Patřím ke generaci, které v dětství a mládí vtloukali do hlavy, že celý svět je hmotný – nic jiného, než hmota prostě neexistuje. Pak, když při hodinách fyziky přišla nutně na přetřes též energie, dozvěděli jsme se, že je nutno rozlišovat hmotu fyzikální, kterou jsme se učili nazývat spíš masou nebo hmotností, a hmotou filosofickou, která co objektivní realita měla právě ten nárok zahrnovat všechno ve světě, tedy i energii. Pak zase za pár let jsme byli už dost zralí na to, abychom směli být vystaveni podivnostem Einsteinovy teorie relativity a z ní plynoucí nejproslulejší rovnice snad v celé historii, E = mc2, vyjadřující ekvivalenci masy a energie. Kdyby s tím naši učitelé byli přišli o pár roků dřív, mohli si komplikace s pojmem hmoty ušetřit. Jenže co bylo napřed zakazováno jako židovská věda, bylo vzápětí zavrženo jako buržoasní pavěda (i když ji směli tajně užívat sovětští fyzici), která pak byla tiše připuštěna s tím, že ji vlastně už dávno předvídali různí ruští vědci. No, neměli to lehké naši učitelé – asi byli trochu zmatení tím, co nám vykládali; ti, kteří nad nimi bděli, tomu rozuměli ještě mnohem méně, ale o to byli nesmiřitelnější.
Naštěstí to je všechno za námi, nikdo nám už žádné teorie neskrývá, spíše nás jimi různá média zahrnují, až jsme z toho někdy popletení. A tak je přirozené, že bychom chtěli mít pořádek aspoň v základních pojmech, které jsme potkali už na základní škole a později se s nimi často setkávali s dojmem, že je dobře známe a tedy chápeme. Že tomu tak docela není, nebo že ony pojmy (včetně pojmů prostoru a času, o nichž jsem už psal) prošly složitým vývojem za dobu, po kterou jsme se o ně nestarali, nebude asi pro nikoho novinkou. Zkusme se tedy jimi trochu zabývat.
Že ve světě je něco, co je obecným nositelem jeho zjevného bytí a co zejména zajišťuje jeho kontinuitu při všech těch změnách, jimiž prochází, to tušili už lidé v dávném starověku – rozhodně staří Indové, patrně také Babyloňané a jistě Řekové. Jak myšlení bloudilo, ten pojem se vytrácel a zase vracel, až jej Aristoteles zachytil a včlenil do své Fyziky: říkal mu hyle a myslel jím patrně to, co zůstávalo a jen přijalo novou formu, když se nějaká věc změnila. Mohl bych napsat celou studii o tom, jak kontradiktoricky velký myslitel o té své hyle uvažoval, když jí v hloubi svazoval věci, kterým přitom propůjčoval plnou individualitu, ale historické bádání tu není mým námětem. Nebyl ostatně v těch rozporech sám, jak ještě uvidíme.
Nezjistil jsem, kdo ten pojem přeložil do latinského slova materia, snad to byl Cicero, kterému vděčíme za řadu dnes samozřejmých slov. Na tom vlastně ani tolik nezáleží, slova často mají složité osudy, ve kterých nenápadně mění význam, takže by je po staletích autor třeba ani nepoznal. Co tou matérií nebo česky hmotou lidé odpradávna mysleli? Asi to byla jakási všudypřítomná prazákladní hlína (Aristoteles ale spíše myslel na dřevo), do které Stvořitel či Příroda (či jak to už chceme nazvat) vtiskli individuální formu, takže vznikla živá bytost nebo věc, slovem cokoliv určitého, co se dalo vidět, hmatat, prostě smyslově zakoušet.
Forma se projevovala vlastnostmi (s nimiž nebyla nutně totožná), z nichž některé byly pociťovány jako zásadnější (například tvar) a jiné jako spíše druhotné (například barva); ale jedny i druhé bylo možno měnit, takže nebyly zcela nezávislé na podmínkách existence dané věci. Patrně proto osvícenští myslitelé jako Descartes, Spinoza či Leibniz, kteří se pokoušeli proniknout až k samému jádru bytí, spekulovali o pojmu substance, která měla být prvotním a nezávislým subjektem existence dané věci a druhotně pak oněch jejích vlastností. Jejich učená pře by nás dovedla daleko – vždyť Spinoza nakonec došel k závěru, že onou všudypřítomnou substancí musí být Bůh, neboť jen on je nezávislý na čemkoliv jiném. Pro nás je tady důležité, že ono podstatné, co se později znovu nazývalo matérií nebo prostě hmotou a co tvořilo základ zkušenostního bytí, už nebylo pojímáno jako nějaký neurčitý pra-materiál, ale uvažovalo se o něm jako o subjektu nebo aspoň nositeli vlastností a přisuzovala se mu jistá aktivní role ve světě.
