Dobrodružství na stupnici: Z nuly na sto v podání Anderse Celsia

Pokládáme dnes za zcela přirozené, že voda mrzne při 0 °C a vaří při 100 °C. Jak se přihodilo, že teplota mrznutí a varu vody má právě tyto hodnoty?

Rodina učenců

Anders Celsius se narodil 27. listopadu 1701 ve švédské Uppsale do rodiny, jež si velmi cenila vědy a vzdělání. Jeho otcem byl profesor astronomie na Uppsalské univerzitě Nils Celsius, dědečkem z otcovy strany astronom a matematik Magnus Celsius a dědečkem z matčiny strany jiný významný uppsalský matematik a astronom Anders Spole. K vědě tíhli i jiní členové rodiny Celsiů, kupříkladu Andersův strýc Olof, který se věnoval zejména botanice a byl učitelem zakladatele binomické nomenklatury Carla Linného, rovněž působícího na Uppsalské univerzitě. Takové prostředí bylo jistě stimulující, byť na mladého Anderse zároveň vyvíjelo nemalý tlak ohledně jeho budoucí kariéry. Vypořádal se s tím však znamenitě.

Již během studia na Uppsalské univerzitě projevoval značné matematické nadání a v duchu rodinné tradice se zabýval zejména astronomií a fyzikou. Po úspěšném dokončení studií nebylo pochyb, že i on svůj život zasvětí vědě. V roce 1728 začal jako suplující přednášející zaskakovat za profesora matematiky Samuela Klingenstierna. Zlom přišel o dva roky později, kdy Celsius dostal nabídku stát se profesorem astronomie na své alma mater, kteroužto pozici už dříve vykonávali jeho děd i otec a již bez váhání přijal.

Mezi lety 1732 a 1736 Celsius hodně cestoval a navštívil řadu evropských, zejména německých a italských měst, včetně jejich observatoří. Během těchto výprav se věnoval astronomickým pozorováním, zároveň však navazoval kontakty s mnoha předními astronomy. Rozhodující byla jeho návštěva Paříže koncem roku 1734, neboť hlavní město Francie představovalo jedno z astronomických center tehdejšího světa. 

Před Francouzskou akademií věd vystoupil s několika přednáškami a seznámil se s francouzským přírodovědcem Pierrem de Maupertuisem. Ten se zabýval otázkou tvaru zeměkoule a Akademie věd se zrovna chystala vypravit dvě expedice, jež měly na základě přeměřování poledníkových oblouků (vzdálenost mezi dvěma body ležícími na témže poledníku), jednou provždy rozřešit, jestli má Země zploštělý tvar, jak tvrdil právě Maupertuis, nebo naopak tvar protáhlý, což zastával například Jacques Cassini, syn slavného italsko-francouzského astronoma Giovanniho Cassiniho.

Expedice na rodnou hroudu

První expedice měla poledníky přeměřovat poblíž rovníku a vypravila se do jihoamerického Peru. Druhá, vedená Maupertuisem, byla naopak vyslána blíže k pólu, konkrétně na sever Švédska, a doslova se tak nabízelo, aby se k ní přidal i výtečný počtář, astronom a rodilý Švéd Celsius. K expedici se připojil v severofrancouzském Dunkerku v dubnu 1736 a v létě téhož roku se skupina badatelů vydala do města Tornio, které dnes leží na švédsko-finské hranici. Měření probíhala poblíž severojižně orientované řeky Torne a výzkumníci zde zůstali celý rok. Po návratu do Paříže v létě 1737 Maupertius přednesl akademii věd výsledky, k nimž expedice dospěla a které jednoznačně podporovaly myšlenku, že Země je na pólech zploštělá, což ostatně tvrdil už Isaac Newton. 

V literatuře se často objevuje otázka, jak významnou roli hrál Celsius nejen v expedici, ale vůbec v debatě o tvaru Země. Vzhledem k mnoha zkušenostem s různými astronomickými přístroji se na měřeních bezpochyby aktivně podílel, čemuž jednak nasvědčují i dochované dopisy účastníků výpravy, jednak skutečnost, že stejně jako oni získal Celsius za účast na expedici od francouzského krále roční rentu 1 000 franků. Celsius byl rovněž aktivní během následných mezinárodních debat o tvaru planety a vydal několik spisů, v nichž upozorňoval na důležitost určení skutečného tvaru Země a pečlivě vyvracel námitky proti výsledkům dosaženým severní expedicí. 

Účast na podniku měla pro jeho vědeckou činnost i hlubší význam, neboť mu krom řady důležitých kontaktů vynesla i mezinárodní reputaci, a v důsledku tak pozvedl i úroveň uppsalské astronomie. S přispěním francouzských kolegů dokonce začal shromažďovat různé astronomické přístroje s cílem zřídit ve svém rodném městě moderní observatoř. Tu dokončil v roce 1741 a mohl se začít plně věnovat svým vědeckým plánům, například zkoumání magnetického pole Země, pozorování komet či Jupiterových měsíců a řadě jiných astronomických otázek. Nepřízní osudu ovšem měla práce v nové observatoři jen krátkého trvání.

