Ο Ενρίκο Φέρμι και το βραβείο Νομπέλ

Posted on 29/09/2015

0


Ο Ενρίκο Φέρμι (Enrico Fermi 1901 – 1954), γεννήθηκε σαν σήμερα 29 Σεπτεμβρίου, ήταν 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.

fermi1

Υπάρχει κάποιο λάθος στις εξισώσεις που έγραψε στον πίνακα ο Fermi; (η απάντηση ΕΔΩ)

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.(….)

Απόσπασμα από το βιβλίο του Στέφανου Τραχανά, «ΜΕΓΑΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ, ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΥΣΕΣ ΖΩΕΣ» και μπορείτε να κατεβάσετε δωρεάν σε μορφή PDF από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης

Ετικέτα: ,