«انریکو فرمی» فیزیکدان آمریکایی ایتالیایی الاصل است. او برای کارهایش در زمینه «واپاشی بتا»، طراحی اولین رآکتور هسته‌ای و همچنین گسترش نظریه کوانتومی، مشهور است. فرمی در سال ۱۹۳۸ برای تلاش‌هایش در زمینه رادیواکتیوی، جایزه نوبل فیزیک گرفت. وی یکی از بزرگ ترین فیزیکدانان هسته‌ای قرن بیستم به‌شمار می‌رود
دنیای پردازش آنلاین: انریکو فرمی (Enrico Fermi)، دانشمند فیزیکدان ایتالیایی-امریکایی که به‌عنوان سازنده‌ی اولین رآکتور هسته‌ای جهان شناخته می‌شود.
به او لقب «معمار عصر هسته‌ای» و «معمار بمب اتمی» داده می‌شود.
فرمی از معدود فیزیک‌دانانی بود که در فیزیک نظری و کاربردی به‌صورت هم‌زمان فعالیت می‌کرد. او پتنت‌های متعددی در زمینه‌ی استفاده از انرژی هسته‌ای داشت و درنتیجه‌ی تلاش‌هایش، جایزه‌ی نوبل فیزیک را به‌خاطر کشف عناصر فرااورانیم در سال ۱۹۳۸ دریافت کرد.
سازنده‌ی اولین رآکتور هسته‌ای جهان علاوه‌بر مطالعات اصلی خود، فعالیت‌هایی در زمینه‌ی توسعه‌ی مکانیک ایستایی، نظریهی کوانتوم و فیزیک ذرات داشت.
درواقع اولین دستاوردهای علمی او نیز در فیزیک ایستایی ظهور پیدا کرد.
او از یافته‌های «ولفگانگ پائولی» برای توسعه‌ی نظریه‌هایی پیرامون گازهای ایده‌آل استفاده کرد که درنهایت منجر به ظهور مبحثی به‌نام ایستایی فرمی-دیراک شد. فرمی در سال ۱۹۳۸ و به‌خاطر پیاده‌سازی قوانین نژادپرستانه در ایتالیا، به آمریکا مهاجرت کرد. او در زمان جنگ جهانی دوم در پروژه‌ی منهتن مشغول به کار بود و اولین رآکتور هسته‌ای را نیز در خلال همین پروژه توسعه داد. با وجود اینکه بسیاری فرمی را از دانشمندان تأثیرگذار در جریان توسعه‌ی بمب اتم می‌دانند، طبق نظر برخی مورخان، او از مخالفان سرسخت سلاح‌های هسته‌ای بود.
تولد و تحصیل
انریکو فرمی در ۲۹ سپتامبر سال ۱۹۰۱ در رم متولد شد. او سومین فرزند «آلبرتو» و «ایدا دِگاتیس فرمی» بود. مادرش ایدا، معلم بود و نقش مهمی در تربیت و آموزش فرزندان خود ایفا کرد. پدرش آلبرتو، یکی از بازرس‌های ارشد وزارت ارتباطات ایتالیا بود.
انریکو تحصیلات ابتدایی را در یک مدرسه‌ی گرامر محلی گذراند، اما از ابتدا علاقه‌ی خود را به ریاضیات و فیزیک نشان داد. دوستان و همکاران پدرش در آن سال‌ها نقش مهمی در پرورش علاقه‌ی انریکو داشتند. زمانی‌که انریکو ۱۴ ساله بود، برادر بزرگ ترش از دنیا رفت. او علاقه‌ی شدیدی به برادرش داشت و این اتفاق، تأثیری منفی در روحیاتش گذاشت.
والدین انریکو برای رهایی او از غم و اندوه از دست دادن برادر، پسرشان را به تمرکز روی تحصیل و مطالعه تشویق می‌کردند. او در جریان مطالعات ابتدایی در حوزه‌ی فیزیک، به‌صورت اتفاقی با کتابی نوشته‌شده در نیم قرن قبل آشنا و بیش‌ازپیش مجذوب علم فیزیک شد. کتاب Elementorum Physicae mathematicae نوشته‌ی «آندرآ کارافا»، با نگارشی متعلق به سال انتشار یعنی ۱۸۴۰، مفاهیم پایه‌ای ریاضیات و فیزیک را آموزش داده بود که منجر به علاقه‌مندی هرچه بیشتر انریکو به علوم پایه شد.
