Zkáza letu Challenger STS-51-L nebyla bohužel jedinou tragédií programu raketoplánů. Když se v únoru 2003 při přistání rozpadl raketoplán Columbia vracející se z mise STS-107, rozběhlo se důkladné vyšetřování. Podobně jako o 17 let dříve, i v tomto případě byl členem vyšetřovací komise špičkový fyzik a nositel Nobelovy ceny. Jmenoval se Douglas Osheroff. Na rozdíl od Richarda Phillipse Feynmana, velmi dobře známého i lidem mimo fyzikální obec, Douglas Dean Osheroff byl a stále je většině lidí prakticky absolutně neznámý. A to je škoda, neboť obohatil svůj obor i náš život o velmi zajímavé a důležité poznatky. Proto si dnes tohoto význačného muže podrobněji představíme.

Douglas Dean Osheroff (* 1945)

Douglas D. Osheroff se narodil těsně před koncem druhé světové války v malém městě Aberdeen ve státě Washington, jehož jediným světoznámým rodákem je legendární frontman skupiny Nirvana Kurt Cobain. Otec William byl synem židovských imigrantů z Ruska, matka Bessie Anne (rodným jménem Ondov) dcerou uprchlíků ze Slovenska. Má čtyři sourozence.

Douglas při fotografování v oblasti Big Sur v Kalifornii
Zdroj: upload.wikimedia.org

Jeho dědeček aktivně působil v luteránské církvi, Douglas sám sice podstoupil obřad konfirmace, později se však od organizovaného náboženství odklonil. Přišlo mu, že na jednu stranu věci pronášené v kostele nejsou zcela pravdivé, na druhou stranu prostředí kostela vyvolávalo pocit nejméně vhodného místa pro lhaní. Tento rozpor mu nebyl příjemný. Představu Boha v určitém smyslu přijímá, netuší však, jak by se mohl Bůh v našem světě projevovat.

Většina rodinných příslušníků se věnovala lékařství, pro Douglase by však něco takového nepřicházelo v úvahu. „Dodnes se pohledu na krev děsím,“ poznamenává. S otcem sdílel alespoň společné koníčky, zejména zahradničení a fotografování.

Již od mala jej ale nejvíce fascinovaly přírodní vědy. Doma prováděl se svolením a podporou rodičů řadu pokusů, první již ve věku pěti let. Některé pozdější experimenty ovšem začaly být dosti nebezpečné. Jednou kupříkladu prostřelil zepředu nabíjenou puškou dvě stěny. Jindy mu vybuchla skleněná láhev, v níž míchal karbid vápníku s vodou za vzniku acetylenu, a jen zázrakem se vyhnul zasažení oka letícími střepy. Zbytek jeho obličeje takové štěstí neměl a vyžádal si odborný zásah rodiče lékaře. Jak prohlásil sám Douglas: „Jsem jedno z dětí, u nichž je velké štěstí, že dětství vůbec přežilo.“

Richard Feynman vyučuje
Zdroj: https://physicsworld.com/

Přestože jej zajímaly přírodní vědy obecně, vynikal na střední škole především v chemii a fyzice. Velkou zásluhu lze přičíst, podobně jako v případě mnoha dalších významných vědců, skvělému učiteli, který Douglasovi výrazně pomohl s rozvojem nadějné kariéry. Douglas neměl rád srovnávání se svým starším bratrem, úspěšným sportovcem ze Stanfordovy univerzity, rozhodl se tedy nastoupit k vysokoškolskému studiu na Kalifornský technologický institut (Caltech) v Pasadeně, přičemž přijímací řízení úspěšně složil i na dalších sedmi školách.

Caltech, prestižní vzdělávací instituce na jihu Kalifornie, alma mater mnoha předních fyziků, se Douglasovi zdála být skvělým místem pro start vědecké kariéry. Jeho život se zde protnul s Richardem Feynmanem, úspěšným a slavným fyzikem, o němž jsme si povídali v minulém článku. Měl štěstí, že se mohl účastnit Feynmanova úvodního kurzu fyziky, z nějž vzešly proslulé Feynmanovy přednášky z fyziky (Feynman se uvolil tento kurz přednášet jen jednou v průběhu svého života). „Nemohu tvrdit, že jsem rozuměl všemu, co Feynman říká, protože jeho sady příkladů byly velmi náročné, ale myslím, že kurz nejvíce přispěl k rozvoji mé fyzikální intuice,“ vzpomíná na Feynmanův výklad.

Studium na Caltechu bylo pro Douglase dosti náročné a uznává, že by možná nevydržel, nebýt setkání s Gerry Neugebauerem a jeho skupinou zaměřenou na infračervenou astronomii (Neugebauer byl jedním z klíčových mužů sondy Infrared Astronomical Satellite – IRAS). Díky nim si připomněl, jak uspokojivý a důležitý vědecký výzkum může být.

Gerry Neugebauer
Zdroj: pnas.org

O něco později se, podobně jako Feynman, začal zaobírat fyzikou nízkých teplot. Především pak supratekutostí, v čemž jej ovlivnili hlavně David Goodstein, Don McCullum a Walter Ogier. Když mu o mnoho let později nabízeli práci na Caltechu, poukázal na svou studentskou minulost, při níž, dle svých slov, úplně neexceloval. Předseda fyzikální sekce odvětil: „To je v pořádku Douglasi, my Vás přece nechceme najmout jako studenta.“

Na rozdíl od Feynmana, který z Cornellovy univerzity odešel na Caltech, zamířil Osheroff po zisku titulu B.Sc. (1967) opačným směrem „co nejdále od Pasadenského smogu.“ Magisterské studium již absolvoval pod vedením Davida Leeho, šéfa Laboratoře atomové fyziky a fyziky pevných látek, ve městě Ithaka (stát New York) obklopeném krásnou přírodou s mnoha kaňony, řekami a vodopády. Právě tady potkává Phyllis Liu, studentku biochemie původem z Tchaj-wanu, s níž se roku 1970 ožení. Pár nemá žádné děti a v manželství šťastně žijí dodnes.

