انریکو فرمی دانشمندی برای تمام فصول/ از پارادوکس فرازمینی‌ها تا مکانیک کوانتومی

خبرگزاری آنا، نوید فرخی: در طول تاریخ دانشمندان بزرگ نقش مهمی در پیشرفت فناوری ایفا کرده‌اند. از زمان‌های گذشته افرادی مثل نیوتن و گالیله که اصول پایه فیزیک را بنا نهادند، تا دانشمندان معاصر همچون اینشتین و ‌هاوکینگ هر یک با نظریات و تحقیقات خود افق‌های جدیدی را در علم و فناوری گشودند. تحقیقاتی از این دست باعث توسعه ابزارآلات و فناوری‌های پیشرفته‌ای شد که امروز در زندگی روزمره ما به کار می‌رود.

با این حال استفاده منفی از دستاوردهای علم و فناوری نیز یک واقعیت تلخ انکارناپذیر است. به عنوان مثال فناوری هسته‌ای که می‌توانست به عنوان یک منبع انرژی موثر تبلیغ شود، در نهایت به ابزاری ویرانگر مبدل شد. این موضوع نشان می‌دهد که در کنار پیشرفت‌ها، مسئولیت اخلاقی نیز وجود دارد و ضروری است که جامعه به طور مداوم درباره استفاده صحیح از دستاوردهای علمی بیندیشد.

انریکو فرمی (enrico fermi) یکی از بزرگترین دانشمندان قرن بیستم بود و یافته‌های این فیزیکدان در نظریه کوانتوم، فیزیک هسته‌ای و مکانیک آماری نقش مهمی در شکل‌گیری علم مدرن داشت. فرمی در 29 سپتامبر 1901 در رم ایتالیا به دنیا آمد. از کودکی علاقه زیادی به علوم و ریاضیات نشان می‌داد و اغلب کتاب‌های علمی می‌خواند. او در دانشگاه پیزا تحصیل کرد و آنجا فیزیک خواند. فرمی در مارس 1929  توسط موسولینی به عضویت آکادمی سلطنتی ایتالیا منصوب شد و در 27 آوریل به حزب فاشیست پیوست.  با این حال در سال 1938 ظاهراً به دلیل همسر یهودی‌اش ایتالیا را ترک کرد و به آمریکا رفت. او در طی دوران تحصیل بیش از همه روی مکانیک کوانتومی و نظریه اتمی کار می‌کرد. این موضوعات در تحقیقات آینده او نقشی اساسی داشت.

آمار فرمی-دیراک

یکی از اولین دستاوردهای فرمی در علم، تحقیقات او بر روی مکانیک آماری بود. فرمی سال 1926 یک روش آماری برای توصیف رفتار ذرات زیر اتمی ابداع کرد. این تحقیق منجر به تدوین چیزی شد که به عنوان آمار فرمی-دیراک شناخته می‌شود(پاول دیراک فردی است که همزمان با فرمی روی این حوزه تحقیق می‌کرد).

آمار فرمی- دیراک رفتار ذراتی به نام فرمیون (fermion) را توصیف می‌کند. فرمیون‌ها ذراتی مانند الکترون، پروتون و نوترون هستند. آمار فرمی-دیراک توضیح می‌دهد که چرا این ذرات از قوانین خاصی مانند اصل طرد پاولی(Pauli exclusion principle) پیروی می‌کنند. اصل مزبور بیان می‌کند که هیچ دو فرمیونی نمی‌توانند در یک زمان خاص یک حالت کوانتومی یکسان را اشغال کنند. تحقیقات فرمی در زمینه آمار به دانشمندان کمک کرد تا درک کنند که ذرات چگونه در اتم‌ها و مواد جامد رفتار می‌کنند. امروزه روش‌های او هنوز در زمینه‌هایی مانند مکانیک کوانتومی و فیزیک حالت جامد استفاده می‌شود.

نظریه واپاشی بتا

در سال 1934 فرمی نظریه‌ای را برای توضیح فرآیندی به نام واپاشی بتا (beta decay) ارائه کرد. واپاشی بتا نوعی واپاشی رادیواکتیوی است که در آن یک نوترون داخل اتم به پروتون تبدیل می‌شود و به تبع آن الکترون (به نام ذره بتا) و یک نوترینو ساطع می‌کند. فرمی پیشنهاد کرد که نوع جدیدی از ذره، که او آن را نوترینو می‌نامید، در این فرآیند دخیل است. در آن زمان، نوترینو مستقیماً مشاهده نشده بود.

نظریه واپاشی بتای فرمی کمکی بنیادین به رشته فیزیک ذرات کرد و ماهیت واپاشی رادیواکتیو را توضیح ‌داد. تحقیقات او یکی از اولین تلاش‌ها برای توصیف نیروی هسته‌ای ضعیف به شمار می‌رفت. نظریه فرمی زمینه را برای پیشرفت‌های بعدی فیزیک ذرات از جمله کشف نوترینو در سال 1956 فراهم کرد.