«انریکو پرسیکو» از دوستان کودکی و نوجوانی فرمی بود که درکنار او آزمایش‌های متعدد فیزیک کاربردی انجام می‌داد. آن ها با همکاری هم یک ژیروسکوپ ساختند و حتی آزمایش‌هایی برای اندازه‌گیری جاذبه‌ی زمین انجام دادند. فرمی در ژوئیه سال ۱۹۱۸ از دبیرستان فارغ‌التحصیل شد و به مؤسسهی آموزشی اسکولا در پیزا رفت. او در آنجا با «فرانکو رازتی» دوست شد که در آینده ارتباط و همکاری نزدیکی با هم شکل دادند.
از دیگر افراد تأثیرگذار در زندگی فرمی در دانشگاه اسکولا می‌توان به مدیر آزمایشگاه فیزیک دانشگاه، «لوئیجی پاچیانتی» اشاره کرد. پاچیانتی درباره‌ی آن سال‌ها گفته بود که به‌جای آموزش به فرمی، مطالبی را از او می‌آموخت.
محاسبات «تنسوری» یکی از مباحث مهمی بود که فرمی در سال‌های ابتدایی دانشگاه با آن آشنا شد و ازطریق آن ها دانش خود را پیرامون نسبیت عام توسعه داد. او به‌قدری در فیزیک کوانتوم مطالعه داشت که به پیشنهاد پاچیانتی از همان ابتدا سمینارهایی را در این حوزه در دانشگاه برگزار می‌کرد.
فرمی ابتدا ریاضیات را به‌عنوان رشته‌ی تحصیلی خود انتخاب کرده بود، اما به‌سرعت به فیزیک تغییر مسیر داد. بخش اصلی از آموزه‌های او نیز ازطریق خودآموزی به‌دست آمد که مطالعاتی در حوزه‌ی نسبیت عام، مکانیک کوانتوم و فیزیک اتمی بود.
فرمی در سال ۱۹۲۰ به دانشکده‌ی فیزیک دانشگاه اسکولا رفت.
بلورشناسی با پرتوی ایکس، از زمینه‌های اصلی مطالعات و آزمایش‌های فرمی در آن سال‌ها بود. او به‌کمک هم‌کلاسی‌های خود آزمایش‌های متعددی در این حوزه انجام داد و در سال ۱۹۲۱ اولین مقالههای علمی خود را با تمرکز روی انرژی الکترواستاتیکی منتشر کرد.
مطالعات فرمی در آن سال‌ها روی مفاهیم الکترومغناطیسی و ارتباط و تضاد آن ها با نظریهی نسبیت متمرکز بود. او مقاله‌ای پیرامون همین تضادها منتشر کرد که با استقبال خوب جوامع و نشریه‌های علمی همراه بود.
مقالهی او به زبان آلمانی نیز ترجمه شد. مقالهی بعدی به اصول هم‌ارزی می‌پرداخت و درنتیجه‌ی آن مفاهیمی مشهور به مختصات فرمی معرفی شدند.
او در مقالهی خود اثبات کرد که در خط جهانی نزدیک به خط زمان، فضا عملکردی شبیه به فضای اقلیدسی خواهد داشت.
مقالههای فرمی در سال ۱۹۲۲ باعث شدند که او در سن ۲۰ سالگی مدرکی معادل کارشناسی از دانشگاه دریافت کند.
در آن سال‌ها مطالعات فیزیک نظری آن‌چنان در ایتالیا طرفدار نداشتند و نظریه‌ها بیشتر از سوی آلمانی‌ها ارایه می‌شدند. فرمی که آزمایش‌های فیزیک کاربردی خود را در آزمایشگاه خانگی‌اش انجام می‌داد، در زمان حضور در دانشگاه تمرکز بیشتری روی فیزیک نظری داشت. به‌هرحال او از معدود ایتالیایی‌های بود که نظریه‌های فیزیک را در دهه‌های ابتدایی قرن بیستم مطرح کرد.
فرمی در سال ۱۹۲۳ مأمور به نوشتن مقدمه‌ای برای نسخه‌ی ایتالیایی کتاب «اصول نظریهی نسبیت اینشتین» نوشته‌ی «اوت کپف» شد. او در جریان نوشتن مقدمه، متوجه انرژی پتانسیلی هسته‌ای در فرمول مشهور اینشیتن شد.
او نتیجه گرفت که در آینده‌ی نزدیک امکان آزادسازی این حجم از انرژی طبق نظریهی اینشتین ممکن نخواهد بود.
از اتفاقات مهم دوران تحصیل فرمی می‌توان به تحصیل در دانشگاه گوتینگن و تحت تعلیمات «مکس بورن» اشاره کرد.
