Enrico Fermi

( 1 9 0 1 – 1 9 5 4 )

     Ιταλός θεωρητικός και πειραματικός φυσικός (ένας από τους ελάχιστους που συνδύαζε και τα δύο) ο οποίος συνέδεσε το όνομά του με κορυφαίες στιγμές της φυσικής του εικοστού αιώνα.
Είναι ο δημιουργός του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα (Σικάγο 1942) και θεωρείται επίσης ο «πατέρας της ατομικής βόμβας» μαζί με τον Ρόμπερτ Οπενχάιμερ. Ενώ εξίσου σημαντική είναι και η συμβολή του στη θεμελιώδη φυσική.

      Αμέσως μετά τη διατύπωση της απαγορευτικής αρχής από τον Πάουλι (1925), ο Φέρμι (τότε ακόμα στην Ιταλία) ήταν ο πρώτος που κατάλαβε ότι η στατιστική συμπεριφορά ενός συστήματος σωματιδίων που υπόκεινται στην απαγορευτική αρχή (δηλαδή ενός συστήματος φερμιονίων, όπως τα αποκαλούμε σήμερα) είναι ριζικά διαφορετική από τη στατιστική Μάξγουελ- Μπόλτζμαν των κλασικών σωματιδίων. Η στατιστική που πρότεινε ο Φέρμι (και η οποία ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα από τον Ντιράκ) είναι πλέον γνωστή ως η στατιστική Φέρμι-Ντιράκ και αποτελεί τη βάση για τη φυσική της στερεάς κατάστασης όπου τα βασικά σωματίδια (τα ηλεκτρόνια) είναι, βεβαίως, φερμιόνια, αφού έχουν σπιν ½.

      Η διατύπωση του πρώτου θεωρητικού μοντέλου για την ασθενή πυρηνική δύναμη (γνωστού έκτοτε ως αλληλεπίδραση Φέρμι) είναι η επόμενη μεγάλη συμβολή του Φέρμι στη θεμελιώδη φυσική. Μετά την πρόταση του Πάουλι, το 1931, ότι η διατήρηση της ενέργειας κατά τη διάσπαση βήτα απαιτεί την ύπαρξη ενός «φευγαλέου» σωματιδίου αμελητέας μάζας, ο Φέρμι έσπευσε κατ’ αρχάς να γίνει ο «νονός» του (το «βάφτισε» νετρίνο) κυρίως όμως να περιγράψει θεωρητικά τον ρόλο του στην ασθενή δύναμη. Το θεωρητικό μοντέλο που πρότεινε παρέμεινε σε ισχύ για πολλές δεκαετίες και έπαιξε καθοριστικό ρόλο (τόσο λόγω των επιτυχιών του όσο και των σοβαρών προβλημάτων που το κατέτρυχαν) στην ανάπτυξη των λεγόμενων θεωριών βαθμίδας και την επινόηση του μηχανισμού Χιγκς, που έκαναν τελικά δυνατή την ενοποίηση των ασθενών με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις στο πλαίσιο της οποίας λύνονται φυσιολογικά και τα προβλήματα του αρχικού «μοντέλου Φέρμι» των ασθενών δυνάμεων. Εν τούτοις, η δημοσίευση της σχετικής εργασίας του Φέρμι απορρίφθηκε από το περιοδικό Nature και το άρθρο δημοσιεύτηκε τελικά στο ιταλικό περιοδικό Nuovo Cimento το 1934!