Není asi tak zcela náhoda, že první pevnější uchopení pojmu hmoty bylo spojeno se zkoumáním sil a pohybů: poznání koneckonců vždycky začínalo řešením praktických problémů – a zdvihání, přenášení nebo vrhání hmotných objektů patřilo k té nejtěžší práci, kterou lidé odedávna vykonávali. Pojem váhy znali dobře staří Řekové a třeba Archimedes konstruoval různé páky nebo kladky k přemisťování těžkých předmětů. Bylo však třeba další abstrakce, aby se v jádře různých jevů, spojených s pohybem a silou, usídlil právě pojem hmoty. Jak si většina z nás pamatuje ještě ze školy, byl to Isaac Newton, který – opřen o mnohá pozorování Galilea – právě toto provedl.
Že tělesa projevují setrvačnost, tedy tendenci setrvávat v stejném stavu ať už klidu nebo pohybu (jak praví Newtonův 1. pohybový zákon), věděli asi mnozí před Newtonem; že ke změně toho stavu, tedy udělení zrychlení (kladného nebo záporného), je zapotřebí síly, přímo úměrné hmotě tělesa (2. pohybový zákon), mělo už ve své přesné formulaci hodnotu objevu. Hmota je tedy nositelem setrvačnosti (nazvěme ji proto zatím setrvačnou hmotou), tedy odporu vůči změně pohybového stavu, který se projevuje silou – ať tou, kterou musíme vynaložit k vynucení změny (zrychlení), nebo tou, kterou na nás těleso tlačí, když je chceme přibrzdit. Důležitá je přitom zobecňující abstrakce: tyto setrvačné tendence budou mít všechny hmotné objekty, ať už jsou z hlíny, kovu, kamene – důležité jen je, kolik mají té zobecněné hmoty. S abstrakcí tedy přichází kvantifikace. Mohli bychom se ptát, co bylo prvotní – zda potřeba přesně (to znamená od Galilea matematicky) formulovaného zákona, která si vynutila abstraktní zobecnění pojmu hmoty, nebo předchozí diskuse, které už pojem obecné hmoty připravily. Myslím, že na to není žádná uzavřená odpověď: je to jeden z těch zářivých okamžiků myšlení, kdy se v jednom aktu sejde více přístupů. V každém případě od té chvíle abstraktní pojem hmoty máme a vyrovnáváme se s ním v různých myšlenkových převratech.
Hmota, pohyb, síla – to byly hlavní pojmy, s nimiž Newton pracoval. Hlavní síla, se kterou už Galileo zápolil, byla síla váhy předmětu: tu také lidé oné doby nejčastěji při své práci potkávali (a dodnes často zaměňují s hmotou). Můžeme či nemusíme věřit legendě, podle níž jablko, spadlé v sadě na Newtonovu hlavu, způsobilo onen myšlenkový zkrat, v němž pochopil, že ona váha je ve skutečnosti síla přitažlivosti mezi Zemí a příslušným tělesem – a že tento vztah téměř vzápětí zobecnil do svého třetího zákona. Podle něho se jakákoliv dvě tělesa v prostoru přitahují silou, úměrnou součinu jejich hmot a nepřímo úměrnou druhé mocnině jejich vzdálenosti. Je prakticky jisté, že k tomuto vztahu došel spekulativně. To už byla zářivá myšlenka, ale to, že odpovídající gravitační hmotu vzápětí ztotožnil s tou setrvačnou, bylo výkonem genia. Touto první velkou unifikací povstaly základy matematicko-fyzikálního aparátu, pomocí něhož bylo možno postihnout pohyby těles v sluneční soustavě, ale také většina pohybů zde na Zemi – zrodila se mechanika a s ní celá skutečná fyzika (čtenář mi odpustí, že tady pomíjím Newtonův objev diferenciálního počtu a dalších nutných myšlenkových nástrojů, bez nichž by nebyla možná).
