Hver var Enrico Fermi og hvert var hans framlag til vísindanna?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hver var Enrico Fermi og hvert var hans framlag til vísindanna?
Enrico Fermi var eðlisfræðingur sem fæddist á Ítalíu árið 1901 og lést árið 1954 í Bandaríkjunum. Hann markaði djúp spor í eðlisfræði tuttugustu aldar, einkum í kjarneðlisfræði og öreindafræði. Lengdareiningin fermi er til dæmis kennd við hann, og sömuleiðis fermíeindir en skiptaeðli þeirra er lykilatriði í skammtafræði. Hann setti fram kenningu um veikar víxlverkanir sem valda meðal annars beta-geislum og sú kenning hans olli straumhvörfum. Hann var manna ötulastur að rannsaka nifteindir á fjórða áratug aldarinnar og átti síðan mikinn þátt í rannsóknum á kjarnorku og þróun fyrstu kjarnavopnanna.

Fermi rakti uppruna sinn til Pódalsins á Norður-Ítalíu. Hann var af alþýðuættum og faðir hans var járnbrautarstarfsmaður. Móðir hans aflaði sér menntunar til að stunda kennslu en slíkt var ekki algengt um konur í þá daga. Foreldrar Enricos settust að í Rómaborg. Þau eignuðust þrjú börn með stuttu millibili og komu yngsta barninu, Enrico, í fóstur á sveitaheimili fram á þriðja árið. Það kann að hafa haft veruleg áhrif á hann. Eftir að hann kom aftur heim til fjölskyldunnar átti hann það til að fá slæm reiðiköst og fékk af því viðurnefnið „Litla eldspýtan“ (ít. il piccolo fiammifero).

Foreldrar Enricos færðust upp eftir samfélagsstiganum og meðfædd námshæfni barnanna efldist enn frekar af sjálfsaganum sem þau lærðu af foreldrunum. Þegar Enrico var 13 ára kynntist hann vinnufélaga föður síns, Adolfo Amidei að nafni, og fékk áhuga á stærðfræði. Kennarar Enricos höfðu þó ekki komið auga á óvenjulega hæfileika hjá honum. Bróðir hans, sem var ári eldri, dó skömmu síðar og þá syrti í álinn hjá fjölskyldunni. Enrico sökkti sér í vinnu í stærðfræði og skyldum greinum.

Snemma beygist krókurinn og eftirfarandi saga lýsir því vel. Þegar Amidei spurði Enrico hvort hann vildi halda stærðfræðibók sem Amidei hafði lánað honum, svaraði hann að bragði að þess þyrfti ekki því að hann hefði algerlega tileinkað sér efnið! Margir sem kynntust honum síðar höfðu einmitt á orði að „þegar Fermi vissi eitthvað, þá var það full vissa.“

Þegar almennri skólagöngu Fermis lauk um 15 ára aldur, beitti Amidei sér fyrir því að hann færi að heiman frá sorginni sem þar ríkti og fengi skólavist í frægum háskóla í Písa til að læra eðlisfræði. Hann stóðst ströng inntökupróf með ágætum síðla árs 1918, lagði hart að sér í náminu og eignaðist þar góða vini sem urðu síðar öflugir vísindamenn. Hann skrifaði lokaritgerð um Röntgen-geisla og birti tvær greinar um efnið í ítalska eðlisfræðitímaritinu Il Nuovo Cimento. Hann lauk doktorsprófi árið 1922 með miklu lofii (magna cum laude). Um svipað leyti skrifaði hann merka grein um stærðfræði í almennu afstæðiskenningunni sem var þá ofarlega á baugi eftir frægar mælingar á beygju ljóss við sól, sem Einstein hafði einmitt sagt fyrir um.

