Cavendishova laboratoř: Objev elektronu i struktury DNA

Objev vnitřní struktury atomu (elektronu a neutronu), rentgenové strukturální analýzy, stanovení struktury DNA či hemoglobinu, to jsou jen některé z přínosů, jimiž se může pyšnit britská fyzikální Cavendishova laboratoř, jedno z nejprestižnějších evropských výzkumných center vůbec.

Úplná verze tohoto článku vyšla v říjnovém Business Worldu. V právě vycházejícím Business Worldu 11/2004 najdete v rámci seriálu "Světová vědecká centra" článek o sovětském centru jaderných výzkumů v Dubně. Seriál jako celek nebude publikován on-line.

Cavendishova laboratoř (Cavendish Laboratory, http://www.cam.ac.uk), spravovaná fyzikálním oddělením Trinity College proslulé Cambridgeské univerzity, nepatří sice zdaleka k největším světovým výzkumným centrům, ale vědecký svět k této instituci přesto vzhlíží s obdivem a úctou. Právě zde se ve skromných poměrech na přelomu 19. a 20. století zrodila jak moderní atomová fyzika 20. století, později genetika, molekulární biologie a bioinformatika. O věhlasu Cavendishovy laboratoře svědčí i 28 Nobelových cen, udělených vědcům, kteří v jejich prostorách studovali a pracovali. V mladých letech zde zdokonalovala své znalosti řada věhlasných fyziků nejrůznějších národností, mezi nimi např. Paul Dirac, Max Born, Niels Bohr či Petr Kapica.
Univerzita v Cambridge se rozhodla zřídit centrum experimentální fyziky se studijní a výzkumnou laboratoří v roce 1871 - do té doby probíhal přírodovědný výzkum převážně na soukromých pracovištích. Laboratoř byla založena v centru britského univerzitního města Cambridge o dva roky později. Jméno získala na počest anglického vědce Henryho Cavendishe (1731-1810), druhého vévody z Devonshire, jenž v Cambridge studoval matematiku a přírodní vědy. Ačkoli studium nedokončil a nezískal žádný vědecký titul, po celý život se Cavendish ve svém londýnském sídle věnoval soukromému vědeckému bádání, zejména soudobým problémům fyziky, chemie a astronomie. Svými chemickými pracemi zásadně přispěl k rozvoji chemie plynů. Výsledky těchto svých fyzikálních a chemických experimentů, které prováděl s velkou pečlivostí, publikoval pod titulem Pokusy s umělým vzduchem (Experiments on Factitiuous Air,1766) v časopise vydávaném britskou Královskou společností. Nejdůležitějším poznatkem těchto pokusů byl objev „hořlavého vzduchu“, který byl později nazván vodík. Cavendish byl prvním z chemiků, kdo poznal, že se tento plyn, vznikající účinkem kyselin na nejrůznější kovy, liší od obyčejného vzduchu. I když jeho interpretace, tzv. „flogistonová teorie“, byla scestná, historie ho právem považuje za objevitele vodíku. K jeho dalším přínosům patří např. fyzikální práce pojednávající o zemské gravitační konstantě.
Prvním ředitelem Cavendishovy laboratoře byl jmenován skotský vědec James Clerk Maxwell (1831-1879), zakladatel moderní elektrodynamiky. Skotský fyzik, jenž z nově založené laboratoře začal budovat středisko světového významu, do té doby pracoval jako profesor v Londýně a jako soukromý učenec. Zabýval se řadou fyzikálních výzkumů, jeho největší zásluha ovšem spočívá v matematickém propracování nové nauky o elektřině a magnetismu. Výsledkem této práce jsou čtyři základní rovnice, vyjadřující teorii elektromagnetického pole, které se staly základem dalšího výzkumu i praktických aplikací elektřiny a magnetismu (inspirovaly např. rovněž i Alberta Einsteina k formulaci speciální teorie relativity).
Krátké období, kdy na postu Cavendishovy laboratoře působil James C. Maxwell, stačilo, aby si toto vzdělávací a výzkumné středisko získalo dobré jméno. (Jediná výtka k jeho působení se mimochodem vztahovala k absenci žen, kterým Maxwell zakázal přístup do laboratoře.) Maxwell prokázal značné organizační schopnosti a nová laboratoř byla vybudována a zařízena podle jeho návrhů a přání, aby odpovídala tehdejším nejvyšším nárokům na fyzikální výzkum. Vedle toho pořídil učenec z vlastních prostředků mnohá nákladná vědecká zařízení, která laboratoři věnoval. V nástupní přednášce Maxwell předestřel nový velkorysý program zmodernizování anglického vysokoškolského přírodovědného studia, založený na experimentální činnosti. Badatelská práce se měla konat v nejvyšší možné míře společně a univerzitní laboratoř pro něj byla zvláště „školou vědecké kritiky“. Tím Cavendishova laboratoř založila tradici kritického experimentálně fyzikálního bádání.

