Ze zlatého věku francouzské fyziky: Jean-Baptiste Biot

Světlo – jeden z nejúžasnějších přírodních jevů. Pro život člověka má zásadní význam. Je hlavním prostředníkem poznávání světa a vesmíru; proto je optika, nauka o světle, vlastně nejstarší částí fyziky pohlížející na povahu světla z různých hledisek. Pomineme‑li „geometrický“ pohled na světlo jako soubor přímočarých paprsků vycházejících ze zdroje, soupeřily spolu na přelomu 18. a 19. století částicová a vlnová teorie světla. Jejich zastánci se snažili více či méně krkolomným způsobem pozorované optické jevy vysvětlit.

Posledním velkým zastáncem Newtonovy částicové teorie světla byl francouzský fyzik, matematik, geodet a astronom Jean‑Baptiste Biot (v naší starší literatuře bývá občas jeho jméno uváděno v počeštěné podobě Jan Křtitel Biot), od jehož úmrtí v Paříži letos uplynulo 150 let. Uznávaný vědec, zabývající se zejména studiem vztahů mezi elektrickým proudem a magnetismem, polarizací světla a dalšími optickými jevy, byl kromě svých badatelských zájmů a dlouholeté pedagogické práce po celý život společensky velmi činný. Pomáhaly mu úzké kontakty na mnoho institucí zabývajících se vzděláním a výzkumem a četné známosti s řadou předních vědců své doby. Žil v časech první poloviny 19. století, někdy označovaném jako „zlatý věk francouzské fyziky“.

Z vězení dopomohl matematický talent

Narodil se v roce 1774 v Paříži. Po studiích na College Loius‑le‑Grand v 19 letech vstoupil do armády jako student slavné technické, tehdy vojenské školy Ecole Polytechnique. V době Velké francouzské revoluce se aktivně zúčastnil studentských nepokojů a byl dokonce uvězněn. Až na přímluvu svého učitele, matematika a významného revolucionáře G. Mongea, který poznal Biotův matematický talent, byl propuštěn. Neohroženě vystoupil i proti Napoleonově snaze využívat Institut de France pro vojenské a politické cíle. Svůj pohled na postavení vědy a vědců v revoluci vyjádřil v roce 1803 ve spisu „Essai sur l´histoire généralle des sciences pendant la révolution francaise“ (Dějiny vědy v období francouzské revoluce).

Ve 26 letech profesorem

Po absolvování Polytechniky v Paříži (1797) začal vyučovat matematiku na střední škole École Centrale v Beauvais. V té době se seznámil s vůdčím duchem francouzské vědy, předním matematikem a teoretickým astronomem P. S. Laplacem, kterému pomáhal s korekturou pětidílného „Traktátu o nebeské mechanice“. Díky Laplaceovi se stal ve 26 letech profesorem matematiky a fyziky na Collège de France (1800) v Paříži. Zabýval se zde analytickou geometrií kuželoseček a kvadrik a v roce 1802 vydal „Essai de géométrie analytique“, první dílo podobné dnešním učebnicím analytické geometrie. Roku 1803 byl Biot přijat za člena francouzské Akademie věd.

Let balonem a španělské dobrodružství

V roce 1804 společně s fyzikem a vzduchoplavcem Gay‑Lussacem podnikl jeden z prvních výzkumných letů balonem plněným horkým vzduchem. Ve výšce 5 km až 7 km (podle různých pramenů) zkoumali složení vzduchu, zemský magnetismus a další jevy, včetně pozorování chování živých živočichů, které vezli na palubě. Roku 1806 se stal zaměstnancem státního Úřadu pro míry (Bureau des Longitudes). Protože byl odvážným badatelem, který nikdy neváhal „vyrazit do terénu“, spolupracoval v roce 1807 s tehdy 21letým fyzikem a astronomem D. F. J. Aragem; ten byl později přezdíván „králem věd“ a stal se ve své době největší autoritou francouzské vědy a rozhodčím vědeckých sporů v celé Evropě. S Aragem spolupracoval na dvoustupňovém měření délky zemského poledníku mezi Dunkerquem a Barcelonou a následně až ostrovem Formentera v Baleárském moři. Při porovnání gravimetrických měření na různých místech zjistili časové a prostorové změny tíhového zrychlení. Jejich výprava by mohla sloužit za podklad dobrodružného románu. Ve Španělsku byli považováni za francouzské vyzvědače a ohrožování příslušníky protinapoleonského odboje. Zpět do Francie se Biot vrátil v přestrojení. Arago, zajatý piráty a Angličany, se vrátil z vězení v Alžíru až po dlouhých diplomatických jednáních. Čekalo ho uvítání nadšenými davy.