Několik měsíců po svatbě přichází Douglasova hvězdná chvíle, průlom právem hodný Nobelovy ceny. Abychom ale plně docenili důležitost a zajímavost tohoto objevu, musíme si nejprve udělat stručný exkurz do fyziky nízkých teplot a k heliu, jednomu z nejzajímavějších chemických prvků.

Helium a fyzika nízkých teplot

Heike Kammerlingh-Onnes
Zdroj: upload.wikimedia.org

Druhý nejběžnější prvek ve vesmíru, vznikl převážně v období prvotní nukleosyntézy na počátku vesmíru (přesněji zde vznikla pouze jádra atomů, elektrony tvořící atomární obaly byly zachyceny později). Lidé (Pierre Janssen a Joseph Lockyer) jej objevili ale až roku 1868 ve spektru Slunce. Na Zemi je totiž helium, vzhledem ke své nízké hmotnosti a reaktivitě, velmi vzácné. Izolováno z minerálů bylo ještě o 27 let později chemiky Perem Clevem, Nilsem Langletem a Williamem Ramsayem, držitelem Nobelovy ceny za chemii (1904).

Práce fyziků a chemiků brzy odhalila, že helium je prvkem skutečně pozoruhodným. V roce 1907 prokázali Ernest Rutherford, laureát Nobelovy ceny za chemii (1908) a Thomas Royds, že jeden z typů ionizujícího záření, záření alfa, je tvořen právě jádry atomů helia-4 (dva protony a dva neutrony).

Hned o rok později vedly k úspěchu experimenty zakladatele fyziky nízkých teplot Heike Kamerlingha-Onnese z Nizozemska (Nobelova cena za fyziku 1913). Ve své laboratoři v Leidenu dokázal ochladit helium na teplotu zhruba 0,9 Kelvinů, tedy velmi blízko k absolutní nule (0 K neboli minus 273,15 °C), čímž helium poprvé v historii zkapalnil (teplota potřebná ke zkapalnění helia-4 je 4,2 K). „Nejchladnější místo na světě se od té doby nachází v Leidenu,“ lakonicky hodnotil Kammerligh-Onnes.

Při dalším výzkumu se pokusil vytvořit z helia pevnou látku, ale bezvýsledně. Až roku 1926 uspěl jeho student Willem Keesom, jak ovšem zjistil, bylo zapotřebí vyššího tlaku (nejméně 25 atmosfér). Helium je totiž jediný prvek, který za běžného atmosférického tlaku nemá pevné skupenství.

Avšak nejzajímavější vlastnost helia, supratekutost, na svoje nalezení teprve čekala. Zasloužili se o něj Pjotr Kapica z Ruska (Nobelova cena za fyziku 1978) a Kanaďané John Allen s Donem Misenerem. Zjistili, že při zchlazení na teplotu 2,17 Kelvinů (kritický bod, nazývaný Bod lambda) a méně vykazuje helium-4 (⁴He) jisté podivuhodné vlastnosti, konkrétně pozorovali protékání kapaliny přes trubice úzké několik setin až tisícin centimetru bez jakéhokoliv měřitelného odporu. O něco později byla pozorována i schopnost téci samovolně do kopce, či rychle protékat velmi úzkými otvory.

Pjotr Leonidovič Kapica
Zdroj: upload.wikimedia.org

Supratekuté helium totiž nemá žádné vnitřní tření, můžeme tak u něj pozorovat například fascinující fontánový jev. Ponoříme-li do helia baňku, která je zdola otevřená a nahoře opatřena svislou kapilárou a dodáme-li současně do této baňky teplo, můžeme pozorovat proud supratekuté kapaliny stříkající z horního konce kapiláry jako z fontány.

Je-li helium umístěno v nádobě, můžeme vidět, jak vyšplhá po stěnách nádoby, které jsou následně pokryty tenkou vrstvou helia tzv. filmem. V této vrstvě teče helium samovolně nahoru a pokud by nebyla nádoba s kapalinou uzavřená, helium by se vyplazilo a uniklo ven. Umístíme-li do supratekutiny kádinku, jež je v ní částečně ponořena, ale její okraj je umístěn nad její hladinou, dojde ke vzlínání helia po stěnách dovnitř kádinky až dokud se hladiny v obou nádobách nevyrovnají.

Navíc má kapalné helium nejvyšší tepelnou vodivost ze všech známých látek, šíří se v něm velmi neobvyklé formy zvuku a zajímavé jsou také kvantové víry, jež jsou dodnes předmětem intenzivního zkoumání. A aby toho nebylo málo, často se říká, že kvantové jevy můžeme pozorovat pouze v mikrosvětě. Supratekutost nám prokazuje, že to není pravda, jde patrně o nejkrásnější příklad makroskopického kvantového jevu. Ale o tom více snad někdy příště.

