozorování noční oblohy, se na Caltechu dařilo i astrofyzice a astrochemii: Charles Lauritsen a Willy Fowler dokázali, že chemické prvky obsažené v neživé i živé hmotě na Zemi jsou vesměs výsledkem termonukleárních procesů v nitrech hvězd. Potvrdila se tak slova známého popularizátora vědy Carla Sagana: „My všichni jsme hvězdný prach.“
A geologie? Caltech je trefně označován jako kolébka seizmologie. Zásluhu na tom mají jak Harry Wood a John Anderson, kteří sestrojili senzitivní seizmolog, tak především geofyzik Charles Richter (1900-1985), jenž sestavil stupnici, podle níž se měří intenzita zemětřesení (tzv. Richterova stupnice). Jinou významnou osobností tohoto oboru byl geochemik Clair Patterson (1922-1995), který na základě rozpadu izotopů obsažených v nejstarších horninách určil stáří Země na 4,6 miliardy roků.

Triumfy královny věd

Úspěchy astronomie a geologie na Caltechu byly sice pozoruhodné, ale přesto nedokázaly zastínit královnu věd, fyziku, na níž byla v tomto vědeckém ústavu upřena hlavní pozornost. V poválečných letech se do vedení fyzikálního výzkumu dostal Robert Bacher, který v roce 1949 založil oddělení částicové fyziky. Vedením tohoto oddělení byl pověřen Millikanův student a spolupracovník Carl D. Anderson (1905-1991).
Andersonovi nebylo ještě ani třicet, když učinil epochální objev: detekoval částici, která potvrdila existenci antihmoty. Hypotézu, že mohou existovat jakési antiatomy, vyslovil již na konci 19. století britský fyzik Arthur Schuster. Jeho odvážnou myšlenku zpočátku nikdo nebral vážně, ale později výpočty kvantové mechaniky vedly k obdobným závěrům: že vedle hmoty existuje její zrcadlový obraz. Obraz antisvěta posléze teoreticky rozpracoval britský fyzik Paul Dirac, většina jeho kolegů se však celou teorii stále zdráhala přijmout. Andersona upoutaly začátkem 30. let při studiu kosmického záření upoutaly podivné čáry, které vypadaly jako dráhy elektronů, avšak jakoby s kladným nábojem. Zevrubnější zkoumání vedlo k překvapivému výsledku: šlo o neznámou lehkou částici, kladný elektron, jemuž dal Anderson název pozitron. Za tento objev obdržel v pouhých jednatřiceti letech Nobelovu cenu za fyziku.

Poválečné období

Že Caltech po skončení druhé světové války nejen navázal na skvělé výsledky předválečné doby, ale dokonce je ještě předčil, o tom svědčí řada dalších objevů, které zde vznikly. Příkladem je teorie vnitřní stavby hadronů, rozpracovaná Murrayem Gell-Mannem. Stejně jako v případě antihmoty nebral existenci kvarků zpočátku takřka nikdo z fyziků vážně, ale experimenty později ukázaly, že Gell-Mannova matematicky kompaktní hypotéza je správná a odpovídá bizarnímu světu elementárních částic.
Nejslavnější osobností Caltechu byl bezesporu Richard Feynman (1918-1988), jeden z největších fyziků všech dob. Feynman je spolutvůrcem kvantové elektrodynamiky (Nobelova cena za fyziku v roce1965), významně přispěl k teorii slabých interakcí, supravodivosti a supratekutosti, navrhl tzv. partonový model hadronů (odpovídající v základech Gell-Mannově teorii kvarků) a velkou měrou se zasloužil o fyziku elementárních částic. Kromě toho je dnes díky své slavné přednášce „Tam dole je spousta místa“ považován za zakladatele nanotechnologie, jednoho z progresivně se rozvíjejících oborů 21. století.
Na Caltechu působil Feynman jako profesor a vědecký pracovník od roku 1951 až do své smrti. O jeho přednášky byl mimořádný zájem. Feynman se nedržel žádných osnov, používal živy, hovorový jazyk a dokázal i nejnáročnější fyzikální zákony a teorie objasnit nejen srozumitelně, ale i poutavě a vtipně. Jeho přednášky byly na začátku 60. let studenty nahrávány na magnetofonové pásky. Po přepsání a zredigování vyšly knižně ve třech svazcích a staly se nejslavnější učebnicí vysokoškolské fyziky nejen ve Spojených státech (česky bohužel vyšly se značným zpožděním).

LIGO

Po Feynmanově smrti převzal jeho pomyslné žezlo astrofyzik Kip S. Thorne (* 1940), který se zabývá Einsteinovu obecnou teorii relativity. Jeho zájem se soustřeďuje zejména na problematiku černých a červích děr, gravitačních vln a – ač to může znít příliš spekulativně – na možnost cestovní časem.
Thorne byl hlavním iniciátorem ambiciózního projektu LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), který byl schválen v roce 1989 a na němž Caltech spolupracuje s MIT a dalšími univerzitami. Jedná se o dosud nejnákladnější vědecký výzkum sponzorovaný americkou Národní vědeckou nadací (National Science Foundation). Projekt zahrnuje dva gravitační detektory, nesmírně přesných interferometry, jež mají potvrdit existenci hypotetických gravitačních vln.


