Száz éve, 1901. szeptember 29-én született Rómában a 20. század egyik legnagyobb fizikusa, Enrico Fermi. A kísérleti és az elméleti fizikában egyaránt kiemelkedő eredményeket ért el. 1938-ban fizikai Nobel-díjat kapott, 1942-ben az Egyesült Államokban Szilárd Leóval együtt elsőként valósított meg szabályozott nukleáris láncreakciót. Még a közhasznú lexikonokban is nevével kezdődő címszavak sora követi életrajzát: Fermi-Dirac-statisztika, Fermi-energia, Fermi-felület, Fermi-folyadék, Fermi-gáz, Fermi-gömb, Fermi-hőmérséklet, Fermi-szint. Nevét viseli az elemi részecskék egyik családja (fermionok), egy mesterségesen előállított kémiai elem, a százas rendszámú fermium, egy távolságegység (fermi), az USA Energiaügyi Minisztériumának díja (Enrico Fermi-díj), egy amerikai nemzeti kutatólaboratórium (Fermi National Laboratory, Batavia, Illinois) ...
Fermi szorgalmas, tehetséges tanuló volt, már a középiskolában elhatározta, hogy fizikus lesz. A Pisai Egyetemen 21 évesen doktorált a röntgensugarakról írt értekezésével. Ösztöndíjasként Göttingenben Max Born mellett ismerkedett a kvantummechanikával. A Firenzei Egyetemen matematikát tanított, majd 1926-ban meghívták a Római Egyetemre az elméleti fizika professzorának. 1929-ben, az akadémia alapításának évében, legfiatalabbként lett tagja az Olasz Királyi Akadémiának. 1938-ban fizikai Nobel-díjat kapott. Ekkor végleg elhagyta Európát, Stockholmból családjával együtt az Egyesült Államokba utazott. 1944-től amerikai állampolgár. Los Alamosban dolgozott az atombomba létrehozására szervezett Manhattan-program keretében. 1946-tól a Chicagói Egyetem professzora. 1946-ban Kongresszusi érdemrendet kapott, 1950-től a brit Royal Society külső tagja. 1954-ben ő kapta meg elsőként az amerikai Atomenergia Bizottság Enrico Fermi-díját.
Fermi elméleti és kísérleti fizikusként egyaránt maradandót alkotott. Valamennyi, vagy akár csak legfontosabb eredményeinek számbavétele helyett kutatásaiból mindössze négy tételt mutatunk be részletesebben. A történetekben újra és újra feltűnnek az amerikai magyar tudósok, a "marslakók". Az egyik anekdota szerint Fermi egyszer a galaxist benépesítő magasan fejlett, tehetséges népekről elmélkedett s megkérdezte, hogy hol vannak? Erre válaszolta Szilárd Leó: itt vannak közöttünk, de magyaroknak mondják magukat.
Neutron és neutrínó
1930-ban úgy tűnt, hogy a béta-bomlásban nem érvényesek a megmaradási tételek, az energia, az impulzusmomentum és az impulzus megmaradásának törvénye. A helyzet megmentésére Wolfgang Pauli felvetette, hogy egy új, ismeretlen részecske felelős ezért a helyzetért. Ki is következtette a feltételezett részecske jellemzőit: semleges és az elektronénál is sokkal kisebb a tömege. "Valami borzasztó dolgot cselekedtem, olyat, amit egy elméleti fizikusnak sohasem kellene tennie. Olyasmit javasoltam, amit sohasem lehet kísérletileg igazolni." Később egy levélben a semleges volta miatt "neutronnak" keresztelt részecske kimutatására kérte a kísérleti fizikusokat: "Drága radioaktív Hölgyeim és Uraim!" - kezdte egy konferencia résztvevőihez írt levelét 1930. december 4-én. "... kétségbeesett kísérletre vállalkoztam, hogy megmentsem ... az energia megmaradásának törvényét. Ha feltételezzük, hogy a (-bomlásnál az elektronnal együtt egy "neutron" is emittálódik, olyanformán, hogy a "neutron" és az elektron együttes energiája konstans maradjon, akkor a folytonos (-spektrum érthetővé válik. ... Bizalommal fordulok Önökhöz, kedves radioaktív Hölgyek és Urak, azzal a kérdéssel, hogy nem lehetne-e kísérletileg is igazolni ennek a "neutronnak" a létezését."
