100 let od objevu kosmického záření
Letos v létě si připomínáme sté výročí objevu kosmického záření. Došlo k němu v balonovém koši nad severními Čechami a východem Německa.
Rakouský fyzik Victor Franz Hess nebyl prvním vědcem, který se v té době s přístroji snažil dostat tak vysoko, jak jen to šlo. Jaké k tomu měl důvody? Victor Hess a někteří jeho kolegové z řad fyziků řešili na přelomu 19. a 20. století velkou záhadu. Všimli si, že vzduch je slabě elektricky vodivý, ale nevěděli proč. Jak na to vůbec přišli? Hovoří astronom a astrofyzik Jiří Grygar z Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky.
„Poznali to z toho, že se jim vybíjely elektroskopy. To byla skleněná baňka, ze které byl vyčerpaný vzduch a uvnitř byly dva kovové lístky, obyčejně zlaté nebo aspoň hliníkové, propojené pomocí tyčinky s jakýmsi talířkem, který byl vně skleněné baňky. Ten pokus si někteří ještě mohou pamatovat ze školních kabinetů – vzali jste ebonitovou tyč, třeli jste jí liščím ohonem, pak jste přiložili tu tyč na talířek, celý ten elektrický obvod se nabil stejným nábojem a protože základní poučka elektrostatiky říká, že stejnojmenné náboje se odpuzují, tak se ty lístky v baňce rozestoupily. I další pokračování tohoto základního pokusu bylo zajímavé. Když jste to nechali být, bylo po čase vidět, že se ty lístky zase vracejí k sobě. Jediné možné řešení bylo, že se vybíjejí pomocí kovové tyčinky a talířku do vzduchu. Z toho bylo jasné, že vzduch je slabě elektricky vodivý, ačkoliv by vodivý být neměl a že ve vzduchu je něco, co tu jeho elektrickou vodivost způsobuje.“
Může za to radioaktivita?
Přelom nastal koncem 19. století, kdy byla objevena radioaktivita. Jak podotýká Jiří Grygar, mezi fyziky se v té době rozšířil názor, že v zemské kůře jsou radioaktivní horniny, které vysílají ionizační záření, to ionizuje vzduch a způsobuje jeho elektrickou vodivost:
„Tuto myšlenku začal testovat Theodor Wulf, německý fyzik a jezuita, který sestoupil pod zem a měřil elektrickou vodivost vzduchu v jeskyních. Jeho nápad byl jasný – jestliže je to s tou zemskou kůrou pravda, tak v těch jeskyních, kde jsme blíže k radioaktivním horninám, bude vodivost vzduchu vyšší. Ale nebyla. Byla stejná jako na povrchu. Wulf pokračoval a v roce 1909 vylezl se svým přístrojem na tehdy čerstvě postavenou Eiffelovu věž do výšky 300 metrů na zemí a zjišťoval, jak je to tam.“
Pokud by byl zdroj ionizace vzduchu v zemi, tak by ve větší výšce měla být ionizace slabší a vzduch by měl být méně elektricky vodivý. Ale nebyl – výsledky byly pořád stejné.
Do vzduchu!
S výsledky Wulfových pokusů byl obeznámen mladý rakouský fyzik Victor Franz Hess, který se narodil v roce 1883. Jak říká Jiří Grygar, Hess byl tehdy asistentem tzv. Radiologického ústavu ve Vídni, který se zabýval právě radioaktivitou:
„Měl docela dobré přístroje na měření radioaktivity a viděl, že když to nejde pod zemí ani nad zemí nijak rozlišit, tak že ten zdroj bude někde jinde. Jeho první domněnka byla, že bude ve Slunci, které vysílá nějaké radioaktivní nebo prostě ionizační záření, které ionizuje vzduch. A to se dalo ověřit tím, že tu ionizaci měřil jednak ve dne, ale také v noci. Byl ve Vídni členem vzduchoplaveckého spolku, tak si na to vzal balon. Ve dne létal ve výšce několika set metrů nad zemí. Noční lety byly dost náročné, protože musel udržovat stálou výšku, aby do něčeho nevrazil. Létal několik hodin ve výšce asi 350 metrů nad zemí a zjistil, že noční ionizace vzduchu je stejná jako ve dne, čili že Slunce za to nemůže.“
Pořád stejné hodnoty...