Teorii supratekutosti pro ⁴He vypracoval roku 1947 legendární sovětský fyzik Lev D. Landau, za éry Stalinských čistek vězněný v Gulagu a propuštěný díky obdivuhodné osobní statečnosti jeho kolegy Pjotra L. Kapicy, který psal dopisy, a dokonce osobně navštěvoval Stalina s Berijou. Po roce snažení vyjednal Landauovo propuštění s argumentem, že právě on jako jediný ze všech sovětských fyziků může supratekutost objasnit, za což bude, dle jeho názoru, jistě udělena Nobelova cena. Stalo se, teorie byla Landauem vypracována a poněvadž byla brzy také potvrzena experimentálně, Lev Davidovič za ni skutečně Nobelovu cenu pro rok 1962 obdržel. Ve stejném roce měl ale bohužel též těžkou autonehodu, s jejímiž následky bojoval až do předčasné smrti o 6 let později.

Helium v supratekuté fázi – z misky umístěné nahoře bude vytékat do spodní nádoby dokud nebude miska prázdná
Zdroj: upload.wikimedia.org

Všechny výše uvedené pokusy byly prováděny s běžným izotopem heliem-4. Tento prvek má ovšem ještě jeden izotop vyskytující se v přírodě. Jde o helium-3 (³He), zajímavé přinejmenším stejně jako helium-4. Vyskytuje se pouze velmi zřídka, na jeden atom ³He připadá asi 10 000 atomů ⁴He. Mimo to má 2 protony a jen jeden neutron a je tak jediným známým přirozeným izotopem (nepočítáme-li vodík-1), který má v jádře více protonů než neutronů.

Mimochodem, domníváte-li se, že jste o heliu-3 již slyšeli, anebo dokonce četli přímo zde na webu Kosmonautix, máte pravdu. O tomto izotopu se občas mluví i v souvislosti s kosmonautikou, zejména pak s ohledem na potenciální těžbu na Měsíci.

A právě u ³He objevili Douglas Osheroff, David Lee a Robert Richardson supratekutost. Zchladili tento izotop až na teploty tisícin Kelvinu a zjistili, že pro teploty nižší než zhruba 0,0025 K vykazuje ³He supratekuté chování.

Fontánový jev u supratekutého helia
Zdroj: aps.org

Supratekutost u helia-3

Udělejme si krátkou exkurzi do částicové fyziky. Částice vykazují důležitou vlastnost známou jako spin, což je kvantová vlastnost bez jakéhokoliv ekvivalentu v makrosvětě. Pro nás je důležité hlavně to, že spin může nabývat poločíselných a celočíselných hodnot a že podle spinu můžeme dělit částice na dva druhy.

Bosony jsou částice s celočíselným spinem (0, 1, 2, …), které mají tendenci se shlukovat a může se jich více nacházet v jednom kvantovém stavu. U fermionů je tomu naopak, mají poločíselný spin (1/2, 3/2, …), neprojevuje se u nich snaha se shlukovat a v určitém kvantovém stavu (skupina pozorovatelných veličin, které plně určují vlastnosti daného systému) se může vyskytovat vždy pouze jeden nerozlišitelný fermion. Tak praví Pauliho vylučovací princip, některým z vás možná známý z hodin chemie, kde se používá analogie kreslení šipek do čtverečků, při reprezentaci zaplňování orbitalů.

Helium-4 má sudý počet částic (2 protony a 2 neutrony v jádře a dva elektrony), spinové momenty dvou elektronů dají dohromady 0, totéž spinové momenty protonů a neutronů, celkový spin je proto 0. Následkem toho jsou atomy ⁴He bosony s relativně snadnou tvorbou supratekuté kapaliny. Naproti tomu helium-3 má lichý počet částic v jádře (dva protony a neutron) plus dva elektrony. Spiny elektronů a protonů sice opět dají dohromady 0. Zbývá ale jeden neutron se spinem 1/2, což pak odpovídá i celkovému spinu atomů ³He. Tyto atomy jsou proto fermiony, což činí vytvoření supratekuté kapaliny velmi obtížné.

Šipky znázorňují, jakým směrem teče supratekuté helium do menší nádoby, až dokud se hladiny nesrovnají. Všimněte si tenké vrstvy helia po stěnách větší nádoby
Zdroj: upload.wikimedia.org

Supratekutina složená z fermionů by teoreticky neměla existovat. Dá se ale vysvětlit tím, že se párují dvojice atomů s opačným spinem. Částice se stejným spinem (například 1/2) mohou mít opačnou orientaci spinu, obvykle nazývanou spin nahoru respektive spin dolů (opět si vzpomeňte na šipky z hodin chemie). Za nízkých teplot se díky vlastnostem krystalické mřížky mohou částice s opačnou orientací spinu spárovat na tzv. Cooperovy páry (Leon Cooper po němž se jmenuje postava ze sitcomu The Big Bang Theory). Kvůli tomu se dvojice fermionů chová jako boson, přesněji pseudoboson, což umožňuje existenci supratekutiny.

Cooperovy páry byly již dříve známy z fyziky pevných látek (zejména teorie Bardeen–Cooper–Schrieffer – BCS z roku 1957), kde byly úspěšně využity pro vysvětlení další fascinující vlastnosti, supravodivosti. V tomto případě se do Cooperových párů spojují elektrony. Očekávalo se proto, že by se BCS fázový přechod mohl uplatnit i v případě jiných fermionů, u nichž by se rovněž mohly tvořit Cooperovy páry, například u atomů kapalného ³He. Teoretické výpočty bohužel udávaly, že teplota potřebná pro vytvoření supratekuté fáze ³He je mimořádně nízká, dokonce nižší, než tehdejší kryogenní technika umožňovala připravit.