      Κάθε μία από τις παραπάνω συμβολές του Φέρμι θα αρκούσε βεβαίως από μόνη της όχι απλώς για να του δώσει το βραβείο Νομπέλ αλλά και να του εξασφαλίσει μια θέση στο «πάνθεον» των θεμελιωτών της κβαντικής θεωρίας. Όμως από ειρωνεία της τύχης το βραβείο Νομπέλ απονεμήθηκε στον Φέρμι, το 1938, για ένα πείραμά του που αποδείχτηκε λίγο μετά ότι είχε ερμηνευτεί λάθος!
Η ιστορία έχει ως εξής. Όντας ο πρώτος που διαπίστωσε ότι τα βραδέα νετρόνια απορροφώνται πολύ περισσότερο από βαρείς πυρήνες σε σύγκριση με τα ταχέα νετρόνια (μια σημαντική ανακάλυψη από μόνη της) ο Φέρμι προσπάθησε αμέσως μετά να αξιοποιήσει αυτό το γεγονός για να παράγει στοιχεία βαρύτερα από το ουράνιο, δηλαδή τα υπερουράνια στοιχεία όπως λέγονται. Η βασική ιδέα είναι πολύ απλή. Όταν ένας πυρήνας «βομβαρδιστεί» με βραδέα νετρόνια θα απορροφήσει κάποια απ’ αυτά και θα αποκτήσει περισσότερα νετρόνια απ’ ό,τι το σταθερό του ισότοπο. Θα γίνει έτσι ασταθής και θα ακολουθήσει η διαδικασία της διάσπασης βήτα, μέσω της ασθενούς αντίδρασης νετρόνιο → πρωτόνιο + ηλεκτρόνιο + νετρίνο, η οποία μετατρέπει τον αρχικό πυρήνα σε έναν άλλο με ατομικό αριθμό αυξημένο κατά μονάδα αφού απέκτησε ένα ακόμη πρωτόνιο. Εν τούτοις, όταν ο Φέρμι και η ομάδα του βομβάρδισαν με νετρόνια τα στοιχεία θόριο και ουράνιο, αυτό που συνέβη δεν ήταν η παραγωγή βαρύτερων στοιχείων, όπως πίστευαν, αλλά το φαινόμενο της σχάσης το οποίο κανείς δεν θεωρούσε πιθανό εκείνη την περίοδο. Με την εκ των υστέρων σοφία μας δεν είναι δύσκολο να καταλάβουμε σήμερα τόσο τους θεωρητικούς όσο και τους πειραματικούς λόγους που παραπλάνησαν τον Φέρμι (και όχι μόνο) ώστε να ερμηνεύσει τα πειραματικά του ευρήματα ως παραγωγή υπερουράνιων στοιχείων και όχι ως σχάση. Το βέβαιο είναι ότι το γεγονός θα καταγραφεί στην ιστορία της φυσικής του εικοστού αιώνα ως ένα από τα ιδιάζοντα περιστατικά της.

      Εκτός πολλών άλλων ο Φέρμι ήταν επίσης διάσημος και για την περίφημη μέθοδο Φέρμι. Δηλαδή την ασυνήθιστη ικανότητά του να κάνει απλές εκτιμήσεις τάξεως μεγέθους (άλλοτε με το μυαλό κι άλλοτε πάνω σ’ ένα επιστολόχαρτο ή μια χαρτοπετσέτα) ακόμα και για τα πιο απίθανα προβλήματα που μπορούσε να σκεφτεί, και να πέφτει συνήθως πολύ κοντά στο πραγματικό νούμερο. Μια περίφημη τέτοια περίπτωση ήταν τον Ιούλιο του 1945 κατά την πρώτη δοκιμή της ατομικής βόμβας στο Νέο Μεξικό, όταν ο Φέρμι κατάφερε να εκτιμήσει σωστά την ισχύ της αφήνοντας να πέσουν λίγα κομμάτια χαρτί και βλέποντας πόσο μακριά τα παρέσυρε το ωστικό της κύμα στο σημείο παρατήρησης. Οι γρήγοροι υπολογισμοί τάξης μεγέθους ήταν επίσης ο τρόπος που ο Φέρμι προσέγγιζε τις πυρηνικές διεργασίες ή όποιους άλλους φυσικούς μηχανισμούς υπεισέρχονταν στα πειράματά του, ώστε να εκτιμήσει «στα γρήγορα» ποιοι είναι οι σημαντικοί παράγοντες και να σχεδιάσει ανάλογα την πειραματική του διάταξη. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι από τους πρωταγωνιστές της κβαντικής επανάστασης ο Φέρμι ήταν εκείνος με την πιο ολοκληρωμένη επιστημονική προσωπικότητα.

