Jaderný fyzik Robert Hofstadter by letos oslavil 100. výročí narození

Na přelomu 19. a 20. století se zdálo, že klasická fyzika je v podstatě uzavřenou vědou, která umožňuje vysvětlit všechny fyzikální přírodní jevy a vytvořit ucelený obraz světa. V této souvislosti se často citují výroky dvou tehdy slavných a uznávaných vědců – Williama Thomsona alias lorda Kelvina a Wilhelma Röntgena. První z nich v roce 1900 na své přednášce v londýnském Královském institutu hovořil o zahalení jasného fyzikálního nebe pouze dvěma malými obláčky se zdánlivě nenápadnými problémy k řešení. Druhý ještě v období okolo roku 1920, kdy si již teorie relativity a kvantová fyzika razily cestu moderní fyzikou, se do historie vědy zapsal svým výrokem: „Stále mi nejde do hlavy, že musí člověk používat tak zcela abstraktních úvah a pojmů, aby vysvětlil přírodní jevy.“ Obláčků nad klasickou fyzikou však bylo více. O jejich rozhánění se velkou měrou zasloužil i Američan Robert Hofstadter. Výsledky jeho výzkumů, především aplikace elektronové rozptylové metody na studium struktury atomového jádra a jeho částic, představovaly zcela novou etapu ve vývoji jaderné fyziky.

Kvantová fyzika, započatá na přelomu století Planckovým výkladem záření a Einsteinovým výkladem fotoefektu (1905) a formulovaná přes Bohrův empirický model atomu vodíku (1913) přes Heisenbergovou maticovou kvantovou mechanikou (1925) ke Schrödingerově vlnové mechanice (1926), postupně pronikla hluboko do nitra hmoty a poprvé rozumně vysvětlila stabilitu atomů, molekul, pevných látek, později i atomových jader, částic a polí. Tehdy však byly z celého mikrosvěta známy vedle elektronu jen dva nukleony – proton (Rutherford 1918) a neutron (Chadwick 1932), a byly tehdy považovány za elementární, dále nedělitelné částice. V současnosti známe mikročástic mnohem víc a např. nukleony pokládáme za složené z trojic elementárních kvarků.

Na scénu vstupuje Robert Hofstadter
Jméno Roberta Hofstadtera je u nás většinou známo jen úzkému okruhu vědců a techniků. Na rozdíl od některých svých vrstevníků – fyziků židovské národnosti (Born, Meitnerová, Stern, Einstein, Segré, Landau, Franck, Gabor aj.) – byla celá jeho životní cesta přímočará bez větších dramatických momentů. Narodil se 5. února 1915 v nemajetné rodině polských přistěhovalců v New Yorku, kde také vyrůstal a absolvoval středoškolské studium. Navštěvoval veřejnou vysokou školu City College of New York a poté studoval (díky stipendiu poskytnutého General Electric Company) postgraduálně fyziku na Princetonské univerzitě. Zde v roce 1938 získal titul PhD. Ve své absolventské práci se soustředil na infračervená spektra jednoduchých organických molekul, zejména na objasnění struktury kyseliny mravenčí. Bylo mu tehdy 23 let.
Poté přijal nabídku respektované soukromé Pensylvánské univerzity (Penn) ve Philadelphii, kde se podílel na konstrukci obřího van de Graafova generátoru pro jaderný výzkum (1940-1941). Právě zde začal hlouběji studovat jadernou fyziku a přemýšlet o detektorech částic, které by byly nutné pro každé experimentování v této oblasti. Během druhé světové války byl zaměstnán jako fyzik při vývoji pojistek do protiletadlových a jiných dělostřeleckých střel, servosystémů, automatických pilotů a rádiových výškoměrů. V roce 1946 se stal odborným asistentem na univerzitě v Princetonu, kde studoval infračervené paprsky, fotovodivost a krystalové a scintilační čítače. Rok také strávil v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN) se sídlem v Ženevě.

Dráha pedagoga

V roce 1950 přešel na naléhání vedoucího katedry teoretické fyziky Felixe Blocha a děkana fyzikální fakulty Leonarda Schiffa na Standforskou univerzitu jako docent. V roce 1971 se stal řádným profesorem a téměř 35 let zde přednášel fyziku (1950-1985). Rád vyučoval v náročných úvodních kurzech fyziky, kde studenti oceňovali přehlednost jeho přednášek a jednoduchý styl výuky. Postgraduální studenti ho znali jako ochotného, přívětivého a se zájmem o jejich životní podmínky.

