Piše: prof. dr. Nenad Tanović 

 

Enrico Fermi je italijansko-američki fizičar, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1938. i tvorac prvog nuklearnog reaktora. Dao je veliki doprinos nuklearnoj fizici, kvantnoj teoriji, fizici subatomskih čestica, a bio je jedan od prvih koji su bili jednako dobri i u teorijskoj i u eksperimentalnoj fizici.

Rođen je 29. septembra 1901. godine u Rimu, u porodici Alberta Fermija. Njegova majka, Ida de Gattis je bila neobična osoba, kćerka oficira, koja je bila obrazovana kao učiteljica i radila je u osnovnim školama cijeli svoj život. Veoma inteligentna i samosvojna ona je presudno uticala na razvoj svoje djece. Enriko je bio treće dijete svojih roditelja. Prvo se rodila 1899. Maria (poginula u avio nesreći 1959. kod Milana), zatim 1900. Đulio (Giulio), a potom 1901. Enriko.

Sa šest godina Enriko je pošao u osnovnu školu i to onu koju su mu roditelji izabrali, jer je bila sekularna. Već tada je pokazivao naznake svoje nadarenosti, posebno u matematici, a kada je kao desetogodišnjak napuštao osnovnu školu njega je zbunjivalo kako to da jednačina x2 + y2 = r2 tačno opisuje kružnicu pa je bez ičije pomoći uspio to riješiti.

Ali Enriko je bio ustvari neko ko se naučno ipak sam obrazovao. To znamo po maloj svesci, koja je nekim čudom sačuvana, a u koju je revnosno zapisivao svaku knjigu koju je pročitao. Sa druge strane njegovi saradnici su bili i ostali iznenađeni kako je godinama poslije mogao da se sjeti tačno, gotovo stranu po stranu, onoga što je u mladosti pročitao (neoboriv dokaz o fotografskom pamćenju).

Na buvljaku je kupovao stare korištene knjige iz mehanike, fizike i matematičke fizike Poisson: Traitre de Mecanique, A. Caraffa: Elementorum physicae mathematicae iz 1840. (knjiga od 900 stranica, na latinskom profesora oca Andrea Caraffa-e /jezuita/ o matematici, klasičnoj mehanici, astronomiji, optici i akustici iz tog vremena), Richardson: Electron Theory of Matter, Planck: Vorlesungen Uber Thermodynamik, i mnoge od Poincare-a. Saradnik Fermijevog oca inžinjer Adolfo Amidei je bio prva osoba koja je uočila Enrikovu izuzetnost pa mu je posuđivao knjige iz matematike i fizike sa pedagoški dobro odmjerenom težinom sadržaja pripremajući ga za dalje obrazovanje. U međuvremenu je Fermi izvodio mnoge eksperimente sa aparaturama koje je sam konstruisao tako da je pravio žiroskope.  Precizno je odredio vrijednost gravitacionog ubrzanja u Rimu, gustoću vode iz rimskog vodovoda, i vrijednost magnetnog polja zemlje.

Na sugestiju Amideia prijavio se na prijemni ispit na Scuola Normale Superiore u Pizi (poseban univerzitet za izabrane obdarene studente), koji je bio natjecateljskog karaktera i gdje su se prijavljivali samo najbolji. Ispit je bio 14. novembra 1918. i Fermi je  pisao rad na zadanu temu Posebne karakteristike zvuka. U tom radu Fermi je postavio parcijalnu diferencijalnu jednačinu za šipku koja osciluje, a potom primjenjujući Furijeovu analizu je riješio. Iskreno, taj rad je mnogo više u tom vremenu ličio na doktorsku tezu nego na prijemni ispit za fakultet. Na sreću, rad je sačuvan u arhivi univerziteta – nakon njegove smrti otkriven na bibliotečkim policama. Poslije prve strane na kojoj je parcijalna diferencijalna jednačina slijedi 20 strana njenog rješavanja preko vlastitih vrijednosti, određivanja karakterističnih… Kada je ispitivač pročitao rad nije se mogao suzdržati da ne traži da se upozna sa osobom koja ga je napisala i kojoj je prorekao da će sigurno pobijediti na ovogodišnjem konkursu i osvojiti besplatno školovanje, ali i u budućnosti postati slavni naučnik.
 

Sa nešto malo više od 20 godina starosti Fermi je podnio rad za odbranu doktorske teze „Teorema vjerovatnosti i neke od njenih primjena“ (Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni), na Scuola Normale Superiore i 7. jula 1922. je odbranio i dobio svoju laureat (najviši akademski stepen obrazovanja u Italiji).