      Πέρα όμως από το πλήρες φάσμα επιστημονικών ικανοτήτων που διέθετε ο Φέρμι (από την καθαρή θεωρία, τους σκληρούς υπολογισμούς και τις εκτιμήσεις τάξεως μεγέθους έως τον ακριβή σχεδιασμό ενός πολύπλοκου πειράματος) ήταν επίσης μοναδική και η ικανότητά του ως μηχανικού. Η κατασκευή του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα που τέθηκε σε λειτουργία τον Δεκέμβριο του 1942 στο Σικάγο (αλλά και δύο άλλων λίγο αργότερα) δεν θα ήταν τόσο γρήγορα δυνατή αν ένας ιδιοφυής μηχανικός δεν συνυπήρχε αρμονικά με τον ταλαντούχο θεωρητικό και πειραματικό φυσικό. Είναι χαρακτηριστικό ότι η κατασκευή του αντιδραστήρα άρχισε στις 6 Νοεμβρίου του 1942 και τέθηκε σε αυτοσυντηρούμενη λειτουργία (κρίσιμη τιμή) στις 2 Δεκεμβρίου του ίδιου έτους! Παρών κατά την ιστορική στιγμή και ο Άρθουρ Κόμπτον (μέλος τότε της εθνικής επιτροπής ουρανίου) ο οποίος διαβίβασε «αρμοδίως» το συνταρακτικό νέο μ’ ένα κωδικοποιημένο τηλεφώνημα με την κωδική φράση «Ο ιταλός ναυσιπλόος μόλις έφτασε στον νέο κόσμο». Αξίζει να σημειωθεί επ’ ευκαιρία ότι η κατασκευή και λειτουργία του αντιδραστήρα του Σικάγου (και των δύο άλλων που ακολούθησαν) ήταν στενά συνδεδεμένη με την προοπτική της βόμβας. Μάλιστα ο Κόμπτον εκτιμούσε ότι η μαζική παραγωγή πλουτωνίου από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα ήταν μια πιο ρεαλιστική τακτική για την κατασκευή της βόμβας (το πλουτώνιο είναι εξίσου σχάσιμο υλικό με το ουράνιο-235) αντί της παραγωγής εμπλουτισμένου ουρανίου η οποία τελικά προκρίθηκε.
Ο πρωταγωνιστικός ρόλος του Φέρμι στην κατασκευή της ατομικής βόμβας ήταν βεβαίως αναμενόμενος εν όψει των παραπάνω. Μαζί με τον Οπενχάιμερ (ο οποίος προσέφερε εκτός των άλλων και τα σπάνια ηγετικά του προσόντα) πήραν πάνω τους το εγχείρημα (μάλλον ευκολότερο από τη λειτουργία ενός αντιδραστήρα) και η πρώτη ατομική βόμβα (ένα σημαδιακό γεγονός στην ανθρώπινη ιστορία) ήταν έτοιμη για δοκιμή (και δοκιμάστηκε) στις 16 Ιουλίου του 1945.

