Ernst Mach – fyzik, optik a filozof

Dnes jsou Chrlice severovýchodním předměstím Brna a tamní německý rodák, opakovaně navrhovaný na Nobelovu cenu za fyziku např. samotným Lorentzem, pozvedl fyziku na Karlově univerzitě v Praze na světovou úroveň a vychoval prakticky celou první generaci slavných českých fyziků, zejména A. Seydlera, Č. Strouhala, F. Koláčka, G. Grusse, V. Nováka aj.

Machův otec pocházel ze zámožné selské rodiny a vzděláním byl gymnazijním profesorem filozofie; působil však hlavně jako vychovatel ve šlechtické rodině Brettonových ve Zlíně. Matka Josefina rozená Lanhausová byla dcerou panského úředníka z Chrlic a měla umělecké zájmy; rodina bydlela většinou v Tuřanech, což je rovněž čtvrť Brna, ovšem na „těžkou hodinku“ související s porodem prvního syna odešla k rodičům do Chrlic – takže mylně se někde uvádí, že se Mach narodil v Tuřanech. Poté se však přestěhovali do Zlína, kde pobývali do roku 1840; kmotrou na křtu byla chlapci baronka Ernestina Brettonová, po níž má jméno Ernst. Po matce má další jméno – Joseph, po dědečkovi z matčiny strany Wenzel (Václav) a neví se, proč ještě Walfried. Otec měl dále hluboký zájem také o zemědělství a přírodní vědy včetně fyziky a těmito směry vedl také výchovu svého syna; jeho příjem asi nebyl nijak malý, protože již roku 1840 si mohl zakoupit velkostatek v Untersiebenbrunnu u Vídně, kde také do deseti let synka sám učil. V revolučním roce 1848 ho však dal na benediktinské gymnázium při klášteře v Seitenstettenu; tam se ovšem kladl hlavní důraz nikoliv na úsudek žáků, ale na memorování, na latinu a antickou řečtinu – takže výsledek zněl: chlapec je zcela bez nadání, doporučuje se dát ho alespoň vyučit nějakému řemeslu. A tak zůstává nadále ve výchově otce, navíc se však učí v letech 1849–1850 truhlářem a teprve v letech 1853–1855 se stává žákem arcibiskupského gymnázia v moravském městě Kroměříži, kde také maturuje. Následuje studium matematiky, fyziky a filozofie na vídeňské univerzitě (1855–1860) zakončené nejen doktorátem (za disertaci o elektrických výbojích a indukci), ale také první vědeckou prací o Dopplerově jevu.

Následuje pět plodných let ve Vídni, kdy se stává soukromým (tj. neplaceným) docentem přednášejícím fyziku pro mediky a soukromě vyučuje hudební teorii a akustiku. V roce 1863 vydává rovněž svou první knihu – Kompendium fyziky pro studenty medicíny, jež se stala vzorem také pro první českou vysokoškolskou učebnici fyziky stejného zaměření vydanou o 15 let později (od profesora Čeňka Strouhala). Následuje vydání sedmi důležitých původních vědeckých prací z fyziologie smyslového vnímání. V té době má již dvě mladší sestry – Oktavii (1839–1901) a Marii (1844–1929). Následuje kratší období ve Štýrském Hradci, kde se stává profesorem matematiky na univerzitě (1864–1866), profesorem fyziky (1866–1867) a v roce války (1866) se žení s Luisou roz. Marussigovou, s níž má jednu dceru – Caroline (1873–1965) a čtyři syny – Ludwiga (1868–1951), Heinricha (1874–1894), Felixe (1879–1933) a Viktora (1881–1940); předčasný skon Heinricha, který ukončil život sebevraždou, Macha úplně zlomil.

