Η εφεύρεση του πυρηνικού αντιδραστήρα ήταν μια από τις καθοριστικές στιγμές του 20ού αιώνα. Μπορεί η αυγή της ατομικής εποχής να εγκαινιάστηκε με την έκρηξη του πρώτου πυρηνικού όπλου, αλλά οι σπόροι για εκείνη τη στιγμή και τις τεράστιες κοινωνικοπολιτικές αλλαγές που ακολούθησαν είχαν σπαρθεί χρόνια πριν από επιστήμονες όπως ο Ενρίκο Φέρμι.

Πράγματι, ο Φέρμι, ένας ιταλός φυσικός που εργαζόταν τότε στην Αμερική ως βασικό στέλεχος του Προγράμματος Μανχάταν, έκανε τη ζωτική του ανακάλυψη το 1942, παράγοντας την πρώτη ανθρωπογενή πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση σε ένα γήπεδο σκουός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Ο αντιδραστήρας του Φέρμι ήταν η κρίσιμη δοκιμή που επέτρεψε την πρόοδο του Προγράμματος Μανχάταν, οδηγώντας στη δοκιμή Trinity (η πρώτη έκρηξη πυρηνικού όπλουστο Νέο Μεξικό) τρία χρόνια αργότερα και, φυσικά, τους επακόλουθους βομβαρδισμούς της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι που τερμάτισαν τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο.

Ένα νεαρό παιδί θαύμα

Γεννημένος στη Ρώμη το 1901, το ενδιαφέρον του Ενρίκο Φέρμι για τη φυσική και τα μαθηματικά ξύπνησε στην εφηβεία του, όταν βρήκε έναν παλιό τόμο 900 σελίδων που παρουσίαζε τα μαθηματικά, την κλασική μηχανική, την αστρονομία, την οπτική και την ακουστική, όπως ήταν κατανοητά κατά την εποχή της έκδοσής του το 1840. Αυτή η αναδυόμενη γοητεία έγινε αντιληπτή από έναν φίλο του πατέρα του, τον Adolfo Amidei, ο οποίος γνώριζε αρκετά για την επιστήμη ώστε ναΟ Amidei περιέγραψε τον Φέρμι ως "ένα θαύμα, τουλάχιστον όσον αφορά τη γεωμετρία" και ανέλαβε να καλλιεργήσει τη διάνοια του Φέρμι, προσφέροντας καθοδήγηση και πολλά βιβλία.

Ο νεαρός Enrico Fermi το 1917

Πηγή εικόνας: G. Cerri, Public domain, μέσω Wikimedia Commons

Οι προσδοκίες του Amidei πραγματοποιήθηκαν γρήγορα. Ο Φέρμι αποφοίτησε από το λύκειο τον Ιούλιο του 1918, έχοντας παραλείψει εντελώς το τρίτο έτος, και κέρδισε υποτροφία από τη Scuola Normale Superiore της Πίζας. Έχοντας λάβει το laurea (διδακτορικό δίπλωμα) σε ασυνήθιστα νεαρή ηλικία 20 ετών, ο Φέρμι ξεκίνησε μια τρομερή ακαδημαϊκή καριέρα. Το 1926 ανακάλυψε τους στατιστικούς νόμους (σήμερα γνωστούς ως "νόμοι Φέρμι").στατιστική") που διέπει τα σωματίδια που υπόκεινται στην αρχή αποκλεισμού του Pauli (σήμερα γνωστά ως φερμιόνια). Ένα χρόνο αργότερα εξελέγη καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης.

Μέχρι το τέλος της θητείας του στη Ρώμη, η πρωτοποριακή μελέτη του για τον ατομικό πυρήνα είχε αποφέρει μια σειρά από σημαντικές ανακαλύψεις, και όχι μόνο την πρότασή του το 1934 ότι τα νετρόνια (τα οποία είχε ανακαλύψει ο Τζέιμς Τσάντγουικ δύο χρόνια νωρίτερα) θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη διάσπαση των ατόμων. Το 1938, ο Φέρμι, μόλις 37 ετών ακόμα, έλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για τις "αποδείξεις του για την ύπαρξη νέων ραδιενεργώνστοιχεία που παράγονται από την ακτινοβόληση με νετρόνια και για τη σχετική ανακάλυψη των πυρηνικών αντιδράσεων που προκαλούνται από αργά νετρόνια".