Fyzice zůstal věrný až do smrti

V roce 1808 byl Biot jmenován na fakultě společenských věd nově Napoleonem založené University de France profesorem astronomie. Přednášel však i dále fyziku, která se vztahovala k jeho vlastním výzkumům. Zemřel v roce 1862 ve věku 88 let jako respektovaný vědec a vážený pařížský občan. Názory současníků na Biotův charakter se diametrálně liší; jedni vyzvedávají jeho odvahu, originalitu, vynalézavost, vědeckou přesnost a poctivost, jiní kritizují jeho ctižádost, marnivost, prchlivost, přelétavost a zaujatost. I velcí vědci však mívají lidské chyby. Skutečností je, že spolu s Laplacem se držel na výsluní všech režimů.

Biot objevitel

Ve fyzice mají trvalý význam jeho měření rychlosti zvuku v pevných látkách, změření indexu lomu řady látek včetně plynů, objev polarizace světla lomem (1811), objev kruhové polarizace světla (1815) a výzkum polarizačních vlastností látek. Objevil a prozkoumal optickou aktivitu mnoha kapalin, zejména organických sloučenin, a správně ji vysvětlil stáčením polarizační roviny lineárně polarizovaného světla. Rozlišil látky – cukry – na pravotočivé a levotočivé. Tyto poznatky se dodnes využívají v sacharometrii. Spolu s Aragem studoval chromatickou barevnost polarizací světla nebeské oblohy a pracně vytvářel hypotézu k jejímu vysvětlení. Znovu objevil polarizační vlastnosti turmalínu a je mu přičítáno prvenství objevu jedinečných optických vlastností slídy; tmavý druh tohoto minerálu byl pojmenován po něm – biotit.

V roce 1820 s francouzským fyzikem F. Savartem, kterému Biot pomohl v jeho profesních počátcích najít místo učitele fyziky, experimentálně potvrdili vztah pro intenzitu magnetického pole v okolí přímých i kruhových vodičů protékaných ustáleným stejnosměrným proudem. Integrací lze z něho určit výsledné magnetické pole vytvořené libovolným tenkým elektrickým vodičem; tento vztah se nazývá Biotův‑Savartův zákon – řečeno dobovou terminologií „stanoví kvantitativně vzájemné působení prvku proudového a bodu magnetického“ – a je jedním ze základů moderní elektromagnetické teorie. Svůj objev ohlásili 30. října 1820 necelé dva měsíce po získání prvotní informace o Oerstedově pokusu s magnetickou střelkou. Zkoumal rovněž chemické procesy v galvanických článcích a celou řadu problémů předklasické elektrodynamiky.

Spor o meteority

Zasáhl také do sporu o reálnosti meteorů a jejich původu. Když bylo v roce 1803 hlášeno pozorování velkého meteorického roje v blízkosti města L´Aigle, vyslala francouzská akademie věd Biota, aby věc prozkoumal. Ten skutečně několik meteoritů našel, vysvětlil jejich do té doby neuznávaný mimozemský původ a přinesl je pařížským akademikům takříkajíc na stůl. Tuto událost připomínají zejména ti, kdo chtějí ukázat, jak se oficiální věda může mýlit. V matematice se zabýval teorií křivek druhého řádu, otázkami teorie parciálních diferenciálních rovnic souvisejících s chvěním ploch a také historií egyptské, indické a čínské astronomie.

Publikační činnost

Biot je autorem asi 300 prací (do češtiny přeložil již v roce 1831 Presl studii „Příčina zemětřesení“) a řady učebnic. Významným dílem byl spis „Memoire sur la figure de la terre“ (1827), ve kterém vysvětluje tvar Země. Jeho čtyřdílná učebnice fyziky – první vydání dvou dílů vyšlo v roce 1816 – patřila ve své době k nejrozšířenějším a pojednávala o experimentální fyzice v celém rozsahu.

Biotovi se dostalo řady významných vědeckých a společenských ocenění. Za výzkumy polarizace světla mu byla britskou Královskou společností, jejíž byl od roku 1815 zahraničním členem, udělena Rumfordova medaile, v roce 1849 obdržel Řád čestné legie a v roce 1840 titul komandéra.

Jeden biot (Bi) byl v dnes nepoužívané soustavě jednotek CGS jednotkou elektrického proudu (1 Bi = 10 A).

"Fyzikům nezbývá nic lepšího než chodit s ustaranými tvářemi a smutně si stěžovat, že v pondělí, ve středu a v pátek musejí na světlo hledět jako na vlnu, zatímco v úterý, ve čtvrtek a v sobotu jej berou jako částici. A v neděli se prostě modlí…"

Banesh Hoffman, britský matematik a fyzik spolupracující s Albertem Einsteinem