Felix Bloch u zrodu magnetické rezonance

Letos uplyne 110 let od narození amerického fyzika švýcarského původu Felixe Blocha, který přispěl ke vzniku moderní metody magnetické rezonance – MR či MRI (z ang. „magnetic resonance imaging“). O prvním takovém přístroji u nás se dočtete zde: http://www.cesradiol.cz/dwnld/CesRad_1704_243_259.pdf.

Jméno amerického teoretického fyzika švýcarského původu Felixe Blocha, od jehož narození letos uplynulo 110 let, patří v současnosti již k méně známým. Svými teoretickými pracemi v oblasti nukleární magnetické rezonance se však tento vědec významně podílel na hlubším poznání struktury atomového jádra a především přispěl ke vzniku moderní metody lékařské diagnostiky – magnetické rezonance (dále MR). MR využívá silné magnetické pole a elektromagnetické vlnění s vysokou frekvencí (s frekvencemi v řádu desítek až stovek MHz). Tato zobrazovací technika se dnes již téměř běžně používá v řadě zdravotnických zařízení k zobrazení vnitřních orgánů lidského těla. U nás byl tento diagnostický přístroj poprvé instalován v IKEM v r. 1987, další ve FN na Královských Vinohradech v Praze v r. 1989 a v pražské Nemocnici na Homolce v roce 1995.

Od studia strojního inženýrství na Eidgenössische Technische Hochshule

Felix Bloch se narodil v Curychu 23. října 1905 v židovské rodině Gustava a Agnes Blochových. Protože chtěl být již od mládí strojním inženýrem, začal po absolvování veřejné základní školy (1912-1918) a středoškolských studií na místním kantonálním gymnáziu, ukončených v roce 1924 maturitní zkouškou, navštěvovat tento studijní obor na Švýcarském federálním technologickém institutu (Eidgenössische Technische Hochshule Zürich– ETH) ve svém rodišti. Po roce však přešel na studium čisté matematiky a fyziky, kde navštěvoval přednášky a semináře světově proslulých fyziků, chemiků a matematiků, většinou nositelů Nobelových cen, jako byli chemik P. Debye, matematik H. Weyl a fyzikové F. Scherrer a E. Schrödinger.

Mezi jeho spolužáky na seminářích patřil také budoucí slavný americký matematik maďarského původu John von Neumann (1903-1952). Již tehdy byla ETH jednou z nejlepších univerzit na světě. Dnes je spojena se jmény více než 20 laureátů Nobelových cen, bývalých studentů a profesorů (nejznámější z nich je Albert Einstein).

Doktorát filozofie

V roce 1927 Felix Bloch odešel studovat na univerzitu v Lipsku k profesorovi teoretické fyziky a vedoucímu fyzikální katedry W. Heisenbergovi. Zde pod jeho vedením získal po úspěšné obhajobě disertační práce věnované kvantové mechanice elektronů v krystalech v roce 1928 titul doktora filozofie. Zůstal věrný evropské akademické sféře a v následujících letech díky různým stipendiím a místům asistentů studoval u Wolfganga Pauliho v Curychu, Nielse Bohra v Kodani a Enrika Fermiho v Římě. Vrátit se na svou alma mater v Lipsku, kde měl zajištěno místo docenta, však již nestačil. S ohledem na svůj židovský původ prozíravě ihned v roce 1933 po nástupu Hitlera k moci Německo opustil.

Již od studentských let ho zajímala teoretická fyzika

Blochova vědecká činnost v teoretické fyzice má své počátky – díky jeho excelentnímu a univerzálnímu přírodovědnému vzdělání – již ve studentských letech. Nejdříve se zabýval kvantovou mechanikou elektronů a krystalů a teorií vodivosti kovů, poté zkoumal stabilní stav a brzdicí síly v nabitých částicích.

Ve Spojených státech amerických, kam emigroval a kde v roce 1939 získal americké občanství, byl jmenován prvním profesorem teoretické fyziky na soukromé Stanfordově univerzitě v Palo Alto v Kalifornii (nyní přímo v srdci Silicon Valley). Teoretické fyzice kromě několika přerušení zůstal věrný po celý produktivní věk – počátkem svého působení vypracoval teorii magnetismu a kvantovou pásovou teorii pevných látek a poté se věnoval magnetickým měřicím metodám magnetických momentů elementárních částic, a tím i jader atomů, což využil při měření magnetických momentů volných neutronů. V roce 1939 společně s Luisem Walterem Alvarezem (1911-1988) určili na cyklotronu v Berkeley magnetický moment neutronu s téměř jednoprocentní přesností a později ještě zdokonalili jeho měření.