      Όμως η στάση του Φέρμι απέναντι στα πυρηνικά όπλα μεταβλήθηκε σημαντικά μετά τον πόλεμο, όπως εξάλλου και του Αϊνστάιν που είχε προσυπογράψει, το 1944, μαζί με τον Σιλάρ την περίφημη επιστολή προς τον Ρούσβελτ που φαίνεται να ήγειρε οριστικά την πλάστιγγα προς την κατεύθυνση της μαζικής στήριξης του σχεδίου Μανχάταν. Ως μέλος του επιστημονικού συμβουλίου της εθνικής επιτροπής ατομικής ενέργειας (του οποίου προέδρευε ο Οπενχάιμερ) ο Φέρμι αντιτέθηκε σφόδρα στην παραγωγή της βόμβας υδρογόνου (μια βόμβα σύντηξης πλέον αντί σχάσης) υπογράφοντας σχετική έκθεση μαζί με τον Ράμπι (γνωστό από τη δουλειά του στην ατομική φυσική) με ηθικά όσο και τεχνικά επιχειρήματα. Όμως το τζίνι είχε ήδη βγει από το μπουκάλι και ουδείς ήταν σε θέση να το φέρει πίσω. Ο ψυχρός πόλεμος και η κούρσα των πυρηνικών εξοπλισμών είχε αρχίσει. Κάθε επιφύλαξη απέναντι στη συνέχιση ή στις κατευθύνσεις του πυρηνικού προγράμματος μπορούσε άνετα να χαρακτηριστεί ύποπτη. Οι διαφωνούντες ήταν πλέον κίνδυνος ασφαλείας ή ακόμα και κατάσκοποι της άλλης πλευράς. Όπως και αρκετοί άλλοι από τους πρωτεργάτες του σχεδίου Μανχάταν, ο Φέρμι θα καταθέσει υπέρ του Οπενχάιμερ στην επιτροπή του κογκρέσου που ανέλαβε να ερευνήσει τις κατηγορίες εναντίον του «βασικού υπόπτου». Με το γνωστό αποτέλεσμα. Ο Οπενχάιμερ θα χαρακτηριστεί «κίνδυνος ασφαλείας» και θα απαλλαγεί των καθηκόντων του. Οι καιροί ήταν πλέον ώριμοι για μια διαφορετική γενιά φυσικών, όπως ο Έντουαρντ Τέλερ, διατεθειμένων να υπηρετήσουν την κεντρική εξουσία με πολύ λιγότερες ηθικές αναστολές απ’ ό,τι οι προηγούμενοι.
Υπάρχει όμως και η θετική πλευρά της υποθέσεως. Η περίπτωση Οπενχάιμερ έπεισε τους πιο ταλαντούχους φυσικούς που συμμετείχαν στο σχέδιο Μανχάταν να διακόψουν τη σχέση τους με τον στρατό και να επανέλθουν στην έρευνα της θεμελιώδους φυσικής η οποία γνώρισε έτσι μοναδική άνθηση κατά τη μεταπολεμική περίοδο. Σ’ αυτό το πνεύμα ο Φέρμι επιστρέφει στο πανεπιστήμιο του Σικάγου και αφοσιώνεται στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων «παράγοντας», μεταξύ άλλων, και μερικούς από τους καλύτερους νέους φυσικούς της περιόδου, οι οποίοι εκπόνησαν μαζί του τη διατριβή τους.
Μαζί με τον Γιανγκ (τον κινεζικής καταγωγής φυσικό ο οποίος, σε συνεργασία με τον Λι, ανακάλυψε το 1957 την παραβίαση της συμμετρίας αριστερού-δεξιού από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις) ο Φέρμι διατύπωσε για πρώτη φορά την υπόθεση ότι τα π-μεσόνια μπορεί να είναι σύνθετα σωματίδια, προαναγγέλλοντας έτσι την ύπαρξη των κουάρκ αρκετά χρόνια πριν την ανακάλυψή τους. Η προέλευση της κοσμικής ακτινοβολίας (κυρίως πρωτόνια υψηλής ενέργειας, όπως καλά γνωρίζουμε σήμερα) ήταν επίσης ένα από τα θέματα που τράβηξαν την προσοχή του Φέρμι κατά την πρώτη μεταπολεμική περίοδο και βέβαια ο μηχανισμός της επιτάχυνσής τους.

