Enrico Fermi

Enrico Fermi był ostatnim wielkim fizykiem, który z równą swobodą tworzył teorię i sam budował aparaturę do doświadczeń. Koledzy nazywali go „Papieżem”, bo w sprawach fizyki uchodził za nieomylnego. W wieku 37 lat dostał Nagrodę Nobla za badania nad neutronami, a kilka dni później, zamiast wrócić do faszystowskich Włoch, gdzie ustawy rasowe zagrażały jego żonie Żydówce, popłynął z rodziną do Nowego Jorku. Cztery lata później, 2 grudnia 1942 roku, pod trybunami stadionu w Chicago uruchomił pierwszy reaktor jądrowy. W dziejach wojny jest – obok Leó Szilárda i Alberta Einsteina – jednym z uczonych wygnanych z Europy przez dyktatury, bez których Stany Zjednoczone nie zbudowałyby bomby atomowej przed końcem wojny.

Rzym i Piza

Urodził się 29 września 1901 roku w Rzymie jako trzecie dziecko Alberta Fermiego, urzędnika ministerstwa kolei, i nauczycielki Idy de Gattis. Jako chłopiec stracił ukochanego starszego brata Giulia, który zmarł w 1915 roku podczas operacji ropnia gardła; w żałobie rzucił się w naukę. Z pomocą przyjaciela ojca, inżyniera Adolfa Amideia, samodzielnie przerabiał podręczniki matematyki i fizyki, także pisane po łacinie. Szkołę średnią skończył w 1918 roku, przeskoczywszy jedną klasę.

Jesienią 1918 roku zdał konkurs do elitarnej Scuola Normale di Pisa. Zajął pierwsze miejsce, a jego wypracowanie o cechach dźwięku, w którym posłużył się analizą Fouriera i równaniami różniczkowymi cząstkowymi, było tak dojrzałe, że egzaminator uznał je za godne doktoratu. W Pizie szybko okazał się lepszy od swoich nauczycieli – to on uczył ich nowej fizyki kwantowej i teorii względności. Doktorat uzyskał w lipcu 1922 roku, mając 20 lat. Potem kształcił się za granicą: w latach 1923–1924 u Maxa Borna w Getyndze, a jesienią 1924 roku u Paula Ehrenfesta w Lejdzie. Od 1925 roku wykładał na uniwersytecie we Florencji.

Tam w 1926 roku ogłosił pracę, która zapewniła mu miejsce w historii fizyki teoretycznej: zastosował świeżo sformułowany zakaz Pauliego do gazu cząstek i opisał ich zachowanie statystyczne. Niezależnie doszedł do tego samego Brytyjczyk Paul Dirac, dlatego mówi się dziś o statystyce Fermiego-Diraca, a cząstki jej podlegające – elektrony, protony, neutrony – nazywa się fermionami.

Chłopcy z Via Panisperna

W 1926 roku, mając 25 lat, objął w Rzymie jedną z trzech pierwszych we Włoszech katedr fizyki teoretycznej, utworzoną z inicjatywy profesora Orsa Maria Corbina, wpływowego senatora i byłego ministra, który chciał podnieść poziom włoskiej fizyki. Corbino pomógł mu zebrać zespół zdolnych studentów i asystentów: Franca Rasettiego, Emilia Segrè, Edoarda Amaldiego, Ettorego Majoranę i Bruna Pontecorva. Od ulicy, przy której mieścił się instytut fizyki, nazwano ich „chłopcami z Via Panisperna”. W lipcu 1928 roku Fermi poślubił studentkę Laurę Capon, córkę oficera marynarki z zasymilowanej rodziny żydowskiej; mieli dwoje dzieci, Nellę (1931) i Giulia (1936).

Kariera Fermiego splotła się z reżimem Benita Mussoliniego. W marcu 1929 roku dyktator mianował go członkiem nowo utworzonej Królewskiej Akademii Włoch, co dawało wysoką pensję i tytuł ekscelencji, a w kwietniu tego roku Fermi wstąpił do partii faszystowskiej. Członkostwo było wówczas niemal warunkiem kariery w państwowej nauce; sam Fermi polityką się nie zajmował i nie był ideowym faszystą. Odwrócił się od reżimu, gdy ten w 1938 roku przyjął ustawy rasowe na wzór niemiecki.

W latach 1933–1934 Fermi ogłosił teorię rozpadu beta, w której przyjął istnienie lekkiej, obojętnej cząstki nazwanej przez niego neutrinem, i wprowadził pojęcie oddziaływania, które dziś nazywa się słabym. Brytyjski tygodnik „Nature” odrzucił tę pracę jako zbyt oderwaną od rzeczywistości fizycznej; dziś należy do kanonu fizyki XX wieku.