Zatím tu v souhlasu s historií používám slovo hmota místo hmotnosti či masy; později mě diskuse bude nutit tato slova (resp. pojmy) rozlišit. Na slově snad tolik nezáleží – důležitější je význam, naše chápání toho, o co jde. Víme to tedy v tomto případě? Víme, co myslel Newton nebo myslíme my nyní onou hmotou (nebo masou)? Zatím jsme mluvili o vlastnostech: hmota má setrvačnost, která je spojena se silou, nutnou k jejímu překonání tím či oním smyslem jejího pohybu resp. vyvozovanou samotnou hmotou v pohybu; také jsme zjistili, že je – v Newtonově pojetí – zdrojem gravitační síly vůči jiným hmotným objektům. Víme ale, co ta hmota je?
Mnozí si mysleli a myslí, že je to jakási esence bytí, alespoň toho základního, na němž všechno další – vyšší – bytí spočívá. Anglický fyzikalismus má pojem supervenience, což bychom česky nepřesně, ale vžitě přeložili jako nadstavba, pro vztah, s nímž na sobě spočívají (nebo ze sebe vyplývají) různé kategorie bytí – od onoho základního, anorganického přes organické, psychické až třeba po duchovní. To vše má spočívat na pojmu hmoty, která zajišťuje nejen uchopitelné bytí světa, ale též jeho kontinuitu. To ale znamenalo její nezničitelnost, nebo – řečeno zdrženlivěji – její zachování ve všech přeměnách, které se pozorovaly ve vnějším světě a také se začaly brzo intenzivně studovat v laboratořích chemiků – nového druhu badatelů, kteří postupně nahradili alchymisty, tak jako astrology nahradili vážní astronomové. Není tak příliš důležité, zda to byl Lavoisier nebo Lomonosov, kdo první vyslovil svůj zákon zachování hmoty na základě pokusů s přesným vážením látek a jejich zplodin při chemických reakcích. Jako tak často ve vědě, poznání poháněl spor: tak jako Galileo vyvracel sdílené Aristotelovo tvrzení, že různě těžká tělesa padají k zemi různě rychle (což nakonec vedlo k Newtonovým zákonům), tak Lavoisier vyvracel v té době rozšířenou teorii jakéhosi nehmotného flogistonu, který měl unikat z látek při jejich hoření a způsobit tak jejich úbytek. Nebylo třeba mnoha pokusů, aby se tito první vědci přesvědčili o své pravdě – byla v nich geniální nebo také naivní jistota, bez níž patrně nelze klestit cestu poznání.
Hmota v těch mnoha formách, v jakých vystupuje v přírodě, má ovšem mnoho různých vlastností, z nichž některé jsou snadno proměnné, jiné jsou stálejší. Jedna z nich souvisí přímo s jejím pohybovým stavem (a jak se později nahlédlo, i její polohou): už Leibniz poukázal, že pohybující se hmota vládne schopností účinku, úměrnou velikosti své hmotnosti a druhé mocnině své rychlosti. Nazval ji vis vita (živá síla), ale byl to o pár dekád později až Thomas Young, který v ní uviděl něco samostatného a pojmenoval ji podle řeckého vzoru energií, tedy hybatelem, což v civilnějším smyslu znamenalo schopnost konat práci (která nemusí být nutně užitečná, znamená spíš překonání nějakého odporu). V dalším vývoji došli lidé k názoru, že existují vlastně dvě formy té energie: jedna aktuálně projevená a spojená, jak už myslel Leibniz, s pohybem hmoty, tedy kinetická; druhá někde nahromaděná (např. v břemenu, upevněném ve výši), ale zatím neprojevená – tedy potenciální. Prvá se mohla měnit v druhou a naopak, čímž se už naznačovalo, že ani energie se neztrácí, jenom se proměňuje.
Přibývá v tomto textu jmen a já se jejich citace už budu muset brzo vzdát, ale než tak částečně učiním, dovolím si potěšení jmenovat hned dvě ženská jména. Je totiž skoro jisté, že to byla Emilie du Châtelet, která ještě v 18. století vyslovila zákon zachování energie (čímž ale jistě myslela tu kinetickou). Nevím, zda na ni na začátku 20. století vzpomínala jiná pozoruhodná žena Emmy Noether (také matematička a fyzička), když všechny fyzikální zákony zachování vyložila v pojmech symetrie, což silně ovlivnilo zase pozdější myšlení. Ale to jsem silně předběhl. Na rozdíl od hmoty, jistota zachování energie nebyla tak pevná – pořád se někde ztrácela, pak zase nacházela, nejčastěji jako unikavé teplo, které zřejmě nezbytně vznikalo při každé mechanické práci, ale také mělo významnou roli při chemických přeměnách, takže kolem toho v druhé půli 19. století vznikl celý obor termodynamiky, který zásluhou hlavně Boltzmanna vyústil do teorie tepla jako kinetické energie molekul. Tím jev energie opět mechanika ovládla, ale jen částečně: všude se objevovaly skutečně nebo zdánlivě odlišné formy energie, kterých se mechanika (to už ale kvantová) zmocnila až po dalších desítkách let.