Lev Davidovič Landau
Zdroj: nobelprize.org

Naštěstí je ³He zajímavé i z jiných důvodů, našly se proto týmy pokoušející se vytvořit supratekutinu i u tohoto izotopu. Mezi nimi také skupina Davida M. Leeho v čele s Douglasem Osheroffem, pracujícím na tomto problému v rámci své disertace. Na Leeho vzpomíná: „Jeho jemné vedení, pevná jistota a nakažlivý entuziasmus byly velmi důležité pro zdárný průběh pokusů.“ Dalším důležitým článkem týmu byl odborný asistent a již vcelku zkušený experimentátor Robert C. Richardson, jehož účast Douglas hodnotí: „Oceňuji s vděčností mnohé důležité a klíčové Robertovy příspěvky ve všech fázích této práce. Jeho nesobecká účast byla podstatná pro úspěch experimentů.“

K chlazení ³He na extrémně nízké teploty blížící se až jedné tisícině Kelvina použila skupina tzv. Pomerančukovo chlazení v Pomerančukově buňce. Kapalné ³He (teplota potřebná ke zkapalnění ³He je 3,2 K) se při něm stlačuje a postupně přechází do pevného stavu, přitom dochází k pohlcování tepla a tím pochopitelně i k ochlazování helia. Při tomto procesu si skupina v listopadu 1971 povšimla naměření zvláštních nesrovnalostí ve vnitřním tlaku zkoumaného vzorku. Když se přesvědčili, že tyto nesrovnalosti nejsou způsobeny chybou měřících přístrojů a nemohou být vysvětleny jinak, publikovali článek dokazující existenci nové fáze v pevném ³He.

Poté se soustředili na zjištění rozdílů mezi kapalným a pevným stavem. Jednoznačně odlišit je dokázali díky jaderné magnetické rezonanci, jejíž signál je výrazně rozdílný v kapalné, respektive pevné fázi. Douglas si tak mohl v dubnu 1972 do svých poznámek napsat: „Dnes v noci jsem objevil BCS (fázový) přechod v kapalném heliu-3.“ Bez zajímavosti není skutečnost, že článek ve Physical Review Letters byl nejprve odmítnut kvůli jistému recenzentovi, jenž tvrdil, že „systém se nemůže chovat tak, jak autoři tvrdí, že se chová“.

Dva izotopy helia vyskytující se v přírodě, vlevo helium-3, vpravo helium-4
Zdroj: upload.wikimedia.org

Další experimenty brzy potvrdily správnost jejich tvrzení, a tak za tento objev získala trojice fyziků, Lee, Richardson a Osheroff Nobelovu cenu pro rok 1996 (přesné oficiální zdůvodnění je „za objev supratekutosti v heliu-3“)

Sluší se dodat, že teoretické vysvětlení supratekutosti u ³He podal v polovině 70. let špičkový anglický fyzik, pracující v USA, Anthony J. Leggett. Společně s kolegy z bývalého Sovětského svazu Alexejem A. Abrikosovem a Vitalijem L. Ginzburgem, pracujícími na teorii supravodivosti, dostali roku 2003 Nobelovu cenu za fyziku, Leggett právě za vysvětlení supratekutosti helia-3.

Život po velkém objevu

V době objevu supratekutosti u ³He byl Osheroff stále ještě doktorským studentem. Ph.D. titul obdržel v roce 1973. Zásluhou svých význačných výsledků získal pětileté stipendium umožňující práci na libovolných univerzitách dle vlastního výběru. Nicméně již v období kolem přelomu let 1971 a 1972 o jeho služby projevily zájem Bellovy telefonní laboratoře. Původně jej chtěli najmout pro práci na Ramanově spektroskopii (i o ní jste v souvislosti s kosmonautikou pravděpodobně slyšeli), nepřiznal totiž náborářce, že o tomto tématu nic neví.

Fázový diagram helia-4
Zdroj: superfluid.cz

Pohovor v Bellových laboratořích nakonec skončil pro Douglase úspěchem, získal zaměstnání, a místo částečného úvazku dostal rovnou trvalou pozici. Zároveň se nemusel věnovat Ramanově spektroskopii, ale umožnili mu pokračovat ve výzkumu ³He. Navíc manželka Phyllis byla přijata na Princetonské univerzitě, pár se tedy brzy přestěhoval do státu New Jersey, kde obě instituce sídlí.

V Bellových laboratořích strávil dalších 15 let života. Vyhovovala mu velká tvůrčí svoboda, vzpomíná, že jediným požadavkem vedení bylo, aby vykonaná práce byla „dobrá fyzika“. Potkal zde o generaci staršího Philipa W. Andersona, jednoho z nejlepších fyziků pevných látek 20. století, jenž se stal jeho mentorem.

Autoři BCS teorie, zleva John Bardeen, Leon N. Cooper a J. Robert Schrieffer
Zdroj: twitter.com (Augusto Beléndez)

Po svém nástupu na pracoviště se s kolegy věnovali zejména charakteristikám supratekutých fází a snaze více a lépe aplikovat BCS teorii na supratekutiny. Koncem desetiletí začali zkoumat pevnou fázi ³He. Společně s Gerry Dolanem u ní objevili antiferomagnetickou rezonanci, přičemž používali vzorky, které ze supratekuté fáze okamžitě převáděli do pevného skupenství. S Michaelem Crossem a Danielem Fisherem dále provedli důležité výzkumy týkající se struktury pevné fáze ³He.