1932-ban Chadwick semleges részecskét fedezett fel: az alfa-részecskékkel bombázott berillium ismeretlen sugárzást bocsátott ki. Megfigyeléseiből Chadwick azt a következtetést vonta le, hogy a sugárzás nagyjából a protonokéval egyező tömegű, de azoktól eltérően elektromosan semleges részecskékből áll.
Joggal merült fel a kérdés, hogy vajon Chadwick és Pauli neutronjai azonosak-e? Fermi azonnal megadta a választ: "No. Le neutroni di Chadwick sono grande. Le neutroni di Pauli erano piccole; egli devono star chiamato neutrini." (Nem, Chadwick neutronjai nagyok, Pauli neutronjai viszont kicsik; ezeket neutrínóknak kellene hívni.) Fermi találó névadása polgárjogot nyert. Azóta az atommag semleges alkotórésze viseli a neutron nevet, a Pauli-féle részecskét pedig neutrínónak hívjuk.
Pauli feltevését élénk szakmai viták követték. A neutrínó-hipotézis akkor vált igazán elfogadottá, amikor Fermi 1934-ben a Nuovo Cimentoban és a Zeitschrift für Physik hasábjain közölte a béta-bomlás általa kidolgozott, a neutrínónak is szerepet adó szép matematikai elméletét. (Az elsőnek megkeresett Nature visszautasította az írást.) Fermi elmélete alapján kiszámítható a neutrínók és antirészecske párjuk, az antineutrínók befogási hatáskeresztmetszete. Ilyen számítások alapján tervezték meg a neutrínók közvetlen kimutatását célzó kísérleteket, ezeket az 1950-es évek közepén végezték el. (Neutrínóból ma háromfélét ismerünk, az utóbbi évek - egyelőre még vitatott - kísérleti eredményei szerint a különböző neutrínófajták átalakulnak egymásba. Ilyen átalakulás viszont csak akkor mehet végbe, ha a neutrínóknak nullánál nagyobb tömege van. A nem nulla tömegű neutrínók tehetik ki a világegyetem hiányzó, ún. sötét anyagának jó részét.)
Elemek átalakítása neutronokkal
Elsőként Fréderic és Iréne Joliot-Curie hozott létre mesterségesen radioaktív elemet 1934-ben. Alfa-részecskékkel (hélium atommagokkal) bombáztak különböző kémiai elemeket. Az eredetileg nem sugárzó bór, alumínium és magnézium izotópokból a magreakció eredményeként sugárzó nitrogén, foszfor és alumínium izotópokat kaptak. Az eredmény felkeltette Fermi érdeklődését, és a béta-bomlás elméletének kidolgozása után kísérletezésbe fogott. Joliot-Curie-ék alfa-részecskéi helyett ő semleges neutronokkal bombázta az atommagokat. Neutronforrásában a rádium bomlásakor keletkező radon alfa-sugárzása lépett reakcióba berilliummal, a magreakcióban neutronok léptek ki. Fermi módszeres ember volt, a vizsgálatokhoz is módszeresen látott hozzá. A periódusos rendszer legkönnyebb elemeivel kezdte, és haladt az egyre nehezebb elemek felé. A legkönnyebb elemekkel kudarcot vallott, a hidrogén, a lítium, a berillium, a bór, a szén, a nitrogén besugárzása nem hozott eredményt. A fluor, és a periódusos rendszerben őt követő elemek viszont a neutronbesugárzás hatására átalakultak, radioaktív anyagok keletkeztek. Fermi az összes elemmel el akarta végezni a kísérleteket, fiatalabb munkatársát, Emilio Segrét bízta meg a még hiányzó anyagok beszerzésével. A vegyszerboltban Segré ajándékba kapta a céziumot és a rubídiumot, mert addig még soha senki sem vásárolt belőlük. A besugárzást és az eredmény kémiai elemzését egy hosszú folyosó két ellentétes végén végezték. A hosszú lábú Fermi és Amaldi egymással versenyezve szaladt végig a rövid életű anyagokkal.