پیشگام فیزیک هسته‌ای/ آزمایش‌های بمباران نوترونی

در دهه 1930، فرمی آزمایش بمباران نوترونی را آغاز کرد. او می‌خواست بفهمد که هسته اتم در هنگام بمباران با نوترون چگونه واکنش نشان می‌دهد. فرمی کشف کرد که نوترون‌ها از ذرات دیگر (مانند پروتون‌ها) در نفوذ به هسته‌های اتم مؤثرتر عمل می‌کنند. این امر به این دلیل بود که نوترون‌ها بار الکتریکی ندارند، بنابراین توسط بار مثبت هسته دفع نمی‌شوند.

فرمی و تیمش عناصر مختلف زیادی را با نوترون بمباران کردند تا ببینند چه اتفاق‌هایی خواهد افتاد. در سال 1934 آنها اورانیوم را با نوترون بمباران کردند و نتایج شگفت‌آور بود. تیم فرمی مواد رادیواکتیو بسیاری تولید کرد. در آن زمان فرمی متوجه نشد که واقعا هسته اورانیوم را شکافته است.

 به این فرآیند شکافت هسته‌ای می‌گویند. بعدها دانشمندان دیگری از جمله لیز مایتنر و اتو‌هان در آلمان نازی تأیید کردند که در چنین فرایندی هسته اورانیوم به بخش‌های کوچکتر تقسیم شده و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند.

آزمایش‌های نوترونی فرمی مهم بودند زیرا نشان دادند که چگونه واکنش‌های هسته‌ای را می‌توان بررسی و کنترل کرد. تحقیقات او به هموار کردن راه برای کشف شکافت هسته‌ای کمک کرد که بعدها برای تولید انرژی هسته‌ای و بمب اتمی مورد استفاده قرار گرفت.

کشف نوترون‌های کُند

کشف کلیدی دیگری که فرمی در آزمایشات بمباران نوترونی خود انجام داد، اهمیت نوترون‌های کُند (Slow Neutrons) بود. فرمی دریافت که وقتی نوترون‌ها کُند می‌شوند، احتمال بیشتری وجود دارد که توسط هسته‌های اتمی جذب شوند. این کشف برای توسعه راکتورهای هسته‌ای بسیار مهم بود. در یک راکتور از نوترون‌های کُند برای حفظ واکنش زنجیره هسته‌ای استفاده می‌شود. این امر به روشی کنترل‌شده انرژی تولید می‌کند.

کشف نوترون‌های آهسته توسط فرمی، جایزه نوبل فیزیک را در سال 1938 برای وی به ارمغان آورد. کمیته نوبل سهم مهم او را در درک واکنش‌های هسته‌ای به رسمیت شناخت. فرمی پس از دریافت جایزه، تصمیم گرفت به ایتالیای فاشیستی برنگردد و به امید موقعیت‌های شغلی تازه‌اش به ایالات متحده نقل مکان کرد.

پروژه منهتن و اولین راکتور هسته‌ای

فرمی در ایالات متحده به دانشگاه کلمبیا پیوست و بعداً به یک چهره کلیدی در پروژه منهتن تبدیل شد، پروژه مخفی ایالات متحده در طول جنگ جهانی دوم که هدف آن توسعه تسلیحات اتمی بود. نقش فرمی در پروژه منهتن بسیار مهم بود. او یکی از دانشمندان برجسته‌ای بود که مسئول طراحی و ساخت اولین رآکتور هسته‌ای موسوم به شمع شیکاگو (Chicago Pile-1) بود.

در 2 دسامبر 1942، فرمی و تیمش موفق به انجام اولین واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای کنترل‌شده در دانشگاه شیکاگو شدند. این آزمایش زیر سکوهای یک زمین فوتبال انجام شد. رآکتور هسته‌ای شمع شیکاگو یک ساختار ساده از بلوک‌های گرافیتی و سوخت اورانیوم را تشکیل می‌داد. این راکتور نشان داد که یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای را می‌توان کنترل کرد و ادامه داد. موفقیت تیم فرمی نقطه عطفی در توسعه انرژی هسته‌ای محسوب می‌شد.

موفقیت راکتور شمع شیکاگو همچنین آغازگر عصر اتم بود. تحقیقات فرمی بر روی رآکتور، تولید انرژی هسته‌ای و توسعه سلاح‌های اتمی را پایه‌گذاری کرد. تحقیقات او در ساخت اولین بمب اتم که بعدها در طول جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت کلیدی بود.

مشارکت در نظریه کوانتومی و فیزیک ذرات

فرمی نه تنها یک دانشمند تجربه‌گرا، بلکه نظریه پرداز ماهر نیز بود. او سهم قابل توجهی در نظریه کوانتومی و فیزیک ذرات داشت. یکی از معروف‌ترین مشارکت‌های فرمی توسعه برهم‌کنش فرمی (Fermi interaction) بود که اکنون بخشی از مدل استاندارد فیزیک ذرات است. این مدل استاندارد می‌تواند ذرات و نیروهای بنیادی جهان را به جز گرانش شرح دهد.