David Lee (vlevo) a Robert Richardson (vpravo)
Zdroj: news.cornell.edu

Během několikaleté činnosti v Bellových laboratořích obdržel řadu ocenění. Nejprve Simon Memorial Prize (1976), posléze také Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize (1981). Téhož roku získal i cenu nadace manželů Johna a Catherine MacArthurových, dnes velmi prestižní MacArthur Fellowship, přezdívanou „Genius Grant“. Douglas byl vybrán již v prvním roce existence tohoto programu.

Ačkoliv měl Douglas v průběhu let množství nabídek z univerzit, dlouho je odmítal, neboť dle jeho názoru panovala v Bellových laboratořích výborná výzkumná atmosféra. V polovině 80. let však Douglasova manželka Phyllis začala být nespokojená se svou tehdejší pozicí, a protože Douglasovi přece jen začalo scházet učení, dohodli se, že prostředí změní.

Bellovy laboratoře
Zdroj: upload.wikimedia.org

Manželka odešla do soukromé sféry ke společnosti Genentech, Douglas se rozhodoval mezi Stanfordem a Kalifornskou univerzitou v Berkeley (obě v Kalifornii v oblasti Sanfranciského zálivu). Nakonec přijal místo profesora na Stanfordově univerzitě, jelikož její vedení právě usilovně shánělo fyzika zabývajícího se nízkými teplotami.

Anthony J. Leggett
Zdroj: nobelrpize.org

I zde se dále zabýval studiem izotopu ³He, konkrétně jeho fází nazývanou fáze B. Jak bylo totiž zjištěno, existují celkem 3 fáze supratekutého ³He. Výše zmíněná fáze B se vyskytuje v případě nulových nebo malých magnetických polí, teplot a tlaků. Dále rozeznáváme fáze A (za vyšších tlaků teplot a magnetických polí) a A1 (v blízkosti kritické teploty 0,0025 K).

Prostředí na Stanfordu mu víceméně vyhovovalo, učil rád, byť občas měl se studenty problémy. Jeden z nich v hodnocení kurzu napsal: „Osheroff je typickým příkladem hlupáka ze soukromého sektoru, kterého univerzita najímá díky expertíze v nějakém náhodném oboru.“ Navzdory tomuto názoru vyhrál na počátku 90. let cenu pro nejlepšího pedagoga univerzity. Mezi roky 1993-1996 dokonce vedl zdejší fyzikální oddělení. Jakožto milovník fotografie vyučoval kurz Technické aspekty fotografie a přednášel také základní kurz elektřiny a magnetismu či praktika fyziky nízkých teplot.

Krátce před ziskem Nobelovy ceny v srpnu 1996 se Osheroff, Richardson a Lee účastnili konference o fyzice nízkých teplot v Praze. Všichni zde pronesli přednášku a Douglas, jakožto předseda Komise velmi nízkých teplot Mezinárodní unie čisté a aplikované fyziky, celou konferenci uzavíral.

Fázový diagram helia-3
Zdroj: superfluid.cz

O tom, že vyhrál Nobelovu cenu se dozvěděl, když mu o půl třetí ráno zavolali ze Švédska. „Půjdu se na to vyspat,“ oznámil členům komise. Po zisku ceny se pro něj pochopitelně mnohé změnilo, podobně jako u mnoha dalších vědců trávil více času na cestách, přednáškách a konferencích a méně času samotnou vědou, což komentoval: „Tím, že jsem dostal Nobelovu cenu se pravděpodobnost mého dalšího důležitého objevu výrazně snížila.“

Vyšetřování havárie raketoplánu Columbia

Raketoplán Columbia havaroval 1. února 2003 při návratu z vědecké mise STS-107. Ačkoliv se Challenger, na rozdíl od Columbie, rozpadl při startu, obě neštěstí sdílela několik podobností. V obou strojích zahynulo 7 astronautů, z toho dvě ženy. A na palubě obou raketoplánů byl jeden astronaut, respektive astronautka, více sledovaný než ostatní členové posádky. U Challengeru šlo o Christu McAuliffe, učitelku vybranou v rámci programu Učitel ve vesmíru. V případě Columbie se jednalo o prvního občana Izraele ve vesmíru, Ilana Ramona.

Douglas Osheroff jako člen vyšetřovací komise CAIB
Zdroj: history.nasa.gov

Není proto příliš divu, že se při spekulacích o příčinách neštěstí v první fázi uvažovalo nad teroristickým útokem, který byl ale brzy vyloučen jako nepravděpodobný. Probíraly se i možnosti jako chybný úhel sestupu, selhání počítače či únavové zhroucení konstrukce. Avšak podobně jako u Challengeru, první stopa skutečné příčiny nehody byla odhalena již těsně po tragédii na samém počátku šetření. Jedna z kamer sledujících raketoplán při startu odhalila kus izolační pěny odlomený z externí nádrže, který posléze narazil do levého křídla Columbie. Přesněji řečeno, tento záběr byl znám dokonce v době před osudným sestupem do atmosféry, v té době mu ale téměř nikdo nevěnoval zvýšenou pozornost, poněvadž se mělo za to, že nejde o žádný závažný problém.

Ihned po havárii byla administrátorem NASA Seanem O’Keefem sestavena vyšetřovací komise Mishap Investigation Team (MIT), která byla ale za krátko zase rozpuštěna, neboť 2. února byla ustavena meziresortní komise International Space Station and Space Shuttle Mishap Interagency Investigation Board, brzy přejmenovaná na Columbia Accident Investigation Board (CAIB) a zvaná občas také Gehmanova, podle vedoucího panelu, admirála námořnictva armády USA Harolda W. Gehmana.

