Współtwórca projektu Manhattan

Jak to się stało, że pana książka, zatytułowana „Enrico Fermi. Ostatni człowiek, który wiedział wszystko. Życie i czasy ojca ery atomowej", ukazała się w Polsce?

Chciałbym podziękować wydawnictwu Copernicus Center Press, które opublikowało moją książkę w Polsce, pierwszym kraju poza Stanami Zjednoczonymi. Kiedy dowiedziałem się, że pozycja ta ukaże się w Polsce, bardzo się ucieszyłem, że będę mógł porozmawiać z ludźmi takimi jak pan, że będę mógł wyjaśnić czytelnikom w Polsce szczegóły życia Enrico Fermiego, tym bardziej że zarówno ja, jak i moja żona Susan mamy polskie korzenie, szczęśliwie więc nadarzyła się okazja, aby odwiedzić miejsce, z którego pochodzimy.

Przejdźmy zatem do pańskiej książki. Pod koniec XIX wieku fizykę uważano za jedną z najbardziej kompletnych dziedzin wiedzy. Naukowcy byli przekonani, że jest tylko kilka niezbyt dobrze wyjaśnionych problemów, m.in. promieniowanie termiczne ciała doskonale czarnego. Wszyscy spodziewali się, że w przewidywalnym czasie problemy te zostaną rozwiązane. Wówczas pojawili się młodzi naukowcy, którzy mówili, że energia fal elektromagnetycznych nie jest ciągła, tylko skwantowana. Jakie podejście do tych nowych teorii mieli fizycy posługujący się mechaniką klasyczną?

Uważam, że zmiana paradygmatu z mechaniki klasycznej i przejście do mechaniki kwantowej to był bardzo trudny proces. Jednym przyszło to łatwiej, dla innych było to nieco trudniejsze. Na przykład Max Planck, który był ojcem mechaniki kwantowej, nienawidził tego, co odkrył, ale sądził, że była to jedyna droga, która pozwalała na wyjaśnienie promieniowania ciała doskonale czarnego. Młodzi fizycy byli bardziej otwarci na to nowe podejście. Kiedy Enrico Fermi dostał się na uniwersytet, tak naprawdę nikt nie znał, nie rozumiał i nie potrafił wyjaśnić, na czym polega mechanika kwantowa ani teoria względności. Fermi musiał się tego wszystkiego nauczyć sam, szczęśliwie był otwarty na nowe podejście do interpretacji zjawisk fizycznych. To była zupełnie nowa dziedzina wiedzy, znacznie bardziej złożona, zarówno matematycznie, jak i pojęciowo.

„Enrico Fermi. Ostatni człowiek, który wiedział wszystko” - przeczytaj recenzję

W latach 20. XX w. pojawiło się bardzo wiele poważnych problemów, które tacy fizycy jak Fermi, Dirac, Heisenberg i Pauli starali się wyjaśnić. Kolejnym zagadnieniem, które otworzyło oczy fizyków na nowości, było odkrycie promieniotwórczości, gdzie kluczową postacią była Polka Maria Skłodowska-Curie.

Enrico Fermi i jego zespół 2 grudnia 1942 r. przeprowadzili pierwszą samopodtrzymującą reakcję jądrową na boisku do squasha w centrum campusu Uniwersytetu Chicagowskiego

Foto: U.S Department of Energy

Czy uważa pan, że ci młodzi fizycy rozpoczęli pewną rewolucję intelektualną? Ich spór ze starszymi fizykami trochę przypomina spór impresjonistów z akademikami w XIX-wiecznym Paryżu i przedstawienie nowego widzenia świata wbrew oporom środowiska.