Jakkoliv přece jenom zachovávaná, byla v těch dobách energie chápána jako vlastnost hmoty a tento výměr je možno číst i v mnohých dnešních učebnicích fyziky. Jenže na sklonu 19. století vystoupil James Clerk Maxwell s novým teoretickým objevem, že v té době už dlouho známé jevy elektřiny a magnetismu jsou jenom různé projevy elektromagnetismu (druhá velká unifikace ve fyzice), jehož kmitavé pole se šíří jako světelné záření. Nu, světlo, to snad byla čirá energie? Newton a po něm mnozí další si to nemysleli – představovali si paprsek světla jako proud nepatrných hmotných částic fotonů; ale v Maxwellově době už byla značně vyvinutá teorie optiky, která různé projevy světla pojímala jako vlnění – jenže vlnění čeho? Struny, hladina vody, vzduch, to všechno nepadalo v úvahu; byla tu ale už dlouho uvažovaná teorie éteru, jakési velmi jemné substance, kterou sice nikdo nikdy nepozoroval, ale která řešila mnohé otázky – například tu, jak je možné Newtonovo gravitační působení na dálku. Éter to tedy také byl, v kterém se světlo vlnilo, a který pohotově vysvětlil matoucí nezávislost změřené rychlosti světla na relativním pohybu jeho zdroje, kterým se světlo odlišovalo od všech dosud pozorovaných pohybů.
Jak všichni víme, Albert Einstein toto pohodlné vysvětlení odmítl a předložil počátkem minulého století svou první verzi revoluční teorie relativity, která odhalila závislost souřadnic čtyřrozměrného časoprostoru na relativním pohybu pozorovaného systému. O tom už bylo jinde hodně napsáno – a nezbytně došlo i na ten nečekaný důsledek základní Lorentzovy transformace, tedy už citovanou rovnici, stanovící ekvivalenci masy a energie (jak čtenář postřehl, vzdal jsem se tady a v dalším pojmu hmoty; některé úvahy, k nimž směřuji, by jinak bylo těžké vyjádřit). Než o té ekvivalenci začnu uvažovat, musím však zmínit ještě jiný důsledek základních postulátů Einsteinovy speciální relativity – totiž ten, že snaha urychlit hmotný objekt až na rychlost světla by vedla k jeho nekonečné pohybové mase, což by si vyžádalo nekonečnou energii a nelze toho ovšem dosáhnout; konversně z toho ale také plyne, že částečky světla fotony musí mít nulovou klidovou masu, tedy prostě, že jsou nehmotné. Světlo tedy může být tak či onak vyzářeno (nebo pohlceno) masou, ale není její vlastností – je čímsi jiným, čirou energií.
Máme tu tedy na začátku toho století velkých objevů a převratů, které zcela změnily svět, dva souřadné principy projeveného bytí – na jedné straně masu, o níž jsme zkusmo nadhodili, že by mohla být jeho substancí; na druhé straně nyní nově energii, kterou můžeme zkusit chápat jako hybatele všeho jsoucího. Masa se může v tomto pohledu jevit jako pasivní základ, který může být nositelem toho aktivního principu, energie, jenž ale může být i bez ní. Trochu ta symetrie skřípe, ale je obnovena a zároveň trochu znejasněna Einsteinovým vztahem ekvivalence, E = mc2 (slovně vyjádřeno, energie rovná se mase násobené druhou mocninou rychlosti světla). Přes jeho prostou formu, není tak zcela samozřejmě jasné, co ten vztah vlastně znamená. Jsou masa a energie jen různé formy téhož? Je možné masu beze zbytku přeměnit na energii a naopak z čiré energie stvořit masu? Přes více, než sto let od prvního zveřejnění Einsteinova vztahu jsou odpovědi na tyto otázky stále předmětem diskuse a někdy velmi vyhraněných názorů, které – jak už to bývá – často ignorují argumenty protistrany. Věci bohužel nepomáhá, že díky novým poznatkům a teoriím sporné pojmy nenápadně mění obsah, takže je občas nejasné, o čem je vlastně řeč.
