JOHANN CHRISTIAN DOPPLER

☼      29.11.1803    SALZBURG                                 ۞      17.3.1853    VENEZIA

Když se v moderních encyklopediích fyziky a astronomie zahledíme do hesel „radiolokace“, „červený posun“, „družicové systémy“ nebo „ultrazvukové metody“, najdeme tu vždy odkaz na „dopplerovský princip“. Odborníci sami v žargonu o něm hovoří jednodušeji jako o samozřejmém „barevném doppleru“ nebo o „dopplerování“. K pochopení tohoto univerzálního jevu, který dnes našel uplatnění v kosmických záchranných systémech COSPAS–SARSAT, v hydrolokaci, radarové technice ale i v medicíně, není třeba hlubokého studia k nakrmení dojmů z pojmů. Skrývá se za ním odpozorovaná skutečnost z každodenní praxe. Když se k nám blíží z dálky příliš hlučný automobil, pískající lokomotiva, nebo by nás míjela nízko letící raketová střela, zvyšuje se nejen intenzita rámusu, ale jaksi děsuplně i výška tónu či hluku. A když nás uhánějící splašený dopravní vehikl mine, je efekt opačný: výška tónu klesá spolu s jeho intenzitou. Méně je už známo, že muž, který dal tomuto jevu jméno a dokázal ho matematicky popsat, žil před 200 lety a před méně než 200 lety chvilinku i v Praze, a dlouhou dobu učil na polytechnické škole v Baňské Štiavnici. Škoda, že v jeho době se ještě velké objevy neoceňovaly Nobelovkou. Panu profesorovi Dopplerovi by rozhodně neunikla…

BEZ PROTEKCE NENÍ POSTUPU VPŘED…

Johann Christian Doppler se narodil v rodině uměleckého kameníka v Salzburgu. Jeho otec tesal z kamene nejen náhrobky pro šlechtu, ale i jednodušší reliéfy pro vznešené přednosty města. Malý Johann prožil dětství z části i v jeho dílně a není divu, že „načichl“ láskou k umění. Byl však od malička střízlík, co je na tom se zdravím na štíru. Otec poznal, že nebude stačit svou fyzickou zdatností na opracování kamene, a proto rád využil nabídky svého přítele, profesora Stampfera, který přislíbil chlapce uvést na vědeckou dráhu. A tak devatenáctiletý Doppler začal studovat taje a jinotaje na vídeňské technice. Vzhledem k nepevnému zdraví se však studia protáhla a tak jako tak je dokončil privátně v Salzburgu až roku 1829. Sama praktická technika ho příliš nelákala, zato fyzika a astronomie se staly jeho koníčkem. Matematické vlohy mu nekladly potíže při prodírání se k podstatě tehdy současných jevů a stále ještě prakticky jen mechanickému výkladu podstaty všech jevů okolo nás. Když se zdravotní stav zlepšil, vrátil se Doppler opět na vídeňskou polytechniku jako asistent profesora Herschla. A tady se zamlklý a vytáhlý pan asistent, který se s nikým příliš nepřátelil, poprvé oddal kouzlu teorie. První jeho spisek se jmenuje „Beitrag zur Theorie der Parallelen“ a zabýval se tehdy v astronomickém světě řešeným problémem dvojhvězd, který vyvstal jako důsledek přesnějších pozorování a větších zvětšenin, jež začaly prosím pěkně hvězdářům umožňovat zdokonalené optické krasohledy triedrovitého rázu. Následovaly další a další teoretické spisky, které však nezískaly podivínskému asistentu ani přátele, ani podporu vyšších kruhů. Nejspíš proto, že mladý vědec neměl ani šlechtický glejt, ani požadované považované sociální postavení. V konkursu na místo profesora sice čestně obstál na jedna s hvězdou, leč v okružním kroužku honorace ve Vídni se necítil zdravě. Soužilo ho podceňování a přehlížení a tak se roztrpčen vydal za svým bráchou do Mnichova, pevně rozhodnut o emigraci ven z nemocné furt hladové a lačné Evropy. Bratr ho seznámil s americkým konzulem a Doppler se zajímal o možnosti uplatnění na některé z vyšších odborných škol odborníků budoucích, škol Spojených obcí severoamerických, jak se tehdy ještě v malém nazývalo dnešní kouzelné USA. Mezitím ho však dostihla zpráva z Vídně, že by mohl nastoupit jako profesor buď ve Švajcu, nebo se ujmout profesury matematiky na stavovské reálce v Praze.

