Francesco Marie Grimaldi – objevitel difrakce světla

Dnešní knížata sice již nejsou jeho potomky, ale přijali toto jméno právě pro jeho proslulost. Náš slavný optik, fyzik a astronom, mladší současník Galileiův, známý ve své době spíše pod latinským jménem Pater (či italsky Padre) Franciscus Marie Grimaldus (2. 4. 1618 Bologna – 28. 12. 1663 Bologna), byl rovněž šlechtického původu a proslul zejména objevem základního optického jevu – ohybu světla, jemuž dal jméno difrakce, ale také podrobnou mapou Měsíce, na níž jím zavedené názvy různých oblastí a útvarů byly později přijaty všeobecně a definitivně; po něm je také pojmenován celý jeden rod mechů (Grimaldia Raddi či grimaldka). Písmena SI za jménem zase ukazují na příslušnost k jezuitskému řádu (Societas Jesu), do něhož vstoupil již ve 14 letech.

Jeho osobní život byl proto nekomplikovaný – žil většinou jen v jezuitské koleji svého rodného města, kde také vystudoval, stal se knězem a profesorem filozofie a poté matematiky – ale také krátký: všeho všudy 45 let, 8 měsíců a 26 dní. Ve shodě s proslulou řádovou poslušností dělal jen to, co mu bylo přikázáno a se skromností, patřící k ozdobám řeholníků, ani nikdy nic pod svým jménem nenapsal – a přesto se stal slavným: zmíněnou mapu zhotovil pro svého „spolubratra“ Riccioliho a jeho dílo Novum Almagestum – a ten zase dva roky po Grimaldiově smrti shrnul jeho myšlenky a objevy v díle Physico-Mathesis de lumine, coloribus et iridae alliisque adnexis, libro duo, čili Dvě knihy matematicko-fyzikální o světle, barvách, duze a příbuzných jevech, jakož i v knize Geografia e Astronomia Riformata. Dokonce ani na titulním listě nejdůležitějšího spisu De Lumine není uvedeno jeho jméno, ale jméno představeného! Jde přitom o dílo rozsáhlé (472 + 60 stran), kvartového formátu, psané ve dvou sloupcích, o němž odborníci konstatují, že co do filozofické hloubky, systematické důkladnosti a nesmírné náročnosti pro čtenáře nezběhlého ve středověké filozofii, je takřka nepochopitelné; proto také mělo jen pramálo čtenářů již ve své době, asi stejně jako dnes.

Na tyto okolnosti upozorňuje italský badatel Vasco Ronchi např. v článku z roku 1964, který byl dokonce přeložen do ruštiny v proslulém sovětském časopise Uspěchi fizičeskich nauk v říjnovém čísle roku 1965 (Tom. 87, vyp. 2, str. 349–366); sám Ronchi prohlašuje, že toto Grimaldiho dílo nemá ve světové literatuře obdoby, přičemž se dotýká některých problémů řešených až dnes i problémů a jemností přecházených dodnes – např. rozdílů mezi pojmy lumen a lux, jež oba překládáme v češtině jako světlo, první však je čistě fyzikální, asi jako naše „radiace“, druhý, „světlo“ ve smyslu fyzikálně psychologickém. Navzdory názorům většiny svých současníků zastává Grimaldi názor, že světlo je entita kategorie substanciální, nikoliv akcidentální. Na vysvětlenou pro dnešní myslitele: na teplo také bývaly dvojí názory. Podle jedněch bylo teplo chápáno jako nevažitelné fluidum, přelévající se z místa teplejšího na chladnější, na čemž byla založena kalorimetrická rovnice, čili bylo chápáno jako substance proudící z místa vyšších teplot na místa nižších teplot. Z této představy dokonce Carnot odvodil vzorec pro účinnost tepelných motorů a dal tak technikům návod, jak je zdokonalit, což má nesmírné ekonomické důsledky dodnes. A přece nakonec zvítězili stoupenci nesubstanciálního pojetí tepla: teplo je jen vlastnost, akcident, případek – je to jen rychlejší chaotický pohyb částic v tělesech a žádná látka – podobně jako zvuk, který je také jen intenzivnější uspořádané kmitání částic, a nikoliv látka. Je světlo látka, substance – či jen vlnění ve světelném éteru, k tomu ad hoc vymyšlenému?