Po raz pierwszy zadano mi takie pytanie. Faktycznie, można wysnuć taki wniosek, obserwując spór międzypokoleniowy. Myślę, że są tu zarówno podobieństwa, jak i różnice. Podobieństwem jest, że ci młodzi fizycy mieli zupełnie inne postrzeganie świata, tak samo jak młodzi impresjoniści, i dość dużo czasu zajęło opinii publicznej przekonanie się do tego nowego sposobu widzenia świata. Ta nowa nauka była niewątpliwie rewolucyjnym sposobem interpretacji zjawisk fizycznych, zupełnie odmiennym od tego, co głoszono wcześniej. Potrzeba było dużo czasu, aby naukowcy zaakceptowali tę rewolucję. Różnica jest taka, że w przypadku impresjonizmu rewolucja zaczęła się w głowach ludzi. Natomiast rewolucja naukowa rozpoczęła się od spraw, które otaczały człowieka i bez zmiany paradygmatu naukowego nie można było ich zrozumieć.

Na arenie naukowej pojawiają się młodzi fizycy. Począwszy od Maxa Plancka, Alberta Einsteina, Nielsa Bohra, Arthura Comptona, aż po Erwina Schrödingera czy Wernera Heisenberga. Czy sposób myślenia Enrico Fermiego różnił się od podejścia innych naukowców jego czasów?

Wszyscy ci fizycy uważali, że należy zmienić sposób widzenia świata. Największą różnicą między tą grupą a Enrico Fermim było to, że on był jednocześnie świetnym fizykiem doświadczalnym i teoretycznym. Kolejną poważną różnicą było to, że był on całkowicie skupiony na fizyce i nie obchodziła go filozofia stojąca za tymi problemami. Dzięki temu Fermi był bardziej biegły w rozwiązywaniu problemów niż cała reszta tej grupy, ponieważ nie rozpraszały go problemy filozoficzne, które pojawiały się nieuchronnie w tej nowej nauce. Dirac, Schrödinger czy Pauli byli dużo bardziej kreatywni niż Fermi. Ale Fermi potrafił rozłożyć problem na czynniki pierwsze i dzięki temu go rozwiązać, a później wyjaśnić swoje rozważania pozostałym naukowcom. Na przykład kiedy Dirac stworzył swoją elektrodynamikę kwantową, tak naprawdę było bardzo niewiele osób, które potrafiły ją zrozumieć. Fermi spędził dwa lata, pracując nad tym, aby przepisać elektrodynamikę kwantową w taki sposób, by stała się jasna dla absolutnie wszystkich fizyków. Potwierdzają to słowa fizyków: Eugene'a Wignera i Hansa Bethe'a. Obaj mówili, że elektrodynamiki kwantowej nie nauczyli się od Diraca, tylko od Fermiego.

Fermi w swoich pracach używał niezwykle zaawansowanego rachunku prawdopodobieństwa. Czy to w jakiś sposób odróżniało go od pozostałych naukowców?

Myślę, że bardziej niż inne osoby interesowała go rola przypadku i prawdopodobieństwa w fizyce. Bardzo interesowała go mechanika statystyczna. Wiele czasu w swojej działalności naukowej poświęcił kwestiom prawdopodobieństwa i entropii energii. To doprowadziło do jego pierwszego wielkiego dokonania, czyli stworzenia czegoś, co obecnie nazywa się statystyką Fermiego-Diraca.

Twierdzi pan, że Fermi nie był filozofem, a jednak wymyślił coś, co dziś znamy pod nazwą paradoksu Fermiego.

Faktycznie, ale ważne jest poznanie kontekstu, w jakim pojawił się paradoks Fermiego. Pewnego dnia, podczas lunchu z Edwardem Tellerem i wieloma innymi fizykami, zastanawiał się, czy możliwe są podróże międzygwiezdne z prędkościami większymi niż prędkość światła. Teller twierdził, że szansa, aby pojawiła się możliwość podróżowania z takimi prędkościami, jest mniejsza niż jeden do miliona. Natomiast Fermi uważał, że szansa jest mniejsza niż jeden do dziesięciu. Prawdopodobnie wynika to z tego, że Fermi uwielbiał nie zgadzać się z Tellerem. Dyskusja była kontynuowana. Fermi siedział przez dłuższą chwilę w ciszy i nagle stwierdził: „Dobrze. W takim razie gdzie oni są?". Wszyscy obecni wybuchnęli śmiechem – wiedzieli, o czym pomyślał Fermi. Chodziło mu o to, że jeśli prędkości nadświetlne byłyby dostępne, to gdzie są ci wszyscy kosmici, którzy mogliby do nas dotrzeć.