Nejplodnějším Machovým vědeckým obdobím je působení v Praze v letech 1867–1895 na utrakvistické a po 28. únoru 1882 na německé c.k. Karlo-Ferdinandově univerzitě; na obou byl postupně rektorem. Zmíněné datum císařského dekretu je současně datem vzniku první české univerzity. Je zajímavé, jak se Mach postavil k tehdy vyhrocenému nacionalismu, jak k panující filozofii a k politickému zřízení. Mach mluvil stejně dobře německy jako česky, s českými studenty rád mluvil česky, a to i ve Vídni. Nacionalismus mu byl naprosto cizí, byl ochoten přednášet česky. Byl však proti rozdělení univerzity na českou a německou – ovšem z důvodů hospodářských: „Rozdělí-li se chudá pražská univerzita na dvě, budou obě živořit.“ Habsburky neměli v rodině rádi už od roku 1849, kdy s ruskou vojenskou pomocí krvavě potlačili maďarské povstání – a Mach sám na konci života dokonce odmítl nobilitaci (povýšení do šlechtického stavu) nabídnutou císařem, čili odmítl to, o co mnozí stáli a za co rádi zaplatili vysoké částky vídeňskému dvoru.

V letech 1895–1901 vyučuje tehdy již světově proslulý Mach na Institutu dějin a teorie induktivních přírodních věd na vídeňské univerzitě, stává se dvorním radou a stálým sekretářem c. k. Akademie věd ve Vídni.

Bolest nad odchodem z univerzity ze zdravotních důvodů (mrtvičné ochrnutí na pravou půlku těla) mu snad zmírnilo jmenování do Panské sněmovny, kam se však dal dopravit jen tehdy, když mohl hlasovat o sociálních zákonech ve prospěch chudých. Nakonec již potřebuje stálou péči, stěhuje se proto – ač nerad – roku 1913 k synovi, MUDr. Ludwigu Machovi do Vaterstettenu, kde po třech letech (roku 1916) umírá. O jeho vážnosti ve světě svědčí i to, že – ač probíhá nejstrašnější období první světové války – jeho ztráty želí celý anglický a americký svět, ač je formálně v nepřátelském vztahu k jeho vlasti – k mocnářství rakousko-uherskému. Snad je tato připomínka z jeho života nutná a stačí k jeho letošnímu jubileu.

Mach byl nejen vynikající vědec v oboru experimentální fyziky, zejména ve styčných oblastech fyziky a psychologie, jako je akustika a optika, ale také ve filozofii fyziky a vysokoškolské i středoškolské pedagogiky, takže zejména v těchto třech oblastech nabyl světového věhlasu – dokonce ne vždy pozitivního. Rozhodně však patřil k sedmeru hvězd vědeckého nebe – „Nečechů“ působících v Praze: Brahe, Bruno, Kepler, Doppler, Bolzano, Mach a Einstein.