او در آنجا با دانشمندان بزرگی همچون «ورنر هایزنبرگ» و «پاسکال جوردن» هم آشنا شد. او پس از یک ترم تحصیل در گوتینگن به «لیدن» رفت تا تحصیلاتش را در آنجا ادامه دهد.
بورسیه‌ی تحصیل در لیدن توسط «ویتو وولترا» برای فرمی پیشنهاد شده و از سوی بنیان راکفلر به او اهدا شده بود. فرمی در لیدن با «هندریک لورنتس» و «آلبرت اینشتین» هم دیدار کرد.
«ساموئل گودسمیث» و «جان تینبرگن» از دوستان فرمی در لیدن بودند که بعدها به دانشمندان بزرگی تبدیل شدند.
فرمی پس از پایان تحصیلات در لیدن، مشغول آموزش فیزیک ریاضیاتی و مکانیک نظری در دانشگاه فلورانس شد.
او در آنجا به‌همراه دوست قدیمی‌اش «رازتی» آزمایش‌هایی را با موضوع تأثیر میدان‌های مغناطیسی روی بخار جیوه انجام داد. در همان سال‌ها، سمینارهایی در دانشگاه سپینزا رم ایتالیا نیز با موضوع مکانیک کوانتوم و فیزیک حالت جامد توسط فرمی برگزار میشد.
او با وجود مهارت و دانش بالا در مکانیک کوانتومی، در آن سال‌ها اعتقاد داشت که هنوز کاربردی واقعی برای این علم وجود ندارد.
«ولفگانگ پائولی» در سال ۱۹۲۵ مقالهی مشهور اصل طرد را منتشر کرد.
فرمی با بهره‌گیری از مبانی همین مقاله، طرد پاولی را روی گازهای بی‌اثر پیاده‌سازی کرد. این تحقیقات در یافته‌های بعدی فرمی و نتیجه‌گیری پیرامون رفتار ذرات اهمین بالایی داشت. یافته‌های فرمی کمی بعد توسط دانشمند برتانیایی «پائول دیراک» توسعه یافت. امروزه ذره‌هایی که از اصل طرد پاولی پیروی کنند به‌نام «فرمیون» شناخته می‌شوند.
شماتیک واپاشی بتا
در آن سال‌ها مسأله‌ی واپاشی بتا یکی از حوزه‌های چالشی علم فیزیک بود.
در چنین وضعیتی یک الکترون از هسته‌ی اتم ساطع می‌شود. پائولی قبلاً برای توضیح این پدیده و در جهت وفاداری به قانون پایستگی انرژی، ذره‌های نامریی بدون نیرو و با جرم ناچیز را تصور کرده بود که همراه‌با الکترون ساطع میشد.
فرمی از ایده‌ی او استفاده کرد و با انتشار مقاله‌هایی پیرامون ذره‌ی مذکور، درنهایت آن را به‌نام نوترینو مطرح کرد.
نظریهی فرمی پیرامون ذره‌ی نوترینو بعداً به‌نام «برهم‌کنشی فرمی» مشهور شد. این نظریه یکی از چهار نیروی بنیادی هستی را توضیح می‌دهد.
البته نوترینو درنهایت پس از مرگ فرمی کشف شد، اما نظریهی او نشان می‌داد که چرا پیدا کردن این ذره این‌چنین دشوار بوده است.
زمانی‌که فرمی مقالهی خود را برای چاپ در مجله‌ی بریتانیایی Nature ارسال کرده بود، سردبیر مجله استدلال‌های او را بسیار دور از علم فیزیک خواند و مقاله را چاپ نکرد.
به‌هرحال مقاله بعداً به زبان‌های آلمانی و ایتالیایی منتشر شد.
تحقیقات فیزیک کاربردی و جایزه نوبل
تحقیقات پیرامون بمباران عناصر با ذرات آلفا، فرمی را به مطالعه‌ی فیزیک کاربردی تشویق کرد. او تصمیم گرفت تا مطالعه روی ذرات نوترون را به‌صورت جدی ادامه دهد و رادیواکتیو را به‌عنوان تمرکز اصلی مطالعات انتخاب کرد.
بمباران نوترونی در آزمایشگاه تحت مدیریت فرمی، روی ۲۲ عنصر گوناگون انجام شد تا تأثیرات نفوذ نوترون به هسته‌ی اتم‌ها بررسی شود.
او درنهایت نتیجهی آزمایش‌های خود را در سال ۱۹۳۴ به زبان ایتالیایی چاپ کرد.