A neutronnal besugárzott anyagok béta-bomlással alakultak át stabil elemekké, ezért a végeredmény mindig a kiindulási anyagnál eggyel nagyobb rendszámú elem volt. Fermi és munkatársai elértek a periódusos rendszer utolsó ismert eleméhez, a 92-es rendszámú uránhoz. Azt találták, hogy az urán bomlási termékei között is található új elem. Úgy vélték, hogy egy új, 93-as rendszámú elem keletkezett, az erről szóló beszámolót 1934. májusban küldték el a Ricerca Scientifica c. folyóiratnak. A kutatók óvatosan fogalmaztak, még alaposabban ellenőrizni akarták eredményüket, de a Lincei Akadémia ülésén, a király jelenlétében, a fiatal fizikusok pártfogója, Corbino professzor bejelentette az új elem felfedezését. A hírt felkapta a sajtó, a "kultúra mezején aratott fasiszta győzelemről" írtak. "A fasizmus szárnyai alatt Olaszország újra betölti szerepét az egész világ tanítóinak és úttörőinek sorában."
Bruno Pontecorvo frissen diplomázott fizikusként csatlakozott Fermi csoportjához. (Ő az a Pontecorvo, aki később alapvető neutrínófizikai felfedezéseket tett, bár közismertté azzal vált, hogy Nagy-Britanniából 1950-ben a Szovjetunióba távozott, ezért az atomtitkok egyik elárulójának tartották.) Pontecorvo ezüsttel kísérletezve azt tapasztalta, hogy az eredményül kapott aktivitás függ attól, hol helyezkednek el az asztalon a kísérleti eszközök. Fermi vezetésével módszeresen hozzáláttak a jelenség tanulmányozásához. Így fedezték fel, hogy ha paraffint helyeznek a neutronforrás és a minta közé, akkor százszor nagyobb aktivitást érnek el. Fermi hamar megtalálta a magyarázatot. A paraffin sok hidrogént tartalmaz, a neutron a hidrogén atommagokkal, a protonokkal ütközve veszít energiájából és lelassul. A lelassított neutront viszont nagyobb eséllyel fogja be a minta anyaga, ezért kapnak lényegesen nagyobb aktivitást. Ha ez a magyarázat igaz, akkor a jelenségnek minden, sok hidrogént tartalmazó anyagnál jelentkeznie kell. Az ellenőrző kísérletet a laboratórium mögötti kert aranyhalas szökőkútjánál végezték el. Teljes sikerrel: a neutronok a vízben is lelassultak.
1938-ban "az új radioaktív elemek neutronbombázásssal való létrehozásáért, továbbá a lassú neutronok keltette magreakciók felfedezéséért" ítélték neki a fizikai Nobel-díjat.
Fermiék 1934-ben uránt is besugároztak neutronnal, és felismerték, hogy lassú neutronokkal könnyebb az elemeket átalakítani. A lassú neutronnal besugárzott uránban végbement a maghasadás, de ezt nem ismerték fel. Laura Fermi így foglalta össze férje évekkel később megfogalmazott értékelését: "Nekünk nem volt elég képzelőerőnk ahhoz, hogy az urániumban más bomlási folyamat játszódik le, mint a többi elemben; így aztán azon igyekeztünk, hogy a keletkezett radioaktív terméket azonosítsuk a periodikus táblán legközelebb következő elemmel. Ráadásul nem volt elegendő kémiai ismeretünk sem, hogy az uránium bomlásakor keletkezett termékeket szétválasszuk egymástól. ... Amit mi annak idején a 93-as elemnek gondoltunk, arról kiderült, hogy semmi egyéb, mint a bomlási termékek keveréke."
