Věda 2018

Dokonce i matematici občas opustí své vzdušné zámky a sejdou do hospody na pivo. Stalo se tak letos před Štědrým dnem, kdy jednu nejmenovanou pražskou hospodu navštívilo nekonečně mnoho matematiků. První si objednal jedno pivo, druhý chtěl půlku, třetí čtvrtinu a takto to pokračovalo. Poté, co barman všechny vyslyšel, položil na stůl dvě piva. Matematici po hodině dopili a šli zaplatit, barman jen otevřel pokladnu a podal jim peníze.

To, co vypadá jako dadaistický příběh vytažený z podivuhodné sbírky plné historek z pražského podsvětí, je ve skutečnosti geniální vtip. Smát se mu bude každý čtenář Hospodářských novin po dočtení již tradiční vědecké ročenky, která je mu tímto předkládána.

Fyzici letos navázali na průlomový objev gravitačních vln a dokázali poprvé v historii nejen zachytit neutrina, ale především určit odkud přišla. Jako kdyby objevili telegraf.  Matematici se zase dostali do zájmu technologických gigantů, bank i podsvětí, neboť správné řešení Riemannovy hypotézy by mohlo prolomit šifry od telefonních hovorů po internetové bankovnictví. Narodily se první děti s upravenou DNA.

Vyšší dimenze

Lidský mozek disponuje nejméně 90 miliardami neuronů, které jsou vzájemně propojené. To je jeden z důvodů, proč je tak složité rozlousknout, jak vůbec pracuje a kde se bere vědomí. Ze Švýcarska ovšem možná přišel klíč k řešení rébusu. Lidský mozek zřejmě pracuje ve vyšších dimenzích. Tyto dimenze jsou matematické a reprezentují objekty, které neurony vytváří.

Vědci z projektu Blue Brain, jehož cílem je vytvořit kompletní simulaci mozku v počítači, zjistili, že ve chvíli, kdy je mozek vystaven jakémukoliv podnětu, začnou se neurony skládat do různých objektů. Následně se tyto objekty hroutí a vznikají nové, je to jako stavění hradů z písku, kdy hned po dokončení jsou smeteny vlnou a výstavba začne nanovo.

Lze říci, že nejjednodušší objekt tak představují tyče, tedy matematicky jde o přijímku, což je objekt v jedné dimenzi. Následují plochy, tedy objekty ve dvou dimenzích, pak krychle, hyperkrychle a takto mozek postupuje dle pozorování vědců minimálně až do 11 dimenzí. Zároveň součástí celé struktury není jen samotný vícedimenzionální objekt, ale i prázdný prostor, který se kolem něj či v něm vytvoří. Tedy aby byl vidět les, je třeba jednotlivých stromů a zároveň i mezer mezi nimi. Vědci jsou tak možná konečně na stopě tomu, na jakém principu mozek vůbec zpracovává informace.

Výzkumníky použitý matematický model popisující práci mozku využívá oboru, jemuž se říká topologie a který se zabývá velmi abstraktními věcmi. Například tím, jak lze jednotlivé struktury či objekty transformovat. Známým problémem topologie je třeba Poincarého domněnka, která říká, že například z koule z plastelíny nelze žádnou její transformací vyrobit americkou koblihu s dírou uprostřed. Není dovoleno plastelínu trhat nebo proděravět, vytvářet nové spoje. A Poincaré tvrdí, že toto platí ve všech dimenzích.

Díky objevu švýcarského týmu to může být právě topologie, která nabídne odpověď na otázku, co je to vědomí a kde se bere. V každém případě je výzkum v plenkách, neboť vědci zatím netuší, co vůbec stojí za tím, že mozek zmíněné složité struktury vytváří, a jaký je vztah mezi jejich složitostí a náročností podnětu na zpracování informace.

Zklamaní hackeři

Zmíněná Poincarého domněnka patří mimo jiné mezi sedm největších problémů matematiky současnosti, které byly vybrány na přelomu milénia a za jejichž vyřešení připadne řešiteli odměna ve výši jednoho milionu dolarů. Zároveň je tato domněnka také jediným problémem, který se zatím podařilo prokazatelně rozluštit. Ruský matematik nicméně milion dolarů odmítl.

Druhým rozluštěným problémem se měla letos stát Riemannova hypotéza. S řešením přišel britský matematik Michael Atiyah. Samotná hypotéza je často považována za vůbec nejzajímavější problém, neboť její vyřešení by mohlo zasáhnout každého jednotlivce na planetě.

