Enrico Fermi: Italský génius, který spustil atomový věk logaritmickým pravítkem
- Enrico Fermi byl geniální italský fyzik, který díky své mimořádné intuici a experimentům s pomalými neutrony získal v roce 1938 Nobelovu cenu.
- Před fašistickým režimem utekl s rodinou do USA, kde se stal klíčovou postavou Projektu Manhattan a v Chicagu úspěšně spustil první řízenou jadernou řetězovou reakci.
- Po válce pokračoval ve výzkumu i výuce v USA, prosazoval odmítnutí vodíkové pumy a v roce 1954 podlehl rakovině žaludku, kterou pravděpodobně způsobila dlouhodobá práce s radioaktivním materiálem.
Před 125 lety se narodil jeden z nejvýznamnějších vědců atomového věku Enrico Fermi. Fyzik známý jako „Poslední muž, který věděl všechno“ byl za svého života proslulý intuicí, vynalézavostí a smyslem pro humor. Proč s kolegy sprintoval po chodbách svého římského institutu? Proč stál u jeho prvního atomového reaktoru muž se sekerou? A jak dokázal řídit první štěpnou reakci logaritmickým pravítkem?
Název životopisu Enrica Fermiho „Poslední muž, který věděl všechno“ byl inspirován přezdívkou, kterou dali velkého italskému fyzikovi jeho kolegové. Titul je pochopitelně nadnesený. Fermi rozhodně nebyl znalcem umění, hudby ani literatury a o mnoha vědeckých oborech měl jen povšechnou znalost. Když ale přišlo na fyziku, připomínal jeho mozek opravdu encyklopedii zahrnující veškeré lidské vědění.
Student, který mátl profesory
Enrico Fermi se narodil 29. září 1901 v Římě. Vyrůstal v rodině úředníka státních železnic a všechen čas trávil se svým starším bratrem Giuliem. Když mu bylo 13 let, postihla rodinu tragédie. Giulio podstoupil v nemocnici rutinní zákrok a na následky pooperačních komplikací zemřel. Zdrcený Enrico se uchýlil ke studiu věd, které ho vždy fascinovaly – matematiky a fyziky. V antikvariátech namátkou kupoval učebnice a ležel v nich celé dny.
Do poněkud chaotických studií vnesl po nějaké době řád otcův kolega Adolpho Amidei. Když se Enrico dozvěděl, že má matematické vzdělání, začal na něm vyzvídat, jestli existuje oblast geometrie, která nepracuje s mírami, ale s vlastnostmi útvarů. Ohromený Amidei mu druhý den přinesl vysokoškolskou učebnici projektivní geometrie. Fermi ji za dva měsíce zhltnul a bezchybně vyřešil dvě stovky úloh náročných i pro univerzitní studenty.
Adolpho začal do Fermiho domácnosti docházet pravidelně. Během několika let zasvětil Enrica do vyšší matematiky i fyziky, podporoval ho ve studiu jazyků, stavěl s ním motory a různé elektrické přístroje. Přesvědčil i jeho rodiče, aby ho nechali zapsat na prestižní univerzitu Scuola Normale Superiore v Pise. Když u přijímacích zkoušek dostal za úkol popsat charakteristiku zvuku, vypracoval sedmnáctiletý Fermi během tří dnů studii na úrovni dizertační práce.
Užaslá komise ho bez výhrad přijala. Jak se ale dalo očekávat, Enrico se během studia na náročném institutu většinou nudil. Namísto přednášek trávil čas v knihovně čtením vědeckých časopisů a řešením složitých rovnic na svém milovaném logaritmickém pravítku. Jeho závěrečná práce o nových rentgenových zobrazovacích metodách byla tak komplexní, že ji profesorský tým nedokázal posoudit.
Do nitra atomu
Intuici, s jakou Fermi dokázal předvídat praktické důsledky i těch nejabstraktnějších teorií, dokazuje jeho poznámka o tehdy čerstvě odhalené teorii relativity. Bystrý student z Einsteinových rovnic okamžitě vyvodil, že „pokud bychom dokázali uvolnit energii z jediného gramu hmoty, získali bychom více energie, než jakou vyrobí tisíc koní během tří let nepřetržité práce“.