DOPPLERŮV PRINCIP OBJEVEN V PRAZE

Doppler se nakonec rozhodl pro Prahu. A právě zde ho zlákalo matematické zdůvodnění jevu, který zná starší generace důvěrněji z doby, kdy u nás ještě jezdily lokomotivy. Kdo by si nevšiml toho, že když kolem nás projede lokomotiva, která už z dálky před přejezdem houká, stylizuje se nápadně její rachot. Čím rychleji se k nám blíží, o to vyšší je debilní tón sirény, který se zase ochlazuje, když nás vlak minul. Vysvětlení je tak triviální. Píšťala lokomotivy vydává charakteristický a přesně „vyštelovaný“ zvuk, který se šíří do okolních luhů známou rychlostí 333 metrů v nepatrné pouhopouhé sekundě. Naše sluchová trubice určuje výšku slyšeného tónu podle toho, kolik kmitů zvukových vln dopadne za sekundu na ušní bubínek. Je přirozené, že blíží-li se lokomotiva k nám, dospěje každý další náraz do ucha vo něco dříf, než kdyby vlak stál na místě. Když teda lokomotiva jede ve směru k nám, zaregistruje bubínek víc kmitů (vyšší kmitočet zvuku), a proto slyšíme zvyšující se tón. Doppler jako zkušený matematik to s lehkostí a úsměvy na obě strany prokázal a bylo jasné, že tento princip zůstává v platnosti i pro případ, že zdroj zvuku stojí na místě, a pozorovatel se k němu pohybuje. To už ale Doppler několik let suploval na pražské technice vyšší matematiku a od roku 1841 získal profesuru matematiky a deskriptivní geometrie na této stále známější stavovské technice. Základní princip, který sehrál v dějinách fyziky srozumitelnější než trudnomyslné řečičky žabičky na prameni Pavličky významnou úlohu, publikoval Doppler poprvé 25. května 1842. Ihned ho však začal aplikovat i na světelné vlny. Neviděl důvodu, proč by jeho rovnice neměla platit tam, kde jde rovněž o vlny – i když mnohem rychleji se šířícího světla! Tam se však dopustil závažných omylů a od samého začátku narazil na nepochopení…

V akustice se však Dopplerův princip okamžitě prosadil jako pivko Pašák Plzeňský. Dal se totiž prokázat a ověřovat jednoznačně jednoduchými experimenty. Kupříkladu v Holandsku si fyzikové roku 1845 vypůjčili jednu z prvních parních lokomotiv, přivěsili za ní plošinkový vagón s různými zdroji zvuku a nechali soupravu projíždět sem a tam různými rychlostmi kolem stanoviště, kde měřili kmitočet zvuku. Dopplerova rovnice se do puntíku vyplnila. Také slavný fyzik E. Mach později demonstroval svým žákům Dopplerův jev pomocí píšťaly, kterou nasadil na volný konec delší pryžové hadice, do níž vháněl vzduch. Když hadici ve spěchu otáčel, slyšeli posluchači ve směru roviny otáčení výrazné kolísání tónu. Jakmile se však píšťala otáčela ve směru osy této roviny, výška se neměnila!