A maghasadást így Hahn és Strassmann fedezte fel 1938 végén, Németországban. Meitner és Frisch a Niels Bohr által kidolgozott cseppmodell alapján azonnal meg is adta a jelenség magyarázatát. A híreket Bohr vitte meg 1939. januárban az Egyesült Államokba. Fermi a kikötőben várta. 1939 márciusában három laboratóriumban is kimutatták, hogy egyetlen hasadási aktusban egynél több neutron keletkezik, vagyis megvalósítható a láncreakció. Halban, Joliot-Curie és Kowalski Párizsban, Anderson, Fermi és Hanstein New Yorkban, a Columbia Egyetemen, továbbá Szilárd és Zinn a New York Egyetemen hasonló eredményeket kapott. (Szilárd a sikeres kísérlet után felhívta Washingtonban Teller Edét, és csak egyetlen mondatot mondott a telefonba magyarul: "Megtaláltam a neutronokat.") Megnyílt az út az atomenergia felszabadításához.
Az első atommáglya - Fermi és Szilárd
"E. Fermi és L. Szilárd bizonyos új munkái alapján, amelyekkel kéziratban volt alkalmam megismerkedni, arra a következtetésre jutottam, hogy az uránium elem a legközelebbi jövőben új, fontos energiaforrássá válhat. ... Az utóbbi négy hónap során Joliot munkái Franciaországban, Fermié és Szilárdé Amerikában valószínűvé tették, hogy nagy tömegű urániumban nukleáris láncreakciót lehet megvalósítani ..." - írta Albert Einstein 1939. augusztus 2-án F. D. Rooseveltnek, az Egyesült Államok elnökének. Ez az a sokszor idézett történelmi levél, amelynek megírását Szilárd Leó, Wigner Jenő és Teller Ede ösztönözte.
Szilárd Leó 1933-ban, röviddel a neutron felfedezése után ismerte fel a nukleáris láncreakció lehetőségét. Olyan elemet keresett, amelyik egyetlen neutron hatására széthasad, és két neutront bocsát ki. Elgondolását szabadalmaztatta is. Azonnal felmerült benne a láncreakcióra alapozott bomba gondolata, de ekkor még nem tudta, hogy melyik elemmel lehet láncreakciót létrehozni. 1934-ben Szilárd és Chalmers Londonban már Fermi eredményeinek ismeretében sugárzott be különböző elemeket neutronokkal, de Szilárdnak nem sikerült elegendő pénzt szereznie ahhoz, hogy szisztematikusan végigvizsgálhassák az összes elemet, alkalmas-e neutronokkal kiváltott magreakciókra. Így Szilárd sem fedezte fel a maghasadást.
Fermi és Szilárd 1939 elején a Columbia Egyetemen került közvetlen kapcsolatba egymással. Hamar kiderült, hogy egészen különböző módon értékelnek egy tudományos tényt. Szilárd szerint "mindketten konzervatívok akartunk lenni, de Fermi úgy gondolta, hogy akkor konzervatív, ha lekicsinyli annak valószínűségét, ami megtörténhet. Én viszont úgy gondoltam, hogy az a konzervatív dolog, ha elismerjük, hogy megtörténhet, és megtesszük a megfelelő óvintézkedéseket."
Szilárd attól tartott, hogy a nukleáris robbanóanyag még valószínűbbé teszi a háborút, és Németország csinálhat először bombát. Ezért vette rá Einsteint a levél megírására. Memorandumban foglalta össze az atomkutatás eredményeit és perspektíváit, javaslatokat dolgozott ki az atombombagyártás programjának beindítására. Nagy volumenű kísérletet javasolt a láncreakció elvének ellenőrzésére. 1940 nyarán döntött az amerikai kormányzat a kísérletek mellett. Fermi lett a felelős a Columbián végzett kísérletekért, Szilárd hozta az új elgondolásokat, szervezte az urán és a grafit beszerzését. Ferminek nem tetszett, hogy Szilárd nem volt hajlandó semmiféle kétkezi munkára. Fermi munkatársaival együtt hordta a grafittéglákat, Szilárd pedig csak tanácsokat adott.