Einstein sám zřejmě na první otázku odpovídal kladně, snad s tím jemným rozdílem, že spíše než slova forma používal projev, což mohlo znamenat, že za či nad (jak si přejeme) masou a energií existuje něco, co v našich pozorováních vystupuje jednou jako masa, jindy jako energie. Co to něco může být? Někdo bez váhání odpoví, že jistě hmota, ovšem v tom filosofickém, ba dalo by se říct metafyzickém smyslu. To nás ironicky vrhá na začátek naší úvahy, ale to ovšem neznamená také její konec. Je tady koneckonců ještě druhá otázka a další, které pokusy o její zodpovězení vyvolají.
Poznání po Einsteinových objevech ovšem nezůstalo stát. Jeho pohyby byly pro masu a energii do určité míry komplementární: masa získala strukturu a energie zase pole. Začněme masou; protože se však v dalších úvahách nezbavíme ani energie, budeme spíše mluvit o hmotě, snad to nepovede k přílišnému matení. Že hmota má strukturu, byl zprvu empirický nález; že ale věda tu strukturu začala studovat a úporně v tom pokračovala přes vzrůstající odpor hmoty, čím více se poznání dralo do jejího nitra; že také v tom úsilí nepolevila, dokud na jednotlivých úrovních nenašla její stejné, jen jinak uspořádané stavební kameny, v tom všem byla určitá snaha intelektu, podobná tomu, jak nakládal už předtím se svými ideálními pojmy: snaha hmotu rozložit na jednoduché, abstrakcí uchopitelné prvočinitele, z těch potom hmotu zpětně myšlenkově vystavět a tím pochopit její obecnou povahu, skrytou pod jejími různými formami a projevy, které se nabízejí běžné zkušenosti.
Jak dnes zase každý ví, věda objevila napřed, že se hmota (v tom běžném smyslu, jak ji zkušenostně chápeme) skládá z molekul (k nimž se lze dostat pouhým rozpouštěním a ředěním). Ty ale – řečeno zjednodušeně – z atomů (na něž lze molekuly rozložit např. pouhým zahřátím, tedy dodáním běžně dostupné kinetické energie). Atomy se však ukazují být zase složeny z elektronových obalů (v nichž se v pro ně závratně velkém prostoru pohybují maličké elektrony) a mnohem masivnějších, i když prostorově nepatrných jader; k odhalení této struktury je už zapotřebí mnohem větší energie, odpovídající v kinetickém ekvivalentu mnoha tisícům stupňů Kelvina. Jádro (kromě vodíku) má zase strukturu, skládá se z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů, které od sebe oddělit už vyžaduje energetické rázy ekvivalentní skoro milionu stupňů. Zdálo se, že elektrony, protony a neutrony už nemají žádnou strukturu, pak byla odhalena nestabilita volného neutronu a nakonec, nejprve teoreticky (zásluhou Gell-Manna) a pak i experimentálně byla odhalena kvarková struktura všech hadronů (mezi nimi protonu a neutronu), jejíž rozrušení vyžaduje energie zase o nějaký řád vyšší.
To asi každý někde četl; ne každý si však asi uvědomí, že ten popis nese zřejmou signaturu naší abstrakce: máme na světě nedohledně mnoho věcí nebo dokonce i jejich druhů, ale jenom několik milionů druhů molekul, pouhých pár set druhů atomů (když počítám isotopy), čtyři běžné částice (včetně fotonů) a jen dva druhy kvarků v běžných hadronech. Je jistě možno prohlásit, že to tak prostě je (jak činí mnozí), nebo že složitost světa nelze jinak vyložit, než jako různé kombinace jednodušších částí. Nicméně – jak vysvětlíme tu závratnou rozmanitost světa na základě těch vždy stejných elektronů, protonů a neutronů? O tom by jistě bylo možno napsat celé knihy, řekněme tady ale jen, že celý výklad spočívá právě na představě dynamické struktury, která není jen rozmanitou kombinací jejích částic, ale na každé své hierarchické úrovni též kombinací jejich vzájemných interakcí a jejich pohybových stavů – tedy různých forem a projevů energie.