تحقیقات بمباران نوتریونی فرمی روی توریم و اورانیم نتایج جالب توجهی داشت. خاصیت رادیواکتیو این دو عنصر باعث میشد تا نتیجهی بمباران به‌خوبی مشخص نشود.
به‌هرحال در ادامه‌ی آزمایش‌ها عناصر سبک‌تر از اورانیم و سنگین‌تر از مس از روند آزمایش خارج شدند و فرمی به این نتیجه رسید که عناصر جدیدی بر اثر بمباران نوترونی تشکیل شدند. او عناصر جدید را «هسپریم» و «آسونیم» نامید.
در بخش دیگری از آزمایش‌های فرمی و همکارانش، دستاورد جالبی پیرامون بمباران نوترونی عناصر کشف شد. آن ها به این نتیجه رسیدند که آزمایش‌ها در میزهای چوبی بهتر از میزهای با روکش سنگی انجام می‌شود.
فرمی به یاد داشت که چادویک هم احتمال کاهش سرعت ذرات نوترونی توسط پارافین را مطرح کرده بود.
او آزمایشی را با استفاده از پارافین انجام داد و به این نتیجه رسید که نقره بر اثر بمباران با نوترونهای کندتر، صدها برابر رادیواکتیویته‌ی بیشتر دریافت می‌کند.
فرمی از آزمایش پارافین حدس زد که برخورد با اتم‌های هیدروژن باعث تغییر در نتایج آزمایش می‌شود. همین اتم‌ها در میز چوبی هم حضور داشتند و تا حدودی شک او را تأیید می‌کردند.
به‌همین دلیل آزمایش‌ها روی آب هم انجام شد و درنهایت اتم‌های هیدروژن به‌عنوان عناصر کاهنده‌ی سرعت نوترون‌ها مطرح شدند. فرمی نتیجه‌گیری کرد که هرچه عدد اتمی عنصر مقابل بمباران نوترونی پایین‌تر باشد، انرژی بیشتری از نوترون کاسته خواهد شد. فرمی دلیل رادیواکتیویته‌تر شدن عناصر با بمباران سرعت پایین را هم شرح داد.
از نظر او، به دام انداختن ذره‌های نوترونی با سرعت پایین‌تر، آسان‌تر بود. او معادله‌ای را نیز برای توضیح افزایش اثر رادیواکتیو تدوین کرد. در سال ۱۹۳۸، مؤسسهی نوبل جایزه‌ی فیزیک خود را به فرمی ۳۷ ساله اهدا کرد. او به‌خاطر کشف وجود عناصر رادیواکتیوی جدید و همچنین کشف واکنش‌های هسته‌ای بر اثر بمباران نوترونی، مفتخر به دریافت جایزه‌ی نوبل شد.
او جایزه‌ی خود را در استکهلم دریافت کرد و از همان‌جا به‌جای بازگشت به خانه در ایتالیا، به‌همراه خانواده‌اش به نیویورک سیتی رفت و برای اقامت دایم در آمریکا اقدام کرد. تصمیم او برای مهاجرت به آمریکا نیز در اثر قوانین جدید ضدیهود ایتالیا اتخاذ شد.
پروژه‌ی منهتن و رآکتور هسته‌ای
به محض رسیدن فرمی به آمریکا در سال ۱۹۳۹، پنج دانشگاه به او پیشنهاد تدریس دادند و دانشمند ایتالیایی، از میان آن ها دانشگاه کلمبیا را انتخاب کرد.
فرمی در سال ۱۹۳۸ اخبار آزمایش بمباران نوترونی اورانیوم توسط «اوتو هان» و «فریتز استراسمن» را شنیده بود. آزمایش‌هایی که بر اثر یافته‌های «لیزه مایتنر» و «اوتو فریش» انجام شد و به‌نوعی تأیید نظریهی شکافت هسته‌ای او بود.
پس از تأیید نظریهی شکافت هسته‌ای از سوی جوامع علمی، تحقیقات برای استفاده از انرژی آن شروع شد. دانشمندان دانشگاه کلمبیا تصمیم گرفتند که انرژی ساطع‌شده از شکافت اورانیوم با نوترون را محاسبه کنند.
در ۲۵ ژانویه‌ی سال ۱۹۳۹، در زیرزمین تالار پوپین در آزمایشگاه کلمبیا، تیمی از دانشمندان متشکل از انریکو فرمی، اولین آزمایش شکافت هسته‌ای را در آمریکا انجام دادند.