KDYŽ CHYBÍ ZNALCI ZNAČNÉ DŮKAZY…

Dobře zaopatřený Doppler aplikoval svůj objev na optiku a předpokládal, že by se mohl projevit ve změně světla rychle se pohybujících nebeských těles. Roku 1843 publikoval v německy psaném článku v časopise Královské české společnosti nauk revoluční zprávu o tom, že ve shodě s jeho principem potvrzeným v akustice se musí barva světla dvojhvězd měnit v závislosti od rychlosti pohybujícího se zdroje. Předpokládal, že vzdalující se hvězdy budou zbarveny rudě (vlny ve vztahu k pozorovateli se prodlužují), kdežto hvězdy, které se k nám blíží, by měly svítit fialově. V tom se ovšem pletl. Omluvou je, že neměl možnost se o svém tvrzení experimentálně přesvědčit. Spektroskopie byla tehdy v plenkách a fotografie v barvách neexistovala. Dnes víme, že aby oko mohlo zaznamenat změnu ve zbarvení hvězd způsobenou vlastním pohybem, musely by vládnout obrovskými rychlostmi okolo desítek tisíc kilometrů za jednu nepatrnou sekundu. Ale ani to by ještě nestačilo. Kdyby se totiž modré paprsky blížící se bílé hvězdy měly změnit ve fialové, červené v infračervené a tak dál, došlo by k posunu u všech barev. Množství složek bílého světla by se však vcelku nezměnilo. Hvězda by našemu zraku svítila stále bíle! Z původního Dopplerova omylu prý vyšel jen jeden ze současných amerických fyziků – Robert Wood, který byl pověstný v mládí svými až nemístnými žerty. Jednou byl přistižen policistou, že projel křižovatkou na červenou. Wood se strážci zákonitého pořádku představil coby známý fyzik a začal ho přesvědčovat, že ke křižovatce přijel zvlášť velkou rychlostí a tím se stalo, že podle Dopplerova principu vnímal červené světlo jako zelené. Udivený muž měl naštěstí jen chabé znalosti fyziky a tak mu pokutu odpustil. Kolegové policisty chtěli mít jasno, a obrátili se na katedru fyziky ve městě. Když odborník dosadil do Dopplerova vzorce rozdíl mezi délkou vlny červeného a zeleného světla vyšlo, že takovou změnu by mohl vidět jen automobilista, který by se k červenému světlu na semaforu blížil přehnaně bondovskou rychlostí 135 miliónů kilometrů za jedinou hodinu. Policisté se rozhodli nakonec Wooda za takový blábol v žertu přece jen potrestat. Vyzvali ho k zaplacení pokuty, ale nikoliv za nerespektování „červené“, nýbrž za „překročení dovolené rychlosti“!