Απόδραση από τη φασιστική Ιταλία

Η παραλαβή ενός βραβείου Νόμπελ είναι μια αρκετά σημαντική στιγμή στη ζωή οποιουδήποτε, αλλά ήρθε να έχει επιπλέον σημασία στην ιστορία του Ενρίκο Φέρμι. Όταν του απονεμήθηκε το βραβείο το 1938, στο μεταίχμιο του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, το καθεστώς του Μπενίτο Μουσολίνι περιόριζε τα ταξίδια των Ιταλών των οποίων το έργο θεωρούνταν ζωτικής σημασίας για την εθνική ασφάλεια. Αλλά η διάκριση του Φέρμι ήταν αρκετά σημαντική ώστε να του δοθεί άδεια να επισκεφθείΣουηδία για να παραλάβει το βραβείο του.

Έχοντας υπάρξει μέλος του Φασιστικού Κόμματος, ο Φέρμι είχε απογοητευτεί από το 1938 και ήταν σφοδρός επικριτής των φυλετικών μεταρρυθμίσεων που εισήχθησαν εκείνο το έτος. Πρώτον, η σύζυγος του Φέρμι, η Λάουρα, ήταν Εβραία και πιθανότατα αντιμετώπιζε διώξεις. Όταν του δόθηκε η ευκαιρία να ταξιδέψει στη Σουηδία, πήρε μαζί του τη Λάουρα και τα δύο παιδιά τους. Δεν επέστρεψαν ποτέ.

Μπενίτο Μουσολίνι, ηγέτης του φασιστικού Βασιλείου της Ιταλίας

Image Credit: Άγνωστος συγγραφέας, Public domain, μέσω Wikimedia Commons

Έχοντας λάβει το βραβείο Νόμπελ στη Στοκχόλμη της Σουηδίας, ο Φέρμι και η οικογένειά του ταξίδεψαν στη Νέα Υόρκη, όπου του προσφέρθηκαν αμέσως θέσεις σε πέντε πανεπιστήμια. Αποδέχτηκε έναν ρόλο στο Κολούμπια και συνέχισε τη μελέτη των νετρονίων. Ήταν όμως μια πολυάσχολη εποχή για όποιον εργαζόταν στην ατομική φυσική. Έχοντας μόλις προλάβει να εγκατασταθεί στη νέα του ζωή, το έργο του Φέρμι συγκλονίστηκε από τα νέα από τη Γερμανία. Στις αρχές του1939 Ο Otto Hahn και ο Fritz Strassmann ανιχνεύουν το στοιχείο βάριο μετά από βομβαρδισμό ουρανίου με νετρόνια, αποτέλεσμα που σηματοδοτεί τη δυνατότητα πυρηνικής σχάσης.

Σε κάποιο βαθμό, η ανακάλυψη έφερε σε αμηχανία τον Φέρμι, ο οποίος είχε απορρίψει την πιθανότητα της σχάσης τρία χρόνια νωρίτερα, αλλά γρήγορα αναγνώρισε τη σημασία του ευρήματος και τις τεράστιες επιπτώσεις του. Ωθούμενος από την πιθανή πραγματοποίηση μιας ελεγχόμενης πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης, άρχισε να εργάζεται σε μια σειρά πειραμάτων που θα οδηγούσαν στη δημιουργία του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα.

Ο Φέρμι αναγνώρισε επίσης γρήγορα την πιθανή στρατιωτική εφαρμογή της ανακάλυψης των Γερμανών χημικών και εξέφρασε τις ανησυχίες του σε μια διάλεξη στο Υπουργείο Ναυτικού στις 18 Μαρτίου 1939. Λίγους μήνες αργότερα συνυπέγραψε μια επιστολή (μαζί με τους Άλμπερτ Αϊνστάιν, Έντουαρντ Τέλερ και Ευγένιο Βίνγκερ) που είχε συντάξει ο φυσικός Λέο Ζίλαρντ και απευθυνόταν στον πρόεδρο Φραγκλίνο Ρούσβελτ. Η επιστολή προειδοποιούσε ότιΗ Γερμανία θα μπορούσε να αναπτύξει ατομικές βόμβες και πρότεινε στις Ηνωμένες Πολιτείες να ξεκινήσουν το δικό τους πυρηνικό πρόγραμμα.