Záběr ze startu Columbie STS-107. Vlevo je vidět letící úlomek izolační pěny, vpravo oblak kouře po zásahu stroje
Zdroj: researchgate.net (Kelly Carney)

Dalšími členy byli například brigádní generál Duane Deal nebo hlavní inženýr NASA Theron Bradley. Později byla přizvána též Sheila Widnall, expertka na lety v extrémních výškách a konečně měsíc po vytvoření komise, 5. března, se přidávají na přání vedoucího Gehmana poslední tři členové. Jednalo se o astronautku Sally Ride, jedinou osobu účastnící se vyšetřování nehody obou raketoplánů, Johna Logsdona ředitele Space Policy Institute, a především pak hrdinu našeho článku Douglase Osheroffa, jenž svůj výběr do komise zhodnotil: „Je mi ctí, že se domnívají, že mám potřebné znalosti a dovednosti. Také mám však nemalé obavy. Doufám, že mohu komisi přispět a snad najdeme to co je potřeba.“

Srovnání s Feynmanem se ale, i přes podobnost jejich postů a povolání, velmi bránil. „Určitě nejsem žádný Richard Feynman, on byl skvělý fyzik,“ poznamenal. A pokračoval: „Nejsem si jist, zda jsem pro tuto práci nejlepší volbou, ale vynaložím veškeré úsilí.“ Kvůli členství ve vyšetřovacím panelu musel Douglas dočasně opustit vedení své katedry na Stanfordově univerzitě, nahradil jej Robert Wagoner.

6. března se konalo první veřejné zasedání komise. Vyšetřovatelé měli pochopitelně možnost hovořit s odpovědnými pracovníky NASA a dalšími relevantními svědky. Slyšení měli členové komise celou řadu, několika z nich v období mezi březnem a červnem 2003 se zúčastnil i Douglas. Velmi ho zajímala tepelná ochrana raketoplánů, četné poškození destiček a často odpadávající izolace z externí nádrže. A podobně jako o 17 let dříve Feynman, i Osheroff se staral o reálnou bezpečnost raketoplánů v kontrastu s prohlášeními NASA. Argumentoval například, že ztráta třetího orbiteru by mohla vážně ohrozit budoucnost amerických pilotovaných letů do vesmíru a domníval se, že by NASA měla svůj postoj k bezpečnostním otázkám výrazně přehodnotit.

Otvor vzniklý na panelu tepelné ochrany po testovacím zásahu v průběhu vyšetřování tragédie
Zdroj: columbiadisaster.info

Stejně jako v případě Rogersovy komise v roce 1986, byla i komise Gehmanova rozdělena do několika pracovník skupin. Douglas byl členem 3. skupiny, jež měla za cíl prozkoumat nalezené trosky a provést důkladnou technicko-inženýrskou analýzu nehody. Dalšími členy byli James Hallock (vedoucí odboru bezpečnosti letecké dopravy při Ministerstvu dopravy), Scott Hubbard (vedoucí Amesova výzkumného střediska NASA), Roger Tetrault (zástupce společnosti McDermott International) a výše zmíněná Sheila Widnall.

Prošetřovaly se pochopitelně nejrůznější možné příčiny neštěstí, brzy však začala být čím dál pravděpodobnější verze s poškozením tepelné izolace vlivem nárazu izolační pěny uvolněné z externí nádrže. Přístup některých činovníků NASA nápadně připomínal situaci z roku 1986. Vezměme si pro příklad ředitele letů raketoplánů a prohlášení: „Prostě nedává smysl, že by tato událost byla hlavní příčinou tragédie.“ Porušení izolačních destiček bylo totiž pozorováno už dříve, a to i poměrně rozsáhlé, při jednom z letů byly zaznamenány dokonce škody na téměř 400 izolačních destičkách, přesto raketoplán dokázal v pořádku přistát. Mnoho osob vlivem těchto okolností opět aplikovalo nebezpečnou logiku, že to, co vydrželo minule, musí zákonitě vydržet i příště.

Douglas se jako specialista na nízké teploty na tento problém zaměřil podrobněji. Z toho důvodu provedl se svým studentem Jimem Baumgardnerem řadu jednoduchých pokusů, které měly za cíl především pochopit chování izolační pěny a mechanismus jejího lomu. Tyto experimenty byly značně zjednodušené a idealizované, avšak velmi užitečné pro objasnění toho, jak dochází k lámání pěny pod vlivem různých vad, například trhlin či dutin uvnitř pěny.

Douglas Osheroff v laboratoři
Zdroj: nobelprize.org

Pokročilejší pokusy z června 2003 v Southwest Reasearch Institute v San Antoniu (Texas) potvrdily správnost podezření o destruktivním účinku nárazu úlomku izolační pěny pro tepelný štít raketoplánu. K jeho poškození sice skutečně došlo již při předchozích letech, nicméně v tomto případě bylo klíčové zasažení náběžné hrany levého křídla Columbie kusem velkým zhruba 60 x 38 x 7,5 cm při rychlosti 185 až 255 m/s.

Náběžná hrana křídla je kritickým místem stroje a při návratu do atmosféry je právě ona vystavena nejvyšším teplotám. Skrze otvor vzniklý při nárazu izolační pěny proniklo dovnitř konstrukce Columbie rozžhavené plazma, což vedlo k poškození a posléze odtržení křídla a v konečném důsledku k destrukci raketoplánu.

