v poznání je síla
ročník 91 (142) • první číslo vyšlo roku 1871 •
2012 /9
5,10 € • 94 Kč
kosmické počasí
nejdéle trvající
vědecký experiment
strojový překlad
organická
fotovoltaika
60 let
Matfyzu
60 let
Matfyzu
Jan Valenta
Malá galerie
vědeckého obrazu
na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze
…je to mnohdy právě věda a technika, která nám odhaluje nové pohledy na náš
„okoukaný“ svět a nabízí tak výtvarníkům netradiční prostředky k novému vyjádření myšlenek a dojmů.
Jan Schlemmer
„Hledání krásy jistě není hlavním úkolem exaktních věd. Přesto přináší poznávání přírody i estetické prožitky. Zdá se,
že příroda je udělána nejen tak, že může být lidmi poznávána, ale zároveň i tak,
že jim poskytuje libé pocity z nacházení
krásy. Radost z poznání tak jde ruku
v ruce s prožitkem krásy. Krása je skryta v elegantní struktuře stavby přírody,
v jejích symetriích, harmonii a účelnosti.
Estetická hodnota byla třeba Einsteinovi kritériem při posuzování pravdivosti
možných teoretických modelů.
Nové vědecké poznatky vědci sdělují světu v článcích a přednáškách; estetický prožitek si však nechávají většinou
pro sebe. Jako by se styděli o něm mluvit,
aby to nevypadalo, že se nechávají rozptylovat nepodstatnými věcmi. Nové nápady a neotřelé pohledy však obvykle nemohou vzniknout rigorózním rozvíjením
stávajících poznatků, a jedním ze zdrojů
inspirace pro nové nápady může být třeba krásno a snaha najít elegantní, jednoduché, symetrické atd. teorie pro popis
přírody. Zobrazení přírodních krás také
pomáhá propagaci vědy a získávání nových adeptů pro poslání badatele.“
Výše uvedenými myšlenkami byl
roku 2004 motivován vznik Malé galerie vědeckého obrazu na chodbě budovy děkanátu Matematicko-fyzikální fakulty UK, hned vedle
knihovny. Od té doby zde bylo uspořádáno více než 40 výstav (přibližně
6 ročně), které měly studentům
a ostatním kolemjdoucím představit
„krásnou“ stránku vědeckého poznání, historii vědy nebo také umělecká díla inspirovaná či umožněná vědeckými metodami. Věříme, že tyto
výstavy mohou být inspirací pro studenty, oživením pracovního prostředí pro zaměstnance i příspěvkem
k rozptýlení falešných představ o nezáživnosti matematiky, fyziky a dalších věd v očích veřejnosti.
Na obálce: Interference světla na kapalné
membráně (viz rovněž snímky na s. 491
a 496). Snímky © Jan Valenta, k článkům
v tomto čísle věnovaném Matematicko-fyzikální fakultě.
470
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
Doufáme, že se nám bude nadále
dařit hledat a objevovat nová zajímavá témata a autory (náměty od široké
veřejnosti jsou vítány). Možností pro
budoucí rozvoj je hodně; vše však zatím závisí na časových možnostech
kurátora galerie. Především by bylo
hezké zvýšit „impakt“ výstav tím, že
by se dostaly k očím širší veřejnosti. Některé projekty již byly zapůjčeny a představeny na jiných místech
v Praze (v Heyrovského ústavu či na
prezídiu Akademie). Ideálem by bylo
vytvoření jakéhosi „konsorcia“ výstavních prostor, kde by se výstavy systematicky „recyklovaly“. Jednotlivým
projektům by se pak mohla věnovat
větší péče a vyplatilo by se investovat
do kvalitní adjustace obrazů. Snad se
tento sen podaří jednou realizovat.
Základní data o Malé galerii
vědeckého obrazu MFF UK
Zahájení činnosti: 6. prosince 2004 (vernisáž výstavy matematické grafiky Jaromíra Blažka).
Počet výstav: průměrně 6 výstav ročně;
v roce 2013 proběhne 50. výstava (informace o všech výstavách jsou na webové
stránce galerie).
Někteří vystavující autoři: Jaromír Blažek
(2004), Martina Balzarová (2010), Miloslav Druckmüller (2010), Pavel Kantorek
(2005), Štěpán I. Kovář (2006), Josef
Reischig (2005), Roman Sejkot (2007),
Pavel Scheufler (2009 a 2011), Viktor Sýkora (2008), Vladimír Vondrejs (2007),
Pavla Vrbo­vá (2007 a 2009), František
Weyda (2006) a další.
Nejnáročnější vlastní projekty: Laserový portrét – výstava k 50 letům laseru
(2010), 150 let Jednoty českých matematiků a fyziků (2012).
Technické parametry: Rozměr – stěna
o šířce 9 m; univerzální závěsný systém
a nastavitelné osvětlení.
Adresa: Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze, Ke K
­ arlovu 3, Praha 2, budova ­děkanátu 1. patro.
Otevírací doba budovy: pracovní dny
6–20 hodin.
Webové stránky: http://www.mff.cuni.
cz/verejnost/mgalerie.
Kurátor: Jan Valenta, Katedra chemické
fyziky a optiky, MFF UK, Praha 2, e
­ -mail:
[email protected]
úvodník
Ivan Boháček
Potřebujeme
astronomy či fyziky elementárních částic?
Rozumný člověk se přizpůsobí světu,
nerozumný člověk očekává, že svět se přizpůsobí jemu.
Takže veškerý pokrok závisí na nerozumných lidech.
G. B. Shaw, citováno
dle Johna Womersleye
Během finanční krize je třeba šetřit. Jak to je s výzkumem? Proč potřebujeme ve finanční krizi astronomy či fyziky elementárních částic?
Záměrně jmenuji obory, u nichž lze
jen těžko mluvit o přímých aplikacích. Potřebujeme se účastnit nákladných evropských projektů typu
ITER či budovat zařízení typu ELI,
­CEITEC ap.?
Podobný problém řeší při navrhování rozpočtu také ve Spojených státech, kde k velké lítosti fyziků vysokých energií byl nedávno po více
než dvou dekádách ukončen provoz
urychlovače Tevatron, na němž byl
kromě jiného objeven top-kvark. Na
konferenci konané při této příležitosti John Womersley rekapituloval
přínos tohoto nákladného zařízení pro ekonomiku Spojených států.
Sledujme stručně jeho úvahy. Stavba
urychlovače stála dvě miliardy dolarů (všechny údaje jsou přepočteny na hodnotu dolaru v roce 2012),
jeho provoz stál další dvě miliardy.
Na straně výdajů jsou tedy čtyři miliardy. Co lze uvést na straně přínosů? Během jeho provozu se na Tevatronu vyškolilo 1414 doktorandů.
Americký Census Bureau (obdoba
našeho Státního statistického úřadu) uvádí, že člověk s Ph.D. přinese
do ekonomiky o 2,8 milionu dolarů
více než absolvent bez doktorátu.
V tom případě tedy jen vyškolení doktorandů přineslo do americké ekonomiky 3,96 miliardy dolarů.
Womersley tento argument poněkud
zlehčil námitkou, že stejné množství
doktorandů by bylo možné vyškolit
levněji jinde.
V souvislosti s Tevatronem však
došlo k masivnímu rozvoji technologie supravodivých magnetů. Následoval rozvoj zobrazování magnetickou rezonancí. Dnes se hodnota
průmyslu spojená se supravodivý-
mi magnety oceňuje na 1,5 miliardy
dolarů ročně a hodnota průmyslu
spojeného se zobrazováním magnetickou rezonancí na 5 miliard dolarů ročně. Je to průmysl, k jehož rozvoji by tak jako tak dříve či později
došlo. Womersley odhaduje, že pokud Tevatron urychlil rozvoj těchto
technologií o pouhých jeden až dva
roky, může si připsat přínos 5 až 10
miliard dolarů.
Tím však stimulační vliv Tevatronu ještě není zdaleka vyčerpán. Nároky fyziků na zpracovávání stále větších objemů dat vedly k řadě
průkopnických kroků v oblasti výpočetní techniky. Kdo ještě ví, co
byl MikroVAX? A že ve spojitosti
s Tevatronem došlo k rozvoji něčeho, co dnes známe pod termínem
počítačové farmy? V prvním období zpracovávaly data Tevatronu počítačové farmy pod operačním systémem Unix. Poté, co na výstavě
doprovázející konferenci Supercomputing 1997 Fermilab představil své
počítačové farmy, navštívili Fermilab Linux Thorvald a Robert Young.
A nejspíše nepřekvapí, že již v dalším roce byl k dispozici operační
systém Fermi Linux. Tím ale výpočetní technika nekončí.
Kdo má ta obrovská kvanta dat
zpracovávat? Vznikla koncepce výpočetní služby – data se posílala po síti do řady spolupracujících
univerzit a po zpracování zase zpět
do Fermilabu. Není zapotřebí mít
veškerou výpočetní kapacitu „doma“. A nejen to – cloud computing* je pro laiky poněkud mlhavý pojem, přestože v nějaké formě
jej často využívá téměř každý, kdo
pracuje s počítačem (prostor pro
naše data nám zpravidla poskytují neznámé servery v síti, a stejně
tak řadu služeb, např. Skype). Vraťme se však k přínosům Tevatronu.
Womersley si je vědom, že to vše by
vzniklo i bez Tevatronu a že ten nebyl jediným stimulem rozvoje. Proto v tomto případě odhaduje zásluhy na urychlení těchto služeb na
pouhé tři měsíce. Avšak vzhledem
k tomu, že podle některých odhadů
vnese cloud computing do ekonomiky přes 150 miliard ročně, byl by
přínos Tevatronu téměř 40 miliard.
Velice zhruba spočtené skóre Tevatronu činí tedy 4 miliardy nákladů
proti 50 miliardám přínosů do ekonomiky.
Technologické požadavky velkých
projektů astronomie, fyziky elementárních částic a mnohých dalších
jsou v Shawově smyslu nerozumné.
Seznam objevů a vynálezů, ke kterým vedly, je však předlouhý, je jich
mnohem víc, než zde lze uvést.
John Womersley své úvahy uzavírá (volně přeloženo): Vliv a důsledky velkých vědeckých projektů jsou zejména v ekonomicky těžkých obdobích
důležitým argumentem, který musíme
vznést. Důsledky jsou zpravidla dlouhodobé a nepředvídatelné, takže jediný
způsob, jak argumentovat ve prospěch
budoucích investic, je podívat se na
přínosy minulých projektů. A bylo by
hezké, kdyby to někdo udělal důkladněji, než jsem to udělal v případě Tevatronu. Seznam těch přínosů je rozsáhlý.
Pochopitelně tato velká zařízení nestavíme kvůli vedlejším přínosům. Máme
je vysvětlit, být na ně pyšni a přijímat
za ně chválu. Přínosy jsou velmi důležitá součást ospravedlnění velkých investic. Proto když se vás politici zeptají „A co to udělá s trhem pracovních
příležitostí?“, neříkejte, že nic. Jak bylo
řečeno, vliv [těchto investic] je dlouhodobý a nepředpověditelný. Proto
neslibujme, ale argumentujme tím, co
se již stalo.
Pod to bych se s radostí podepsal.
Jen mne znepokojuje, že podobné
argumenty by bylo možno uvést ve
prospěch války.
Ö
*) Poněkud se zdráhám překládat tento termín jako obláček, veřejný obláček, soukromý obláček, komunitní obláček (viz http://
cs.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing).
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
471
Snímek © Jan Valenta.
časopis akademické obce
9/2012 v poznání je síla
12 čísel ročně ISSN 0042-4544
evidenční č. MK ČR E 896
Vydává Vesmír, s. r. o., Na Florenci 3, 110 00 Praha 1
Tel.: 222 828 393, 394, 395, Fax: 222 828 396
E-mail: [email protected], WWW: http://www.vesmir.cz
Nakladatelství zastupují jednatelé:
Ivan Boháček, Stanislav Vaněk
Šéfredaktor: doc. Ing. Ivan M. Havel, Ph.D.
Redakce:
Mgr. Ivan Boháček, vedoucí redakce ([email protected])
Marta Imrová Ciranová ([email protected])
Mgr. Pavel Hošek ([email protected])
Mgr. Rita Kindlerová ([email protected])
Eva Lorencová ([email protected])
RNDr. Stanislav Vaněk ([email protected], 723 691 462)
Zora Göthová ([email protected])
Grafická úprava: Pavel Hošek
obsah
Redakční rada:
Malá galerie vědeckého obrazu • Jan Valenta . . . . . . . . . . . . . . 470
Potřebujeme astronomy či fyziky
elementárních částic? • Ivan Boháček. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
75 let od úmrtí TGM • Miloslav Petrusek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
Statistika v identifikační genetice • Daniel Vaněk. . . . . . . . . . . . . 481
Pár nových a mnoho „nových“ savčích druhů
z minulého roku • Jan Robovský . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
60 let MATFYZU
Zářné zítřky
matematického modelování • Tomáš Roubíček. . . . . . . . . . . . 484
Strojový překlad • Ondřej Bojar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
Jak předpovídat kosmické počasí • Jana Šafránková,
Zdeněk Němeček, Lubomír Přech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
Modelování atmosférické turbulence • Jan Bednář,
Josef Brechler, Vladimír Fuka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
Nejdéle trvající
vědecký experiment • Josef Málek, Vít Průša . . . . . . . . . . . . . . . 502
Membránové transportéry, buněčné brány • Dana Gášková,
Jaromír Plášek, Roman Chaloupka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
Organická fotovoltaika • Jiří Toušek, Jana Toušková. . . . . . . . 508
Pár sekund k dobru • František Gallovič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
Lingvistika na matematicko-fyzikální fakultě • Jan Hajič,
Barbora Hladká, Jarmila Panevová. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
Mikroskopy se superčočkami • Jaromír Plášek . . . . . . . . . . . . . 531
Werner Heisenberg
v době nacistického Německa • Filip Grygar. . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
Co mne přivedlo k vědě • John Bahcall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
Fotovoltaické vidění • Jan Valenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
Žena jako tvůrkyně • Vendula Hnídková . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
RECENZE
John D. Barrow: Vesmírná galerie
(Klíčové obrazy v dějinách vědy) • Jiří Langer. . . . . . . . . . . . . . 535
Eugen Strouhal: Profesor Čeněk Strouhal
– Zakladatel české experimentální fyziky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
Z příštích čísel
Jetel luční • Bílé nosy u nás • Tetování
ve starém Egyptě • Fried­
rich Justin
Bertuch • Chagasova choroba •
Vakcíny pěstované v rostlinách
(příští číslo vyjde 4. 10. 2012)
472
pravidelné rubriky
Úvodník471
Fórum čtenářů
473
Aktuality476
Nad knihou
535
Výtvarná příloha
542
Vesmír 91, Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
prof. MUDr. M. Anděl (medicína)
prof. Dr. & RNDr. I. T. Budil (antropologie)
RNDr. V. Cílek (geologie)
doc. RNDr. J. Černý (biologie)
prof. MUDr. F. Čiampor (virologie)
doc. RNDr. V. ­Ferák (molekulární biologie)
doc. RNDr. J. Fiala (matematika, umění)
prof. RNDr. J. Flegr (biologie)
Dr. & RNDr. D. Frynta (biologie)
RNDr. E. Ginter (výživa)
doc. Ing. I. M. Havel, Ph.D. (kognitivní věda)
prof. RNDr. Z. Herman (chemie, fyzikální chemie)
prof. MUDr. C. Höschl (medicína)
Ing. František Houdek (vědní publicistika, chemie)
prof. Ing. P. Jirounek (neurofyziologie)
Mgr. J. Kolář, Ph.D. (botanika)
prof. RNDr. S. Komárek (filozofie vědy)
prof. RNDr. R. Kotecký (fyzika, matematika)
prof. RNDr. P. Kulhánek (fyzika)
doc. RNDr. J. Langer (fyzika)
prof. RNDr. O. Lapčík (biochemie)
doc. M. Lipoldová (molekulární biologie)
RNDr. V. Ložek (paleontologie, geologie)
PhDr. V. Maxová (publicistika)
prof. RNDr. L. Miklós (ekologie)
prof. RNDr. J. Palouš (astronomie)
prof. Ing. J. Petr (biologie)
Mgr. P. Pokorný, Ph.D. (paleontologie)
Mgr. C. Říha, Ph.D. (architektura, urbanismus)
RNDr. J. Sádlo (botanika)
prof. MUDr. V. Schreiber (medicína)
doc. RNDr. P. Slavíček, Ph.D. (chemie)
doc. Dr. D. Storch (ekologie)
prof. MUDr. J. Syka (lékařské vědy)
RNDr. P. Šíma (imunologie)
doc. Dr. Ing. O. Šráček (geochemie, geologie)
MUDr. Jan Trnka (medicína)
Mgr. M. Vácha (etika)
doc. Ing. Z. Vašků (zemědělství)
prof. RNDr. B. Velický (fyzika)
doc. Ing. Š. Vilček (molekulární biologie)
prof. RNDr. F. Vyskočil (fyziologie)
RNDr. V. Wagner (fyzika)
prof. RNDr. J. Zrzavý (biologie)
Inzerce: Miluše Kukačková, mobil: 604 952 140,
e-mail: [email protected], tel./fax: 475 211 639
Předplatné:
SEND Předplatné, P. O. Box 141, 140 21 Praha 4,
tel.: 225 985 225, 777 333 370, 605 202 115,
e-mail: [email protected], www.send.cz
předplatné na rok / půl roku 930 Kč / 480 Kč
cena čísla ve volném prodeji
94 Kč cena jednoho čísla pro předplatitele 85 Kč
Distribuce:
Marie Voráčková ([email protected]), tel.: 222 828 394
Volný prodej:
Rozšiřují společnosti PNS, a. s.
Ve Slovenské republice rozšiřují (stánky prodej 5,10 €)
Pro předplatitele 4,90 €: Mediaprint Kapa – OIFP, oddelenie
inej formy predaja, Vajnorská 137, P. O. BOX 183, 830 00
Bratislava 3, tel.: 00421 (2) 4445 8821, (2) 4445 8816, zelená
linka 0800188 826, e-mail: [email protected]
Pro předplatitele 3,82 €: Magnet Press Slovakia, s. r. o.,
Šustekova 8, 851 04 Bratislava, tel.: 00421 (2) 67 201 931–33,
fax: 67 201 910 a 20, 67 201 930, e-mail: [email protected]
Sazba: Vesmír, s. r. o. (na skenech se podílí Thalia picta, s. r. o.,
Kloknerova 24, 140 00 Praha 4, tel./fax: 272 732 444)
Předtisková příprava a tisk:
Serifa, s. r. o., Jinonická 80, 158 00 Praha 5, tel. 257 290 405
Redakční uzávěrka: 9. 8. 2012, vychází 6. 9. 2012
Nevyžádané rukopisy nevracíme.
Vesmír vychází s podporou NČLF.
© Vesmír, s. r. o.
Žádná část tohoto časopisu nesmí být kopírována a rozmno­
žována za účelem dalšího rozšiřování v jakékoli formě či ja­kýmkoli
způsobem bez písemného souhlasu vlastníka autor­ských práv.
Vydavatel nenese odpovědnost za údaje a názory autorů jed­
notlivých článků ani inzerce, včetně inzerce vkládané.
VESMAD 91 (9) 469–544 (2012)
76 stran
První Číslo vyšlo 3. května 1871
Soudržnost vědecké obce
Nikdy jsem si nemyslel, že přijde
chvíle, kdy se rozhodnu napsat do­
pis redakci časopisu, jehož jsem
dlouholetým a víceméně pravidel­
ným čtenářem. Necítím se k tomu
oprávněn, protože většina příspěv­
ků ve Vesmíru je svou úrovní mi­
mo moji možnou kritiku, ale po se­
známení s obsahem čísla 5/2012 si
myslím, že je tam obsažen, jistě jen
kouzlem nechtěného, vztah a infor­
mace, ke které se chci vyjádřit.
Již úvodník (Vesmír 91, 251, 2012/5)
upozorňuje na dvojici článků týkající
se hodnocení díla Petra Pokorného
Neklidné časy (Vesmír 91, 305, 2012/5
a 91, 307, 2012/5). Nebudu úroveň
obou příspěvků komentovat, protože
je napsali jistě po zralé úvaze lidé vel­
mi vzdělaní, hlásící se k elitě této spo­
lečnosti, a proto jsou mé prvo­plánové
laické asociace s pavlačí jistě mylné
Knihy došlé do redakce
lPetr Weiss a spol.: Etické otázky v psychologii, 350 stran, Portál, Praha 2011,
ISBN: 978-80-7367-845-6
lRuthellen Josselson: Irvin D. Yalom –
O psychoterapii a lidském bytí, 152 stran,
Portál, Praha 2008, ISBN: 978-80-7367533-2
lKaren Armstrongová: Velká transformace (Svět v době Buddhy, Sokrata, Konfucia a Jeremiáše), 484 stran, Academia,
Praha 2012, ISBN: 978-80-200-2085-7
lJiří A. Svoboda: Počátky umění, 336
stran, Academia, Praha 2011, ISBN: 97880-200-1925-7
lJean-Paul Sartre: Sešity z podivné války (září 1939 – březen 1940), edice Paměť,
sv. 46, 656 stran, ­Academia, Praha 2012,
ISBN: 978-80-200-2052-9
lEvžen Strouhal: Profesor Čeněk Strouhal (Zakladatel české experimentální
fyziky), edice Paměť, sv. 50, 296 stran,
Academia, Praha 2012, ISBN: 978-80­
200-2052-9
lPeter J. Richerson, Robert Boyle: V genech není všechno (aneb Jak kultura změnila evoluci člověka), edice Galileo, sv. 51,
408 stran, Academia, Praha 2012, ISBN:
978-80-200-2066-6
lPeter Atkins: Čtyři zákony, které řídí
vesmír, edice Galileo, sv. 54, 102 stran,
Academia, Praha 2012, ISBN: 978-80200-2108-3
lIvo Kraus: Fyzikové ve službách průmyslové revoluce, edice Galileo, sv. 52,
284 stran, Academia, Praha 2012, ISBN:
978-80-200-2087-1
l
Niels Henrik Abel: O alegebraických rovnicích, 6. svazek edice Prameny evrop­ské vzdělanosti, 150 stran, OPS
ve spolupráci se Západočeskou univerzitou, Plzeň 2011, ISBN: 978-80-87269-23-7
a 978-80-261-0042-3
a dané tím, že nejsem dost vzdělán,
abych pochopil vysokou úroveň zve­
řejněné polemiky.
Nicméně se nemohu ubránit, abych
se nezamyslel nad tím, zda nevalná
pozice české biologické vědy v po­
rovnání s Evropou, tak jak je zmíně­
na v příspěvku bezprostředně před­
cházejícím (pozn. red.: v článku V.
Hořejšího a J. Lukeše: Jak jsou na tom
biologické vědy v porovnání s Evropou,
Vesmír 91, 302, 2012/5), vysoké de­
batě o díle Neklidné časy nesouvisí
právě se vztahy mezi příslušníky vě­
decké obce. Kladu si otázku, zda vy­
soký rating relativně malých států
není dán tím, že se tam vědci navzá­
jem podporují, utvářejí širší, věkově
i odborně pestré týmy, jejichž členo­
vé berou úspěch jednoho z nich jako
úspěch svůj a jsou připraveni jej pod­
pořit. Nedostatek podobné sounále­
žitosti a důvěry mezi naší vědeckou
komunitou nemohou nahradit žád­
né peníze. Ty mohou možná zlepšit
technické i administrativní podmín­
ky vědecké práce, ale klíčovým fakto­
rem zůstane vždy schopnost lidí, je­
jich vzájemné vztahy a společné cíle.
Dovoluji si doufat, že ­
redakční ra­
da Vesmíru připustila plýtvání vzác­
ným mediálním prostorem na vyso­
kou debatu vědeckých elit o osobních
ani­mozitách právě proto, aby v návaz­
nosti na článek o postavení biologic­
ké vědy dal Vesmír obecnější odpověď
na to, proč tomu tak je. Je to odpověď
nejen na otázku postavení biologické
vědy, ale i české vědy, ekonomiky, po­
litiky a společnosti jako celku.
V každém případě chci za takovou
ilustrativní odpověď upřímně podě­
kovat.
Ladislav Žák, [email protected]
Open access časopisy: není všechno zlato, co se třpytí
Asi se to stalo mnohým z nás. Po
vydání našeho prvního odborné­
ho sdělení v nějakém mezinárod­
ním časopise jsme jako juvenilní
přeborníci vědy přispěchali pochlu­
bit se rodičům. Ro­diče, neodchova­
ní prapodiv­ným světem pravidel vě­
dy, téměř s jistotou položili obligátní
otázku: „Kolik ti za ten článek v ča­
sopise zaplatili?“ Nastala dlouhá fá­
ze vysvětlování, jak to vlastně cho­
dí a že věda není žádná novinařina,
a tudíž se za to ani nemůže platit.
Teď se myšlenkově přesuňme o pár
let dopředu do pomyslné doby, kdy
světu vědy kralují tzv. open access ča­
sopisy – tj. časopisy, kde má přístup
k jejich obsahu kdokoliv na světě, ale
autoři musí platit nemalé částky za
uveřejnění odborných sdělení. Mladý
badatel přijde domů a rodičům uká­
Fórum čtenářů
forum [lat.], náměstí v městech řím.
říše… přeneseně veřejné místo, kde
lze o něčem jednat, hlásat své názory,… (Ilustrovaný encyklopedický
slovník)
Není-li předem dohodnuto jinak, kterýkoli
dopis došlý do redakce může být publikován buď celý, anebo ve zkrácené podobě
v časopise i na webu. Redakce si vyhrazuje
právo běžného redigování. Dopisy reagující na příspěvky externích autorů redakce
zasílá dotyčným autorům k vyjádření.
Pokud na ně v rozumném termínu nedostaneme odpověď, publikujeme je bez
odpovědi autora příspěvku.
Redakce
Inzerce & komerční prezentace
Analogon540
ARCDATA PRAHA, s. r. o.
485
ČEPS, a. s.
528–529
Eppendorf Czech
& Slovakia, s. r. o.
530
Fyziologický ústav AV ČR, v. v. i. 527
Matematicko-fyzikální
fakulta UK
513–522
Přírodovědecká fakulta MU
497
Student Agency
507
Technická univerzita v Liberci
475
Thalia picta
476
Vydavatel nenese odpovědnost
za obsah inzerce či komerční
prezentace.
Předplatné
Vesmíru
zajišťuje
SEND Předplatné
P. O. Box 141, 140 21 Praha 4
Telefon: 225 985 225,
777 333 370, 605 202 115,
všední den 8–18 hodin,
e-mail: [email protected],
www.send.cz,
SMS: 777 333 370,
605 202 115
předplatné:
roční
půlroční
dvouleté
roční pro držitele karty
ISIC, ITIC nebo ALIVE
930 Kč
480 Kč
1680 Kč
744 Kč
Ceny jsou platné od 1. 10. 2011 do 30. 9. 2012
Upozornění:
Informace o předplatném
ve Slovenské republice
je uvedena v tiráži.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
473
že v tabletu svou elektronickou1 verzi
první vědecké práce. A ejhle, teď už je
to mnohem složitější vysvětlit, že ne
časopis, ale já jsem ten, kdo zaplatil
1350 £ za uveřejnění mé práce. Teď se
budu ohánět argumentem, že kdokoliv na celém světě si přece může volně
stáhnout z internetu moji práci, a to
za tu cenu určitě stojí.
Za úspěchem open access modelu publikování stojí souhra několika
okolností. Jednak je to rozvoj internetu a s tím spojených elektronických verzí článků ve formátu pdf.
Dále je to stav jakési frustrace vědců
z globalizace, která postihla i světová
vědecká vydavatelství. Důsledkem je,
že od devadesátých let 20. století se
kumulují časopisy do několika málo
nadnárodních vydavatelství2, a s tím
je údajně spojen i diktát předplatitelských cen. Předplatné bývá obzvláště pro knihovny velice vysoké. Za třetí je často slyšet argument, že volný
přístup k pracím je obzvláště důležitý pro rozvojový svět, kde knihovny
nemají peníze na drahé předplatné
„západních“ časopisů. Takže publikováním v tomto modelu vlastně
i pomáhám. Toto je ale velmi zavádějící tvrzení, protože ono je sice hezké, že si etiop­ský výzkumník může
volně přečíst všechno z open access
časopisů, ale ve chvíli, kdy tam sám
chce něco objevného poslat, kde vezme pro něj závratné částky na uhrazení publikačního poplatku? Celý
systém tak naopak paradoxně vytváří z výzkumníků v rozvojových krajinách čitatele, ale ne hybatele vědy.3
1) Celosvětově klesají časopisům počty tištěných předplatných,
kdežto online verze jsou na vzestupu.
2) Ostatně akviziční politika globálních hráčů se nevyhnula v roce 1992 ani ISI ve Filadelfii (provozují citační databázi Web of
Knowledge), kdy firmu koupil dnešní Thomson Reuters.
3) Viz např. Gadakar R. 2008: Nature 453: 450, doi: 10.1038/
453450c.
Errata et Corrigenda
Vesmír 91, 399, 2012/7 v textu v rámečku DARPA Challenge vypadlo
z vysvětlení zkratky DARPA slovo
Research.
Vesmír 91, 389, 2012/7: V článku Jaromíra Kutíka, v předposledním odstavci na s. 390 je věta: „Přitisknuté vaky tvoří agregáty zvané grana
a především v nich jsou lokalizovány
částice PS 2, které nepřitisknuté vaky
grana propojují.“ Omylem se do ní
vloudila spojka „které“. Souvětí dává
správný smysl bez onoho slova a říká, že v granech tvořených přitisknutými tylakoidními vaky se především
vyskytují částice PS 2, a že nepřitisknuté tylakoidní vaky grana propojují.
Autorovi i čtenářům se omlouváme.
474
Za čtvrté jsou vědci jenom lidé a pro
lidi je charakteristické nechat se strhnout módními trendy.
Poslední významnou okolností je
nebývalá globální expanze počtu vědeckých pracovníků. Starší badatelé
nezřídka glosují, že kdysi znali téměř
všechny kolegy v oboru osobně,
kdežto dnes se to na konferencích jenom hemží početnou a jim neznámou
omladinou. Výsledkem je jakási anonymizace vědy. V minulosti bývalo
téměř pravidlem, že vědecké časopisy
vydávaly pouze odborné společnosti. Bylo takřka posvátnou povinností být členem té či oné učené společnosti. Dle okolností daná společnost
časopis buď dotovala a svým členům
poskytovala za symbolické předplatné, anebo v úrodných letech časopis
nesl zisk do pokladny společnosti.
Tento zisk se dále přerozděloval mezi členy různými formami grantů nebo stipendií. U velkých open access
časopisů je vydávání založeno téměř
výlučně na podnikatelském modelu ziskovosti. Chce se to jenom podívat, kolik z těchto časopisů nabízí autorům z rozvojových zemí možnost
odpuštění publikačních poplatků.
Stručně řečeno, zaplatím a někde
na webu bude volně viset moje práce. Nic víc. Z dlouhodobého hlediska
se jeví jako perspektivnější, obzvláště pro mladé vědce, aby byli členy
svých oborových odborných společností, a podporovali tak periodika
svého spolku. Téměř všechny společnosti poskytují svým členům něco, co
open access časopisy nikdy nemohou
dát: pocit, že jsou součástí nějaké obdobně smýšlející komunity, různá cestovní stipendia, malé členské granty
na vlastní projekty, aktuální zpravodaje o dění v oboru a mnoho dalšího,
co nespadá do zpeněžitelné kategorie. No a tomu, kdo má zájem, téměř
všechny odborné časopisy učených
společností nabízejí i možnost, aby
článek vyšel v kategorii open access.
Když už tedy platit, je dobré zamyslet
se nad tím komu.
Peter Adamík
„Kdo byl Anton Alois Palliardi“
Ad Vesmír 91, 448, 2012/7.
Komárkův text ve Vesmíru, v němž
upozorňuje na poněkud pozapomenuté ornitologické dílo věnované avifauně tehdejších Čech, je do značné
míry shodný s textem v jeho knize
„Ptáci v Čechách v letech 1360–1890“
(Academia 2007). Totožné jsou i jeho interpretace historických údajů
a srovnání s dnešním stavem avifauny.
V tom tkví ale potíž obou Komárkových textů. Komárek tvrdí, že druhů
hnízdících u nás oproti polovině 19.
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
století přibylo. Odhlédněme od autorova snad příliš nekritického přebírání všech historických záznamů o výskytu ptačích druhů na našem území.
O tom, že i zdánlivě nezpochybnitelné doklady v podobě sbírkových
exemplářů mohou být chybné, svědčí
např. vyřazení kolihy tenkozobé (Numenius tenuirostris) z fauny ČR Mlíkovským (Sylvia 40, 125–130, 2004),
další druhy budou ze seznamu avifauny ČR vyřazeny pravděpodobně velmi brzy – viz http://fkcso.cz/. Ignorujme také to, že od doby Palliardiho
se objevily nové druhy jen díky novému taxonomickému pohledu na věc
rozdělením původně jednoho druhu
na více. I tak zde totiž zůstává závažný problém srovnatelnosti informací
o avifauně dnes a tehdy.
Poznatky o počtu ptačích druhů
hnízdících na našem území v současnosti se opírají o více zdrojů, z nichž
žádný Komárek ve svém textu neuvádí. Jsou to zejména atlasy hnízdního
rozšíření ptáků, díla vzniklá díky intenzivnímu mapovacímu úsilí řádově stovek většinou amatérských ornitologů. V ČR máme tři takové atlasy
(první z nich ještě zahrnující celé tehdejší Československo) pokrývající období od sedmdesátých let 20. století až
po přelom tísíciletí (Šťastný et al.: Atlas hnízdního rozšíření ptáků v ČSSR
1973/77, Academia, Praha 1987; Šťastný et al.: Atlas hnízdního rozšíření
ptáků v České republice 1985–1989,
H & H, Praha 1996; Šťastný et al.: Atlas hnízdního rozšíření ptáků v České republice 2001–2003, Aventinum,
Praha 2006). Kromě toho existuje
podrobná evidence všech druhů zastižených na území ČR, která sahá
až do 19. století, vedená Faunistickou
komisí České společnosti ornitologické. Faunistická komise čerpá z muzejních sbírek, z publikací (i historických), z nahodilých pozorování ptáků
a třeba i z údajů od kroužkovatelů (v
ČR se kroužkují ptáci od roku 1934
a v současnosti je ročně okroužkováno přes 100 tisíc ptáků). Tyto i další
údaje posloužily např. Hudcovi a spol.
(Sylvia 31/2, 97–148, 1995), aby publikovali seznam ptáků České republiky
zahrnující období let 1800 až 1995.
Všechny atlasy uvádějí necelých
200 prokazatelně hnízdících druhů v ČR, Hudec a spol. uvádí 222
hnízdících druhů. Komárek naproti
tomu udává, že dle Palliardiho bylo v Čechách zjištěno 289 druhů. Na
první pohled tedy opak toho, co tvrdí Komárek ve svém srovnání počtu
druhů v době Palliardiho a dnešní.
Srovnání však není vůbec tak jednoznačné. Komárek nejasně zachází
s pojmem hnízdící druhy. Dnešní ornitologická literatura obvykle uvádí
Technická univerzita
v Liberci, kolébka
nanotechnologií
v České republice,
10. října v 10 hodin
slavnostně otevře
impozantní budovu
nového Ústavu pro
nanomateriály, pokročilé
technologie a inovace.
Podrobnosti přineseme
v příštím čísle.
inzerce
počet prokazatelně hnízdících dru­
hů, resp. jasně odlišuje, co jsou dru­
hy s prokázaným hnízděním (na to
existují mezinárodně akceptovaná
kritéria) a co druhy, které se v době
hnízdění na daném území pouze vy­
skytly a jejich hnízdění nebylo pro­
kázáno. Komárek tyto kategorie pro
Palliardiho dobu nerozlišuje, ale zda
tak činí i pro údaje z dnešní doby,
není zřejmé.
Počet druhů zjištěný na daném
území je kromě jiného ovlivněn ta­
ké dobou sledování a sledovacím úsi­
lím. Čím déle dané území sledujeme,
tím větší pravděpodobnost, že se po­
čet zjištěných druhů zvýší. Ať již tím,
že se skutečně objeví nové druhy, ne­
bo jen tím, že zaznamenáme i dru­
hy, které unikly pozornosti. To sa­
mé platí i pro sledovací úsilí – čím
více pozorovatelů a čím intenzivněj­
ší sledování, tím větší pravděpodob­
nost, že se podaří odhalit výskyt více
druhů. Těžko zhodnotit, zda Palli­
ardiho informátoři dosahovali svým
sledovacím (v tehdejší době spíše lo­
veckým) úsilím stejné intenzity, jako
dnešní velmi kvalifikovaní amatérští
ornitologové pokrývající svou čin­
ností prakticky celé území státu, na­
víc za využití moderní techniky ty­
pu auto­matických záznamníků hlasů,
vysoce kvalitních dalekohledů, digi­
scopingu, určovacích příruček apod.
Spíše však je dnešní sledovací úsilí
větší než v době Palliardiho.
Podobně jako Komárek ignoru­
je vliv sledovacího úsilí, opomíjí vliv
délky období, která srovnává (Palli­
ardiho doba a dnešek). Z Komárkova
textu není jasné, z jak dlouhého ob­
dobí Palliardi své údaje čerpal. Prav­
děpodobně to však bylo období delší
než standardní doba trvání jednoho
hnízdního atlasu (3 až 5 let). Nicmé­
ně údaje o počtu druhů z atlasů od
sedmdesátých let 20. století do pře­
lomu století jsou vcelku konzistent­
ní a jsou konzistentní i s údaji Hudce
a spol. Aby platilo Komárkovo tvrze­
ní, že druhů hnízdících u nás přibylo,
muselo by u nás hnízdit nějakých 300
či více druhů. To si i při velké snaze
lze jen těžko představit.
Komárkem uváděný počet druhů
dle Palliardiho se vztahuje k území
Čech. K jakému území vztahuje Ko­
márek své tvrzení, že „druhů hnízdí­
cích u nás přibylo“, si každý může vy­
ložit po svém v závislosti na tom, jak
si vyloží lokalizaci území „u nás“. Re­
centní data o výskytu ptáků vztahuje­
me k území ČR, tedy včetně Moravy
a Slezska. Pokud toto je Komárkovo
„u nás“, pak bychom mohli předpo­
kládat, že celkový počet druhů pro
území dnešní ČR v době Palliardiho
by mohl být ještě vyšší než Komár­
Blíží se otevření
špičkového centra
výzkumu a inovací v Liberci
kem pro Čechy uváděných 289 dru­
hů. Rozpor by tak byl ještě větší.
Historická data o výskytu ptáků si
zaslouží důsledné zpracování, nejlépe
tak, jak to nastínil Mlíkovský (Sylvia
45, 39–50, 2009). A případné srovná­
ní s dnešním stavem musí být podlo­
ženo daty a zohledňovat vše, co může
na takové srovnání mít vliv. Ať už bylo
v době Palliardiho druhů více či mé­
ně, jedno je jisté – Komárkem použité
srovnání je nepodložené a zavádějící.
I bez srovnání počtu hnízdících
druhů je však zřejmá jiná věc – mno­
hé druhy v ČR ubývají zcela recent­
ně velkým tempem (http://www.bi­
rdlife.cz/index.php?ID=2026, Sylvia
45, 1–38, 2009). Úbytek počtu jedin­
ců takového rozsahu je sám o sobě
důvod ke znepokojení (nejen) ochra­
nářské veřejnosti. To už je ale trochu
jiný příběh.
Petr Voříšek
Odpověď autora: Článek vznikl re­
dakčním zkrácením [mého] textu, kte­
rý vycházel z textu knihy. 289 bylo
celkem Palliardim zjištěných druhů,
ne těch hnízdících – s těmi je někdy
trochu potíž, protože P. u drobnějších
druhů hnízdění v řadě případů mlčky
předpokládá. Jeho práci jsi vzhledem
k tomu, že je německy a frakturou psa­
ná, zřejmě nečetl. Nikde jeho vysledky,
získané v letech cca 1830–1852, ostat­
ně nesrovnávám s dnešními moderní­
mi mapovacími metodami, mít ale sta­
ré autory z principu za hlupáky mám
za mylné.
Stanislav Komárek
Četli jsme...
Martin Rychlík (ČESKÁ POZICE):
Jaké jsou vaše tři hlavní cíle, kterých
chcete coby šéfporadce dosáhnout?
Rudolf Haňka: Komunikovat. Ko­
munikovat s kolegy/vědci, komu­
nikovat s politickou reprezentací,
a hlavně komunikovat s veřejnos­
tí. Je to jedna z věcí, jejíž důležitost
jsem pochopil v Británii. Správnou
a hlavně včasnou komunikací se dá
předejít mnoha rozporům, neboť se
řada věcí ujasní ještě v zárodku, kdy
se má hledat společná půda, na kte­
ré je možné se dohodnout. Hledání
smysluplného kompromisu je něco,
co se – až na malé výjimky – v Čes­
ku jaksi nepraktikuje, a pokud ano,
tak je to pak obvykle pouze hledání
východiska z již nastalé krizové si­
tuace. To bych rád změnil.
Martin Rychlík: Druhá priorita?
Rudolf Haňka: Jedním z velkých úko­
lů, který před námi stojí, je způsob
a metodika hodnocení plus financová­
ní výzkumu a vývoje. Současné biblio­
metricky založené hod­no­cení má sice
určité výhody, ale na druhé straně ig­
noruje rozdíly mezi jednotlivými obo­
ry a úplně mu chybí posuzování kva­
lity v porovnání se světovou špičkou
v tom kterém oboru. Musíme se nad
ním zamyslet a poučit se ze zkušenos­
tí z vyspělých zemí. Situaci v Británii
pochopitelně znám, zažil jsem to na
vlastní kůži, ale rád bych se podrobně
seznámil s tím, jak vědu hodnotí třeba
ve Francii. Současně jsem si vědom to­
ho, že například v USA či – pokud se
nemýlím – ani v Německu nic podob­
ného neexistuje.
Martin Rychlík: A do třetice?
Rudolf Haňka: Pokud ty cíle či prio­
rity musejí být tři, tak to bude zefek­
tivnit fungování a financování vý­
zkumu a vývoje. Celkové výdaje na
vědu a výzkum jsou u nás nižší než
evropský průměr; musíme se sna­
žit je v mezích našich ekonomických
možností zvýšit. Nicméně o to je dů­
ležitější, aby vynaložené prostředky
byly využity co nejlépe.
Ö
Celý rozhovor na http://www.ceskapozice.cz/domov/veda-vzdelavani/sefporadce-premiera-pro-vedu-vzajemne-napadani-nikomu-nepomuze?utm_source=newsletter&utm_
medium=mail&utm_campaign=ns_cnt_sp.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
475
aktuality
Hlíva olivová (Omphalotus olearius)
je dřevokazná lupenatá houba původem ze Středomoří, která u nás roste vzácně na pařezech listnáčů od
července do října. Je to statná houba
rostoucí v trsech a celá má výrazně
oranžovou barvu přecházející až do
hnědé. Klobouk je široký až 20 cm,
zprvu nízce sklenutý, pak s podvinutým okrajem a později až nálevkovitý. Lupeny jsou v mládí světlejší,
žluté až žlutooranžové, a sbíhají až
na třeň stejné barvy. Mycelium houby fluoreskuje a někdy fluo­
reskuje
i celá houba.
Hlíva olivová je jedovatá ­
houba,
nezpůsobuje však smrtelné otravy. I tak je otrava velmi nepříjemná.
Způ­sobuje silné dráždění zažívacího
traktu a s tím spojené zdravotní problémy: bolesti břicha, vyčerpávající
zvracení a průjmy, únavu a celkovou slabost. Otravu mají na svědomí toxické látky zvané illudiny. To
jsou seskviterpeny, které představují
rodinu strukturně podobných látek
odvozených od benzofulvenu. Pro
jejich biologický účinek je nezbytná
přítomnost spirocyklopropanového
Chemická struktura illudinu S, illudinu M
a irofulvenu.
CH3
OH
CH3
HO
CH2OH
CH3
O
CH3
illudin S
OH
CH3
CH3
HO
CH3
O
CH3
illudin M
OH
CH3
HO
CH3
476
O
irofulven
kruhu a α,β-nenasyceného ketonu
(viz schéma).
Mechanismus toxického ú
­činku
illu­dinů je založen na jejich interakci s několika biomolekulami, kdy
se chovají jako silná alkylační činidla. Interagují s molekulami obsahujícími –SH skupinu, jako je
gluta­thion, ale také s DNA, kterou
poškozují dosud ne zcela známým
způsobem, a blokují tak proces transkripce DNA do molekuly RNA. Vykazují antibiotickou aktivitu proti
gramnegativním i grampozitivním
bakte­riím a mají též protinádorové
účinky u mnoha linií rakovinných
buněk. Mezi nejúčinnější patří illudiny M a S. Oba illudiny jsou velmi
účinné proti rakovinným buňkám,
ale jsou pro člověka příliš toxické.
Společnost MGI Pharma Inc. vyvinula syntetický derivát illudinu
s názvem Irofulven, který je pro člověka méně toxický, ale má zachovanou vysokou protinádorovou aktivitu. V současné době je irofulven ve
stadiu klinických zkoušek u některých druhů nádorů. (Schobert R. et
al.: Anticancer active illudins: recent
developments of a potent alkylating
compound class. Curr. Med. Chem.
18/6, 7­ 90–807, 2011) Jiří Patočka,
Václav Burle, Radek Pilař
Jak vymírali neptačí
dinosauři v křídě?
Jak vlastně vymřeli dinosauři? Když
pomineme skutečnost, že jako skupina vlastně zatím rozhodně nevymřeli a stále nás po očku sledují,
je konec neptačích dinosaurů stále
obestřen záhadami. Měl v něm prsty
jeden meteorit, nebo snad dokonce
víc? Jakou roli hrál gigantický vulkanismus v tehdejší Indii? A v neposlední řadě, jak jejich vymírání
vlastně vypadalo? Odešli se vztyčenými hlavami v rozkvětu sil, anebo
postupně mizeli jako poslední bledé
stíny kdysi bohatě rozvětvených evolučních linií? Právě na osud posledních dinosaurů se nedávno detailně
podíval Steve Brusatte z newyorského Amerického přírodovědného
muzea a Kolumbijské univerzity. Se
svými kolegy odhadl anatomickou
variabilitu sedmi hlavních evolučních linií dinosaurů na konci období křídy.
Ukázalo se, že to bylo složité. Velcí býložravci jako ceratosauři a hadrosauři a některé severoamerické linie během posledních dvou období
křídy anatomickou diverzitu ztráceli, zatímco draví dinosauři, středně
velcí býložravci a některé linie z Asie
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
inzerce
Hlíva olivová
pohodově prosperovali až do konce.
Historie dinosaurů v křídě byla podle všeho komplexní a prosta globálních trendů ve vývoji jejich biodiverzity. Každopádně některé linie
křídových dinosaurů byly v době
masového vymření pouhým odleskem bývalé slávy. (Nature Communications 3, article n. 804, online
1. 5. 2012) Stanislav Mihulka, PřF JU
Čo zabíjalo kalifornské
chochláče?
Kuriózny prípad „záhadných“ úmrtí
amerických chochláčov (Bombycilla
cedrorum, česky brkoslav americký)
sa vyskytol v kalifornskej metropole Los Angeles. Nálezy mŕtvych tiel
vtákov rozrušili obyvateľov mesta do
takej miery, že sa o situáciu začal zaujímať tím miestnych vedcov. Seve­
roamerické chochláče sú blízkymi
príbuznými chochláčov severských
(Bombycilla garrulus, česky brkoslav severní), ktoré sú ešte stále po-
merne častými návštevníkmi našich
končín v zimnom období. Podobne
ako naše, aj severoamerické jedince
sa živia prevažne rozličnými plodmi.