Zrod fyziky částic

Mawwellovým nástupcem v čele laboratoře se stal John Rayleigh (1842-1919), pozdější laureát Nobelovy ceny za fyziku, jenž rozpracoval dynamiku tření v kapalinách a plynech a je objevitelem vzácného plynu argonu. Jeho jméno nese i jedna z nejslavnějších světových fyzikálních knihoven, Rayleigh Library, která je součástí Cavendishovy laboratoře.
Laboratoř své jméno ve vědeckém světě ještě posílila v období, kdy se jejím ředitelem a hlavním experimentátorem stal a Joseph John Thompson (1856-1940), který díky svým experimentům vykonal podstatné objevy na poli elektrické vodivosti plynů. Jeho nejvýznamnější přínos ovšem spočívá v objevu elektronu, čímž se v Cavendishově laboratoři započal výzkum vnitřní stavby atomu, v němž s nezmenšeným úsilím pokračovali i Thompsonovi spolupracovníci a studenti. Thompson v roce 1897 vyřešil záhadu katodového záření, když prokázal, že katodové paprsky se zakřivují v elektrickém i magnetickém poli. Svými experimenty v Cavendishově laboratoři dokázal, že jde vlastně o částice, a co víc, že tyto částice nesou záporný náboj a jsou zhruba 2000krát menší než nejmenší atom vodíku. Označil tyto částice nejprve jako „korpuskule“, ale později přijal název elektron. Oznámení objevu elektronu lze považovat za okamžik zrození částicové fyziky.
Thompson, jenž se po odchodu z místa hlavního experimentátora Cavendishovy laboratoře stal profesorem Královského institutu v Londýně a později ředitelem samotné cambridgeské Trinity College, kromě objevu elektronu rozpracoval tzv. hmotnostní spektroskopii a nezávisle na C. F. Braunovi zkonstruoval elektronku. Nobelovu cenu obdržel v roce 1906.
Na práci v částicové fyzice navázal zejména Thomsonův nadaný spolupracovník, novozélandský fyzik Ernest Rutherford (1871-1937), objevitel atomového jádra. Když Rutherford přišel do Cavendishovy laboratoře, bylo mu teprve čtyřiadvacet let, ale měl již za sebou řadu objevů, např. zkonstruování unikátního detektoru rádiových vln, díky němuž předstihl po technické stránce vynálezce bezdrátové telegrafie Guglielma Marconiho. Objevy elektronu, rentgenového záření a radioaktivity však způsobily, že pod vlivem svého učitele Thompsona vrhl Rutherford svou energii a nevšední talent do bádání v novém oboru atomové fyziky. Již v roce 1898 učinil v Cavendishově laboratoři první významný objev: prokázal, že uran nevyzařuje jeden typ záření, nýbrž dva (označil je alfa a beta). Záhy se zjistilo, že nejde o běžné záření, ale o proudy velmi rychlých částic. Rutherford je také autorem tzv. planetárního modelu atomu, který představil vědeckému světu v roce 1911. Model měl sice nedostatky, ale ve srovnání se předcházejícími představami znamenal předěl, který posléze připravil půdu nástupu kvantové fyziky.
V meziválečných letech byla Cavendishova laboratoř považována za jedno z nejvýznamnějších vědeckých pracovišť: vyvinutí hmotnostního spektrometru a objevení neutronu jsou jen některé z úspěchů, dosvědčujících výjimečné postavení ústavu.

Rozvoj moderní krystalografie

Objev rentgenových paprsků a radioaktivity podnítil nejen zrození atomové fyziky, ale i moderní krystalografie, kterou rozpracoval další z vůdčích duchů Cavendishovy laboratoře, William L. Bragg (1890-1971). Získal společně se svým otcem Williamem H. Braggem (1862-1942) Nobelovu cenu za fyziku už ve svých 25 letech, a to za výzkum struktury krystalů pomocí rentgenových paprsků.

Struktura DNA
Právě v letech, kdy William L. Bragg vedl Cavendishovu laboratoř, došlo v jejích prostorách objevu, jehož význam byl srovnatelný s přínosem Thompsona a Rutherforda. Stála za ním dvojice mladých vědců, Američan James Watson (*1928) a Brit Francis Crick (1916-2004). Díky rentgenové strukturální analýze se podařilo objasnit strukturu DNA.