Tato palčivá otázka, po dvě tisíciletí přetřásaná již před Grimaldim mnoha významnými filozofy i fyziky, stejně jako bezmála ještě 250 let po něm, byla nakonec vyřešena v souhlase s jeho názorem: světlo je proud fotonů, majících „substanciální“ podstatu. Je zajímavé, že k tomuto závěru se dlouho „prosekávali“ mnozí velcí fyzikové a že k tomu přispěla zejména Einsteinova teorie relativity, a to poměrně jednoduchým způsobem, na který však ani Einstein nepřipadl: zjistil sice, že energie částice o klidové hmotnosti mo pohybující se rychlostí v činí E = moc2/√1-v2/c2 a hybnost p = mov/√1-v2/c2, ale teprve Planck ukázal, že povýšením obou rovnic na druhou a vyloučením rychlosti v získáme relaci E2 = m2o c4 + p2c2, čili že může dokonce existovat objekt s nulovou klidovou hmotností, čili objekt „nelátkový“, mající přesto hybnost p i energii E. Je to tedy objekt reálný, substanciální – a tím je právě foton. Další ohromující důsledek této relace plyne z výrazu pro energii E = +/- √m2 o c4 + p2c2, který ukazuje na možnost existence částic se zápornou energií E, čili na existenci antihmoty!

Grimaldimu nebyly cizí ani obdobné hluboké úvahy, stejně jako nové experimenty: do cesty úzkým světelným paprskům vkládal nejrůznější útvary a stínítka různého tvaru, přičemž shledal, že geometrická optika, přesně definující ostrá rozhraní mezi světlem a stínem, neplatí, že i ve stínu existují nečekané světlé pruhy a naopak v místech, kde bychom čekali světlo, jsou také tmavé pruhy. Objevil tedy „čtvrtý způsob šíření světla“: vedle přímočarého šíření, odrazu a lomu je to navíc ještě zmíněný jev, který nazval difrakce.

Pro zajímavost poznamenejme, že také po odrazu světla na hladké kovové destičce, „ozdobené“ soustavou jemných rovnoběžných hustých vrypů, se světlo odráží rovněž způsobem odlišným od předpovědí geometrické optiky, což zase pozoroval ještě dříve než Grimaldi v případě zlaté destičky s vrypy náš český fyzik a lékař v Praze Jan Marek Marků z Lanškrouna. Současný český fyzik Jiří Marek působící v Německu proto prosazuje uznání priority objevu difrakce Marku Marci. Jde zřejmě o dva samostatné, nezávislé objevitele, kteří takto otevřeli problém šíření světla „za překážkami“, tato teorie přitom odolávala pro svoji matematickou obtížnost největším optikům a fyzikům po několik staletí. Její formulace vypracované posléze Kirchhoffem, Abbem a dalšími vedla nakonec nejen k podstatnému zdokonalení všech zobrazovacích optických přístrojů, ale i k novému, hlubšímu pojetí optických jevů a k exaktní teorii šíření světla a elektromagnetických vln vůbec. Takto vzniklá teorie optického zobrazení se zakládá právě na difrakci světla objevené Grimaldim.

K osudům a původu Grimaldiho ještě poznamenejme, že byl synem šlechtice jménem Paride Grimaldi, který se přestěhoval do Boloně v roce 1589; z prvního manželství neměl dětí a ovdověl, ale s druhou manželkou rozenou Cattani měl šest synů, z nichž se Francesco Maria narodil jako čtvrtý. Se svým bratrem Vincenzem vstoupil do jezuitského řádu 18. 3. 1632 v Parmě; poté začal v Parmě studovat filozofii, od roku 1635 pokračoval ve Ferraře a v Boloni. Po ukončení studia učil rétorice a v letech 1642–1645 vystudoval teologii; doktorát obhájil roku 1647. Přednášek z filozofie byl zbaven vzhledem ke zdravotním obtížím spojeným s plicní tuberkulózou a byl pověřen přednáškami z matematiky a příbuzných oborů, jako je astronomie, optika, fyzika, gnómika a geografie, jež patřily k jeho zálibám. Byl také mistrným konstruktérem, sám si zhotovoval nejrůznější přístroje nejvyšší kvality. O znalost jeho díla se zasloužili mj. Hooke a Newton, kteří na ně upozornili v proslulém časopise Philosophical Transactions – byť s ním v lecčemž nesouhlasili a nepřijali dokonce ani jeho termín difrakce světla pro ohyb, který nazývali inflexe.

Protože tehdejší medicína vůbec neznala skutečný lék na tuberkulózu, zemřel Grimaldi v 45 letech bez pomoci a v bolestech na tuto chorobu.