Plodožravé vtáky majú v porovnaní s inými druhmi pomerne mohutné tráviace ústrojenstvo, ktoré spolu
s veľkou pečeňou uľahčuje vtákom
spracovanie nakvasenej potravy
a odbúranie prebytočného etanolu. Z výsledkov laboratórnych testov
vyplynulo, že práve etanol bol zodpovedný za masový úhyn chochláčov. Príčinou nadmerného množstva etanolu v krvi bolo enormné
množstvo plodov stromu Schinus terebinthifolius (česky pepřovec brazilský) v tráviacom trakte vtákov. Bobule majú sýtočervenú farbu a veľmi
príjemnú chuť, preto zrejme zachutili miestnym chochláčom. V dôsledku nadmerné­ho požitia tejto pochúťky ani vysokovýkonný odbúravací
systém nedokázal zastaviť intoxikáciu vtákov alkoholom. Ostáva už len
dúfať, že miestna populácia tohto
nádherné­ho severského spevavca sa
poučí z nie príliš dobrých skúseností svojich súkmeňovcov. (J. Ornithol.
153, 995–998, 2012/3, DOI:10.1007/
s10336-012-0858-7)
Peter Mikula
Lilie zlatohlavá zasluhuje
naši ochranu
Lilie zlatohlavá (Lilium martagon),
nazývaná též lilie zlatohlávek nebo máselnička, patří mezi ohrožené
rostliny naší přírody. V Červeném
seznamu je zařazena k vzácnějším
druhům, vyžadujícím další pozornost, podle zákona je však chráněna jako ohrožený druh. Tento zástupce liliovitých (Liliaceae) roste
po celé Evropě a severní Asii, ale
všude jen ojediněle. Každé setkání
s lilií zlatohlavou je nevšedním zážitkem. Rostlina dorůstá výšky až
120 cm a její velké světle fialové květy s tmavšími skvrnami a nápadným
pestíkem a tyčinkami, které vybíhají z květu, z ní činí něco exotického.
Lilie vypadá, jako by do našich lesů
vůbec nepatřila.
Lilii zlatohlavou, která kvete od
května do začátku července, najdeme v listnatých lesích, většinou na
vápencových půdách. Kromě chráněných oblastí ji lze nalézt i v jiných lokalitách, mnohdy i tam, kde
bychom to nečekali. Tam je často chráněná před lidmi lépe než
v chráněných oblastech, kam ji jezdí obdivovat stovky pozorovatelů. I když většina z nich se spokojí
pouze s pohledem nebo fotografií,
najdou se i tací, kteří se snaží o pře-
Snímek lilie zlatohlavé
© Josef Frynta.
sazení na zahrádku nebo neodolají
její kráse a květinu utrhnou.
Exotický vzhled lilie zlatohlavé
nemohl nechat v klidu pěstitele a zahradníky, kteří v průběhu let vyšlechtili mnoho kultivarů zahradních lilií. Ty zná většina lidí, ale
málokdo se může pochlubit tím, že
viděl lilii v přírodě. Budete-li mít to
štěstí a zařadíte se mezi ně, neničte
ji a chovejte se k ní s úctou. Zaslouží si to.
Lilie zlatohlavá není a nebyla
v Evro­pě považována za rostlinu léčivou, snad že byla na celém území
kontinentu spíše vzácná. Její cibule
je však využívána v lidovém léčitelství v oblasti Albánských Alp (sedlo Lepuše) jako prostředek při poruchách jater. Zatímco botanici mají
lilii dobře prostudovanou, farmaceutičtí chemici jí zatím moc pozornosti nevěnovali. Z rostliny izolovali
kyselinu gama-methylenglutamovou
a několik pyrrolinových alkaloidů,
které se v ní vyskytují v podobě glykosidů, a také několik steroidních
saponinů. Neví se však, zda právě
tyto látky by mohly být zodpovědné
za léčebný účinek lilie na játra.
V rámci mezinárodního projektu
RUBIA, který probíhal pod patronací EU v letech 2003–2005 a kterého se účastnily země z osmi oblastí
kolem Středozemního moře, byla lilie zlatohlavá spolu s několika dalšími rostlinami vytipována jako vhodné veterinární fytofarmakum. Od
výzkumu se očekává, že nová fytofarmaka by mohla zlepšit zdravotní péči v chovech zvířat a vytvořit
prostředí vedoucí k zvýšení kvality
mléčných a masných výrobků bez
použití klasických průmyslových veterinárních léčiv.
Jiří Patočka
Josef Frynta
K dalšímu čtení
Pieroni A. et al.: Circum-Mediterranean cultural heritage and medicinal plant uses in traditional animal healthcare: a field survey in eight selected areas within the RUBIA project. J. Ethnobiol. Ethnomed. 2, 16, 2006.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
477
Šimpanzi a orangutani
mají osobnost podobnou
té lidské
Už celé věky žijeme ve více či méně těsném svazku s dalšími zvířaty a máme tak příležitost je pečlivě pozorovat. Někdy se zdá, jako
by některá zvířata měla osobnost
v hrubých rysech podobnou té lidské. Je to opravdu jenom zdání, poháněné přebujelým antropomorfismem, případně dlouhou samotou
s nadužíváním alkoholu, nebo na
tom doopravdy něco je?
Na povahu osobnosti našich blízkých příbuzných primátů se nedávno zaměřil Alexander Weiss z Univerzity v Edinburghu s týmem
psychologů a zoologů. Během svého výzkumu rozeslali detailní dotazníky 230 dobrovolníkům ze zoo­
logických zahrad a výzkumných
center v několika zemích a chtěli po nich, aby pozorovali chování
šimpanzů a obou druhů orangutanů, a pak ohodnotili několik desítek
rysů osobnosti vybraných zvířat na
stupnici jedna až sedm.
Nakonec vyšlo najevo, že primáti
mají své individuální osobnosti, přičemž osobnost šimpanzů je tak trochu očekávaně pestřejší a v podstatě dosahuje lidských kvalit. Lze je
vcelku rozumně popsat na pětirozměrovém modelu osobnosti, který
zahrnuje otevřenost vůči zkušenosti,
svědomitost, extroverzi, přívětivost
a vyrovnanost. Badatelé jsou přesvědčeni, že se jim pečlivým sebráním a vyhodnocením dat podařilo
z velké části vyhnout antropomorfismům a že velcí primáti jsou opravdové osobnosti. (Animal Behaviour
83, 1355–1365, 2012)
Stanislav Mihulka, PřF JU
Zmysel pre zemský
magnetizmus sa zrejme ukrýva vo vnútornom uchu!
Vtáky sú známe svojimi úžasnými
migráciami. Niektoré druhy migrujú len do menej vzdialených
oblastí, iné sa presúvajú doslova
pozdĺž celej zemegule. Tak či onak,
všetky migrujúce vtáky majú jedno spoločné – schopnosť orientácie.
Pri orientácii počas putovania im
pomáhajú terénne nerovnosti, postavenie hviezd na oblohe a zemské
magnetické pole. Typickým príkla-
478
dom vtáka s pozoruhodnými navigačnými schopnosťami je holub.
To, že boli vnímavosťou na zemský
magnetizmus obdarené aj holuby,
vedci tušili už dávnejšie (veď holuby sa predsa stáročia využívali na
doručovanie správ). Mechanizmus,
ktorý im to umožňuje, ostával ale
dlhé roky skrytý. Z nedávno uverejnenej štúdie (Science 336, 1054
–1057, 2012) vyplýva, že jednotlivé
nervové bunky sú zrejme schopné
kódovať informácie o smere magnetického poľa, jeho intenzite aj polarite. Autori pripisujú hlavnú „vinu“
za túto schopnosť vnútornej časti
ucha, tzv. lagene. Pokusy s holubmi
uskutočňovali v tmavej miestnosti,
kde bolo vytvorené umelé magnetické pole, ktoré negovalo účinky
zemského magnetického poľa. Vedci potom monitorovali mozgovú
aktivitu vtákov pri vytváraní a kontrolovaní umelého magnetického
poľa. Zistili, že vestibulárne neuróny, ktoré sú spojené s orgánom
rovnováhy vo vnútornom uchu, reagovali odlišne na zmeny smeru,
intenzity a polarity poľa. Tieto bunky boli obzvlášť citlivé na šírku pásma, ktoré pokrývalo geomagnetické pole Zeme. Získané informácie
sa môžu využiť nielen ako kompas,
ale aj na určovanie pozície a smeru, pretože zemské magnetické pole varíruje aj podľa lokality, v ktorej sa nachádza. Ešte donedávna sa
prikladal oveľa väčší podiel na vnímavosti magnetizmu Zeme očiam
a zobáku. (Pozn. recenzenta: Ani
jedna z těchto hypotéz zatím není pohřbena. I když identifikované
kandidátní magnetoreceptory v zobáku se ukázaly být artefakty. Jiné
studie na ně stále poukazují. Jsem
sám zvědav, jak to dopadne. Například u pstruha se zdají být magnetoreceptory v čichové rozetě, ale
zároveň v postranní čáře. U ptáků
v oku, zobáku a teď velice dobře
podpořeno i v lageně, respektive
vestibulárním systému. Konzistentní obrázek to zatím nedává.) Očiam preto, že využívajú mechanizmus spojený so svetlom, v zobáku
sa zasa našli kovové častice, ktoré by mohli slúžiť ako miniatúrne
magnetické senzory. (DOI: 10.1126/
science.1216567)
Peter Mikula
Vymírání levantských
kopytníků
Během posledních staletí jsme cíleným lovem nebo ničením jejich
biotopů vyhubili celou řadu savců.
Pro správné posouzení těchto udá-
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
lostí je třeba promítnout si několik
časových rovin. Například v Africe
by se mohlo zdát, že vymření mnoha savců Kapska (antilopa modrá,
lev kapský, kapský poddruh nosorožce dvourohého, prase bradavičnaté apod.) bylo spojeno s evropskými kolonizátory v 18. a 19.
století a že paradoxně předcházelo
vyhubení savců v Evropě bližší severní Africe. V jižní Africe však byly některé druhy (antilopa modrá)
již zřejmě oslabeny původním obyvatelstvem a jeho chovem dobytka. Vymření severoafrických savců
v 19. a 20. století bylo zatím poslední takovou vlnou – starověká severní Afrika byla na velká zvířata
mnohem bohatší. Detailní analýza 190 izraelských, palestinských
a jordánských archeo­logických nalezišť ukazuje na podobnou situaci
i v těchto končinách. Někteří velcí
kopytníci zde byli totiž vyhubeni
už během doby železné (1200–586
př. n. l.), konkrétně buvolci, pratuři a hroši. V té době začali výrazně
mizet i jeleni (jelen, srnec, daněk).
Historicky dobře zdokumentované
hubení přímorožců arabských, gazel, divokého osla ašdariho, pštrosů, gepardů, krokodýlů a medvědů během 19. a 20. století bylo tedy
až další vlnou. Zdá se, že se dnešních dnů dočkali jen ti nejmenší –
prase divoké, kozorožec núbijský,
levhart, vlk a několik druhů gazel – a ani ti nemají zcela vyhráno (zvláště gazely či levharti). Ti,
kdo navštíví třeba Izrael, hovoří
o pohádkové zemi – gazely či kozorožci v parcích pod palmami či
v blízkosti měst tento dojem podtrhují. Před pár tisíci lety tu musel
být opravdu přírodní ráj… (PLoS
ONE 4/4, 1–13, e5316, 2009)
Jan Robovský, PřF JU
Archeopteryx bol čierny
Vyzerá to tak, že prvý na svete známy vták bol zafarbený minimálne z časti načierno. Vyplýva to zo
štúdie amerických vedcov, ktorí
podrobili analýze fosilizované perá Archeopteryxa staré približne 150
miliónov rokov. Pomocou elektrónovej mikroskopie sa im podarilo spozorovať vo vnútri buniek tyčinkovité, pigmentované organely
zvané melanozómy, ktoré sú zodpovedné za tmavé sfarbenie vtákov.
Štatistické porovnanie tvaru týchto organel s 87 existujúcimi vtákmi
zistilo podobnosť s melanozómami
vtáka s čierným operením. (Nature
482, 1352, 2012/7384)
Peter Mikula
Nesnášenlivost vína
Evergreenem posledních let jsou
diskuse o prospěšnosti či škodlivosti mírného pití vína. To je oblast, kde asi ještě dlouho nedojde
ke shodě názorů příznivců a odpůrců pití vína (viz např. Critical
Re­
views in ­
Food Science and Nutrition 52, ­
31–54, 2012). Poněkud
stranou pozornosti zůstal fakt, že
u některých lidí vyvolávají i malé
dávky vína různé alergické symptomy. Výskyt těchto alergických reakcí
je překvapivě vysoký (ačkoli víceméně odpovídá výskytu jiných potravinových intolerancí). Výzkum,
který prováděli vědci z Univerzity
Johanna Gutenberga ve vinařské oblasti Porýní-Falc, ukázal, že 7,2 %
respondentů udává alespoň jeden
s těchto příznaků: potíže s dýcháním, astma, tachykardie, svědění,
zardění kůže, otok rtů, pokles tlaku, rhinorhea (výtok z nosu), průjem, pálení ­v krku, žaludeční nebo
střevní křeče…
Mezi „alergiky na víno“ je vyšší
procento žen než mužů: 8,4 % žen,
5,9 % mužů. Dvaadvacent procent
respondentů uvedlo také nějaký jiný druh potravinové intolerance (na
ořechy, jablka, mléko…), třicet čtyři
procent pylovou alergii. Autoři podotýkají, že skutečný výskyt intolerance může být vyšší, protože nebrali v úvahu nespecifické příznaky
jako např. bolesti hlavy.
(Wigand P. et al.: Prevalence of
wine intolerance: results of a survey
from Mainz, Germany, Deutsches
Ärzteblatt International 109, 437–
444, 2012/25; DOI: 10.3238/arztebl.2012.0437)
Ivan Boháček
Surovinová bezpečnost
Zatímco věda nezná hranic (alespoň
deklarativně), technika a energetika to zcela jistě prohlásit nemohou.
V souvislosti s čínským omezením
vývozu kovů vzácných zemin si otázku závislosti na surovinách kladou
kdejaké technologie. Detail­ní analýzu materiálových omeze­ní pro jedno
energetické odvětví – pro koncentrovanou solární termální energii (CSP)
– publikoval Erik Pihl se spolupracovníky. Teoreticky by bylo možné
těmito technologiemi vyrobit několikanásobek současné glo­
bální spotřeby elektrické energie. Kritickou
surovinou by zde mohlo být stříbro
používané na výrobu koncetrátorů
slunečního záření. Nejde však jen
o stříbro. Využití sluneční energie se
střetává s jedním velkým problémem:
jak zabezpečit energii v době, kdy
Nejstarší výroba vína
Víno jako nápoj se vyrábělo již nejméně před šesti tisíci lety. Kromě některých egyptských
maleb to nyní přímo dokládají archeologické nálezy v komplexu jeskyní Areni-1 na jihu
Armé­nie v pohoří Malého Kavkazu. Kromě lisu a velké nádoby na kvašení našli archeologové také četná zrna a vyschlé hrozny. Pomocí radioaktivního uhlíku 14 C se zjistilo, že organické zbytky pocházejí z období 4100–4000 př. n. l. Ze zbytků hroznů bylo možné určit,
že již tehdy se víno vyrábělo z pravé révy vinné (Vitis vinifera vinifera), která se používá
dodnes v bezpočtu odrůd. (Barnard H. et al., J. Archeol. Sci. 38, 977–984, 2011).
Ivan Boháček
Sluce nesvítí, a v oblastech, kde Slunce svítí málo. Přenos energie na velmi velké vzdálenosti (nad 10 000 km)
má již neúnosné ztráty, pro akumulaci energie dosud není nalezeno technologicky uspokojivé řešení. A i když
prozatím ne­
jsme ve stavu surovinové nouze, je třeba pečlivě zvažovat
možnosti. Nejde jen o stříbro či kovy vzácných zemin. Pokud by technologie koncentrované solární termální ener­gie měly být v globálním
měřítku významné (odhaduje se, že
by se v roce 2030 mohly podílet na
7 % světové výroby elektřiny), mohly by být kritické také další suroviny
– jde např. o obyčejný dusičnan sodný (chilský ledek) a dusičnan draselný (draselný ledek, sanytr).
(Pihl E. et al.: Material constraints
for concentrating solar thermal
power, Energy 44, 944–954, 2012)
Ivan Boháček
Ultracitlivý test
PSA – prostatického
specifického antigenu
Na měření přítomnosti PSA v ­krvi
pacienta se běžně používá metoda
ELISA. Technika, kterou vyvinul
španělsko-britský tým, je až mi­liard­
krát citlivější, než jsou možnosti
imunoeseje ELISA a 10krát citlivější
než dosud nejcitlivější testy. Na roz-
díl od testů, u nichž s klesající koncentrací měřené látky klesá citlivost
měření, citlivost nové techniky s klesající koncentrací vzrůstá. Princip
metody spočívá v měření modrého
posunu infračerveného spektra speciálně připraveného senzoru. Senzor je tvořen zlatými nanočásticemi
(o průměru asi 50 nm), na jejichž povrch je v případě měření indikátoru
rakoviny prostaty nejprve navázána protilátka, která antigen z roztoku vychytává. V dalším kroku se na
vychytaný antigen na senzoru naváže druhá protilátka, tentokrát s vázaným enzymem glukóza oxidáza
(GOX). Ten z roztoku redukuje stříbro, a to ovlivňuje rezonanční spektrum plazmonů na povrchu nanočástic zlata. Tato technika umožnila
měřit tak nízké koncentrace PSA jako je 10–18 g/ml. Ponechme však
technické detaily odborníkům.
Zatímco lékaři zpochybňují užitečnost plošného vyšetření PSA (viz V.
A. Moyer, Annals of Internal Medicine 157, 17 July 2012), kdy se většinou
za horní hranici normy považuje
hodnota 4 ng/ml, pro pacienty po
operaci karcinomu prostaty by mohla být vyvinutá technika měření koncentrace PSA významná: u nich by
totiž mohla poskytnout včasnou informaci o úspěšnosti léčby.
(Nature Materials 11, 604–607, 2012;
DOI:doi:10.1038/nmat3337)
Ivan Boháček
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
479
společnost
naší doby
75 let od úmrtí TGM
aneb Má nám stále ještě co říci?
Miloslav
Petrusek
!
společnost
naší doby
9
Prof. Miloslav Petrusek, viz
Vesmír 91, 13, 2012/1.
480
V roce 1892 vyšla kniha Maxe Nordaua (Si- let minulého století neříká nic podstatně jinémona Maximiliana Südfelda, významného
ho, byť jiným jazykem, v jiném kontextu a s jisionisty) Entartung, která se pod anglickým
nými argumenty: člověk pozdní „akceleronázvem Degeneration stala dobovým bestsel- vané modernity“ žije nezřídka nenaplněným
lerem. Nešlo v ní o nic menšího než o radikál- životem, žene se za idoly a mytickými vizemi
ní analýzu „krize moderního člověka“, kterou
nebo naopak za hmotnými zbytečnostmi.
Nordau demonstroval zejména na literárních
Masaryk na své diagnóze doby stál až do
a uměleckých dílech jako „obrazech doby“ – konce svých dní. Ve Světové revoluci (1925),
na Ibsenovi, Tolstém, Wagnerově kultu, sym- poslední knize svého dlouhého života, kde
bolismu, Munchovi… V roce 1884, kdy byl vydává „výčet z toho, co dělal v době války“,
termín použit poprvé, bylo to všechno – tu čteme zajímavou myšlenku: „Ale mohla být
hanlivě, tu pozitivně – označováno také ja- ta válka jiná než strašlivá a nelidská, jestliko „dekadence“. Nordauovi to zapadalo do
že na obou stranách stáli proti sobě většinou
ovzduší „fin de siècle“, v němž prý zdegenero- vojáci dávno mravně znejistělí, postižení neval jak socialismus, tak darwinismus.
vírou a nedůvěrou v sebe i jiné?“ Ne všichSamo o sobě by připomenutí knihy stole- ni s ním souhlasili, Šalda napsal rozsáhlou
tí staré (ale nikoliv zapomenuté) nebylo za- recenzi, kterou nazval „Těžká kniha“ – tak
jímavé, kdyby několik let před Nordauem
obtížné se mu zdálo hájit Masarykův snad
(1881) nevydal knížku stejného zaměření To- realistický, ale pesimistický pohled na svět
máš Masaryk – Sebevražda hromadným je- a společnost. A byli v tom se Šaldou zajedno
vem společenským moderní osvěty. Masarykova J. L. Fischer, J. L. Hromádka, do jisté míry
analýza, vycházející ovšem z jiných principů později i Jan Patočka aj.
a ústí­cí v jiné závěry, je věnována témuž témaAle Masaryk – i v tom je jeho veliká státnictu – „rozumové a mravní anarchii“ ústící „ve
ká moudrost – mlčky svou diagnózu vztáhl
velký počet duševně chorých“, anarchii po- i na mladou republiku: z války se vrátily tisídepřené moderní filozofií a literaturou – By- ce vojáků zatížených minulou nenávistí, zloronem, Shelleym, Musetem, Lermontovem
bou a utrpením... Pochopil tedy, že začátky
i Puškinem, ale především, jak ukázal poz- nebudou lehké – odtud pochází Masarykova
ději ve studiích Moderní člověk a náboženství
slavná věta: „Dejte této mladé republice pade(1904), „faustismem moderního člověka“, kte- sát let...“ Ano, doba, kdy se vystřídají nejmérý chce všechno vědět a mít – za každou cenu
ně dvě generace a kdy může vzniknout ekonoa rychle. Myšlenka, že moderní člověk může
micky, sociálně a mravně konsolidovaný stát.
být – nezávisle na svém hmotném postavení –
Někdy se mi zdá, že spory o některé nuan­
v podstatě „neurotický“ či aspoň nespokojený, ce Masarykovy filozofie či spor o jeho výodpovídá jak dnešním výzkumům „lidského
znam ve vývoji sociologie jsou již vyvanulé.
štěstí“, které není pozitivně korelováno s ma- Málokdy se ale otevírají svazky z let Masaryteriálním bohatstvím ani společenským po- kova nikterak bezproblémového prezidentostavením, tak bohaté, na Masarykovi ovšem vání (Cesty demokracie, I–IV), ačkoliv je tam
již ne vždy závislé literatuře filozofické, psy- leccos, co by nás mohlo oslovit.
chologické i sociologické (u nás Rádl i PatočPřed vypuknutím hospodářské krize říká:
ka, ve světě Fromm i Arendtová atd.).
„A ovšem – byrokracie demokratická nebude
V tomto Masarykově spise několikrát v růz- šetřit jen dole, ale i nahoře. Musíme se všichných verzích opakuje svou „diagnózu doby ni a všude uskrovňovat ve správném poměpřechodní“, ale přidává k ní důrazně mravní
ru. Zlepšení situace stane se nejen opatřeníakcent: „Politické a hospodářské poměry to- mi ekonomickými a finančními, nýbrž také
ho kterého národa jsou jen zevní stránkou
mravní energií národa.“
vnitřního života duševního, jsou tímto duV prezidentském poselství (1928) konstatuševním stavem podmíněny. Často se mi zdají
je, že „převrat zplodil tak zvané zbohatlíky,
pokusy a spory našich parlamentníků, politi- z nichž mnozí své peníze již ztratili. Ale jsou
ků a národohospodářů hodně malichernými
také zbohatlíci političtí, kteří kalkulovali na
a jalovými. Rozhodně nezachrání společnost převrat“… atd. Zdá se, jako by platil jakýsi unipolitické a hospodářské koncese, opravy verzální systém, „jak se dělají státní převraty“.
a opravičky. Něco práv a peněz více nebo méAle nejen to – Masaryk v roce 1931 sděluně neodklidí pesimistickou rozmrzelost.“ So- je poslanecké sněmovně: „U nás převratem,
ciologická literatura nejméně od čtyřicátých v době revoluce politické a hospodářské do-
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
stali se do správy věcí veřejných také lidé,
kteří na vznesené úkoly nestačili ani mravně, ani vzděláním. Nebudeme si zastírat fakt,
že jsou u nás lidé, kteří svého postavení zneužívají k tomu, aby bez práce pohodlně žili
a bohatli. Žaluje se právem na korupci. Je-li někdo korupčníkem nebo spojencem korupčníků, je v zájmu státu, aby byl odstraněn – je-li k tomu ještě politicky činným, je
to dvojnásob nutné.“ Masarykova diagnóza
„rozumové a mravní krize“ se nás týká víc,
než si připouštíme: nejenže žijeme ve společnosti, která ještě rozhodně není mravně
stabilizovaná, ale nutně v ní stále dožívají
především mravní rezidua (a zejména deformace) dvou totalitních režimů...
Říkávalo se a říká, že Masaryk byl „moralista“, což dnes slyšíme právě opačně jako výzvu
– jen „nemoralizovat“! Co to ale znamená –
„nemoralizovat“? Zygmunt Bauman tento fenomén označil termínem „adiaforizace“, což
je vyloučení určitých aktivit nebo dokonce ce-
lých sfér společenského života z oblasti mravního posuzování. Neposuzujme z mravního
hlediska ekonomické aktivity, hazardní hry,
sexuální vztahy, literární a výtvarné artefakty,
protože pro takové posuzování stejně nemáme jasně vymezená pravidla. I když je to do
jisté míry pravda, jak přežije společnost bez
úhony, nebude-li spjata jednoduchými pravidly o pravdě a lži, slušnosti a vulgaritě? Masaryk ovšem dobře věděl, že „mravní reforma“
se nedá nastolit shora, zákonem či dekretem.
Jeho dnes snad starosvětsky znějící, že bychom měli začít „reformou hlav a srdcí“, není
v naší době ničím, co bychom měli vylučovat
ze svého morálního repertoáru.
Takže přece jen – nestálo by právě proto
si z toho „starého Masaryka“ něco připomenout? Protože my, jak se zdá, podle hegelovského úsloví opakujeme to, co kdysi bylo tragédií nebo alespoň problémem, jako
nekončící frašku, na niž však doplácí příliš
mnoho lidí.
Ö
Statistika
v identifikační genetice
Než může genetik provádějící identifikační
analýzu DNA prohlásit, že výsledky analýzy dokáže identifikovat donora biologického
materiálu či otce dítěte, musí pomocí statistických výpočtů ověřit a demonstrovat, že
zjištěné DNA profily jsou v rámci populace
dostatečně diskriminující. Někteří praktikující genetici však tento krok statistického ověření kvality výsledku bez uzardění vynechávají, což má za následek to, že jsou dětem do
rodného listu zapisováni nebiologičtí otcové
či se za mřížemi ocitají nevinné osoby. Vynechání statistiky není z vědeckého hlediska obhajitelné, neboť pokud je zjištěný DNA
profil v dané populaci relativně běžný (což
zjistíme právě statistickým výpočtem), můžeme v některých případech k neznámé bio­
logické stopě „přiřadit“ více pachatelů, popřípadě můžeme dítěti „vybrat“ více platičů
alimentů. Pokud naopak zjistíme, že je ověřovaný DNA profil vzácný, stává se genetický
důkaz mnohem silnějším.
Pro statistické vyhodnocení výsledků
DNA analýz je proto naprosto nezbytné mít
k dispozici data z populačních studií provedených na konkrétní populaci, z níž pochází náš „pachatel“ trestného činu či početí. Při statistickém vyhodnocování shody je
třeba dále zohlednit, zda náš závěr zahrnuje i příbuzné osoby. Například bratři, bratranci, dědové a vnuci z jedné rodiny mají
DNA profily podobnější než nepříbuzní je-
dinci. Pokud chceme být akurátní, můžeme
do výpočtů zahrnout i pravděpodobnost laboratorní chyby, imbrední faktor, možnost
kontaminace vzorku, počet donorů biologického materiálu u smíšených stop, velikost DNA databáze, kde byla nalezena shoda či pravděpodobnost falešně pozitivního
výsledku a korelaci zjištěného pravděpodobnostního poměru s původními očekáváními.
Alfou a omegou pro správné vyhodnocení výsledků analýzy DNA jsou již zmíněná data z populačních studií. Pro většinovou českou populaci jsou data publikována,
a pokud se náš genetik odhodlá ke statistickému ověření výsledku a použije odpovídající vzoreček pro výpočet, měl by se dostat
ke správnému výsledku. Problém však nastane ve chvíli, kdy se do „spárů“ genetiků
dostanou vzorky, kde je donorem (či předpokládaným donorem) příslušník romské menšiny. V odborné literatuře totiž neexistují
žádné publikace týkající se populačních genetických studií provedených pro Romy žijící v České republice. Z důvodu neexistence
relevantních dat a za předpokladu vyššího
stupně imbrednosti lze dovodit, že při provádění identifikační DNA analýzy v rámci
paternitních a trestních věcí je použitím neromských populačních dat romská menšina
významně poškozována. Nelze totiž provést
korektní statistické vyhodnocení výsledků,
Daniel Vaněk
21
zákony
a DNA
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
481
a tudíž může docházet k falešně pozitivním
průkazům otcovství či falešným DNA identifikacím s následným odsouzením nevinného
člověka a nepotrestáním pachatele trestného
činu. Při přijetí této argumentace je jasné, že
provedení populační studie je nutné realizovat nejen s ohledem na potřeby jednoznačné
identifikace osob, ale i s ohledem na Ústavou garantovaná práva všech občanů naší
republiky.
Abych nemohl být obviňován z toho, že
pouze kritizuji a nic nedělám, tak jsme spolu s kolegou z Pedagogické fakulty UK připravili projekt „Genetická populační studie
romské menšiny v ČR“ a před pár týdny ho
podali do veřejné soutěže vyhlášené Ministerstvem vnitra v programu bezpečnostního
výzkumu. Pokud si však statisticky zhodnotím naše šance na přidělení prostředků na
výzkum, zjistím, že mnohem pravděpodobnějším zdrojem financí na výzkum je výhra
hlavní ceny v loterii, kde jsme si vůbec nekoupili los. Důvodem je nejen vysoký počet
žadatelů, ale také míra prolobování a animozity, což však jsou jevy společné snad
všem tuzemským poskytovatelům grantových pe­něz na výzkum a vývoj. Možná jsem
ale zbytečným pesimistou a na rozdíl od let
minulých bude hlavním hodnotitelem našeho projektu člověk nepodjatý, vzdělaný
a znalý nejen populační a identifikační genetiky, ale i rozdílů mezi žuže Roma a degeša Roma či percentuálního zastoupení
slovenských, olašských, maďarských a Sinti
Romů. Bohužel se však obávám i toho, že
v odůvodnění odmítnutí našeho projektu by
mohlo být zmíněno, že při posledním sčítání lidu z března 2011 se k romské národnosti v Česku přihlásilo pouze 13 150 lidí, takže
pro takto malou skupinu osob není nutné jakoukoli populační studii zpracovávat. Skoro mne mrzí, že jsem se tak jako 15 070 obyvatel nepřihlásil k náboženství Rytířů Jedi
z kultovního filmu Hvězdné války. Mohl
bych pak hrdiny požádat o pomoc při boji
s Temnou stranou Síly.
Ö
Pár nových
a mnoho „nových“
savčích druhů z minulého roku
Jan
Robovský,
PřF JU
Der zoologische Garten 80, 271–
286, 2011; PLoS ONE 6, e24047,
2011/9; Red Panda: Biology
and Conservation of the First
Panda, 101–124, 2011; Ungulate
taxonomy, 2011.
482
V druhé polovině minulého roku opět přibyly nové savčí druhy – u větších savců šlo o objev na první pohled odlišného jezevce nebo
delfína (= objev vskutku neznámých zvířat)
a revizi stávajících znalostí s pomocí fylogenetického konceptu u sudokopytníků a třeba
i pandy červené (tj. často šlo o povyšování již
známých poddruhů).
Objev jezevce rodu Melogale, který měl do
minulého roku vymezované čtyři druhy rozšířené v Indočíně a na některých Sundských
ostrovech, se váže k národnímu parku Cuc
Phuong v severním Vietnamu a byl podle
něho i pojmenován jako M. cucphuongensis.
Oproti svým příbuzným se asi nejvíce odlišuje tvarem lebky, zvláště pak protažeností
čumáku, a geneticky je ve srovnání se svými příbuznými – jezevcem šedým a jezevcem
bělolícím – sesterským taxonem izolovaným
možná nějakých 3,5 milionu let (odhadovaný interval sahá od 2 po téměř 5,5 milionu
let). Tento druh známe zatím ze dvou jedinců, uvidíme, co se o něm časem podaří zjistit.
Popis nového delfína pojmenovaného
Tursiops australis souvisí s dlouhodobější
snahou zrevidovat dílčí populace „skákavých delfínů“ (rod Tursiops) po celém světě.
V tomto rodě bylo vymezeno až 20 druhů,
postupem času se střízlivě uznávají jen dva
druhy a k těm nově přibyl další nejen z jižních moří, ale přímo z jihoaustralských vod
(přízvisko „australis“ = jižní je zde tedy ně-
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
kolikrát naplněno). Oproti jiným delfínům
r. Tursiops se liší výrazně geneticky a také ho lze bezpečně odlišit podle velikosti, zbarvení a tvaru lebky. Na první pohled
je asi nejvýraznější vybarvením těla (není
prostě šedý, ale má tmavý hřbet a světlé boky). Kromě toho studie prokázala, že ačkoli si jsou „skákaví delfíni“ relativně podobní, jsou vzájemně nepříbuzní (rod Tursiops
je tedy polyfyletický a měl by být revidován).
Revize dosavadních znalostí a sběr dat nových při současném uplatnění fylogenetického konceptu se postaraly o povýšení dvou
poddruhů pandy červené („ fulgens“ a „styani“) na samostatné druhy, tedy řekněme
nepálsko-sikkimský a burmsko-yunansko-sečuánský, a především o zvětšení počtu turovitých o 136 druhů oproti poslednímu velkému zhodnocení této skupiny z roku 2005.
Konkrétně se tak stalo v knize Ungulate taxonomy (Taxonomie kopytníků, autory jsou
Colin Groves a Peter Grubb). Pokud přijmeme předpoklad, že každé taxonomické schéma je hypotéza, pak tato kniha nabízí kromě
velkého množství cenných informací i bezpočet neotřelých pohledů, kterým je žádoucí věnovat pozornost, jak z hlediska teoretické zoologie, tak z praktického ochranářství.
Kniha totiž upozorňuje na řadu patrně unikátních, ale přehlížených forem – využijeme
tento potenciál?
Ö
60 let
Matfyzu
Čeněk Strouhal (10. dubna 1850 – 23. ledna 1922) byl český
experimentální fyzik, profesor a v letech 1903–1904 rektor Univerzity Karlovy.
Nazývá se po něm bezrozměrné Strouhalovo číslo, které určuje frekvenci
oscilací, jež vznikají při obtékání tělesa (např. u telefonních drátů ve větru
nebo lopatek turbiny). Nakladatelství Academia vydalo o Čeňku Strouhalovi
vzpomínkovou knihu (viz s. 537).
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
483
matematické
modelování
60 let
Matfyzu
Zářné zítřky
matematického
modelování
Tomáš
Roubíček
Co je to modelování? Pokud slovník anglické „modeling“ vůbec nějak překládá, hovoří
např. o „napodobování“ nebo „práci modelek“. Vynechám modelování pomocí atraktivních mladých „modelů“ a soustředím se,
jak nadpis předjímá, na modelování pomocí
matematiky. Takové modelování napodobuje určitý výsek reality tím, že se snaží ujasnit základní zákonitosti např. fyzikální, mechanické, biologické, ekonomické, které jej
řídí, a formulovat je matematickými rovnicemi či nerovnicemi, popřípadě jejich soustavami. Ty dále analyzuje a navrhuje teoreticky
podložené metody jejich (alespoň přibližného) řešení. Navrhované metody počítačově
implementuje, provádí simulace, identifikuje
parametry modelu či vstupní data. Výsledky
pak vizualizuje a interpretuje, případně
užívá k optimalizaci.
Ne každé modelování je opravdu matematické
Prof. Ing. Tomáš
Roubíček, DrSc., (*1956)
vystudoval ČVUT v Praze
a po aspirantuře v SVT
ČSAV působí v ústavech
Akademie věd ČR (od
r. 1985 v Ústavu teorie
informace a automatizace
a od r. 2008 v Ústavu
termomechaniky). Od
r. 1989 pobýval řadu let
na univerzitách v Evropě
a USA. Od r. 1995 působí též
v oddělení matematického
modelování v Matematickém
ústavu Univerzity Karlovy,
kde byl po habilitaci
v r. 2000 a po jmenování
profesorem v roce 2007 též
ve funkci profesora v letech
2008–2011. Od r. 2011
působí také v Centru nových
technologií a materiálů při
ZČU v Plzni.
484
Stalo se moderním zaklínat se matematickými modely. V inženýrství, ekonomii, fyzice, vědě o materiálech, biologii, lékařství, finančním „průmyslu“ a leckde jinde. Přesně
vzato jde ale většinou jen o počítačové modely bez hlubších matematických základů.
Zpravidla se omezují jen na jakási (mnohdy spíše předstíraná) přibližná řešení specifických rovnic, aniž je známo, jestli tyto
rovnice vůbec řešení mají, či jestli přibližná metoda opravdu poskytuje řešení, které
by v nějakém smyslu bylo blízké hledanému „přesnému“ řešení, kdyby takové náhodou existovalo. Často se spíše objevují naopak náznaky, že tomu tak není – nicméně
i takové modely se radostně používají, jen
se třeba řekne, že přibližné řešení je závislé na parametrech aproximace (matematici
by řekli, že přibližná metoda nekonverguje nebo prostě ani není k čemu konvergovat,
a tedy model či metoda jsou naprosto nepoužitelné) nebo že jde o (již zmíněný) tzv.
počítačový model. Validita takových modelů a jejich implementací se většinou pro jistotu nezkoumá.
Situace je často ještě horší, podíváme-li se
na samotné rovnice, jež popisují takové modely. Nezřídka za nimi nejsou racionální fyzikální či jiné principy, ale jen hrubá fenomenologie. Někdy jsou dokonce s ultimativními
(např. fyzikálními) principy evidentně v rozporu. Často ani s modelovaným fenoménem
nemají vůbec nic společného, jen pomocí dostatečného množství parametrů zvládají ně-
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
kolik známých situací a předpokládají bez jakýchkoli racionálních zdůvodnění, že i další
situace budou vypadat podle takového pseudomodelu. Přesto jsou zdrojem desítek publikací v impaktovaných časopisech i úspěšných grantových či komerčních projektů.
Pro ilustraci: jeden renomovaný italský termodynamik s hlubokým smyslem pro humor tento stav, konkrétně v kontextu modelů seismických procesů v zemské litosféře,
komentoval slovy: ignorování (v tomto případě druhého) zákona termodynamiky model sice nezlepší, ale život někdy zjednoduší.
Dovoluji si poznamenat, že zmíněný zákon
hovoří o nezmenšování chaosu (přesněji nezápornosti produkce entropie v uzavřených
systémech) a reálné systémy se jím řídí naprosto bez výjimek (alespoň ve smyslu, že nikdy nebyl pozorován opak). Formulování tohoto zákona v 19. století Rudolfem Clausiem
a pozdější užití a modifikace na otevřené systémy bylo velkým kulturním výdobytkem
lidstva, spojeným dále ve 20. století např. se
jmény J. van der Waalse, E. Schrödingera,
A. Einsteina, W. Nernsta, L. Onsagera, či I.
Prigoggina, abych jmenoval alespoň některé
z více než 20 nositelů Nobelových cen, jejichž práce souvisely s termodynamikou.
Řeklo by se tedy, že modelování je spíše jen
hraní s počítači. To by ale bylo velmi zjednodušující. V mnoha případech (nebo možná, při troše optimismu, i docela často) se
i ve shora nastíněném balastu skrývá rozumné jádro, které odráží realitu šikovně zjednodušujícím, ale přesto (či právě proto) užitečným způsobem. Mnoha kompromisům se
ani v seriózním matematickém modelování
prostě vyhnout nelze.
Nedávná historie 20. století
I po své mnohatisícileté historii si matematika ve 20. století spíše teprve budovala své
moderní základy. Standardní inspirační
zdroje, totiž prudce se rozvíjející fyzika a inženýrství, ale nemohly čekat, až se matematici „prokoušou“ všemi zdánlivě neužitečnými
detaily a naučí se rigorózně uchopit kromě
akademických úloh typu lineární rovnice
vedení tepla také vskutku složité úlohy
např. systémů nelineárních parciálních
diferenciálních rovnic či nerovnic (které
mohou popisovat třeba nevratnou nerov­no­
vážnou termodynamiku spojitých pro­středí
pevných nebo tekutých látek, jejich směsí,
polovodičů, ekologických systémů a mnoho
–0,01820
–0,000258
0,01768
mechanické zatížení
–0,03614
0,03563
jiného). Navíc obtížnost reálných úloh byla
pro samotné matematiky vždy frustrující
a většinou je odmítali brát na vědomí, i když
mnozí si vždy uvědomovali ultimativní
motivaci a výzvy, které jim takové úlohy
poskytují.
Pro inženýry, fyziky, ekonomy a mnohé
další si tak matematika budovala postavení
nestravitelné a téměř nepoužitelné disciplíny
a krom nezbytného minima se naučili prakticky bez ní obejít. V obecné veřejnosti znechucené ze základních a středních škol předmětem, kterému se tam ne zcela přesně říká
„matematika“, dokonce převládá názor, že je
v matematice již vše dávno hotovo z předchozích staletí – což se jeví vědecky aktivním
matematikům obzvlášť absurdní.
Mezitím ale matematika, podobně jako většina věd, prodělala výrazný rozvoj. Leccos se
pomalu začíná umět opravdu použitelným
způsobem. Stále více se uplatňuje víra (dokladovatelná výsledky), že dobře formulované
rovnice (tedy např. dobrá fyzika) i přes svou
obtížnost nakonec při jistém štěstí a hodně úsilí vedou i k dobré matematice – když
ne hned, tak alespoň za pár desítek let. Toto je mocně podpořeno neustávajícím rozvojem numerických metod a algoritmů, a ovšem
i výkonnosti počítačů. Na většině světových
univerzit se tak ke konci 20. století zakládají katedry či oddělení s náplní matematického modelování nebo se tyto iniciativy alespoň
implicitně promítají do vědeckých koncepcí
již existujících matematických kateder.
1. Postupné odtrhávání
(tzv. delaminace)
vláken v kompozitním
materiálu při
vzrůstajícím
mechanickém
zatížení na základě
modelu podloženém
racionální mechanikou
a rigorózní
matematickou
a numerickou
analýzou (znázorněn
reprezentativní vzorek
s 20 kruhovými
vlákny), zdroj: FSv
ČVUT.
inzerce
Získejte
ze svých dat více informací
Vidět kdy a kde byla provedena pozorování nebo měření se hodí nejen geo­
grafům, ale i přírodovědcům. Geoinformatika – věda, která dokáže data zob­
razit v mapě a následnou analýzou z nich vytěžit podstatné informace – je kom­
plexním oborem na pomezí přírodních věd a IT. Díky tomu bývá často vnímána
jako náročná a zavedení geoinformačního systému se může zdát příliš složité.
To se ale změnilo s příchodem ArcGIS Online, webového prostředí, které umožňu­
je sdílet a prohlížet geografická data prostřednictvím interaktivních aplikací v okně
webového prohlížeče nebo v chytrých telefonech a tabletech se systémy Android,
iOS a Windows. Obsahuje podrobné podkladové mapy do měřítka 1 : 10 000 a dal­
ší tematický obsah od nejvýznamnějších poskytovatelů geografických dat, jako je
CENIA, česká informační agentura životního prostředí, Zeměměřický úřad, Česká
geologická služba a další. Důraz je kladen na pohodlné ovládání, proto je publikace
dat i konfigurace mapových aplikací jednoduchá a přehledná. Data jsou uchovávána
v zabezpečených úložištích a přístup k nim je řízen pomocí uživatelských rolí.
Možnosti využití geografických dat se nyní otevírají každému. ArcGIS Online
je totiž možné propojit i s aplikacemi Microsoft Excel a Sharepoint. Interaktivní
mapu tak lze z tabulky vytvořit jen několika kliknutími.
Zjistěte, co v sobě vaše data ukrývají, na ArcGIS.com.
8. STUDENTSKÁ KONFERENCE
25. září 2012 | Česká zemědělská univerzita v Praze
Navštivte finále soutěže Student GIS Projekt 2012, na
kterém absolventi představí své práce s tematikou
geografických informačních systémů Esri a ENVI.
Seznámíte se s projekty univerzit a poznáte nadějné
mladé geoinformatiky.
Účast na 8. studentské konferenci je zdarma!
Více informací na www.arcdata.cz
ARCDATA PRAHA, s. r. o., je firma plně specializovaná na technologie a služby v ob­
lasti geografických informačních systémů. Poskytuje kompletní nabídku ­
softwaru
a služeb včetně dat dálkového průzkumu Země. Je autorizovaným distributorem fir­
my Esri, největšího světového výrobce GIS, dále systémů firem Exelis VIS (soft­
ware ENVI), T­elvent a kompresních programů firmy Lizardtech v České republice.
Bližší informace: tel.: 224 190 511, e-mail: [email protected] nebo internet: www.arcdata.cz.
Mediální partneři 8. studentské konference:
GeoBusiness.cz
portal
.cz
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
485
3
1
2
4
5
6
7
8
2. Optimalizace tvaru a materiálu konstrukce: původní tvar a 8 různých nezávislých zatěžovacích sil (vpravo nahoře) a optimální tvar s ohledem na maximální pevnost a minimální váhu pro 4 či 8 sil (vlevo). Tento algoritmus,
podložený konvergenční analýzou, byl použit i pro optimalizaci výztuh náběžné hrany křídla Airbusu 380 s úsporou kolem 45 % ve srovnání s konvenční konstrukcí (dole). Zdroj: University Birmingham (UK) a ÚTIA AV ČR.
Matematické modelování v současnosti
Kromě svého tradičního postavení jakožto
součásti kulturního dědictví lidstva a strážkyně racionálního myšlení v jeho nejdestilovanější podobě jen s nevelkými aplikacemi se
tak matematika (nebo alespoň jisté její části) stala prakticky použitelnou vědou právě
zejména projekcí svých specifických částí do
matematického modelování. A matematické
modelování samo se tak stalo jakousi křižovatkou věd. Potkávají se různé části matematiky jak navzájem (užitá analýza, numerická
matematika, algebra, geometrie, diskrétní
matematika), tak zejména s jinými vědami,
jako jsou fyzika, materiálová věda, biologie,
geologie, chemie a samozřejmě s aplikovanými disciplínami, jako je inženýrství všeho
druhu či ekonomie.
Cesta samozřejmě zdaleka nekončí a s přibývajícími úspěšnými aplikacemi matematického modelování se též vynořují nové
a ještě obtížnější výzvy. To má nezastupitelný význam jak pro matematiku samotnou,
tak i pro aplikace, a koneckonců i pro celou
společnost. Matematické modelování se stává prostředkem poznání i relativně levnou
technologií. Doplňuje dostupné experimenty nebo nahrazuje experimenty technicky,
ekonomicky či eticky neproveditelné v realitě. Umožňuje predikce, nebo naopak pohledy do dávné minulosti překlenující milióny let. Zprostředkuje nebo doplňuje pohledy
do nedostupných hlubin Země či dalekých
mimozemských objektů, nebo naopak mikro- či nano-objektů třeba elektroniky, moderních materiálů (např. kompozitů, viz
obr. 1) či živých buněk. Umožňuje výpočet
kvantitativní citlivosti na změnu dat (což je
v reálných systémech zpravidla zcela nedostupná informace), a pak vyzkoušením velkého množství situací efektivním způsobem
výběr nejlepší z nich (tzv. optimalizace, optimální návrh, či optimální řízení, viz obr. 2).