Riemannova hypotéza souvisí se světem prvočísel. Prvočísla jsou zajímavá nejen tím, že je lze dělit pouze jedničkou a sebou samými, ale také tím, že se vyskytují zcela náhodně. A právě na tom stojí i dnešní šifrování.

Důkaz Riemannovy hypotézy, spíše tedy nová metodologie, která by k němu byla využita, by měla ukázat, že prvočísla nejsou náhodně uspořádána, ale mají svá pravidla. A to je potíž. Pokud taková pravidla existují, bylo by možné jich využít k prolomení šifer. Ze dne na den by tak mohlo padnout zabezpečení telefonních hovorů i internetového bankovnictví.

Podobně jako zmíněný výzkum mozku na topologii stojí jádro Riemannovy hypotézy na sčítání nekonečných řad. Součet nekonečné řady je často konečný. Řada začínající jedničkou, pokračující polovinou, čtvrtinou a tak dále dá například v součtu číslo 2. Jsou i matematické řady sčítající kladná čísla, která dají záporný součet. A Riemannova hypotéza není ničím jiným než jednou specifickou nekonečnou matematickou řadou a podstatou problému je zjistit, jak dokázat, že právě součet této řady je roven nule.

Profesorovo řešení největší záhady matematiky ale jeho kolegy nepřesvědčilo. I kdyby ovšem bylo správné, což se stále může ukázat, neposloužila k tomu žádná nová metodologie. V klidu proto mohou být banky i střadatelé, zklamaní jsou naopak hackeři.

Jen procházím

Nebyli to jen matematici, kdo onoho večera dorazili do pražské hospody. Tento rok se tam objevila i neutrina. I když jim barman trochu neslušně už ve dveřích sdělil, že neutrinům nenalévá, konflikt z toho nebyl. Neutrina jen procházela.

Mezi fyziky oceňovaný vtip naráží na unikátní vlastnosti těchto částic, které se letos poprvé v historii podařilo detekovat a zároveň určit, odkud přišly. Čímž se staly vedle světla a gravitačních vln dalším z párů očí lidstva. Krátce to lze shrnout, že vědci objevili telegraf.

Dosud se lidé dívali do vesmíru pomocí elektromagnetického záření, kam patří například světlo pocházející ze Slunce nebo rádiové vlny z rotujících neutronových hvězd. V roce 2016 došlo k obrovskému průlomu, neboť se očima astronomů staly i gravitační vlny. Ty jsou specifické v tom, že jde o vlnění celého časoprostoru, nemůže je tedy zastavit hmota ve vesmíru. Díky nim se podařilo poprvé přímo pozorovat černé díry nebo kolizi neutronových hvězd. A nyní se přidala neutrina.

Neutrina mají jednu velkou výhodu, prakticky nereagují s okolním prostředím, jsou nekonfliktní. Dokážou projít planetou, jako by ani žádná nebyla. Nedokáže je ovlivnit sebesilnější magnetické pole. Působí na ně jen slabá jaderná síla, která je zodpovědná například i za část radiace, a jen extrémně slabě gravitace. Dosud si vědci nejsou jisti ani tím, zdali mají neutrina vůbec hmotnost.

To všechno znamená, že tito duchové z i nejvzdálenějších koutů vesmíru dorazí na Zemi nerušeně, ničím netknutí. Vědci tak díky těmto částicím – v rovnicích byly předpovězeny v roce 1930 – mohou získat informace i o tom, jak to vypadá v extrémně vzdáleném a stále bouřlivě se vyvíjejícím vesmíru.

Stejně jako by měly být jednou teoreticky zachytitelné gravitační vlny z období velkého třesku, měla by existovat i reliktní neutrina, tedy neutrina, která se na svou pouť prostorem vydala jednu sekundu po začátku vesmíru. Současné teleskopy zaznamenávající elektromagnetické záření dohlédnou pouze do doby, kdy bylo vesmíru 300 tisíc let. Dívat se na noční nebe znamená hledět do minulosti.

Neutrina na rozdíl od gravitačních vln mohou být v budoucnosti i praktickým komunikačním prostředkem. První pokusy s komunikací skrz například horský masiv začaly. Možná se této technologie Pražané dokonce dočkají dříve, než město pokryje signálem metro. Neutrina také mohou odpovědět na jednu z nejpalčivějších otázek: proč ve vesmíru převládla hmota nad antihmotou.