Měření teploty

Celsiovy vědecké zájmy se netýkaly pouze astronomie, což koneckonců dosvědčuje i fakt, že s tímto oborem si jej dnes spojí málokdo. Pro většinu z nás je Celsius především autorem nejrozšířenější teplotní stupnice. Ta se však nezrodila ve vzduchoprázdnu. První přístroje pro relativní měření teploty (takzvané termoskopy) fungující na bázi roztažitelnosti plynů či kapalin, nejčastěji alkoholu a později rtuti, se začaly objevovat již v 16. a 17. století, nicméně každý fungoval na odlišném principu a dosažené hodnoty nebylo možné nijak porovnávat. To se mělo změnit vytvořením pevně daných stupnic kalibrovaných podle jasně definovaných fixních bodů. Do této činnosti se závisle i nezávisle na sobě pustila celá řada badatelů, a tak v polovině 18. století existovalo kolem 30 teplotních stupnic. Většina z nich zanedlouho zanikla a zachovaly se jen Fahrenheitova, Réaumurova a Celsiova, jež později doplnila Kelvinova.

Klíčovou otázkou bylo, jak teplotní stupnici standardizovat, aby byla opravdu všeobecně platná, tedy aby ji bylo možno číst bez ohledu na to, kde měření probíhá a kdo je provádí. Bylo potřeba najít nějaký definiční neboli fixní bod, který by byl neměnný a zároveň snadno dosažitelný.

Objevily se různé návrhy, jako třeba tělesná teplota zdravého člověka, teplota varu vody či teplota v hlubokých sklepích, například těch pod francouzskou observatoří, jež byla pozoruhodně stabilní (přibližně 12 °C). Obecně se potom nabízely dva přístupy, jak stupnici s využitím fixních bodů kalibrovat. Stupnice mohla mít buď jediný fixní bod, jak tomu bylo třeba v případě té Réaumurovy, nebo body dva, kterýžto postup zvolil Fahrenheit či právě Celsius. Druhý jmenovaný si za fixní body vybral teplotu tuhnutí (nebo též teplotu mrznutí/tání) vody a bod varu vody, a to patrně i pod vlivem francouzského astronoma Josepha-Nicolase de L’Isleho, jenž v té době sídlil v Petrohradu a s Celsiem otázky týkající se teplotní stupnice několikrát diskutoval.

Nová stupnice

Celsius, který pracoval se rtuťovým teploměrem, provedl celou řadu experimentů, aby zjistil, zda jsou zvolené body skutečně neměnné, což v té době rozhodně nebyla myšlenka zcela samozřejmá. V případě měření bodu tání teploměr ponořoval opakovaně do tajícího sněhu a zjistil, že dosažená hodnota je skutečně vždy stejná, a co bylo ještě důležitější, neměnila se ani za odlišných podmínek, například při vyšším tlaku vzduchu. Stejně tak, už během výše vylíčené expedice, určil, že bod tání zůstává stabilní i s měnící se zeměpisnou šířkou, což naznačovalo, že se skutečně jedná o univerzální fixní bod.

Poněkud složitější byla situace u bodu varu vody. I v tomto případě se Celsius pustil do neúnavného experimentování, přičemž ukázal, že v podstatě nezávisí na zdroji použité vody, nicméně podobně jako již dříve Fahrenheit dospěl k závěru, že na teplotu, kdy se voda začne vařit, má vliv atmosférický tlak a sérií pokusů se mu tento vliv podařilo až s pozoruhodnou přesností kvantifikovat. I teplotu varu vody tak nakonec pokládal za vhodný fixní bod, byť s podmínkou, že je nutno přesně stanovit výšku rtuťového sloupce, potažmo hodnotu atmosférického tlaku, za kterého měření probíhá, a vytvořil tedy tabulku uvádějící, jak tento vliv započítat. Podrobnou zprávu o svých měřeních Celsius zveřejnil ve spisu publikovaném v roce 1742.

V té době však Celsiova stupnice ještě nevypadala tak, jak ji známe dnes, jelikož její autor stanovil teplotu tání jako 100 ° a teplotu varu jako 0 °. Tím se chtěl vyhnout záporným hodnotám, což byl problém, jenž trápil i tvůrce jiných stupnic. Například Rømer a později i Fahrenheit proto své stupnice začínali od tehdy nejnižší uměle dosažitelné teploty, kterou poskytovala směs soli a ledu či sněhu (přibližně minus 18 °C). Otázkou, kolem které dodnes není zcela jasno, zůstává, jak se stalo, že se Celsiova stupnice převrátila do své současné podoby s bodem tuhnutí/tání vody na hodnotě 0 °C a bodem varu na 100 °C.

Za jednoho z autorů převrácené stupnice bývá považován švédský botanik Carl Linné, ale patrně mylně, byť na Uppsalské univerzitě v roce 1745 skutečně představil stupnici s počátkem (nulou stupňů) v bodu tuhnutí vody, jelikož mu taková stupnice přišla praktičtější než ta původní. Tuto myšlenku však zřejmě převzal od výrobce nástrojů Daniela Ekströma, leč za převrácením Celsiovy stupnice mohl stát i švédský astronom Mårten Strömer, který po Celsiovi převzal pozici profesora astronomie na Uppsalské univerzitě, popřípadě někdo zcela jiný. Jisté každopádně je, že už koncem čtyřicátých let 18. století se Celsiova stupnice běžně používala ve své nynější podobě.

Toho už se však Celsius nedočkal, protože dne 25. dubna 1744 ve věku nedožitých třiačtyřiceti let zemřel na tuberkulózu, jež přerušila jeho slibně se rozvíjející vědeckou kariéru. Zajímavostí může být, že v jeho nekrologu vydaném Královskou švédskou akademií věd nebylo o teploměru ani zmínky, neboť se tehdy tato problematika pravděpodobně nepovažovala za nějak zvlášť důležitou.