Konkrétním příkladem může být modelová-
486
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
ní implicitně konstituovaných pevných látek
a tekutin (viz článek J. Málka na s. 502), geo­
logického prostředí (viz D. Mašín, Vesmír 89,
454, 2010) nebo aktivních materiálů (viz M.
Kružík, T. Roubíček, Vesmír 88, 21, 2009/1).
Žádný důležitější technologický proces ani
významnější inženýrské dílo (letadla, jaderné reaktory, auta, rychlovlaky, mosty, důlní
díla, ale třeba ani kvalitní kohoutky v koupelnách) se nezrealizuje, aniž by předem
nebyly důkladně namodelovány podstatné
aspekty a subsystémy, aniž by se důkladně
neodzkoušely mezní režimy, a popřípadě se
provedla optimalizace. Některé významné
státy chápou matematické modelování i jako
jeden z prostředků k udržení technologického náskoku pro strategickou obranu západní civilizace.
Absence matematických modelů či amatérské modely naopak způsobují škody. Např.
model povodí Ohře pomohl značně zredukovat škody při povodních v r. 2002, a to
na rozdíl od povodí Vltavy, kde žádný model nebyl vytvořen. Dalším příkladem jsou
kolapsy staticky spočítaných budov či mostů vlivem vibrací, pokud chybějí dynamické
modely nebo jsou špatné.
Zářné zítřky
Jak snad lze z předchozího nahlédnout, s modelováním je třeba zacházet opatrně, má-li
být užitečné. Svým multidisciplinárním charakterem vyžaduje vysokou kvalifikaci protagonistů. Jakou má takový nástroj budoucnost v kontextu současných trendů ve vědě
a vzdělání? I když na toto téma bylo již jistě
leccos napsáno, dovolím si ilustrovat současný stav pozorováními, která se zajisté netýkají jen matematického modelování.
Jsme obklopeni nadprodukcí a nekvalitou
doprovázenou klamavou reklamou. Ani věda, i přes veškeré své obranné mechanismy,
není výjimkou. Pod velkým ekonomickým
a publikačním tlakem se snaží vědecky etablovat lidnaté regiony na blízkém i dálném Vý-
chodě i regionální univerzity v Evropě. Mnoho výsledků se jen duplikuje či nepodstatně
modifikuje, často se generují prakticky nepoužitelné pseudovýsledky. Vznikají časopisy
s pochybnou úrovní a někdy dokonce s názvem klamavě imitujícím ty kvalitní; jeden
z mnoha příkladů: vskutku etablovaný mezinárodní časopis Mathematical Models and
Methods in Applied Sciences a jeho jistá imitace International Journal of Mathematical
Models and Methods in Applied Sciences.
Na hlubší recenze nebývá čas, publikují se
práce s desítkami autorů pro vykazování produkce institucí a grantových projektů. Naopak kvalitní myšlenky, práce, projekty i odborníky je někdy těžké prosadit. Užitečnost
vědeckých výstupů se principiálně odhaduje
nesmírně obtížně, a o to těžší je orientovat se
v tomto v jistém smyslu zamořeném prostředí. Nicméně zatím se to s velkým úsilím a tolerovatelnými úchylkami snad poměrně daří, ať již pomocí (v principu nedokonalých)
scientometrických nástrojů či „jen“ pomocí
dosud existujících ostrůvků kvality a morálních standardů.
Nebezpečí negativních dopadů celosvětové degradace seriózní vědy a vůbec racionálního myšlení se akcentuje ve společnostech,
které podléhají iracionálním trendům a začínají žít v jakési virtuální realitě. Těmto trendům podléhá nezřídka také místní společnost. V obecné veřejnosti spíše slaví úspěch
např. zdánlivě průhledné a lukrativní deriváty než nesrozumitelné a zdánlivě neužitečné
derivace, či levná a zdánlivě užitečná astrologie než přístrojově nákladná a zdánlivě neužitečná astronomie, pokud se vůbec obé rozlišuje. Čtenář si může dosadit podobně např.
scientologii versus zmíněnou scientometrii,
nebo Homeopatickou akademii versus Akademii věd atd.
Nadprodukce, nekvalita a klamavá reklama
se týká i místních škol: až na výjimky z nich
vycházejí generace polovzdělaných absolventů s velkými ambicemi a mnoha tituly či
označeními, z nichž někteří navíc již začínají i sami učit. Za jednu práci více titulů je
v ČR již běžnou praxí i na renomovaných vysokých školách. Dle statistik OECD úroveň
našich středních škol v posledních několika
málo letech dramaticky klesla zejména právě v matematice (a to i ve srovnání s celosvětově klesajícími standardy). Rapidní pokles
kvality pod zástěrkou jejich absolutní autonomie a tzv. masifikace probíhá na vysokých
školách dle některých studií již přes 10 let,
přesto je dále posilován přijímáním absolventů méně kvalitních středních škol někdy
i bez přijímacích zkoušek či na základě zkoušek jen velmi formálních. Takové studenty pak ale vysoké školy přirozeně ani nemohou dostatečně kvalitně vzdělávat. Po 5 až 6
letech bakalářsko-magisterského studia se
tak dokonce i v doktorském studiu (kde VŠ
zákon vyžaduje ukončené magisterské studium) a na renomovaných vysokých školách
ocitají studenti fakticky jen se slabými bakalářskými znalostmi. Takoví studenti pak nej-
sou schopni splnit požadavky v jednotlivých
ročnících, ale studium přesto není ukončováno (jak určuje zmíněný zákon) a naopak je
jim i zvyšováno stipendium (dokonce třeba
proti vůli jejich školitelů). Ani když je studium po např. 7 až 8 letech přece jen nakonec ukončeno na základě studijního řádu
pro nesplnění povinností, zdaleka to neznamená, že student na daném doktorském oboru opravdu skončil.
Jsou praktikovány zkoušky bez přítomnosti studentů, prostě jen po e-mailu. Obhajoby jejich disertačních prací jsou organizovány narychlo, bez možnosti ustanovit řádně
oponenty k tomu jmenovanými komisemi
popř. nemají tito oponenti na přečtení prací rozumnou dobu. Je možné obhájit i práce
s řadou věcných i formálních chyb a prakticky téměř neobsahující vlastní uveřejněné či
k uveřejnění přijaté výsledky (vyžadované
zmíněným VŠ zákonem). Dokonce na některých školách již zcela oficiálně postačí i výsledky jen tzv. „připravené k uveřejnění“.
Většina členů akademických obcí ani netuší, že studium se takto nenápadně během let
posouvá často již i za zákonný rámec. Jsou to
moderní a svým způsobem „praktické“ metody, za něž by se nemuseli stydět ani právníci na západočeských vysokých školách. Ve
výsledku pak ale dochází i k tomu, že třeba
student ani po osmi letech v doktorském (!)
studiu ve fyzikálně-matematickém oboru neumí nakreslit graf paraboly f(x) = –x · x či netuší, jak řešit soustavu lineárních algebraických rovnic.
Pro humanitně orientované čtenáře, kteří
bez těchto drobností samozřejmě mohou velmi dobře žít, připomínám, že to bývala látka na základních školách, dnes někdy spíše
až na středních a že se elementární dovednosti tohoto typu občas skutečně k něčemu
hodí, aniž mám na mysli jejich pouhé zapamatování.
Budou se moci takoví absolventi, kterým
se dostalo vzdělání již jen v moderním homeopatickém zředění, alespoň orientovat ve
zmíněné vědecké celosvětové (nad)produkci předchozích generací, když již k ní sami
nebudou moci přispívat na úrovni světových
standardů?
Má tedy (z principu náročné) matematické modelování v takovém kontextu před sebou zářné zítřky? Obecně s ohledem na zmíněný význam, jaký celosvětově vydobylo pro
matematiku samotnou i pro aplikace, nepochybně ano. Vize zářných zítřků ale není automatická a jistá minimální kultura racionálního myšlení a jistá společenská objednávka
je podmínkou. Bez toho se modelování ve
svém původním smyslu pouhého „napodobování“ může stát zcela kontraproduktivní.
Možná ale právě v tomto místním kontextu
sehraje matematické modelování, tam kde
odolá degradujícím trendům a nesklouzne
do pouhého hraní si s počítači, další zajímavou roli také udržením standardů racionálního myšlení i v mnoha oborech mimo matematiku, kde se matematické modelování
uplatňuje.
Ö
Poděkování: V příspěvku se
odráží výzkum podporovaný
Grantovou agenturou ČR
v projektech 201/10/0357
a 201/12/0671. Autor děkuje
doc. Ing. Janu Zemanovi, Ph.D.
(FSv ČVUT) a prof. RNDr.
Michalu Kočvarovi, DrSc. (Univ.
Birmingham a ÚTIA AV ČR) za
poskytnutí ilustrací a velké řadě
profesních i neprofesních kolegů
a přátel za cenné připomínky
k předchozím verzím textu.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
487
aplikovaná
lingvistika
60 let
Matfyzu
Strojový překlad
Ondřej Bojar
RNDr. Ondřej Bojar, Ph.D.,
(*1979) vystudoval MFF
UK. V Ústavu formální
a aplikované lingvistiky MFF
UK se zabývá matematickou
lingvistikou. Učí na MFF UK
a FJFI ČVUT.
Strojový překlad (machine translation, MT) je
neobyčejně přitažlivou úlohou na pomezí informatiky a lingvistiky. Zajímavý je komerčně i akademicky. Na světě se mluví třemi až osmi tisíci
jazyky. Devět jazyků má více než 100 milionů
mluvčích. Umožnit kontakty bez jazykových bariér je pro mnoho obchodníků i politiků mimořádně lákavou vidinou. Jen v Evropské unii je
oficiálních jazyků 23, překlady oficiálních dokumentů a tlumočení ročně stojí zhruba miliardu
EUR. Strojový překlad tak nabízí možnost drastických úspor.
Dokonalé hřiště pro vědce
Z hlediska akademického je strojový překlad
prvotřídním hřištěm pro řadu oborů. Kromě
zmíněné lingvistiky, která zde může testovat
své teorie, je překlad výzvou též pro statistiky a informatiky (zkuste strojově ohodnotit
nepřeberné množství variant textu a rychle
najít tu nejlepší formulaci) i ryzí softwarové inženýry. Dnešní praxi lze totiž shrnout
takto: Vezměte texty odpovídající objemem
40 metrům anglických knih společně s jejich
českými překlady. Najděte dvojice vět, které si odpovídají (bude jich cca 15 milionů),
a každou vybavte větným rozborem. Na základě těchto ukázkových dat naučte počítače překládat. Překladu ovšem nelze upřít
přesah do umělé inteligence a filozofických
otázek: Copak je možné překládat, aniž bychom stroj napřed naučili textu „rozumět“?
Praxe ukazuje, že hranice tohoto přístupu
dovolují dojít překvapivě daleko. Badatel ve
strojovém překladu má příležitost doslova si
1. Přístupy ke strojovému překladu: jednou z výzkumných otázek je, jak důkladně
je třeba vstupní věty rozebírat, abychom je mohli správně přeložit. Interlingva,
jazyk pro univerzální zápis významů vět, dnes již spíše není pokládána za dosažitelnou. Čím podrobněji vstupní větu rozeberu, tím větší mám naději zachovat
gramatickou správnost a zpracovávat obtížné jevy jako zájmennou koreferenci.
Současně však riskuji víc chyb v těchto analýzách a zejména nepříjemně roste složitost modelu a implementovaného systému. Zisk díky podrobnějšímu rozboru
se tak bohužel často ztrácí.
sáhnout na produkty lidské mysli a zkusit je
strojově napodobit. Takovou šanci pracovat
s hmatatelnými a měřitelnými daty mnohé
obory kognitivních věd stále nemají.
Přehnaná očekávání
Již s prvními počítači v éře Johna von Neumanna a Alana Turinga se objevily naděje
na plně automatický převod textů z jednoho
jazyka do druhého. V roce 1954 IBM vydává tiskovou zprávu o překladu z ruštiny do
angličtiny, kde mj. cituje vysoká očekávání zúčastněných badatelů. Do tří či pěti let
měl být překlad podstatných jazykových jevů pro více jazyků realitou. Obrovský rozpor
mezi těmito nadějemi a skutečnými výsledky,
jichž se v příštích letech podařilo dosáhnout,
pak v sedmdesátých letech zcela zablokoval
přísun prostředků do této oblasti výzkumu.
Dnešní vize je do značné míry opatrnější.
Neočekáváme, že se podaří dosáhnout plně
automatického překladu vysoké kvality bez
omezení oblasti, o níž se píše, a případně stylu, jímž se píše. Na druhou stranu v celé řadě situací strojový překlad může dobře posloužit i přes nedostatečnou kvalitu (např.
zpřístupnění webových stránek v řeči, kde
ani písmo nedokážete přečíst) a v úzce vymezených úlohách (např. heslovitý návod k nějakému výrobku a zejména jeho aktualizace
s novou verzí) je již dnes bezpečně výhodnější než lidský překlad.
Lingvisté versus statistici
Podobně, jako se zpočátku v extrémech pohybovala očekávání o překladu, lze na překladu demonstrovat stále těsnější sbližování
dříve nesmiřitelných proudů. Warren Weaver (1949) nahlížel na překlad jako na dešifrovací úlohu, kde humanitní vědy nemají své
místo: „Mám ruský text, budu však předstírat, že je ve skutečnosti napsán anglicky a jen
zašifrován do neznámých symbolů. Stačí tu
šifru rozluštit.“ Lingvista Noam Chomsky
interlingva
1
generuj povrchovou generalizaci
hloubková syntax
povrchová syntax
morfologická rovina
frázový překlad
angličtina
488
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
linearizuj strom
čeština
2
.
This time around
they ’re moving
even
…
This time around, they ’re moving
even faster
…
faster
even
moving
’re
,
=
=
=
=
=
=
=
Nyní
zareagovali
dokonce ještě
…
Nyní zareagovali
dokonce ještě rychleji
…
around
time
.
ještě
rychleji
dokonce
zareagovali
Nyní
This
2. Frázový překlad: V přípravné fázi počítač zpracuje velké množství vět a jejich
překladů, automaticky najde korespondence mezi jednotlivými slovy. Z takto
„zarovnaných“ vět si sám sestaví speciální překladový slovník několikaslovných
úseků, které slouží při překladu.
(1969) statistické teorie zatracoval: „Pojem
,pravděpodobnost věty‘ je zcela k ničemu,
a to při jakékoli známé interpretaci.“ Fredericku Jelinkovi (v osmdesátých letech v IBM,
později působil i v Ústavu formální a aplikované lingvistiky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, ÚFAL MFF UK)
je vkládána do úst tato zkušenost: „Kdykoli
z týmu vyhodím lingvistu, přesnost se zlepší.“ Hermann Ney (RWTH Aachen University), původem fyzik, naopak smysl lingvistiky
při konstrukci překladačů vidí jasně: „Machine Translation = Linguistic Modelling +
Statistical Decision Theory“.
Dva přístupy k překladu
Seznamme se nyní podrobněji se dvěma velmi odlišnými přístupy k překladu. ÚFAL
oba do hloubky studuje a rozvíjí. Každoroční celosvětové soutěže ve strojovém překládání nám pak umožňují systémy porovnávat
a navzájem obohacovat (obr. 1).*
Frázový statistický překlad
Frázový překlad pracuje se slovy jako nedělitelnými a izolovanými jednotkami, počítač
tedy „nevidí“ žádný vztah mezi slovy kočka
a kočkou, natožpak kočka a kocour, nebo
dokonce kočka a micinka. Věta je prostě posloupnost různobarevných obdélníčků, kterou je třeba převést na jinou posloupnost jinak barevných obdélníčků.
Překládat je v tomto modelu možné díky
obrovskému objemu vět, které již dříve přeložili lidé. Počítač věty a jejich překlady k sobě spáruje a v rámci každého páru pak najde,
která slova si navzájem přibližně odpovídají. Z takto „zarovnaných“ textů se získá „překladový slovník“. Na rozdíl od běžných slov3
níků jsou v něm třeba i posloupnosti deseti
slov (mezi něž ovšem systém nemá oprávění
vložit žádné další slovo) a především jsou slova uvedena ve všech tvarech, jak byla v datech spatřena (obr. 2).
Po zadání vstupní věty počítač zkusí všechny varianty „rozstříhání“ této věty na několikaslovné úseky (nelze mluvit o větných členech ap., úseky zcela ignorují lingvistická
pravidla). Každý úsek je přeložen pomocí
zmíněného slovníku. Z mnoha možností překladů úseků jsou vybrány takové (a v takovém pořadí), které na sebe nejlépe navazují.
Technicky je samozřejmě systém složitější.
Volba nejlepší věty z mnoha kandidátů (viz
obr. 3.) je ve skutečnosti ovlivněna hned několika nezávislými „modely“. První z nich,
tzv. překladový model, jsme právě popsali:
číselně vyjadřuje, jestli jsou v kandidátské
větě použity spíše fráze, které podle zmíněného automatického překladového slovníku
dobře odpovídají úsekům ve vstupní větě.
Druhý velmi významný model je tzv. jazykový model. Jeho úkolem je zhodnotit kandidáta izolovaně, bez ohledu na vstupní větu.
Hlavní výhodou separátního jazykového modelu je fakt, že může být natrénován na jednojazyčných textech. Těch je typicky k dispozici
řádově více, a model je tedy přesnější. Používá
se tzv. n-gramový jazykový model, který pro
danou kandidátskou větu číselně vyjadřuje,
nakolik jsou jednotlivé (překrývající se) úseky
o n slovech „známé“ z trénovacích dat. Čím
typičtější n-tice slov jazykový model vidí, tím
je spokojenější. Omezené okénko n slov vede
často k větám lokálně plynulým, ale bez celkové struktury. Chytřejší modely, které se snaží
kontrolovat gramatiku věty, přes mnohaleté
úsilí nedávají zatím lepší výsledky.
snažil se najít
nicméně,
přesto
útočiště v
úkryt
snažil se
pokusil se
, snažil se
najít
najít
úkryt
v
útočiště v
Brazílii
Brazílie
.
*) http://www.statmt.org/wmt12
3. Výběr nejlepšího
kandidáta při
frázovém překladu:
množinu možných
výstupních vět
lze kompaktně
reprezentovat jako
tzv. svaz hypotéz
(word lattice).
Jednotlivé hrany
jsou ohodnoceny
pravděpodobnostmi
a známý
algoritmus najde
nejpravděpodobnější
(nejlevnější) cestu.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
489
Hloubkově-syntaktický překlad
4
a-tree
zone=cs
a-tree
zone=en
Rozhodl
Pred
Vp
se
AuxT
P7
.
AuxK
Z:
decided
Pred
VBN
anotovat
Obj
Vf
He
Sb
PRP
has
AuxV
VBZ
.
AuxK
.
annotate
Adv
VB
to
AuxV
TO
5
t-tree
zone=en
t-tree
zone=cs
rozhodnout_se.enunc
PRED
Rozhodl se
anotovat
PAT
anotovat
#PersPron
ACT
#Cor
ACT
decide.enunc
PRED
has decided
#PersPron
ACT
He
#Gen
PAT
#Cor
ACT
Kombinace strojového překladu
annotate
PAT
to annotate
#Gen
PAT
4. Povrchová rovina reprezentace české a anglické věty „Rozhodl se anotovat. He
has decided to annotate“. Každé slovo ve větě má ve větném rozboru svůj uzel,
proto jsou si český a anglický strom poměrně málo podobné. Šipky znázorňují
slovní zarovnání.
5. Hloubková rovina reprezentace téže věty. Samostatné uzly mají jen plnovýznamová slova, stromy jsou si tedy výrazně podobnější a převod jednoho na druhý je
snazší. Šipky znázorňují tzv. gramatickou koreferenci, tj. skutečnost jednoznačně danou již z větného rozboru: ten, kdo se rozhodl, a ten, kdo bude anotovat, je
jedna a tatáž osoba.
6. „Frázová“ kombinace tří hypotéz: „Je čas určit vítěze“ (navržena dvěma systémy) a „Je na čase, aby definovali vítězů“. Úkolem kombinace je nejprve zvolit,
podle které z hypotéz se bude řídit výstupní slovosled, a následně vybrat nejlepší překladové varianty. Na rozdíl od jednoduššího výběru věty jako celku tento
přístup umožňuje sestavit i větu novou: „Je na čase určit vítěze.“ Hrana „*EPS*“
znamená žádný výstup, a dovoluje tedy slova přeskočit.
6
*EPS*
0
*EPS*
*EPS*
1
10
19
je
je
2
11
20
na
*EPS*
na
čase
čas
čase
,
13
*EPS*
6
14
,
na
aby
určit
aby
5
7
definovali
15
*EPS*
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
21
8
vítěze
17
,
24
aby
23
25
definovali
.
.
9
18
vítězů
vítěze
určit
čase
16
vítězů
vítěze
definovali
čas
22
490
3
4
12
Je zřejmé, že chyby, jichž se dopustí frázový a hloubkový překlad, budou velmi odlišné. V praxi se ukazuje, že frázový překlad lépe zvládá volbu překladových ekvivalentů
a přirozeně též ustálená spojení (pokud tvoří souvislou posloupnost slov), naproti tomu
delší věty často nejsou srozumitelné, protože překlad nehlídal celkovou strukturu věty. Hloubkový překlad trpí opačným problémem: věty jsou správně vystavěny, ale
nedávají smysl kvůli nevhodně zvoleným
překladům jednotlivých slov.
Nabízí se proto systémy kombinovat a těžit z předností obou. Ovšem i ke kombinování lze přistupovat rozdílně: buď bude mít poslední slovo frázový model (obr.
6), nebo se naopak můžeme pokusit prosadit povinná gramatická pravidla jako shodu podmětu s přísudkem na výstup frázového překladu. Druhá metoda se nedávno
ukázala jako velmi úspěšná, je však jen
otázkou času, kdy se podaří gramatická
pravidla zabudovat i do plně statistických
systémů.
Ö
určit
čas
je
Překlad založený na větném rozboru má ambici zajistit gramatický výstup. Nepracuje
proto se surovou podobou věty, ale převádí ji
postupně na tzv. povrchovou a hloubkovou
rovinu reprezentace, jakýsi stromeček větných členů a závislostí mezi nimi. K převodu
do druhého jazyka dojde právě v hloubkové reprezentaci, překladá se tedy „strom na
strom“. Překladový slovník proto neobsahuje všechny tvary slov, ale je jen tvar základní.
Za závěrečné skloňování a časování při generování cílové věty ze stromu v cílovém jazyce
je zodpovědná samostatná komponenta systému (obr. 4 a 5).
Z technického hlediska je systém s hloubkovým překladem vystavěn z mnoha součástek
velmi odlišného charakteru. Pro počáteční
větný rozbor se používají statistické nástroje
natrénované na závislostních korpusech, podobně překladový slovník je sestaven automaticky z již přeložených textů. Při překladu
stromu na strom je však též prostor uplatnit
celou řadu stabilních lingvistických pravidel,
která charakterizují rozdíly mezi zdrojovým
a cílovým jazykem ať už z hlediska gramatiky či jen formalit zápisu této syntaktické reprezentace.
vítězů
26
.
27
Interference světla na kapalné membráně
(viz. s. 470). Snímky © Jan Valenta.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
491
fyzika
plazmatu
60 let
Matfyzu
Jak předpovídat
kosmické počasí
Jana Šafránková
Zdeněk Němeček
Lubomír Přech
1. Ilustrace šíření
slunečního větru
meziplanetárním
prostorem se
započtením
vlivu (směru)
meziplanetárního
magnetického
pole. Na obrázku
je vidět spirálovité
oblasti zvýšené
koncentrace částic
a nepravidelnosti
způsobené erupcemi
na Slunci.
Pod pojmem kosmické počasí rozumíme celý řetězec procesů začínající v nitru Slunce a končící
na povrchu Země. Je statisticky doloženo, že sluneční aktivita souvisí v dlouhých časových měřítkách s klimatickými změnami a v krátkých může
vyvolat různé, často až katastrofické jevy, ale prozatím nám chybí jasná představa, jak jednotlivé
poznatky skloubit do konzistentní a ucelené teorie.
Hlavním faktorem, kterým Slunce na Zemi
působí, je elektromagnetické záření (světlo).
Celkový výkon tohoto záření je často nazýván sluneční konstanta a má hodnotu přibližně 1360 W/m2. Tato hodnota je nepatrně
modulována slunečním cyklem a je překvapivě větší v období slunečního maxima, kdy
část povrchu je pokryta temnými skvrna­
mi, než v období minima sluneční aktivity.
I když prozatím ne zcela prozkoumané procesy vlivu sluneční aktivity na Zemi jsou nelineární, je zřejmé, že malé změny sluneční
konstanty nemohou být samy o sobě příčinou
efektů, které na Zemi pozorujeme, a musíme
tedy hledat takové mechanismy jinde.
Zhruba od začátku 20. století se začalo
přemýšlet o alespoň sporadické existenci
hmotného média vyplňujícího prostor mezi
Sluncem a Zemí. Tyto spekulace byly založeny na dlouhodobých pozorováních změn
magnetického pole Země a na zdánlivě nezávislých pozorováních Slunce. Protože však
pozorování prováděly různé skupiny, dlouho nikoho nenapadlo výsledky porovnat.
hustota plazmatu [r2N/cm3]
60
45
30
5
0
492
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
­ eprve v třicátých letech minulého století
T
byla vypozorována souvislost mezi erupcemi na Slunci a výraznými změnami magnetického pole Země. Obvyklé zpoždění mezi
oběma jevy bylo 1 až 2 dny, a to vedlo k odhadu rychlosti přenosu poruchy v řádu 1000
až 2000 km/s. Stále se však předpokládalo, že jde o nepravidelně se vyskytující toky
nabitých částic vystupující z jinak statické
sluneční atmosféry (korony). Až podrobné studium struktury ohonu komet odhalilo v roce 1954 existenci permanentního toku
nabitých částic, který vyplňuje celý meziplanetární prostor. Tento tok byl nazván sluneční vítr a za velmi zjednodušených předpokladů teoreticky popsán J. Parkerem v roce
1958, tedy ještě dříve, než mohl být sluneční
vítr pozorován prvními družicemi. Podle tohoto popisu se jedná o izotermickou expanzi
sluneční atmosféry. Rychlost expanze je od
jisté vzdálenosti přibližně konstantní a velikost rychlosti závisí na teplotě zdroje, tj. na
teplotě ve vysokých vrstvách sluneční korony. Z měření prováděných při zatměních
Slunce je možno tedy teplotu slunečního větru odhadnout na zhruba 1 milion kelvinů
a tomu odpovídající rychlost částic slunečního větru je pak zhruba 450 km/s. Přestože
Parkerova teorie je velice zjednodušená a je
založená na sporném předpokladu izotermické expanze, pozdější družicová měření
potvrdila její závěry.
Druhým významným faktorem, který
ovlivňuje působení slunečního větru na Zemi, je meziplanetární magnetické pole, a to
zejména jeho směr. Sluneční vítr je plně ionizované kvazineutrální plazma, tudíž je možno ho považovat za elektricky dobře vodivou
tekutinu, která do meziplanetárního prostoru unáší magnetické pole. Díky efektu „zamrznutí“ magnetického pole na slunečním
povrchu a zároveň v expandujícím slunečním větru se v meziplanetárním prostoru vytváří charakteristická spirála. Ve skutečnosti je problém složitější, protože magnetické
pole a plazma se ovlivňují navzájem. Dobře
tuto souvislost ilustruje obrázek z počítačového modelu ENLIL (obr. 1), který popisuje šíření slunečního větru meziplanetárním
prostorem. Obrázek barvou ukazuje změny hustoty slunečního větru. Slunce je žlutý
kruh uprostřed obrázku, oběžná dráha Země je tenká kružnice. Dobře jsou viditelné
oblasti zvýšené hustoty, které jsou orientovány ve směru spirálního magnetického pole.
protože právě kolem 1 Hz se zcela mění charakter procesů určujících disipaci energie
unášené slunečním větrem. Zatímco pomalejší jevy je možno popsat magnetohydrodynamickým přiblížením, rychlejší vyžadují
úplný kinetický popis pohybu jednotlivých
částic slunečního větru. Je ale zřejmé, že
rychlejší určení momentů rozdělovací funkce vyžaduje zcela jiný přístup.
Metoda aplikovaná v přístroji BMSW,
který byl vynesen na oběžnou dráhu dne
18. července 2011 na palubě ruské sondy
Spektr-R, je založena na současném měření
toku iontů slunečného větru šesti detektory
(obr. A). Tři z nich slouží k určení směru slunečního větru a zbylé tři jsou použity k určení velikosti rychlosti, koncentrace a teploty. Tyto parametry jsou určovány dvěma
metodami. První z nich je blízká klasickému
způsobu s tou výjimkou, že celá rozdělovací
funkce je měřena třemi detektory současně.
Každý z nich to dokáže za 1,5 vteřiny a díky
vhodnému časování je tedy výsledná frek-
16
n [cm–3]
15
SPEKTR-R
WIND
14
13
12
11
10
460
v [km/s]
450
SPEKTR-R
WIND
440
430
420
410
Prof. RNDr. Jana Šafránková, DrSc., (*1947), Prof. RNDr. Zdeněk
Němeček, DrSc., (*1947) a Doc. RNDr. Lubomír Přech, Dr.,
(*1962) vystudovali fyziku plazmatu na Matematicko-fyzikální fa­
kultě UK v Praze a nadále na této fakultě pracují. Zabývají se jak
vývojem přístrojů pro družicové experimenty, tak hlavně studiem
plazmatických procesů ve sluneční soustavě.
vence měření 2 Hz, tedy téměř desetkrát
vyšší než z jakéhokoliv jiného přístroje,
který operuje ve slunečním větru.
To ale není všechno. Ve většině případů nepotřebujeme znát celou rozdělovací funkci a stačí nám její momenty. To je
důvod, proč je v přístroji druhý pracovní režim. Poměrně komplikovaný elektronický systém zajišťuje, že tři detektory měří tři body rozdělovací funkce. Pokud po­užijeme předpoklad, že rozdělení
rychlostí slunečního větru je Maxwellovo,
stačí tři body na určení jeho momentů.
Tato myšlenka umožnila měření zrychlit
ještě víc než desetkrát – jedna úplná sada parametrů slunečního větru je změřena za 32 milisekund, tedy stokrát rychleji,
než bylo možno doposud (obr. B).
Jana Šafránková
B. Porovnání základních parametrů slunečního větru (koncentrace částic na rychlost pohybu částic v) měřených přístrojem
BMSW se stejným měřením přístroje 3DP
na americké družici Wind. Díky vysokému
časovému rozlišení přístroje BMSW se ukazuje, že spektrum fluktuací rychlosti a koncentrace se od sebe podstatně liší.
Vp [km/s]
Ei [eV]
s dostatečnou přesností, nezbývá proto než
změny slunečního větru měřit.
Šíření slunečního větru směrem k Zemi stojí v cestě překážka – geomagnetické pole. Sluneční vítr nemůže do magnetického pole Země proniknout a musí ho obtéci. Magnetická
Np [cm–3]
­ uto poměrně pravidelnou strukturu naruT
šují pozůstatky slunečních erupcí. Jak taková
porucha vypadá v datech měřených družicí,
představuje obr. 2. Panely ukazují (shora dolů) vývoj profilů energetického spektra iontů,
rychlosti a koncentrace měřené přístrojem
BMSW na družici Spektr-R během 6 hodin.
V levé části je vidět klidný sluneční vítr, pomalý (o rychlosti pouze 300 km/s) a velmi
řídký (koncentrace je v řádu 1 částice v cm3),
v pravé části pak změny všech parametrů při
příchodu meziplanetární rázové vlny. Z toho
je vidět, že model poměrně dobře popisuje
globální strukturu slunečního větru, ale ani
největší superpočítače nedokážou modelovat
takové náhlé změny parametrů a jejich šíření
UT (WIND +55min20s)
1601:25
1601:20
1601:15
1601:10
400
A. Fotografie přístroje BMSW umístěného
na družici Spektr-R.
3000
2500
2000
1500
1000
500
500
450
400
350
300
250
200
120
100
80
60
40
20
0
0800
2. Profily
energetického spektra,
rychlosti a koncentrace
iontů slunečního větru
měřené přístrojem
BMSW na družici
Spektr-R 9. září 2011.
–1
–2
–3
–4
–5
0900
1000
1100
1200
1300
1400
log(Dif. En. Flux)
Rychlé měření parametrů
slunečního větru
Sluneční vítr je jedním z faktorů, kterými
Slunce ovlivňuje naši Zemi, ale naše znalosti o procesech, které v něm probíhají, jsou prozatím velmi omezené. Jedním
z důvodů je, že jeho základní parametry
– koncentraci, rychlost a teplotu – jsme
prozatím dokázali měřit s nedostatečným
časovým rozlišením. Zatímco například
elektrické a magnetické pole je běžně měřeno s frekvencemi řádu kHz nebo i MHz,
technické problémy doposud limitovaly
měření parametrů slunečního větru na
malé zlomky Hz. Pro jejich určení je totiž
nutno zjistit, kolik částic se pohybuje v daném směru a s jakou rychlostí (tj. změřit
celou rychlostní rozdělovací funkci), a to
v současné době dokážeme za zhruba
3 sekundy. Základní parametry pak představují momenty (integrály) této funkce.
Podstatné zrychlení měření je z hlediska
fyziky slunečního větru nesmírně důležité,
1500
UT
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
493
40
20
20
z [RE]
z [RE]
40
0
0
N [cm–3]
N [cm–3]
13,4
–20
13,6
–20
–40
–40
–100
–80
–60
–40
–20
0
0,1
20
–100
–80
–60
–40
překážka však není pevné těleso, a proto se
vlivem působení slunečního větru deformuje. Výsledkem vzájemné interakce je vytvoření poměrně ostře ohraničené „dutiny“ v toku
slunečního větru, která se nazývá magnetosféra. Název odráží skutečnost, že veškeré procesy uvnitř této dutiny (s výjimkou nejbližšího okolí Země) jsou řízeny magnetickým
polem Země, které má naopak zcela podružný vliv na dění mimo tento prostor. Plocha
oddělující obě oblasti byla proto pojmenována magnetopauza.
Pro získání názornější představy o formování zemské magnetosféry je na obr. 3 ukázán výsledek výpočtu provedený globálním
MHD modelem pro dvě hodnoty koncentrace plazmatu slunečního větru. Model se
snaží o co nejvěrnější popis interakce, ale
kvůli již zmíněným zjednodušením jsou jeho výsledky spíše kvalitativní. Obrázek ukazuje řez v rovině kolmé na rovinu ekliptiky
a barvou je vyznačena hodnota koncentrace plazmatu v daném místě prostoru. Černý bod uprostřed je oblast vnitřní magnetosféry, která je v modelu nahrazena vodivou
koulí o poloměru 6 Re (zemských poloměrů,
1 Re je přibližně 6400 km). Tmavě modrou
oblast je možno ztotožnit s magnetosférou
a světle zelená oblast v pravé části panelů
odpovídá slunečnímu větru. Obě tyto oblasti jsou odděleny poměrně tlustou vrstvou,
které se říká přechodová oblast a v obrázku
20
0,1
je charakterizovaná odstíny žluté a červené.
Hranice, která odděluje tuto oblast od slunečního větru, je poměrně ostrá a je důsledkem toho, že rychlost slunečního větru je
mnohokrát vyšší než rychlost zvuku v tomto plazmatickém prostředí (typicky 40 až
60 km/s). Z hydrodynamického hlediska se
tedy jedná o obtékání překážky nadzvukovým prouděním a před magnetopauzou se
vytváří rázová vlna obdobná té, která vzniká
před nadzvukovými letadly. Na rázové vlně
se skokem mění parametry slunečního větru
– klesá jeho rychlost a stoupá hustota a teplota. Tyto změny jsou nejvýraznější právě na
čele magnetopauzy.
Na obr. 3 jsou obě hranice – rázová vlna
a magnetopauza – zvýrazněny silnými čarami. Porovnáním obou částí obrázku vidíme,
že pokud je hustota slunečního větru vyšší, magnetopauza (hranice blíže k Zemi) se
k Zemi přibližuje a mění se i její tvar. Totéž
platí i pro rázovou vlnu a pro změnu tloušťky
přechodové oblasti a její parametry.
Ačkoliv dokážeme velmi přesně popsat
střední polohu i tvar rázové vlny a magnetopauzy za nejrůznějších podmínek ve slunečním větru, stále existuje řada faktorů, které
způsobují, že hranice jsou pozorovány daleko od své střední polohy. Identifikace těchto
faktorů a kvantifikace jejich vlivu je předmětem intenzivního výzkumu. Zvláštní pozornost je věnována náhlým změnám, proto-
40
40
30
100
Geotail
20
YGSM [RE]
YGSM [RE]
30
100
Geotail
20
50
50
10
10
0
0
–50
0
–10
494
0
x [RE]
x [RE]
3. Změna konfigurace
magnetosféry pro dvě
hodnoty koncentrace
plazmatu slunečního
větru jako výsledek
MHD (magneto­
hydrodynamického)
modelu (J. Comput.
Phys. 154, 284–309,
1999). Na obou
obrázcích plné
čáry představují
okolozemní rázovou
vlnu a magnetopauzu.
Zvýšení tlaku
zobrazené v pravé
části obrázku vede ke
změně poloh a tvaru
obou hranic.
–20
–5
0
5
10
XGSM [RE]
15
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
–50
0
–10
–5
0
5
10
XGSM [RE]
15
4. Globální numerický
model interakce
meziplanetární rázové
vlny s magnetosférou
Země. V obrázku
je černým bodem
označena poloha
japonské družice
Geotail a barevná
škála udává rozdíl
v koncentraci
plazmatu před
a po příchodu
meziplanetární
rázové vlny, která
je znázorněna
čárkovanou svislou
čarou. Plné čáry
označují okolozemní
rázovou vlnu
a magnetopauzu.
že pokud jsou změny pozvolné, dochází
k prosté kompresi nebo expanzi celého systému a na Zemi pozorujeme jen pomalé změny
magnetického pole, které nemohou způsobit
výraznější problémy.
Typickou náhlou změnou je meziplanetární rázová vlna, která se často vytváří na čele výronů koronární (sluneční) hmoty v důsledku slunečních erupcí. Příklad interakce
takové rázové vlny s magnetosférou je na
obr. 4. Rázová vlna je znázorněna přerušovanou svislou čarou a barva obrázku ukazuje opět rozdíl hustoty plazmatu v daném okamžiku a v době před přechodem rázové vlny.
V levé části je okamžik, kdy se rázová vlna
dotkla magnetopauzy, v pravé části je profil
o 4 minuty později. Přechod rázové vlny vede k dramatickým změnám parametrů a deformaci celé magnetosféry, která trvá zhruba
15 minut, než se dostane do nového stabilního stavu. Takovéto změny pak vyvolávají po-
ruchy geomagnetického pole nazývané geomagnetické bouře.
I když poruchy geomagnetického pole vyvolané meziplanetárními rázovými vlnami patří k největším, dokážeme je předpovídat s poměrně malou pravděpodobností.
Přestože řada družic nepřetržitě monitoruje
Slunce, neumíme prozatím říci, která z mnoha erupcí povede k výraznému výronu hmoty
a zda tento výron Zemi mine bez jakéhokoli
následku. Daleko spolehlivější je měření parametrů slunečního větru blíže k Zemi. Nejčastěji se používají měření sond, které jsou
umístěny v Lagrangeově bodě L1 (to je bod,
kde se vyrovnává gravitační působení Země
a Slunce), který je od Země vzdálen přibližně
1,5 milionu km. Výhodou je možnost umístit
sondu trvale na oběžnou dráhu kolem tohoto bodu, nevýhodou pak skutečnost, že porucha zde pozorovaná dorazí k Zemi za 30
až 60 minut, a máme tedy poměrně málo ča-
Nabíjení submikronových zrn
nepravidelných tvarů
a. Různé
konfigurace
studovaných
zrn.
1
9
2
8
2 jehlany (1)
2 jehlany (2)
schody (8)
schody (9)
10
měsíční náhražka
D = 1,0 µm ⇔ m = 1,518 pg
8
koeficient nabíjení
Sekundární elektronová emise (SEE) je jev, jehož důsledky můžeme pozorovat, aniž víme, čím jsou způsobeny. Mezi tato pozorování patří například levitace prachových zrnek pozorovaných
těsně před východem a po západu Slunce nad obzorem Měsíce astronauty misí Apollo. Vznášení zrnek nad povrchem není
doposud uspokojivě vysvětleno, pravděpodobně je způsobeno
nepravidelným nabíjením povrchu a samotných zrnek dopadem
slunečního větru. Svoji roli může hrát i sluneční světlo nefiltrované žádnou atmosférou.
Sekundární emise má však široké uplatnění v mnoha technických oborech, a to ať již jako činitel vítaný, či škodící. Co to vlastně sekundární elektronová emise je? Jde o proces, kdy při dopadu elektronu na povrch látky dochází k uvolnění jednoho či více
elektronů z látky – tzv. sekundární elektron/y. Ucelený popis tohoto jevu pochází již z padesátých let minulého století a mnohé
z vlastností a spekter emitovaných elektronů jsou základem metod pro zkoumání povrchů, například v rastrovací elektronové
mikroskopii nebo různých typech analyzátorů. Díky tomuto využití se modelování procesů sekundární elektronové emise soustředilo hlavně na rovinné vzorky, menší pozornost byla věnována vzorkům sférickým; zde došlo k rozvoji experimentálních
metod studia a simulaci procesu až v souvislosti s výzkumem
meziplanetárního prostoru. Prachová zrna je možno pozorovat
v mezihvězdných mlhovinách, v prstencích planet, v ohonech
komet a podobně. Avšak v tomto prostředí s horkými elektrony
koule
krychle
jehlan
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
energie dopadajících elektronů [keV]
b. Změny koeficientu nabíjení pro různé tvary vzorků v závislosti
na velikosti primární energie dopadajících elektronů. Výpočet je
proveden pro simulant měsíčního prachu o velikosti okolo 1 mikrometru a je patrno, že nabíjecí křivky se liší podle tvaru zrna zejména v oblasti vysokých energií dopadajících elektronů.
(podobně jako v nádobách tokamaků) se prach nezřídka vyskytuje ve tvaru úlomků různých tvarů, sférická zrna jsou zde spíše
výjimkou.
Unikátní hybridní numerický model sekundární elektronové
emise vyvinutý na katedře fyziky povrchů a plazmatu postgraduální studentkou Ivanou Richterovou postihuje chování široké
škály tvarů povrchů, od masivních rovinných vzorků až po svým
způsobem bizarní tvary zrn o velikosti, která zasahuje až do sub-mikronových velikostí. Model zahrnuje vliv sekundární elektronové emise v oblasti energií primárních (dopadajících) elektronů
od 50 eV do 15 keV. Některé ze studovaných tvarů jsou zobrazeny na obrázku a. Na obrázku b je pak jedna ze základních charakteristik procesu – koeficient nabíjení. Tento koeficient je úměrný
povrchovému potenciálu, na který se zrnko nabije, a je tedy závislý na energii dopadajících elektronů. V této konkrétní simulaci se jedná o zrnko o velikosti 1 mikrometru z tzv. simulantu měsíčního prachu, jehož nejpodstatnější složkou jsou křemičitany.
Na obrázku b můžeme pozorovat odlišné profily koeficientu pro
kouli, krychli, jehlan a pro tvary zrn z obrázku a. Vidíme, že koeficient nabíjení výrazně závisí na energii dopadajících elektronů.
To je velmi důležité například pro astrofyzikální aplikace, protože povrchový potenciál je podstatný vstupní parametr modelů
vysvětlujících vznik hvězd, planet, planetárních prstenců a podobně. Zdeněk Němeček
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
495
–22
přechodová oblast
magnetosféra
sluneční vítr
–18
diskontinuita
YGSE [RE]
–20
THB
THC
–16
a
uz
pa
THD
THA
gn
eto
–12
ráz
ová
vln
a
–14
–8
12
ma
–10
THE
10
8
6
4
2
0
–2
XGSE [RE]
5. Náhlá a výrazná deformace (o několik zemských poloměrů) povrchu magnetopauzy (rekonstrukce z pozorování pěti družic projektu THEMIS). Jednotlivé
družice jsou označeny písmeny THA, THB, THC, THD a THE a hvězdička udává
jejich polohu v okamžiku pozorování. Plné čáry představují vzniklou deformaci
magnetopauzy a rázové vlny tak, jak se ji podařilo rekonstruovat z měření parametrů plazmatu.
Interference světla na
kapalné membráně.
Snímek © Jan Valenta.
su na přípravu na možné následky. Přesto
tento způsob již nyní využívají hlavně letecké společnosti. Změny geomagnetického pole jsou totiž doprovázeny intenzivními toky
částic vysokých energií a ty mohou nenávratně poškodit elektronické systémy a způsobit
silné dávky ozáření posádkám a cestujícím
v letadlech, která se pohybují v blízkosti geomagnetických pólů. Částice se totiž pohybují podél siločar magnetického pole Země,
a do atmosféry se tudíž dostávají právě v oblasti pólů. Pokud létáte častěji z Evropy do
Severní Ameriky, pravidelná trasa vede pře
severní Grónsko. V případě, že je očekávána geo­magnetická bouře, jsou lety odkláněny na jižnější trasy. To sice znamená delší let
a větší spotřebu paliva, ale zmenšuje nebezpečí hrozící letadlu nebo cestujícím.
Rázové vlny a jimi vyvolané poruchy geo­
magnetického pole ale nejsou jedinou příčinou, která může způsobit geomagnetickou
bouři. Sluneční vítr přináší i mnohem méně výrazné změny, které mohou kvůli doposud dobře neprozkoumaným mechanismům
vyvolávat mnohem větší poruchy, než je ta
na obr. 3. Příkladem může být rekonstrukce
pozorování pěti družic amerického projektu THEMIS na obr. 5. Tenkými čárkovanými čarami jsou ukázány polohy rázové vlny
a magnetopauzy v klidu, plné čáry ukazují
rekonstrukci jejich skutečného tvaru z pozorování zmíněných družic. Z pozorování další družice pohybující se v bodě L1 můžeme
odhadnout, že příčinou této deformace bylo malé pootočení meziplanetárního magnetického pole. Takových pootočení je možno
pozorovat i několik za hodinu a jen nepatrná
část z nich vede k pozorovatelným efektům.
Článek vyznívá poněkud pesimisticky –
prozatím neznáme zdaleka všechny příčiny poruch geomagnetického pole a ty, které
známe, umíme prozatím předpovídat pouze
s malou pravděpodobností. Situace je ale podobná předpovědi normálního počasí před
několika málo desítkami let a je možné doufat, že pokrok ve výzkumu v dohledné budoucnosti umožní stejně dobře předpovídat
i počasí kosmické.
Ö
proudění
kapalin a plynů
60 let
Matfyzu
Modelování
atmosférické
turbulence
Jan Bednář
Josef Brechler
Vladimír Fuka
„Turbulence je nejdůležitější nevyřešený
problém klasické fyziky,“ prohlašuje ve
svých světově proslulých a knižně vydaných přednáškách nositel Nobelovy ceny
fyzik Richard Feynman. Doprovází nás totiž téměř na každém kroku. V řadě situací je
to proces vítaný. Napomáhá například při
promíchávání dvou tekutin nebo při rozpouštění a následném homogenním rozptýlení cukru v hrnku kávy nebo soli v polévce, zamícháme-li s dostatečnou intenzitou
lžící. V mořích či oceánech napomáhá promíchávání biologických či chemických součástí ekosystému, což je mimo jiné důvod,
proč se turbulencí intenzivně zabývají oceánografové. Stejně tak napomáhá promíchávání reagujících složek v chemických reaktorech.