Neutrony

W styczniu 1934 roku Irène i Frédéric Joliot-Curie wywołali sztuczną promieniotwórczość, bombardując pierwiastki cząstkami alfa. Fermi wpadł na pomysł, by użyć do tego neutronów, które jako cząstki obojętne nie są odpychane przez jądro i nie wymagają akceleratora, którego Rzymianie nie mieli. W marcu 1934 roku ogłosił odkrycie promieniotwórczości wywołanej neutronami, a jego zespół w kilka miesięcy przebadał tak kolejne pierwiastki aż po uran. W październiku 1934 roku zauważył, że neutrony przepuszczone przez parafinę wywołują w srebrze nawet sto razy silniejszą promieniotwórczość. Odgadł, że neutrony, zderzając się z jądrami wodoru, zwalniają i dlatego łatwiej są pochłaniane. Odkrycie działania powolnych neutronów stało się podstawą wszystkich późniejszych reaktorów.

Bombardując uran, Rzymianie otrzymali produkty, które uznali za nowe pierwiastki cięższe od uranu. Chemiczka Ida Noddack sugerowała już w 1934 roku, że jądro mogło się rozpaść na lżejsze części, ale nikt, także Fermi, nie potraktował tego poważnie. W rzeczywistości zespół rzymski rozszczepiał uran, nie wiedząc o tym. Wyjaśnili to dopiero pod koniec 1938 roku Otto Hahn i Fritz Strassmann w Berlinie oraz Lise Meitner i Otto Frisch.

Ucieczka do Ameryki

Latem i jesienią 1938 roku faszystowskie Włochy przyjęły ustawy rasowe, które wykluczały Żydów z życia publicznego, szkół i wielu zawodów. Dotknęły one żonę Fermiego i ich dzieci, a także część jego współpracowników; Segrè, który akurat przebywał w Kalifornii, już do Włoch nie wrócił. Fermi postanowił wyjechać. Gdy w listopadzie 1938 roku ogłoszono, że otrzyma Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki – „za wykazanie istnienia nowych pierwiastków promieniotwórczych wytworzonych przez napromieniowanie neutronami i za odkrycie reakcji jądrowych wywoływanych przez powolne neutrony” – wykorzystał wyjazd do Sztokholmu jako pretekst. Po uroczystości 10 grudnia 1938 roku rodzina nie wróciła do Rzymu, lecz przez Kopenhagę i Southampton popłynęła do Nowego Jorku, gdzie wylądowała 2 stycznia 1939 roku. Fermi objął katedrę na Uniwersytecie Columbia. Ojciec Laury, admirał Augusto Capon, pozostał we Włoszech; po niemieckiej obławie na Żydów w Rzymie w październiku 1943 roku został deportowany do Auschwitz i tam zginął.

Kilka tygodni po przybyciu Fermiego do Ameryki Niels Bohr przywiózł wiadomość o odkryciu rozszczepienia. 25 stycznia 1939 roku na Columbii powtórzono doświadczenie, a Fermi i Herbert L. Anderson oraz, równolegle, Szilárd i Walter Zinn wykazali wkrótce, że przy rozszczepieniu uwalniają się dodatkowe neutrony, co czyniło reakcję łańcuchową możliwą. 18 marca 1939 roku Fermi, jeden z pierwszych uczonych, którzy ostrzegali wojskowych przed tą możliwością, wygłosił odczyt w Departamencie Marynarki Wojennej w Waszyngtonie. Przyjęto go chłodno – marynarka przyznała tylko 1500 dolarów na dalsze badania. Rządowy program zaczął się dopiero po liście Einsteina do Roosevelta z sierpnia 1939 roku, przygotowanym przez Szilárda.

Fermi i Szilárd, choć różni z charakteru – metodyczny, ostrożny Włoch i niespokojny, pełen pomysłów Węgier – wspólnie zaprojektowali stos z grafitu i uranu. W latach 1940–1941 zespół Fermiego składał na Columbii coraz większe stosy doświadczalne. Po ataku na Pearl Harbor i wypowiedzeniu wojny Stanom Zjednoczonym przez Włochy w grudniu 1941 roku Fermi stał się formalnie „wrogim cudzoziemcem”: musiał prosić o zgodę na podróże, a jego korespondencję i rozmowy kontrolowano.

Chicago Pile-1

W 1942 roku Arthur Compton skupił prace nad reaktorem w Laboratorium Metalurgicznym Uniwersytetu Chicagowskiego i Fermi przeniósł się tam ze swoim zespołem. Pod trybunami stadionu Stagg Field zbudował stos z około 400 ton amerykańskich (ok. 360 ton) grafitu oraz kilkudziesięciu ton uranu i tlenku uranu. 2 grudnia 1942 roku, kierując każdym krokiem doświadczenia z balkonu hali i licząc na suwaku logarytmicznym, doprowadził go do stanu krytycznego: o 15.25 w Chicago Pile-1 po raz pierwszy zaszła samopodtrzymująca się, kontrolowana reakcja łańcuchowa. Compton przekazał tę wiadomość Jamesowi Conantowi szyfrem: „Włoski żeglarz wylądował w Nowym Świecie”.