Ano, struktura hmoty vyžaduje energii stejně jako masu: ta energie, kterou musíme vynaložit k jejímu rozvratu na jejím daném stupni, je jenom zrcadlovým obrazem energie, která danou strukturní úroveň stabilizuje. Jenže i ta má svou vlastní strukturu, alespoň v představě, které jsme fyzikálně schopni. Vezměme nejjednodušší atom, tedy vodíku, v jeho základním stavu (tj. v nejnižší možné energii). Objem, v kterém se na své dráze s nejvyšší pravděpodobností maličký elektron pohybuje, je asi tisíckrát větší, než objem jaderného protonu. Fakt, že z té dráhy v tomto stavu nikam neuletí, je dán potenciální energií jeho elektromagnetické přitažlivosti s opačně nabitým protonem; že se ale pod vlivem té přitažlivosti jeho dráha nezhroutí a elektron nesplyne s protonem, je dáno tím, že ona potenciální energie je přesně vyrovnána s kinetickou energií jeho pohybu (na věci nic nemění, že ten orbitální pohyb formalismus kvantové mechaniky vyjadřuje vlnovou funkcí a obě energie příslušnými operátory). Podobně, jenom trochu složitěji, je tomu u větších atomů – a aniž bych zacházel do podrobností – i v složitějším atomovém jádře, kde je kinetická energie částic a jejich případná elektromagnetická odpudivost vyrovnána jejich silnou interakcí – a zase podobně i v nitru protonů a neutronů v chování kvarků. Když se to pokusíme shrnout, základní rysy struktury toho, co běžně nazýváme hmotou, obsahují hierarchii stále menších částic s odpovídající masou, ale současně architektura té struktury je tvořena stejně důležitou energií, jejíž vzájemná rovnováha je tím výše vypjatá, čím jsme hlouběji v nitru hmoty.
Pro další úvahy je třeba se vrátit v čase zpátky. Všichni jsme asi četli o tom, jak se – nejprve za účasti Einsteina, pak s jeho vzrůstající opozicí – rodila v prvních desetiletích minulého století kvantová mechanika. Rozpaky nad tou zvláštní dvojznačností, s níž se nejen světelná kvanta, ale i malé objekty s nenulovou klidovou masou jevily jednou jako částice, jindy jako vlnění, nebyly vlastně nikdy překonány – jen byly s příznačným pragmatismem fyziky odsunuty stranou, když se tu částicově-vlnovou povahu podařilo vtělit do přesného matematického popisu (zásluhou Schroedingera, Heisenberga a dalších). Úspěchy kvantové mechaniky ostatně byly pozoruhodné: v podstatě vysvětlila základy chemické struktury molekul a jejích přeměn a řadu dalších efektů, které se vynořovaly, jak postupovala experimentální fyzika. Ne ale všechny a to pohnulo Diraca (a po něm další) ke snaze spojit ji s teorií relativity, alespoň s tou speciální, která pracovala s hladkým časoprostorem. Hned na počátku se však vynořila další podivnost: Dirac předpověděl, že by elektron při zachování všech ostatních vlastností (masy, spinu) mohl mít i opačný, kladný náboj – a neuplynuly ani 4 roky, kdy takovou částici (nazvanou později positron) Anderson objevil v kosmickém záření. Později se ukázalo, že positron vzniká i na Zemi v některých druzích radioaktivního rozpadu, že také může existovat proton se záporným nábojem a ještě mnohem později byly na urychlovači na zlomky vteřiny připraveny dokonce atomy antihmoty z těchto podivných částic.
Proč antihmota? Inu, její částice jsou v jistém smyslu zrcadlové k těm, na něž jsme zvyklí na Zemi, ale nejen to: když částice potká svou antičástici, masa obou zmizí a místo nich vzniknou dva velice energetické fotony. Bilance masy a energie toho aktu přesně odpovídá Einsteinově rovnici ekvivalence, přesto někteří dogmatici popírají, že při něm došlo ke konverzi masy v energii – někteří jdou tak daleko, že přisuzují fotonům masu (alespoň tu pohybovou).