Existuje ale i řada situací, v nichž bychom
se bez turbulence raději obešli. Stačí zmínit
nebezpečí, které tento jev představuje pro leteckou dopravu. Jiným příkladem může být
vznik aneuryzmatu (výdutě) ve stěně krevního řečiště, kdy v důsledku nechtěné recirkulace krve v tomto nově utvořeném prostoru
a v jeho okolí dochází k porušení laminárního průtoku krve, čímž mohou vznikat vážné
zdravotní komplikace.
Od pořádku k chaosu
Při proudění tekutin, tj. jak kapalin, tak
plynů, rozeznáváme dva základní režimy –
proudění laminární a proudění turbulentní.
Důležité je, že tyto režimy nejsou vlastností
proudící látky, ale proudění samotného. Stej1. Výsledky modelového experimentu se slabým prouděním o rychlosti 1 m/s přetékajícím přes horskou překážku s relativním převýšením 100 m za podmínek simulujících výraznou teplotní inverzi ve spodních vrstvách atmosféry. Jsou velmi
dobře patrny stojaté gravitační vlny. Dále lze identifikovat turbulentní úplav za
překážkou a rotory (víry s horizontální osou) vytvářející se za těchto podmínek
v proudícím vzduchu. Zdroj: katedra meteorologie a ochrany prostředí MFF UK.
rychlost
[m/s]
5,5
4
2
0
498
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
ná látka, například voda, může proudit jak
v laminárním, tak v turbulentním režimu.
Laminární proudění je charakterizováno
hladkými, téměř rovnoběžnými proudovými
čarami (proudnicemi), zatímco turbulentní proudění vykazuje jejich poměrně složitou strukturu, jejich vzájemné „proplétání
a mísení“, a to zpravidla s výraznou časovou
proměnlivostí až chaotičností. Mezi těmito
dvěma základními stavy však nebývá ostrý
přechod, proudění se může z původně laminárního režimu stávat postupně více a více turbulentním (a naopak). Pro čtenáře by
mohlo být překvapivé, že režimy laminárního i turbulentního proudění jsou popisovány
týmiž pohybovými (Navierovými a Stokesovými) rovnicemi. Odborníkovi je však zřejmé, že jde o složité parciální diferenciální
rovnice nelineárního typu, jejichž výsledky
mohou být vzájemně velmi odlišné v závislosti na fyzikálním obsahu jejich členů. V případě turbulence jsou do řešení zahrnovány
i děje mající charakter dnes velmi populárního deterministického chaosu.
Ve vztahu k proudění v zemské atmosféře
má turbulence zcela zásadní význam. K tomu, aby proudění nabylo turbulentního charakteru, musí poměr v něm působících setrvačných sil k silám vazkým (vznikajícím
v proudící tekutině působením vnitřního tření mezi rovnoběžně proudícími vrstvami tekutiny s odlišnou rychlostí) překročit jistou
kritickou hodnotu. Tento poměr je v hydrodynamice a aerodynamice představován bezrozměrným Reynoldsovým číslem. Pokud jeho hodnota překročí kritickou mez, nastávají
podmínky pro vznik turbulentního proudění. Při reálně se vyskytujících režimech atmosférického proudění je tato podmínka
splněna prakticky vždy, a proudění tedy má
turbulentní charakter. Souvisí to s tím, že
­atmosférické prostředí se vyznačuje relativně malou vazkostí a poměrně intenzivním
pohybem.
Vzdušný „mixér“
Atmosférická turbulence se ve všech prostorových měřítkách (od měřítek planetárních a kontinentálních rozměrů až po malá
lokální měřítka, např. cirkulace uvnitř uličních kaňonů) uplatňuje jako dominující faktor pro prostorovou distribuci složek rychlosti proudění, tepla, vodní páry, různých
příměsí apod. V tomto smyslu je a musí být
zahrnována prakticky do všech v meteorolo-
gii používaných modelů, ať již jde o tzv. numerické předpovědní modely pro prognózu počasí, modely klimatického systému či
modely sloužící k různým účelům v souvislosti s aktuální problematikou znečišťování
ovzduší antropogenními příměsemi.
Vznik atmosférické turbulence souvisí jak
s působením tečných třecích sil, tak s archimedovskými vztlakovými silami spojenými
s nerovnoměrným rozložením teploty vzduchu v horizontálních hladinách atmosféry.
Působení archimédovských vztlakových sil
je však z hlediska vlivu na rozvoj turbulence dvojznačné. Tyto síly mohou působit ve
smyslu pozitivního generování chaotických
turbulentních pohybů, za jiných okolností však turbulentní pohyby naopak utlumují.
Hlavním faktorem, který o výsledku rozhoduje, je hodnota vertikálního gradientu teploty. Tlumící role je nejvýznamnější při teplotních inverzích, které se vyznačují velkou
stabilitou a v atmosféře působí jako svého
druhu „pokličky“ podstatně omezující promíchávání vzduchu. Obdobný, i když poněkud slabší vliv mají vrstvy vzduchu, v nichž
se teplota s výškou prakticky nemění (izotermie) nebo jen málo s výškou klesá.
Je zřejmé, že oba mechanismy vyvolávající turbulenci se velmi významně uplatňují
v tzv. mezní vrstvě atmosféry, tedy ve vrstvě, jež je bezprostředně ovlivňována působením zemského povrchu a za běžných
podmínek mívá tloušťku 1–2 km. Brzdění
vzdušného proudu třením o zemský povrch
je zde spojeno se zvláště silným působením
tečných třecích sil a následným generováním turbulence mechanickou cestou. Výrazně prostorově i časově proměnné energetické procesy na zemském povrchu (např.
absorpce slunečního záření, vlastní vyzařování infračervené radiace aj.) pak vytvářejí velmi příznivé podmínky i pro ovlivňování turbulence termickou cestou. Turbulence
zde navíc prostřednictvím vertikální difuze výrazně ovlivňuje výměnu tepla a vodní páry mezi povrchem Země a atmosférou,
což jsou děje zásadního významu pro komplexní meteorologické procesy ve všech prostorových měřítkách. Právě proto je studiu
a modelování turbulence v mezní vrstvě atmosféry věnována v meteorologii mimořádná pozornost.
Turbulentní difúze tepla a vlhkosti v blízkosti povrchu Země, tedy v oblasti, do níž
Prof. RNDr. Jan Bednář, CSc., (*1946) vystudoval Matematicko-fy­
zikální fakultu UK, pracuje na katedře meteorologie a ochrany pro­
středí MFF UK, odborně se zabývá zejména fyzikou mezní vrstvy
atmosféry, transportem a modelováním znečišťujících příměsí
v ovzduší, atmosférickou optikou, akustikou a elektřinou.
Doc. RNDr. Josef Brechler, CSc., (*1955) vystudoval Matematic­
ko-fyzikální fakultu UK, v současné době je vedoucím katedry
meteorologie a ochrany prostředí MFF UK, odborně se zabývá
především fyzikou mezní vrstvy, modelováním proudění a stu­
diem turbulence.
Mgr. Vladimír Fuka, (*1982) vystudoval Matematicko-fyzikální
fakultu UK. Je doktorandem na katedře meteorologie a ochrany
prostředí a zabývá se zejména vývojem modelů pro matematické
modelování turbulentního proudění a transportu znečišťujících
příměsí v mezní vrstvě atmosféry.
2. Gravitační vlny bývají velmi často dobře patrny na struktuře oblačnosti za horskými překážkami. Jde o tzv. vlnovou oblačnost v podobě pásů přibližně rovnoběžných s osou pohoří. Uvádíme snímek družice s polární dráhou Aqua pořízený
přístrojem MODIS dne 27. 1. 2008, na němž je dobře patrná vlnová oblačnost
v závětří Krušných hor. Zdroj: NASA/LAADS, zpracoval Martin Setvák.
je soustředěna největší část biosféry a antroposféry, je významná i z environmentálního
hlediska. Rozvoj pokročilých metod modelování turbulence v mezní vrstvě atmosféry pomáhá řešit úlohy související se vzdušným prouděním nad různými typy tvarů
a drsností zemského povrchu včetně umělých útvarů (např. nad městskou zástavbou,
jámami povrchových dolů nebo výsypkami), mimo jiné ve vztahu k difuzi všech druhů antropogenních příměsí. Může jít o emise
znečišťujících příměsí z energetických a průmyslových zdrojů, ze sídelních komplexů,
dopravy, zemědělství, nejrůznějších havárií
a podobně.
Žasnul už Leonardo
Turbulence je známa již řadu století. V uměleckém díle ji zřejmě jako první
zobrazil Leonardo da Vinci (1452–1519), jenž napsal: „Při pozorování pohybu vodní hladiny vidíme, jak připomíná pohyb vlasů, jenž je složen za dvou
různých pohybů, kdy jeden závisí na jejich hmotnosti a druhý je dán jejich
zvlněním; i voda formuje vířící struktury, z nich část sleduje směr hlavního
proudu a ostatní pak vytvářejí náhodné pohyby a protiproudy.“ Tento obraz z Leonardovy práce Studie vody padající na klidnou hladinu (viz obr. 3)
krásně vyjadřuje tajemství, jež nebylo vědeckou komunitou dosud plně odkryto. První z novodobých fyziků, který se problematikou turbulence začal
obšírněji zabývat, byl Osborne Reynolds (1842–1912). Řada pojmů vztahujících se k problematice proudění tekutin a turbulence je spojena s jeho
jménem (viz např. v textu zmíněné Reynoldsovo číslo). Po něm následovala
plejáda dalších, z nichž zde jmenujme pouze dva: Ludwiga Prandtla (1875–
1953) a Theodora von Kármána (1881–1963), německé klasiky moderní hydrodynamiky. Druhý ovšem významnou část svých vědeckých aktivit uskutečnil v Americe, kam emigroval před nacistickým režimem.
3. Leonardo da Vinci: Studie vody
padající na klidnou hladinu. Zdroj:
http://www.portlandart.net/
archives/2009/01/art_and_nature.
html.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
499
4. Rovněž struktura
buněčné konvekce
bývá často patrná
z charakteristické
podoby oblačnosti.
Na snímku je
zřejmá buněčná
konvekce vertikálně
nevelkého rozsahu,
tzv. mělká konvekce
v anticyklonálním
tlakovém poli
u pobřeží Peru dle
snímku z polární
družice Terra. Zdroj:
NASA.
Turbulence in silico
Na katedře meteorologie a ochrany prostředí MFF UK se věnujeme počítačovým simulacím turbulentního proudění, zaměřeným
především na právě zmíněnou problematiku transportu a disperze znečišťujících příměsí antropogenního původu v mezní vrstvě atmosféry v oblastech se složitějšími tvary
reliéfu zemského povrchu, ať již jde o při-
teplota [K]
317
316
315
314
313
312
311
310
500
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
5. Znázornění
modelové
simulace suché
buněčné konvekce
za podmínky
konstantního toku
tepla z rovinného
povrchu podkladu.
Buněčná struktura
je zde velmi
dobře patrna
z teplotního pole,
jež je zobrazeno
ve výšce 10 m nad
povrchem
čtvercové oblasti
16 × 16 km.
Zdroj: katedra
meteorologie
a ochrany
prostředí MFF UK.
rozené překážky (např. horská pásma), nebo zástavbu ve městech. Vlastní popis teorie
modelování turbulentního proudění se vymyká možnostem takto stručného příspěvku.
Čtenáře v tomto směru odkazujeme na literaturu, kterou uvádíme v závěru. Seznam je
seřazen od literatury spíše základního charakteru ke knihám s komplexněji a náročněji
pojatým obsahem.
V prvním případě uvažujme atmosférické
vrstvy s malými možnostmi pro promíchávání vzduchu (teplotní inverze, vrstvy s izotermií či jen velmi malým poklesem teploty s výškou). Proudění zde splňuje základní
podmínku turbulentnosti: hodnota Reynoldsova čísla se nalézá v nadkritické oblasti,
protože setrvačné síly závisející na rychlosti proudění jsou dostatečně velké ve srovnání se silami vazkými. Turbulence je však
tlumena termickými mechanismy. Ve vrstvách s takto tlumenou turbulencí dochází
v atmosféře často k vertikálnímu rozkmitání pohybujících se vzdušných elementů. Pro
odborníka bude v tomto směru zřejmě srozumitelný termín „vlny Helmholtzova typu“.
Jde o stojaté vertikální kmity ve vzduchové
hmotě, které vznikají v poli zemské tíže pod
vlivem negativně působících archimedovských sil (tj. působících proti směru vychýlení vzdušného elementu z rovnovážné polo-
hy), přetéká-li vzdušný proud přes nějakou
dostatečně výraznou překážku (např. horský
hřeben či horské pásmo).
Na obr. 1 je prezentován výsledek příslušné počítačové simulace. V oblasti vrchů stojatých gravitačních vln vzniká při dostatečné
vlhkosti vzduchu typická, tzv. vlnová oblačnost, jež v závětří horských hřebenů s nimi
vytváří rovnoběžné oblačné pásy. Příklady
takové oblačnosti lze dobře sledovat mj. na
družicových snímcích (obr. 2).
Další modelová ukázka se zaměřuje na
podmínky, kdy je rozvoj turbulence termickými ději naopak aktivně ovlivňován. Děje
se tak při nestabilních podmínkách daných
dostatečně rychlým poklesem teploty vzduchu s výškou. V reálné atmosféře nikdy není v určité horizontální vrstvě všude stejná
teplota, ale v polích teploty vzduchu existují (např. vlivem nehomogenit zemského povrchu) chaotické fluktuace, jež se následně
projeví vznikem archimedovských vztlakových sil. Jejich působením potom vzniká
vertikální cirkulace s tzv. buněčnou strukturou, v níž mají vertikální pohyby typické
uspořádání do podoby prostorových jednotek (buněk, cel). Při pohledu shora mohou
ve svém souhrnu budit dojem podobný pohledu na včelí medový plást. V centrální části
takové buňky obvykle existují pohyby vzhůru, v jejích okrajových partiích jsou pohyby
sestupné. Mohou se však vyskytovat i buňky
s opačným smyslem cirkulace. Velikost těchto buněk se může pohybovat od jednotek kilometrů v případě běžné denní konvekce nad
pevninou až po desítky kilometrů v případě
tzv. mezoměřítkové buněčné konvekce způsobované např. vpády studeného vzduchu
nad teplejší povrch oceánů. První z těchto
dvou případů ilustruje počítačová simulace
na obr. 5. Obr. 4 dokumentuje na charakteristickém vzhledu oblačnosti v reálné atmosféře
případ druhý. Tyto a obdobné jevy patří do
dnes velmi aktuální problematiky vynořování (emergence) uspořádaných struktur uvnitř
jevově chaotických procesů.
Jako ukázku typických modelových experimentů prováděných na katedře meteorologie a ochrany prostředí MFF UK uvádíme
ještě na obr. 6 počítačovou simulaci struktury proudění v uličním kaňonu (příčný řez
ulicí) se šikmými střechami na budovách
In this contribution the examples of results obtained at the Department of Meteorology and Environment Protection (Faculty of Math. and Phys., Charles
University in Prague) in the field of atmospheric turbulence modelling are presented. These results have been gained in application of the CLMM (Charles
University LES Microscale Model).
K dalšímu čtení
[1] Bednář J., Zikmunda O.: Fyzika mezní vrstvy
­atmosféry. Academia, Praha 1985.
[2] Jaňour Z.: Modelování mezní vrstvy atmosféry.
Karolinum, Praha 2001.
[3]Arya S. P.: Introduction to Micrometeorology.
Academic Press, San Diego 2001.
[4] Lesieur M., Metais O., Comte P.: Large-Eddy Simulations of Turbulence. Cambridge University
Press, Cambridge 2005.
6. Modelový experiment s turbulentním prouděním napříč uličním kaňonem
s trojúhelníkovým tvarem střech budov. Prostřednictvím takovýchto experimentů se získávají cenné podklady ve vztahu mj. k šíření dopravních exhalací v těchto
kaňonech. Je zde zřejmá detailní struktura pole proudnic mezi budovami a lze
upozornit i na typický vznik rotorů v proudícím vzduchu těsně pod úrovní střech.
Zdroj: katedra meteorologie a ochrany prostředí MFF UK.
a na obr. 7 simulaci unášení kouřové vlečky
přes překážku v podobě budovy. Tyto ukázky mají bezprostřední aplikační vztah k řadě
úloh souvisejících s problematikou ochrany
čistoty ovzduší v městské zástavbě. Pozornosti čtenáře je zde možno mj. doporučit názornou ukázku vzniku příčných vírů podél
osy uličního kaňonu. Takovéto modelové experimenty ukazují, že difuze znečišťujících
příměsí v uličním kaňonu závisí nejen na
vlastnostech proudění, šířce ulice nebo výšce budov, ale velmi významně například i na
tvaru střech.
Zmiňované modely turbulence mají kromě
významných přínosů pro vlastní výzkum i široké praktické uplatnění. Jde např. o problematiku atmosférických podmínek pro přenos
a prostorový rozptyl různých znečišťujících
příměsí. Zahrnutí místních cirkulačních systémů a jevů podstatně ovlivňovaných turbulentním mísením vzduchu je významné pro
lokální meteorologické předpovědi; turbulentní jevy ovlivňují mimo jiné i vzdušnou
ventilaci v ekosystémech a zemědělských kulturách, čímž hrají významnou roli při vývoji
rostlin. Podstatné jsou i z hlediska zajištění
bezpečnosti letecké dopravy.
Ö
7. Ilustrativní ukázka modelových experimentů s kouřovými vlečkami, v tomto případě se zahrnutím vlivu překážky v podobě budovy. Je prezentován typický tvar těchto vleček unášených atmosférickým
prouděním. Uvnitř vleček lze modelovat rozložení
koncentrací jednotlivých znečišťujících látek a z obrázku jsou dobře patrny i vírové struktury v jednotlivých segmentech vlečky. Zdroj: katedra meteorologie
a ochrany prostředí MFF UK.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
501
mechanika
kontinua
60 let
Matfyzu
Smát se a myslet
Nejdéle trvající
vědecký experiment
a jeho poselství pro mechaniku kontinua
Josef Málek
Vít Průša
Asfalt po úderu
kladivem. (Jedná se
o stejný materiál, který
na obrázku výše „kape“
z trychtýře.)
Patrně nikdo by neměl mít potíže odhadnout, který vědecký experiment se může
pyšnit přídomky největší a nejnákladnější. Ano, oba tituly si patrně přisvojí projekt Large Hadron Collider provozovaný
Evropskou organizací pro jaderný výzkum
(CERN). Když si však položíme otázku, jaký je nejdéle trvající vědecký experiment,
budeme muset hledat důkladněji. A zdá se,
že titul bude patřit experimentu Kapka asfaltu, který od roku 1927 běží na University of Queensland v Brisbane.1 Experiment
je to vskutku časově velmi náročný a nudný. V roce 1927 experimentátoři rozbili kladivem na drobné střípky válec z asfaltu, vše
vložili do zaslepeného skleněného trychtýře, chvíli – několik let – počkali, odstranili
dno trychtýře a od té doby sledují, jak ­asfalt
teče skrze trychtýř a kape na podložku. Významná událost, odtržení kapky, nastává
zhruba jednou za osm let.
Podivný experiment samozřejmě neu­nikl
pozornosti vědecké obce a v roce 2005 si vysloužil významné ocenění Ig Nobel Prize,2
což je jakási recesistická obdoba Nobelovy ceny. Cena je udělována za objevy typu
Proč datla nebolí hlava, když bez přestání bije zobákem do stromů. Heslem ceny je
Research that makes people laugh and then
think, tedy Výzkum, který nás přinutí smát
se a pak myslet a mezi vědci oceněnými Ig
Nobel Prize kupodivu nechybí ani držitelé
opravdových Nobelových cen. Co je tedy na
kapce asfaltu tak zábavného a přitom znepokojujícího?
Nenewtonovské tekutiny
Když v předminulém století vznikala mechanika kontinua, tedy popis spojitého prostředí
v rámci klasické, rozuměj newtonovské mechaniky, byly hlavním předmětem zájmu materiály, jako jsou voda a vzduch. Pro matematický popis proudění nestlačitelných tekutin
byly odvozeny takzvané Navierovy-Stokesovy rovnice a v podstatě panovalo přesvědčení, že tyto rovnice jsou postačující pro popis
proudění jakékoliv nestlačitelné tekutiny.
Ukázalo se však, že toto přesvědčení je poněkud neopodstatněné. Jednak začalo být
zřejmé, že v některých tekutinách dochází
k jevům, které v principu není možné těmito rovnicemi zachytit, jednak dodnes není
zcela jasné, zda Navierovy-Stokesovy rovnice mají v obecném případě „rozumné“ či
jednoznačně určené řešení. Otázka existence
řešení v obecném případě3 je těžký matematický problém, který odolává již téměř jedno
století. Přitom je to problém zásadní. Řešení rovnic se ve složitějších případech hledá
numerickými (přibližnými) metodami a seriózní badatelé by například rádi věděli, že
objekt, to jest přesné řešení, k němuž se snaží
přiblížit, existuje a je dobře, tedy jednoznačně, určen.
Opusťme však matematické otázky a zabývejme se fyzikální stránkou problému. Malířské barvy, zubní pasta, taveniny polymerů, roztoky obsahující dlouhé molekulární
řetězce, tekuté krystaly a samozřejmě v úvodu zmíněný asfalt, to všechno jsou příklady
tekutin, pro které je popis pomocí Navierových-Stokesových rovnic naprosto nevhodný. Proč?
Některé malířské barvy kupříkladu mají
tu vlastnost, že se snadno roztírají, pokud se
štětec pohybuje dostatečně rychle. Naopak
Josef Málek (*1963) je profesorem matematické analýzy na
Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy a garantem stu­
dijního oboru „Matematické a počítačové modelování ve fyzice
a technice“ na téže fakultě. Současně je vedoucím Univerzitního
centra pro matematické modelování, aplikovanou analýzu a vý­
počtovou matematiku (MathMAC) na Univerzitě Karlově. Zabývá
se teorií parciálních diferenciálních rovnic, zejména rovnicemi po­
pisujícími proudění nenewtonovských tekutin. Předmětem jeho
výzkumu jsou však i fyzikální aspekty matematického modelování
v mechanice kontinua.
Vít Průša (*1980) je odborným asistentem na Matematickofyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Zabývá se fyzikou nenewto­
novských tekutin.
502
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
pokud se štětec pohybuje pomalu, barva mu
klade vyšší odpor. To je samozřejmě žádoucí
chování. Barva se dobře nanáší, je velmi tekutá při rychlé práci se štětcem a je tužší při
pomalém působení jiných sil, nestéká kupříkladu samovolně po stěnách. Mimochodem,
opačného efektu – totiž rostoucí tuhosti materiálu se vzrůstající rychlostí silových působení – se v poslední době začíná využívat v takzvaném tekutém pancíři či brnění
(liquid armor). Neprůstřelná vesta z takového
materiálu je ideálním ochranným prostředkem. V běžných situacích je měkká (tekutá)
a nijak tedy neomezuje pohyblivost, v případě zasažení rychle letícím projektilem se okamžitě zpevní.
Zubní pasta je příkladem tekutiny, která
začne téci teprve v okamžiku, kdy na ní působí dostatečně velká síla. Povšimněte si, že
když je pasta vytlačována z tuby, střed pasty
je unášen proudem jako celek a pasta je tekutá pouze u okrajů trubice.
Roztoky obsahující dlouhé molekulární
řetězce mohou vykazovat takzvaný Weissenbergův jev.4 Ponoříte-li do takové tekutiny rotující tyč, tekutina začne po tyči šplhat
vzhůru. Dlouhé molekuly se v tomto případě chovají podobně jako špagety navíjené
na vidličku a táhnou s sebou zbytek roztoku
vzhůru (obr. na s. 504).
Tekuté krystaly jsou samozřejmě také tekutiny, jinak bychom je asi nenazývali tekutými. Tekuté krystaly nicméně mají jednu
pro tekutiny neobyčejnou vlastnost – nejsou izotropním materiálem, to jest jejich fyzikální charakteristiky jsou závislé na směru (orientaci).
A co asfalt? Z diskutovaného pokusu je
zřejmé, že se jednou může chovat jako pevná
látka, to v případě, kdy do něj rychle udeříme kladivem a materiál se rozpadne na drob-
né střípky. Naopak pokud se zajímáme o pomalé děje, tak v podstatě teče jako každá jiná
tekutina.
Všechny výše popsané jevy jsou jevy, které nejsou v principu popsatelné Navierovými-Stokesovými rovnicemi. V Navierových-Stokesových rovnicích není nic, co by mohlo
kupříkladu zachytit anizotropii jako v případě tekutých krystalů a podobně. Pokud pro
danou tekutinu selhává popis pomocí Navierových-Stokesových rovnic, označujeme tuto
tekutinu jako nenewtonovskou. Nabízí se tedy
otázka, zda je možné rovnice nějak „spravit“,
abychom získali prostředek k matematickému popisu takovýchto podivných materiálů.
Experiment
s kapajícím
asfaltem, University
of Queensland,
Austrálie. Přímý
přenos experimentu
je dostupný na http://
smp.uq.edu.au/
content/pitch-dropexperiment/
Zobecnění Navierových-Stokesových rovnic
Odpověď na položenou otázku se pokusila najít celá řada vědců. Jedním z možných
přístupů je vrátit se od Navierových-Stokesových rovnic a popisu v rámci mechaniky kontinua zpět k mikroskopickému popisu materiálů a vypracovat popis materiálů
na této nižší úrovni. Takový přístup vypadá slibně. Vždyť dlouhé molekulární řetězce jsme výše označili jako původce Weissenbergova jevu, což nabádá k tomu, že bude
vhodné popisovat materiál prostředky, které byly vyvinuté pro popis dlouhých molekulárních řetězců.
Druhý možný přístup je založen na myšlence, že pokud se zajímáme jen o mechanické
chování zkoumaného materiálu, musíme se
opřít o čistě fenomenologický přístup, který
odhlíží od vnitřní struktury materiálu. (Mechanickým chováním máme na mysli kupříkladu charakteristiku rozložení mechanického napětí uvnitř materiálu a podobně.)
Vhodného matematického popisu se pak dosáhne tak, že se do Navierových-Stokesových
rovnic přidá vhodný nelineární člen, který
1) R. Edgeworth, B. J. Dalton
and T. Parnell: The Pitch Drop
Experiment, European Journal of
Physics, 198–200, 1984.
2) Viz internetové stránky
společnosti Improbable research,
http://www.improbable.com/.
3) Pro přesnou formulaci
matematického problému
viz internetové stránky Clay
Mathematical Institute, http://
www.claymath.org/millennium/
Navier-Stokes_Equations/.
4) K. Weissenberg: A continuum
theory for rheological
phenomena, Nature, 159, 310–
313, 1947. Na zajímavá videa
narazíte na internetu, stačí zadat
do vyhledávače Weissenberg
effect.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
503
Následky zemětřesení
z 16. června 1964,
Niigata, Japonsko.
Příklad „tekuté“ půdy.
Snímek © NOAA/
NGDC, NOAA
National Geophysical
Data Centerh (http://
www.ngdc.noaa.gov/
hazardimages/event/
show/3).
5) Jen na okraj poznamenejme,
že existují lidé, kteří si myslí, že
Navierovy-Stokesovy rovnice
nejsou klíčem k pochopení
turbulence, protože nelinearita
v těchto rovnicích je příliš slabá
na to, aby mohla vyvolat takové
bohatství jevů, jaké pozorujeme.
Některé typy nelinearit vyskytující
se v rovnicích pro nenewtonovské
tekutiny jsou v tomto ohledu
mnohem slibnější.
504
bude kombinovat rozličné fyzikální veličiny
vystupující v makroskopickém popisu, tedy
v nejjednodušším případě rychlostní a tlakové pole.
Rozdíl v obou přístupech je zhruba stejný
jako rozdíl mezi statistickou fyzikou a termodynamikou. Termodynamiku (popis na vyšší
úrovni) lze, s trochou nadsázky, uspokojivě
pěstovat i v případě, že netušíme nic o mikroskopické interpretaci tlaku nebo teploty.
Stačí vědět, jak uvedené veličiny měřit.
Pokud se skutečně zajímáme pouze o mechanické chování materiálu, zdá se druhý
přístup výhodnější, protože v rovnicích vystupují jen ty veličiny, které nás přímo zajímají. Návrh „přidat vhodný nelineární člen“
sice zní zajímavě a jednoduše, ale jeho praktická realizace bude zjevně obtížná. Rozhodně ho nelze realizovat tak, že se do Navierových-Stokesových rovnic budou slepě
přidávat všemožné náhodně nebo i systematicky generované nelinearity v naději, že nakonec se prostě musíme trefit.
Ukazuje se, že třídu možných nelinearit
lze zásadně zúžit, pokud budeme požadovat,
aby výsledné rovnice vedly k rozumnému fyzikálnímu a matematickému popisu. Co to
znamená? Pokud by kupříkladu z navrženého zobecnění Navierových-Stokesových rovnic plynulo, že v materiálu samovolně vzniká energie, patrně bychom takovýto model
zavrhli jako nepoužitelný. Stejně tak bychom
nebyli spokojeni s úpravou, která by byla závislá na volbě souřadné soustavy, a která by
tedy porušovala Galileiho princip relativity. (To znamená, že rovnice by vedly k různým předpovědím, pokud bychom výpočet
provedli v souřadné soustavě, ve které by
byl materiál v klidu, a následně v alternativní souřadné soustavě, která by se vůči prvně
jmenované pohybovala rovnoměrně přímočaře.) Další omezení pak plynou z požadavku na zachování materiálových symetrií či
z druhého zákona termodynamiky.
Rozumným matematickým popisem máme na mysli matematickou konzistenci daného zobecnění Navierových-Stokesových
rovnic. Pokud to není fyzikálně ospravedlnitelné, rovnice by neměly dovolit, aby bylo
řešení singulární. To znamená, že například
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
rychlostní pole, které v rovnicích vystupuje
jako neznámá, by mělo přinejmenším zůstat
spojité. Problém je v tom, že v rovnicích vystupují i derivace rychlostního pole, a pokud
by rychlostní pole nebylo spojité, derivace
by v klasickém smyslu neexistovaly a rovnice
by tak „popřely samy sebe“. Další rozumnou
vlastností je jednoznačnost řešení. Pokud by
existovalo více řešení, nejspíše bychom usoudili, že k rovnicím bude potřeba přidat nějaké dodatečné, v ideálním případě fyzikálně
motivované, kritérium, které z mnoha možných řešení vybere to správné. (Poznamenejme, že i v tak jednoduchém případě, jako
jsou Navierovy-Stokesovy rovnice, je matematická teorie neúplná, viz výše.) Je důležité uvědomit si, že fyzikálně korektní model
nemusí být nutně matematicky konzistentní
a naopak.
O náročnosti uvedeného přístupu svědčí kupříkladu to, že první použitelné plně
tří­
dimenzionální rovnice popisující chování takzvaných viskoelastických tekutin (což
může být například asfalt) byly navrženy až
v druhé polovině minulého století a tato oblast se dále poměrně zásadním způsobem
rozvíjí. Zároveň je zřejmé, že cesta k zobecnění Navierových-Stokesových rovnic vyžaduje nejen dobré znalosti fyziky, ale také moderní matematiky.
Záhadou není jen turbulence
Nenewtonovské tekutiny významně rozšiřují pole záhad v klasické fyzice – mechanice
kontinua. Kromě dodnes nezodpovězených
otázek týkajících se turbulence, což jsou
otázky týkající se Navierových-Stokesových
rovnic, tak v klasické fyzice existuje i další
oblast, která volá po důkladném matematickém a fyzikálním zkoumání.5
Na rozdíl od poměrně odtažitých fyzikálních problémů v moderních fyzikálních
teoriích, jako jsou kvantová mechanika
a obecná teorie relativity, však můžeme jevy zkoumané v mechanice kontinua pozorovat doslova bez prostředků. (A pokud toužíte po těžkém matematickém popisu, vězte,
že mechanika kontinua se nemá zač stydět.)
Mimochodem už jste zkoušeli otáčet tyčí ve
vaječném bílku?
Ö
Weissenbergův jev – tekutina šplhá vzhůru po rotující tyči.
membránový
transport
60 let
Matfyzu
Membránové transportéry,
buněčné brány
Chceme-li pochopit chování celé buňky, je nezbytné porozumět transportním procesům v membránách buněk a jejich souvislostem s membránovým potenciálem. Kvasinky představují
vhodný modelový systém, protože na nich lze studovat obecné vlastnosti všech eukaryotních buněk. Využíváme k tomu fluorescenčních sond –
fluorescenčních barviv, která na změny v jejich
okolním prostředí reagují např. posunem vlnové
délky emitovaného světla nebo změnou intenzity záření.
Když nám před více než dvaceti lety profesor
Antonio Peña z National Autonomous University of Mexico, jenž se také zabývá studiem membránových transportních procesů v kvasinkách,
věnoval fluorescenční sondu diS-C3(3), která, řečeno jeho vlastními slovy, „se moc nepovedla“, netušili jsme, jak výrazně tato „nepovedená“ látka
pomůže rozšířit znalosti o činnosti membránových transportérů kvasinek.
Modelová kvasinka
Kvasinka Saccharomyces cerevisiae se řadí
mezi sedm nejdůležitějších modelových organismů, které jsou snadno dostupné, rychle se rozmnožují a umožňují kvalitní kultivaci v laboratorních podmínkách. Oblibě se
těší mimo jiné díky tomu, že je známa celá
sekvence nukleotidů v její DNA a lze snadno připravovat mutantní kmeny. Mimořádně důležité je také to, že přes značné morfologické rozdíly je řada životních pochodů
probíhajících v této malé buňce podobná tomu, co se odehrává v buňkách savčích, resp.
lidských.
V plazmatické membráně kvasinek, představující bariéru mezi vnitřkem buňky
a jejím vnějším prostředím, existuje řada
transportních proteinů, které plní rozličDoc. RNDr. Dana Gášková, CSc., (*1958) vystudovala biofyzi­
ku na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze. Nyní je vedoucí
oddělení biofyziky FÚ UK. Zabývá se výzkumem transportních
procesů v membránách kvasinek a studiem mechanismu účinku
povrchově aktivních antifungálních léčiv. V rámci tvůrčího volna
pobývala na katedře biochemie Lékařské fakulty Albertské univer­
zity v Edmontonu.
Prof. RNDr. Jaromír Plášek, CSc., (*1950) vystudoval biofyziku na
Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze. Ve Fyzikálním ústavu
UK se zabývá biofyzikou buněčných membrán a aplikacemi optic­
kých metod v biologickém výzkumu.
RNDr. Roman Chaloupka, Ph.D., (*1973) vystudoval biofyziku na
Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze a na Univerzitě Pierra
a Marie Curieových v Paříži. V Oddělení biofyziky FÚ UK se věnu­
je zejména výzkumu funkčních vlastností bakteriálních membráno­
vých transportních proteinů.
né funkce, jako je transport živin do buňky
a toxických odpadních látek ven nebo transport malých anorganických iontů udržující konstantní iontové složení uvnitř buněk
(tzv. homeostazi).
Membránový potenciál
Membránové proteiny, které dokážou přenášet přes plazmatickou membránu malé anorganické ionty, vytvářejí transmembránové
gradienty koncentrací těchto iontů. A protože ionty nesou náboj, vzniká tak zároveň
mezi vnitřní a vnější stranou membrány elektrické napětí, tzv. membránový potenciál.
U rostlinných buněk, bakterií a hub (mezi
něž patří i kvasinky) je membránový potenciál spojen zejména s činností plazmatické
­H+-ATPázy. Jedná se o protein, který transportuje protony z buněk na úkor chemické
energie uložené v ATP, což je nízkomolekulární látka sloužící v buňkách jako zdroj
rychle dostupné energie.
Membránový potenciál je pro život buňky
nezbytný. Možnost měřit jeho hodnotu nebo
alespoň velikost jeho změn je velmi důležitá, neboť řada procesů probíhajících na buněčné membráně je jím v různé míře ovlivněna (transport živin do buněk) nebo dokonce
přímo řízena (otevírání nebo zavírání iontových kanálů). Monitorování změn membránového potenciálu při interakci buněk s látkami přítomnými ve vnějším prostředí nebo
při vystavení buněk stresovým podmínkám,
jako jsou například hladovění, vysoká nebo nízká teplota, pH nebo přítomnost elektrických polí, nám umožňuje zprostředkovaně sledovat jak míru ovlivnění buněk těmito
stresovými faktory (stresory), tak vliv jiných
látek a faktorů, které mohou škodlivé účinky
Dana
Gášková
Jaromír
Plášek
Roman
Chaloupka
1. Strukturní vzorce příbuzných fluorescenčních sond diS-C 3(3), vlevo, a diS-C 3(5), vpravo. Úplný chemický název sondy diS-C 3(3) je 3-propyl-2-[3-[3-propyl-2(3H)benzothiazolyliden]-1-propenyl]benzothiazolium jodid, CAS no.
53336-12-2, diS-C 3(5) je 3-propyl-2-[5-[3-propyl-2(3H)-benzothiazolyliden]-1,3-pentadienyl]benzothiazolium jodid, CAS 53213-94-8.
CH3
CH3
N+
S
S
N
CH3
N+
S
S
N
CH3
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
505
Fluorescenční sondy
Fluorescenční sonda diS-C 3(3) se od známější a častěji používané potenciometrické sondy diS-C 3(5) liší pouze o dva uhlíky kratším uhlovodíkovým řetězcem spojujícím karbocyaninová jádra (obr. 1). Přes velice podobnou chemickou strukturu se však tyto látky (pro které se navíc poněkud zavádějícím
způsobem v angličtině používá stejný zkrácený chemický název 3,3‘-dipropylthiocarbocyanine) výrazně liší spektrálními vlastnostmi a tendencí tvořit
ve vodních roztocích agregáty.
V případě diS-C 3(3) je tato tendence výrazně nižší a navíc jak absorpční, tak emisní spektra této sondy jsou oproti diS-C 3(5) výrazně posunuta
ke kratším vlnovým délkám, konkrétně z dlouhovlnné červené do oranžové
oblasti viditelného spektra, přičemž po navázání na vnitrobuněčné proteiny
pozorujeme posun jejich spektrálních maxim o 13 nm směrem k větším vlnovým délkám oproti spektrům ve vodných roztocích. O tento rys fluorescence
diS-C 3(3) se v podstatě opírají všechny originální fluorescenční metody vyvinuté v oddělení biofyziky Fyzikálního ústavu UK: metoda umožňující sledovat s vysokou citlivostí a v reálném čase aktivitu několika membránových
transportních proteinů kvasinek současně, stanovení míry snížení aktivity
transportních proteinů kvasinek v důsledku interakce s různými chemickými látkami nebo léky a modifikovaná verze této metody umožňující zkoumání mechanismu účinku povrchově aktivních látek, které narušují buněčnou
stěnu a membránu kvasinek a způsobují tak jejich smrt.
Poslední z uvedených metod se jeví jako velice perspektivní pro farmaceutické testování nových fungicidů. Jejich potřeba souvisí s rostoucím výskytem onemocnění způsobených rezistentními kmeny patogenních kvasinek,
při jejichž léčbě selhávají dosud známé léky. Z tohoto pohledu jsou látky poškozující obalové struktury kvasinky ideálními kandidáty.
stresorů eliminovat (například antioxidanty). Působení stresorů poškozujících buňku
na úrovni plazmatické membrány má často
za následek snížení velikosti membránového
potenciálu, tzv. depolarizaci, případně až následnou permeabilizaci (zvýšení propustnosti) membrány vedoucí ke smrti buňky.
Mnohočetná léková rezistence
2. Elektronově-mikroskopický
snímek tenkého
řezu kvasinkou
S. cerevisiae
zobrazený
transmisní metodou
se schematicky
znázorněnou
plazmatickou
membránou (tlustá
žlutá linie) a sadou
nejvýznamnějších
membránových
transportérů. Barevně
jsou vyznačeny
transportéry, které
přímo souvisí
s tématem tohoto
článku, šedě
ostatní významné
membránové
transportéry (červená
– elektrogenní
pumpa Pma1p, což je
H + ‑ATPáza, zelená,
žlutá a modrá – MDR
pumpy Pdr5p,
Snq2p a Yor1p).
Fialovou barvou
zvýrazněné molekuly
symbolizují cizorodé
látky – substráty
membránových pump.
506
Další velmi důležitou roli hrají v buněčných
membránách kvasinek i živočišných buněk
membránové transportéry zodpovědné za
fenomén mnohočetné lékové rezistence (neboli MDR pumpy). Tyto transportéry aktivně odstraňují z buněk cizorodé látky, k čemuž využívají energii uloženou v ATP nebo
v transmembránovém elektrochemickém gradientu protonů, popř. sodných iontů. Brání
tak tomu, aby vnitrobuněčná koncentrace cizorodých látek přesáhla toxickou úroveň.
Ale co je dobré pro kvasinku, nemusí být
dobré pro lidský organismus, který se s ní
potká. MDR pumpy mohou například komplikovat boj s kvasinkovými kontaminacemi
nebo léčení infekcí. Jsou také zodpovědné za
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
rezistenci patogenních mikroorganismů vůči
antibiotikům, za rezistenci prvoků či parazitů vůči dezinfekčním činidlům a herbicidům
nebo i za rezistenci rakovinných buněk vůči
cytostatikům.
Metoda barvicích křivek
Malá kladně nabitá molekula diS-C3(3) snadno proniká do buněk, kam proudí tak dlouho, dokud nedojde k vyrovnání elektrochemických potenciálů této fluorescenční sondy
vně a uvnitř buněk. Jelikož membránový potenciál je uvnitř buněk záporný, vede ustavení elektrochemické rovnováhy k intracelulární akumulaci diS-C3(3). Uvnitř buněk pak
dochází k vazbě určitého množství sondy na
makromolekuly cytosolu (koloidního roztoku představujícího tekutý obsah buněk), což
vede k výše zmíněnému posuvu emisního
maxima k větším vlnovým délkám, doprovázenému navíc zvýšením kvantového výtěžku
fluorescence a tím i její intenzity.
Samotné sledování průběhu a míry intracelulární akumulace diS-C3(3) se opírá o změny spekter způsobené vazbou sondy na makromolekuly cytosolu. Jelikož polohy maxim
emisních spekter fluorescence volné a vázané sondy se liší o 13 nm, vede zvyšování
relativního množství sondy akumulované
v buňkách k postupnému posuvu od hodnoty charakteristické pro čistý vodný roztok
k hodnotě blízké fluorescenci sondy vázané.
V praxi pak zpravidla měříme závislost polohy maxima fluorescenčního signálu na čase
od přidání sondy do buněčné suspenze, tzv.
„barvicí křivku“. Pomocí ní můžeme snadno
sledovat v reálném čase změnu membránového potenciálu vyvolanou chemickým stresorem, např. depolarizaci, je-li látka přidána
k již obarvené suspenzi buněk.
Celková míra akumulace diS-C3(3) v buňkách kvasinek závisí nejenom na velikosti
membránového potenciálu, ale také na její
sekundární akumulaci v mitochondriích, vlivu buněčné stěny na ustavení rovnovážných
koncentrací a aktivním odstraňování sondy
z buněk MDR pumpami, které vede ke snižování její intracelulární koncentrace. První
dva faktory představují výraznou komplikaci při interpretaci experimentů, které je proto nutné provádět takovým způsobem, aby
bylo možné předpokládat, že stav mitochondrií ani stav buněčné stěny se v rámci daného
experimentu nemění.
Naproti tomu činnost membránových
pump je ve skutečnosti výhodou, díky které lze diS-C3(3) kromě monitorování změn
membránového potenciálu používat také
ke sledování aktivity těchto pump. Oba tyto efekty se samozřejmě navzájem překrývají a nelze je od sebe jednoduše oddělit. Díky
existenci bezpumpových mutantů kvasinek
však lze pomocí fluorescence diS-C3(3) získat
řadu relevantních údajů o faktorech ovlivňujících jak membránový potenciál kvasinek,
tak aktivitu jejich membránových pump.
Významným mezníkem, který vedl k explozivnímu rozvoji aplikací naší metody, bylo zjištění, že sonda pasivně vstupující do
3. Schematické znázornění principu monitorování
membránového potenciálu kvasinek pomocí redistribučních fluorescenčních sond. Červené kroužky
symbolizují molekuly monovalentního kladně nabitého barviva, které se akumuluje uvnitř buněk, odkud
je MDR pumpami částečně vraceno zpět do média.
V pravé části obrázku je uvedena Nernstova rovnice popisující vztah mezi membránovým potenciálem a poměrem koncentrací vodných roztoků sondy
uvnitř buňky, cin, a v médiu, cout; R, T a F značí plynovou konstantu, absolutní teplotu a Faradayovu konstantu, přičemž výsledná hodnota zlomku, v němž tyto konstanty figurují, je při teplotách v rozmezí 25 až
37 °C rovna 25,7 až 26,9 mV.
buněk podle membránového potenciálu je
z buněk aktivně odstraňována dvěma hlavními MDR pumpami kvasinek S. cerevisiae
(Pdr5p a Snq2p). Za použití setu izogenních
mutantních kmenů (jejich genomy se navzájem liší pouze tím, zda gen pumpy je, či není přítomen) je možné studovat vliv těchto
pump na rychlost akumulace sondy v buňkách, vyhledávat účinné inhibitory jejich činnosti včetně stanovení minimálních inhibičních koncentrací a přitom současně sledovat
jejich vliv na membránový potenciál.
Kvantitativní měření
Kromě kvalitativního sledování změn membránového potenciálu na základě rozdílů
v barvicích křivkách začínáme v poslední
době využívat také alternativní způsob vyhodnocování spekter diS-C 3(3) fluorescence, založený na jejich rozkladu na složky odpovídající fluorescenci volné sondy v médiu
a vázané sondy akumulované v buňkách,
což při splnění určitých dobře definovaných
předpokladů umožňuje měřit změny membránového potenciálu v milivoltech.
Na rozdíl od prostého kvalitativního zjišťování, zda membránový potenciál roste nebo klesá hodně či málo, založeného
na jednoduchém měření intenzity fluorescence nebo polohy emisního maxima potenciometrické sondy, jsme schopni tímto
způsobem hodnotit velikost změn membránového potenciálu v absolutní škále (mV),
což vylepší možnost interpretace jeho role v různých procesech probíhajících v kvasinkách.
Ö
4. Ukázka použití fluorescenční sondy diS-C 3(3) a barvicích křivek při testování
nových účinných inhibitorů membránových pump Pdr5p a Snq2p kvasinek S. cerevisiae.
A) Interakce imunosupresantu FK506 s kvasinkami kmene AD 12, které obsahují
pumpu Pdr5p, a kvasinkami bezpumpového kmene AD 1-3. Zatímco bez imunosupresantu je míra akumulace sondy v buňkách kmene AD12 velmi nízká (prázdné zelené kroužky), jeho přidání k suspenzi buněk (plné zelené kroužky) vede
v důsledku inhibice této pumpy až na úroveň typickou pro buňky kmene AD 1-3
(prázdné modré čtverce – buňky bez FK506, plné modré čtverce – efekt FK506).
Nulový efekt imunosupresantu FK506 v bezpumpových buňkách indikuje, že tato látka má minimální vliv na membránový potenciál kvasinek.