W swej istocie jest to zaawansowane studium prawdopodobieństwa.

To oczywiście jest kwestia statystyczna, ile mamy gwiazd, ile z tych gwiazd posiada układy planetarne pozwalające na powstanie życia i jak długo wszechświat istnieje. Z tego układu Fermi wysnuł pytanie: skoro wszechświat jest tak olbrzymi, to dlaczego do tej pory nie odwiedziły nas obce cywilizacje?

Nie zawracał sobie głowy tą kwestią, aż pewnego razu zapytano go, czemu do tej pory kontakt między cywilizacjami nie został nawiązany. Odpowiedział, że być może dlatego, że obcy byli na takim stopniu zaawansowania technologicznego, że po prostu wysadzili się, ulegli samozagładzie. I to jest chyba największa „filozofia", do jakiej kiedykolwiek doszedł.

Rewolucja kwantowa na zawsze zmieniła obraz świata. W 1933 r. Fermi wprowadza do nauki nową siłę – oddziaływanie słabe – aby za chwilę odkryć spowolnione neutrony. Mimo że za to drugie odkrycie dostał Nagrodę Nobla, wydaje się, że było ono dość przypadkowe i obarczone błędem interpretacyjnym. Czy pojawiły się jakieś wątpliwości co do przyznanej nagrody, bo przecież w reakcji jądrowej nie powstały transuranowce?

Fermi uważał, że odkrycie wolnych neutronów nie jest warte Nagrody Nobla. Ale tak naprawdę trzeba było kogoś o umyśle Fermiego, kto potrafiłby połączyć fakty i ocenić, czemu te wolne neutrony były tak efektywne w procesach jądrowych. Jednak bardziej przejmował się faktem, że w sposób nieuzasadniony został uznany za odkrywcę pierwiastków cięższych niż uran. Zawsze podkreślał, że być może nie odkrył transuranowców, ale doprowadził do rozszczepienia jądra uranu. Co zresztą miesiąc po odebraniu przez niego Nagrody Nobla potwierdził zespół niemieckich fizyków.

Wiele lat później, kiedy pracował na uniwersytecie w Chicago, specjalnie dla niego wybudowano laboratorium, a na szczycie budynku umieszczono rzeźbę, pod którą znalazła się inskrypcja upamiętniająca pierwszą samo podtrzymującą się reakcję jądrową przeprowadzoną przez Fermiego. Postać ustawiona na laboratorium była nieco niewyraźna. Kiedy fizycy zastanawiali się, co też rzeźba może oznaczać, Enrico spytał, czemu nie może być tam napisane: „To człowiek, który nie odkrył rozszczepienia jądra atomowego".

David N. Schwartz na promocji polskiego wydania jego książki o Enrico Fermim

Foto: materiały prasowe

Po odebraniu Nagrody Nobla Enrico Fermi emigruje do Stanów Zjednoczonych, gdzie w zasadzie natychmiast zostaje włączony do projektu Manhattan. Tam prowadzi badania mające na celu uzyskanie kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Czy to prawda, że Fermi projektował stosy atomowe bez rysunków technicznych, a jedynie na wyczucie i w oparciu o przewidywania tego, co się stanie ze strumieniem neutronów wewnątrz urządzenia?