Srdečné pozdravy

Mnohem větší rozruch způsobil ale jiný návštěvník z vesmíru. Sluneční soustavou prolétlo těleso ze směru od hvězdy Vegy, ze souhvězdí Váhy. Takovýchto návštěvníků sluneční soustavu ročně navštíví více, ovšem právě ’Oumuamua je prvním takovým objektem, který se podařilo zachytit. Spekulace o tom, že může jít o mimozemskou sondu, se objevily záhy. Skutečný poprask vzbudila až studie z Harvardu, která připouští, že objekt může být skutečně mimozemskou plachetnicí.

Skupinu astrofyziků k tomu vedl nezvyklý způsob, jak mění objekt dráhu. Nechová se ani jako kometa, ani jako asteroid, neopisuje dráhu, kterou by dle výpočtů měl. Vědci se tak potkali s něčím, co dosud nikdy neviděli. Vega je jedna z nejbližších hvězd planetě Zemi, nachází se na vesmírné poměry ve vzdálenosti jen 25 světelných let. Kolem této hvězdy rotuje disk malých těles, přítomnost planet a potenciálně existenci mimozemského života nelze vyloučit.

Nicméně studie vzbudila poměrně velkou nevoli u většiny astrofyziků. Podle nich nemá k takto silnému tvrzení žádné přesvědčivé důkazy. To nakonec uznali i autoři studie. Navíc se ukázalo, že jeden z autorů může být zaujatý, neboť momentálně pracuje na projektu Breakthrough Starshot, který má za úkol vyvinout flotilu slunečních plachetnic schopných dosáhnout v horizontu několika desítek let nejbližších hvězd. Současným sondám by to trvalo tisíce let. Projekt vznikl na popud letos zesnulého vědce Stephena Hawkinga.

Zároveň letos vyšla i jeho poslední kniha a studie. Ve svém posledním vědeckém počinu navrhl způsob, jak by šlo zkrotit teorii paralelních vesmírů, kterých by mělo být nekonečně mnoho. To znamená, že existují vesmíry, kde tato ročenka vůbec nevyšla nebo kde v ní nejsou zařazeny vtipy, neboť nepřijdou vtipné ani samotným vědcům. Hawking ovšem navrhl způsob, jak množství paralelních světů omezit na konečný počet i jak by šlo s využitím již zmíněných gravitačních vln celou teorii otestovat.

Poslové minulosti

Název ’Oumuamua již zmíněného mezihvězdného cestovatele v havajštině označuje posla, který přišel z dávné minulosti. Skuteční živí poslové minulosti z dob mamutů, šavlozubých tygrů a lenochodů větších než nákladní automobil letos opravdu dorazili.

Oživení 40 tisíc let starých červů se letos podařilo z ruského permafrostu. Extrémně staré hlístice se podařilo najít v hloubce přibližně třiceti metrů. Poté, co byly přemístěny do laboratoře a vystaveny teplotě 20 stupňů, se probudily k životu. Začaly se pohybovat a zároveň i krmit blízkými bakteriemi.

Hlístice využily k přečkání desítek tisíc let kryobiózu. Klíčovým je při poklesu okolních teplot zabránit vytvoření krystalu ledu uvnitř organismu, krystalky by následně poškodily nevratně buňky. To je také největší obtíž, se kterou se potýkají vědci, již zkoumají, jak by šlo do stavu kryobiózy uložit člověka. Kromě možnosti usnout a nechat se probudit v budoucnosti by se s takovým vynálezem stala například reálnou i kolonizace nejbližší planetární soustavy kolem hvězdy Proxima Centauri, kam mají zamířit i již zmíněné Hawkingovy plachetnice.

Oživení 40 tisíc let starých hlístic je také zajímavou zprávou pro astrobiology. V červenci italští vědci ohlásili největší objev od počátku zkoumání Marsu. Pod jižní ledovcovou čepičkou nalezli jezero plné vody v kapalném skupenství.

V jezeru panují nehostinné podmínky. Podle vědců je teplota v jezeru na Marsu přibližně minus 68 stupňů Celsia. Voda je kapalná jen díky rozpuštěným solím a zároveň tlaku ledu. Podobná jezera lze nalézt i na Zemi pod ledem Antarktidy nebo Grónska. Nízká teplota ale nemusí být pro přežití organismů ve stavu kryobiózy velký problém. Pokud nejsou fyzicky poškozeny tak, jak ukázaly hlístice, jsou schopny vydržet v tomto stavu i extrémně dlouhou dobu.

