Przełom listopada i grudnia to dobra okazja by przypomnieć postać włosko-amerykańskiego fizyka Enrico Fermiego (1901-1954).
Zmarł 28 listopada 1954 roku, ale zbliża się jeszcze jedna rocznica, i to niejako narodzin. O czym pisze Wojciech Kryszak.
2 grudnia 1942 roku to dzień, w którym udało się ludziom doprowadzić do pierwszej samopodtrzymującej się reakcji jądrowej. Pierwszy sztuczny reaktor jądrowy mieścił się w niepotrzebnym budynku na terenie Uniwersytetu Chicago (a więc w środku bardzo gęsto zaludnionego obszaru), wyglądał – słowami jednego z głównych jego twórców, Enrico Fermiego – jak “a crude pile of black bricks and wooden timbers”.
Wykorzystywał jako paliwo 5 ton naturalnego (niewzbogaconego) uranu i 40 ton tlenku uranu, a kluczowym elementem był tzw. „moderator neutronów”, którym były odpowiednio rozmieszczone bloki grafitowe, w liczbie 45 tysięcy i o niebagatelnej masie łącznej 330 ton.
Cała ta konstrukcja nie miała elementów ruchomych (nie licząc prętów sterujących i opadających po przecięciu siekierą podtrzymującej je liny pochłaniaczy neutronów – zabezpieczenia ostatniej szansy w razie niekontrolowanego wzrostu szybkości reakcji), działała przez niecałe 5 minut, a wytwarzana energia zostawała zamieniana głównie na ciepło.
Pierwsza energia niechemiczna
Całkowita moc pierwszego reaktora okazała się niewielka – około pół wata, tyle ile potrzebuje dziś mała lampka rowerowa, ale była to po raz pierwszy energia jądrowa. Przez milion (co najmniej) lat ludzie korzystali wyłącznie z energii chemicznej, a więc energii uwalnianej w procesach, które dotyczą tylko elektronów. Mamy na myśli tylko świadome korzystanie, pomijamy również energię zwierząt (choć jest to energia też u swych podstaw chemiczna) oraz energię grawitacyjną (np. młyny wodne).
Od odkrycia ognia przez homo erectus była to prawie wyłącznie energia uwalniana w procesach spalania różnych paliw i w różnych paleniskach, ogniwa elektryczne – jedyne inne niż spalanie praktyczne źródło energii wynalezione przez ludzi – to sama końcówka XVIII w., a pierwsze elektrownie to koniec XIX w.
Od 2 grudnia 1942 r. ludzie potrafili czerpać energię z przemian dotyczących samych jąder atomowych (dokładniej z ich rozszczepień) i to w sposób, który w zasadzie nie stawia istotnych ograniczeń teoretycznych co do uzyskiwanej mocy (inaczej niż w przypadku zwykłej energii rozpadu, jak np. w jądrowych generatorach termoelektrycznych).
Droga usiana Noblami
Choć istotnie przyniosła wielkie osiągnięcia i odmieniła nie tylko technikę, ale przede wszystkim same rozumienie materii (i energii), to droga do tego sukcesu była długa i pełna zagadek. Zaczęło się od doświadczeń Becquerela i małżeństwa Curie oraz Rutherforda, a później m.in. Irèny Joliot-Curie i jej męża.
W latach 20-tych i 30-tych ubiegłego stulecia postęp był bardzo szybki, z dalszych ważnych osiągnięć w fizyce jądrowej warto by było wymienić te Lisy Meitner (,,niemieckiej Marii Curie’’) , Hahna, Frischa, Strassmanna. Były to raczej osiągnięcia doświadczalne, lecz w międzyczasie doszło do drugiej rewolucji w fizyce teoretycznej (w tym tej kwantowej), odkryto neutron i sformułowano model kroplowy jądra atomowego.
Aktywnie w tych zmianach uczestniczył Enrico Fermi. Sformułował m.in. podstawy teorii rozpadu beta i tzw. (później) słabych oddziaływań. Dla zbudowania reaktora jądrowego istotniejsze okazało się odkrycie (i to raczej przypadkowe) tego jak ważne są tzw. powolne neutrony. Badania teoretyczne i odkrycie właśnie tego efektu powolnych neutronów dały Fermiemu Nobla. Było to w 1938 roku. Tuż potem on i żona wyemigrowali – jak wielu naukowców w tamtym czasie – do USA.
Od roku czy dwóch spodziewano się, że kontrolowana i samopodtrzymująca reakcja jądrowa jest istotnie możliwa i w zasięgu ówczesnej techniki, lecz dopiero te symboliczne pół wata mocy stosu jądrowego CP-1 (Chicago Pile – 1) pokazało to niezbicie.