Að loknu námi vildi Fermi halda áfram rannsóknastörfum. Slíkt lá þó ekki beint við en hann átti sér valdamikinn verndara sem greiddi götu hans. Hann fékk styrk árið 1922 til að fara til Göttingen í Þýskalandi en þar var þá öflugur hópur ungra kennilegra eðlisfræðinga: Þjóðverjinn Werner Heisenberg (1901-1976), Austurríkismaðurinn Wolfgang Pauli (1900-1958) og Englendingurinn Paul Dirac (1902-1984). Þessir þrír lögðu allir mikla áherslu á skammtafræði, stærðfræðiaðferðir hennar og dýpri rök. Fermi hafði líka áhuga á skammtafræði en lagði ekki eins mikla áherslu á rökfærslur og hinir, enda var hann jafnvígur á snjallar tilraunir og hvers konar útreikninga. Og framlag hans til eðlisfræðinnar er ekki síðra en hinna þó að hann sé ekki alveg eins frægur.

Eftir Þýskalandsdvölina sneri hann sér að safneðlisfræði (e. statistical physics), sem er grundvöllur varmafræðinnar, og byggist á þeirri forsendu að allt efni er samsett úr örsmáum eindum, til dæmis frumeindum (atómum) og sameindum (e. molecules). Fermi og fleiri bættu við skammtafræðina aðferðum til að fjalla um eindasöfn. Menn komust að því að öreindir falla í tvo flokka eftir því hvernig lýsingu á söfnum sams konar einda er háttað í skammtafræði. Paul Dirac, sem áður var getið, birti grein með sömu niðurstöðum nokkru síðar en Fermi. Eiginleikarnir sem um ræðir eru felldir undir heitið skiptaeðli og oft talað um “Fermi-Dirac statistics” á ensku.

Annar eindaflokkurinn er kallaður fermíeindir (e. fermions). Tvær slíkar eindir af sömu tegund geta ekki verið í sama skammtafræðilega ástandi. Hinn flokkurinn heitir bóseindir (e. bosons) og gildir skilyrðið um röðun í ástönd ekki um hann. Meðal fermíeinda má nefna rafeindir, róteindir og nifteindir, en til bóseinda teljast meðal annars ljóseindir, pí-eindir, þyngdareindir og ýmsir atómkjarnar. Mismunandi skiptaeðli öreinda segir til sín á margvíslegan hátt í eiginleikum efnisins. Fermí-eðli rafeinda skiptir til dæmis sköpum um það hvernig rafeindahvel atóma byggjast upp og frumefnin raðast í flokka sem hafa ólíka efnafræðilega eiginleika. Ýmis fyrirbæri í varmafræði og rafsegulfræði má einnig rekja til skiptaeðlisins.

Fermi var skipaður prófessor í kennilegri eðlisfræði við Háskólann í Róm árið 1926. Um svipað leyti kynntist hann konu sem hann kvæntist í árslok 1926. Hún hét áður Laura Capon og var af efnuðum gyðingaættum; faðir hennar var aðmíráll í ítalska flotanum. Algengt var í þessum hópi gyðinga að fólk iðkaði ekki gyðingatrú en giftist þó yfirleitt gyðingum. Laura aflaði sér góðrar menntunar og skrifaði meðal annars bækur fyrir almenning um vísindi og sögu þeirra.

Prófessor Fermi vann ötullega að því að byggja upp rannsóknir í nútíma eðlisfræði við Rómarháskóla. Hann fékk til liðs við sig aðra öfluga vísindamenn sem hann þekkti og þeir mynduðu sterkan rannsóknahóp sem var oft kallaður „Strákarnir á Via Panisperna“ (ít. I ragazzi di Via Panisperna), kenndur við götuna þar sem rannsóknastofan var. Hópurinn lagði frá byrjun áherslu á kjarneðlisfræði, til dæmis geislun frá atómkjörnum og árekstra á þá.