Hanford i Los Alamos

Po sukcesie stosu Fermi kierował badaniami w ośrodku w Lesie Argońskim pod Chicago, dokąd przeniesiono reaktor, a od maja 1944 roku był dyrektorem tej placówki. Był obecny przy uruchamianiu reaktora X-10 w Oak Ridge w 1943 roku, a we wrześniu 1944 roku osobiście włożył pierwszy pręt paliwowy do wielkiego reaktora B w Hanford w stanie Waszyngton, który miał wytwarzać pluton. Gdy reaktor po kilku godzinach pracy niespodziewanie zaczął wygasać, Fermi pomógł ustalić przyczynę: pochłaniający neutrony ksenon-135, produkt rozszczepienia. Problem udało się pokonać, bo inżynierowie DuPonta zaprojektowali reaktor z zapasem kanałów paliwowych. 11 lipca 1944 roku Fermi i jego żona zostali obywatelami Stanów Zjednoczonych.

Latem 1944 roku Robert Oppenheimer ściągnął go do laboratorium w Los Alamos w Nowym Meksyku, gdzie projektowano bombę. Fermi został zastępcą dyrektora i objął Wydział F, nazwany od jego nazwiska, zajmujący się problemami, które nie pasowały gdzie indziej – w tym pomysłem bomby termojądrowej Edwarda Tellera. Młodzi fizycy przychodzili do niego jak do wyroczni. 16 lipca 1945 roku obserwował próbę Trinity, pierwszą eksplozję jądrową w dziejach. Gdy dotarła fala uderzeniowa, wypuścił z ręki skrawki papieru, zmierzył krokami, jak daleko je odrzuciło, i oszacował moc wybuchu na około 10 kiloton trotylu; rzeczywista wynosiła około 18–21 kiloton.

Wraz z Oppenheimerem, Comptonem i Ernestem Lawrence’em Fermi zasiadał w panelu naukowym doradzającym Komitetowi Tymczasowemu sekretarza wojny Henry’ego Stimsona. W czerwcu 1945 roku panel uznał, że nie widzi technicznej demonstracji, która mogłaby zakończyć wojnę, i nie znajduje możliwej do przyjęcia alternatywy dla bezpośredniego użycia bomby wojskowo. 6 i 9 sierpnia 1945 roku bomby zrzucono na Hiroszimę i Nagasaki; ta druga, plutonowa, była owocem drogi zapoczątkowanej w Chicago w grudniu 1942 roku.

Po wojnie

W 1945 roku Fermi wrócił na Uniwersytet Chicagowski, gdzie współtworzył Instytut Badań Jądrowych, nazwany po jego śmierci jego imieniem. Wychował tam pokolenie fizyków, wśród nich przyszłych noblistów. Od 1946 do 1950 roku zasiadał w Ogólnym Komitecie Doradczym Komisji Energii Atomowej. Gdy po pierwszej radzieckiej próbie jądrowej w sierpniu 1949 roku rozważano budowę bomby wodorowej, Fermi wraz z Isidorem Isaakiem Rabim napisał do raportu komitetu ostre votum separatum: broń o nieograniczonej sile niszczenia nazwali „złem samym w sobie” z każdego punktu widzenia. Prezydent Truman zdecydował jednak w styczniu 1950 roku o jej budowie, a Fermi, uznając, że skoro bomba powstanie, lepiej by była dobrze zrobiona, pomagał przy obliczeniach w Los Alamos. W 1954 roku zeznawał na korzyść Oppenheimera przed komisją, która odebrała mu dostęp do tajemnic.

Do historii nauki przeszły też jego pytanie zadane podczas obiadu w Los Alamos – „Gdzie oni wszyscy są?” – dające nazwę paradoksowi Fermiego, oraz zwyczaj szacowania na kartce wielkości, których nikt nie umiał zmierzyć. Jesienią 1954 roku wykryto u niego nieoperacyjnego raka żołądka. Zmarł w Chicago 28 listopada 1954 roku, mając 53 lata. Jego imię noszą pierwiastek ferm, odkryty w szczątkach pierwszej próby termojądrowej, laboratorium akceleratorowe Fermilab i nagroda przyznawana przez rząd Stanów Zjednoczonych.

Znaczenie

Fermi nie był politykiem ani żołnierzem, a jednak jego droga mówi o drugiej wojnie światowej wiele. Faszystowskie Włochy, które w 1929 roku uczyniły go akademikiem, dziewięć lat później wypchnęły go z kraju ustawami rasowymi. Uczony, który w Rzymie nieświadomie rozszczepiał uran, w Chicago zbudował dla państwa w wojnie z jego ojczyzną reaktor, od którego zaczęła się produkcja plutonu do bomby atomowej. Sam traktował tę pracę jako obowiązek wobec kraju, który go przyjął, i rzadko mówił publicznie o moralnej stronie bomby, ale po wojnie należał do tych, którzy chcieli postawić granice wyścigowi zbrojeń. Dzień 2 grudnia 1942 roku pozostaje w historii wojny jego dniem.