Nekrology objevitelů struktury na Science Worldu:
Crick
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/vedci/BF97192BCA3D9903C1256EE7003246C5?OpenDocument&cast=1

Wilkins
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/vedci/07929527E080A821C1256F2E0039376A?OpenDocument&cast=1

Metodu rentgenové strukturální analýzy využil i Max. Perutz (1914-2002), který později založil v Cambridge Laboratoř molekulární biologie. Ve svém vědecké práci se soustředil na studium struktury globulárních proteinů. Po několikaleté úmorné práci se mu spolu s Johnem Kendrewem podařilo rozřešit záhadu strukturálního uspořádání hemoglobinu a myoblibinu, za což byli v roce 1962 odměněni Nobelovou cenou za chemii.

Dnešní situace

Vědci v Cavendishově laboratoři mají dnes na co navazovat. Na začátku 70. let 20. století byla větší část laboratoře kvůli rozšíření prostoru pro výzkum přesunuta z centra Cambridge do západní části města, kde se nyní budují sídla oddělení, k nimž patří fyzika vysokých energií, astrofyzika, fyzika polovodičů či interdisciplinární centrum zaměřené na výzkum supravodivosti. Pracovníci laboratoří částicové fyziky spolupracují zejména s CERNem - jedná se např. o společný vývoj detektorů Atlas, které mají být součástí budovaného gigantického urychlovače (Large Hadron Collider, LHC). V Cavendishově laboratoři byly rovněž vyvinuty speciální multifunkční programy, určené k simulaci vysokoenergetických kolizí (např. algoritmizaci procesů metod kategorie Monte Carlo v softwaru Casino). Tyto programy v současné době prověřují experimenty chystané na urychlovačích, které budou následně porovnávány s měřením výsledků částicových srážek.
V centru pozornosti vědeckého světa zůstává práce v oboru kvantové fyziky, které se nyní soustřeďuje např. na zkoumání Bose-Einsteinova kondenzátu. Dalším úkolem, který před výzkumníky stojí, je tzv. spintronika a realizace kvantového počítače. Nemenší měrou se současní pracovníci laboratoře věnují nanotechnologii: nanotechnologické centrum (Cambridge Nanoscience Centre) sídlí v nové hypermoderní budově dokončené v roce 2003. K hlavním úkolům oddělení astrofyziky patří výzkum mikrovlnného reliktního záření a zkoumání evoluce galaxií a hvězd.


Počátky atomové fyziky v Cavendishově laboratoři

1873 – na Cambriedgské univerzitě při Trinity College je založena výzkumná fyzikální laboratoř pojmenovaná po Herym Cavendishovi; prvním ředitelem se stává J. C. Maxwell.
1897 – Joseph John Thompson objevil elektron, první subatomární částici, a vypočítal jeho hmotnost. Joseph John Thompson, jehož jeho studenti a spolupracovníci nazývali zkratkou „J. J.“, objevil elektron pomocí přístroje, který byl předchůdcem katodové trubice, jež tvoří princip dlouho užívaných televizních obrazovek a počítačových monitorů. Paprsky v Thompsonově přístroji byly vyzařovány katodou a dopadaly na fluorescenční stínítko umístěné na konci trubice, kde se objevila svítivá skvrna. Geniálním Thompsonovou myšlenkou bylo vysvětlit šíření paprsku jako pohyb nabitých částic, později nazvaných elektrony.
1898 – Ernest Rutherford odlišil dva typy uranové radiace, kladně nabité paprsky alfa a záporně nabité paprsky beta.
1899 – Joseph John Thompson popsal proces ionizace látek jako odštěpování elektronů z atomu.
1900 – John Rayleigh a James Jeans vypracovali Rayleighův-Jeansův zákon pro krátké vlny, který říká, že intenzita záření je úměrná teplotě a čtverci frekvence.
1911 – skotský fyzik Charles Wilson (1869-1959) zkonstruoval tzv. Wilsonovu mlžnou (ionizační) komoru umožňující detekci různých druhů záření.
1914 – William H. Bragg a W. L. Bragg objevili, že chlorid sodný a další podobné látky existují jako skupiny iontů svázaných elektromagnetickou interakcí.
1914 – James Chadwick (1891-1974) demonstroval, že částice beta - na rozdíl od částic alfa - jsou vyzařovány v plynulém energetickém rozpětí.
1914 – Ernst Rutherford objevil atomové jádro, které je desettisíckrát menší než atom. Dal kladně nabitému jádru vodíku jméno proton. Proton je druhou objevenou subatomární částicí.
1919 – Francis W. Aston (1877-1945) vynalezl hmotnostní spektometr k rozlišování a zkoumání iontů s různou hmotností.
1932 – James Chadwick objevuje neutron, elektricky neutrální částici, která je složkou jádra atomu. Za tento objev získává v roce 1935 Nobelovu cenu za fyziku.

Úplná verze tohoto článku vyšla v říjnovém Business Worldu. V právě vycházejícím Business Worldu 11/2004 najdete v rámci seriálu "Světová vědecká centra" článek o sovětském centru jaderných výzkumů v Dubně. Seriál jako celek nebude publikován on-line.