Tak, to w zasadzie prawda. Bardzo dobrze rozumiał, jak neutron oddziałuje z jądrem atomu. Jednak od czasu do czasu rozpisywał takie diagramy, które dziś znamy jako metodę Monte Carlo. Jest to metoda modelowania matematycznego, stosowana w przypadku procesów tak złożonych, że podejście analityczne się nie sprawdza. Sprowadza się ona do losowania wielkości charakterystycznych dla procesu, ale znane muszą być granice, które określa rozkład prawdopodobieństwa.

Najbardziej zaskakujące jest to, że kiedy zbudował stos w Chicago, cała jego konstrukcja faktycznie wypłynęła z jego głowy. Potrafił we własnym umyśle zobrazować to, jak należy połączyć ze sobą grafit i uran, aby stos działał. Wyglądało to tak, że pracownicy budowali jedną warstwę, następnie wzywali Fermiego, który patrzył, jak to wygląda, i pokazywał, jak powinna być ułożona następna warstwa. I tak właśnie, warstwa po warstwie, stos został wybudowany, a wszystko pod ścisłym nadzorem Enrico Fermiego. Trzeba dodać, że stos składał się z około 40 tys. bloków grafitowych, w których wywiercono 22 tys. otworów. W tych otworach umieszczono wiele ton uranu.

Ten stos w Chicago był oparty na konstrukcji drewnianej, co oznacza, że nie miał żadnych zabezpieczeń przed promieniowaniem wydostającym się na zewnątrz. Czy fizycy nie zdawali sobie sprawy z zagrożenia radiacją, czy je lekceważyli?

Fizycy korzystali z naturalnego uranu, który nie jest aż tak bardzo niebezpieczny. Tam oczywiście było pewne promieniowanie, ale nie było ono tak szkodliwe, jak w przypadku wzbogaconego uranu lub plutonu. Nie wymagał on jakichś szczególnych zabezpieczeń. Dopiero w przypadku użycia tych dwóch ostatnich trzeba stworzyć obudowę zabezpieczającą. Większym problemem było to, że stos powstał na korcie do squasha, na środku kampusu uniwersyteckiego, w samym środku wielkiego miasta. Gdyby się okazało, że Fermi nie miał racji i się pomylił, wielu ludzi zostałoby zabitych lub rannych z tego powodu.

Reakcja faktycznie mogła się wymknąć spod kontroli. Jakich metod zabezpieczających użyto?

Użyto prętów kadmowych, które miały zatrzymać reakcję. Jeden z nich był zawieszony nad stosem na linie. Gdyby sytuacja wymknęła się spod kontroli, lina zostałaby przecięta za pomocą siekiery, a pręt wpadłby do wnętrza stosu. Gdyby pręty kadmowe okazały się niewystarczające, wówczas miano wylać na stos wcześniej przygotowany roztwór kadmu, który czekał w wiadrach. Kadm pochłaniał neutrony i zatrzymywał reakcję jądrową. Zalanie reaktora było ostatecznością, ponieważ później nie nadawałby się już do użytku.

Jednak rzeczywistym celem projektu Manhattan nie było przeprowadzenie reakcji samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej i otrzymanie źródła energii, tylko uzyskanie broni, która miała zdecydować o losach wojny.

Tak naprawdę stos atomowy stworzono po to, aby udowodnić, że reakcja łańcuchowa jest możliwa. Druga rzecz, którą chciano sprawdzić, to kwestia tego, czy można wzbogacić uran do tego stopnia, jaki jest wymagany do wyprodukowania bomby atomowej. W przeciwnym razie musieliby użyć plutonu. Stało się jasne, że jeżeli wybudują wystarczająco duży reaktor, to będzie tam produkowany pluton.

Fermi początkowo był przeciwny użyciu bomby atomowej przeciwko Japonii, a jednak uległ Oppenheimerowi i kontynuował prace prowadzące do testu atomowego w projekcie Trynity (kryptonim pierwszego naziemnego testu broni jądrowej). Czy wydarzyło się coś, co spowodowało zmianę jego decyzji?