V oblasti optiky, pokrývající více než 25 % objemu jeho publikační činnosti, vyřešil ve své době nepředstavitelně obtížný problém, jak zviditelnit nadzvukové proudění vzduchu, střelu letící nadzvukovou rychlostí a rázovou vlnu provázející takovéto objekty pohybující se suprasonickou rychlostí. Dodnes se uvádí jako jednotka suprasonických rychlostí jeden mach; objekt, např. raketa, střela či stíhačka, má rychlost tří machů, pohybuje-li se třikrát rychleji než zvuk v daném prostředí. Teprve jeho metoda umožnila podrobně experimentálně zkoumat ony rázové vlny, vyznačující se náhlou, nespojitou změnou všech parametrů vlny, zejména tlaku, teploty, hustoty, rychlosti aj. Před Machem byl tento pojem pouze matematickou možností, po Machovi viditelný, fotograficky zachytitelný vyvíjející se proces. Mach také objevil a popsal tzv. Machův regulární odraz vln konečné amplitudy od stěn. Samozřejmě, že vyřešení takových problémů vyžadovalo celou řadu dílčích objevů a vynálezů, jež sám také úspěšně zvládl. Přitom mnohému naučil také své asistenty a pomocníky, kteří tak později vstoupili do dějin vědy, jako byl např. Čech Gustav Gruss, později slavný astronom, Vincenc Dvořák, Václav Rosický, Němec Otto Tumlíř (podepisoval se Tumlirz) a syn Ludwig, vynálezce slavného Machova-Zehnderova interferometru. Mylně se tedy mnozí domnívají, že jeho autorem je slavný Mach – otec. Je zajímavé, že Macha obdivoval Einstein, který se prohlašoval za jeho žáka, ač se osobně nikdy neviděli, a příčinu setrvačnosti těles, způsobovanou celkovou hmotností celého kosmu, nazval Machův princip a prohlašoval, že jeho důležitým inspirátorem při formulaci obecné teorie relativity byl právě profesor Mach. Zato Mach jeho teorii neuznával a ve své nemohoucnosti, způsobené nemocí, pověřil syna, aby její platnost vyvrátil – a v tom případě také vydal druhý díl jeho optiky. Nepodaří-li se to, má rukopis spálit. Věc nakonec uvízla v půli cesty: mladý Mach vynalezl potřebný interferometr, druhý díl však nedokončil, neboť Einstein měl pravdu. Zato nobelovský výbor ve Stockholmu nepochopil ani to, co lékař Ludwig Mach – a za teorii relativity cenu neudělil, neboť Švéd Gullstrand, oční lékař, pověřený dvakrát v intervalu deseti let posouzením teorie, ji nepochopil a „pro jistotu“ ji zamítl, aby snad výbor někdy v budoucnosti „neblamoval“. Tak ovšem vznikla největší blamáž, jaká kdy vzešla ze strany tohoto „slavného“ výboru. Mach sám se dopracoval ještě mnoha významných výsledků z balistiky a suprasonického obtékání těles, leč se stejným závěrem jako Einstein se svou teorií.

Pokud jde o Machovy zásluhy v oblasti filozofie fyziky, nutno říci, že ty vzbudily ve světě největší pozornost, měly však také nejvíce odpůrců – a to i právem. Mach totiž obrátil pozornost na zcela zásadní gnozeologické otázky vědy a filozofie: od prvního antického evropského fyzika a filozofa Tháléta Milétského v 7. století př. n. l. si kladli filozofové principiální otázku „Co je prazákladem celého hmotného světa?“, což nazvali „arché“. Pro Tháléta jím byla voda, neboť z ní vyšlo všechno živé, ona se mění s teplotou ve tři skupenství. Pro jeho žáka Anaximandra jím bylo neurčité „apeiron“, pro Herakleita oheň, pro Pythagora číslo, pro Démokrita atomy, pro Empedokla čtyři živly (skupenství), k nimž Aristoteles přidal pátý – éter, z něhož jsou vytvořeny hvězdy a celý nebeský svět. Že by se k tak základním otázkám mohl vrátit ještě někdo na přelomu 19. a 20. století, to asi nikoho nenapadlo. A přece s tím vystoupil jeden učenec – Ernst Mach!