B) Interakce imunosupresantu FK506 s kvasinkami kmene AD 13, které obsahují
pumpu Snq2p (žluté trojúhelníky). Přidání imunosupresantu nevede ke zvýšení
akumulace sondy v těchto buňkách, která zůstává velmi nízká oproti kontrole
představované buňkami bezpumpového kmene AD 1-3, což znamená, že FK506
není účinným inhibitorem této pumpy.
inzerce
zasloužíte si hvězdnou dovolenou
miliony zájezdů na jednom místě za stejnou cenu jako u CK
parkování po dobu dovolené na vybraných letištích zdarma
doprava linkovým autobusem na vybraná letiště zdarma
infolinka 800 600 600 www.dovolena.cz
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
507
fotovoltaika,
polovodiče
60 let
Matfyzu
Organická fotovoltaika
Jsou organické polovodiče budoucností energetiky?
Jiří Toušek
Jana Toušková
Doc. RNDr. Jiří Toušek,
CSc., (*1938) vystudoval
fyziku pevných látek na
Matematicko-fyzikální
fakultě UK. Na katedře
makromolekulární fyziky
téže fakulty se zabývá
fotoelektrickými jevy
v polovodičích.
Doc. RNDr. Jana Toušková,
CSc., (*1941) vystudovala
obor fyzika pevných látek
na Matematicko-fyzikální
fakultě UK. V současnosti
působí na katedře
makromolekulární fyziky,
kde se kromě výuky zabývá
výzkumem transportních
a fotoelektrických vlastností
polymerních materiálů
a slunečních článků.
508
Sluneční články, jejichž výroba je tak snadná
jako tisk novin, jsou tak ohebné, že je možné
smotat je do role, a přitom levné. To je perspektiva, kterou nabízejí organické polovodiče. Na rozdíl od anorganických polovodičů,
jejichž základem jsou atomy, jsou organické polovodiče tvořeny molekulami, a jejich
vlastnosti se mohou proto snáze modifikovat.
Mohou se připravovat i z roztoků a jejich výroba navíc nevyžaduje vysokou „polovodičovou“ čistotu. Cena energie, kterou produkují
anorganické sluneční články v našich zeměpisných šířkách, je zatím asi třikrát vyšší než
cena elektřiny z klasických elektráren. Využitím organických materiálů se náklady na
výrobu slunečních článků sníží o řád, což
umožní vyrábět elektřinu ve větším rozsahu šetrněji k životnímu prostředí. V poslední době se proto provádí intenzivní výzkum
vodivých organických materiálů, což se projevilo také v roce 2000 udělením Nobelovy
ceny třem badatelům v tomto oboru.*
Běžně dosahovaná účinnost organických
slunečních článků činí jen asi 3 až 6 %, ale
jejich výhodou je nízká cena a velká rychlost produkce například tiskem na ohebné
fólie. Vývoji slunečních článků napomáhají
diagnostické metody, které většinou vyžadují kontakty pro vedení proudu nebo snímání napětí. Organické materiály se však v ně1. Sluneční článek s rovinným rozhraním mezi
P (donor) a N (akceptor) polovodičem. Foton č. 1 generuje exciton (elektron vázaný s dírou) ve střední
části (využitelná oblast), kde difunduje. V elektrickém poli na rozhraní donoru a akceptoru je disociován a jeho elektron a díra mohou přispívat k proudu.
Exciton generovaný fotonem č. 2 je pro fotoproud
ztracený.
donor
akceptor
1. foton
2. foton
kontakt
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
využitelná oblast
kterých případech dosti obtížně kontaktují.
Proto jsme vyvinuli bezkontaktní metodu
snímání napětí generovaného světlem, která měření urychluje a nekontaminuje povrch.
Současně bylo nutno vytvořit model popisující procesy transportu fotogenerovaného náboje v organické látce. Pomocí počítačového
modelu lze tak zjistit některé důležité parametry, které určují účinnost článků. Tato metoda je experimentálně nenáročná a ve světě
dosud neužívaná.
Organické fotovoltaické články
Foton o dostatečné energii vytvoří po absorpci v organických polovodičích pár elektron–díra (obdobně jako v anorganických
polovodičích – viz [1]). Od páru vzniklého
v anorganických polovodičích se však odlišuje přetrvávající coulombovskou silou mezi
elektronem a dírou. Následkem toho se místo volných nábojů generují vázané páry elektron-díra, tzv. excitony. Excitony jakožto neutrální částice elektrický proud nepřenášejí,
a musí být proto disociovány. Disociace může vznikat v elektrickém poli přechodu mezi
P a N polovodičem nebo u kontaktu s kovem.
Pokud exciton nevznikne přímo v oblasti, kde je elektrické pole, dostává se k němu
difuzí. Tento proces je však málo efektivní,
protože excitony velmi rychle anihilují a jejich energie se předává okolí. Dokáží tak difundovat na vzdálenost jen od několika nanometrů až po desítky nanometrů. Proto
první články sendvičového typu (viz obr. 1)
vykazovaly velmi nízkou účinnost.
Další konstrukce slunečních článků zvětšuje plochu využitelné oblasti vytvářením heterogenních směsí materiálů P a N. „Promícháním“ N-typového a P-typového polovodiče
se zvětší plocha přechodu, na které se mohou
excitony rozdělovat, a současně se zkracuje
vzdálenost od přechodu, kterou musí excitony urazit. [2]. Další výhodou je, že elektron
uvolněný z rozděleného excitonu se transportuje N-materiálem (akceptorem) odděleně od díry, která je v P-materiálu (donoru),
což znesnadňuje jeho zpětnou rekombinaci.
Pro směsnou strukturu se jako polovodiče typu P využívají jak malé molekuly (ftalocyaniny, pentacen, sexithiofen atd), tak i polymery (polyfenylen-vinyleny, polythiofeny
*) V roce 2000 získali Nobelovu cenu za chemii Alan G. MacDiarmid, Alan
J. Heeger a Hideki Širakawa. Viz Jan Prokeš, Stanislav Nešpůrek a Jaroslav
Stejskal: Vodivé polymery, Vesmír 80, 35, 2001/1.
3I–
elektrolyt
I3–
TiO2
barvivo
2. Graetzelova cela s vyznačeným transportem nábojů.
a řada dalších). Výběr N-typů (akceptorů) je
méně obsáhlý (např. deriváty perylenu, popřípadě PCBM, což je derivát fullerenu). Zavedení fullerenu – molekul uhlíku C60 – do
technologie organických slunečních článků
vedlo k podstatnému zvýšení účinnosti. Polymer C60 má tvar koule, je vysoce vodivý
a chová se jako akceptor, který přijímá a velmi rychle transportuje elektrony z disociovaných excitonů k elektrodě. Jeho derivát označovaný PCBM je rozpustný, což umožňuje
jeho aplikace v technologii. Málo však absorbuje fotony ve viditelné oblasti slunečního
spektra (380 nm až 760 nm). V poslední době se nahrazuje anorganickými nanočásticemi například z polovodičů CdSe, CdS, ZnO.
Další možnost zvyšování účinnosti představují tzv. tandemy. Jsou to struktury sestávající z několika článků většinou různého složení, řazených nad sebou.
Zvláštní skupinu představují fotochemické, tzv. Graetzelovy cely (obr. 2), které vlastně imitují fotosyntézu. Jejich základem je nanokrystalický oxid titaničitý TiO2
nanesený na skle pokrytém vodivým průhledným oxidem označovaným jako ITO
(­
in­
dium-tin-oxide). Vrstva oxidu titaničitého má houbovitou strukturu, a tedy velký
povrch, ale málo absorbuje světlo, a proto
se pokrývá vhodným barvivem, které slouží
jako absorbér. Elektrony uvolněné z barviva
světlem jsou přes nanokrystaly TiO2 transportovány na elektrodu ITO. Elektrony se
do barviva zase doplňují z protější grafitové
nebo platinové elektrody pomocí oxidačně
redukčního roztoku iontů jódu. Cely, které
mají účinnost větší než 10 %, používají jako
barvivo sloučeniny ruthenia. Články fungují však i s přírodními barvivy, které získáme extrakcí z ostružin, malin, červeného květu ibišku, třešní a podobně. Jedná se
snad o jediné sluneční články, které může
pro demonstraci činnosti připravit i laik bez
zvláštního vybavení. Například je dokáží
vyrobit i studenti, kteří na naší katedře pracují v rámci projektu pro talentované středoškoláky (Talnet).
Význam a aplikace
Jak již bylo řečeno, účinnost organických
slunečních článků je dosud nízká. Účinnosti
přes 10 % dosahují běžně zatím jenom Graetzelovy cely. Pro ostatní se nejčastěji uvádějí
hodnoty do 6 %. Letos však již dosáhla firma Heliatek z Drážďan rekordní účinnosti
10,7 % na tandemových celách z malých molekul na ploše 1,1 cm2. Vzhledem k velké intenzitě výzkumu organických cel ve světě se
dá očekávat, že účinnosti přes 10 % bude dosaženo v několika málo letech i na velkých
plochách.
Právě rychlost výroby solárních panelů patří k přednostem organických materiálů. Jako perspektivní se jeví např. technika nanášení polovodičového materiálu ve formě
inkoustu tiskem na polymerní fólii. Jednou
z výhod je také to, že zcela odpadá práce ve
vakuu. Takto vytvořený panel je ohebný, může být v různých barvách pro použití na střechách i na fasádách. V polopropustné verzi
ho lze použít na skla v oknech nebo automobilech. Některé zahraniční firmy vyrábějí
textilní fotovoltaická vlákna např. pro oděvy
nebo batohy a tašky (obr. 3).
Mohou fotovoltaické elektrárny
na našem území vyrobit dostatek
energie pro celou republiku?
Pro odpověď na tuto otázku vyjdeme z hodnoty energie slunečního záření, které u nás
dopadá na 1 m2 za rok a které představuje přibližně 1 MWh. Při minimální účinnosti 10 %
tak lze získat asi 100 kWh/m2 za rok. Spotřeba elektřiny u nás nepřesahuje 100 TWh, což
je množství, které lze získat z plochy 109 m2
neboli 1000 km2. Přitom plocha všech střech
u nás je asi 2500 km2, takže by nebylo ani
nutno využívat nezastavěnou plochu. Nevýhodou ovšem je závislost energie dodávané
těmito elektrárnami na velikosti slunečního
zářivého toku, který se mění s ročním obdobím, při střídání dne a noci a s počasím. Vyvstává tedy potřeba akumulace energie, což
je problém, který by se patrně mohl řešit generací vodíku rozkladem vody. Přehledný
text o fotovoltaických článcích a jejich ekonomice nalezne čtenář například na stránkách [3].
Ö
3. Sluneční články
ve formě vláken jako
součást textilu.
K dalšímu čtení
[1] J. Toušek: Elektřina ze Slunce, Vesmír 79, 672, 2000/12.
[2] http://user.chem.tue.nl/Janssen/solarcells3Y280.htm.
[3] http://www.eurosolar.cz/phprs/showpage.php?name=fotovoltaika.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
509
geofyzika,
seismologie
60 let
Matfyzu
Pár sekund k dobru
Systémy včasného varování před zemětřeseními
František
Gallovič
RNDr. František Gallovič,
Ph.D. (*1979) vystudoval
Matematicko-fyzikální
fakultu UK. Jako odborný
asistent na katedře
geofyziky MFF UK se
zabývá výzkumem ohnisek
zemětřesení včetně jejich
počítačového modelování.
510
Jedním ze základních cílů seismologie je
přispívat ke snižování následků velkých zemětřesení. Máme na mysli zejména ztráty na
životech při zřícení staveb nebo při následně
vzniklých požárech a dopravních nehodách,
ale také sekundární efekty jako poškození
nebezpečných průmyslových provozů nebo
přehrad.
O zemětřeseních víme, že se vyskytují
v tektonicky aktivních oblastech. Například
v Evropě se objevují zejména v oblasti Středomoří, kde jsou důsledkem neustálých pomalých pohybů euroasijské a africké litosférické desky.1 Na jejich kontaktech dochází
k zaklesávání horninových bloků a hromadění elastické energie. Tyto kontakty jsou
tvořeny takzvanými seismickými zlomy, které mohou měřit na délku stovky až tisíc kilometrů. V případě velkých zemětřesení se
po stovkách až tisících let skokově uvolní nahromaděné napětí v rámci pouhých desítek
sekund. To je doprovázeno vznikem seismických vln.
Vše by bylo jednodušší, kdybychom uměli předpovědět přesný čas a místo vzniku zemětřesení a jeho velikost (tzv. magnitudo2).
To bohužel neumíme. Dokonce se zdá, že
takové předpovědi ani nebude v principu
možné nikdy udělat. I kdybychom znali perfektně všechny fyzikální zákony řídící vznik
a průběh zlomového procesu, sotva kdy budeme schopni získat přesné informace o prostorovém rozložení napětí a všech potřebných reo­logických parametrech podél všech
zlomů.
Proto směřuje zájem seismologické komunity spíše směrem ke statistickému odhadu zemětřesení (vznikají i celosvětové pravděpodobnostní mapy seismického
ohrožení), mapování seismicky aktivních
zlomů, zlepšování kvality staveb podle tzv.
antiseismických norem a k vývoji a implementaci systémů včasného varování před
zemětřeseními.
K pochopení principu systému včasného
varování si nejprve musíme připomenout
vlastnosti seismických vln jakožto elastických vln šířících se celým zemským tělesem
a možnosti jejich registrace. Vlny vznikají
vlivem třecích procesů na aktivovaných zlomech, kdy se rychle uvolňuje spojení dvou
zakleslých horninových bloků ve formě šířící se trhliny. Místo vniku vln nazýváme
hypocentrum (též ohnisko); z něj se trhlina
šíří rychlostí zhruba 3 km/s a po celou do-
Vesmír 91, červenec–srpen 2012 | http://www.vesmir.cz
bu až do zastavení dává vzniknout seismickým ­vlnám. S rostoucí vzdáleností od zdroje
obecně vlnám klesá amplituda zejména vlivem geo­
metrického rozšiřování vlnoplochy.
Seismické vlny můžeme rozdělit do tří
hlavních skupin. Nejrychlejší a zároveň nejslabší jsou vlny P (primární) šířící se rychlostí přibližně 6 km/s, při nichž částice prostředí kmitají souhlasně se směrem šíření
vlny. Sekundární vlny S s příčným kmitáním jsou asi 1,7krát pomalejší, a přicházejí tedy později. Na rozhraní uvnitř Země i na jejím povrchu se vlny mnohonásobně odrážejí
a lámou, přičemž se konverzí mění z P na
S a naopak. Souhrnně tvoří vlny prostorové.
Interferencí prostorových vln u zemského
povrchu vznikají vlny vedené podél něj, které se nazývají povrchové. Šíří se ještě o něco
pomaleji než vlny S.
Seismické vlny se registrují pomocí seismografů. Ty dokážou zaznamenat například silné ničivé pohyby blízko epicentra, většinou vázané na vlny S, při nichž
se povrch Země vychýlí například i 1 metr a zrychlení pohybu činí třeba až 10 m/
s2. Seismografy však stejně dobře zaznamenají i slabé pohyby od ohniska zemětřesení vzdáleného tisíce kilometrů, nebo dokonce až na druhé straně Země (kmity povrchu
o výchylce několika mikrometrů).
Záznam časového průběhu kmitavého pohybu v místě seismické stanice se nazývá
seismogram. Ve větších vzdálenostech jsou
na seismogramu nejsilnější skupinou vlny
povrchové. Povrchové vlny dominují na záznamech až ve vzdálenějších stanicích díky
jejich interferenčnímu charakteru. Nicméně
povrchové vlny mají typicky delší periody
než vlny prostorové, a proto s nimi může být
spojeno menší zrychlení než s vlnami prostorovými. To znamená, že nemusejí mít ničivé
účinky na menší budovy, ale rezonančním
efektem dokážou doslova rozhoupat výškové
stavby nebo mosty a způsobit jejich zřícení.
Myšlenka systému včasného varování pochází z roku 1868, kdy J. D. Cooper navrhl
instalovat seismické detektory do blízkosti
ohnisek zemětřesení; v případě aktivace detektorů měl být telegrafem vyslán signál do
radnice v San Francisku, kde by bylo varováno obyvatelstvo rozezněním zvonu. Měl se
1) Katedra geofyziky MFF UK provozuje v Řecku již od roku 1997 několik seismických stanic ve spolupráci s Univerzitou v Patrasu. Záznamy posloužily k výzkumu významných zemětřesení z posledních let.
využít fakt, že se elektrický signál šíří mnohem rychleji než seismické vlny.
První skutečné pokusy o implementaci systému musely počkat více než sto let, když
vznikaly první varovné systémy pro síť vysokorychlostních vlaků Šinkanzen v Japonsku.
Vedle jednoduchých detektorů přicházejících
vln šlo o první přístroje, které byly založeny na analýze přicházejících P vln v reálném
čase. Jedná se o tzv. on-site přístupy, kdy se
využívá faktu, že vlny P přicházejí dříve než
ničivé vlny S. Konkrétně se z přicházejících
P vln snažíme pomocí empirických vztahů
odhadnout následné silnější pohyby vlivem
vln S a vln povrchových (určuje se tzv. intenzita pohybů). Pokud by odhadnutá intenzita
měla překročit definovanou mezní hodnotu,
je vyhlášeno varování a blížící se nebo projíždějící vlak je zastaven. Tím se pochopitelně předejde vykolejení, popřípadě se sníží jeho následky.
On-site režim je jednoduché řešení, ale neumožňuje rozšířit varování do větší oblasti.
Navíc používané empirické vztahy umožňující odhadnout maximální intenzity z přicházejících P vln vykazují velké rozptyly, což vede ke značným chybám odhadů. To možná
nemusí tolik vadit při preventivním zabrzďování vlaků, ale při zastavování jaderných
elektráren již ano. Důvody existence těchto
rozptylů jsou známy, což ovšem neznamená,
že je lehké se s nimi vyrovnat. Vyzařování vln
při zemětřesení vykazuje totiž složitosti způsobené zejména
l vyzařovací charakteristikou (tj. směrovou
závislostí danou orientací zlomové plochy
a směrem pohybu na ní),
l obdobou Dopplerova efektu, kdy vlny
S jsou zesíleny, pokud stanice leží ve směru
šíření trhliny a obráceně,
l lokálními geologickými podmínkami, které vedou k různému zesílení (i směrově závislému) vln P a ostatních.
Jeden ze způsobů, jak zpřesnit odhady
ohrožení, je pokusit se najít polohu ohniska
zemětřesení a jeho velikost. Odhad lze pak
navíc rozšířit i na účinky ve větším regionu
(tzv. regionální režim). K tomu je již nutná
existence více stanic, pokud možno rozmístěných kolem ohniskové oblasti.
Na celém světě je v současné době zhruba desítka regionálních systémů včasného
varování. V osmdesátých letech začal jeden
z prvních vznikat na jihozápadním okraji
Mexika po ničivém zemětřesení o magnitudu 8,1 v roce 1985, které mělo katastrofální
účinky i ve vzdáleném Mexico City. Tamní takto velká zemětřesení (podobně jako
v Japonsku) vznikají v Tichém oceánu daleko od pobřeží, v místech zanořování oceánské litosférické desky pod pevninskou.
Během šíření vln tak vznikne mezi vlnami
P a S časový rozdíl o délce 30 s až více než
minuty. Vystavěný „nárazový“ systém sestává ze sítě seismografů rozložených podél pobřeží.
V Japonsku byl po zemětřesení v Kobe
v roce 1995 spuštěn projekt s cílem zahustit
síť seismografů po celém souostroví. V roce
2007 pak byl odstartován ostrý provoz varovného systému založeného na celé síti více
než tisícovky seismografů. Systém umožňuje
provádět varování nejen před zemětřeseními
přicházejícími z oceánu, ale i před těmi, které vznikají v rámci sítě na pevnině. Podobný varovný systém funguje v Kalifornii. Na
Tchaj-wanu obdobná síť již několik let varuje železniční soustavu, univerzitu a nemocnici v Taipei. V Bulharsku posílá lokální síť varování výzkumnému nukleárnímu zařízení,
v Istanbulu zase jaderné elektrárně a velké
bankovní budově.
Relativně malý počet funkčních systémů
včasného varování na světě je dán skutečností, že jeho vybudování je nákladnou technickou a administrativní záležitostí. Navíc jeho optimální funkčnost a spolehlivost ještě
zdaleka nejsou z vědeckého hlediska dořešeny. To vede k výskytu neúspěšných varování,
kdy systém buď nevaruje, nebo vyšle falešné
varování. Oboje může být stejně nepříjemné,
zejména pokud se jedná o takovou stavbu,
jakou je např. jaderná elektrárna. (Zbytečné
zastavení jaderné elektrárny po falešném poplachu je samozřejmě lepší varianta než neposkytnuté varování, nicméně finanční náklady a důsledky pro přenosovou soustavu
mohou být značné.) Přemíra falešných poplachů ale může mít i negativní vliv na obyvatelstvo a jeho vnímání varování; lidé si
mohou po nějaké době na falešné poplachy
zvyknout a nezachovat se správně při opravdovém ohrožení.
Podívejme se nyní blíže na komplikace, se
kterými se budování a provoz systémů včasného varování potýká, a to na příkladu seismické sítě v oblasti Irpinia v jižních Apeninách 100 km od Neapole. V současné době je
tamní systém již ve zkušebním provozu (viz
http://isnet.na.infn.it/PRESToWeb/Bulletin.
php).
Síť sestává z 29 seismických stanic Irpinia
Seismic Network (ISNet, viz obrázek), pokrývající oblast asi 100 × 70 km. Monitoruje
množství aktivních zlomů v oblasti, jež byly
1. Mapa zobrazuje
rozložení stanic
seismické sítě ISnet
u italské Neapole,
vybudované pro
včasné varování
před zemětřesením.
Přenos dat do
vyhodnocovacího
centra v Neapoli
je zajištěn pomocí
bezdrátové
komunikace. Rychlé
algoritmy umožňují
z měřených
seismických pohybů
průběžně (v reálném
čase) statisticky
odhadovat polohu
seismického zdroje
a jeho velikost
(magnitudo). Na
základě těchto
informací jsou
okamžitě odhadovány
předpokládané
zemětřesné pohyby
v regionu a rozhoduje
se o případném
varování ještě před
příchodem ničivých
vln.
2) Magnitudo je číslo, kterým
se charakterizuje velikost
zemětřesení. Bez dalších
technických podrobností – jde
o dekadický logaritmus výchylky
seismografu. Zemětřesení
o jeden stupeň větší znamená
desetkrát větší výchylku a 32krát
větší množství uvolněné energie.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, červenec–srpen 2012
511
odpovědné např. za zemětřesení o magnitudu 6,9 v roce
1980. Všechny stanice fungují jak v režimu on-site, tak
regionálním (viz dále).
Výstavba sítě ISNet byla technicky složitá. Celý systém musí být odolný vůči zemětřesnému pohybu, aby
docházelo jen k minimálnímu množství výpadků. Nezbytný je bezdrátový přenos dat, jež ale není úplně jednoduché zajistit v oblastech, jako jsou hornaté Apeniny. Jako nejvhodnější se jeví paprskovité uspořádání
sítě (viz obrázek), kde data o pohybu půdy získaná na
stanicích směřují do datových subcenter a z nich se dále přenášejí do hlavního vyhodnocovacího centra v Neapoli.
Již během výstavby sítě se připravovaly algoritmy
určené k automatickému odhadu ohrožení v reálném
čase. Byl vyvinut originální přístup (nazvaný PRESTo) pracující s teorií pravděpodobnosti. Prvním krokem je rychlé určení polohy hypocentra a magnitudo
přicházejícího zemětřesení. Obě veličiny se matematicky popisují pomocí hustoty pravděpodobnosti. Síť
systému čeká, až se v oblasti aktivuje zlom a první stanice zaznamenají příchod seismických vln. Časy příchodu vln spolu s odhadem jejich chyb a se znalostí
rychlostí šíření seismických vln umožňují statisticky
popsat polohu hypocentra. Ke zpřesňování polohy si
algoritmus vypomáhá i informací ze stanic, kam ještě vlny nedorazily – tyto stanice vlastně nesou informaci, že v jejich okolí se ohnisko nenachází. Hustota
pravděpodobnosti pro odhad magnituda nejprve vychází ze známé magnitudově závislé četnosti výskytu
zemětřesení (tzv. Gutenbergův-Richterův vztah říkající, že zemětřesení o magnitudu o jednotku větším se
vyskytuje zhruba desetkrát méně často). Tento odhad
je postupně modifikován podle aktuálně zaznamenávaných maximálních posunutí povrchu Země ve stanicích. Postupem času se s využitím dalších přicházejících dat odhady lokace a magnituda „zaostřují“ (tzv.
evoluční přístup). Pomocí empirických vztahů se pak
opět v pravděpodobnostním smyslu určují očekávané
intenzity pohybů v regionu na základě vzdálenosti od
ohniska zemětřesení. Evoluční přístup tak v konečném důsledku vede k postupnému zpřesňování odhadů ohrožení.
Funkčnost systému je samozřejmě třeba testovat.
A to nejen z hlediska technického, ale i algoritmického, tj. z hlediska spolehlivosti určování parametrů vzniklého zemětřesení a odhadů intenzity pohybů
půdy. Zájmová oblast Irpinia je sice seismicky aktivní,
ale velká ničivá zemětřesení nejsou častá. Místo čekání na odpovídající jev se nabízejí dvě možnosti. První
je síť virtuálně přenést do jiné oblasti, kde k velkému
zemětřesení již došlo, a na existujících datech výkonnost systému varování otestovat. Druhá možnost je
využití existujících matematicko-fyzikálních modelů
zemětřesení, které umožňují simulovat záznamy pro
dané parametry zemětřesení tak, jak by je síť stanic
zaznamenala. Posledně zmíněného testu se zúčastnil
autor článku; výsledek numerického experimentu pak
byl publikován v prestižním časopise Geophysical Research Letters.
Za účelem testování systému varování se předpokládalo zemětřesení s geometrií blízkou jevu z roku 1980
o magnitudu 6,9. Jelikož účelem bylo statisticky ocenit
možnosti systému, byly generovány syntetické seismogramy pro 300 různých scénářů průběhu šíření trhliny
na zlomu. K tomu byl využit originální počítačový program, který takové simulace umožňuje včetně zahrnutí
efektů spojených s šířením trhliny po zlomové ploše (tj.
zahrnující výše zmiňované složitosti vyzařovaných seis-
512
Vesmír 91, červenec–srpen 2012 | http://www.vesmir.cz
mických vln). Databáze seismogramů pak sloužila jako
vstup do algoritmu PRESTo. Ten v rámci svého evolučního statistického přístupu postupně zpřesňoval odhad
polohy hypocentra a magnituda. Následně odhadoval
i intenzitu pohybu půdy vně sítě, což bylo porovnáváno se syntetickými daty a byla ohodnocována shoda. To
umožnilo stanovit pravděpodobnou chybu odhadu, která pak může sloužit při rozhodování o vydání výstrahy.
Podobně experiment umožnil vytvořit regionální mapu s rozložením efektivního časového rozdílu mezi příchodem potenciálně ničivých vln a stabilizací odhadu
intenzity (a případného následného vydání varování).
Například do Neapole vlny S a povrchové vlny dorazí
z epicentrální oblasti za zhruba 25 s, což představuje
nejranější možnost vydání varování, a tedy i maximální
možný čas na reakci. Experiment ale ukázal, že ke spolehlivému určení ohrožení (jemuž předchází určení polohy a velikosti zdroje zemětřesení) je potřeba přibližně
5 s, což zkracuje čas na reakci na 20 s. To je ovšem stále
dost času, jenž může výrazně posloužit k ochraně obyvatelstva.
Algoritmy a technická řešení systému včasného varování jsou stále v bouřlivém vývoji (viz celá sekce věnovaná těmto systémům na výročním zasedání Americké
geo­fyzikální unie v prosinci loňského roku). Uveďme
zde dva příklady problémů, které se musí v blízké době vyřešit. Za prvé je nutné do odhadů ohrožení integrovat skutečnost, že zemětřesné zdroje nejsou bodové.
To nemusí být kritické v oblasti Irpinie, kde aktivovaný
zlom je 50 km dlouhý. Ovšem při loňském zemětřesení
Tohoku v Japonsku, které se odehrálo na 500 km dlouhém zlomu, zjednodušení na bodový zdroj způsobilo,
že varovný systém velmi podcenil ohrožení v regionu
Kantó. Ten sice leží relativně daleko od hypocentra zemětřesení, ale je stále relativně blízko aktivované části zlomu. Dalším nevyřešeným problémem zejména
u sítí o rozsahu Japonska je rozlišování simultánního
příchodu více zemětřesení (jako např. při následných
otřesech po velkém zemětřesení). To může v důsledku
vést k nadhodnocení magnituda třeba i o dva stupně.
Problémů k vyřešení šeká ale na seismology ještě mnohem více.
Na závěr uveďme, jak má vlastně takové varování obyvatelstva vypadat v praxi. V Japonsku více než rok před
spuštěním veřejného systému včasného varování probíhalo školení obyvatelstva, jak na varovný signál reagovat. K tomu slouží i názorné příručky, které lze nalézt
na internetu (např. na http://isnet.na.infn.it/images/
EW.jpg).
Informace o vydání varování se šíří zejména televizí
a rádiem (i přerušením vysílaného programu) a textovými zprávami na mobilních telefonech. Ukazuje se, že
když se veřejnost seznámí s tím, co je třeba při zaznamenání varovného signálu dělat, nevzniká panika a většina
lidí zareaguje racionálně. V méně informovaných oblastech, jakou bylo ještě nedávno Turecko, jsou známy případy, kdy při příchodu seismických vln lidé vyskakovali
z oken. Osvěta je tedy nejdůležitější.
A co tedy při varování, popřípadě pocítění pohybů dělat? Pokud je možné opustit budovu během pár sekund,
je správné tak učinit. Pokud to možné není (např. z důvodu pobytu ve vyšším patře v budově s velkým množstvím lidí), je lepší se schovat pod stůl nebo do rámu
dveří. Rozhodně se nesmí použít výtah. Při pobytu venku je nutné se dostat na otevřené prostranství, stranou
nejen od padajících budov, ale i padajících komínů, balkonů, střešních tašek a podobně. Všem ale raději přejme,
aby se při pobytu v seismicky aktivních oblastech takové zkušenosti vyhnuli.
Ö
Matematicko-fyzikální fakulta
O studentech
matfyzu
Tento příspěvek podává zprávu o nejpočetnější části naší akademické obce, o studentech. Ovšem vystihnout podstatu
„studenta Matematicko-fyzikální fakulty“,
to je opravdu tvrdý oříšek.
Nejprve se zaměřím na prostředí, které
pro nás pracovníci fakulty vytvářejí. První slovo v mé mysli je „odbornost“, druhé
„úcta“. O odbornosti zde jistě budou psát
jiní, ale nezmínit ji na prvním místě bych
nemohl. Druhou v pořadí je úcta, s níž
jsem se setkal při každém jednání, které
jsem na fakultě vedl.
V prvním ročníku se studenti často po­
usmějí nad oslovením „kolego“, kterým je
profesoři častují, ale u oslovení toto uctivé jednání rozhodně nekončí. Ať už jde
o vstřícnost, dodržení daného slova, nebo obyčejnou slušnost, většina fakultních
zaměstnanců výrazně překonává současný
standard na vysokých školách.
Výrazným rysem našich studentů je mimoškolní činnost. Spolek přátel školy, náš
Matfyzák, má jistě mnoho obdob na jiných
fakultách, ale při bližším pohledu budete
překvapeni, jak jsou jeho akce úspěšné. Také je zarážející, kolik studentů si od spolku
pořídilo oblečení s logem naší fakulty. Na
kolika fakultách lze potkat studenty hlásící se ke své alma mater už svým oblečením?
Dále jsou tu korespondenční semináře
MKS, FYKOS, KSP a další; jde o celoroční
soutěže pro studenty středních či základních škol pořádané našimi studenty. Nejstarší ze seminářů funguje již přes třicet
let a jeho dávné organizátory můžete hledat i mezi současnými profesory. Snad lze
shrnout, že studenti MFF se i mimo studium zabývají něčím hodnotným.
Každá vysoká škola stojí z větší části
na samostudiu. Pokud toto chápeme jako podstatu, pak je ona podstata na naší fakultě velmi důstojně naplněna. Jedna
z mých spolužaček napsala například velice kvalitní bakalářskou práci, přijatou
jako odborný článek. Později se s námi
smála nad dopisem, kde ji redakce oslovila jako „profesorku“. Jiný ze studentů vede
na svém mateřském gymnáziu matematický seminář, který vychoval řadu úspěšných
olympioniků. Další ve volném čase studuje filosofii profesora Petra Vopěnky. Dva
studenti sepsali učební text, který zaujal
jednoho z profesorů, a s jeho pomocí brzy
60
let matfyzu
Přírodní vědy byly součástí výzkumu
a výuky na Univerzitě Karlově od jejího
založení v roce 1348. Jejich bouřlivý rozvoj v minulém století si vynutil nejprve v roce 1920 založení Přírodovědecké
fakulty, posléze vedl k vytvoření samostatné fakulty pro pěstování matematiky a fyziky. Stalo se tak 1. 9. 1952, kdy
byla vládním dekretem zřízena Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy. Vznikla personálním a prostorovým
oddělením části Přírodovědecké fakulty,
Matematicko-fyzikální fakultě připadly
dvě budovy v ulici Ke Karlovu.
Výzkumný a výukový program fakulty
se rychle rozšiřoval a v karlovských budovách začalo být těsno. Proto byly fakultě od roku 1960 po částech přidělovány
prostory na Malé Straně a v roce 1961 dostala i budovu v Karlíně. Další vývoj si vynutil rozhodnutí o rozsáhlé výstavbě tzv.
Matematicko-fyzikálního učiliště v Praze 8 a v květnu 1968 byl položen jeho základní kámen. Následující politický vývoj
stavbu poněkud pozdržel, fakticky byla
zahájena v roce 1971, a v roce 1979 byla
dokončena část určená pro fyziku. V té
době bylo už ale zřejmé, že smělý plán
vybudovat na Pelc-Tyrolce
kampus pro celou Karlovu
univerzitu se nebude realizovat, a tak se do nového
areálu přesunula pouze
část fyzikálních kateder.
Tím byla na více než deset
let prostorová situace fakulty zafixována a nejnaléhavější potřeby se řešily
nouzovými vestavbami
a přístavbami.
Změnu přinesla až sametová revoluce v listopadu 1989. Díky neustálému
úsilí vedení fakulty byla
provedena krásná půdní
vestavba v karlínské budově a zcela zrekonstruována budova na Malostranském
náměstí. Do těchto akcí zasáhla v srpnu
2002 povodeň, která těžce poničila nově zrekonstruovanou budovu v Karlíně i část objektů v Troji. Následky se ale
podařilo poměrně rychle odstranit a postižené budovy jsou nyní v ještě lepším
stavu než před povodní. Díky pomoci
MŠMT bylo možné v trojském areálu přemístit zkapalňovač helia a na něj navazující laboratoře nízkých teplot do budovy
kryopavilonu, která byla pro tento účel
nově postavena mimo zátopovou zónu.
I přes veškeré úsilí, díky němuž se postupně zvýšila užitná plocha ve stávajících budovách o téměř 20 %, je pociťován
nedostatek místa zejména v matematické části naší komunity. Počítáme proto
se zahájením výstavby nového pavilonu
v trojském areálu, který by prostorové
problémy na nějakou dobu vyřešil.
Z předchozího textu by se mohlo zdát,
že rozvoj fakulty byl převážně extenzivní,
neustále se zvětšovaly prostory pro výuku a vědeckou práci. Domnívám se, že celý zbytek časopisu, který právě čtete, vás
přesvědčí o tom, že se fakulta vyvíjela také velmi intenzivně. MFF
UK se postupně vyvinula
v respektovanou vědeckou instituci, zaujímající přední místo v naší republice. Slovo matfyz je
považováno za synonymum pro excelenci ve vědě i výuce.
Prof. RNDr. Zdeněk
Němeček, DrSc., děkan
Matematicko-fyzikální
fakulty Univerzity
Karlovy v Praze v letech
2008–2012.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
513
vyjde jako kniha. Jedna studentka mi prozradila, že byla poslána za hostujícím profesorem, ne aby si poslechla jeho přednášku, ale protože je profesor zvědavý na její
diplomovou práci. Mrzí mne, že nemohu
zmínit další, že se sem nevejdou i jejich zásluhy a úspěchy.
Na co ale nesmím zapomínat, je pestrost zaměření. Vítěz fyzikální či matematické olympiády vás asi na naší fakultě nepřekvapí, ale juniorský reprezentant České
republiky v curlingu? Setkal jsem se na naší fakultě s hudebníky, absolventy konzervatoří, organizátory šifrovacích her, sokoly, aktivními členy církví, mladými politiky
i vrcholovými sportovci. Nemalá část našich studentů ve volném čase studuje druhou školu, ať už ekonomickou, právnickou,
nebo uměleckou. Napadá mě jen málo oborů, kterými by se zde nikdo nezabýval.
Tím jsem tedy snad alespoň přiblížil
život studentů naší fakulty. Ta nás především učí učit se a myslet. Nevím, nakolik
moji přátelé a kolegové z řad studentstva
uspějí v naší dynamické společnosti. Nevím, kolik z našich znalostí nám usnadní získání zaměstnání a zajistí pracovní
úspěchy. Vidím však tolik velkých osobností, které vzešly z naší fakulty, tedy
z dávných řad našeho studentstva! A když
se pak podívám do řad současných, věřím,
že vzejdou další.
Tomáš Roskovec,
student Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze
514
Dynamika fakulty
za desetiletí
Kvantitativní pohled na vývoj fakulty
v minulých deseti letech přinášejí grafy na
této stránce.
350 000
zdroje (tis. Kč)
300 000
250 000
200 000
tucionální dotace na vědu a výzkum (závislé na vědeckém výkonu fakulty), modrou účelové zdroje z ČR (granty), fialovou
účelové zdroje ze zahraničí. Prostředky
z grantů, tedy prostředky získané iniciativou pracovníků fakulty, tvoří zhruba třetinu zdrojů.
Druhý graf ukazuje růst počtu zaměstnanců ve všech sekcích – modrá je fyzika,
červená matematika, zelená informatika,
stejně jako v dalších grafech.
18 000
150 000
100 000
14 000
50 000
12 000
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
350
zaměstnanci
300
250
200
10 000
8000
6000
4000
2000
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
150
3500
100
3000
50
2500
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
2000
První graf ukazuje růst zdrojů finančních prostředků, které se daří pro fakultu získat. Zelenou barvou jsou zobrazeny
prostředky na vzdělávání, hnědou insti-
1000
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
výjezdy (dnů)
16 000
přijetí (dnů)
1500
500
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Matematicko-fyzikální fakulta
Mobilita a kvantita mezinárodních
styků je ilustrována počty výjezdů pracovníků MFF na zahraniční pracoviště a počtem přijetí zahraničních hostů v jednotlivých sekcích. Značná převaha výjezdů na
fyzikální sekci souvisí s prací v zahraničních laboratořích a s účastí v mezinárodních kolaboracích, zvláště experimentálních, které jsou ve fyzice běžné.
160
absolventi bakaláři
140
ky. Zřetelný je stále malý zájem o učitelské
studium.
Počty absolventů doktorského studia
jsou až na fluktuace dlouhodobě stabilní. Viditelně vyšší počty doktorů v oboru
fyzika ukazují, že většina studentů fyziky
postupuje po dráze bakalář–magistr–doktor k vědecké kariéře v ČR nebo v zahraničí, ostatně o bakaláře a magistry ve fyzice
je jen omezený zájem. Matematičtí bakaláři a informatičtí magistři zjevně uplatnění
nacházejí.
120
100
80
60
40
20
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
140
absolventi magistři
120
900
původní publikace
800
700
600
500
400
300
200
100
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
100
80
60
40
20
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
60
absolventi doktoři
50
40
30
20
10
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Výkony fakulty charakterizují grafy na
této stránce. Hlavním produktem fakulty
jsou absolventi.
Počty absolvovaných bakalářů vykazují dramatický vzrůst v roce 2006, kdy
končili první bakaláři po reformě vysokoškolského studia, která rozdělila dřívější
magisterské studium na bakalářský a navazující magisterský stupeň. Fialovou jsou
označeni absolventi učitelských oborů.
Počty absolventů magisterského studia
v minulé dekádě mírně rostly, nejvýrazněji v oboru informatika. V současnosti přicházejí na fakultu populačně slabé roční-
Druhým produktem fakulty jsou původní vědecké výsledky, kvantifikované
na posledním grafu počtem původních publikací. Čárkovaně jsou zobrazeny počty
publikací v časopisech s nenulovým impakt-faktorem. I zde je vidět stálý mírný
nárůst.
Podrobnější údaje o funkci fakulty najdete ve výročních zprávách fakulty, viz
http://www.mff.cuni.cz/fakulta/tiskoviny/zpravy/.
Vzdělávání, věda a výuka
Ne nadarmo jsou tyto tři pojmy sdruženy
do jednoho celku. Patří k tradicím Matematicko-fyzikální fakulty UK, že studenti
jsou vnímáni spíš jako budoucí kolegové
než jako anonymní klienti vzdělávací mašinérie. Vyučující v drtivé většině vědecky
pracují, a tak vzdělávání studentů přirozeně navazuje na vědeckou činnost a pedagogové představují současný obraz vědy.
Platí to pro matematiku a fyziku, s jejich kořeny již ve starověké Mezopotámii
­a ­Indii, stejně jako pro informatiku, která
se jako vědní obor rozvíjí zhruba od poloviny minulého století.
Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze nabízí studium ve třech
studijních programech: Matematika, Fyzika a Informatika. Toto studium fakulta nabízí ve všech třech stupních studia, tj. v ba-
kalářském, v navazujícím magisterském
i v doktorském studiu.
Již na bakalářském stupni studia se studenti zapojují do vědecké činnosti ve svém
oboru. Někdy je výsledkem bakalářské práce „jenom“ rešerše, častěji si nějaký experiment nebo teoretický směr podrobněji „osahají“, stane se, že výsledky práce
vstoupí do standardní vědecké publikace.
Již v rámci bakalářského studia si řada studentů vyzkouší vědeckou činnost v rámci
řešení projektů GAUK – Grantové Agentury Univerzity Karlovy, přičemž se současně
učí hospodařit s přidělenými grantovými
prostředky.
Drtivá většina studentů pak pokračuje v navazujícím magisterském studiu, někteří pokračují i v rámci postgraduálního
studia jako doktorandi. Samozřejmostí
v těchto stupních studia je účast na vědeckých konferencích či stipendijní pobyty
v zahraničí, podporované smlouvami UK
se zahraničními univerzitami a výměnnými programy. Tam jsou ostatně naši studenti přijímáni velmi ochotně vzhledem
k tomu, že se během dosavadního studia
naučili logicky uvažovat, rychle a správně
se rozhodovat a rychle absorbovat nové
poznatky. Zkrátka myslet jako matfyzák!
Elitní škola
Matematicko-fyzikální fakulta není školou
pro každého, své studenty si vybírá a ne
každý ji absolvuje. První branou jsou přijímací zkoušky, které se v současnosti konají
jen na matematice a informatice. Následuje
ovšem náročné studium a nesnadné zkoušky, k jejichž překonání je třeba trocha talentu, píle a vytrvalost. Výsledkem jsou
pak absolventi, kteří nacházejí místa ve vědě po celém světě. Rozhodnou-li se svůj
obor opustit a dělat něco jiného, využívají svou racionalitu, schopnost orientace
v nových problémech, přípravenost hledat
nová řešení, zvyk na práci v mezinárodním kontextu, skvělé základy v matematice. Absolvent matfyzu, tedy matfyzák, je
pojem. Samozřejmě v očích veřejnosti se
v pojmu matfyzák skrývá směs respektu
s podezřením na jistou míru podivnosti.
Fakulta je sice náročná, ale je také otevřená, podporuje zájem studentů středních škol o exaktní vědy a dlouhodobě
pořádá akce směřující k získání talentovaných studentů.
Kromě korespondenčních seminářů zmíněných ve studentském pohledu v úvodu se
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
515
na většině aktivit podílejí obě didaktické
katedry, katedra didaktiky fyziky a katedra
didaktiky matematiky. Vedle akcí pro studenty jsou tu také akce zaměřené na učitele;
chceme, aby studentům fyziku přibližovali, nikoli znechucovali. Jde např. o Fyzweb,
Fyzikální pokusy pro střední školy, Experimenty pro středoškoláky, Veletrh nápadů učitelů fyziky, Historii matematiky nebo
Seminář o filosofických otázkách matematiky a fyziky. Další akce nabízejí odborná
pracoviště, například Ústav teoretické fyziky nabízí každoročně cyklus Přednášky
z moderní fyziky, Kabinet software a výuky
informatiky organizuje Školu učitelů informatiky a jsou zde další.
Celá fakulta se prezentuje každoročně
Dnem otevřených dveří. Už 15 let je pořádán
Jeden den s fyzikou, mladší je Jeden den s informatikou. Tyto dny jsou plné přednášek,
exkurzí, experimentů, prezentací, demonstrací, prohlídek špičkových zařízení na vědeckých pracovištích a neobvyklých setkání
s fyzikou nebo informatikou v historických
budovách na Karlově, na Malostranském náměstí či v trojském areálu MFF.
Pro talentované studenty je u nás řada
příležitostí. Nutno ale znovu připomenout, že samotný talent není všechno,
k úspěchu je nezbytná také systematická
práce, píle a cílevědomost.
Věda od základního
výzkumu k aplikacím
O vědeckých kvalitách fakulty svědčí to,
že v každoročním hodnocení vědeckých
institucí v České republice (byť nedokonalém, váženě sčítajícím vědecké publikace ve světových odborných časopisech),
které provádí Rada vlády pro výzkum, vývoj a inovace, se fakulta zpravidla umisťuje na 1. místě. Pro zajímavost uvádíme,
že na pracovištích fakulty se podle tohoto hodnocení vytváří asi 7 % všech vědeckých výsledků ČR. Z hlediska zaměstnanosti absolventů fakulty po jednom roce
od ukončení studia se fakulta mezi několika sty fakult v ČR umisťuje mezi nejlepšími.
Vědecký potenciál fakulty je mj. dokumentován úspěchy v grantových soutěžích
tuzemských i zahraničních. MFF participuje na řadě smluv uzavřených mezi Univerzitou Karlovou a zahraničními univerzitami, resp. vědeckými institucemi.
Fakulta klade důraz na základní výzkum,
ale samozřejmě podporuje i aplikace. Fa-
516
kultní pracoviště nabízí služby související
s jejich výzkumným programem v oblasti
poradenství a školení, fyzikálního měření,
analýzy materiálů, návrhů měřicích aparatur, výroby optických a mechanických součástí, přípravy softwaru, matematického
zpracování dat a v oblasti pojistné a finanční matematiky. Pracovníci kateder zaměřených na přípravu budoucích učitelů se také
podílejí na dalším vzdělávání učitelů z praxe a tvorbě učebnic matematiky a fyziky
pro základní i střední školy.
Absolventi se díky své univerzálnosti a schopnosti analytického myšlení, díky důkladné obeznámenosti s výpočetní
technikou a díky znalosti angličtiny dobře
uplatňují v základním a aplikovaném výzkumu, jako učitelé, v nejrůznějších oborech průmyslu, obchodu, bankovnictví
a všude tam, kde lze využít tvůrčí invenci, schopnost rychle se učit a aplikovat své
znalosti při řešení nových problémů.
Důraz na základní výzkum není samo­
účelný. V poslední době čteme a slýcháme
kritiku na vědecké obory, které nepřinášejí okamžité aplikace v každodenním životě.
Jako takové jsou považovány za zbytečné.
Nutno si však uvědomit, že stejně daleko,
jak základní výzkum táhne od každodenního života, posunuje i hranice lidského poznání a klade nové otázky a výzvy. Základní
výzkum je obvykle zdrojem nápadů, metod
a idejí, vedoucích později k aplikacím. Žádný
aplikovaný výzkum svíčky by nepřinesl elektrické světlo, sebelépe dotovaný výzkum
a vývoj telefonu by neumožnil internet.