K výpočtu si pak poznamenal: „Je nepravděpodobné, že takového výsledku budeme schopni v blízké budoucnosti dosáhnout. Což nevadí, protože exploze tak obrovského množství energie by zaručeně roztrhala na kousky každého fyzika, který by měl tu smůlu, že by na způsob jejího uvolnění přišel.“ Netušil tehdy, že lidstvo na způsob uvolňování energie z hmoty přijde už velmi brzy. Ani to, že on sám bude v procesu hrát hlavní roli.
Počátky Fermiho pronikání do nitra hmoty se datují do 30. let 20. století, kdy působil jako profesor na fyzikálním institutu v Římě. Hlavním tématem jeho výzkumu byly experimenty s umělou radioaktivitou － nejčerstvějším objevem manželů Joliot-Curieových. Frédéric a Irène zjistili, že stabilní kov vystavený proudu částic vydává po jeho uzavření nějakou dobu radioaktivní záření.
Fermi a jeho kolegové zkoumali, u kterých prvků lze umělou radioaktivitu vyvolat. Narazili ale na problém, že vyzařování trvalo u některých kovů pouze několik minut, nebo dokonce sekund. „Bombardování“ proudem neutronů probíhalo v odstíněné místnosti a měřící přístroje byly umístěny v laboratoři v jiném křídle budovy. Po uzavření emitoru částic tedy musel fyzik popadnout ozářený vzorek a co nejrychleji ho dopravit do laboratoře.
Fermi, přezdívaný mladšími kolegy „Papež“, se okamžitě rozhodl v budově institutu uspořádat závody. Nejlepší italští fyzikové při nich sprintovali s radioaktivními kovy dlouhou chodbou, zatímco Papež Enrico na stopkách měřil, kdo je dokáže do detektoru vložit nejrychleji.
Běžecko-fyzikální závody vedly (kromě zlepšování kondice vědeckého týmu) k jednomu z nejdůležitějších objevů v jaderné fyzice. Během pokusů totiž Fermi zaznamenal podivný fenomén. Když ozařovaný vzorek umístil na dřevěný stůl, výsledná radioaktivita byla mnohonásobně silnější než u prvků upevněných na kamenné podložce. Jeho neomylný instinkt ho dovedl během přestávky na oběd k logickému závěru.
Organický materiál proud neutronů brzdí. Pomalejší částice mají větší šanci proniknout do jader atomů ve vzorku a vyvolat v nich radioaktivitu. Aniž by to tušil, objevil tehdy princip fungování jaderného reaktoru, kde jsou neutrony brzděny čistým uhlíkem ve formě grafitových bloků.
Útěk za oceán
Za práci, ve které svůj objev oznámil světu, získal Fermi v roce 1938 Nobelovu cenu. Po jejím převzetí ze Stockholmu nezamířil zpět do Itálie, ale za oceán. Fašistický režim v jeho rodné zemi mu zpočátku nevadil. Podle jeho životopisců mu vyhovovalo, že Mussolini podporoval vědu štědrými granty a jeho vláda přinesla do Itálie stabilitu. Když se však Il Duce dostával do čím dál větší závislosti na nacistickém Německu, bylo Fermimu jasné, že jeho židovské manželce Lauře hrozí smrtelné nebezpečí. Rodina proto musela vyměnit milovaný Řím za New York.
Zatímco Fermi prchal z Itálie do USA, tým německých vědců v čele s fyzičkou Lisou Meitner a chemikem Otto Hahnem předložil světu první důkaz štěpné reakce. V tom okamžiku bylo zřejmé, že výzkum radioaktivity povede k vývoji bomby, o níž Fermi v 17 letech pochyboval. Otázkou zůstávalo, která země se k ní dopracuje jako první a jakou roli budou atomové zbraně hrát v nezadržitelně se blížící válce.