فرمی همچنین مفهوم سطح فرمی (Fermi level) را در فیزیک حالت جامد معرفی کرد. سطح فرمی تراز انرژی است که در آن احتمال یافتن الکترون 50 درصد است. این مفهوم برای درک رفتار الکترون‌ها در فلزات و نیمه‌هادی‌ها مهم است و در زمینه‌هایی مانند الکترونیک و علم مواد کاربرد دارد.

پارادوکس فرمی

فرمی علاوه بر فعالیت‌هایش در رشته فیزیک، به دلیل طرح یک سؤال معروف در مورد حیات فرازمینی نیز شناخته می‌شود! این پرسش به نام «پارادوکس فرمی» معروف است. در سال 1950 فرمی در طی یک گفتگوی معمولی پرسید: «پس بقیه کجا هستند؟»

او به این واقعیت اشاره می‌کرد که با توجه به تعداد عظیم ستارگان کهکشان به نظر می‌رسد که از منظر ریاضی و آمار لاجرم تمدن‌های فرازمینی هوشمند می‌بایست وجود داشته باشد، اما هیچ مدرک معتبری دال بر رؤیت آنها ثبت نشده است. پارادوکس فرمی از آن زمان تاکنون دانشمندان را به خود مشغول کرده و به عنوان یکی از سوالات اصلی در جستجوی هوش فرازمینی برشمرده می‌شود.

زنجیره استدلال

موارد زیر برخی از حقایق و فرضیه‌هایی است که در کنار هم این پارادوکس را از جنبه علمی نشان می‌دهند:

– میلیاردها ستاره در کهکشان راه شیری مانند خورشید وجود دارد.

– برخی از این ستارگان احتمالاً در مناطق قابل سکونت سیاراتی شبیه به زمین دارند.

– بسیاری از این ستارگان و سیارات بسیار قدیمی‌تر از خورشید هستند.

– اگر سیارات زمین‌مانندی وجود داشته باشد، این احتمال وجود دارد که در برخی از آنها برای مدت طولانی حیات هوشمند ساکن باشند.

– ممکن است برخی از این تمدن‌ها موفق به سفرهای بین ستاره‌ای شده باشند، که اکنون بشر در حال تحقیق روی این حوزه است.

– حتی طی یک سفر آهسته بین ستاره‌ای نیز امکان اکتشاف کهکشان راه شیری طی چند میلیون سال امکان‌پذیر است.

– از آنجایی که بسیاری از ستارگان خورشیدمانند کیهان میلیاردها سال از خورشید پیرتر هستند، زمین می‌بایست تاکنون با فرازمینی‌ها یا کاوشگرهای آنها مواجه می‌شد.

– با این حال هیچ مدرک محکمی مبنی بر وقوع این اتفاق وجود ندارد!

بعد از جنگ بین‌الملل دوم و میراث فرمی

فرمی پس از جنگ جهانی دوم به کار بر روی فیزیک هسته‌ای و فیزیک ذرات ادامه داد. او استاد دانشگاه شیکاگو شد و تا زمان مرگ در آنجا به تدریس و تحقیق پرداخت. از فرمی به عنوان یک معلم عالی یاد می‌کنند. او می‌توانست ایده‌های علمی پیچیده را به روش‌های ساده توضیح دهد. بسیاری از شاگردان او به فیزیکدانان برجسته تبدیل شدند.

کمک‌های فرمی به علم بسیار زیاد بود و میراث او ماندگار است. او یکی از معدود فیزیکدانانی بود که هم در تئوری و هم در زمینه تجربی سرآمد بود. تحقیقات او پایه و اساس انرژی هسته‌ای، فیزیک ذرات و مکانیک کوانتومی را بنا نهاد.

عنصر فرمیوم (با عدد اتمی 100) به افتخار او نامگذاری شد و تأثیر او در زمینه‌های پایه‌ای علوم هسته‌ای غیرقابل انکار است. تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی که در سال 2008 به فضا پرتاب شد نیز به افتخار او نامگذاری شده است. از این تلسکوپ برای مطالعه پدیده‌های پرانرژی جهان مانند پرتوهای گاما و سیاهچاله‌ها استفاده می‌شود. این تلسکوپ شاهدی بر تأثیر گسترده فرمی بر علم است که بسیار فراتر از اکتشافات اولیه او است.

انریکو فرمی دانشمندی با استعداد فوق العاده بود و نقشی کلیدی در فیزیک نظری و تجربی داشت. او همچنین یک چهره کلیدی در پروژه منهتن بود که به توسعه اولین راکتور هسته‌ای کمک کرد. توانایی فرمی در پر کردن شکاف بین نظریه‌پردازی آکادمیک و آزمایش‌های تجربی، او را به یکی از تأثیرگذارترین فیزیکدانان قرن بیستم تبدیل کرد.