Teza je bila o slikama difrakcije X-zraka. Teoretska fizika se u to vrijeme u Italiji nije smatrala doktorabilnom i jedine teze koje su se na univerzitetima mogle braniti su bile iz oblasti eksperimentalne fizike. To je bio jedan od ključnih razloga zašto su nove ideje, koje su uglavnom dolazile iz Njemačke, bile teško prihvatane u Italiji.

Odmah nakon odbrane doktorata Fermi se vratio u Rim. 1923. je dobio stipendiju Italijanske vlade i boravio jedan semestar u Getingenu kao gost profesora Max Borna gdje se sreo sa Wernerom Heisenbergom i Pascualom Jordanom. Od septembra do decembra 1924. sa Rockefeller stipendijom (koju je dobio na preporuku matematičara Vito Volterra) boravi u Leyden-u kod profesora Paul Ehrenfest-a gdje sreće Hendrika Lorentza i Alberta Einsteina, a uspostavlja prijateljstvo sa Samuelom Goudsmitom i Janom Tinbergenom.

Od januara 1925. do kasno u 1926.-u Fermi je na Univerzitetu u Firenci predavač matematičke fizike i kvantne mehanike, gdje istovremeno sa Rassetti-em izvodi niz eksperimenata istražujući uticaj magnetnog polja na živine pare. Takođe je u to vrijeme držao seminare na rimskom Sapienca Univerzitetu o kvantnoj mehanici i fizici čvrstog stanja. Nakon što je Wolfgang Pauli obznanio svoj epohalni Princip isključivosti 1925. godine, Fermi je odmah reagovao s radom „Kvantizacija idealnog jednoatomnog gasa“ (Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico) u kojem je primijenio „princip isključivosti“ na idealni gas.

 

Enrico Fermi, crtež: Jelena Kalinić

 

Značaj tog rada leži u činjenici da je Fermi u njemu postavio osnove za formulisanje nove statistike, tj. opisa kako se raspoređuju čestice u sistemu mnoštva identičnih čestica na koje se odnosi princip isključivosti. To je malo poslije Fermija takođe dalje razradio engleski fizičar Paul Dirac i pokazao kako se ova statistika odnosi prema Bose-Ajnštajnovoj statistici. Danas tu statistiku nazivamo Fermi-Dirakovom (Fermi-Diracova statistika), a čestice koje joj se pokoravaju zovemo fermionima, dok one koje joj se ne pokoravaju imenujemo bozonima.

Dok je 1923. godine pisao dodatak za italijansko izdanje knjige August Kopff: „Osnove Ajnštajnove relativnosti“, Fermi je bio među prvima koji je uočio „tajnu“ koja se krije skrivena unutar slavne Ajnštajnove formule E = mc², a to je da je tamo skrivena ogromna nuklearna potencijalna energija. On je tada napisao: „Ne izgleda moguće, bar ne u bliskoj budućnosti, da se nađe put da se oslobodi taj strahovit iznos energije što je dobro, jer prva stvar koja bi se desila kod eksplozije te nezamislive količine energije bi bilo smrskavanje u paramparčad fizičara koji je imao tu zlu sreću da nađe put da to uradi.“

Fermijev sljedeći naučni rad je bio vezan za primjenu njegove statistike na model atoma. To je nezavisno od njega već pokušao L. H. Thomas. Thomas-Fermijev atom davao je dobru aproksimaciju za mnoge situacije. Osnovna ideja je bila da se proračunaju gustine elektronskih oblaka oko jezgre atoma kao atmosfere potpuno degenerisanog elektronskog gasa privučenog atomskim jezgrom. Fermi je razradio mnoge primjene ovoga problema: na spektroskopiju X-zraka, na periodni sistem elemenata, na optičku spektroskopiju i kasnije na jone. Rad je zahtijevao velik napor i mnoštvo numeričkih proračuna koje je on izvodio uz pomoć tadašnjeg prostog stolnog računara. Te rezultate je predstavio 1928. na Univerzitetu u Leipzigu.

Situacija u Italiji je bila sve teža i zamršenija. Rat u Etiopiji je smanjio ionako nedovoljna sredstva za istraživanja, strani studenti su prestali da dolaze, a 23. januara 1937. je umro i Corbino, njihov zaštitnik i mecena. U ljeto 1938. Mussolini je odlučio da slijedi Hitlerovu kampanju protiv Jevreja i izglasao Rasni zakon u Italiji. Fermi nije bio Jevrej, ali jeste njegova supruga Laura, i premda su mu djeca bila krštena kao katolici, porodična situacija je postala nesigurna.