Walter Alvarez

K osobnosti Waltera Alvareze připomeňme, že se ve vědeckém fyzikálním světě považuje za průkopníka tzv. druhé epochy moderní fyziky, která začala v polovině minulého století dalším výzkumem elementárních částic. Právě za přínos v této oblasti obdržel v roce 1968 Nobelovu cenu za fyziku. V letectví se proslavil vynálezem zaměřovacího přístroje pro bombardovací letadla na válečných letadlových lodích a zařízením, které se dodnes používá na letištích k navádění letadel na přistávací dráhu. Patřil však také k hlavním inspirátorům a organizátorům výroby první vodíkové bomby a vynaložil mnoho úsilí na přesvědčení americké vlády o nutnosti zkonstruovat tuto superbombu.

Práce na projektu Manhattan

V průběhu druhé světové války Bloch pracoval, jako většina významných amerických vědců, v Los Alamos Laboratory na historickém projektu Manhattan, který vedl nejen ke vzniku první atomové bomby, ale i k prvnímu jadernému reaktoru. Podílel se na výzkumu jaderné energie a zkonstruoval složitou a přesnou spoušť atomové bomby. Spolupracoval také na projektu radaru na Harvardově univerzitě. Není bez zajímavosti, že značná část Blochovy vědecké činnosti úzce souvisí s prací jeho manželky, talentované doktorky Lory Mischové. Jako židovku i ji postihnul osud emigrantky z nacistického Německa. Nejdříve na Stanfordově a později na Harvardově univerzitě společně pracovali na zmíněném vývoji obranných radarů a po válce se oba věnovali elektronice a výzkumu jaderných momentů.

Výzkum magnetické indukce a nukleární magnetické resonance

Po ukončení války se v roce 1945 vrátil do Stanfordu a soustředil se na výzkum magnetické indukce a nukleární magnetické resonance (NMR), představující fyzikální princip magnetické resonance (MR, MRI). NMR využívá skutečnost, že protony stejně jako neutrony mají určitý vlastní moment, tzv. spin (vnitřní moment hybnosti), díky němuž získává celé atomové jádro určitý magnetický moment. V roce 1946 uveřejnil tzv. Blochovy rovnice. Jeho jméno nesou také pojmy: Blochovy okrajové podmínky, Blochova vlnová funkce, Blochův teorém a Blochova koule.

Ve spolupráci s americkými fyziky W. W. Hansenem a M. E. Packardem docílil Bloch jaderné indukce, které je třeba ke studiu jaderných momentů v pevných tělesech, kapalinách a plynech. Za vypracování jemnějších a přesnějších metod měření magnetických momentů atomových jader mu byla v roce 1952 společně s americkým fyzikem a profesorem na Harvardu Edwardem Millsem Purcellem (1912-1952) udělena Nobelova cena za fyziku. Dalším Blochovým oceněním bylo mimo jiné udělení Guggenheimova stipendia za přírodní vědy.

V letech 1954-1955 se stal prvním ředitelem Evropského střediska jaderného výzkumu CERN, budovaného od roku 1950 v Ženevě. V 60. letech 20. století byl také konzultantem a vedoucím doktorského studia, např. budoucího profesora fyziky na University of California, Carsona D. Jeffriese. Mezi jeho spolupracovníky a osobní přátele patřilo mnoho nejproslulejších teoretických i experimentálních fyziků první poloviny 20. století: Niels Bohr, Werner Heisenberg, Edward Teller, Hans Bethe, Lev Davidovič Landau, Robert Oppenheimer, Emilio Segré a také český teoretický fyzik světového významu Georg Placzek (1905-1955), jediný čs. občan, který se ve vedoucí pozici zúčastnil amerického projektu Manhattan a stal se očitým svědkem prvního pokusného výbuchu atomové pumy v Novém Mexiku.

Felix Bloch zemřel v Curychu, 10. září 1983 ve věku 77 let.