      Επιστρέφοντας στα «γήινα» (και με όλη την εμπειρία της βόμβας να τον βαραίνει) ο Φέρμι διερωτήθηκε συχνά αν το είδος μας έχει πράγματι τη δυνατότητα να διαχειριστεί με κάποια σωφροσύνη τις πέρα από το ανθρώπινο μέτρο δυνάμεις (με την πυρηνική ενέργεια πάνω απ? όλες) που η έρευνα της φύσης τού επέτρεψε να απελευθερώσει.
Σ’ ένα σχετικό κείμενό του, αφού προδικάσει τη ραγδαία τεχνολογική πρόοδο, που θα ακολουθήσει την ανακάλυψη των θεμελιωδών δομών της ύλης και των νόμων που τις διέπουν, καταλήγει: «Αυτό που είναι λιγότερο βέβαιο (και που όλοι με πάθος ευχόμαστε) είναι ότι ο άνθρωπος θα ενηλικιωθεί σχετικά γρήγορα ώστε να κάνει σώφρονα χρήση της ισχύος που απέκτησε πάνω στη φύση». Είναι γνωστή μάλιστα η υπόθεσή του για την απουσία εξωγήινων «εκεί έξω», ενώ έχουμε κάθε λόγο να πιστεύουμε ότι η ύπαρξή τους είναι στατιστικά αναπόφευκτη. «Where are they?» είναι ένα ερώτημα που συχνά έθετε. Με σαφώς υπονοούμενη απάντηση ότι κανείς τεχνολογικός πολιτισμός (τουλάχιστον στην άμεση κοσμική γειτονιά μας) δεν κατάφερε να ενηλικιωθεί αρκετά γρήγορα ώστε να αποφύγει μια πυρηνική καταστροφή.

      Όμως η περίπτωση Φέρμι παρουσιάζει ενδιαφέρον και από μια διαφορετική άποψη. Με την εξαίρεση του Ντε Μπρολί (του οποίου όμως η συμβολή στην κβαντική φυσική υπήρξε μάλλον στιγμιαία) ο Φέρμι ήταν ο μόνος που «έσπασε» την αγγλογερμανική μονοκρατορία στο πεδίο και έφερε στο προσκήνιο μια χώρα, όχι βέβαια χωρίς επιστημονική παράδοση, σίγουρα όμως έξω από τη λέσχη των τότε ισχυρών. Και είναι αξιοσημείωτο απ’ αυτή την πλευρά ότι οι σημαντικότερες εργασίες του Φέρμι στη θεμελιώδη φυσική (π.χ. η στατιστική Φέρμι-Ντιράκ και η θεωρία Φέρμι των ασθενών αλληλεπιδράσεων) έγιναν ενώ βρισκόταν ακόμα στην Ιταλία, όπου έγινε επίσης και όλη η πειραματική δουλειά που του χάρισε το βραβείο Νομπέλ το 1938, αν και για τους λάθος λόγους όπως είδαμε. Ως καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Ρώμης ήδη σε ηλικία 24 ετών (και με την ισχυρή υποστήριξη του επίσης φυσικού Όρσο Κορμπίνο, μέλους της κυβέρνησης Μουσολίνι) ο Φέρμι κατάφερε να δημιουργήσει μια καταπληκτική ομάδα νεαρών φυσικών που λάμπρυναν με την παρουσία τους την ιταλική φυσική στα πρώτα μεταπολεμικά χρόνια.
Όμως η ανάγκη του φασιστικού καθεστώτος να χρησιμοποιήσει τον Φέρμι ως διεθνή «σημαία» του στον χώρο της επιστήμης, αλλά και η ανάγκη του Φέρμι να εξασφαλίσει υποστήριξη για το έργο του, δεν ήταν ένα «ακίνδυνο» παιγνίδι. Τον Μάρτιο του 1929 ο Φέρμι ορίζεται από τον Μουσολίνι μέλος της Βασιλικής Ακαδημίας της Ιταλίας (μάλλον το νεαρότερο στην ιστορία της) και ένα μήνα μετά γίνεται επίσης μέλος του φασιστικού κόμματος. Σίγουρα όχι δύο ασύνδετα γεγονότα.
Τα αισθήματά του απέναντι στο καθεστώς (αν υποτεθεί ότι η ένταξή του στο κόμμα αντιπροσώπευε κάτι περισσότερο από μια καιροσκοπική ενέργεια) άρχισαν να αντιστρέφονται λίγα χρόνια αργότερα, όταν μια σειρά αντιεβραϊκών νόμων έθεταν σε κίνδυνο την ίδια την οικογένειά του, αφού η σύζυγός του ήταν εβραϊκής καταγωγής. Έτσι το 1938, αμέσως μετά την τελετή απονομής του βραβείου Νομπέλ στην Στοκχόλμη, όπου τον συνόδευσαν η γυναίκα του και τα παιδιά τους, αποφασίζει να μην επιστρέψουν στην Ιταλία αλλά να μεταναστεύσουν στις Ηνωμένες Πολιτείες με τις ευκαιρίες και τις προκλήσεις που τον περίμεναν εκεί.