Ital Fermi byl v USA považován za občana nepřátelského státu a tajné služby na něj vedly rozsáhlou složku. Jeho teoretické i praktické znalosti ale nemohli zakladatelé Projektu Manhattan ignorovat. Do týmu Roberta Oppenheimera byl povolán už na samém počátku projektu v roce 1942 a v roce 1944 se přesunul do Los Alamos jako jeden z ředitelů. Náplň své práce dokázal kupodivu před celou rodinou tajit. Laura Fermi se o manželově roli dozvěděla až po shození bomb na Hirošimu a Nagasaki, kdy předmět jeho výzkumu přestal být přísně střeženým tajemstvím.
Projekt Manhattan
Jeho diskrétnost je obdivuhodná, protože Fermi byl vedle Oppenheimera asi nejzásadnější postavou amerického jaderného programu. Podílel se na teoretických konceptech i na praktickém designu reaktorů. Vymýšlel průmyslové technologie obohacování uranu. Dohlížel na výrobu plutonia i na sestavování prototypu bomby. Každého úkolu se zhostil s lehkostí a neutuchajícím smyslem pro humor.
Během příprav prvního jaderného testu mu připadalo, že jsou kolegové příliš nervózní. Aby je rozptýlil, začal se s nimi sázet, jestli výbuch bomby spustí v atmosféře řetězovou reakci a zničí život na celé Zemi. Sám se apokalypsy nebál, protože jeho výpočty takovou eventualitu nepřipouštěly. Během testu se dokonce odmítl uchýlit do krytu. Namísto toho vyhodil po explozi do vzduchu útržky papíru a podle jejich pohybu v tlakové vlně rychle vypočetl, jakou silou bomba vybuchla.
Test Trinity nebyl Fermiho prvním jaderným úspěchem. Před odjezdem do Los Alamos byl vedoucím projektu stavby prvních jaderných reaktorů. Prototyp Pile 1 nechal vyskládat ze 400 tun grafitových cihel na raketbalovém kurtu chicagské univerzity. Po jeho dokončení řídil spuštění první řetězové reakce a zaznamenával její průběh pomocí výpočtů na svém logaritmickém pravítku. Z jeho prakticky smýšlející hlavy pocházel i nápad vybavit reaktor pojistkou ve formě kadmiové tyče zavěšené nad soustavou z balkonu.
K provazu postavil kolegu Normana Hilberryho se sekerou a přikázal mu, aby ho v případě nekontrolovatelné reakce přetnul. Fermiho výpočty byly opět přesné a k žádné krizové události nedošlo. Údajně na jeho počest je dodnes nouzový vypínač jaderných reaktorů označovaný zkratkou SCRAM – Safety Control Rod Axe Man (Muž se sekerou u bezpečnostní kontrolní tyče).
Příliš rychlý konec
Po válce se Enrico Fermi stal vedoucím nově založeného Institutu jaderných studií na Univerzitě v Chicagu, kde vychoval pět laureátů Nobelovy ceny. Kromě učení se věnoval i vlastnímu výzkumu. Publikoval desítky vědeckých prací, zastával post prezidenta Americké fyzikální společnosti a působil v nejužším poradním sboru Komise pro jadernou energii.
Společně s Robertem Oppenheimerem zastával stanovisko, že by se Spojené státy měly vzdát vývoje termonukleárních zbraní. Jeho kolega Edward Teller, živoucí předloha Kubrickova dr. Divnolásky, ale prosadil stanovisko opačné.
V roce 1954 se u Enrica Fermiho projevilo onemocnění rakovinou žaludku. Příčinou zhoubného nádoru byl pravděpodobně jeho zvyk přenášet radioaktivní vzorky v náručí, možná i jeho dávné závody po chodbách institutu v Římě. Operace bohužel nebyla úspěšná a velký fyzik zemřel 29. listopadu 1954 ve věku pouhých 53 let. Poslední hodiny trávil stejně jako celý svůj život – vědeckým pozorováním. Se stopkami v ruce sledoval rychlost průtoku živného roztoku v kapačce a počítal, kolik tekutin jeho zesláblé tělo spotřebovává.