Závěrečná zpráva komise CAIB, respektive její hlavní část, byla vydána v úterý 26. srpna 2003. Obsahovala celkem 29 opatření důležitých pro možnost obnovení letů raketoplánů. Nejzásadnější se týkaly právě tepelné ochrany raketoplánů. Jednalo se zejména o zpevnění a vylepšení tepelného štítu raketoplánů, hlavně v oblasti náběžných hran křídel a podvozku. Dále vyšetřovatelé doporučili vylepšit sledování raketoplánů (a především izolačních destiček) při startu i ve vesmíru, zajistit možnost opravy tepelného štítu ve vesmíru a pokusit se eliminovat odpadávání kusů izolační pěny z velké externí nádrže při startu.

Douglas s manželkou Phyllis na návštěvě Slovenska
Zdroj: galeria.fiit.stuba.sk

Později bylo publikováno ještě několik dodatků. První z nich z října 2003 se věnoval prevenci dalších nehod a podílel se na něm i Douglas společně se Sally Ride a dalšími třemi členy panelu CAIB. Jmenovitě je rovněž podepsán pod dvěma velmi podrobnými katalogy nalezených závad a chyb obsahujícími odhalené nedostatky na samotném orbiteru, na hlavních motorech SSME, urychlovacích stupních SRB i jejich motorech a v neposlední řadě externí nádrži. Na prvním seznamu je soupis poruch důkladně prošetřených během činnosti komise, druhý obsahuje závady zjištěné, ale v průběhu práce vyšetřovatelů nedořešené.

Pozastavení letů raketoplánů nakonec trvalo až do července 2005, kdy se konečně uskutečnil start raketoplánu Discovery STS-114. Tento a dalších 21 letů třech strojů do roku 2011 proběhlo úspěšně. Komise RTF TG vedená astronauty Thomasem Staffordem a Richardem Coveyem měla za úkol dozor nad splněním požadavků komise CAIB. Z 15 předložených opatření bylo zcela provedeno 12, další 3 byly splněny pouze částečně.

Kdybychom měli interpretovat názor samotného Douglase, mohli bychom říci, že k další závažné nehodě nedošlo spíše štěstím a díky poměrně nízkému počtu dalších misí. Jak uvedl v lednu 2004: „Navzdory všemu, co NASA může udělat pro opravu a vylepšení stárnoucích raketoplánů, existuje relativně vysoká pravděpodobnost, že během příštích 10 let dojde k dalšímu katastrofickému selhání.“ Dále komentoval: „Když se podíváte na raketoplány, počet systémů s alespoň jednou chybou je obrovský, přes tisíc. Orbitery stárnou, na místech, které NASA nevidí je koroze a existují také problémy s elektroinstalací.“ NASA si přitom nebyla většiny těchto problémů vědoma, dokud se nezačala vyšetřovat ztráta Columbie, což považoval za mimořádně znepokojivé.

A i když Douglas tvrdil, že nemá stejné schopnosti jako Feynman, lze si povšimnout silné kritiky stejných praktik v NASA, zpochybňovaných nejznámějším členem Rogersovy komise: „Nebezpečná je zavedená kultura v NASA, kdy vedoucí pracovníci nechtějí slyšet od inženýrů nic o tom, že nebude-li vyřešen určitý problém, pravděpodobně se stane něco špatného.“ Ve světle těchto výroků můžeme být velmi rádi, že raketoplány oficiálně dosloužily v roce 2011 bez dalších ztrát na životech.

Po Columbii

Philip W. Anderson
Zdroj: upload.wikimedia.org

Za vlády prezidenta George Bushe mladšího se Douglas výrazně angažoval i ve veřejném životě. Problematiku globálních změn klimatu považoval za velmi důležitou a když viděl, že kabinet tuto oblast ignoruje, stal se členem iniciativy Vědci a inženýři za změnu. Podnikl řadu přednášek a vystoupení, zvolení G. Bushe na druhé funkční období se mu ale odvrátit nepodařilo.

Nepříliš nadšeně se stavěl i k jednomu z proklamovaných důvodů návratu lidí na Měsíci v rámci projektu Constellation, možné těžbě ³He. „Prozatím neexistuje žádný reaktor schopný využít helium-3 jako palivo, a i kdyby existoval, nemusí být vhodný pro pohon kosmické lodi,“ uvedl.

Koncem 0. let a v první polovině 10. let byl Douglas jednou z tváří Honeywell Initiative for Science & Engineering, pod jejíž záštitou proběhlo po celém světě mnoho vystoupení nositelů Nobelovy ceny, převážně za fyziku. Díky projektu navštívil například Indii, kde hovořil v Manipalu na tamním technologickém institutu (zkratka MIT, ale neplést se slavnější organizací v Massachusetts) a znovu se dostal i do Česka.

V březnu 2011 navštívil Brno a na Vysokém učení technickém proslovil dvě přednášky. Nejprve obecnější týkající se vědeckých objevů, ve které zdůrazňoval důležitost odchylek ve vědeckých měřeních a nabádal publikum, aby se nebáli spolupracovat i s odborníky z jiných oborů kvůli novému pohledu na danou problematiku. A neopomenul ani udělal si legraci sám ze sebe: „Hlavně nikdy nikomu neříkejte, že má jistý zisk Nobelovy ceny. Mně to tvrdili již od konce 70. let, takže jsem byl vždy na podzim hodně napjatý, a nakonec velmi zklamaný.“ V následném odbornějším kolokviu hovořil se studenty o supratekutém heliu-3.

Daniel S. Fisher
Zdroj: web.stanford.edu

Krátce na to, v červnu 2012 Douglas konečně zavítal i na oficiální návštěvu země předků své matky, Slovensko. V průběhu týdenního pobytu se podíval do jaderné elektrárny v Mochovcích nebo do Vysokých Tater na místní známou Chatu pri Zelenom plese. Především se však účastnil oslavy 75. výročí založení Slovenské technické univerzity v Bratislavě. V průběhu programu obdržel čestný doktorát a absolvoval několik setkání se studenty.