Az uránprogram katonai jelentősége miatt a titkosszolgálatok is munkához láttak. Az ellenséges külföldieknek minősülő Fermiről és Szilárdról ilyen jellemzést adtak 1940-ben: "Enrico Fermi ... a világ legismertebb fizikusainak egyike. Különösen híresek az atomhasítással kapcsolatos felfedezései. ... Feltehetőleg azért hagyta el Olaszországot, mert a felesége zsidó. A Nobel-díj birtokosa. Munkatársai szeretik mint embert, és csodálják intellektuális képességeit. Kétségkívül fasiszta." "Mr. Szelard. Ennek az embernek állítólag Szillard az igazi neve. ... Zsidó menekült Magyarországról. ... Az illető feltaláló, és mint mondják, erősen németbarát. Több alkalommal kifejtette, hogy Németország megnyeri a háborút." A végkövetkeztetés mindkét személy esetében szó szerint azonos: "Mielőtt titkos feladattal bíznák meg, sokkal alaposabb vizsgálatra van szükség. Nem ajánljuk, hogy ezt a személyt titkos munkára alkalmazzák." Szilárd valóban úgy gondolta, hogy Németország győzhet a háborúban, éppen ez a félelem hajtotta a láncreakció megvalósítása felé. Vajon mikor készült volna el az amerikai atombomba, ha Fermit és Szilárdot 1940-ben kizárják a munkálatokból?
1942-től Chicagóban folytatták a kísérleteket. A Chicagói Egyetem Metallurgiai Laboratóriumnak közreműködésével egy stadionban építették meg az első atomreaktort, akkori nevén atommáglyát. Tudománytörténészek azóta már kielemezték, hogy az első láncreakció megvalósításához milyen gondolatokkal járult hozzá Fermi, és mi köszönhető Szilárdnak. A részleteket itt mellőzve egyértelmű, hogy mindketten kulcsszereplők voltak. Szilárd később így jellemezte szerepüket: "Fermi egyértelműen és világos módon a tudomány embere. Ez a pozíció megtámadhatatlan, mert monolitikusan egységes... Fermi és én együttműködésünk első pillanatától kezdve eltérő nézeteket képviseltünk minden olyan, nem szigorúan tudományos kérdésben, amely a cselekvés elveire vonatkozott egy fenyegető háború küszöbén. Ha a nemzet egyáltalán hálás lehet nekünk valamiért - ami egyáltalán nem biztos -, akkor csakis azért, hogy kitartottunk egymás mellett, ameddig szükséges volt."
Az első láncreakció létrehozásának történetét a szemtanú, Wigner Jenő így jegyezte le: "Ezen a szerdán (reggel 8.30 táján) közel 50 ember gyűlt össze a 10m x 20 m méretű teremben. Középen egy nagy máglya volt, fekete grafittéglákból és fagerendákból építve. ... Ebbe voltak beágyazva az urántömbök. ... A komoly munka 9.45 körül indult. 11.30-ra már majdnem megvalósult az önfenntartó láncreakció, de a reaktorba beengedett kontrollrudak megállították azt. Fermi mindnyájunkat ebédelni küldött. 2.00-kor jöttünk vissza. A balkon egyik végén logarléccel a kezében állt Fermi két főmunkatársával, Zinnel és Andersonnal. Mellettük állt Compton, az atomenergia-program igazgatója. Mi, a többi negyven, a balkon másik végén gyűltünk össze, köztünk volt régi barátom, Szilárd Leó is. Délután 3.30-kor a neutronok számának emelkedését figyelve Fermi kiadta az utasítást, hogy a kadmiummal borított kontrollrudakat 25 cm-es lépésekben emeljék. A neutronszámláló ketyegett: pit-a-pat, pit-a-pat, pit-a-pat. Mind jobban megközelítettük az önfenntartó neutron-láncreakciót. Amikor a kontrollrudat teljesen kihúzták, a számláló minden korábbinál szaporábban ketyegett, ekkor tudtuk: a nukleáris láncreakció megvalósult! Kiszabadítottuk és sikeresen ellenőrzésünk alatt tartottuk az atommag energiáját. Az emberek mosolyogtak, egy-két taps is felhangzott, de mintegy 30 percen keresztül főként figyeltünk. A jelenet egyáltalán nem volt teátrális. ..." (Radnóti Miklós sorai jutnak eszünkbe: "Mikor Kolumbusz a zsivajgó partra lépett / s követték társai, az ittas tengerészek, / ... / érezte már, hogyan kezdődik az öröklét. / Megvillant nagy szeme, fáradt szemhéja égett. / Legyintett. S hátraszólt valami semmiséget.")