Stał się prekursorem kolejnych reaktorów produkcyjnych i energetycznych. Niestety, szybki postęp w tej dziedzinie nie wynikał ani z deficytów energii elektrycznej ani z niewinnej ciekawości naukowców – był to środek II wojny światowej, wyniszczającego konfliktu, lecz konfliktu aż do ostatnich dni konwencjonalnego.
Bomby jądrowe (reaktory celowo niekontrolowanej i bardzo energetycznej reakcji jądrowej) zrzucone pod koniec tej wojny na dwa japońskie miasta oznaczały, że następny konflikt tej skali będzie już konfliktem atomowym. Sukces CP-1 był pierwszym ważnym krokiem na drodze, która dała ludziom źródła energii tak wielkie by całe miasta i kraje mogły tą energią napędzać swe urządzenia elektryczne, ale źródła te – już jako bomby – mogły również całe te aglomeracje niszczyć.
Gdzie oni są?
Na szczęście skończyło się na dwóch bombach zastosowanych militarnie i ok. 2 tys. testowych eksplozji. Obawy związane z konfliktem jądrowym były jednak ogromne. Nie chodzi bowiem o przyszłość tego czy innego kraju, nawet nie o potencjalną śmierć milionów osób, ale być może zagrożone byłoby przetrwanie całego gatunku ludzkiego (a co najmniej cywilizacji). Świadomość tego zagrożenia była dość powszechna, czego dowodem są liczne filmy fabularne i książki z okresu 1950-1980, których osią fabuły jest taki konflikt, lub które dzieją się w zrujnowanym po takim konflikcie świecie (nurt tzw. „post-apo”).
A co z Enrico Fermim? Po wojnie dzielił czas między badania teoretyczne, doświadczalne i dydaktykę. Na każdym z tych pól miał wielkie osiągnięcia. Interesował się nie tylko fizyką jądrową, ale i fizyką płynów, a także astrofizyką. Zaproponował m.in. jeden z możliwych mechanizmów powstawania promieniowania kosmicznego. Prawdopodobnie pod wpływem takich obejmujących cały kosmos rozważań, ale i pod wpływem obaw o przyszłość dysponującej bronią jądrową ludzkości, sformułował pytanie, które stało się znane nawet w szerokich kręgach.
Pytanie Fermiego uzyskało nawet status paradoksu. To nieźle jak na myśl wypowiedzianą w czasie obiadu. O co chodzi? O obce cywilizacje.
Dlaczego nie mamy żadnych poszlak wskazujących na ich istnienie, podczas gdy wiemy, że powinny gdzieś tam być, i to w dużej liczbie. Tam, czyli w naszym kosmicznym otoczeniu, otoczeniu pełnym galaktyk (co wiemy od obserwacji Hubble’a z 1923 r.), gwiazd i krążących wokół tych gwiazd planet (planety były jeszcze wtedy nieodkryte, ale spodziewano się raczej, że są czymś typowym dla gwiazd).
Co może być przyczyną? Może nie ma aż tak wielu odpowiednich planet? A może ewolucja tu na Ziemi przebiegała wyjątkowo (dla powstania świadomości) szczęśliwie? A może te cywilizacje po prostu nie chcą się kontaktować (a nawet nie chcą dawać znać, że są)? A jeśli tak, to czy tylko z nami, czy w ogóle? A może wreszcie – i takiego rozwiązania zagadki raczej nie chcemy – wysokorozwinięte cywilizacje istnieją przez zbyt krótki okres, tylko kilka tysięcy lat, a potem znikają? A może po prostu jesteśmy sami i jest jednak jakiś jeszcze inny sposób by pogodzić to z naszą dotychczasową wiedzą?
To jedno z takich pytań, które fascynują i będą fascynowały, bo cokolwiek się stanie, pytanie pozostanie ważne, i pewnie długo będzie można udzielać na nie rozmaitych – nawet zupełnie różnych – odpowiedzi.
Zdj. okładkowe i w tekście: wikipedia.org, Melvin A. Miller of the Argonne National Laboratory, domena publiczna.
Zdj. w tekście: Wikimedia Commons, Adam Evans, CC BY 2.0.
Bibliografia:
- “Atomy w naszym domu: moje życie z Enrikiem Fermim”, Laura Fermi, Biblioteka Problemów, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1961.
- “Wyobrażone życie”, James Trefil, Michael Summers, Copernicus Center Press, 2020.