پس از درک اولیه‌ی شکافت هسته‌ای توسط دانشمندان سرتاسر جهان، نوبت به آزمایش کنترل شکافت رسید.
دانشمندان فرانسوی قبلاً ادعا کرده بودند که تعداد نوترونهای ساطع‌شده از اورانیم پس از بمباران نوترونی، بیش از نوترونهای جذب‌شده خواهد بود.
چنین رویکردی احتمال واکنش‌های زنجیره‌ای بر اثر بمباران را افزایش می‌داد. فرمی همچنین نظری داشت و کمی بعد به‌همراه همکارانش روی ۲۰۰ کیلوگرم اکسید اورانیم آزمایش انجام دادند تا شکافت هسته‌ای را در ابعاد گسترده‌تر بررسی کنند. فرمی برای بررسی واکنش زنجیره‌ای اورانیوم، دست به طراحی دستگاهی برای ایجاد چنین واکنش‌هایی زد که همان رآکتور هسته‌ای بود.
نرخ جذب نوترون‌ها توسط هیدورژن موجود در آب نشان می‌داد که نمی‌توان رآکتور را با اورانیوم و آب به‌عنوان آرام‌کننده‌ی نوترون اجرا کرد. فرمی پیشنهاد داد که از بلوک‌های اکسید اورانیوم و گرافیت به‌عنوان آرام‌کننده استفاده شود. چنین دستگاهی نرخ جذب نوترون‌ها را کاهش می‌داد و درنتیجه واکنش‌های زنجیره‌ای ممکن میشد.
«لئو زیلارد» یکی از همکاران فرمی در آزمایش رآکتور بود. او و فرمی با وجود همکاری در نگارش مقاله پیرامون تولید نوترون از اورانیوم، اختلافاتی جزیی با هم داشتند.
فرمی جزو اولین افرادی بود که پس از موفقیت آزمایش‌ها، مقامات نظامی را از اثرات احتمالی استفاده از انرژی هسته‌ای مطلع کرد.
منتهی سخنرانی‌های او نتیجهی مناسبی در پی نداشت و نیروی دریایی آمریکا تنها 1500 دلار به ادامه‌ی تحقیقات در دانشگاه کلمبیا کمک مالی کرد. در ادامه‌ی همان سال، نامه‌ی معروف دانشمندان هسته‌ای همچون «زیلارد، یوجین واینر و ادوارد تلر» با امضای اینشتین به رییس‌جمهور آمریکا روزولت ارسال شد که تهدید ساخت بمب اتم توسط آلمانی‌ها را جدی بیان می‌کرد.
روزولت در پاسخ به نامه، کمیته‌‌ای را برای تحقیقات پیرامون این موضوع تشکیل داد. تشکیل کمیته‌ی تحقیقاتی به‌معنای سرمایه‌گذاری بیشتر روی تحقیقات فرمی بود. فرمی برای ادامه‌ی تحقیقات به دانشگاه شیکاگو رفت و در آن زمان پلوتونیوم را نیز به موضوع آزمایش‌ها اضافه کرد.
او و تیمش به ساخت رآکتور هسته‌ای نزدیک و نزدیک‌تر می‌شدند، اما انجام آزمایش‌های آن در دانشگاه شیکاگو در مرکز شهر، عقلانی نبود. به‌هرحال پس از کمی برنامه‌ریزی و عدم موفقیت در جابه‌جایی آزمایشگاه به بیرون از شهر، فرمی ادعا کرد که رآکتور را در زیرزمین یکی از زمین‌های ورزشی دانشگاه می‌سازد.
آزمایش فرمی درنهایت در دوم دسامبر سال ۱۹۴۲ با موفقیت انجام شد و اولین رآکتور جهان به‌نام Chicago Pile-1 شروع به کار کرد. تمامی فرایندها با دقت فراوان انجام شدند و به‌محض موفقیت‌آمیز بودن اولین واکنش زنجیره‌ای در رآکتور، تماسی برای اعلام آن با «جیمز کونانت»، مدیر وقت کمیته‌ی تحقیقات پیشرفته‌ی دفاعی آمریکا برقرار شد.
انریکو فرمی در ۲۸ نوامبر سال ۱۹۵۴ در سن ۵۳ سالگی و بر اثر سرطان معده درگذشت. او روزهای پایانی را در خانه‌اش در شیکاگو گذراند و مراسم یادبود نیز در دانشگاه شیکاگو راکفلر کاپل برگزار شد. جسد او در گورستان اوک وودز به خاک سپرده شد.