Přidržel se Kantova rozlišení světa pro sebe a světa pro nás; svět pro sebe, tj. svět, jaký skutečně ve své podstatě je, nám znám není – a asi ani nikdy nebude. Na tuto otázku je třeba rezignovat, neboť vše, co bychom případně vytvořili, nebudou než pouhé provizorní modely, vyznačující se neúplností, a proto z nouze doplňované našimi představami a domněnkami, zkrátka vší tou Machem nenáviděnou metafyzikou, jež v žádném případě do vědy nepatří! Jisté jsou pouze naše počitky, věci pro nás pak nejsou ničím jiným, než naším komplexem počitků, čili naše skutečné poznání nesahá za práh psychologie. Jakékoliv fyzikální modely, jako třeba model atomu či molekuly, je zbytečný a chybný. Proces poznání má vycházet od počitků, nejít za ně, u nich končit. Základem pravého poznání je pouze empirie, zkušenost, jejíž dílčí poznatky je ovšem nutno integrovat kriticky – odtud název Machova přírodně-filozofického směru empiriokriticismus. Samozřejmě, že fyzika na něm založená byla čistě fenomenologická (jako třeba termodynamika), nikoliv modelová (jako statistická fyzika či atomová fyzika a chemie). Podle Macha žádné modely do vědy nepatří; existenci atomů a molekul neuznal a do věd nepřipouští ani „umělé“ pojmy matematické, jako operátory fyzikálních veličin apod. To ovšem vzbudilo námitky zastánců právě se bouřlivě rozvíjející atomové fyziky a chemie a jejich protagonistů, tvořících přes 90 % významných vědců celého světa. Avšak i Mach našel významné stoupence, např. chemika Ostwalda v Německu, Avenaria, vědce v USA, ne však v Čechách. Nejdůrazněji a nejhruběji se do Macha pustil Lenin, který napsal k tomu účelu celou polemickou knihu „Materialismus a empiriokriticismus“. Zápasy se odehrávaly i na světových vědeckých kongresech aj. Nutno uznat, že přijetí Machových koncepcí by vedlo k retardaci vědy. Než ovšem přistoupil na své stanovisko definitivně, musel si dát práci s vyvrácením Newtonovy fyziky – což se mu podařilo a za což mu byl zejména Einstein do smrti vděčný. Pomníkem toho je Machova Mechanika z roku 1883, jež se vydává a překládá dodnes, kdy má již 18 vydání.

Stejné, či dokonce větší pozornosti světa se těší Machovy práce z oblasti psychofyziky, kde např. jeho kniha Analýza počitků a vztah mezi fyzikou a psychikou z roku 1885 má stejný počet vydání, podobně jako Poznání a omyl z roku 1905. Zajímavé však je, že žádné jeho dílo nebylo dodnes vydáno v češtině. Vůbec – od samého začátku – čeští a němečtí profesoři v Praze jakoby se navzájem ostentativně ignorovali – např. za Einsteinova pobytu v Praze neexistoval jediný kontakt s Čechy – teprve dodatečně hájil profesor Fr. Záviška teorii relativity ve zvláštním spise k tomu vydaném ... a první profesoři techniky, reflektující ji, se ji snažili vyvracet! Teprve když se to Záviškovi a Nachtikalovi nepodařilo, stali se Einsteinovými horlivými stoupenci.

Zcela mimořádný význam měl Mach i v oblasti pedagogické. Na základě vlastní zkušenosti z mládí píše o středoškolském „vzdělávání“ upřímné řádky z roku 1886: „Zkrátil bych výrazně počet hodin na školách. Neznám nic strašnějšího než ubožáky, kteří se příliš mnoho učili. Místo zdravého a dobrého úsudku, který by možná měli, kdyby se nic neučili, bloudí jejich mysl úzkostně a hypnoticky po stále stejných cestách s naučenými slovy, větami a vzorci. To, co mají v hlavě, je pavučina myšlenek, příliš slabá, než aby se o ni mohli opřít, ale dostatečně komplikovaná k tomu, aby se do ní mohli zamotat. To nejlepší, co jsme se učili a co nám zůstalo do života, nebylo nikdy to, z čeho jsme byli zkoušeni. Jak se může vyvíjet rozum pod hromadami látky, vždy nově nakládané na dosud nestrávenou? Uniformita výkladu je dobrá pro vojáky, pro chytré hlavy se však nehodí.“ Nemýlíme se asi, domníváme-li se, že žádná z bezpočtu reforem našeho školství nereflektovala a snad ani nebude reflektovat tyto myšlenky i u nás. Mach sám napsal několik učebnic fyziky, užívaných tehdy v celém Rakousku i Německu, u nás však ne. Ačkoliv již u nás proběhlo několik mezinárodních oslavných kongresů o Machovi a jeho díle, k podstatě jeho idejí jsme se však dosud – alespoň v širších kruzích – nedostali.