     Στον μακρύ κατάλογο των ξεχωριστών ικανοτήτων του Φέρμι δεν μπορεί να μην προστεθεί και εκείνη του εμπνευσμένου δασκάλου. Τα μαθήματά του (στη Ρώμη ή στο Σικάγο) διακρίνονταν πάντα για την προσεκτική προετοιμασία τους και, κυρίως, για την απλότητα της παρουσίασης δύσκολων εννοιών και μεθόδων. Ο Φέρμι απεχθανόταν σφόδρα τις περιπεπλεγμένες αναλύσεις και τις βαρύγδουπες θεωρίες, ιδίως όταν γνώριζε από πείρα ότι αν επιμείνεις λίγο θα βρεις πάντα έναν απλό (ή, έστω, απλούστερο) τρόπο να κάνεις έναν περίπλοκο υπολογισμό ή να εξηγήσεις μια δύσκολη έννοια. Σημειώσεις από τα μαθήματά του βγήκαν αργότερα ως βιβλία, με περισσότερο γνωστό ένα μικρό «βιβλιαράκι» με τις διαλέξεις του στο μάθημα της θερμοδυναμικής και της στατιστικής μηχανικής στο πανεπιστήμιο του Σικάγου. Το βιβλίο αυτό έχει μεταφραστεί και στα ελληνικά από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.

      Ο Φέρμι τιμήθηκε όσο λίγοι τόσο κατά τη διάρκεια της ζωής του όσο και μετά τον θάνατό του, σε ηλικία μόλις 53 ετών, από καρκίνο του στομάχου.
Ο επιταχυντής σωματιδίων στην Μπατάβια του Ιλινόις (το περίφημο Fermilab) το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γ, πολλοί αντιδραστήρες στις ΗΠΑ και αλλού, και πολλά άλλα φέρουν το όνομά του, όπως επίσης και το υπ’ αριθμόν Ζ = 100 τεχνητό στοιχείο του περιοδικού συστήματος.
Στη δωδεκάδα των πρωταγωνιστών της κβαντικής επανάστασης ο Φέρμι κατέχει σίγουρα μια ξεχωριστή θέση. Στο πρόσωπό του συμπυκνώθηκαν τα ακραία ηθικά διλήμματα που έφερε στο φως η κατάκτηση του μικρόκοσμου. Αυτής της θαυμαστής καινούργιας χώρας στην οποία εισήλθε ο ανθρώπινος πολιτισμός εδώ και εκατό χρόνια. Χωρίς να είναι ακόμα σίγουρο ότι έχει επίγνωση τι είδους «σύνορο» ήταν αυτό που διέσχισε.