Ο αρχιτέκτονας της πυρηνικής εποχής

Τον Φεβρουάριο του 1940, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ χορήγησε στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια χρηματοδότηση ύψους 6.000 δολαρίων, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας ο Φέρμι και ο Ζίλαρντ ξόδεψαν για την αγορά γραφίτη για την κατασκευή ενός αντιδραστήρα που ήλπιζαν ότι θα μπορούσε να επαληθεύσει το έργο των Χαν και Στράσμαν.

Ernest O. Lawrence, Fermi (στη μέση) και Isidor Isaac Rabi

Image Credit: Εθνικά Αρχεία στο College Park, Public domain, μέσω Wikimedia Commons

Ακολούθησαν δύο χρόνια πειραμάτων, τα έξοδα των οποίων ξεπέρασαν κατά πολύ τα 6.000 δολάρια και απαιτούσαν την κατασκευή πολυάριθμων "ατομικών πασσάλων", αλλά μόνο με τη δημιουργία του Chicago Pile-1 στο Stagg Field, ένα σε μεγάλο βαθμό αχρησιμοποίητο γήπεδο αμερικανικού ποδοσφαίρου στα περίχωρα του Σικάγο, ο Φέρμι πέτυχε τελικά μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση.

Ο Φέρμι και η ομάδα του επέλεξαν την τοποθεσία - έναν χώρο κάτω από τις κερκίδες του Stagg Field που χρησιμοποιούνταν μόνο περιστασιακά ως γήπεδο σκουός και χάντμπολ - επειδή, σε αντίθεση με τα περισσότερα ακίνητα πανεπιστημιακής ιδιοκτησίας, βρισκόταν στα περίχωρα του Σικάγο. Ήθελαν να αποφύγουν τον κίνδυνο της κατασκευής ενός λειτουργικού αντιδραστήρα σε κατοικημένη περιοχή.

Ο Φέρμι επέβλεψε την κατασκευή ενός αντιδραστήρα που αποτελούνταν από ουράνιο και οξείδιο του ουρανίου σε ένα κυβικό πλέγμα ενσωματωμένο σε γραφίτη. Το κατασκεύασμα αυτό ήταν εγκλωβισμένο μέσα σε ένα μπαλόνι σε σχήμα κύβου 25 ποδιών, έτσι ώστε ο αέρας στο εσωτερικό του να μπορεί να αντικατασταθεί από διοξείδιο του άνθρακα. Λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος του έργου ήταν μια αρκετά πρόχειρη κατασκευή που πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια 30 μαθητών που εγκατέλειψαν το λύκειο και οι οποίοιήθελαν να κερδίσουν κάποια χρήματα πριν στρατολογηθούν.

Η κρίσιμη στιγμή έφτασε στις 2 Δεκεμβρίου 1942. Εκείνο το πρωί το πείραμα συνεχίστηκε ως συνήθως - οι ράβδοι ελέγχου αφαιρούνταν μία προς μία από το σωρό, αποσπώντας ενθαρρυντικά αποτελέσματα από τον μετρητή Γκάιγκερ... Μέχρι που η διαδικασία διακόπηκε απότομα. Η αυτόματη ράβδος ελέγχου είχε επανατοποθετηθεί λόγω της πολύ χαμηλής στάθμης ενεργοποίησής της. Στο κατώφλι μιας ιστορικής ανακάλυψης, ο Φέρμι αποφάσισε να ζητήσει έναμεσημεριανό διάλειμμα.

Το πείραμα συνεχίστηκε μετά το μεσημεριανό γεύμα και σύντομα επαληθεύτηκε η πρωινή, προκλητικά ελπιδοφόρα πρόοδος- ο αντιδραστήρας του Φέρμι πέτυχε κρίσιμη κατάσταση και η ιστορία άλλαξε για πάντα. Η ομάδα άνοιξε ένα μπουκάλι Κιάντι και έκανε πρόποση για το επίτευγμά της με χάρτινα ποτήρια.

Ο επικεφαλής του ειδικού προγράμματος Arthur Compton καταγράφηκε να ενημερώνει τον James B. Conant, πρόεδρο της Επιτροπής Ερευνών Εθνικής Άμυνας:

Compton: Ο Ιταλός θαλασσοπόρος έχει αποβιβαστεί στον Νέο Κόσμο.

Conant: Πώς ήταν οι ιθαγενείς;

Compton: Πολύ φιλικό