Zkušenost lidstva ukazuje, že na počátku opravdu velkých objevů je zvídavost
a touha po poznání, že objevování se daří
připraveným a usilovně pracujícím badatelům a konečně že často je potřeba si na
aplikace objevů léta až desetiletí počkat.
Je potřeba plánovat a realizovat přípravu
vzdělaných a vnímavých badatelů, vytvořit jim rozumné podmínky k práci a životu,
udržet jejich vědeckou zvídavost a motivaci k práci. Pak je sice možné vyžadovat nové poznatky, jak grantové agentury obvykle činí, v opravdu zásadní objevy lze ovšem
jen doufat a trpělivě na ně čekat.
Fyzika
Fyzikální výzkum na Matematicko-fyzikální fakultě UK je pestrý, sahá od mikrosvě-
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
ta po vesmír, zahrnuje základní výzkum
i aplikace a má kvalitní výstupy.
V řadě fyzikálních oborů dobře funguje spolupráce mezi fyziky z MFF UK a kolegy z dalších vysokých škol v ČR a ústavů
Akademie věd ČR. Bohatá je spolupráce vědecká, běžná je účast kolegů z AV ČR v různých zkušebních komisích, vítané, ale méně časté jsou jejich přednášky.
Fyziku na MFF studuje přes 300 studentů bakalářského studia, okolo 150 studentů magisterského studia a téměř 400
doktorandů (včetně těch, o které se MFF
administrativně stará a zajišťuje jejich výuku, ale kteří pracují v ústavech Akademie věd ČR). Přehlídkou doktorandů a jejich práce je každoročně pořádaný Week of
Doctoral Students.
Astronomie
Astronomie našla své místo na Karlově
univerzitě již záhy po jejím založení v roce
1348. Působila zde řada významných osobností jako např. Johannes Kepler, Jan Marek Marci, Ernst Mach a Albert Einstein.
Nynější Astronomický ústav UK patří k nejstarším univerzitním ústavům, jeho počátky sahají do roku 1886. Studenti absolvují
přednášky a praktika v oblasti klasické observační astronomie, astrofyziky, relativistické astrofyziky a kosmologie. Zvláštní
pozornost je věnována také fyzice malých
těles sluneční soustavy.
PlaZma
Pojem plazma poprvé použil již Irwing
Langmuir (1881–1957); moderní definice říká: „Plazma je kvazineutrální soubor
částic s volnými nosiči nábojů (elektrony
a ionty), který vykazuje kolektivní chování.“
Uvádí se, že 99 % veškeré hmoty ve vesmíru je v plazmovém skupenství. Naše planeta patři sice do toho zbývajícího procenta,
kde se plazma vyskytuje v menším množství, ale přesto ho zde nalezneme v různých, často velmi odlišných formách: v kanálech blesků, v zářivkách, v elektrickém
oblouku, v ionosféře, v polárních zářích nebo v magnetosféře Země; ve sluneční soustavě se plazma nachází ve slunečním větru,
v magnetosférách dalších planet či v ohonech komet. Vzhledem k různým formám
je plazma vytvářeno a zkoumáno v laboratořích nebo jsou jeho vlastnosti sledovány prostřednictvím družic. Studium růz-
Matematicko-fyzikální fakulta
ných typů plazmatu je jedním z nosných
témat výzkumu na katedře fyziky povrchů
a plazmatu (studuje se např. sluneční vítr,
ionosféra a magnetosféra Země, nízkoteplotní plazma pro technologické aplikace,
speciální plazma pro využití v termojaderné fúzi nebo v unikátních laserových technologiích či naopak u interakcí částic při
teplotách blízkých absolutní nule).
Země a planety
Se svou dvousetletou historií patří geofyzika
mezi nejstarší fyzikální disciplíny pěstované na Karlově univerzitě. Studium a bádání
v oblasti fyzikálního výzkumu Země a planet
probíhající dnes na MFF zahrnuje nejen tradiční, ale i nově vznikající geofyzikální obory. Významnou součástí seismologického
výzkumu je studium zemětřesného zdroje
a ohrožení v seismicky aktivních oblastech
světa. Katedra geofyziky provozuje vlastní
síť seismických stanic v Řecku a podílí se na
vývoji metod včasného varování v Itálii.
Studium gravitačního a magnetického
pole na MFF využívá převážně družicová měření a probíhá v široké mezinárodní
spolupráci. Zahrnuje tvorbu modelů těchto polí a jejich interpretaci z hlediska vnitřní struktury Země. V posledních letech je
pozornost věnována také dalším vesmírným tělesům (Mars, ledové měsíce velkých
planet, planety mimo sluneční soustavu),
a to zejména v souvislosti s hledáním kapalné vody ve sluneční soustavě a úvahami
o možné existenci života ve vesmíru.
Kondenzované látky
Kondenzované látky sestávají z iontů
v krystalech vázaných na dobře definované
periodické polohy a z elektronů, které za
jistých podmínek (např. v kovech a polovodičích) mohou putovat krystalem a ovlivňovat ostatní elektrony v podobné situaci.
Kvantověmechanickým popisem se zabývá fyzika kondenzovaných látek. Pro řadu
vlastností, fundamentálních i funkčních,
je klíčový elektronový subsystém, řízený
Fermi-Diracovou statistikou, elektrostatickou interakcí elektronů s kladně nabitými ionty, i spinově závislé korelace záporně nabitých elektronů mezi sebou.
Magnetismus a supravodivost vznikají jako důsledek párových interakcí mezi elektrony, tedy v systému mnoha částic
a pouze na kvantové úrovni. Není zde pro-
to možné získat přesný kvantitativní popis
běžnými výpočty. Avantgardní teoretické
metody jsou proto nutně doplňovány sofistikovanýmim experimenty, často za velmi nízkých teplot a s využitím vysokých
magnetických polí.
Krystalografie se zabývá studiem struktury krystalů, tj. pravidelného uspořádání
atomů a jejich vzdáleností v jednotlivých
látkách včetně poruch tohoto uspořádání,
i tzv. nanostrukturou polykrystalických
materiálů. Dále pak i vztahem této struktury k podmínkám vzniku či přípravy materiálů a k jejich vlastnostem. Je to dnes
typicky interdisciplinární obor na pomezí fyziky, chemie, biologie, materiálových
věd i mineralogie.
Povrchy
a nanostruktury
Povrchové vlastnosti pevných látek se liší
podstatně od vlastností objemových. Povrch si lze představit jako rovinu v materiálu, která vznikne přerušením vazeb mezi atomy. Z důvodů chybějících sousedů
mají povrchové atomy odlišné vlastnosti
od atomů v objemu.
Vytvoříme-li tenkou vrstvu materiálu,
jejíž tloušťka odpovídá jen několika atomům, bude rozdíl fyzikálně-chemického
chování vrstvy v porovnání s objemem ještě výraznější, protože relativní zastoupení
povrchových atomů je dostatečně veliké
na to, aby vtiskly materiálu nové vlastnosti.
Pokud budeme nadále zmenšovat rozměry
objektů přechodem od dvojdimenzionální vrstvy k trojdimenzionálním útvarům
o velikosti desítek nanometrů, vzniknou
nanostruktury, které mohou mít vlastnosti, jichž nelze v objemových systémech dosáhnout. Toho využívají moderní odvětví nanověd a nanotechnologií k návrhům,
modelování a přípravě nových, revolučních materiálů. Ty se v současné době již
uplatňují v široké škále aplikací.
Uplatnění nanomateriálů najdeme v oblastech živé i neživé přírody, v medicíně,
biologii, energetice a především v chemii,
kde se nanomateriály již dlouho využívají
ke katalýze.
Jádra a částice
Jádra a částice se na MFF zkoumají
v Ústavu částicové a jaderné fyziky, který
vznikl v roce 1999 fúzí katedry jaderné fyziky a Nukleárního centra.
Atomová jádra jsou sice nepředstavitelně malá, ale jejich struktura i chování jsou
pozoruhodně složité. Teoretické studium
jader v ÚČJF je věnováno především chaosu v jádrech a kolektivním excitacím jader.
Experimentální práce je zaměřena na studium elektromagnetických rozpadů jader.
Experimentální částicová fyzika vyžaduje velmi komplikovaná a drahá zařízení,
která přesahují lidské i finanční kapacity
jednotlivých států. Proto odedávna funguje mezinárodní spolupráce. V roce 1954
byla v Ženevě založena Evropská organizace pro jaderný výzkum, CERN. Ve východním bloku byl skromnější paralelou CERN
Spojený ústav jaderných výzkumů v Dubně. Čeští částicoví fyzikové ústav v Dubně
intenzivně využívali do sametové revoluce, po ní přesunuli většinu svých aktivit do
CERN (Česká republika je členskou zemí
CERN od roku 1992) a dále do světa. „Doma“ na ÚČJF probíhá vývoj a testování detektorů, příprava fyzikálního programu
experimentů, často spojená se simulací
očekávaných procesů. Za vlastními experimenty vyjíždíme do CERN (Ženeva), FNAL
(Batavia, USA), KEK (Tsukuba, Japonsko)
a do dalších laboratoří. V ÚČJF pak analyzujeme data.
Teoretická částicová fyzika v ÚČJF je
zaměřena na rozvoj metod kvantové teorie pole a teoretických modelů interakcí
částic, opět v mezinárodní spolupráci.
Pracovníci a studenti ÚČJF se od začátku devadesátých let podíleli na přípravě, konstrukci a výrobě detektoru ATLAS
(speciálně polovodičového dráhového detektoru a hadronového kalorimetru). Dnes
slouží ve směnách při obsluze detektoru
a pracují na fyzikální analýze srážek. ATLAS nejen hledá nové částice jako např.
Higgsův boson a supersymetrické částice,
ale i zpřesňuje naše dosavadní poznání jevů mikrosvěta. Doufáme i v nečekané objevy.
Hranice fyziky
(Spektroskopie,
biofyzika, chemická
fyzika, modelování)
Optická spektroskopie je již od 19. století mocným nástrojem fyziky a stále se rozvíjí díky pokroku techniky – zdrojů světla
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
517
(laserů a LED diod), fotodetektorů (fotonásobičů a CCD kamer) a optického zobrazování. V naší laboratoři již několik desítek let vyvíjíme náročné techniky laserové
spektroskopie s vysokým spektrálním rozlišením (tzv. spektroskopie vypalování
spektrálních děr) a v poslední době také
mikrospektroskopie jednotlivých nanoobjektů (molekul či anorganických nanokrystalů, nanodrátků apod.). Tyto extrémní techniky jsou doplněny řadou dalších
spektroskopických technik, např. měření transientní absorpce metodou excitace
a sondování, měření absolutních kvantových výtěžků fluorescence nebo absolutně
kalibrované spektroskopie – radiometrie.
Vyvinuté techniky aplikujeme při studiu
mnoha problémů z oblasti biofyziky, biomedicíny a nanotechnologií. Za všechny
jmenujme studium přírodních a umělých
fotosyntetických komplexů či polovodičových nanokrystalů a nanodrátů. Tyto materiály jsou částečně vyráběny či upravovány
v našich laboratořích.
Spintronika se rychle rozvíjí jako moderní část elektroniky, ve které je možné
řídit elektronické procesy pomocí spinu
nebo magnetického pole. V případě kombinace se světelnými signály – například
pro změnu spinového stavu elektronů nebo pro řízení magnetizace látek – lze mluvit o optospintronice. V současné době
se na katedře ve spolupráci s Fyzikálním
ústavem Akademie věd ČR buduje společná laboratoř optospintroniky.
Biofyzika je interdisciplinární vědní
obor, který používá fyzikální metody, jak
experimentální tak teoretické, ke studiu
biologických systémů, a to na různých
úrovních jejich složitosti – od úrovně jednotlivých molekul přes buňky a mnohobuněčné organismy až ke komplexním ekosystémům.
Oddělení biofyziky se věnuje dvěma
okruhům problémů, jimiž jsou transportní procesy v kvasinkách a bakteriích a dynamické a strukturně-funkční vlastnosti proteinů v roztocích. V prvním případě
se jedná o studie prováděné na kvasinkách
rodu Saccharomyces cerevisiae a bakte­riích
Escherichia coli, přičemž mezi použitými
experimentálními postupy dominuje standardní fluorimetrie využívající jak fluorescenční sondy, tak geneticky modifikované
buňky produkující fluorescenční proteiny.
Jako příklad si uveďme studii vlivu chemických stresorů na membránový potenciál
a aktivitu MDR (Multi-Drug Resistance)
pump kvasinek.
518
Výuka fyziky
Kvalitní výuka fyziky musí být názorná,
proto jsou frontální experimenty i samostatná experimentální činnost přirozenou součástí studia bakalářských oborů.
Tento způsob výuky klade vysoké nároky na technické vybavení, neboť je nutné pružně reagovat na rychlý rozvoj vědních disciplín při přípravě vysokoškolsky
vzdělaných odborníků. Díky nepřetržité
snaze o udržení moderního pracoviště
dnes disponuje MFF UK souborem více
než 400 fyzikálních demonstračních experimentů a více než stovkou úloh základních fyzikálních praktik, které tematicky
zcela pokrývají náplň všech přednášek základního kurzu, a to od fundamentálních
až k pokročilým a finančně náročným výukovým partiím.
Studentky a studenti fyziky na MFF UK
kromě demonstrací pokusů při přednáškách projdou během svého studia celkem
čtyřmi kurzy základních fyzikálních praktik, v nichž si mohou vybrat úlohy podle
svého zájmu. V roce 2011 byly dokončeny
kompletní rekonstrukce a modernizace
všech praktik. Experimenty jsou prováděny v řadě případů na aparaturách, používaných jak k základnímu, tak i aplikovanému
výzkumu. Vhodným doplňkem je i nabídka výběrových praktik zabývajících
se využitím výpočetní, měřicí techniky
a moderních DAQ systémů ve fyzikálním
experimentu. Ve všech případech jde o experimenty a experimentální metody, s jejichž znalostí a pochopením pak mohou
absolventky a absolventi nalézt uplatnění
v pokrokových odvětvích nejen z oblasti
fyziky, ale také chemie, lékařství a biologie.
Kromě klasické fyzikální průpravy jsou
naši studenti vedeni k tomu, aby aktivně
využívali moderní matematické metody,
které doposud nepatří k běžně užívaným
nástrojům v dané fyzikální disciplíně.
Matematické modelování (jak na matematice, tak i na fyzice) se zaměřuje hlavně na problémy v mechanice kontinua.
Mechanika kontinua se zabývá studiem
„spojitého“ prostředí a spoléhá se přitom
na představy klasické newtonovské fyziky
a moderní fenomenologické termodynamiky.
Počítačové simulace. Při předpovědích chování daného materiálu přichází
ke slovu i počítačové simulace. Nestačí ale
pouze vložit úlohu do komerčního softwaru a čekat na výsledek. Musíme vybrat algoritmus, který je vhodný pro řešení dané
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
úlohy – algoritmus musí respektovat fyzikální charakteristiky problému. Kombinace fyzikálního vhledu do problému a hluboké znalosti moderních numerických
metod vám umožní navrhovat vlastní spolehlivé metody k řešení doposud nezvládnutých problémů. Nebudete tak odkázáni
na stávající přístupy, které mohou být pro
studovanou úlohu nevhodné.
Informatika
Začátky informatiky na MFF UK sahají do
konce šedesátých let 20. století, kdy se
u nás začínalo s programováním a jeho teo­
rií, ale i s rozvojem teoretických základů
informatiky jako takové. Díky dlouholeté
tradici v pěstování matematiky se podařilo v krátké době etablovat kvalitní směr
teoretické informatiky založený zejména
na diskrétní matematice, rozvíjelo se však
i softwarové inženýrství, databáze, umělá
inteligence, optimalizace, zpracování přirozeného jazyka a mnoho dalších, speciálnějších oborů.
Dnes informatiku na MFF studuje přes
500 studentů bakalářského studia, téměř
600 studentů magisterského studia a okolo
160 doktorandů. Pro studium, zejména pak
doktorské, je typické jeho propojení s vědou a výzkumem. Řada výsledků vzniká už
v diplomových pracích, pro práce doktorské jsou publikace studentů (ve spolupráci
s jejich školiteli) samozřejmostí.
Informatika, ať už v aplikované nebo
teoretičtější podobě, má vztah k mnoha
praktickým problémům. Uvedeme několik
příkladů.
Webové inženýrství
Vyhledávání na současném webu často
vede k prohledávání tisíců nabídek např.
z internetových obchodů, kdy vyhledávací mechanismy nejsou schopny odlišit
levnější nabídky od ostatních či posoudit
u zboží kvalitu nabízených vlastností. Zajímavým výzkumným problémem s jasnou
praktickou motivací je vytváření přívětivého webu, ve kterém se webové stránky
obohacují o sémantiku pomocí napojování do sociálních sítí. Jinou metodou je učení uživatelských preferencí, kdy se systém
interaktivně naučí uživatelův model preferencí.
Matematicko-fyzikální fakulta
Podobnostní
vyhledávání
Vyhledávání v obrázcích či ve videozáznamech se dnes stává vysoce aktuální
zejména ze strany zajištění bezpečnosti. Základem vyhledávání podle obsahu
v multimédiích je podobnostní vyhledávání. Pro tento účel je nutno specifikovat model reprezentace multimediálních objektů
tak, aby bylo možno efektivně měřit jejich
podobnost. Vyvíjíme rovněž databázové
technologie pro urychlování podobnostního vyhledávání založené na matematických modelech předpokládajících splnění
jistých vlastností v použité podobnostní
funkci. Výsledkem jsou podobnostní indexační struktury, které umožňují zodpovědět dotaz v řádově kratším čase, než by
vyžadoval sekvenční průchod celé databáze. Podobnostní vyhledávání se používá i v bioinformatice, kde se např. studují
funkce proteinů na základě jejich struktury v prostoru, užitečné je vyhledávání
v chemických prostorech s aplikacemi na
výzkum léčiv.
Algoritmy
a optimalizace
Teorie grafů umožňuje vytvářet modely
a následně navrhovat algoritmy pro řadu
praktických problémů jako např. přepravu tekutiny soustavou potrubí, konstrukci rozvrhu hodin, skládání Rubikovy kostky nebo přidělování frekvencí vysílačům
v sítích mobilních telefonů. Tyto algoritmy
se realizují v omezeném čase a v omezené
počítačové paměti. Nalézt nejlepší objekty
nejlevněji a nejrychleji – to jsou jedny z cílů optimalizace.
Umělá inteligence
Jde o mladý vědní obor zabývající se konstrukcí inteligentních entit. Výzkumníci
zde navrhují systémy vykazující chování,
které bychom, pokud by se takto choval
člověk, nazvali inteligentní. Např. v tzv. dobývání znalostí umíme technikami umělých neuronových sítí klasifikovat obrázky a sdružovat je do skupin s podobným
obsahem. V cizojazyčných textech můžeme vyhledávat slova, která znějí podobně,
aniž by bylo nutné se cizí jazyk učit. Při
řešení těchto úloh nám pomáhají metody strojového učení a formálních automa-
tů. Máme i roboty, které jsme sami navrhli.
Naši studenti se pravidelně a velmi úspěšně
účastní mezinárodních soutěží – např. Eurobot a Field Robot Event, kde sbírají „zemědělské“ plodiny, detekují a ničí „plevel“,
a řeší tak specifické úlohy jak v umělém, tak
v reálném prostředí.
Zpracování
lingvistických dat
Nejznámější a nejpřitažlivější úlohou – na
pomezí informatiky a lingvistiky – je strojový překlad. Je výzvou i pro statistiky.
Pracujeme na frázovém překladu na základě již zpracovaných překladů obrovského
množství vět. V hloubkově-syntaktickém
překladu se automatizovaně vytváří větný
rozbor se statistickými nástroji trénovanými na závislostních korpusech. Reprezentativní, bohatě gramaticky anotovaný
korpus češtiny byl vytvořen v letech 1996–
2006 na MFF UK a je doma i ve světě znám
a užíván jako Pražský závislostní korpus.
Další úloha se týká textového editoru. Zatímco „kontrola pravopisu“ je u většiny
editorů na dobré úrovni, zde se zabýváme vývojem náročnějších, ale i účinnějších
gramatických korektorů.
Počítačová grafika
V tomto rychle se rozvíjejícím oboru se zabýváme tématy, jako např. analýzou a vizualizací lékařských dat či prediktivním renderingem, kdy je třeba simulovat odrazy
světla velice věrně, například kvůli ergonomickým měřením v průmyslovém designu
nebo v architektuře. Jiným problémem je
šíření světla ve 3D scéně, kdy se věrně simuluje šíření světla i za velice obtížných
podmínek, kde běžné metody selhávají nebo jsou příliš pomalé.
vlastní model checker GMC pro verifikaci
programů napsaných v jazyce C/C++.
Softwarové
komponenty
Jednou ze softwarových architektur jsou
komponentové systémy. Důležitý je způsob návrhu komponentových systémů tak,
aby byly pro programátory co nejjednodušeji použitelné a poskytovaly záruky správné funkčnosti, dále pak měření, testování
a predikce výkonnosti komponent a programů obecně. Softwarové komponenty poskytují mnoho výhod. Zejména to je
kratší doba výroby programu (oproti tvorbě programu bez komponent). Dále pak
komponenty umožňují snadnější testování a ověřování správnosti chování programu. Související výzkum směřuje k integraci již existujících softwarových systémů
do větších celků sloužících jako servisně orientované systémy. Zde se uplatňují techniky integrace heterogenních dat,
transformace zpráv, metody modelování
systémů.
Matematika
Matematická sekce se významnou měrou
podílí na vědecké i pedagogické činnosti
fakulty. Jsou řešeny zahraniční i domácí
grantové projekty s bohatým publikačním
výstupem v prestižních matematických
časopisech, které vycházejí u nás i v zahraničí.
1. Atraktor tzv. dynamického
systému – časově závislého systému
diferenciálních rovnic.
Verifikace programů
Každý ví, jak důležité je pro počítačové programy jejich testování. Tímto způsobem však nelze odhalit všechny chyby.
Proto vyvstává potřeba programy tzv. verifikovat. Verifikace programu je jeho formální ověření, tj. ověření na základě matematického důkazu, že program neobsahuje
žádné chyby, popřípadě že odpovídá zadané specifikaci. Zabýváme se tvorbou formálních modelů programů a vytvořili jsme
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
519
Výsledky práce matematické sekce byly
oceněny v roce 2010, kdy se matematika na
MFF UK v Praze zařadila jako jediný exakt­
ní či přírodovědný obor v České republice
do skupiny excellence v prestižním žebříčku
CHE Excellence Ranking. Ke krité­riím, podle
kterých jsou evropská univerzitní pracoviš­
tě posuzována, patří vedle odborných hledi­
sek také šíře nabídky oborů v magisterském
a doktorském studiu, mobilita studentů
a učitelů, kvalita knihoven a informačních
systémů. Nedílnou součástí hodnocení je
posuzování úrovně života studentů z hle­
diska stipendií, školného, ubytování na ko­
lejích či dostupnosti konzultací.
Matematiku na MFF studuje 540 studen­
tů bakalářského studia, přes 280 studentů
magisterského studia a okolo 170 dokto­
randů.
Vědecká a odborná práce matematické
sekce pokrývá široké spektrum disciplín
moderní matematiky.
Algebra, logika,
kryptologie, geometrie
Mnoho přirozených problémů – ať už geo­
metrických, nebo kombinatorických či lo­
gických – lze převést do jazyka vzniklého
zobecňováním jednoduchých číselných
a geometrických vztahů. Pojmy z oblasti
matematických struktur jako okruh, ko­
mutativní těleso nebo varieta se ukázaly
nesmírně užitečné ve zcela jiných souvis­
lostech než těch, které jim daly vznik. Ve
všech oborech, které se v rámci matema­
tických struktur studují, tedy algebře, geo­
metrii, kombinatorice a logice, probíhá na
MFF UK výzkum špičkové světové úrovně.
Pro moderní matematické myšlení je
charakteristické systematické hledání a na­
lézání skryté abstraktní struktury řady je­
vů, například algebraickou geometrii lze
chápat jako abstrahované počítání s poly­
nomy. Složitá teorie se přitom leckdy díky
novému abstraktnímu pohledu překvapivě
rozjasní.
K vědním oborům studovaným na MFF
UK patří rovněž kryptologie, která se kro­
mě jiného zabývá principy kryptografic­
kých systémů a způsoby jejich praktických
aplikací. V centru pozornosti je například
struktura toku dat po internetu včetně je­
jich šifrování.
Didaktika matematiky
a deskriptivní geometrie,
historie matematiky
K dalším oborům, které jsou rozvíjeny
v rámci matematické sekce, patří didakti­
ka matematiky a deskriptivní geometrie.
Součástí výzkumu v této oblasti je mo­
dernizace a inovace výuky obou předmětů
zejména na středních školách, tvorba in­
spirativních úloh propojujících školskou
matematiku se životem, zkoumání rozvo­
je logického myšlení žáků a studentů včet­
ně integrace informačních technologií do
výuky. MFF UK je jednou ze dvou fakult,
2. Vizualizace rozložení Machova čísla
(podíl rychlosti plynu a rychlosti zvuku)
získaného numerickým řešením obtékání
leteckého profilu vazkým plynem.
520
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
3. Rozložení rychlosti vzduchu při
průchodu lidskou hlasivkou.
které u nás nabízejí studium deskriptivní
geometrie. V centru pozornosti stojí také
otázky přípravy učitelů matematiky a de­
skriptivní geometrie pro střední školy. In­
tenzivní práce probíhají rovněž v dějinách
matematiky, Pozornost je věnována ze­
jména vývoji jednotlivých disciplín, mate­
matice určitých historických období včet­
ně mapování vývoje matematiky a jejího
vyučování v našich zemích.
Matematická analýza
a její aplikace
Dnešní moderní analýza se nezabývá jen
„derivováním a integrováním“ a nepracuje
jen na prostorech čísel – její metody se apli­
kují v široké škále abstraktních prostorů.
I když je matematická analýza především
vysoce teoretickou vědní disciplínou, jsou
její aplikace velmi široké. Metody mate­
matické analýzy hrají například důležitou
roli při sestavování a řešení rovnic, které
v jazyce matematiky vyjadřují zákonitosti
procesů živé i neživé přírody a ekonomic­
kých i společenských procesů. Často se
stává, že řešení takových rovnic nelze pří­
mo „vypočítat“ a je třeba řešit otázky, zda
vůbec daná řešení existují, případně ko­
lik jich je a jaké mají vlastnosti. Zajímavou
4. Možný vývoj ceny akcie St v období 800
dnů při počáteční ceně akcie S0 = 100.
Matematicko-fyzikální fakulta
otázkou je také chování řešení závislých
na čase pro velké hodnoty časové proměnné. Ukazuje, že hodnoty i tzv. chaotických
řešení se často blíží k poměrně nechaoticky vypadajícím množinám, tzv. atraktorům dané rovnice (obr. 1).
Numerická a výpočtová
matematika
Numerická matematika realizuje přechod
od čistě teoretické matematiky k prakticky použitelným výsledkům. S jejím použitím se lze setkat ve všech oblastech lidské
činnosti. Významnou oblastí aplikací metod numerické a výpočtové matematiky je
počítačová mechanika tekutin. Jejím cílem
je simulace složitých procesů v kapalinách
a plynech a částečné nahrazení finančně
náročných experimentů při vývoji letadel, turbín a dalších technologických celků. Zajímavou problematikou je interakce
tekutin a struktur s aplikacemi na vibrace
křídel letadel (obr. 2), ale také na proudění krve v cévách v srdci nebo vzniku hlasu
v lidských hlasivkách (obr. 3).
Teorie
pravděpodobnosti,
matematická statistika
Jedním z témat výzkumů v oblasti teorie
pravděpodobnosti jsou stochastické diferenciální rovnice, které se využívají při
modelování dynamiky procesů, u nichž
je nutné uvažovat náhodné vlivy a spojitý čas. Zkoumají se především kvalitativní vlastnosti možných řešení, které vypovídají o tom, do jaké míry je zvolený model
rozumný. Uvedené metody se používají
nejen v přírodních vědách, ale také v některých oblastech společenských věd. Příkladem realizovaných výzkumných úkolů
v matematické statistice je projekt Pidea.
Jedná se o evropský projekt zaměřený na
zrychlené únavové zkoušky komponent
palubních počítačů pro velká dopravní letadla. Za účelem získání dat jsou jednotlivé moduly podrobovány zátěžovým
zkouškám za výrazně vyšších teplot, vibrací a vlhkosti, než je zvykem v běžném provozu. Cílem je odhalit slabá místa jejich
komponent a ověřit, zda tyto komponenty,
respektive palubní počítač jako celek, spl-
ňují velmi přísné nároky na bezpečnost leteckého provozu.
Ekonometrie, finanční
a pojistná matematika
Výzkumná činnost v oboru ekonometrie
se soustřeďuje zejména na řešení problémů stochastické optimalizace, na testování
struktury, stability a robustnosti stochastických programů, na hledání metod pro optimalizaci portfolií a řízení rizika aj. Například
na MFF UK byly řešeny aktuální problémy
Evropské měnové unie v oblasti oceňování
kreditních rizik pro neúplná a nehomogenní data. V popředí výzkumu v oblasti finanční a pojistné matematiky je analýza a modelování jevů finanční povahy v bankách,
pojišťovnách, penzijních fondech a jiných
finančních institucích. Řeší se například problémy solventnosti, analyzují se časové řady.
V současnosti je věnována velká pozornost
modelování rizika, zejména kreditního, tj.
situacím, kdy dlužník nesplácí úvěr. Z metodického hlediska se často užívají simulační
metody, jak ukazuje obr. 4.
Matematické
modelování ve fyzice
a technice
5. Proudění v elastické trubici
s výdutí. Řešení Navierových‑Stokesových rovnic pro
proudění spolu s elastickým
problémem pro deformaci
stěny.
Matematické modelování je unikátním
oborem, který spojuje matematickou analýzu, numerickou matematiku a fyziku. Jednou z oblastí, kde se uplatní matematické
modelování, je mechanika kontinua. Mnohé materiály mají na makroskopické úrovni
zajímavé vlastnosti. Tekutina kupříkladu
může „samovolně šplhat“ vzhůru po rotující tyči ponořené do tekutiny, může se sama
„zpevnit“, pokud ji vystavíme rychlé deformaci. Navrhnout dobrý model, který by byl
jednoduchý a zároveň dostatečně přesný, je
velmi těžké. K dalším oblastem výzkumu
patří také modelování v lékařství, například
modelování proudění krve. Mechanické
chování krve není popsatelné klasickými
materiálovými modely. Navíc je nutné sledovat řadu biochemických reakcí, které
jsou důležité v případě, že chceme zachytit
například srážení krve. K tomu je třeba přidat přesný popis cév, které sestávají z mnoha anizotropních vrstev a které se vlivem
proudění krve deformují (obr. 5). To vše se
musí skloubit dohromady, abychom dostali model využitelný kupříkladu ke studiu
vlastností umělých srdečních náhrad.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
521
Matematicko-fyzikální fakulta
Tvůrčí prostředí pro talenty
v matematice, fyzice a informatice
Matematicko-fyzikální fakulta nabízí to nejlepší v celém spektru
oborů v matematice, fyzice a informatice. Na fakultě najdete stimulující a nadšené prostředí i vynikající vědecké zázemí na zpravidla nejlépe hodnoceném vědeckém pracovišti v České republice
s velmi rozvinutou spoluprací se zahraničím.
Zájemcům o studium nabízíme bakalářské, magisterské a doktorské studium, a to ve všech oborech matematiky, fyziky a informatiky. Na bakalářských oborech, kterých je celkem 11, získává
student velmi solidní základy pro další studium, v případě některých oborů může odejít i do praxe. Navazujících magisterských
oborů je celkem 28. Po jejich absolvování lze také získat titul doktor přírodních věd (RNDr.).
Studium na fakultě se tradičně odehrává v kolegiální atmosféře,
ve které jsou studenti a učitelé partnery. Povinnou součástí studia
je i studium angličtiny na vysoké úrovni. Studenti také často vyjíždějí na studijní pobyty v zahraničí.
Absolventi fakulty se uplatňují zejména ve vědecké oblasti, řada
z nich však působí i na čelních místech ve firmách, orgánech státní správy či samosprávy, kde se oceňuje jejich schopnost přesného analytického myšlení. Mnoho se jich velmi dobře uplatní i v zahraničí.
Úspěšní řešitelé celostátních a krajských kol matematické nebo
fyzikální olympiády nemusí konat přijímací zkoušky. Přijímací
zkouška je prominuta také úspěšným účastníkům tří fakultních
korespondenčních seminářů a studentům, kteří mají dobrý
průměr známek z matematiky na střední škole.
Viz http://www.mff.cuni.cz/uchazec/
a http://www.studuj-matfyz.cz/
Termín podání přihlášek ke studiu: konec února každého roku.
Programy bakalářského studia
Všechny studijní obory s výjimkou oborů zaměřených na vzdělávání (učitelství) se otevírají pouze v prezenčním studiu. Obory zaměřené na vzdělávání (učitelství) se otevírají jak v prezenčním, tak
magisterském studiu.
Program: Fyzika
l obecná fyzika
l aplikovaná fyzika
l fyzika zaměřená na vzdělávání
Program: Matematika
l obecná matematika
l finanční matematika (nejvyšší počet přijímaných
uchazečů je 140)
l matematické metody informační bezpečnosti
l matematika – deskriptivní geometrie se zaměřením
na vzdělávání
l matematika – informatika se zaměřením na vzdělávání
Program: Informatika
l obecná informatika
l programování a softwarové systémy
l softwarové a datové inženýrství
www.mff.cuni.cz
522
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
60 let
Matfyzu
počítačová
lingvistika
Lingvistika
na Matematicko-fyzikální fakultě?
Otázka položená v nadpisu tohoto příspěvku
je dnes již otázkou jen pro nezasvěcené. Počítačová a formální lingvistika mají na Matematicko-fyzikální fakultě již dlouhou tradici:
první – ještě ne zcela úředně emancipovaný – útvar zabývající se touto problematikou
vznikl na této fakultě v roce 1962 pod vedením
Petra Sgalla. V současné době, kdy na fakultě
existuje sekce informatiky jako jedna ze tří základních složek fakulty, je to vzhledem k bezbřehým potřebám automatického zpracování
jazyka otázka téměř nemístná: v současném
Ústavu formální a aplikované lingvistiky (dále ÚFAL) pracuje na aplikovaných i teoretických úlohách spojených s přirozeným jazykem desetkrát víc informatiků, matematiků
a lingvistů než před 50 lety, a to za úplně jiných technických i společenských podmínek.
Počítačová lingvistika
Matematická nebo také počítačová, komputační lingvistika je propojením oblastí ze dvou
různých světů – explicitního a formálního
světa počítačů a matematiky a světa humanitního, kde se tradičně pro zkoumání lidského, přirozeného jazyka používají metody zcela jiné. Je proto přirozené ptát se, jak
je vůbec možné, že takové spojení vzniklo
– a zda vlastně přirozený jazyk explicitními
metodami vůbec zkoumat lze. Odpověď na
otázku „jestli vůbec“, kterou jsme výše položili, je vázána na otázku, jestli vůbec a proč
je takový interdisciplinární výzkum dobrý.
Odpověď na otázku „proč“ je vcelku jednoduchá. Chceme-li se přiblížit ke skutečné
„umělé inteligenci“ – ať už ve smyslu Čapkových robotů, nebo v podobě mnohem jednodušší, např. pro porozumění mluveným pokynům k ovládání autorádia či mobilního
telefonu nebo jako virtuálního pomocníka
při psaní gramaticky správných vět v nějakém přirozeném jazyce na počítači – musíme
vytvořit takový systém – řekněme to s jistou
nadsázkou – „umělé inteligence“, který rozumí (alespoň do určité míry) danému přirozenému jazyku a umí v některých aplikacích
i sám v tomto jazyce správně tvořit jednotlivé věty a jejich posloupnosti.
Mluvíme-li o systému, který má rozumět přirozenému jazyku, můžeme stejně tak dobře říci,
že požadujeme, aby počítač uměl zpracovávat
přirozený jazyk. Spojení počítačové zpracování
přirozeného jazyka (synonymum počítačové lingvistiky) je doslovným překladem anglického
termínu natural language processing.
Pokud počítač porozumí (tj. zpracuje přirozený jazyk), pak odhalí např. chybu v pádu
po předložce, která se s příslušným pádem
nepojí (*na tunelem), odhalí ji mylně ovšem
i ve spojení na nedokončeným tunelem projíždějící auto se vyhláška vztahuje; odhalí chybu
ve shodě podmětu s přísudkem (*Sportovci
zvítězily.), ale jako chybu nesprávně označí -y
i ve slově házely v posloupnosti vět Dívky křičely. Sportovci házely plyšáky a rozhodčím shnilá rajčata, kde shoda podmětu s přísudkem
v druhé z vět plyne z předcházející věty. Z věty Přijela policie, evakuovala téměř tisíc přítomných lidí a bezpečně nastraženou bombu odpálila.
(MF Dnes, 1997) čtenář, nikoli však počítač
pochopí, že se mluví spíše o bezpečném odpálení bomby, nikoli o jejím bezpečném nastražení. Při interpretaci odkazovacích zájmen
v posloupnosti Ráno jsem přijel pro kytici růží
pro nevěstu. Nelíbila se mi, představoval jsem si
ji jinak (z rozhovoru se známým politikem)
čtenář vyloučí jeden méně společensky přijatelný, ale gramaticky korektní výklad, kdy by
nevyjádřený podmět v první části druhé věty a odkazovací zájmeno ji vztáhl k substantivu nevěsta.
Z uvedených příkladů je vidět, že schopnost počítače „porozumět“ je větší či menší,
někdy téměř nemožná.
Jan Hajič
Barbora
Hladká
Jarmila
Panevová
ÚFAL je pracovištěm,
které je přátelsky
nakloněné jak
lingvistice, tak
strojovému učení.
Protože statistika je
klíčovým pojmem
strojového učení,
je ÚFAL přátelsky
spřízněn i se
statistikou.
Formální popis přirozeného jazyka
Pro zajištění alespoň takového „porozumění“ přirozenému jazyku, které lze od počítače požadovat, musí existovat aparát (schéma),
kterým bude jazyk explicitně popsán. Běžně
užívané slovníky a gramatiky nebo učebnice
jazyků poskytují nám, lidem, spoustu užitečných informací, ale přitom implicitně předpokládají, že jsme myslící bytosti, které navíc
ovládají alespoň jeden přirozený jazyk a dokážou tuto znalost aplikovat pomocí analogie
i na jazyk, který se učíme nebo v němž se zdokonalujeme (jde-li o náš jazyk mateřský). Takové gramatiky a slovníky, i když mohou být
samozřejmě převedeny do elektronické podoby, nejsou ovšem pro počítačové zpracování
moc platné, počítač si neumí „domýšlet“ nevyřčené tak, jako to dovede člověk. Pro počítačové zpracování je třeba jazyk uchopit metodami
matematickými a vytvořit jeho formální popis.
Velkým impulsem ke zkoumání přirozeného jazyka formálními prostředky byly práce
Noama Chomského (dnes známého spíše jeho
politickými názory), pro lingvistiku byla podnětná zejména jeho monografie z roku 1957
Prof. RNDr. Jan Hajič,
Dr., (*1960) vystudoval
MFF UK, 2001–2012 byl
ředitelem Ústavu formální
a aplikované lingvistiky na
MFF UK.
Mgr. Barbora Hladká,
Ph.D., (*1971) vystudovala
informatiku na MFF UK,
nyní je vědeckou pracovnicí
ÚFAL MFF UK.
Prof. PhDr. Jarmila
Panevová, DrSc., (*1938)
vystudovala FF UK (obory
čeština a ruština), od r. 1962
pracuje na MFF UK v oboru
matematická a komputační
lingvistika.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
523
Matematická statistika
je vědní disciplína, která se zabývá metodami zpracování souborů dat. Tyto metody jsou založeny na induktivním přístupu, který na základě empirických znalostí (tj. zkušeností) hledá vztahy a zákonitosti mezi zkoumanými
jevy, předpovídá výsledky pokusů a vyslovuje vědecké hypotézy. Empirické
znalosti jsou ve statistice zastoupeny pozorováním souboru dat. Pracuje se
s předpokladem, že pozorované údaje podléhají nějakým zákonitostem, které se snažíme odhalit, na druhou stranu jsou však zatíženy náhodným vlivem,
který se v podstatě nevysvětluje, ale je třeba s ním při všech úvahách počítat.
Nejbližším oborem matematické statistiky je pak teorie pravděpodobnosti,
která se zabývá popisem a studiem náhodných jevů a odhalováním zákonitostí náhody.
Úplně první statistická procedura, která byla použita v rámci počítačového zpracování češtiny, a to v roce 1994, byla založena na tzv. skrytých markovovských řetězcích a byla aplikována na úlohu automatického tvaroslovného rozboru, tedy na automatickou identifikaci slovních druhů slov z textu
spolu s identifikací kategorií danému slovnímu druhu příslušejících, např.
pro podstatná jména rod, číslo a pád. Přístup na základě markovovských
řetězců vychází z myšlenky, že pro tvaroslovný rozbor příslušného slova se
využije informace z předešlého textu, tedy ze slov a jejich rozborů, které
danému slovu v textu předcházejí. Pravděpodobnosti posloupností po sobě
jdoucích slov a pravděpodobnosti rozborů slov se model naučí z textů, do
kterých byly tvaroslovné informace doplněny ručně, tj. člověkem. Takováto
učebnice má svůj název, a sice morfologicky anotovaný korpus (viz dále). Jak
dlouhá má být historie, aby byl rozbor slova správný, bylo předmětem experimentování. S ohledem i na časovou složitost automatické identifikace se
ukázalo, že dvě až tři slova z bezprostředně předcházejícího kontextu stačí
na to, aby úspěšnost automatického tvaroslovného rozboru anglických textů byla vyšší než 98 %. Pro tvaroslovný rozbor českých textů vykazuje zapojení historie dvou i tří slov a jejich rozborů úspěšnost nižší (cca 95 %). To
ale neznamená, že zapojením delší historie jsou výsledky automaticky lepší;
je třeba lingvisticky fundovaného začlenění informace z rozšířeného kontextu, nikoli jen prostého mechanického prodloužení kontextu předcházejícího zkoumanému slovu. Vysvětlení nižší úspěšnosti tvaroslovného rozboru pro češtinu je třeba hledat v rozdílných vlastnostech češtiny a angličtiny,
zejména ve vlastnostech slovosledu. Zatímco angličtina reprezentuje jazyk
s poměrně pevným pořádkem slov ve větě, čeština je jazykem s volným slovosledem, proto kontext předcházejících slov poskytuje „méně“ informace
o správném tvaroslovném rozboru.
„Syntactic Structures“, kde vyslovil hypotézu,
že jazyk lze popsat formální gramatikou určitého typu, a tuto gramatiku také přesně popsal. Je nutné dodat, že i když dnes už víme,
že takto se jazyk ve své úplnosti popsat nedá,
Chomského práce měly velký význam nejen
v lingvistice, ale zejména v informatice, kde
jsou základem pro definici a analýzu formálních jazyků a dodnes je systém typů těchto jazyků nazýván Chomského hierarchií.
Odpověď na otázku „jestli vůbec“ je vázána na konkrétní případy propojení lingvistiky a informatiky. Stojí jistě za úvahu, zda efekt
softwarových produktů založených na různých formách zpracování přirozeného jazyka
je úměrný množství námahy potřebné pro jeho
vývoj. Toto hledisko (snížení lidských i hmotných zdrojů) vedlo v devadesátých letech v počítačové lingvistice k jistému průlomu – k masivnímu nasazení statistických metod. Zatímco
v první polovině 20. století to byli převážně
lingvisté, z jejichž strany vycházela iniciativa
k výzkumu počítačového zpracování jazyka,
ke konci 20. století to byli překvapivě převážně
matematici, statistici, fyzici a informatici, kdo
přicházeli s novými impulsy. Vyspělé počítačové technologie poskytují základnu i pro strojové učení. Při strojovém učení se totiž počítačový program učí z různě rozsáhlých souborů
jazykových dat, textových i mluvených, aby následně mohl ne zcela nahradit, ale částečně zastoupit člověka v automatizaci činností svázaných s přirozeným jazykem.
524
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
Pohled do historie kvantitativního
zkoumání češtiny
Historicky viděno, nejsou kvantitativní zkoumání v lingvistice úplně nová: na přelomu
19. a 20. století začala do lingvistiky pronikat statistika. Zkoumání přirozeného jazyka
mělo v té době charakter popisný a soustředilo se kolem pojmu frekvence a frekvenční
analýza. Šlo o sledování frekvence (četnosti
výskytu) jednotek na všech rovinách popisu
přirozeného jazyka, tj. např. četnost fonémů,
hlásek, slov, slovních druhů, pádů, větných
členů atd. Tímto kvantitativním výzkumem
se ustavil nový podobor lingvistiky, lingvistika kvantitativní.
Pohled do historie české lingvistiky dokládá, že první aplikace statistických kvantitativních metod při studiu jazyka sahá až k diskusi
o pravosti Rukopisu zelenohorského koncem
19. století, kdy A. Seyler (1849–1891) na základě iniciativy T. G. Masaryka využil pravděpodobnostní počet k tomu, aby se vyloučila náhodnost výskytu některých jazykových jevů.
V té době to byl pokus ojedinělý a nesetkal se
s patřičným ohlasem, ale už začátkem 20. století zakladatel Pražského lingvistického
kroužku Vilém Mathesius v přednášce o potenciálnosti jazykových jevů (1911) ukazuje,
že ke studiu jazykových jevů jako stabilních
nebo potenciálních mohou přispět i statistické údaje. V Pražském kroužku se otázkami
frekvence jazykových jevů zabýval ještě před
válkou profesor Bohumil Trnka v souvislosti
s těsnopisem. A právě péčí profesora Trnky
vyšla roku 1950 v Belgii také vůbec první bibliografie kvantitativní lingvistiky.
Na přelomu dvacátých a třicátých let se
americký psycholog a lingvista G. K. Zipf věnoval kvantitativní analýze jazyka a ve formě
tzv. Zipfových zákonů zformuloval tvrzení
o závislosti počtu různých slov v textu a frekvence jejich výskytu, o poměru frekvencí slov
a počtu různých slov s touto frekvencí a o závislosti frekvence slova a počtu jeho významů.
I druhá světová válka hrála svoji roli. Ví se, že
řada spojeneckých úspěchů je zásluhou muže
jménem Alan Turing. Tento geniální matematik po roce 1943 pracoval pro britskou zpravodajskou službu v pověstném Bletchley Park,
kde za pomoci kolegů sestrojil tzv. „bombu“
– stroj na dešifrování německých příkazů nejvyššího velení, zakódovaných pomocí německého šifrovacího stroje Enigma. Jak známo,
i ve válce jsou zprávy a příkazy předávány přirozeným jazykem – a právě některých statistických vlastností přirozeného jazyka Turing
použil k rozbití německého kódu.
Na přelomu čtyřicátých a padesátých let
v souvislosti se vznikem kybernetiky se v rámci matematiky zformovaly dva nové vědní
obory – teorie komunikace a teorie informace.
Oba dva obory mají k sobě velmi blízko, zabývají se přenosem informace. Základní myšlenku zformuloval Američan Claude Shannon.
V knize o teorii informace (společně s Warrenem Weaverem, The Mathematical Theory of
Communication, 1949) teoreticky popsal a zobecnil způsoby přenosu informace, přičemž
Mladí
mladý
AAMP1----1A----
lidé
člověk
NNMP1-----A---1
nechodí
chodit_: T
VB-P---3P-NA---
se zabýval zejména tím, jak tato informace
může být přenosem zkreslena a na přijímacím místě opět (pokud možno s minimální
chybou) zrekonstruována. Zavedl také důležitý pojem entropie v teorii informace.