Na Zemi už se navíc podařilo najít a oživit i bakterie nebo viry staré miliony let. Život je možná běžný i v naší sluneční soustavě, jen jej lidstvo není dosud schopné detekovat. Pomoci by v hledání signálů života mohla sonda Insight, která letos přistála na Marsu a jako první se podívá hlouběji pod jeho povrch.

Planeta X

Letos se také objevila velmi zajímavá a mezi seriózními médii sdílená studie zabývající se tím, zda na samotné Zemi mohla existovat civilizace dávno před tím, než se objevil člověk. A odpověď je, že mohla. Stopy po lidské existenci by zmizely odhadem za několik málo milionů let a planeta Země je stará miliardy let. Když se vezme v úvahu, jaká nebezpečí v podobě například asteroidů skýtá vesmír, mohla taková civilizace jednoduše zaniknout při podobné katastrofě jako dinosauři.

A takové katastrofy mohou být z pohledu vesmíru poměrně časté, a dokonce se nabízí i viník. Mohla by jím být devátá planeta, také nazývaná jako planeta X, která možná obíhá kolem Slunce v extrémní vzdálenosti až 1000 astronomických jednotek. Jedna astronomická jednotka odpovídá vzdálenosti Země od Slunce. Tato planeta proto dokončí jeden svůj oběh kolem Slunce v řádech nižších desítek tisíc let.

Mohla by být proto příčinou pravidelného vymírání živočišných druhů na planetě Zemi, neboť svým přiblížením ovlivní Kuiperův pás, jenž je plný asteroidů, a stačí, aby změnila dráhu jednoho z nich a nasměřovala ho přímo na Zemi. Existence planety X není rozhodně žádná pseudovědecká báchorka, naopak se vědci její existencí zcela seriózně zabývají a prohledávají zákoutí naší sluneční soustavy.  S tím, jak narůstá počet dalších nepřímých důkazů, se úsilí astronomů jenom zvyšuje.

Pro existenci této záhadné planety hovoří matematické modely, které tak vyvozují z chování těles na okraji sluneční soustavy. Podobně byla předpovězena i existence Neptunu. Velikostí by měla přesahovat Zemi. Další indicie přišla v prosinci, kdy byla objevena nová trpasličí planeta Farout, jejíž dráha opět naznačuje, že někde v dáli se nachází temný sourozenec dosud známých planet.

HIV negativní

Sourozenci, kteří se letos dostali do největšího zájmu médií, byla ale dvojčata narozená v Číně. Jde vůbec o první případ, kdy se narodily děti s upravenou DNA. Cílem genetické úpravy embryí bylo umožnit HIV pozitivním otcům zplodit děti, u nichž by bylo nižší riziko nákazy tímto virem, byť přenosu viru z rodičů na dítě lze zabránit i jinými metodami.

Na autora experimentu se okamžitě snesla kritika z celého světa, kdy byl pokus s dětmi označen za neetický. Nakonec se k němu negativně postavila i samotná Čína a další pokusy oficiálně zarazila. Hlavní příčinou kritiky je fakt, že metoda CRISPR, která se k editaci genů používá, není ještě vědci natolik zvládnutá a prozkoumaná, aby takovéto její použití nebylo hazardem se zdravím dětí.

V každém případě se ale vědci shodují, že postupem času bude editace DNA nevyhnutelná a bude k ní skutečně docházet. Vždyť představa vyléčit dědičnou chorobu, vytvořit si odolnost vůči radiaci, imunitu proti nebezpečným nemocem či zpomalit nebo úplně zastavit stárnutí musí být lákavá snad úplně pro každého a zejména ty bohaté…

Svět se minulý rok posunul opět o obrovský skok dál. Opět ukázal, že lidské poznání narůstá exponenciálně, co je dnes těžko představitelné, může být zítra realitou. Nikdo neví, odkud přijde a kdo přijde s dalším objevem, který pomůže miliardám lidí na této planetě. Vědu je nutné podporovat a popularizovat, aby se dostala především k mladým lidem. Nikdo neví, kde sedí další Einstein.

Odpoutejme svou představivost. Hleďme do budoucnosti. To jsou i poslední slova Stephena Hawkinga.