Významná ocenění

Během života obdržel mnoho amerických i zahraničních čestných titulů, medailí a dalších vyznamenání. Roku 1958 získal Guggenheimovo stipendium za přírodní vědy (USA, Kanada), roku 1959 se stal v Kalifornii vědcem roku, byl členem Národní akademie věd, Americké filozofické společnosti, Americké akademie umění a věd atd.
Při odchodu na odpočinek ze zdravotních důvodů obdržel Národní vyznamenání za vědu v oblasti fyziky (1986), udělované od roku 1963 osobně presidentem Spojených států na slavnostním ceremoniálu. Rok před tím mu byla udělena německá Röntgenova medaile a Cena kulturní nadace Fiuggi (Itálie). Za přínos v oblasti teoretické fyziky obdržel australskou University of New South Wales stříbrnou Diracovu medaili.
Hlavním oceněním jeho zásadního vědeckého přínosu se však stalo v roce 1961 udělení prestižní Nobelovy ceny za fyziku – „za průkopnické studium rozptylu elektronů na atomových jádrech a s tím souvisejícího objevu struktury nukleonů“. O cenu se podělil s německým fyzikem Rudolfem Ludwigem Mössbauerem (1929-2011 ), který cenu obdržel za výzkumy rezonanční adsorpce záření gama a v souvislosti s tím za objev Mössbauerova efektu (1957).
Dr. Hofstadter byl autorem nebo spoluautorem téměř 400 vědeckých článků a dvou knih. Podobně jako řada dalších amerických laureátů Nobelových cen rád a hojně psal do nejdéle bez přerušení vycházejícího populárně naučného časopisu v USA Scientific American (u nás je k dispozici od roku 2002 jeho česká mutace).
V posledních letech svého života sice pobýval s rodinou na svém ranči v Severní Kalifornii, zde se začal zajímat o astrofyziku a budování dnes již zaniklé observatoře (Compton Gamma-Ray Observatory). Ani tehdy jej neopustil celoživotní zájem o sport a podpora univerzitních atletických týmů. V roce 1942 se oženil s Nancy Givan, se kterou měli tři děti (Dougase, Molly a Lauru) a žili spolu až do Hofstadterovy smrti ve Standfordu 17. listopadu 1990, kdy srdeční infarkt ukončil jeho dlouholetý boj s nemocným srdcem.

Vědecký přínos

V počátcích vědecké činnosti na stanfordské univerzitě navázal na svoji disertační práci a zkoumal infračervené světlo molekul různých organických látek, poté se zabýval problémem fotoelektrické vodivosti willemitových krystalů (silně fluorescentní minerál, křemičitan zinečnatý, nově nalezený také v podzemí Jihlavy), přičemž objevil složité proudy, které potvrdily existenci obalového stavu v krystalech. V následujících letech intenzívně pracoval na konstrukci elektroměrů na měření krystalových proudu a studoval Comptonův jev, objevený americkým fyzikem A. H. Comptonem v roce 1922 (fyzikální děj, při kterém se po srážce elektromagnetického záření s atomy pevné látky mění vlnová délka záření v důsledku předání části své energie atomům nebo jejich elektronům).
Velkou pozornost věnoval vývoji scintilačních počítačů, jejichž princip spočívá v tom, že když na scintilátor (krystal) dopadne elektricky nabitá částice, vyzáří se světelné kvantum. To má vlnovou délku odpovídající krátkovlnné anebo ultrafialové části spektra. Dopadne na katodu fotonásobiče (poskytujícího extrémně vysokou citlivost a rychlou odezvu při měření velmi malých hodnot světelných veličin), který je promění na napěťový impuls. Ten je úměrný energii původních dopadajících částic nebo fotonů. Hofstadter také objevil, že nejvhodnějším scintilátorem pro scintilační počítače jsou monokrystaly jodidu sodného (NaI) aktivované thalliem. Neustálým zdokonalováním tohoto zařízení (tvořeného scintilátorem, fotonásobičem a registračním zařízením) vypracoval rozptylovou metodu, jejíž pomocí popsal elektromagnetickou strukturu protonů a neutronů. V letech 1955-1958 bombardoval na lineárním elektronovém urychlovači Mark III protony a neutrony svazkem rychle letících elektronů a zjistil, že hmotnost, elektrický náboj a magnetický moment nejsou rozděleny uvnitř těchto částic rovnoměrně - že tedy tyto nukleony mají vnitřní strukturu.
Pro potřeby měření délky v jaderné a částicové fyzice navrhl v roce 1950 název „fermi“ pro 10 –15 m (podle SI femtometr, značka fm, 1 fm = 10 –15 m) podle jednoho ze zakladatelů jaderné fyziky italského fyzika Enrica Fermiho (1901-1954).

Na závěr pro úplnost dodejme, že Hofstadterův syn Douglas R. Hofstadter (nar. 1945) je docentem počítačové vědy na prestižní katolické univerzitě ve státě Indiána u South Bendu (University of Notre Dame du Lac). Studoval fyziku a matematiku, ale jeho zájmy se posléze dlouhodobě vyvíjely přes logiku, metamatematiku, informatiku a kognitivní vědy až k mezioborovému zkoumání podstaty vědomí a inteligence. V roce 1979 vyšla ve Spojených státech poprvé jeho mimořádná kniha „Gödel, Escher, Bach: Metaforická fuga na téma vztahu myšlení a strojů“, GEB, která autorovi vynesla již roce 1980 prestižní ocenění – Pulitzerovu cenu za populárně naučnou literaturu. Kromě GEB napsal Hofstadter ještě publikace „The Mind's I“, což je antologie science-fiction a úryvků se složitým matematicko-filozofickým komentářem, a knihu „Metamagical Themas“. Zdařilý překlad obsáhlé GEB (832 stran) a čtenářsky i finančně náročné publikace vydalo v roce 1982 nakladatelství ARGO/DOKOŘÁN.

Zdroje

aldebaran.cz/famous/people/Hofstadter_Robert.php
arganseed.com/robert-hofstadter
cs.wikipedia.org/wiki/Atom
cs.wikipedia.org/wiki/Kategorie:Nositelé_Nobelovy_ceny
Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Bratislava 1971.
en.wikipedia.org/Wiki/Robert_Hofstadter
nobel-winners.com/Physic/robert_hofstadler.html
Sodomka, L. aj.: Kronika Nobelových cen. Praha 2004.
Štoll, I.: Dějiny fyziky. Praha 2009.
Weinlich, R.: Laureáti Nobelových cen za fyziku. Olomouc 1998.
www.cum.info/elem/elemcz.htm