Á árunum 1933-1934 setti Fermi fram róttæka kenningu til skýringar á því þegar atómkjarnar senda frá sér svonefnda beta-geislun. Hann skrifaði um þetta grein sem þótti síðar snjöll og mikilvæg, og sendi hana til breska tímaritsins Nature. Ritstjórar þess höfnuðu henni hins vegar þar sem í henni væru „óhlutbundnar hugleiðingar sem eru of fjarri eðlisfræðilegum raunveruleika til að lesendur hafi áhuga á þeim.“ Er þetta frægt dæmi um skeikulleika vísindatímarita og varð til þess að greinin kom út á ítölsku og þýsku áður en hún birtist á ensku.

Samkvæmt kenningunni átti að vera til ný tegund víxlverkana milli öreinda, svonefndar veikar víxlverkanir (e. weak interactions), til viðbótar við þær tvær sem þá voru þekktar, rafsegulverkun (e. electromagnetic interaction) og þyngdarverkun (e. gravitational interaction). Einnig átti að vera til ný tegund öreinda sem „strákarnir“ nefndu neutrino upp á ítölsku og það nafn festist við hana í ensku, en hún heitir fiseind á íslensku. Hún var talin massalaus eða því sem næst og sumir töldu að hún mundi aldrei finnast í tilraunum, en það gerðist þó árið 1956, rúmum 20 árum eftir að hugmyndir um hana voru fyrst settar fram.

Kenningin um veika víxlverkun skaut fljótt rótum í kjarna- og öreindafræði þrátt fyrir vanmat ritstjóranna hjá Nature. Hún hefur þróast áfram á frjóan veg og staðist margvíslegar prófanir allan þennan tíma.

Líklegt er að Fermi hafi sárnað vanmatið hjá Nature. Svo mikið er víst að hann sneri sér nú að tilraunaeðlisfræði atómkjarna sem var þá ofarlega á baugi. Árið 1934 prófuðu frönsku hjónin Irène og Frédéric Joliot-Curie að skjóta alfa-eindum á frumefni sem voru ekki geislavirk. Þau komust að því að geislavirk efni mynduðust við þetta. Þetta var kallað örvuð geislavirkni (e. artificial radioactivity). Fermi ákvað að nota nifteindir, sem menn höfðu uppgötvað tveimur árum áður, í stað alfa-eindanna, og það reyndist heillaráð því að óhlaðnar nifteindir áttu greiðari leið að atómkjörnunum en hlaðnar alfa-eindir sem hrindast frá kjörnunum. Strákarnir á Via Panisperna sáu að auk þess gátu myndast nýjar, hægfara nifteindir við þessa árekstra og þær gátu síðan rekist á enn aðra kjarna og valdið nýjum kjarnahvörfum. Það nefnist keðjuverkun (e. chain reaction) og hefur þá gríðarlegu afleiðingu að unnt er að láta kjarnkleyf efni framleiða orku áfram og áfram, ýmist með stýrðum hætti í kjarnaofni eða stjórnlaust í kjarnorkusprengju.

Mussolini hafði tekið völdin á Ítalíu árið 1925. Hann var í fyrstu vinveittur vísindum og stofnaði til dæmis vísindaakademíu sem Fermi naut góðs af. Hann gekk þá í Fasistaflokkinn þó að hann væri annars alla tíð yfirleitt fráhverfur stjórnmálum. En hann ókyrrðist þegar leið á fjórða áratuginn og Mussolini fór að feta í fótspor Hitlers og ofsækja ítalska gyðinga, þar á meðal tengdafjölskyldu Fermis.