MATEMATIKEM V BÁŇSKÉ ŠTIAVNICI

Po dvanáctileté plodné práci v Praze, která byla až donedávna připomínána i pamětní deskou na budově Nejvyššího soudu v Praze na Karlovo náměstí, přijal Doppler na základě císařského rozhodnutí koncem roku 1847 místo profesora matematiky a mechaniky v Báňské Štiavnici. K této prastaré škole měl císařský dvůr nepokažené vazby už od dob Marie Terezie a Doppler musel nahradit hraběcího předchůdce, matematika grófa Juraje Nyáryho. To, že musel opustit zázemí vědy v Praze, kde byl už od roku 1840 členem Královské české společnosti věd, mu škola vyrovnávala podstatně vyšší mzdou a naturálním bytem. Dne 11. prosince 1847 skládá Doppler služební přísahu a stal se členem akademického senátu 112 let staré školy. Prožil tu tři nepokojná léta v kossuthovském Uhersku. Ani chvilku však nezahálel. Připravil druhé vydání svojí „Aritmetiky a algebry“, která vyšla ve Vídni. Zlákala ho však i pomoc Báňsko-Štiavnickým dolům, které užuž ustupovaly z minulé slávy. Všiml si, že po staletí byly štoly raženy podle kompasu. Podle nákresů v zachovalém archívu Doppler znovu proměřil některé hlavní chodby a tak mohl zjistit cyklus změn deklinace zemského magnetického pole. O výsledcích, které nebyly nezajímavé, připravil spis „O jednom dosud nevyužitém prameni pozorování magnetické deklinace“. O práci se ochotně zajímala jak Císařská akademie ve Vídni, tak Ministerstvo pro lesnictví a hornictví. K vydání však nedošlo. Na poslední moment se zjistilo, že se stejnou myšlenkou přispěchal už kdysi dříve důlní měřič Florian v Bleibergu, který stejně jako Doppler určil cyklus změn magnetické deklinace na 440 plus minus 10 roků. Doppler měl pech – vynalezl, co už před ním bylo vynalezeno. Zanechal však horníčkům praktičtější zlepšovák – optický dálkoměr. V revolučním roce 1848 musela Báňská Štiavnica otevřít brány císařským vojskům vedeným generálem Windischgrätzem. Profesorský sbor se rozpadl a Vídeň povolala Dopplera začátkem roku 1849, aby nastoupil na vídeňskou polytechniku jako profesor praktické geometrie. Ani ne za rok už Doppler založil na Univerzitě fyzikální ústav a byl jmenován jeho ředitelem. Stále víc prosazoval svůj princip v astronomii. Francouzský slovutný fyzik Armand Fizeau totiž právě v tu dobu publikoval názor, že změna vlnových délek světla hvězd by se dala zjistit posuvem spektra. Předpokládal správně, že hvězdy naší soustavy obsahují podobné složení prvků jako Země či Slunce a musejí mít ve svých spektrech tytéž charakteristické čáry. Spektroskopie mezitím pokročila a tak se podařilo prozkoumat alespoň to, že tyto čáry jsou u některých hvězd posunuty směrem k rudému konci, u jiných hvězd zase k fialové barvě. Podle toho v souladu s původní představou Dopplerovou Fizeau prohlásil, že první typ hvězd se od nás vzdaluje, druhý naopak přibližuje. Dosazením do Dopplerova vzorce se usoudilo, že například jasný Sírius se od naší planety každou pidi sekundu vzdaluje o 75 km. Tato hvězda je od nás ovšem tak nesmírně daleko, že ani vzdálení o miliardy kilometrů nijak znatelně nemění její jasnost. Nebýt však Dopplerova jevu, sotva by vědci zjistili, že se pohybuje.

VĚDEC JE KOSTLIVEC SMRTELNÝ – DÍLO JE ŽIVÁ VODA KAPALNÉ KONSTANTY DUŠE

Plicní nemoc Dopplera vysilovala. Bral si stále delší ozdravné dovolené. Po vánocích roku 1852 se vrací do Vídně z léčení v Haliči. Dne 22. Ledna 1852 je i císařský dvůr pozván na jeho slavnostní přednášku ve vídeňské Akademii. Odvolávaje se na Fizeauovy práce nastínil Doppler další vývoj názorů, které vrcholí až v zatím neuvěřitelnou skutečnost, totiž, že naše soustava se rozpíná nesmírnými rychlostmi. Prorocky ubezpečil přítomné: „V budoucnu bude možné na základě mého principu stanovit exaktně dráhy a rychlosti těles nebeských. Žádnými jinými metodami než rozborem světla tyto závratně rychlé pohyby nelze prokázat!“ Krátce na to se jeho zdraví prudce zhoršilo. Vydal se proto na léčení ke slunnému Jadranu a při návštěvě Benátek tu 17. března 1853, přesně před 99 lety před narozením mojí mámy (☼ 18.3.1952 na Šumavě), nemohl dýchat z plných plic ani částici vzduchu.

Dopplerův vědecký odkaz přeběhl svou dobu a teprve dnes kosmologie, astronomie, kosmonautika, atomová a jaderná fyzika a nejnověji i lékařství jeho objev důstojně využívají.