Tím se dostáváme obecněji k druhé otázce, kterou jsme v souvislosti s Einsteinem postulovanou ekvivalencí masy a energie položili – totiž k otázce možnosti konverze obyčejné masy na energii (a naopak). Je snad vhodné předem říct, že faktor c2 v uvedeném vztahu je obrovský, takže kompletní převedení významných množství masy na energii by znamenalo pravý Armagedon. Jen pro příklad, celá ta strašná energie výbuchu atomové bomby, která smetla Hirošimu, odpovídá podle Einsteinova vztahu jen 0.7 g klidové masy použitého uranu, jehož se štěpné reakce zúčastnilo asi 10 kg (z celkových 25 kg); patrně v tomto případě nešlo ani o konverzi masy, ale o uvolnění části silných interakcí, když uranová jádra přešla řetězovou reakcí na jádra lehčích prvků. Podobně je tomu při jaderné syntéze v termonukleárních zbraních, kde se naopak část energie silné interakce uvolňuje (a přeměňuje) při tvorbě těžších jader z isotopů vodíku.
Je třeba otevřeně říct, že kromě interakce s antihmotou neznáme kompletní konverzi masy na energii. Jsou známy notorické příklady jaderných reakcí, kde bilance podle standardní teorie vychází tak, že část klidové masy přešla na energii (jeden, nejčastěji uváděný, je reakce protonu s jádrem těžšího isotopu lithia, vedoucí ke dvěma jádrům helia). Byla by ale možná teoreticky? Dost rozšířený názor mezi fyziky je ten, že by to předpokládalo nekonečnou dělitelnost hmoty, jelikož energii, kterou bychom z masy vydobyli, bude vždycky energie pohybů a interakcí jejích stále menších částeček. Z toho je zřejmé, že Einsteinův názor ekvivalence masy a energie nebyl zdaleka přijat důsledně – skoro vždy je tu potřeba uchovat masu v její vlastní podobě.
Její důvod je zřejmě v jádře ontologický a připomíná zuřivé spory monismu a dualismu, které od věků sužovaly metafyziku. Pro fyzikálního monistu veškerý vesmír ve všech svých projevech je hmotný – a hmotu intuitivně ztotožňuje s masou; energie je jenom projev jejích vlastností, které mohou být rozličné, zatímco masa trvá.
Ten předsudek je do určité míry pochopitelný z historického hlediska, jelikož energie je přece jen novější pojem (i když bychom jisté náznaky toho principu našli už v starověkém myšlení – například onen Herakleitův blesk, který rozčlenil původní Jednotu). Pro mnohé myslitele energie neměla (a dodnes nemá) dostatečně fundamentální status něčeho samostatně hmotného či aspoň reálného. To se však počalo měnit myšlenkami Maxwella a v novější době Diraca, když založili pojem pole. To bylo něčím, co může trvat v časoprostoru a ovlivňovat hmotné částice potenciálem dané interakce. Dlužno říct, že kvantová teorie pole, která se začala hlavně v 50. letech budovat, byla schopna zahrnout jenom tři ze základních čtyř interakcí, tedy elektromagnetickou, slabou a silnou, zatímco s tou gravitační (tedy se zakřivením časoprostoru) si dodnes neví rady. Co dneska známe jako Standardní model, úspěšně popisuje povahu a interakci celkem 12 dosud známých elementárních částic, které mají masu, z toho 6 kvarků (z nichž jenom dva se vyskytují v protonech a neutronech) a 6 mnohem lehčích leptonů (z nichž jenom elektron se běžně vyskytuje v obyčejné hmotě). Interakce mezi nimi byly úspěšně popsány jako výměna částic, které nemají masu: fotonu pro elektromagnetickou interakci, 6 různých gluonů pro silnou interakci (která drží pohromadě složené částice i celé atomové jádro) a tři různé mesony pro slabou interakci (která hlavně ovlivňuje β-rozpad). Standardní model má však jednu zvláštnost: jeho rovnice, charakterizující fermiony (tedy leptony a kvarky), se ukázaly jako řešitelné (i po různých cvicích s tzv. renormalizací) jenom tehdy, když z nich byla vypuštěna masa dané částice. Fyzici s tou zvláštní obtíží na návrh Higgse a několika dalších autorů nakonec naložili zavedením předpokladu, že částice svou masu získává interakcí se zvláštním, tzv. Higgsovým polem, které je rozprostřeno po celém vesmíru (a svým ad hoc zavedením poněkud připomíná zlopověstný éter, vykázaný z fyziky o 60 let dříve). Nedávné nalezení Higgsova bosonu (nebo spíš částice, která má vlastnosti u toho bosonu očekávané), který má zprostředkovat tuto interakci, se považuje za potvrzení teorie. Jelikož nejsem odborníkem v této nesnadné oblasti fyziky, nemám dost argumentů, abych podložil svou intuitivní skepsi k tomuto řešení.