Dvě poslední zmíněné události, ke kterým
došlo ještě před publikací Chomského Syntaktických struktur (viz výše), přinesly nový statistický impuls lingvistice. Na začátku padesátých let ovlivnily vývoj tehdejší
americké experimenty se zpracováním jazyka – zejména s tzv. strojovým překladem, tj.
automatickým překladem z jednoho jazyka
do druhého (viz zde příspěvek O. Bojara na
s. 488). Tehdy šlo – jak jinak – o překlad z ruštiny do angličtiny. Na základě Turingových
úspěchů s prolomením šifer a kódů a na základě Shannonovy teorie informace lze totiž
problém překladu formulovat jako problém
šifrování (či spíše dešifrování) – věta v ruštině se považuje za šifrovanou větu v angličtině, a cílem překladu je vlastně tedy dešifrování původní (zde anglické) věty. V padesátých
letech minulého století byly ovšem možnosti
počítačů v porovnání s bohatostí přirozeného
jazyka velmi omezené, a proto tyto pokusy nevedly k plnému úspěchu. Navíc právě v druhé
polovině padesátých let téměř všichni ve vznikajícím odvětví lingvistiky, které se zabývalo
formálním popisem jazyka, pracovali pod vlivem Chomského modelů frázových gramatik
založených na pravidlech; Chomsky ostatně
velmi striktně odmítl možnost jakéhokoli statistického pohledu na přirozený jazyk. Tento
nepřátelský postoj se podařilo prolomit až na
počátku devadesátých let.
V těch letech se stal zcela dominantním
směr, který přidává k matematickým a formálním postupům, dosud v lingvistice používaným, statistiku už ne jako věc popisnou, ale
jako metodu modelování jazykových jevů. Tyto statistické metody (viz rámeček) v počítačové lingvistice posunuly počítačovou lingvistiku velmi výrazně k vědám experimentálním,
a definitivně tak skončilo konsensuální pojetí
některých směrů vývoje tohoto oboru. Jakými metodami se tedy dnes postupuje? Nejhezčí analogie je, kupodivu, s astronomií: pokud
si vybavíme vývoj astronomie od středověku,
snažila se vysvětlit postavení hvězd na obloze tak, že vytvářela matematické modely a porovnávala je s naměřenými daty (tj. s polohou
hvězd na obloze). Postupně tak astronomie
došla k jednodušším a jednodušším (a adekvátnějším!) modelům vesmíru. V přírodních
vědách se jedná o postup zcela obvyklý. Jak
však v lingvistice měříme jazyk? Na první pohled věc prakticky nemožná. Avšak po desetiletích vývoje formálních prostředků popisu jazyka a jejich osvojení experty-lingvisty je
možno k takovému „měření“ tyto experty využít – dáme-li totiž velké množství textů nebo
promluv analyzovat za pomoci počítačových
do
do-1
RR--2----------
divadel
divadlo
NNNP2-----A----
často
často
Dg-------1A----
nástrojů jazykovým expertům podle předem
zadaného scénáře, dostaneme ono potřebné
„měření“ – samozřejmě v symbolickém smyslu.
Tato „jazyková data“ pak lze použít pro auto­
matické zjištění parametrů známými nebo
modifikovanými metodami strojového učení nebo i jednoduššího přímého statistického
modelování.
Již jsme se zmínili, že na počátku devadesátých let byly překročeny hranice předsudků vůči statistickému modelování v lingvistice a došlo k jeho dominantnímu rozmachu.
Tento jev se okamžitě promítl i do skladby
příspěvků na konferencích. Drtivá většina
příspěvků byla a stále je tomuto proudu věnována.
1. Na morfologické
úrovni je jednotlivým
slovním tvarům věty
(první řádek) přiřazen
základní slovníkový
tvar (druhý řádek)
a morfologická značka
(třetí řádek), ve
které jsou zachyceny
základní morfologické
kategorie daného
slova (slovní druh, pád,
číslo, čas atd.).
Korpusy (nejen) pro statistiku
Matematická statistika pracuje s empirickými znalostmi formou pozorování souboru
dat. Soubory jazykových dat mají v počítačové lingvistice různou povahu: jsou to korpusy jednojazyčné nebo paralelní, synchronní nebo diachronní, korpusy jazyka psaného
nebo mluveného, korpusy školské nebo jinak
specializované.
Jednojazyčný korpus je souborem textů či
promluv v jednom jazyce. Pro češtinu je největším textovým korpusem Český národní
korpus (vyvíjený v Ústavu Českého národního korpusu na FF UK s přispěním dalších
institucí); v současné době pokrývá ve všech
svých složkách 1300 milionů slov. Máme-li se
dovědět o daném jazyce (nebo o jazyce vůbec) co nejvíc a efektivně tuto informaci vy­
užít pro počítačové zpracování (tedy i pro statistické modelování), je třeba shromážděná
data (korpusy) obohatit jejich anotováním, tj.
doplňováním hodnot gramatických či jiných
(např. lexikálně sémantických) kategorií jednotlivým prvkům věty (ať již na úrovni řetězu slov nebo syntaktických struktur). Tento
názor je dnes už doložen existencí či vývojem anotovaných korpusů řady jazyků (např.
Penn Treebank s odvozenými korpusy, jako je
PropBank nebo Penn Discourse Treebank pro
angličtinu, Tiger pro němčinu a v neposlední
řadě i rodina českých anotovaných korpusů,
viz dále). Podmínkou takového zhodnocení
ovšem je, že pro anotování je vytvořen dobře
promyšlený konzistentní scénář založený na
propracované lingvistické teorii.
Konstatujeme, že anotování jazykového
korpusu není samoúčelné, ale vedle toho, že
poskytuje jedinečnou příležitost, jak ověřovat lingvistickou teorii, umožňuje především
vypracovat procedury, které se na základě
dat vytvořených experty (lingvisty, ale i za
pomoci přívětivého počítačového prostředí)
mohou „učit“ a „naučit“ analyzovat (zpracovávat) běžný text (neznámý, tedy systémem
dosud neviděný), a tak rozšiřovat procedury
pro porozumění textu daného jazyka.
2. Stromový
graf (závislostní
strom) zachycující
povrchovou stavbu
dané věty – např. slovo
lidé plní ve větě funkci
podmětu (Sb), často
funkci příslovečného
určení (Adv).
a-In94210-39-p1s1
AuxS
nechodí
Pred
lidé
Sb
Mladí
Atr
do
AuxP
často
Adv
divadel
Adv
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
525
Pražské anotované korpusy
3. Závislostní
strom zachycující
významovou stavbu
věty – v tomto
stromě vystupují jako
uzly (na rozdíl od
syntaktického stromu)
pouze plnovýznamová
slova (nikoli např.
předložka do) a jsou
reprezentována
slovníkovými tvary
(lidé jako člověk;
významová funkce
tohoto slova je
specifikována jako
konatel ACT děje
vyjádřeného slovesem
chodit).
526
Rodina tzv. pražských anotovaných korpusů
je díky aktivitě ÚFAL dosti početná. Pokud
máme uvést pouze jména těch nejrozsáhlejších,
tak jmenujme jednojazyčný Pražský závislostní korpus (PDT), Pražský arabský závislostní korpus, Český akademický korpus (ČAK),
Pražský závislostní korpus mluvené češtiny
(PDTSC) a dvojjazyčný paralelní Pražský česko-anglický závislostní korpus (PCEDT). Vědecký přístup, metodologie, vlastní jazyková
data a software, které byly v případě anotace
všech uvedených korpusů zvoleny, jsou dnes
uznávány i ve světě – jednak jsou publikovány
v tzv. Linguistic Data Consortium, které je největší světovou základnou pro využití jazykových dat, jednak jsou jazyková data používána
například v „soutěžích“ o co nejlepší modely
struktury věty přirozeného jazyka. K tomu jistě přispívá i to, že to jsou po angličtině zdaleka největší jazyková data, která jsou ve světovém měřítku k dispozici. Je však také třeba
říci, že příprava takových dat je vědecky náročná a samozřejmě i velmi nákladná.
Zastavme se blíže u dvou anotovaných korpusů. Starší z nich je Pražský závislostní korpus, dnes dostupný ve verzi 2.0 (http://ufal.
mff.cuni.cz/pdt2.0). Texty do něj byly vybrány z Českého národního korpusu a jsou
charakteru publicistického, ekonomického
a populárně-naučného. Anotace pokrývají tři
roviny – rovinu tvaroslovnou, syntaktickou
rovinu rozboru povrchové podoby věty a rovinu významovou (tektogramatickou). Na
anotacích se pracovalo od roku 1996 a po deseti letech se dospělo k úctyhodnému objemu
anotovaných dat. Vzhledem ke komplexnosti
anotací je nejvíce dat anotováno morfologicky
(2 miliony slov), část z nich na povrchové rovině (1,5 milionu slov) a z nich 0,8 milionu slov
na rovině významové. Pro lepší představu demonstrujeme korpusová data anotací věty Mladí lidé nechodí do divadla často na všech 3 rovinách – viz obrázky 1, 2 a 3.
Mladším z korpusů, jehož existenci zde jenom zmíníme, je Pražský závislostní korpus
mluvené češtiny (Prague Dependency Treebank of Spoken Czech, PDTSC). Je unikátní ještě z dalšího hlediska: Přebírá část dat
z jedinečné databáze MALACH, kterou společně, z iniciativy Stevena Spielberga, vybudovala pracoviště univerzit v jižní Kalifor-
a-In94210-39-p1s1
root
#Neg
RHEM
mladý
RSTR
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
Počítačová lingvistika hrou
Expertní příprava jakýchkoli dat, tedy i anotovaných korpusů, je v mnoha ohledech nákladná aktivita, zejména vzhledem k potřebným lidským zdrojům, k její časové náročnosti
a k nezbytným finančním prostředkům. Proto
se hledají alternativní, levnější způsoby anotace, které se souhrnně označují jako crowdsourcing (síla davu). Jeden z jejich možných směrů
využívá on-line her, u kterých se hráči primárně baví a na pozadí her generují data. Je-li hra
pro hráče dostatečně atraktivní, dojde k naplnění přímé úměry, a sice čím více odehraných
partií, tím více získaných dat.
Na pracovišti ÚFAL byla navržena a implementována hra PlayCoref (http://www.lgame.
cz), při které hráči označují v odstavci slova,
která odkazují k témuž. Například v již citovaném příkladě Ráno jsem přijel pro kytici růží
pro nevěstu. Nelíbila se mi, představoval jsem si ji
jinak hráč spojí zájmena mi a ji ve druhé větě
buď s kyticí, nebo s nevěstou ve větě první.
Další alternativní způsob anotace navržený
na ÚFAL je originální a souvisí s praxí výuky
češtiny na našich školách, jejíž povinnou součástí je tvaroslovný a větný rozbor. Základní
myšlenkou je zapojit do anotací přímo školáky.
Navrhli jsme a implementovali editor větných
rozborů Čapek (http://ufal.mff.cuni.cz/styx):
školáci provedou rozbory „na počítači“ v editoru Čapek a my tyto rozbory transformujeme
do korpusových anotačních schémat. Navýšíme tak objem dat potřebných pro procedury, na kterých všechny aplikace, které pracují
s přirozeným jazykem, staví.
Závěr
chodit
Pred
člověk
ACT
nii, Marylandu a Baltimoru, ve spolupráci se
Západočeskou univerzitou v Plzni, pracovištěm ÚFAL a výzkumným centrem IBM. Tato databáze obsahuje vzpomínky pamětníků
přeživších holocaust (slovo malach znamená
v hebrejštině kraloval či ustanovil za krále nebo také anděl), které jsou uloženy v archivu
se 116 tisíci hodinami digitalizovaných nahrávek v 32 jazycích od 52 tisíc svědků nacistického holocaustu. Jeho část je on-line dostupná
v knihovně MFF UK na Malostranském náměstí (http://ufal.mff.cuni.cz/cvhm/), další část je dostupná off-line jejím prostřednictvím ­z Univerzity v Jižní Kalifornii. Jsou to
jedinečné videozáznamy, pro jejichž uchování a zpřístupnění bylo třeba řady modulů automatického rozpoznávání mluvené řeči. Pomocí strojem podporovaného automatického
překladu byl vytvořen mnohojazyčný tezaurus umožňující katalogizaci údajů a efektivní
způsob vyhledávání v archivech.
divadlo
DIR3
často
THO
Matematicko-fyzikální fakulta slaví letos šedesáté narozeniny, lingvistika na této fakultě narozeniny padesáté. Při příležitosti takto
významných a částečně koincidujících jubileí
chceme připomenout dlouholetou symbiózu
dvou zdánlivě velmi odlišných oborů a poukázat na rozsah praktických aplikací založených na přirozeném jazyce, jejichž vývoj je
otázkou současnosti a snad ne příliš vzdálené budoucnosti. Ö
představujeme projekt
Michal Pravenec, Pavel Flachs, Hana Kubová
Fyziologický ústav AV ČR, v. v. i.
BIOMODELY
2. Ukázka
segmentace
tukové tkáně
u normální (a)
a obézní (b)
myši pomocí
rentgenového
počítačového
tomografu
Albira.
projekt pro odhalení genetických determinant
predisponujících k metabolickému syndromu
Metabolický syndrom je onemocnění charakterizované výskytem hned několika rizikových faktorů kardiovaskulárních onemocnění. Klinicky je metabolický
syndrom definován jako současný výskyt tzv. centrální
obezity (objem pasu ≥ 94 cm u mužů a ≥ 80 cm u žen)
společně s alespoň dvěma z těchto poruch: vysoké
hladiny triglyceridů, nízké hladiny HDL cholesterolu,
vysoký krevní tlak, vysoká hladina glukózy na lačno,
případně diabetes 2. typu. Současný výskyt několika
rizikových faktorů několikanásobně zvyšuje pravděpodobnost vzniku kardiovaskulárních onemocnění. Podle posledních odhadů je v České republice prevalence metabolického syndromu asi 20 %, což představuje
značnou zátěž pro systém našeho veřejného zdravotního pojištění. Odhalení variant genů predisponujících
k jednotlivým složkám metabolického syndromu by
přispělo k lepšímu pochopení patogeneze a následně
k racionálnější prevenci a terapii této choroby. Běžné
lidské choroby, jako je metabolický syndrom, jsou podmíněny multifaktoriálně, tzn. více geny s malými účinky a jejich interakcemi s faktory prostředí, a proto je
jejich identifikace nesmírně obtížná. Mnoho nadějí bylo vkládáno do sekvenace lidského genomu. Během několika posledních let byly publikovány výsledky mnoha
celogenomových asociačních studií, které porovnávají rozdíly ve frekvenci výskytu běžných polymorfismů, pokrývajících celý lidský genom mezi skupinami
pacientů a kontrolních osob. Tyto studie však zatím
odhalily jen malý zlomek geneticky podmíněné variability jednotlivých komponent metabolického syndromu
(přibližně do 10 %) a navíc tyto studie jsou založeny
pouze na statistických důkazech a jen výjimečně odhalily kauzální mutace odpovědných genů. Vzhledem
k tomu se stále více pozornosti upíná ke zvířecím modelům lidských onemocnění. Nově vznikající centrum
příprava GMO
potkanů
1. úroveň
tvorba, chov a ustájení biomodelů
analýza
genomu
laboratoř
homeostázy
krevního tlaku
celotělová
analýza
fenotypizace
chování
2. úroveň
část analytická
část
chovná
1. Struktura centra BIOMODELS. Oranžové bloky označují nově vznikající jednotky, zelené pak
sumarizují již dostupné možnosti produkce zvířat a funkční analýzy. Tmavě a světle modré pole
odděluje část určenou pro tvorbu, chov a ustájení od části zaměřené na funkční analýzu biomodelů.
Biomodels, centrum pro produkci a funkční analýzu biomodelů civilizačních chorob je zaměřeno právě
na produkci těchto zvířecích modelů a jejich funkčně genomickou analýzu. Centrum vzniklo za podpory
strukturálních fondů EU a je složené ze čtyř pracovišť.
Pracoviště Biomodely slouží k produkci a chovu specifických kmenů laboratorního potkana, zvířecích modelů lidských chorob, získávaných pomocí cílené selekce
a nově dostupných genomových manipulací. Další tři
nově vzniklá pracoviště jsou určená pro funkční analýzu zvířecích modelů. Jejich struktura a vybavení
umožní opakované sledování zvolených funkčních parametrů při minimalizaci stresu a potřeby invazivních
zásahů (obr. 1). Jde o Laboratoř pro celotělovou analýzu, určenou pro sledování základních anatomických,
fyziologických a metabolických parametrů. Pracoviště
je vybavené rentgenovým počítačovým tomografem
(CT) speciálně určeným pro malá laboratorní zvířata,
doplněným o pozitronovou emisní tomografii (PET).
Přístroj umožňuje opakované rychlé analýzy celkového
tělesného složení (např. obsah a rozložení tuku v těle –
obr. 2) a podobně jako v humánní nukleární medicíně
důkladná vyšetření orgánových a tkáňových patologií.
Dalším zařízením je systém pro nepřímou kalorimetrii,
doplněný o telemetrické sledování pohybové aktivity
a tělesné teploty. Standardní chovná nádoba s pokusným zvířetem je umístněna do komory přístroje (k dispozici je 8 samostatných komor) a na základě měření množství spotřebovaného O2 a vydechovaného CO2
je analyzován celotělový metabolismus (celkový energetický obrat, poměr oxidace jednotlivých živin – cukrů, tuků a proteinů) a metabolické reakce na zatížení
(např. změna teploty, hladovění, jednorázové podání
roztoku glukózy atd.). Také metoda nepřímé kalorimetrie je užívána v klinické praxi na diabetologických
a obezitologických pracovištích. Dalším pracovištěm
je Laboratoř analýzy chování, zaměřená na sledování
dalších faktorů ovlivňujících vznik a průběh metabolického syndromu, jako je fyzická aktivita, míra stresu
a možnosti snížení jeho působení. Základní vybavení
tohoto pracoviště představují fenotypizační klece se
stavebnicovým vybavením, umožňujícím sledovat fyzickou aktivitu, úkryt, učení nových úloh a automatic-
proteomika
histologie,
morfologie,
NeuroImage
studium různých
behaviorálních
parametrů
měření různých
fyziologických
hodnot
ké měření všech těchto činností v přirozeném prostředí zvířete. Možné je i paralelní měření fyziologických
a behaviorálních parametrů, například krevního tlaku
a fyzické aktivity. Laboratoř homeostázy krevního tlaku je vybavená třemi systémy pro chronické sledování krevního tlaku, srdečního tepu, biopotenciálů (EKG,
EEG, EMG) a tělesné teploty telemetrickou a pletysmografickou metodou. Výhodou zvolených technologií
je možnost sledovat funkční parametry v přirozeném
prostředí a s minimalizací stresu.
Jako příklad zvířecího modelu a jeho využití lze
uvést spontánně hypertenzní potkany kmene SHR
(obr. 3). Tento kmen je nejčastěji používaný model lidské esenciální hypertenze; prakticky každý lék na vysoký krevní tlak byl před uvedením do klinické praxe
3. Transgenní SHR potkani získaní pomocí transpozonových konstruktů Sleeping Beauty se zeleným fluorescenčním proteinem.
testován na SHR potkanech. Kromě vysokého krevního tlaku mají SHR potkani i poruchy metabolismu glukózy a lipidů. Pro odhalení genů podmiňujících vysoký
krevní tlak a metabolické poruchy u kmene SHR bylo
ve Fyziologickém ústavu AV ČR ve spolupráci s 1. lékařskou fakultou Univerzity Karlovy vytvořeno celkem
30 speciálních kmenů, tzv. rekombinantních inbredních (RI) kmenů, odvozených od kříženců kmene SHR
s kmenem Brown Norway (viz Vesmír 74, 485–487,
1995/9). RI kmeny lze přirovnat k zafixované geneticky segregující F2 generaci. Jednotlivé RI kmeny jsou
inbrední (tj. geneticky shodné), ale nesou různé kombinace variant genů obou rodičovských kmenů. Pro
odhalení genů podmiňujících hypertenzi a metabolické poruchy se používají vazebné a korelační analýzy.
Obrovskou výhodou pro tyto analýzy je skutečnost, že
všechny znaky stanovené u RI kmenů jsou kumulativní. V rámci široké mezinárodní spolupráce při řešení
2 integrovaných projektů 6. a 7. rámcového programu
EU (EURATools a EURATRANS) byla stanovena sekvence genomů obou rodičovských kmenů, identifikováno
přes 20 000 polymorfismů a stanovena řada jednodušeji geneticky podmíněných intermediárních fenotypů
mezi variabilitou na úrovni DNA a komplexními metabolickými znaky. Pomocí vazebných a korelačních analýz mezi intermediárními fenotypy a metabolickými
znaky jsou pak identifikovány geny podmiňující komplexní fenotypy. Takto byly u kmene SHR a následně
i u lidí odhaleny první geny podmiňující například predispozici k vysokému krevnímu tlaku, inzulinové rezistenci nebo hypertrofii levé srdeční komory.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
527
Komerční
prezentace
ochrana
životního prostředí
v centru pozornosti
Tereza
Soukupová
ČEPS, a. s.
Kvalita životního prostředí a trvale udržitelný rozvoj
jsou stále naléhavější témata. Velkou výzvu představují i pro energetický sektor. Mezi energetickými firmami však nalezneme jednu společnost, která má
minimální dopad na životní prostředí.
Jde o českou elektroenergetickou přenosovou
soustavu, kterou spravuje akciová společnost ČEPS.
Přenosovou soustavu tvoří elektrická vedení
velmi vysokého napětí, zvláště vysokého napětí
a rozvodny s transformátory. Taková zařízení vy­
volávají otázku:
Jsou veškeré provozovny ČEPS bezpečné jak
z pohledu lidského zdraví, tak zejména z pohledu
ochrany životního prostředí?
Odpověď zní – jednoznačně ano. ČEPS na ochra­
nu životního prostředí vynakládá řádově desítky
až stovky milionů korun ročně. Všechna zařízení
splňují hygienické normy a závazné předpisy.
Kontinuální péče
Mezi základní segmenty ochrany životního pro­
středí, jimž ČEPS věnuje péči, patří vodní a odpa­
dové hospodářství, ochrana ovzduší (z pohledu
ochrany ozonové vrstvy Země a klimatického sys­
tému Země), ochrana přírody a krajiny. ČEPS do své
koncepce ochrany životního prostředí kontinuálně
zahrnuje veškeré změny či nové skutečnosti vychá­
zející jak z národní, tak evropské legislativy.
Ekologizace transformoven
V transformovnách společnosti ČEPS jsou pro­
vozována zařízení (např. silové transformátoro­
vé jednotky), která obsahují jako médium trans­
formátorový olej. Tato zařízení nejsou hermeticky
uzavřená. Jsou vystavena běžným klimatickým
podmínkám (déšť, sníh). Za účelem ekologizace
transformoven a transformátorů jsou postupně
instalovány čističky odpadních srážkových zaole­
jovaných vod.
Vlevo:
Transformátor
400kV.
Vpravo:
Dvoustupňové
čištění CINIS.
528
Speciální technologie
ČEPS již řadu let využívá k odbourání ropných
uhlovodíků C 10–C40, obsažených v odpadní vodě,
speciální technologii na bázi filtrační látky CINIS.
Ta obsahuje sloučeniny křemíku, hliníku, železa,
vápníku a zbytků uhlíku, vzniklé spalováním uhlí
při vysokých teplotách.
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
Budova s univerzální čisticí jednotkou.
Tato technologie se v ČEPS osvědčila přede­
vším díky automatickému bezobslužnému provo­
zu a zaručenému efektu čištění. Navíc garantuje
splnění emisních limitů 0,05 mg/l při dvoustupňo­
vém zapojení čisticích jednotek.
Nesporná výhoda této technologie čištění je mi­
nimum odpadových toků z jejího provozu. Techno­
logie čistírny se instaluje v samostatných tempe­
rovaných zděných domcích postavených přímo na
havarijních jímkách, tím je umožněn celoroční pro­
voz čističky.
Sledování odpadních vod
Odvádění splaškových vod z provozoven ČEPS je
řešeno nejčastěji prostřednictvím vyvážecích bez­
odtokových jímek. Odpadní splaškové vody jsou
pak předávány prostřednictvím oprávněných spo­
lečností provozujících městské ČOV v lokalitách
provozoven. Některé provozovny jsou vybaveny
dvoustupňovým čištěním pomocí septiku a tech­
nologií na dočištění, např. zemních pískových filtrů
typ CINIS. Jindy jsou provozovny napojeny přímo
na veřejnou kanalizaci nejbližší obce v lokalitě pro­
vozovny.
Důsledné třídění odpadu
Společnost ČEPS má vlastní koncepci hospodaření
s odpady s výhledem do roku 2015, která respek­
tuje základní principy hospodaření s odpady v da­
ném kraji dle jednotlivých provozoven ČEPS.
Ve všech objektech se důsledně sleduje třídění
jak komunálních odpadů s důrazem na využitelné
složky (papír, plast, sklo atd.), tak i třídění a bez­
pečné shromažďování nebezpečných odpadů.
V současné době je ve všech provozovnách
ČEPS zaveden systém zpětného odběru (elektro­
zařízení, světelných zdrojů, baterií, tonerů apod.).
ČEPS má uzavřený smluvní vztah s autorizova­
nou obalovou společnosti EKO-KOM, kde pravidel­
ně vykazuje objemy dovezených obalů a provádí
platbu za jejich využití.
Ochrana ovzduší
Společnost ČEPS není provozovatelem význam­
ných stacionárních zdrojů znečišťování ovzdu­
ší. Proto ji z pohledu zákona č. 86/2002 Sb.
(201/2012 Sb.), o ovzduší nelze považovat za
běžného znečišťovatele ovzduší. ČEPS však vě­
nuje velkou pozornost povinnostem vyplývají­
cím z Nařízení ES č. 842/2006 o některých flu­
orovaných plynech, konkrétně plynu SF 6. Ten
se používá v přístrojových transformátorech
jako elektro­izolační a zhášecí médium a rovněž
ve zcela nových typech tzv. „zapouzdřených“
rozvoden.
Odborný monitoring plynů
V rámci celé firmy byl zaveden systém inventa­
rizace a sledování úniků plynu SF6 do atmosféry,
který se plně opírá o výše zmíněnou legislativu
EU, o teze z Kjótského protokolu a integrova­
ný registr znečištění (IRZ). Společnost ČEPS se
prostřednictvím svých odborníků podílí na tvor­
bě pravidel pro nakládání s SF6 jak v rámci ČR,
tak i na půdě CIGRE (International Council on Lar­
ge Electric Systems), profesní světové asociace
elektroinženýrů.
V současné době se ČEPS zaměřuje na postup­
né vyřazování klimatizačních zařízení či požárních
zařízení obsahujících regulované látky (např. chla­
divo R22). Zákon stanovuje nepoužívání těchto lá­
tek od 1. 1. 2015. Nově se instalují výhradně zaříze­
ní s neregulovanými látkami.
Ochranná pásma
Stožáry a vedení přenosové soustavy jsou v kraji­
ně výrazným a nepřehlédnutelným prvkem. Ener­
getický zákon definuje ochranná pásma elektric­
kých vedení jako „prostor v bezprostřední blízkosti
vedení (nabývající různé šířky v závislosti na napě­
ťové hladině), jenž je vymezen za účelem zajištění
bezpečného provozu na tomto vedení i ve vztahu
k veřejnosti“.
Zákon zároveň udává povinnost udržovat
ochranná pásma pravidelným odstraňováním dře­
vin, což nemusí být z pohledu veřejnosti vnímáno
vždy pozitivně.
Společnost ČEPS má zpracován vnitřní předpis,
který řeší a upřesňuje postupy prací při udržování
ochranných pásem elektrických vedení jak interně,
tak pro zhotovitele (provádějícího údržbové prá­
ce), který se tímto předpisem musí řídit.
Minimální vliv na životní prostředí
V rámci přípravy výstavby transformoven či mo­
der­nizace vedení upřednostňuje společnost ČEPS
budování nových vedení ve stávajících korido­
rech či souběžně s nimi. Bohužel ne vždy je tato
možnost reálná.
Součástí nových investičních akcí nebo moder­
nizací je vždy dokumentace EIA (Vyhodnocení vli­
vů na životní prostředí, Environmental Impact
Assessment). Ta zahrnuje podrobný biologický prů­
zkum nutný pro získání finálního povolení ke stav­
bě vedení či transformátorové stanice. Jedná se
o zprávu obsahující vyhodnocení současného sta­
vu krajiny a předpokládaných přímých i nepřímých
dopadů zamýšleného užívání krajiny z hlediska vli­
vu na rostliny a živočichy včetně vlivů na avifaunu
v dané oblasti.
Mizivé riziko pro ptactvo
Pravděpodobnost, že ptáci v letu narazí do vede­
ní, je velmi malá. Ke zraněním obvykle dochází na
jiných typech vedení (distribuční soustavy), kde
ptáci rozpětím svých křídel nebo částmi svého tě­
la spojí vodivé prvky vedení.
Délka závěsů na stožárech vedení velmi vysoké­
ho napětí a zvláště vysokého napětí provozované­
ho společností ČEPS se pohybuje od 3,5 m výše
(v závislosti na technickém řešení). Závěs určuje
vzdálenost vodiče od konstrukce stožáru. Vzdá­
lenosti mezi jednotlivými fázemi jsou ještě větší,
tedy více než 5 m. Rovněž vzdálenost vodiče od
svislé konstrukce stožáru je vždy větší než 5 m.
V případě vedení zvláště vysokého napětí jsou po­
užívány také svazky dvou nebo tří vodičů, vzdále­
nost vodičů v tomto svazku je obvykle 40 cm. Ani
v tomto případě nemůže dojít ke zranění elektric­
kým proudem, protože se jedná o jednu fázi (sva­
zek je využit pro zesílení fáze).
Žádný volně žijící pták běžně se vyskytující na
území České republiky svými tělesnými rozměry
(rozpětím křídel) nedokáže překlenout vzdálenosti
mezi částmi vedení pod napětím (živé části)
a uzemněnými částmi vedení. Největší u nás žijící
ptáci orel mořský a labuť mají rozpětí křídel až
2,4 m, čáp bílý maximálně 2 m, výr velký a husa
velká maximálně 1,7 m. Z toho vyplývá, že u vedení
velmi vysokého napětí a zvláště vysokého napětí
nemůže dojít k úrazu, popřípadě usmrcení ptáků
elektrickým proudem.
ČEPS minimalizuje
negativní dopady
své činnosti na
přírodu a krajinu.
Za základ ochrany
životního prostředí
pro další generace
považuje prevenci,
založenou
na vytváření
systémových
podmínek
pro bezpečný
a spolehlivý
provoz elektrizační
soustavy ČR.
Veškeré kroky
ochrany životního
prostředí vycházejí
ze systému EMS
(Environmental
Management
System).
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
529
Nová generace
nástavců Eppendorf
Stále ve vývoji
Eppendorf Combitips advanced®
Vysoké nároky na moderní laboratorní
postupy se také odrážejí v rostoucích
požadavcích na velmi přesné dávkovací
systémy. Dosavadní přednosti nástavců
Combitips jsou rozšířeny o příjemné
detaily.
Výsledek: Nová generace nástavců
pro všechny dávkovače Eppendorf
Multipette®.
> Prodloužená špička pro snažší
nasávání ze dna zkumavek
(Combitips 2,5 ml, 5 ml, 10 ml)
> Barevné rozlišení všech 9-ti velikostí
> Přehlednější popis
> 3 stupně čistoty (nesterilní,
PCR čisté, Biopur)
www.eppendorf.com/combitips-advanced
eppendorf® and Combitips advanced® are registered trademarks of Eppendorf AG.
All rights reserved, including images and graphics. Copyright © 2012 by Eppendorf AG.
60 let
Matfyzu
optická
mikroskopie
Mikroskopy
se superčočkami
Většina mikroskopů používá objektivy složené z čoček, které v podstatě představují zakřivená rozhraní mezi vzduchem a různými
skly, resp. jinými materiály o odlišných indexech lomu. Při průchodu světelných paprsků jednotlivými čočkami objektivu se mění směr jejich šíření v souladu se Snellovým
zákonem lomu. V určité vzdálenosti za objektivem pak vznikne obraz objektu, z něhož toto záření vychází, přičemž poloha i velikost
tohoto obrazu se řídí jednoduchými zákony
geometrické optiky.
Jelikož však má světelné záření také vlnovou povahu, dochází při jeho průchodu kruhovými aperturami čoček k difrakci (ohybu)
světelných vln, k nimž světelné paprsky náleží, což má za následek jistou neurčitost v určení místa průchodu paprsků obrazovou rovinou. Z tohoto důvodu se bodové objekty
zobrazí nikoli jako ideální body, nýbrž jako
skvrny konečného rozměru (Airyho disky),
jejichž průměr se zvětšuje s klesajícím průměrem apertury objektivu a rostoucí vlnovou délkou světla. Pokud takto zobrazujeme
dva blízké body objektu, při jejich určité minimální vzdálenosti jejich Airyho disky splynou a tyto body pak nelze v obraze od sebe
rozlišit. Již koncem 19. století ukázali nezávisle na sobě Lord Rayleigh a E. Abbe, že
rozlišovací schopnost mikroskopu omezená
difrakcí světla je i v případě nejkvalitnějších
objektivů s velkými aperturami rovna přibližně polovině vlnové délky použitého světelného záření, tj. cca 200 nm v případě světla fialové barvy.
Po dlouhá léta byla tato difrakční mez (nazývaná také Rayleighovým nebo Abbeho
limitem) a byla považována za nepřekonatelné omezení optické mikroskopie. S nástupem laserů umožňujících skenování zobrazovaných objektů bod po bodu a s využitím
počítačového zpracování obrazů přestalo
být nutné zobrazovat všechny body objektu
současně a bylo možné obejít tímto způsobem stav, kdy difrakční mez je skutečnou limitou rozlišovací schopnosti optických mikroskopů.
V posledních zhruba patnácti letech byla vyvinuta řada fascinujících metod fluorescenční mikroskopie s rozlišením dosahujícím hranice 30–50 nm, což bylo dosud
možné pouze s mikroskopií elektronovou.
Příkladem jsou metody známé jako PALM či
STORM, používající speciální fluorescenční
proteiny a mnohonásobnou akumulaci údajů
o polohách středů řídce rozmístěných Airyho disků, a metoda STED kombinující excitaci fluorescence fokusovaným laserovým
paprskem s omezením rozměru zářící stopy stimulovanou emisí. Existuje také metoda periodického osvětlení vzorku kombinovaná s extrapolací fourierovských obrazů
a zpětnou rekonstrukcí obrazů s rozlišením
dvakrát lepším než předpovídá Rayleighovo
a Abbeho kritérium.1
Alternativní směr vývoje mikroskopů
představují mikroskopy s tzv. „superčočkami“, které místo lomu světla využívají zajímavých charakteristik šíření světelných vln
v periodicky uspořádaných nanostrukturách.
Minia­
turní superčočky vyrobené v podobě koncentrických kruhů z plexiskla, nanesených na tenkém zlatém filmu na skleněné
podložce s periodou 0,5 µm v radiálním směru, dokáží fokusovat záření o vlnové délce
515 nm do stopy o průměru 70 nm.2 Nevýhodou superčoček zhotovovaných v podobě
nanostruktur na kovových filmech je však to,
že jejich ohniska se nacházejí v zóně tzv. blízkého pole čili ve vzdálenosti od čočky kratší,
než je vlnová délka světla.
N. I. Zheludev se spolupracovníky (Centre for Photonic Metamaterials, University of
Southampton, UK) nedávno publikoval práci demonstrující možnost vyrobit superčočku
s ohniskem vzdáleným více než desetinásobek vlnové délky (10,3 µm). Jde opět o sérii
koncentrických kroužků, tentokrát však vypálených pomocí fokusovaného iontového
svazku přímo do zlaté fólie tloušťky 100 nanometrů. Vypálené proužky jsou dokonale transparentní a jejich šířka a průměr jsou
zvoleny tak, aby byla splněna podmínka konstruktivní interference procházejích světelných vln. To vede k jejich fokusaci do ohniska o průměru 185 nm při vlnové délce světla
640 nm. Touto čočkou se jim při zobrazování
testovaných objektů podařilo dosáhnout rozlišovací schopnosti lepší než 100 nm.3
Reálná použitelnost mikroskopů se superčočkami je zatím daleko od praktických
aplikací. S uplatněním konfokálního mikroskopu, který patentoval Marvin Minsky
již v roce 1957, však nebyla výchozí situace
o mnoho lepší. Dnes patří konfokální mikroskopy k nepostradatelnému vybavení moderních laboratoří v mnoha vědních oborech. Jistý optimismus je proto přípustný
i v případě budoucnosti mikroskopů se superčočkami.
Ö
Jaromír
Plášek
1) Schermelleh L., Heintzmann R.
a Leonhardt H., A guide to
super-resolution fluorescence
microscopy, J. Cell. Biol. 190,
165–175, 2010.
2) Smolyaninov I. I., Hung Y. J.
a Davis C. C., Magnifying
Superlens in the Visible
Frequency Range, Science 315,
1699–1701, 2007.
3) Rogers E .T. F. et al.,
­A superoscillatory lens optical
microscope for subwavelength
paging, Nature Materials 11, ­
432–435, 2012.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
531
Věda
a etika
Werner Heisenberg
v době nacistického Německa
v kontextu odborné literatury a dokumentů
Filip Grygar
Mgr. Filip Grygar, Ph.D.,
(*1970) v letech 1984–1988
absolvoval SPŠ stavební
v Liberci, v letech
1994–2001 FF UK. Oblastí
jeho zájmu je mj. vznik
moderní vědy v 17. století,
matematizace přírody
a technika a filosofické
aspekty kvantové
mechaniky.
532
Nositel Nobelovy ceny za fyziku Werner Hei­
senberg (1901–1976) zásadním způsobem
přispěl k vytvoření kvantové teorie, která
se utvářela postupně od počátku 20. století.
Kvantová teorie pronikla hluboko do struktury atomového dění a představovala dramatický odklon od některých předpokladů
klasické fyziky, tradiční logiky nebo matematiky a rovněž proměnila náš obraz vesmíru či pojetí reality. Díky tomu nás od třicátých let 20. století na každém kroku provází
její četné aplikace a v nejextrémnější podobě je nám v patách neustálá hrozba atomové
války a likvidace veškerého života.
O technických a vědeckých aspektech nebo o historických a filosofických otázkách,
jež se týkají vzniku, vývoje a významu revoluční kvantové teorie, bylo napsáno mnoho
literatury. Navzdory některým rozdílným interpretacím nevzbuzují takové publikace nijak vzrušené emoce, jako je tomu u otázek,
jež se týkají zodpovědnosti a chování vědců při sestrojování atomové bomby v nacistickém Německu, ve Spojených státech nebo
v Sovětském svazu. Pravděpodobně nejvíce
emocí v této otázce dodnes vzbuzuje role, již
sehrál ve válečném dění Heisenberg.
V posledních letech se mezi historiky vědy o opětovné bouřlivé diskuse v kauze Hei­
senberg postaral dramatik Michael Frayn,
který se ve své oceňované divadelní hře Copenhagen (1998) soustředil na konkrétní historickou událost – na Heisenbergovu týdenní návštěvu v okupované Kodani v září roku
1941. Heisenberg měl kromě příspěvku na
astronomické konferenci také jeden zásadní a dosud nevyjasněný rozhovor se svým
o šestnáct let starším mentorem židovského
původu, nositelem Nobelovy ceny za fyziku
a nerozlučným přítelem, Nielsem Bohrem.
S určitostí víme pouze to, že se Heisenberg
sešel s Bohrem vícekrát, nicméně onen stěžejní rozhovor Bohr záhy ukončil, neboť mu
Heisenberg řekl něco, co Bohra vyděsilo nebo jím nějak hluboce otřáslo. Frayn se proto
pokusil o dramatickou rekonstrukci, na níž
se v posmrtném setkání podílí kromě Bohra
a Heisenberga i Bohrova manželka Margareta. Frayn ve hře spekuluje o tom, jaká byla Heisenbergova skutečná motivace odcestovat – jako občan nepřátelského státu – do
okupované Kodaně, a současně se snaží zjistit, co asi bylo jádrem osudného rozhovoru.
Leč výsledný ortel těchto posmrtných rozhovorů ke kodaňské události, Heisenbergo-
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
vě chování a jeho roli v nacistickém Německu nekončí pro diváka nějakým rozřešením,
nýbrž – po vzoru Heisenbergova principu
neur­čitosti – neurčitě.
Frayn však netušil, že díky jeho hře a následným emotivním diskusím budou k danému tématu předčasně zveřejněny tzv. Bohrovy dokumenty (2002), Heisenbergův dopis
manželce Elizabetě z okupované Kodaně
(2003) a posléze další archivní materiály (viz
níže), které zásadně přispějí k nabourání celkové neurčitosti, a tudíž k vyjasnění Heisenbergovy úlohy v době nacistického Německa.
Frayn byl na základě nových archivních materiálů a po kritických poznámkách ze strany historiků vědy nucen v dalších vydáních
a zpracováních hry provést některé dodatečné úpravy. Proto je i obsah příspěvku Ludvíka Basse Kodaň v Londýně: hra Michaela Frayna v divadle Duchess z roku 2000 na stránkách
Vesmíru již neaktuální. O výše zmíněných
diskusích se více dozvíme ze sborníku příspěvků s názvem Kodaň Michaela Frayna v debatě (Dörries ed., 2005).
Legenda o německých fyzicích
v čele s Heisenbergem
Atomoví vědci pracovali v tzv. Uranovém spolku (byl zřízen v roce 1939 pro sestrojení jaderWerner Heisenberg (1901–1976), klíčová postava
kvantové fyziky.
Snímek z přednášky
Wernera Heisenberga
o přírodních zákonech
a struktuře hmoty,
která se konala
3. června 1964 na
vrchu Pnyx, na místě,
kde staří Athéňané
tvořili demokracii.
ného reaktoru a atomových zbraní) v rámci
fyzikálního institutu Společnosti císaře Viléma
na podporu věd, jež byla jednou z nejdůležitějších a nejvýznamnějších vědeckých organizací ve 20. století. Tato společnost vznikla
v roce 1911 a působila v Německu až do roku
1948. Ve spolupráci s průmyslovým odvětvím a různými sponzory zastřešovala mnoho
vědních oborů, vedle fyzikálního ústavu například ústav biochemie, biologie, výzkumu
mozku, ústav pro lidskou dědičnost či eugeniku, antropologii atd.
Pokud jde o práci německých atomových
vědců v Uranovém spolku, byla jejich činnost
desítky let líčena tak, že atomovou bombu
mohli vyrobit, ale z morálních důvodů nechtěli, aby ji nemuseli poskytnout Adolfu
Hitlerovi. Proto uranový projekt záměrně
zdržovali a o této skutečnosti chtěli zpravit
v Kodani Bohra, potažmo spojenecké vědce. Tuto interpretaci začali po svém zadržení a bezprostředně po válce šířit prostřednictvím sofistikované rétoriky už samotní vědci.
Uvedenou verzi navíc v padesátých letech
posílila jejich intenzivní propagace čistě mírového využívání jaderné fyziky a boj proti
vládě, která chtěla v Německu v rámci NATO
rozmístit atomové zbraně.
Avšak stěžejním zdrojem pro rozšíření této legendy ve světě je nepochybně bestseller
žurnalisty Roberta Jungka Jasnější než tisíc
sluncí (1956) a také Heisenbergovy zajímavé,
nicméně právě v tomto ohledu mystifikující
vzpomínky Část a celek: Rozhovory o atomové
fyzice (1969). Celý tento morálně-konspirační
příběh nejnověji ještě umocnil další žurnalista Thomas Powers ve své knize Heisenbergova
válka (1993). Heisenberg je u něj dokonce vylíčen nejen jako sabotér uranového projektu,
který zamlčoval zásadní výpočty a poskyto-
val nesprávné údaje, aby nechal uranový projekt odumřít, ale byl přímo tím, kdo celý projekt „zabil“. Za zmínku ještě stojí, že Frayn
ke své hře připojil dlouhý postscript, v němž
kromě vybraných technických a historických
souvislostí týkajících se kvantové teorie poukazuje na to, že za stěžejní inspirací k sepsání hry stojí právě mimořádná Powersova
kniha.
Nejnovější dokumenty k roli německých
fyziků a Heisenberga v nacistickém Německu
Od devadesátých let 20. století máme k dispozici téměř kompletní mozaiku dokumentů
o každodenní práci fyziků v Uranovém spolku
a řadu průkazných archivních materiálů, které vedly k vyvrácení či radikální reinterpretaci uvedené legendy. Zatímco Powers neustále
hájí svoji verzi (in: Dörries ed., 2005), Jungk
ve svém životopise Navzdory – Můj život pro
budoucnost (1993) uvádí, že se cítí oklamán
tehdejším vystupováním vědců, poválečnou
situací v Německu a lituje, že se nechal propůjčit k šíření nesprávné legendy o německých vědcích.
Vybereme-li některou zásadní ­
literaturu
a dokumenty k našemu tématu, můžeme
uvést například publikaci Jeremy Bernsteina
Hitlerův Uranový klub: Tajné nahrávky z Farm
Hall (2001), která uvádí oficiálně zveřejněné
(1993) a komentované tajné nahrávky rozhovorů deseti zadržených německých fyziků
včetně Heisenberga v anglickém sídle Farm
Hall v roce 1945. Dále se koncem devadesátých let v Německu společenská atmosféra
ve vztahu k nacistické minulosti proměnila natolik že kromě jiných organizací, bank
či institucí (Allianz, Volkswagen atd.) konečně i Společnost Maxe Plancka umožnila
v roce 1997 badatelům ničím nerušený a nahttp://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
533
V roce 1962 se v CERN
na konferenci o fyzice
vysokých energií sešlo
osm nositelů Nobelovy
ceny. Zleva doprava
to jsou: Cecil F. Powell,
Isidor I. Rabi, Werner
Heisenberg, Edwin
M. McMillan, Emilio
Segré, Tsung Dao
Lee, Chen Ning Yang
a Robert Hofstadter.
Snímek © CERN
Photo, Geneva
534
dále už necenzurovaný přístup k veškerým
archivním dokumentům, a tudíž zahájení
komplexního výzkumu vědeckých aktivit napříč vědními obory v její předchůdkyni, ve
Společnosti císaře Viléma. Jedním z důvodů,
proč k úplnému otevření archivů došlo až po
více než padesáti letech, je to, že postupně
zemřela řada vážených vědců, učenců nebo
manažerů podniků, kteří sice po druhé světové válce prošli denacifikačním procesem,
nicméně během války pracovali v různých
vědeckých ústavech nebo v průmyslových
a bankovních společnostech, jež se přímo či
nepřímo podílely na nacistickém řádění. Pro
dokreslení můžeme uvést, že Heisenberg byl
jedním z těch, kdo působil v denacifikačním
procesu a poskytoval dobrozdání i nacistickým vědcům.