Fermi je odlučio da piše univerzitetima u SAD-u, gdje je nekada držao predavanja, tražeći moguću poziciju i siguran život za svoju porodicu. Ta akcija je bila tajna, jer se bojao da ako se to sazna da će ga vlast spriječiti u toj namjeri. Napisao je i poslao mnoga pisma na više adresa, ali i iz različitih gradova. Dobio je pet pozitivnih odgovora i prihvatio je poziciju na Columbia University u New York-u gdje je u ljeto 1936. održao niz predavanja. Decembra 1938. Fermiju je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku „za njegovu demonstraciju postojanja novih radioaktivnih elemenata dobijenih neutronskim bombardovanjem i za vezana otkrića nuklearnih reakcija prouzrokovana sporim neutronima“.
To je bila sjajna prilika za cijelu porodicu da napusti Italiju i otputuje na ceremoniju u Štokholm, a zatim nastavi za SAD. Stigli su u New York 2. januara 1939., ali je prije dobijanja vize za useljavanje Fermi morao da položi test iz aritmetike. Zamislite samo da neko prije manje od mjesec dana dobije Nobela za fiziku, a zatim mora da se dokaže rješavajući koliko je 7 puta 3 ili 81 podijeljeno sa 9!!!
Tek što se porodica Fermi smjestila u New York-u, a Enriko na Columbiu, stigao je u SAD Niels Bohr i donio vijest da su u Njemačkoj otkrili fisiju. To je za sve fizičare bio šok, jer su slutili šta se iza toga može desiti. I Fermi i drugi su naslućivali postojanje iz fisije emisije sekundarnih neutrona i zatim lančane reakcije. Na Columbia-i je Fermi uz pomoć H. L. Andersona, svršenog postdiplomca koji mu je i pomogao da na univerzitetu dobije profesorsku poziciju, otpočeo eksperimente u tom pravcu. Mladi fizičar Walter Zinn im se pridružio. Leo Szilard, nezavisno od njih, je počeo slična istraživanja pa je bilo aktivne razmjene ideja, pa čak i saradnje, između univerziteta Columbia i Princeton na lančanoj reakciji.
Stalni rad Fermija i saradnika na Univerzitetu Columbia počeo je davati opipljive rezultate pa je već 16. marta 1939. godine (ne zaboravite da je Fermi ušao u SAD drugog januara te iste godine) profesor fizike sa Columbia-je pisao admiralu Hooper-u u Mornaričkom odjelu vojske SAD-a: „Eksperimenti u laboratorijama fizike na Univerzitetu Columbia pokazuju pod kojim uslovima bi hemijski elemenat uranijum mogao da oslobodi svoje ogromne količine atomske energije koja je milion puta veća po jedinici mase od bilo kojeg nam poznatog eksploziva.“
Fermi je bio među prvima koji je upozorio vojne lidere o mogućem potencijalnom uticaju nuklearne tehnologije na vojna dejstva. 18. marta 1939. je održao predavanje u Odsjeku mornarice američke vojske. Njihov odgovor je bio daleko ispod onoga što je Fermi očekivao – dobili su $1,500 da nastave istraživanja na Univerzitetu Columbia. Kasnije te godine su Leo Szilard, Eugene Wigner i Edward Teller poslali pismo koje je potpisao Albert Einstein predsjedniku SAD Rooseveltu upozorivši ga da bi Njemačka mogla da napravi atomsku bombu koja bi bila od presudne važnosti za ishod rata. U odgovoru Roozevelt je formirao Savjetodavni komitet o uranu koji će da razmotri tu problematiku. Komitet je obezbjedio Fermiju novac kojim je kupio grafit i počeo gradnju modela malog reaktora od grafitnih cigli na sedmom spratu Pupinove laboratorije. U augustu 1941. Fermi je skupio 6 tona uranovog oksida i trideset tona grafita koje će koristiti za gradnju većeg postrojenja u Schmerhorn Hall-u na Univerzitetu Columbia
2. decembra 1942. postignuta je prva lančana reakcija. 