Haustið 1938 fékk Fermi að vita að hann fengi Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir það ár fyrir að sýna fram á að til eru ný, geislavirk frumefni sem myndast við ágeislun nifteinda og fyrir tengda uppgötvun hans á kjarnahvörfum af völdum hægfara nifteinda. Síðar reyndist fyrri hluti skýringarinnar ótímabær en frumefnin fundust seinna og auk þess hafði Fermi þegar skilað verkum sem hefðu staðið undir Nóbelsverðlaunum hvert um sig. Eftir að Fermi frétti um verðlaunin ákvað hann að fara ekki aftur heim eftir að hann tæki við þeim í Stokkhólmi. Hann var ekki í einkennisbúningi ítölsku akademíunnar þegar hann tók við verðlaununum og heilsaði ekki Svíakonungi með fasistakveðju. Þetta féll í grýttan jarðveg heima fyrir. Ítalskir fjölmiðlar létu sér fátt um finnast um verðlaunin enda hafði Hitler gefið tóninn með því að banna Þjóðverjum að taka við Nóbelsverðlaunum eftir að andstæðingi hans voru veitt friðarverðlaunin árið 1936.

Enrico og Laura fóru rakleitt til Bandaríkjanna ásamt börnum sínum eftir verðlaunaveitinguna og hann hélt áfram rannsóknum sínum þar. Eðlisfræðingar voru um þær mundir að sannfærast um að hin nýfundna orkulind atómkjarnanna kynni að gera mönnum kleift að smíða ný og öflug vopn og í löndum Bandamanna fannst mönnum líklegt að Þjóðverjar mundu nýta sér þá, en það reyndist síðar rangt. Hvað sem því líður var rannsóknum haldið áfram af krafti í Bandaríkjunum. Ákveðið var að safna starfsmönnum verkefnisins saman við Háskólann í Chicago. Fermi fluttist þangað enda var hann sjálfsagður leiðtogi verksins. Athyglin beindist að þungum atómkjörnum eins og úrani. Þá hafði komið í ljós að þeir klofnuðu í tvo léttari kjarna við nifteindaárekstra og um leið mynduðust nokkrar nifteindir sem gátu rekist á aðra sams konar kjarna í efninu og valdið klofnun þeirra, og þannig koll af kolli.

Þetta var grunnhugmyndin en eftir var að koma henni í framkvæmd. Það reyndist gífurlega flókið og viðamikið verkefni. Hópur undir stjórn Fermis hófst handa við að smíða kjarnaofn þar sem fram færi kjarnaklofnun (e. nuclear fission) sem haldið var í skefjum með grafítstöngum inni í úran- eða plúton-klumpi. Það var Fermi sjálfur sem stjórnaði stöngunum og taldi það ekki erfiðara en að stýra bíl eftir beinum vegi með því að taka í stýrið eftir þörfum. Eftir nokkrar tilraunir með stækkandi klumpa var ákveðið að koma enn stærri klumpi en áður fyrir á ónotuðum veggtennisvelli sem Háskólinn réð yfir. Annan desember 1942 tókst að koma þar á stöðugri, sjálfbærri keðjuverkun. Atómöldin var hafin.

Eftir þetta varð kjarnorkan ekki lengur fjarlægur draumur, og allt benti til þess að unnt væri að smíða kjarnorkusprengju. Því verki var haldið áfram með mikilli leynd á nokkrum stöðum. Frægastur þeirra var Los Alamos í Nýju-Mexíkó þar sem byggt var heilt þorp vegna verkefnisins. Yfirmenn þess voru tveir, J. Robert Oppenheimer (1904-1967) af hálfu vísindamanna og Leslie Groves (1896-1970) af hálfu bandaríska hersins. Enrico Fermi var einn þeirra mörgu raunvísindamanna sem fluttist til Los Alamos og gegndi þar lykilhlutverki sem áður.

Verkefnið hófst árið 1942 og gekk undir heitinu Manhattan-verkefnið (e. Manhattan Project). Um það má lesa nánar á Vísindavefnum í svari sama höfundar, ásamt Margréti Björk Sigurðardóttur, við spurninguni Hver fann upp kjarnorkusprengjuna?