Victor Franz Hess využil podle Jiřího Grygara i skutečnosti, že právě v tu dobu, v roce 1912, bylo v Evropě částečné zatmění Slunce:
„Zařídil si balonový let na to zatmění a zase zjišťoval, zda v průběhu zatmění nepoklesává ionizace vzduchu. Nepoklesávala, takže už bylo zřejmé, že zdroj je někde jinde a že bude nejspíš někde nahoře, když není dole. Ale ty balony, které byly plněné svítiplynem, se nemohly dostat do velké výšky. Hess to sice zkoušel, ale dostal se maximálně do dvou kilometrů a ty výsledky byly pořád takové ničemné, nešlo to ani nahoru, ani dolů, pořád stejné hodnoty. Jednou se mu dokonce stalo, že přistál až někde za Hradcem Králové v Sadské a startoval přitom z Vídně, ale nic nepomáhalo, prostě pořád ty výsledky nestály za mnoho.“
Cesta na sever
Pak se Victor Franz Hess dozvěděl, že v Ústí nad Labem je chemička, která vyrábí plynný vodík. Ten je čtrnáctkrát lehčí než vzduch, ale jeho použití je spojeno s velkým nebezpečím. Při zahřátí se velmi bouřlivě slučuje s kyslíkem. Stačí malá jiskra a celý balón se může ocitnout v plamenech. Jak ale říká Jiří Grygar, Victor Hess byl odvážný mladý muž, a tak se rozhodl toto riziko podstoupit:
„Sebral si svou gondolu s přístroji, odjel do Ústí nad Labem vlakem a tam si vypůjčil balon od německého vzduchoplaveckého spolku z Teplic. Balon se jmenoval Böhmen, tedy Čechy, a Hess s ním 7. srpna roku 1912 v ranních hodinách odstartoval k epochálnímu letu, kdy se mu podařilo dostat se s tím vodíkem do výšky přes 5 kilometrů. Snadno přeletěl Krušné hory do Německa, kam ho odnášel vítr a ionizaci vzduchu měřil ještě ve výšce 4,8 kilometru. To už mu ale nebylo dobře, i když používal kyslíkovou masku. Nějak jim zamrzl přívod, Hess měl málo kyslíku a začaly se u něj projevovat následky výškové nemoci. Měl tam pilota, který řídil let balonu, takže balon ještě dále stoupal, ale on ho musel požádat, aby let už přerušil. Dostali se do výšky něco přes 5 kilometrů – původně chtěli až do šesti kilometrů, ale to už nebylo ze zdravotních důvodů možné. Victor Hess nabyl pořádně vědomí až ve čtyřech kilometrech a měřil ještě při sestupu. A to bylo velice cenné, protože měl dvojí výsledky.“
Kosmický chaos a tajemné částice
Výsledky Hessových měření ukázaly, že od výšky asi tří kilometrů začíná ionizace vzduchu prudce stoupat na mnohonásobek hodnoty, kterou měla v nižších výškách. Victor Hess je ještě v roce 1912 stihl publikovat. Tím podle Jiřího Grygara začala epocha studia záření, které posléze dostalo jméno kosmické záření, protože skutečně přichází z kosmu, jak se ukázalo v dalších experimentech. Také se ukázalo, že to vlastně není záření:
„Jsou to elektricky nabité částice, a to je také důvod, proč působí ionizaci vzduchu. Pro astronomii to znamenalo velký problém. Když se díváme na vesmír v optickém oboru nebo v oboru jiného elektromagnetického záření, a my už dnes můžeme sledovat vesmír třeba rentgenově, ultrafialově nebo infračerveně, tak se pořád jedná o fotony. Fotony nemají elektrický náboj a proto letí přímočaře. Když astronom vidí nějaký rentgenový nebo optický zdroj na nebi, tak si je jist, že v tom směru, kde ho vidí, také je. Částice elektricky nabité podléhají vlivům magnetických polí. Máme magnetické pole Země, interplanetární, sluneční, hvězdné, mezihvězdné, galaktické, mezigalaktické, je to spousta siločar, které probíhají vesmírem naprosto chaoticky. Nabité částice proto létají křivolace a směr, ve kterém přiletí k Zemi, nesouhlasí se směrem, ze kterého vyletěly. A tak dodneška nevíme, kde jsou zdroje kosmického záření, zejména u částic s vysokou energií.“
Výsledky, vědci a oslavy
Jak byly Hessovy výsledky, získané před sto lety za dramatických okolností v balonovém koši, přijaty odbornou veřejností? Podle Jiřího Grygara kupodivu docela dobře a také poměrně rychle:
Letošní sté výročí objevu kosmického záření fyzikem Victorem Hessem se slaví v jeho rodném Rakousku a také v Německu, kde dokonce zorganizovali mezinárodní odbornou konferenci přímo v místě přistání Hessova balonu, v Pieskově, který je dnes částí lázeňské obce Bad Saarow. Své želízko v ohni má i Česká republika, upozorňuje Jiří Grygar:
„Jedna akce se odehraje v Praze, na známé stanici Hydrometeorologického ústavu v Libuši, odkud se vypouštějí meteorologické balony. 7. srpna přesně v 7:12 tam bude vypuštěn meteorologický balon, pochopitelně bez lidské posádky. A hlavně – v Ústí nad Labem se ten den v muzeu otevírá výstava, která bude připomínat okolnosti slavného letu Victora Hesse. Ústečtí historici tam budou hovořit o jednotlivých detailech, protože dneska už známe celou řadu podrobností, které se podařilo vykutat z různých zdrojů; jak to všechno probíhalo, jaké byly přípravy a také důsledky toho letu. A protože po prázdninách se jistě sjede hodně lidí z dovolených, tak ve dnech 7. a 8. září bude v Ústí nad Labem populárně vědecká konference, kde budou odborné přednášky pro veřejnost. V případě příznivého počasí také odstartuje balon, jako připomínka Hessova letu, ale to pochopitelně závisí na počasí. Dnešní horkovzdušné balony jsou velice háklivé, hlavně na to, aby nebyl velký vítr, takže nelze přesně říci, kdy ten start bude. V každém případě – sté výročí je jednou za život.“
Na oslavy stého výročí objevu kosmického záření vás pozval astronom a astrofyzik Jiří Grygar z Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky.
Ještě upřesněme, že výstava v Muzeu města Ústí nad Labem nazvaná Ústí ve službách vědy aneb 100 let od objevu kosmického záření bude zahájena 7. srpna v 17 hodin. O hodinu později začne v muzejní kavárně tématické Café Nobel, setkání s vědou u kávy, věnované průkopníkům vědy a techniky včetně Victora Hesse, jehož hlavními aktéry budou ústečtí historici Martin Krsek a Václav Houfek. Přijďte se podívat!
Vysíláno v Planetáriu č. 31/2012, 28. července - 3. srpna.
Přepis: NEWTON Media, a.s., redakčně upraveno.