 

Ovo je šaljiva karikatura kako je izgledala stvarna prva lančana reakcija 2. decembra 1942. Jedan od učesnika eksperimenta, Norman Hillberry, je bio zadužen da sjekirom presiječe uže na kojem je bila vezana šipka moderatora (zip rod), ako se lančana reakcija otrgne kontroli i treba je zaustaviti. Sljedeća slika, na kojoj je dio aktivnih učesnika ovog eksperimenta, je napravljena na isti dan u decembru četiri godine kasnije. Prije nije bilo vremena za proslave i okupljanja, žurilo se da se bomba napravi što prije.

Članovi Čikago grupe, prvog nuklearnog reaktora na Univerzitetu Čikago („proslava“ četverogodišnjice  prve lančane reakcije). Posljednji red s lijeva na desno: Norman Hilberry, Samuel Allison, Thomas Brill, Robert Nobles, Warren Nyer, and Marvin Wilkening. Srednji red s lijeva na desno: Harold Agnew, William Sturm, Harold Lichtenberger, Leona Woods and Leó Szilárd. Prednji red s lijeva na desno: Enrico Fermi, Walter Zinn, Albert Wattenberg i Herbert L. Anderson.  Izvor: http://www.lanl.gov/worldview/welcome/history/08_chicago-reactor.html (Interesantno, Leona Woods je jedina ženska osoba u timu i nije sekretarica.)

Sredinom 1944. Robert Oppenheimer je ubijedio Fermija da se priključi Projektu Y u Los Alamos-u, New Mexico tako da se Fermi u septembru priključio direktno tajnom projektu izrade atomske bombe. Imenovan je za pomoćnika direktora laboratorije sa širokim ovlaštenjima za nuklearnu i teoretsku fiziku.

Fermi je bio prisutan i prilikom Trinity testa 16. jula 1945. (eksplozije prve atomske bombe) gdje je izveo i eksperiment da ispita snagu bombe tako što je ispuštao duge papirne trake u udarni talas eksplozije, kada je taj talas do njega došao, i mjerio koliko daleko će eksplozijom biti odnešene i na osnovu toga proračunavao ekvivalentni iznos TNT (klasični eksploziv). Njegov „brzinski proračun“ iz glave je bio oko 10 kilotona TNT-a (deset hiljada tona klasičnog TNT eksploziva), a stvarna snaga je iznosila 18,6 kilotona TNT-a koliko su pokazivali instrumenti koji su to preciznije izmjerili.

Nakon završetka Drugog svjetskog rata, Fermi se posvetio fizici čestica. Bio je prvi koji je predvidio rezonancu piona i jezgre bazirajući se na statističkim metodama, što je tako karakteristično za Fermijev način razmišljanja, jer je smatrao da je tadašnja teorija i tako pogrešna. U zajedničkom radu sa Chen Ning Yangom, Fermi je pretpostavljao da bi pioni mogli biti kompozitne čestice.

1950. Fermi je postavio čuveno pitanje: “Ako su vanzemaljci svakodnevica zašto nismo uspostavili kontakt s njima?” To se pitanje danas poznajemo kao Fermijev paradoks.

Bez obzira što je bio zaokupljen predavanjima i eksperimentalnim radom Fermi je od jeseni 1952. nalazio vremena (svake nedelje minimum dva sata) za razgovore sa Subrahmanyan Chandrasekharom o različitim astrofizikalnim problemima. Iz tih razgovora su proistekla dva zajednička rada, prvi o dinamici galaksija “Magnetno polje u spiralnim rukama galaksija“ i drugi “Problemi gravitacione stabilnosti u prisustvu magnetnih polja.“ U prvom radu se uočava Fermijeva sposobnost da dobije procjene na osnovu jednostavnih pretpostavki, a u drugom radu se vidi Chandrasekharova analitička virtuoznost.

Ovaj svijet je napustio prerano, u 53. godini: preminuo je 28. novembra 1954. godine u Chicagu. Bio je jedan od onih zaista iznimnih naučnika i zapravo istinski arhitekta atomskog doba. Bio je jednostavan čovjek, dobar učitelj i dobar lider. Dobitnik je niza priznanja, osim Nobelove nagrade, poput Franklinove medalje. Po njemu je i laboratorija Fermilab dobila ime, kao i Fermi svemirski teleskop. Nekoliko nuklearnih centrala – 2 u SAD, 1 u Italiji i 1 u Argentini, nose njegove ime. U Rimu postoji i ulica s njegovim imenom.

 

Ovaj tekst je nastao uz podršku Ambasade Sjedinjenih Američkih Država u BiH u okviru projekta “U.S. Scientists Who Changed the World” i zahvaljujemo se Ambasadi SAD.