Astronomie byla prvním oborem, v němž došlo k potvrzení Dopplerova principu. Roku 1860 Ernst Mach prokázal, že Dopplerův jev se skutečně vyskytuje v absorpčních spektrech hvězd. William Huggins upřesnil metodu spektrografie roku 1868 do té míry, že se podařilo odlišovat rychlosti pohybu už kolem tři sta metrů za sekundu. Dopplerův jev byl později aplikován na rotacích hvězd a planet na základě posunu čar ve spektrech pozorovaných na jejich různých okrajích. Přišlo na řadu i Slunce. Ukázalo se, že jeho východní okraj se k nám blíží, západní odvrací. Vlastní rychlost povrchu Slunce se povedlo zjistit až se zdokonalenými spektrometry s velkou rozlišovací schopností a podle rozšíření charakteristických čar. Konečně roku 1905 si na své přišla i rodící se atomová fyzika. Johann Stark prokázal Dopplerův jev u takzvaných kanálových paprsků, tedy u svítících iontů, které při elektrických výbojích dosahují rychlost až tisíc km / sec.

Postupně se Dopplerův jev projevil i u velmi krátkých elektromagnetických vln, kromě jiného i u rentgenových paprsků. Největšího významu však nabyl v radiotechnice, radarové technice a kosmonautice.

DOPPLERŮV JEV ZACHRAŇUJE OBRATNOU KŮŽI…

Dnes dokážeme s neobyčejnou přesností měřit a srovnávat kmitočty elektromagnetických vln všeho druhu. Protisrážkové i přistávací radiolokátory jsou založeny právě na téměř 184 let starém Dopplerově objevu učiněném v Praze. Změnu kmitočtu od pohybujícího se předmětu odražených radarových impulsů předvádí srovnávací systém v přesném určení rychlosti letounu či rakety. Poprvé byla tímto způsobem anglickými radary kontrolována rychlost raket V–2, jimiž nacisté bombardovali Londýn. Letouny měří tímto způsobem svou vlastní rychlost na základě odrazu vysílaných vln namířených šikmo k zemi. Ve spojení s počítači mohou radiolokátory tohoto typu řídit automaticky baterie protiletadlových děl. „Doppler“ posloužil při startu prvních kosmických raket, dává signály k automatickému „spojení“ modulů na oběžných drahách.

Tisíce lidských životů již bylo spaseno pomocí mezinárodního kosmického pátracího a záchranného systému Cospas–Sarsat. Jeho družice kontrolují osídlená pásma naší planety a pátrají po signálech havarijních rádio-bójí z topících se kocábek, zřícených letounů i ohrožených horolezeckých výprav. Po zachycení jejich automatického tísňového volání pomocí dopplerova jevu zjistí s vysokou přesností místo havárie a přes pozemní stanice organizují záchranné manévry!

Posledním šlágrem kardiochirurgie je dopplerovský echokardiograf. Přístrojem, který není větší jak domácí chladnička, kterou obsluhuje nejedna Stánička, se na základě rozdílu ve vysílaných a přijímaných impulsech ultrazvukových vln, které tělu nijak neuškodí, umožňuje zviditelnit na obrazovce pohyby a funkci všech částí srdce. Lze dokonce zobrazit i rychlost krevního proudění a jeho průběh a tím diagnosticky přesně stanovit srdeční vadu pacienta vydaného napospas sudičkám srdíčka a lékařům všeobecné hypnotické zdravotní péče. Dopplerovská echokardiografie zachytí při systole zpětný turbulentní proud krve z komory do síně a je s to prokázat nedomykavost chlopní. Aparatury z roku 1988 již zobrazují proudění krve i v barvách. Mnoha generacím lékařů tak starý objev profesora Dopplera splnil sen: mohou nahlížet do srdcí svých nemocných, aniž by je čímkoli ohrožovali…