Tím méně se cítím povolán posuzovat alternativní teorii strun, která už přes půlstoletí slibuje vyřešit všechny fundamentální problémy fyziky a stát se tak – alespoň z toho hlediska – teorií všeho. Protože je i zde k dispozici řada popularizujících textů, stačí snad říct, že základní idea dosadila za poslední element veškeré hmoty jednorozměrný objekt (jakkoliv protismyslně to zní), jehož různé vibrační mody měly vést ke všem vlastnostem, jimiž se vyznačují elementární částice jako masa, náboj, spin, a také ke všem známým interakcím včetně té gravitační, s níž si do té doby kvantově-mechanický popis nevěděl rady. Jak si lze přečíst v různých textech, jeden prostorový rozměr brzo nestačil, bylo jich stále víc, až se jejich počet snad ustálil na závratných jedenácti rozměrech (z nichž 7 si máme představit jako svinuté kolem os čtyřrozměrného časoprostoru). Ze strun tak byly brzy mnohorozměrné membrány (neboli D-brány) a není třeba ani říkat, že názornost tohoto popisu je ještě mnohem menší, než jiné výboje moderní fyziky. Ostatně nebyl jenom jeden popis, ale přinejmenším pět hlavních. Výkon Wittena, který v roce 1995 prokázal jejich vzájemnou ekvivalenci a vybudoval sjednocující M-teorii, byl jistě úctyhodný, ale nestačil na to, aby poskytl opravdu věrohodný popis veškeré fyzikální reality. Od té doby se na té teorii stále pracuje, ale – přes obrovský intelektuální potenciál do ní vložený a řadu dílčích zajímavých výsledků – se nezdá, že by spěla ke konečnému vítězství. Opravdu spojit kvantovou mechaniku s Einsteinovou teorií gravitace se zdá být nad síly dnešních fyziků.
To všechno snad nebylo ani nutno takto rozvádět, kdyby nebylo faktu, že celý bohatě rozvětvený přístup strunové teorie implicitně předpokládá kvanta energie jako fundamentální elementy veškeré hmoty. Jako i ve Standardním modelu (i když jinak), masa je vlastně něco druhotného. To je snad hodno aspoň zaznamenání.
Ani Standardní model ani M-teorie a její novější extenze si nemohly lichotit, že jsou snad teorií všeho, do toho měly ještě daleko; nicméně jejich relativní úspěchy živily optimismus, že už alespoň rámcové pochopení fyzikální reality nemůže být daleko. Ale jako v oné anekdotě o moudrém rabínovi, další poznání přineslo téměř zdrcující zjištění, že je v jistém smyslu všechno jinak, než se myslelo. Oběžné dráhy hvězd v bližších galaxiích, jež se astronomové naučili měřit s pozoruhodnou přesností, významně neodpovídají gravitačnímu působení viditelné hmoty, ať už podle Newtonovy nebo Einsteinovy fyziky. Zdá se, že buďto ve velkých měřítcích neplatí námi uznávané pohybové zákony (což ale jiná pozorování vyvracejí), nebo je ve vesmíru přítomna nějaká temná hmota, kterou nevidíme a o které nic nevíme; co horšího, oné neznámé hmoty by mělo být asi pětkrát víc, než té viditelné, jíž se zatím zabývala naše fyzika. Nebudu citovat divoké teorie, které se ji snaží vysvětlit, jelikož zřejmě postrádají jakýkoliv základ kromě fantazie svých autorů.
Tím ale svízel fyzikální kosmologie zdaleka nekončí. Že se vesmír rozpíná (což znamená, že přibývá jeho prostoru), se ví už od 20. let – konečně tento fakt vedl k představě Velkého Třesku (jakkoliv tato hypotéza je dnes opřena o závažnější doklady); že se však toto rozpínání stále urychluje, o tom astronomy přesvědčila až poměrně nedávná měření. Podle interpretace, značně sdílené mezi kosmology, tento jev musí být efekt neznámé temné energie, vlastní nikoliv té či oné hmotě, ale samotnému prostoru.
Energie prostoru? To jsme už daleko od sporů o to, zda je možná energie, která by nebyla vlastností hmoty resp. masy. Jakkoliv připustíme, že se třeba fotony Velkého Třesku zrodily spolu s kvarky v první tisícině vteřiny a některé z nich unikly do toho, co dn