Þegar Fermi bjó sig undir að fylgjast með fyrstu kjarnorkusprengingunni í júlí 1945, tók hann með sér safn af bréfmiðum. Þegar sprengjan skall á sleppti hann þessum miðum og lét þá falla til jarðar, mældi síðan hversu langt þeir hefðu borist til hliðar vegna sprengingarinnar. Eftir nokkra umhugsun gat hann síðan sagt nokkurn veginn til um hversu öflug sprengjan hefði verið. – Þessi saga lýsir bæði útsjónarsemi hans í því að gera mælingar og fara með tölur – og einnig jafnlyndi hans og yfirvegun; það var ekki margt sem gat sett hann úr jafnvægi!

Fermi skipti sér sem fyrr segir yfirleitt ekkert af stjórnmálum. Eins og margir aðrir eðlisfræðingar lagðist hann þó gegn því að kjarnorkusprengjum yrði beitt gegn Japönum, en sú andstaða bar sem kunnugt er engan árangur. Hann var einnig andvígur því á sínum tíma (um 1950) að menn mundu smíða vetnissprengjur. Margir eðlisfræðingar töldu þá að slíkt væri glapræði því að beiting þeirra í styrjöld mundi eyða þeim lífsgæðum sem ætlunin væri að verja. Engu að síður ákváðu bandarísk og síðar sovésk stjórnvöld að hefja slíka smíð og gera tilraunir með þess konar sprengjur í kjölfarið.

Fermi sneri aftur til Háskólans í Chicago eftir að vistinni í Los Alamos var lokið. Hann hélt áfram rannsóknastörfum sínum en lá þó ekki á liði sínu við að styðja málstað Oppenheimers þegar McCarthy hóf málarekstur gegn honum árið 1953.

Enrico og Laura heimsóttu Frakkland og Ítalíu árið 1954 og gáfu vinum sínum meðal annars bókina Atoms in the Family (Atóm í fjölskyldunni) eftir Lauru, en hún var þá nýkomin út. Fljótlega eftir heimkomuna fór Enrico að kenna sér meins sem reyndist vera magakrabbamein en það var banvænn sjúkdómur á þeim tíma. Þegar indverskur vinur hans heimsótti Fermi á banabeði spurði hann: „Segðu mér, heldurðu að ég komi aftur sem fíll þegar ég dey?“ Þegar katólskur prestur, mótmælendaprestur og gyðingarabbíni heimsóttu hann til að biðja honum blessunar leyfði hann þeim það öllum og sagði: „Það gladdi þá og gerði mér ekkert mein.“ Þann 28. nóvember fékk Fermi hjartaáfall og kvaddi þennan heim. Um sama leyti stofnuðu Sameinuðu þjóðirnar nefnd um friðsamlega nýtingu kjarnorkunnar og Bandaríkjaþing fordæmdi Joseph McCarthy.

Heimildir og frekara lesefni:

• Kragh, Helge, 2002. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton: Princeton University Press.
• Pais, Abrahan, 1986. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford: Clarendon Press.
• Segré, Gino, og Bettina Hoerlin, The Pope of Physics: Enrico Fermi and the Birth of the Atomic Age. New York: Henry Holt & co.
• [Wikipedia]. “Enrico Fermi.” https://en.wikipedia.org/wiki/Enrico_Fermi.

Myndir:

• Allar myndirnar eru fengnar af Wikipedia síðunni um Enrico Fermi. Tenglarnir hér að neðan leiða beint á myndirnar sjálfar.
• Wikipedia. Enrico Fermi 1943-1949. (Sótt 7.2.2019).
• Wikipedia. Enrico Fermi giovane. (Sótt 7.2.2019).
• Wikipedia. Beta-minus Decay. (Sótt 7.2.2019).
• Wikipedia. Raggazzi di via Panisperna. (Sótt 7.2.2019).
• Wikipedia. Stagg Field reactor. (Sótt 7.2.2019).
• Wikipedia. Laura and Enrico Fermi 1954. (Sótt 7.2.2019).

...