Nejnovější publikací k uvedenému tématu je rozsáhlá a fundovaná kniha šestnácti
historiků vědy s názvem Společnost císaře Viléma za národního socialismu (2009). Pokud
bychom vyzdvihli alespoň jednu skutečnost,
ukazuje se, že obludnosti, které byli vědci napříč obory schopni dělat (i za první světové
války), nebyly způsobovány, jak by se mohlo zdát, jen strachem a tlakem ze strany nacistického vedení, které vědeckým otázkám
nerozumělo, nýbrž vlastní aktivitou a vynalézavostí. Často tedy nacističtí a nenacističtí vědci dokázali být nacističtější než nacističtí pohlaváři třetí říše. Mark Walker, jeden
z autorů publikace, uvádí, že se v roce 2004
podařilo získat z ruských archivů a vrátit do
Společnosti Maxe Plancka kopie dokumentů,
které mají překvapivě zásadní význam pro
objasnění komplexní činnosti německých
fyziků. Dokumenty byly zabaveny na konci
války sovětskou armádou či NKVD v německých ústavech a celá desetiletí o nich nevěděli ani spojenci. Tyto archivní materiály mimo
jiné potvrzují, že jaderní vědci v čele s Heisenbergem nijak nesabotovali nebo nebrzdili
pokrok při sestrojování jaderného reaktoru
a produkci nukleárních zbraní (především
skrze plutoniovou alternativu), naopak na
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
uranovém výzkumu až do svého zadržení na
konci války úporně pracovali.
Nejnovější výzkumy tedy dosvědčují, že
fyzici s nacisty, kteří považovali kvantovou teorii za židovskou, nepraktickou a příliš formální disciplínu, aktivně kolaborovali.
Heisenberg sice nebyl členem NSDAP a s nacisty nesympatizoval, nicméně to byl především on, komu se podařilo u nacistů probudit
zájem o tuto neárijskou teorii a hlavně je přesvědčit, že ji lze prakticky využít pro sestrojení jaderného reaktoru a atomových zbraní.
Do celkové mozaiky o činnosti německých
fyziků nám však podle Walkera zbývá doplnit ještě jeden důležitý a stále chybějící dokument, který se týká propočtu kritického
množství štěpného materiálu potřebného
k sestrojení uranové a plutoniové bomby.
Co se týče nejnovější literatury k Heisenbergově vědeckému životu a angažmá v době nacistického Německa, mohu doporučit
detailní a interpretačně vyvážené práce dvou
historiků vědy. Tou první je publikace Davida Cassidyho, který na podkladě nových archivních materiálů svoji starší práci z roku
1991 (Neurčitost – Život a věda Wernera Heisenberga) přepracoval a v roce 2009 ji vydal pod
názvem Za neurčitostí – Heisenberg, kvantová
fyzika a bomba. Kniha je zaměřena především
na Heisenbergův život a vědeckou činnost
do konce druhé světové války. Publikace historičky vědy Cathryn Carsonové Heisenberg
v atomovém věku – Věda a veřejná sféra (2010)
se soustřeďuje zejména na Heisenbergův život, jeho veřejné působení, vědu a filosofii
v poválečných letech až do jeho smrti. Ö
K dalšímu čtení
Bernstein J., Hitler’s Uranium Club: The Secret Recordings at Farm Hall. New York, Springer-Verlag 2001.
Bass L., Kodaň v Londýně: hra Michaela Frayna v divadle Duchess, in: Vesmír 79, 587, 2000/10.
Bohrovy dokumenty in: Dörries (ed.) nebo http://
www.nba.nbi.dk/release.html (vyhledáno 20. 5.
2012).
Cassidy D. C., Beyond Uncertainty – Heisenberg, Quantum Physics, and the Bomb. New York, Bellevue Literary Press 2009 a Uncertainty: The Life and Science
of Werner Heisenberg. New York, W. H. Freeman &
Co 1991.
Carson C., Heisenberg in the Atomic Age. Science and the
Public Sphere. Cambridge – New York, Cambridge
University Press 2010.
Dörries M. (ed.): Michael Frayn’s Copenhagen in Debate
– Historical Essays and Documents on the 1941 Meeting
Between Niels Bohr and Werner Heisenberg. Berkeley,
Office for History of Science and Technology University of California 2005.
Frayn M., Copenhagen. London, Methuen Drama 1998
(další vyd. 2000, 2002, 2003).
Heim S. – Sachse, C. – Walker, M. (eds.), The Kaiser
Wilhelm Society under National Socialism. Cambridge
– New York, Cambridge University Press 2009.
Heisenberg W., Část a celek – Rozhovory o atomové fyzice,
Votobia, Olomouc 1996.
Heisenbergův dopis viz: http://werner-heisenberg.
unh.edu/ (vyhledáno 20. 5. 2012).
Jungk R., Jasnější než tisíc sluncí: Osudy atomových vědců. Praha, MF 1965.
Powers T., Heisenberg’s War: The Secret History Of The
German Bomb. Cambridge – New York, Da Capo
Press 1993.
60 let
nad knihou
Matfyzu
Jiří Langer
Orbis pictus
Klíčové obrazy v dějinách vědy
John Barrow je uznávaný a neobyčejně plodný vědec, pracující především v kosmologii
– počet jeho původních časopiseckých publikací jde do stovek. Je také velmi úspěšným autorem asi dvaceti populárních knih,
z nichž hezká řádka byla přeložena do češtiny a překlady (i originály) budou jistě přibývat. Jejich názvy (Původ vesmíru, Kniha o nekonečnu, Konstanty přírody, Teorie všeho, Teorie
ničeho…) budí dojem, že Barrowovo populární dílo pokrývá značně širokou a různorodou problematiku. Dojem je správný. Když
ale knihy jen zběžně prolistujeme, můžeme mít pocit, že autor tak trochu šidí, že se
opakuje: o rozpínání vesmíru, o Einsteinově obecné teorii relativity, o teoriích velkého
sjednocení, o antropickém principu, o úloze
konstant a dalších tématech se dočteme hned
v několika jeho knihách.
To je ale v pořádku. Různé oblasti fyziky a kosmologie jsou navzájem tak propojené, že prostě není možné nezmínit se o historii vesmíru, když se mluví o teoriích velkého
sjednocení, opomenout fyziku částic, mluvíli se o temné hmotě, přeskočit obecnou teorii relativity při popisu vesmíru ve velkých
měřítkách. Například k velkému sjednocení základních sil má docházet při vysokých
energiích, které existovaly v raném vesmíru.
Na každé konferenci o fyzice elementárních
částic je dnes značná část příspěvků věnována kosmologii, raný vesmír je jediná laboratoř, jež dovoluje testovat teorie částic při extrémně vysokých energiích. Jen sama otázka,
zda kosmologie je součástí fyziky, nebo fyzika podoblastí kosmologie, představuje látku
na delší esej.*
Učitelům na všech úrovních působí tato
provázanost komplikace, když se pokoušejí
výklad o kosmologii uspořádat. Na vědecké
úrovni se předpokládá, že než se začne student věnovat kosmologickým otázkám, projde rozsáhlým kurzem fyziky a kvantové teorie. To ale není přijatelné pro popularizátora.
Barrow to řeší tím, že jeho knihy nás vedou
po naučných stezkách, jež mají určitý leitmotiv. Stezky se kříží, proplétají a na ty nejvýznačnější přírodní památky narazíme hned
na několika z nich. Jenže k nim přicházíme
z různých stran, takže jde vždy o nový zážitek, jinou perspektivu.
Barrow jako zkušený průvodce výklad
také citlivě koření legendami spojenými
s tématem a uvádí řadu literárních citátů
a historek o vědcích. Vypráví-li je aktivní ba-
datel, který se s mnohými protagonisty příhod osobně zná, je to nejen oživení, ale i pohled do zákulisí, jak se věda dělá.
Napsal jsem, že čtenář vidí problém z různých perspektiv. Spíše se však setkává s obrazy, které autor vytvořil pomocí příkladů
a analogií. Popularizátor, který se snaží přiblížit fyzikální teorii, je v nezáviděníhodné
situaci kunsthistorika, který provádí po galerii nevidomého, nebo hudebního vědce, který seznámuje s krásami Beethovenovy tvorby
neslyšícího. Je mu totiž odepřeno používat
při výkladu výrazového prostředku, pomocí
kterého jsou díla vytvořena, v případě fyziky
tedy matematiky. Užívá proto obrazů, ty ale
nejsou nikdy zcela věrné.
Grafy a vyobrazení k výrazovým prostředkům vědy patří a pro laického čtenáře jsou
přece jen přístupnější než matematické vzorce. Grafy jsou důležitým prostředkem k přehlednému zachycení výsledků měření. A některé obrázky a diagramy vědou doslova
pohnuly. O tom nás přesvědčí další do češtiny přeložená Barrowova naučná stezka nazvaná Vesmírná galerie.
Nese podtitul Klíčové obrazy v dějinách vědy, a to – řečeno autorovými slovy – obrazy,
z nichž každý vypráví příběh. Spolu s výstižným úvodem je na stezce celkem 90 zastavení čtyř tematických okruhů, zastavit se tedy
můžeme jen u některých.
Úvodní tematický okruh s poetickým názvem Hvězdy v tvých očích pojednává o obrazech souvisejících s hvězdami a vesmírem.
Hned na prvním zastavení se dozvíme o původu souhvězdí a jejich názvů. Čtenáři asi
tuší, že většina jmen je z řecké mytologie
a jakou roli hrají v astrologii. Ne všichni
ale vědí o dnešní diskrepanci mezi skutečnou polohou Slunce a astrologickým zvěrokruhem, kterou způsobila precese zemské osy, a možná plně nedoceňují význam,
který měla hvězdná obloha pro orientaci
mořeplavců. Řada nádherných uměleckých
zpracování noční oblohy v autorově výběru
dokumentuje, jak v průběhu věků hvězdné
nebe lidi fascinovalo.
*) V jednom smyslu je kosmologie podoblastí fyziky, protože se jí věnuje jen
malá část fyziků. V obecném smyslu je vše kolem nás součástí vesmíru, takže
do kosmologie patří i hudební vědy a politologie – ovšem chceme-li věc nahlížet spíše žertovně. Ale pokládáme-li za cíl kosmologie odpověď na otázku, jak
vznikl vesmír a proč se vyvinul do podoby, kterou má, jmenovitě proč dovoluje existenci inteligentního života, je fyzika jen jednou z pomocných věd spolu
­s astro­nomií, chemií, biologií i filozofií.
John D.
Barrow:
Vesmírná galerie
(Klíčové obrazy
v dějinách vědy)
Argo/Dokořán,
Praha 2011, 544 stran,
přeložil Jan Novotný,
Doc. RNDr. Jiří
Langer, CSc.,
(*1939) vystudoval
Matematicko-fyzikální
fakultu UK. Na
katedře matematické
fyziky se zabývá
teorií relativity,
historií fyziky
a filozofií přírodních
věd. Přeložil řadu
hezkých knih o fyzice
a kosmologii, kromě
jiných John Barrow:
Konstanty přírody,
Michio Kaku, Jennifer
Thompsonová: Dále
než Einstein, Lee
Smolin: Fyzika
v potížích (spolu
s J. Podolským),
Lawrence M. Krauss:
Skryté za zrcadlem.
V současné době
překláda publikaci
Johna Barrrowa: Kniha
o vesmírech.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
535
Ale rychle dále, v této části je toho k vidění
ještě mnoho. Pomiňme krásné fotografie mlhovin a galaxií, význam Hubbleova diagramu pro důkaz expanze vesmíru, spektrum
mikrovlnného záření a další témata a zastavme se u toho, jak vhodný diagram skutečně
pohnul vědou. Necelé tři roky poté, co Einstein předložil svou speciální teorii relativity, přišel Hermann Minkowski s představou
čtyřrozměrného prostoročasu. Fyzikálně nedodávalo toto pojetí k Einsteinově teorii nic
nového, ale umožnilo mnohem elegantnější
matematický zápis. A hlavně vedlo k znázornění pomocí „prostoročasových diagramů“,
jež dovolovaly snadno interpretovat takové
důsledky teorie relativity, jako je prohození časového sledu událostí v různých systémech či kontrakce délek. Jasně demonstrují
i to, proč relativita času nevede ke kauzálním
paradoxům, je-li rychlost světla tou nejvyšší
rychlostí, kterou se mohou šířit informace.
A byla-li představa prostoročasu pro speciální
teorii relativity užitečná, pak pro největší Einsteinovo dílo, obecnou teorii relativity, popisující gravitaci jako zakřivení prostoročasu,
je prostoročasový popis naprosto nezbytný.
Představit si zakřivení prostoročasu ovšem
není snadné, a to ani pro matematicky zběhlé
vědce. I zde vtipné dia­gramy sehrály význačnou roli v rozvoji teorie.
Richard Feynman líčí, jak se chtěl za studií
seznámit s anatomií kočky a šokoval knihovnici, když ji požádal o „mapu kočky“. S takto volněji pojatým slovem „mapa“ můžeme
říci, že druhý tematický okruh se věnuje mapám. Opravdu tam nalezneme hodně o zobrazování zemského povrchu, o geologických
a meteorologických mapách, ale také o sním-
1. Různé pohledy
na Mandelbrotovu
množinu.
536
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
cích Země z družic, o kanálech na Marsu,
obrázcích zatmění Slunce, poselství mimozemšťanům v sondách Pioneer i o Vesaliově
anatomické „mapě“ lidského těla. K tomuto
oddílu se však zachovám macešsky a přejdu
k třetímu okruhu, který se týká především
„čisté“ matematiky.
Obrázky mají v matematice zvláštní postavení. Na jedné straně je obrázek v matematické argumentaci většinou nepřípustný důkazní prostředek; student, který by
při zkoušce z matematické analýzy prohlásil, že platnost nějaké věty je patrná z obrázku, by neuspěl. Věta musí být dokázána
přesnou logickou argumentací jako důsledek určitých předpokladů – právě v tom je
pro zasvěcence jedno z kouzel matematiky.
Na druhé straně si ovšem i nejabstraktnější
matematik obrázkem zpravidla zviditelňuje
obsah nějakého tvrzení na typickém příkladu. A jsou oblasti matematiky, jež se zabývají právě teorií zobrazování, a v některých
matematických disciplínách hrají obrázky
zásadní význam. V tomto oddíle nás autor
seznámí s platonskými tělesy, s Erathostenovým sítem na hledání prvočísel (viz Vesmír
72, 605, 1993/11), s Möbiovou páskou, jež
má jen jednu stranu, se zobrazováním vyšších dimenzí či s poměrně moderní disciplínou, jakou je teorie fraktálů. Určitý útvar
má fraktálovou strukturu, je-li „samopodobný“, určitý motiv se opakuje, pozorujeme-li
objekt v jakémkoli měřítku. Co se tím míní,
vidíme například na takzvané Mandelbrotově množině (obr. 1). Fraktály jsou vděčné
v tom, že umožňují počítačově vytvářet artefakty s podivuhodným estetickým kouzlem. Takové struktury ovšem nacházíme
i v přírodě nebo třeba na obrazech Jacksona
Pollocka malovaných „rukou“. Abstraktní
matematika má řadu aplikací a souvisí s nejrůznějšími oblastmi lidské činnosti. Jedeme-li metrem, moc nás nezajímá, pod čím právě
projíždíme, a tedy ani přesné zakreslení trati
do plánu města. Potřebujeme ale vědět, jak
stanice následují za sebou a kde se linky kříží. Z toho vycházel Harry Beck, když v roce
1931 nakreslil schéma londýnské podzemní
dráhy, jež se pro svou přehlednost stalo vzorem pozdějších podobných schémat. Tímto
příkladem nás Barrow nechává nahlédnout
do velmi abstraktní matematické disciplíny zvané topologie (oboru, ke kterému významně přispěli čeští matematici).
Poslední oddíl Duch nad hmotou se týká především moderní chemie a kvantové teorie.
Dočteme se o benzenovém jádře, struktuře
DNA, atomovém hřibu, Schrödingerově kočce a dalších tématech. Kekulého šestiúhelníky
a dvojitá spirála jsou určitě příklady schémat,
která výrazně posunula organickou chemii či
molekulární biologii. To však je mému zaměření dosti vzdálené, a tak mé poslední zastavení bude u takzvaných Feynmanových diagramů, které jsou skvělým příkladem toho, jak
obrázky způsobily průlom ve vědě.
Kvantovou elektrodynamikou se rozumí
kvantová teorie vzájemného působení nabitých částic. Za své práce na toto téma z kon-
ce čtyřicátých a počátku padesátých let dostali
v roce 1965 Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger a Richard Feynman Nobelovu cenu. Všem
třem se podařilo matematicky krásně popsat
interakci elektricky nabitých částic a jejich teorie – v podstatě ekvivalentní, jak se později ukázalo – vedly k výsledkům, jež spolehlivě potvrdil experiment. Pracovním nástrojem
teoretiků i experimentátorů v částicové fyzice
se však stala především metoda navržená
Richardem Feynmanem. Ten totiž uspořádal
výpočty pomocí série obrázků, které popisují
výměnu virtuálních částic. Každý takový graf
představuje elementární proces, jenž přispívá
k výsledné hodnotě měřitelné veličiny. Grafy
mohou být podstatně složitější než ten vyobrazený a je jich nekonečně mnoho (obr. 2). Naštěstí čím složitější diagram, tím menší je jeho
vklad do výsledku, proto většinou stačí omezit
se na grafy nižšího řádu.
Nějaký Feynmanův diagram viděl snad
každý čtenář, který se zajímá o fyziku. Nedejme se však mýlit. Chceme-li z těchto obrázků získat skutečnou experimentálně ověřitelnou informaci, zdlouhavým výpočtům
se nevyhneme. Obrázky jsou ale spolehlivým algoritmem, podle kterého můžeme
postupovat a jenž nám dává jistotu, že jsme
ve výpočtu nic důležitého nevynechali. Bez
Feynmanových diagramů si dnes žádný fyzik
nedovede kvantovou teorii představit a jejich
užitečnost přesahuje kvantovou elektrodynamiku, pro jejíž potřeby vznikly. A pro popularizátory jsou Feynmanovy grafy pravým
požehnáním. Představa silového působení prostřednictvím výměny částic je natolik
poutavá a Feynmanovy obrázky ji tak pěkně
zachycují, že si čtenář ani neuvědomí, kolik
e–
γ
e–
Academia, Praha
2012, 296 stran,
doporučená cena
465 Kč, ISBN 978-80-200-2061-1
e–
toho ještě zbývá ke skutečnému pochopení.
Feynmanovo obrázkové písmo lze pokládat
za ikonu kvantového popisu interakcí.
Společným rysem velkých obrazových galerií je jejich únavnost. Louvre, El Prado nebo
galerii Uffizi neopustí milovník umění proto,
že by se nabažil jejich pokladů, nýbrž proto,
že protestují nohy a páteř. Má-li však příležitost, přijde znovu. Vesmírná galerie se také těžko prohlédne souvisle, těch příběhů je příliš
mnoho. Jsou ale natolik samostatné, že se čtenář může snadno vracet a žádná z návštěv nebude zklamáním – vesmír je plný umění.
Zbývá ohodnotit grafickou výpravnost
a překlad Jana Novotného, stylisticky velmi
zdatného relativistického fyzika se zájmem
o historii a filozofii vědy. Obojímu náleží jednička s velikou hvězdičkou.
Ö
Letošní slavné dny
českých matematiků,
fyziků a astronomů
Eugen
Strouhal:
Profesor Čeněk
Strouhal –
Zakladatel české
experimentální
fyziky
e–
2. Jeden ze
„stromových“
Feynmanových
diagramů popisujících
rozptyl elektronu
elektronem. Odpudivá
elektrostatická síla je
na kvantové úrovni
popsána v 1. řádu
výměnou virtuálního
fotonu.
V roce 2012 připadlo na 28. březen 150. výročí založení česko-německého Spolku pro volné přednášky z matematiky a fyziky, který se r. 1869 transformoval na Jednotu českých matematiků a fyziků. Na
oslavách v Karolinu v den založení bylo mimo řadu
jiných osobností vzpomenuto i na profesora Čeňka
Strouhala, od jehož úmrtí 23. ledna 1922 uplynulo
90 let. Do Jednoty vstoupil hned na počátku svých
univerzitních studií 13. října 1869. Působil v ní aktivně především přednáškami a 5. prosince 1900 se
stal na 22 let jejím předsedou. Významné 130. výročí založení české univerzity v roce 1882 se týká celé
Univerzity Karlovy a 60. výročí její Matematicko-fyzikální fakulty, založené r. 1952, což bylo rovněž
slavnostně připomenuto.
Profesorem se Čeněk Strouhal, (*10. 4. 1850) rodák ze Seče v Železných horách, stal již ve svých 32
letech, aby na nové české univerzitě vybudoval ústav
experimentální fyziky. To již měl za sebou úspěšné
působení v pražské hvězdárně v Klementinu a ve Fyzikálním ústavu Univerzity ve Würzburgu. Tam spolupracoval s mladým americkým badatelem Charlesem Barusem na studiu elektrických, termoelektric-
kých a magnetických vlastností oceli, zaměřeném
na změny struktury pod tepelnými vlivy. Tyto práce ovlivnily klasifikaci oceli, technologii její výroby, její využití v elektrotechnice, výrobu magnetů a používání oceli v citlivých vědeckých měřicích
přístrojích. Strouhalova dizertační práce o třecích
tónech vznikajících pohybem vzduchu na napjatých drátech obsáhla i jeho objev konstanty, dnes
nazývané Strouhalovým číslem. Během doby se
ukázala být významnou v teorii i praxi např. při
zakládání staveb, proudění a mechanice kapalin a akustice, takže je podnes opakovaně citována ve světové literatuře. Strouhal se současně stal
zakladatelem nové budovy Fyzikálního ústavu na
Karlově, o kterou zápasil s vídeňskými úřady čtvrt
století. Svými přednáškami s efektními demonstrativními pokusy vychoval nejen celé generace
odborných fyziků, ale zároveň přispěl fyzikálním
základem k vzdělání mediků a posluchačů farmacie.
Strouhalův život a záslužné dílo není u nás běžně známé, takže je třeba uvítat, že v nakladatelství Academia vyšla v edici Paměti jeho životopisná
knížka. Autorem publikace Profesor Čeněk Strouhal, zakladatel české experimentální fyziky je Strouhalův vnuk, archeo­log, antropolog, paleopatolog
a historik lékařství Evžen Strouhal. Kniha je doplněna obsáhlou kapitolou historičky fyziky Emilie
Těšínské a fyzika Jana Valenty, důkladně hodnotící vědecké, pedagogické a organizační dílo této významné osobnosti naší vědy.
redakce
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
537
astrofyzika
60 let
Matfyzu
Co mne přivedlo
k vědě
John
Bahcall
Moje cesta k vědě nebyla konvenční. Nezajímala mne ani matematika, ani věda. A taky
jsem nebyl dobrý student. Má rodina ani naši
přátelé nebyli intelektuálové. Soustřeďovali se
hlavně na obživu. Na střední škole se velice cenil sport, a tak jsem každý den končil již v poledne místo ve tři, abych mohl trénovat tenis.
Na střední škole jsem si nezvolil žádný přírodovědný předmět. Jedinou odbornou průpravou byla v prvním ročníku algebra. A to
nebyl, alespoň pro mne, žádný zvláštní studijní popud. Až v posledním ročníku jsem
u sebe přece jen objevil jednu studijní vlohu,
když jsem se zapojil do školního diskusního
týmu. Brzy jsem v tom vynikal a se spolužákem Maxem Nathanem jsme vyhráli státní
středoškolskou soutěž (v létě 1952 v Bostonu). Ve finále jsme porazili dvojici studentů
z nějaké prestižní soukromé školy z New Yorku. Pokud vím, bylo to poprvé a naposled,
co se reprezentant Louisiany dostal do státní
soutěže v diskusi.
Šel jsem na Louisianskou státní univerzitu a začal studovat filozofii. Původně jsem
chtěl být reformním rabínem, ale brzy jsem
přišel na to, že mě zajímá spíše kariéra aka-
István Hargittai, Magdolna Hargittai:
Candid science 1–6, Imperial College Press
Dva fyzikální chemikové, István Hargittai a Magdolna Hargittai, připravili úctyhodný soubor pečlivě vedených rozhovorů s významnými vědci naší
epochy – každý svazek je věnován 36 vědcům, všech šest svazků dohromady má 4000 stránek. První svazek vyšel v roce 2000, poslední svazek v roce
2006. Kdybych měl soubor charakterizovat jednou větou – musel bych asi
říci, že to jsou rozhovory s lidmi, kteří jsou vášnivě zaujati vědou a poznáním.
Z rozhovoru, který vedla prof. Magdolna Hargittai s Johnem Bahcallem,
jsem k překladu vybral část, v níž John Bahcall popisuje, jak se stalo, že si vybral z mnoha možností právě astrofyziku. Širší vědecké obci je znám především v souvislosti s experimentem Raye Davise v hlubinách dolu Homestake.
Experiment měl potvrdit naše teoretické představy o Slunci – jaké jaderné reakce mu dodávají energii, jak je staré a jaká je teplota v jeho nitru. „Záhada
slunečních neutrin“ přetrvávala po tři desítky let, mohl být špatně Bahcallův
výpočet, mohl být špatně Davisův experiment a mohly být špatně jak výpočet,
tak experiment. Po těch třech desítkách let se ukázalo, že pravdu měl teoretik
i experimentátor. Noviny New York Times citovaly Bahcallovy pocity:
„Cítil jsem se tak, jak si představuji, že se cítí vězni
odsouzení k trestu smrti, když test DNA prokáže, že
jsou nevinní. […] protože 33 let lidé zpochybňovali
mé výpočty Slunce.“ Nová zjištění „ukázala, že byly správné“ dodal. (New York Times, June 19, 2001)
Přeložená část rozhovoru s Johnem Bahcallem je
ze čtvrtého svazku věnovaného významným fyzikům, rozhovor vedla prof. Magdolna Hargittai.
Ivan Boháček
John Norris Bahcall (1934–2005) v roce 2002,
­snímek © Magdolna Hargittai.
538
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
demická než kariéra rabína. Vyrůstal jsem
v Shreveportu v Louisianě a náš reformní rabín David Lefkowitz a jeho žena Leona mne
povzbuzovali a podporovali. Když se ohlédnu zpět, zřejmě jsem se domníval, že intelektuálními aktivitami se zabývají hlavně rabíni
a jejich rodiny. Dostal jsem radu, že nejlepší
přípravou na kariéru rabína je filozofie, a tak
jsem ji studoval. V prvním ročníku jsem byl
výborný student, (přírodo)vědě nebo matematice jsem se vůbec nevěnoval.
Po prvním ročníku v Louisianě jsem se
zúčastnil letních kurzů na Kalifornské univerzitě v Berkeley a byl jsem uchvácen. Moje matka dojednala s bratrancem Cliffordem
Straussem, že zaplatí mé školné. Díky němu
jsem mohl v Berkeley zůstat a dostudovat. Ve
filozofii jsem rychle postupoval, začínal jsem
si myslet, že bych se v budoucnu mohl stát
profesorem filozofie, ale objevil se vážný problém. Na Kalifornské univerzitě v Berkeley
jste museli absolvovat nějaké přírodovědecké přednášky. K tomu jsem však neměl sebemenší základy, protože jsem žádný takový
předmět na střední škole neabsolvoval. A tak
mi můj konzultant poradil, abych se na tyto
předměty zapsal na večerní střední školu.
Četl jsem Bertranda Russela a Wittgensteina, kteří oba obdivovali úspěchy fyziků
a věřili v budoucnost fyziky. Dokonce se mi
zdálo, jako by pociťovali jistou lítost, že se
nevěnovali vědě. Vzpomínám si na jejich výroky na téma, že současná fyzika dává jednotlivci velkou příležitost k mimořádnému
intelektuálnímu rozvoji.
Chtěl jsem opravdu studovat fyziku, ale nechtěl jsem se vracet na střední školu. V Berkeley byly tehdy tři nebo čtyři různé kurzy
fyziky: jeden pro ty, kteří se vědou zabývat
nebudou, jeden pro inženýry a mediky, jiný
pro ty zájemce, kteří se chtěli vědě věnovat
profesionálně.
Fyziku pro fyziky přednášel Burtony Moyer
(alespoň myslím). Šel jsem za ním s tím, že
bych si rád zapsal jeho přednášky, ale že jsem
neabsolvoval žádné předepsané předměty.
Řekl jsem mu, že mne fascinovalo, jak fyzika
ovlivnila filozofii. Odpověděl, že jsem blázen,
když chci chodit na jeho kurz, protože ten je
pro zájemce o skutečnou vědu. Také mi ale řekl, že se mohu zapsat pod podmínkou, že toho nechám, jakmile zjistím, že je to pro mne
příliš obtížné. Ten první kurz fyziky byl nesmírně těžký; byl nejtěžší věcí, do které jsem
se kdy pustil. Dostal jsem „céčko“, ale před-
mět jsem si zamiloval. Nadchlo mne, že vás fyzika dovede k pochopení takových pozorovaných jevů, jako je modrá obloha. Líbilo se mi
i to, že ve fyzice se po jisté chvíli všichni dokáží shodnout na tom, jaká odpověď je na danou
otázku správná. A byl jsem o to nadšenější, že
byl kurz pro mne tak těžký.
Nepamatuji si, zda jsem přemýšlel, najdu-li jako fyzik nějaké zaměstnání. Když jsem
se rozhodl jít na univerzitu, akademická místa v oboru neexistovala. To byly doby před
Sputnikem. Chtěl jsem se jen těšit studiem
fyziky. Každopádně má dráha k vědě nebyla ani přímá, ani konvenční. Nebyla ani promyšlená. A určitě bych ji nikomu nedoporučoval k následování.
Co vás tedy nasměrovalo k astronomii?
Myslím, že to byla opět kombinace vlivu
Bertranda Russella a náhody. Vzpomínám
na jeden esej z jeho knih, v němž píše o dvou
věcech, které považuje ve výchově lidských
bytostí za nejdůležitější. Jednou oblastí bylo poznání úchvatných schopností lidského
ducha. Příkladem jsou poznatky atomové
a subatomové fyziky. Druhou bylo pochopení nicotnosti lidských bytostí v porovnání s obřím rozměrem vesmíru, který odhalila astronomie. To mne uchvátilo. Chtěl jsem
být s některým z těchto dvou ohromujících
počinů nějak spojen.
Absolvoval jsem Kalifornskou univerzitu
v Berkley, doktorát jsem získal na Harvardu.
Finančně jsem byl plně zabezpečen granty,
jinak bych si nemohl dovolit ani absolvovat
univerzitu. Téma mé diplomové práce z atomové fyziky bylo výsledkem shody okolností.
David Layzer mi jako letní práci zadal, abych
našel způsob, jak vypočítat energetické hladiny vysoce ionizovaných atomů, které právě změřil Edlen. Pak David odjel do Anglie,
kde se s Bondim zabývali kosmologií. Přes
léto jsem ten problém z oblasti jaderné fyziky
vyřešil, a když se David z Anglie vrátil, ukázal jsem, že mé řešení souhlasí se spoustou
spektroskopických dat. Souhlasil a navrhl,
abych to sepsal jako diplomovou práci.
Na podzim 1960 jsem nastoupil na Indianskou univerzitu, kde jsem se chtěl zabývat teo­
rií slabých interakcí. Docházel jsem na kurz
o slabých interakcích Emila Konopinskiho,
velkého fyzika a velkého experta na rozpad
beta. Abych se naučil teorii, zadal jsem si sám
problém, který jsem vyřešil. Má první publikovaná práce (v roce 1960 nebo 1961) byla
o různých způsobech, jak určit hmotnost neutrina mí. Pak jsem spočítal pravděpodobnost
zachycení volného elektronu, která se liší od
běžného zachycení elektronu z vázaného atomového stavu. Konopinski se ve svém kurzu
zabýval zachycením vázaného elektronu. Taky jsem spočítal vliv Pauliho vylučovacího
principu na pravděpodobnost rozpadu beta
a pravděpodobnost rozpadu beta do vázaného stavu. To všechno byly variace na běžná témata, o kterých fyzikové uvažovali, a byla to
užitečná cvičení testující, zda rozumím teorii
slabých interakcí. Jednou jsem obědval s mým
přítelem, astronomem Marshallem Wrubelem
a vyprávěl mu, jak mne zklamalo, když jsem
dosazením do rovnic, které jsem odvodil, zjistil, že těžko bude některý z procesů, které
jsem spočítal, kdy změřen. Marshall mi doporučil, abych se podíval do slavné práce Burbidge, Burbidge, Fowlera a Hoyla, všeobecně
známé jako B2FH, o vzniku prvků jadernými
procesy ve hvězdách. B2FH byla pro jaderné
fyziky a astrofyziky biblí. Řekl, že bych tam
mohl nalézt uplatnění mých výpočtů na to, co
se děje ve hvězdách.
Ten oběd byl rozhodujícím okamžikem mé
kariéry. Na konci B2FH byla tabulka charakteristických vlastností jader hrajících roli při
tvorbě těžkých prvků. Rychlosti beta-rozpadů
byly obzvláště důležité, protože to jsou nejpomalejší procesy při vzniku těžkých prvků,
a určují tedy časovou škálu pro pomalou přeměnu lehkých prvků na těžké. Willy předpokládal, že rychlosti beta-rozpadů ve hvězdách
jsou stejné jako v laboratoři. Bylo mi jasné, že
to tak není. Uvědomil jsem si, že při vysokých
teplotách v nitru hvězd nebudou mít ionty
žádné elektrony, takže nemohou zachycovat
elektron z vázaného stavu, jak je tomu na Zemi. Budou zachycovat volné elektrony. A k tomu ještě nějaké další rozdíly, jako je vliv Pauliho principu. V krátkém článku zaslaném do
Physical Review jsem zdůraznil, že na základě mých výpočtů jsou rychlosti procesů beta ve hvězdách jiné než ty, které běžně užívají astrofyzici a fyzici. Svůj článek jsem zřejmě
nenapsal příliš taktně – alespoň mi to naznačil Konopinski. V každém případě jsem nikdy
nedostal recenzní posudek článku, pouze formální sdělení, že byl přijat k tisku.
Od Willyho Fowlera jsem dostal rukou psaný dopis, jak u něho bylo obvyklé. Psal, že viděl moji práci (což znamenalo, že byl recenzentem mého článku, v té době neexistovaly
žádné preprinty) a že by mne rád pozval na
Caltech, abych pracoval s ním, Fredem Hoylem, Dickem Feynmanem a Murrayem Gell-Mannem na fyzikálních a astrofyzikálních
problémech. Když jsem se poprvé ukázal ve
Feynmanově pracovně na Caltechu, vyhodil mne s tím, že o mně nikdy neslyšel. Willy se nenamáhal Feynmanovi nebo Gell-Mannovi říci, že mne pozval také jejich jménem.
Ve stejné době, kdy oslovil mne, psal také do
Brookhavenu Rayovi Davisovi, který se zabýval problémem, zda by sluneční neutrina bylo
možné detekovat. Psal mu, že existuje nějaký
John Bahcall z Indianské univerzity, který něco ví o slabých interakcích ve hvězdách, a navrhl mu, aby se se mnou spojil.
Ray mi napsal a požádal mne, zda bych
mohl spočítat účinný průřez záchytu elektronu jádrem 7Be v nitru Slunce, a tím i tok
­neutrin z nitra Slunce. Lámal si hlavu, zda by
ta neutrina mohla být detekovatelná. Vzpomínám si, že jsem se dost rozmýšlel, protože k tomu, abych to mohl spočítat, jsem musel zvládnout hodně jaderné fyziky. Nakonec
jsem si uvědomil, že to je jedinečná příležitost
jak studovat nitro hvězd pomocí neutrin, a tak
jsem se rozhodl, že tomu problému věnuji několik měsíců. Když jsem to spočítal […], pochopil jsem, že to je teprve začátek.[…] Ö
© István Hargittai & Magdolna
Hargittai, přeložil Ivan Boháček.
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
539
optika
60 let
Matfyzu
Fotovoltaické
vidění
Jan Valenta
Doc. RNDr. Jan Valenta,
PhD., (*1965) vystudoval
Matematicko-fyzikálni
fakultu UK v Praze, kde
se nyní zabývá optickými
vlastnostmi nanostruktur,
spektroskopií jednotlivých
molekul a polovodičových
nanokrystalů a mj. také
vývojem tandemových
solárních článků. Je
spoluautorem (s prof.
Ivanem Pelantem)
monografie Luminiscenční
spektroskopie.
1. A. Oční implantát
popsaný Zrennerem
a kol. (viz text), kde od
čipu v oku je vyveden
kabel pro napájení
a posílání či kontrolu
signálů.
B. Nové řešení
publikované
Mathiesonem a kol. je
založené na implantaci
pouze malého čipu
fotovoltaických
diod; vše ostatní
zajišťují speciální
brýle. Pozorovaná
scéna se snímá
kamerou. Obraz je po
zpracování kapesním
počítačem promítnut
na LCD displeje a ty
se zobrazí do oka
pomocí prosvětlení
infračervenými
laserovými pulzy.
Dostatečné napětí
a proud pro stimulaci
očních nervů vytváří
samo dopadající světlo
ve trojicích sériově
spojených diod ve
tvaru šestiúhelníků.
540
Zrak je bezpochyby nejdůležitějším lidským
smyslem, který nám přináší největší tok informací o našem okolí. Jde však o velmi komplikovaný orgán, který může být postižen
různými poruchami, jež způsobují částečnou nebo úplnou slepotu. Jednou skupinou
chorob jsou degenerativní poruchy sítnice, které vedou ke ztrátě funkce světlocitlivých orgánů, ale je přitom zachována funkčnost nervových spojení. Zde se tedy nabízí
otázka: Mohou skvělé vlastnosti současných
polovodičových detektorů světla nahradit
funkci sítnice? Stačilo by přeci „jen“ vyrobit dostatečně malý a tenký soubor fotodiod
(takový malý digitální fotoaparát), implantovat jej na místo sítnice a posílat z něj vhodné
elektrické signály do blízkých nervových zakončení. Skutečně už byly provedeny úspěšné implantace na dobrovolnících (E. Zrenner et al. Proc. Royal Soc. B278, 1489–1497,
2010, doi:10.1098/rspb.2010.1747). Detektorem zde byla mřížka 1500 fotodiod, z nichž
každá měla svůj zesilovač a posílala signál
na elektrody. Jedním ze zásadních problémů
je pochopitelně zdroj energie. V uvedeném
případě byla dodávána externě vodičem vyvedeným ven z těla; případně se využívá indukce v implantované cívce (obr. 1A).
Skupina vědců z kalifornských univerzit
(ze Stanfordu a Santa Cruz) publikovala nedávno nové elegantní řešení (K. Mathieson
et al. Nature Photonics 6, 391–397, 2012). Jejich implantát je tvořen fotovoltaickými prvky a potřebnou energii dodává samo světlo.
Jeden světlocitlivý element je tvořen třemi
křemíkovými diodami spojenými do série,
takže se dosahuje napětí 3 × 0,5 V = 1,5 V.
A
K tomu, aby na elektrodách vznikl proud
dostatečný pro vybuzení signálu v nervech,
ovšem intenzita běžného osvětlení soustředěného do oka nestačí – je asi tisíckrát menší,
než je třeba. Proto jsou nezbytnou součástí
systému brýle vycházející z projekčních videobrýlí používaných v systémech „virtuální
reality“. Ty vypadají jako trochu „nafouknuté“ sluneční brýle, které mají uprostřed malou kameru (obr. 1B), jejíž signál je zpracován kapesním počítačem a poslán do LCD
displejů na vnitřní straně brýlí. Displej je
prosvícen infračerveným diodovým laserem
a obraz promítnut brýlemi a okem na čip implantovaný pod sítnicí.
Autoři věnovali velkou pozornost zejména nalezení nejvhodnější vlnové délky (­­880–915 nm)
a intenzity laseru, která vyvolá dostatečný signál pro oční nerv, ale nebude nebezpečná ostatní tkáni. Z toho důvodu zvolili pulzní režim osvětlení, kdy je možno
použít vyšší špičkové výkony než při spojitém osvětlení. Pro blízké infračervené světlo údajně platí vztah pro maximální hustotu ozáření 285 [mW/mm2] × t [ms]–0,25, kde
t je délka pulzu. Pro milisekundový pulz tak
vychází 285 mW/mm2. Testované pulzy byly o několik řádů pod tímto bezpečným limitem – délka ­0,5–4 ms a špičkové ozáření 0,2
až 10 ­­mW/mm 2. Dostatečnost signálů byla
proměřována elektrofyziologicky in vitro na
zdravých i degenerovaných sítnicích potkanů. Ukazuje se, že elektrický signál musí projít do hloubky alespoň 5 až 25 mm, aby zajistil
efektivní stimulaci neuronů.
Výsledky jsou tedy velmi slibné. Velkou výhodou popsaného systému je, že chirurgický
B
podkožní
kabel
videokamera
objekt
mimotělní
kabel
čip
konektor
zdroj, přijímač
a vysílač
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
kapesní
počítač
– zpracování
obrazu
LCD
display
oko
infračervené paprsky
mřížka
fotodiod
obraz
objektu
145 µm
Ojíněný kohout na
zásobníku kapalného
dusíku. Snímek
© Jan Valenta (viz
rovněž s. 470).
zákrok je poměrně malý a k drobnému implantátu nevedou žádné vodiče. Úkolů k řešení je
však stále dost, například hustota světlocitlivých elementů musí být zatím relativně malá
(perioda asi 140 mm; pro zajímavost velikost pixelů v digitálních fotoaparátech bývá jen několik mm) z důvodu dostatečné plochy diod pro
získání stimulujícího proudu, ale také kvůli dostatečnému prostorovému oddělení stimulací
(aby se sousední signály neprolínaly).
Doufejme, že tento výsledek přispěje také ke zlepšení obecného vnímání slova fotovoltaika, při jehož vyslovení se možná některým lidem zatmívá před očima.
Ö
V červnu 2012 vyšlo 66. číslo revue
věnované tématu
„Fenomén lesa“
inzerce
Z obsahu: M. Ernst: Tajemství lesa, D. Trigg: „To není loď. To není les.“ (Divoké bytí ve filmu W. Herzoga Aguirre, hněv Boží),
K. Šebek: Lesy, b. Péret: Opilý les, b. Cendrars: Průzory, M. stejskal: Lesní jeviště v hermetismu, J. V. andreae: Druhý den – cesta
lesem, D. Ž. bor: Císař Rudolf II. v alchymickém lese, b. Roger: Zázraky lesa, I. horáček: Fenomén lesa, J. Gabriel: Opravdový les má
čtyři stěny, K. Piňosová: Portréty stromů, D. Merkur: Freud a houbaření, M. sperber: Thoreauova halucinace hory, J. hašek:
Vlastivěda, Lars von Trier: Antikrist, K. Žáčková: Les bos, V. Effenberger: Bludiště, al. blackwood: Muž, kterého milovaly stromy,
J. Daňhel: Náš les, h. hesse: Stromy, W. Irving: Pověst z Ospalé úžlabiny, s. Komárek: Čtyři eseje o lese a stromech, V. Cílek: Opít
se v lese a vyhno ut se Ariadně, M. stejskal: Stromový gnóm a chalupáři, P. Pokorný: Sahara je les beze stromů, b. solařík: Jiný
vzduch se koval v lese, V. Švankmajer: Šperky z pravého zla, b. arenas: Všechno je možné, pokud život není možný, b. solařík: Teď,
děti! („Vnitřní hlas“ v Bretonově pojetí surrealismu), J. P. Guillon: Noci nočního hlídače, F. Dryje: Bretonova věta zní aneb Logika
hrou (I);
VýTVaRný DoPRoVoD: Redon, Buryán, Stejs kal, Solařík, Savinio, Toyen, Štyrský, Munch, Rousseau, Ernst, Herzog, Klee,
di Cosimo, Uccello, Magritte, Lam, van Gogh, Straková, Staněk, Rackham, Martinec, Kahlo, Malevič, Tikal, Cáceres, Ray,
Oppenheim aj.
Vydává: sdružení analogonu, Mezivrší 31, 147 00 Praha 4
Vydavatel + redakce: tel. 725 508 577; [email protected]
Distribuce: KosMas, s. r. o., Lublaňská 34, 120 00 Praha 2 (tel: 222 510 749; www.kosmas.cz);
předplatné: Radka Prošková, [email protected], tel: 608 274 417;
www.analogon.cz
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
541
architektura
Vendula hnídková
Žena
jako tvůrkyně
V portfoliu holandského architekta Gerrita Rietvelda (1888–1964)
představuje nevelký rodinný dům
v Utrechtu z roku 1924 první architektonickou realizaci po sérii
návrhů interiérů a nábytkových
kusů. Tato stavba se právem řadí
k ikonickým objektům meziválečné avantgardy a svému tvůrci zajistila nezpochybnitelnou pozici mezi
protagonisty nových životních forem.
Revolučnost zvolené koncepce je
dodnes patrná v kontrastu domu
s okolní zástavbou, ale východiskem
řešení se stalo ještě odvážnější vnitřní pojetí prostoru. Zatímco uspořádání místností v přízemí je poměrně konvenčně rozděleno příčkami,
v prvním patře se volný prostor může rozpínat téměř přes celé podlaží, ale rovněž se může velmi snadno
propojit s exteriérem. Taková byla alespoň intence majitelky domu
a Rietveld jejím představám vtiskl
přiměřené architektonické uspořádání.
542
Navzdory ustáleným stereotypům
o invenčním přístupu tvůrce stojí za
inovativním prostorovým řešením
domu v Utrechtu plnohodnotně také jeho investorka Truus Schröderová (1889–1985), jak naznačují dokumentární záznamy uchované
v Centraal Museum v Utrechtu. Ta
se rozhodla objevným uspořádáním
obytného zázemí vtisknout novou
tvář každodennímu provozu své rodiny, a tak začít novou kapitolu po
smrti manžela. Soukromá sféra rodinného života se mohla odehrávat
mezi čtyřmi stěnami prvního patra, které se podle potřeby dalo variabilně rozdělovat do jednotlivých
pokojíků, ale síla koncepce tkví spíše v možnosti obývat celé podlaží
jako jediný, otevřený prostor. Tomu napomáhaly zasunovací příčky
a minimum volně stojícího nábytku po obvodu zdí. Pomocí několika nenáročných úkonů si tak mohla
paní Schröderová s dětmi redefinovat domácnost podle aktuálních
potřeb a nálady.
Vesmír 91, září 2012 | http://www.vesmir.cz
K emancipovaně sebevědomému
přístupu Truus Schröderové inspirovaly pobyty v zahraničí, přednášky navštěvované na univerzitě, ale
také intelektuální svět její sestry An,
která se stala spoluzakladatelkou feministického periodika De Werkende
Vrouw (Pracující žena). Bezprostředně ji ale mohly inspirovat také postoje německého architekta Bruno Tauta, který se v roce 1923 v Utrechtu
setkal s Gerritem Rietveldem i Truus
Schröderovou, aby si prohlédl úpravy jejího původního bytu podle Rietveldova projektu. Taut právě v té
době připravoval publikaci Die neue
Wohnung. Die Frau als Schöpferin, která vyšla o rok později. Zde vyzýval
k reformě zařízení interiérů motivované praktickými i estetickými hledisky a za vzor vydával uspořádání
tradičního japonského domu. Přitom
žena jako vůdčí element domácnosti
se měla stát hnací silou reformy.
Ačkoliv Gerrit Rietveld ani Truus
Schröderová Tautovu knihu v době, když vznikala koncepce domu
v Utrechtu, neznali, s jeho idejemi
se mohli dobře seznámit při osobním setkání. Boj za reformu bydlení souzněl s praktickým vzděláním Truus coby asistentky v lékárně
a přirozeně i s jejím intelektuálním
rozletem. Z dochovaných dokumentů je patrné, že Rietvelda, oplývajícího osobitou estetikou, motivovala
k odvážnějšímu prostorovému řešení domu právě ona. Autorský podíl
obou je pak věrně zachycen i v místním běžném označení Rietveld-Schröderhuis.
Ö
Dům Rietveld-Schröder v Utrechtu.
Snímky © Vendula Hnídková
http://www.youtube.com/watch?v=kf8WdLNuTj0&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=qLHCYeswxuI
http://www.vesmir.cz | Vesmír 91, září 2012
543
Download

Vesmir201209 - Popularizace VUT