U našich východních sousedů ale nebyl úplně poprvé, již dříve přijel na Slovensko soukromě. Navštívil příbuzné z matčiny strany a zavítal také do Vysokých Tater. V jednom rozhovoru přiznal, že umí slovensky pouze tři věty: „Pôjdeme spať“ (jednou se dopustil faux pas, když tuto větu řekl svému ruskému studentovi), „Zavri dvere“ a „Daj to preč“. Příkazy, které na něj v dětství křičela matka.

19. února 2013 zemřel jeden z hrdinů našeho příběhu, Douglasův přítel a spoluobjevitel supratekutého helia-3 Robert C. Richardson. Bylo mu 75 let. Na rozdíl od svého kolegy, zůstal Richardson věrný Cornellově univerzitě, od roku 1987 zastával funkci profesora fyziky a na škole působil až do své smrti. V září 2014 nás ve věku 82 let navždy opustil i Gerry Neugebauer, významný astronom a muž do značné míry zodpovědný za rozjezd Douglasova vědeckého bádání.

20. března 2020, v počátku pandemie COVIDu-19, která ochromila celý svět, skonal Philip W. Anderson, Douglasův kolega z Bellových laboratoří a jeden z nejvýznamnějších světových odborníků na fyziku pevných látek. Sám získal Nobelovu cenu pro rok 1977 „za zásadní teoretické výzkumy elektronové struktury magnetických a neuspořádaných systémů“, nicméně podílel se i na celé řadě dalších významných objevů. Dožil se krásných 96 let.

David M. Lee stále žije, v lednu oslavil 90. narozeniny. Naživu je i Anthony J. Leggett, jemuž bylo v březnu 83. Z trojice autorů BCS teorie je mezi námi již jen Leon Cooper, kterému bylo v únoru 91. Robert J. Schrieffer zesnul v červenci 2019 (88 let), John Bardeen, z celé trojice nejdříve narozený, odešel z tohoto světa v lednu 1991 (82 let).

Douglasův mladší spolupracovník Daniel S. Fisher se vypracoval na fyzika světové extratřídy, především v oblasti teoretické fyziky a statistické mechaniky. Roku 2013 obdržel prestižní cenu Larse Onsagera, udělovanou Americkou fyzikální společností.

Členové vyšetřovací komise CAIB jsou mezi námi zatím všichni s výjimkou Rogera Tetraulta (zemřel v lednu 2020) a Sally Ride (zemřela v červenci 2012).

A co sám Douglas? 1. srpna letošního roku oslaví své 76. narozeniny. Na Stanfordově univerzitě ve městě Palo Alto v Kalifornii působí dodnes, byť aktuálně již zastává post emeritního profesora (od roku 2017). Na rozdíl od ČR, kde jsou profesoři jmenováni doživotně, v USA je tento titul vázaný na místo a příslušné profesury mají často svá konkrétní jména. Například Douglasovo křeslo se jmenuje J. G. Jackson and C. J. Wood Professor of Physics.

Přestože již delší dobu neučí základní kurzy, stále vyučuje v programech fyziky a aplikované fyziky a vede také studenty při výzkumu i jako akademický poradce. Aktivně se účastní vědeckých festivalů pro studenty středních škol a Mezinárodního turnaje mladých fyziků. Dovolil bych si tomuto skvělému fyzikovi, mimochodem jednomu z nejúspěšnějších leváků mezi vědci, popřát do dalších let mnoho úspěchů, štěstí a zdraví. Doufejme, že tu s námi bude mnoho dalších let a že možná alespoň ještě jednou navštíví Česko či Slovensko.

A ve vzdálené, skvělé a kosmické budoucnosti lidstva, až budeme umět běžně létat do vzdálenějšího vesmíru, používat fúzní energii a těžit na Měsíci i na asteroidech, vzpomenou si snad naši potomkové, děti našich dětí, na Douglase D. Osheroffa, jednu z legend fyziky 20. století, která svým výzkumem a prací tento pokrok umožnila.

Poznámky autora

1. Tento článek není a ani nemá být objektivní zprávou o stavu NASA v době kolem havárie Columbie. Pro objektivnější zprávu člověka znalého historie kosmonautiky mnohem více doporučuji například zdroj 1. v sekci literatura.
2. Za korekturu a postřehy k článku děkuji Radku Žemličkovi, fyzikovi a autorovi YouTube kanálu Maxwellovi démoni. Přesto všechny nalezené chyby pochopitelně padají na mou hlavu. Dále děkuji své nejlepší kamarádce Zdeňce za její neustálou podporu, důvěru, trpělivost, rady a pomoc v jakékoliv situaci.
3. V dalším dlouhém článku se budu na tento text částečně odkazovat. Všechny důležité věci samozřejmě zopakuji, přesto pokud vás zajímá fyzika, zkuste si tento článek alespoň trochu zapamatovat.

Doporučené zdroje

1. Tomáš Přibyl – „Den, kdy se nevrátila Columbia“ (Junior, 2003)
2. Elefter L. Andronikašvili – „Воспоминания о жидком гелии“ – česky jako „Vzpomínky na kapalné helium“ (Mladá fronta, 1983)
3. Pjotr L. Kapica – „Эксперимент. Теория. Практика“ – česky jako „Experiment, teorie, praxe“ (Mladá fronta, 1982)