Internetové adresy

California Institute of Technology
http://www.caltech.edu

Caltech Astronomy
http://www.astro.caltech.edu

LIGO Laboratory Homepage
http://www.ligo.caltech.edu

Physic, Astronomy and Mathematic at Caltech
http://www.pma.caltech.edu

Caltech Theoretical Particle Physic
http://www.theory.caltech.edu

Jet Propulsion Laboratory
http://www.jpl.nasa.gov


Kosmický výzkum a robotika

Součástí Caltechu je proslulá Laboratoř tryskových pohonů (Jet Propulsion Laboratory, JPL, http://www.jpl.nasa.gov) v Pasadeně, ačkoli její činnost je přímo řízena Národním ústavem pro letectví a kosmonautiku (NASA). JPL vznikla v roce 1944 na základě Caltech Aeronautical Laboratory (GALCIT), kterou založil již v 30. letech minulého století Theodore von Kármán (1881-1963). Je centrem amerického robotického vesmírného programu, kde byly zkonstruovány družice programů Pioneer, Mariner, Voyager, Magellan či Galileo. Styk JPL s kosmickými sondami obstarává síť stanic DSN (Deep Space Network).


Počítačová věda na Caltechu

I když se třeba na rozdíl od Stanfordské univerzity Caltech nesoustřeďuje přímo na informační technologii, vzešla odtud řada osobností, jež získala věhlas právě v tomto oboru. Na Caltechu studoval a později i působil např. William Shockley, objevitel tranzistorů z Bellových laboratoří. Studovali zde Fernando Corbátó (označovaný často za praotce Unixu), John McCarthy (tvůrce programovacího jazyka Lisp a průkopník umělé inteligence), Donald Knuth (tvůrce programů TeX, LaTeX a Metafont, autor významné knihy The Art of Computer Programming), Sabeer Bathia (spoluzakladatel služby Hotmail) či britský fyzik a matematik Stephen Wolfram (autor programu Mathematica).


Superhvězdy Caltechu

George Ellery Hale (1868-1938) – astronom, zakladatel významných observatoří. Sestrojil spektohelioskop a spektoheliograf.
Rober Andrews Millikan (1868-1953) – fyzik, Nobelova cena za fyziku v roce 1923 – za práce o elementárním elektrickém náboji a fotoelektrickém jevu. Studoval kosmické záření, objevitel prvního mezonu.
Thomas Hunt Morgan (1866-1945) – biolog a genetik, zakladatel moderní teorie dědičnosti; Nobelova cena za fyziologii a medicínu v roce 1933 – za objevy, které se týkají dědičných funkcí chromozomů.
Edwin Hubble (1889-1953) – jeden z nejvýznamnějších astronomů 20. století; objevil existenci galaxií, stanovil úměrnost mezi rychlostí, s jakou se galaxie vzdalují, a jejich vzdáleností (Hubbleův zákon), dokázal, že vesmír se rozpíná. Na jeho počest byl největší optický dalekohled na oběžné dráze Země nazván Hubbleův dalekohled.
Linus Pauling (1901-1994) – biochemik, na Caltechu působil od roku 1922, získal zde doktorát z chemie, fyziky a matematiky; později vedoucí katedry chemie a chemického inženýrství. Nobelova cena za chemii v roce 1954 – za výzkumy podstaty chemických vazeb a jejich využití při objasňování struktury komplexních sloučenin.
George Wells Beadle (1903-1989) – biolog a genetik, vedoucí biologické katedry na Caltechu; Nobelova cena za fyziologii a medicínu v roce 1958 – za objevy o působnosti genů a jejich schopnosti regulovat určité biochemické reakce.
Richard Feynman (1918-1988) – teoretický fyzik, Nobelova cena za fyziku v roce 1965 – za práce v oblasti kvantové elektrodynamiky.
Murray Gell-Mann (*1929) – teoretický fyzik, objevitel kvarků, Nobelova cena za fyziku v roce 1969 – za výzkumné úsilí v oblasti klasifikace základních částí a jejich interakcí.
Roger Sperry (1913-1994) – biolog a psycholog, Nobelova cena za fyziologii a medicínu v roce 1981 – za výzkumy týkající se funkcí mozkových hemisfér.
Clair Patterson (1922-1995) – geolog, určil stáří Země.

Zkrácená verze tohoto článku vyšla v březnovém Business Worldu. V právě vycházejícím Business Worldu 10/2004 najdete v rámci seriálu "Světová vědecká centra" článek o britské Cavendishově laboratoři, kde byla mj. objevena struktura DNA. Seriál jako celek nebude publikován on-line.