Továbbra is Wigner Jenőt idézzük: "Ezt a pillanatot előre látva, tíz hónappal korábban Princetonban vettem egy üveg olasz vörösbort; chiantit, és azt magammal hoztam Chicagoba. ... A chiantit egy barna papírzacskóban tartottam a hátam mögött. Most előhúztam a zacskóból és a palackot Ferminek adtam. Ő megköszönte, kihúzta a dugót és valakit papírpoharakért küldött. ... Koccintottunk a siker tiszteletére, és azt kívántuk, hogy az atomenergia tegye boldogabbá az emberek életét, lecsökkentve káros előítéleteiket. Fermi ráírta nevét a chianti-címke tetejére. Ezután a palack körbejárt a teremben, és mindnyájan ráírtuk a nevünket. A történelmi eseményről nem készült feljegyzés. A chianti-címkén levő névsor tette csak lehetővé, hogy utólag rekonstruálják: ki volt jelen az első atommáglya megindulásánál."
A sikerről így adott hírt telefonon a programot irányító Compton: "Az olasz hajós partot ért az Új Világban."
Az atom- és hidrogénbomba - Fermi és Teller
Laura Fermi Rómában találkozott először Teller Edével. "Minthogy soha azelőtt nem került magyar ember a szemem elé, első találkozásunk alkalmával nagyon érdekelt ez a férfi, de semmiféle lényegbevágó különbséget nem fedeztem fel közte és a más nemzetiségű férfiak között." Később barátság alakult ki az Amerikában megtelepedett család két között. Fermi szerint "ennek a fiatalembernek van fantáziája". (Teller hét évvel fiatalabb Ferminél.) Teller 1939-ben kiegészítette, továbbfejlesztette Fermi béta-bomlás elméletét. Fermi és Teller 1939-40-ben sokszor beszélgetett a jövendő atomkorszakról. Fermi 1941 végén vetette fel Tellernek, hogy a nukleáris láncreakció által keltett forróság esetleg önfenntartó láncreakciót indíthat el nehézhidrogénben. Teller 1942 nyarára már kidolgozta a szuperbomba, az atombombával begyújtott hidrogénbomba elképzelését. Teller 1962-ben Kennedy elnöktől kapta meg a Fermi-díjat. (Wigner Jenő korábban, már 1958-ban kapott Fermi-díjat.)
Fermi ott volt Alamogordóban 1945. június 16-án, amikor végrehajtották a Trinity fedőnevű kísérletet, felrobbantották a világ első atombombáját. A kísérlet előtt kis papírdarabokat szórt szét a földön, amelyeket a robbanást követő lökéshullám szétszórt és távolabbra sodort. Fermi lépésekkel felmérte a távolságot, és a papírdarabok útjából következtetett a robbanás erejére. Az általa kapott érték jól egyezett a műszerek mérései alapján később elvégzett pontos számítások eredményeivel. Annyira elmerült saját kísérletében, hogy nem is hallotta a fényfelvillanást követő mennydörgésszerű hangot.
***
Fiatal professzorként hallgatóitól a Pápa becenevet kapta: kvantumelméletben Fermi csalhatatlan, tehát Fermi a pápa... 1941-ben professzor-társaival hozta létre Amerikában a Próféta-társaságot. A társaság tagjai minden hónap elején a lehetséges eseményekkel kapcsolatban tíz kérdésre válaszoltak igennel vagy nemmel. Néhány példa: "Partra száll-e Hitler Angliában? Kitartanak-e az angolok Tobrukban?" A hónap végén értékelték a válaszokat. Fermi volt a Próféta, jövendöléseinek 97%-a bevált.