Enrico Fermi, vizionář, který jako první dokázal ochočit atomy

Na světě v současnosti funguje kolem 900 jaderných reaktorů. Polovina připadá na elektrárny, zbytek se uplatňuje v armádě a výzkumu. První prototyp reaktoru v roce 1942 v USA sestrojil italský fyzik Enrico Fermi, který se podílel na výrobě atomové bomby. Událost, zdánlivě skromná a skrytá před očima veřejnosti, měla dalekosáhlé důsledky pro vývoj jaderných zbraní, energetiku i pro medicínu a kosmický výzkum. Fermiho barvitý život i oslňující vědeckou kariéru přiblíží další díl seriálu o vynálezcích, kteří otevřeli dveře modernímu světu.

Zázračné dítě

Enrico Fermi se narodil 29. září 1901 v Římě do rodiny státního úředníka a učitelky. Již jako dítě projevoval mimořádný talent pro matematiku a mechaniku. S bratrem například sestavoval elektromotory. V jedenácti letech koupil na trhu latinskou učebnici fyziky z 19. století a celé prázdniny ji studoval. Brzy začal stavět vlastní přístroje a provádět pokusy s elektřinou a plyny.

V roce 1918 nastoupil na univerzitu v Pise, kde se díky stipendiu mohl plně věnovat fyzice. Učitelé rychle poznali, že se nejedná o obyčejného studenta: Fermi byl schopen nejen chápat složité koncepty, ale přicházet s originálními matematickými modely.

Ve dvaceti letech publikoval první práce o kvantové mechanice a statistice a nikoho neudivilo, že předčasně získal vysokoškolský titul. V té době se pod vlivem teorií Alberta Einsteina rozbíhala revoluce v jaderné fyzice a Fermi se do ní naplno zapojil. Nejdříve experimentoval s rentgenovými paprsky, pak získával zkušenosti na proslulých univerzitách v Göttingenu a Leidenu, kde spolupracoval s předními evropskými fyziky.

V roce 1926 formuloval takzvanou Fermi–Diracovu statistiku, která popisuje chování volných elektronů v kovech. Tato práce se stala základním kamenem kvantové teorie. Ve stejném roce nastoupil jako profesor v Římě, kde se obklopil týmem mladých spolupracovníků, známým jako „škola Via Panisperna“. Ta rychle získala světový věhlas, Fermiho laboratoř se totiž stala líhní talentů a místem, kde se podařilo poprvé systematicky studovat účinky bombardování atomových jader neutrony.

Zabýval se rovněž studiem subatomárního světa a proslavil se články o nové elementární částici – neutrinu. Ta, jak se později ukázalo, doprovází termojaderné reakce uvnitř Slunce. Tyto experimenty v roce 1934 přinesly Fermiho týmu objev nových radioaktivních prvků.

Kariéra ve stínu fašismu

V roce 1929 byl Fermi italským diktátorem Benitem Mussolinim jmenován členem královské akademie, což bylo spojeno i s jeho vstupem do fašistické strany. Tomu nijak nebránilo ani to, že šlo o přesvědčeného agnostika a svobodného zednáře, člena italské odnože lóže Grand Orient.

Politika ho do té chvíle moc nezajímala, dolehla na něj až v roce 1938, fašistické mocnosti hnaly svět do války, a navíc Mussolini v Itálii právě vyhlásil rasové zákony, které postihly nejen řadu Fermiho spolupracovníků, ale především manželku Lauru, která byla židovského původu. Proto když odcestoval do Stockholmu převzít Nobelovu cenu za fyziku, se už do Itálie nevrátil a přesídlil i s celou rodinou do USA.

Jako slavný vědec okamžitě získal profesuru na Kolumbijské univerzitě a brzy se zapojil do práce na využití jaderné energie. V roce 1939 němečtí vědci Otto Hahn a Fritz Strassmann dokázali rozštěpit jádro uranu. To odborníky vedlo k závěru, že je možné vyvolat řetězovou reakci a získat zdroj dříve netušené energie. Ta by mohla najít uplatnění v jaderné pumě. O této možnosti Fermi informoval na přednášce americkou armádu, což prozatím vedlo k tomu, že námořnictvo uvolnilo 1500 dolarů na jeho vědecké experimenty se štěpením uranu pomalými neutrony. Což byl koncept, k němuž dospěl již v předchozích letech.

O málo později jiná skupina teoretických fyziků Einsteinovým jménem poslala dopis americkému prezidentovi Franklinu D. Rooseveltovi. Varovali, že nacistické Německo může sestrojit atomovou bombu a strhnout s její pomocí vítězství v rozbíhajícím se světovém konfliktu na svoji stranu. Prezident okamžitě zřídil poradní výbor pro uran, aby celou záležitost prošetřil. Od něho pak vedla přímá cesta k programu na výrobu americké atomové bomby známému jako projekt Manhattan. Jedním ze závěrů Rooseveltových poradců koncem roku 1941, hned poté, co USA vstoupily do války, bylo doporučení, že k jaderné bombě se lze dostat obohacováním uranu. Stejně tak ale přes výrobu umělého prvku plutonia, které by se dalo vyrábět v dosud neexistujících jaderných reaktorech. Protože Fermi byl nejen výborným teoretikem, ale i skvělým experimentátorem, byl do plutoniového programu přizván. Šlo o jednoho z mála fyziků, který byl zárukou, že čistá věda vyústí do technického řešení. Tím spíše, že reaktor se už řadu měsíců snažil sám na univerzitní půdě sestavit.

Fermiho první reaktor ze závěru roku 1942 byla skládačka z betonu, grafitu, uranu a oxidu uranu. Grafit v něm zpomaloval všudypřítomné neutrony a ty pak začaly štěpit atomy uranu.

Foto: Wikimedia, volné dílo

Plutonium pro bombu

Fermi se spolu se svými spolupracovníky přestěhoval na Chicagskou univerzitu a začal spolupracovat s odborníky chemického koncernu DuPont. První reaktor na světě, nazývaný v té době „pile“, hromada, byl umístěn pod tribunou nepoužívaného univerzitního stadionu. Jednalo se o skládačku z kostek betonu a grafitu, do níž byl vložen kovový uran a oxid uranu. Fermi v ní 2. prosince 1942 rozběhl řízenou řetězovou reakci.

„Šlo o počátek atomového věku, velice skromný a nenápadný, protože první reaktor na světě pracoval jen s výkonem několika desítek wattů. Mohl mít i daleko větší výkon, ale pak by musel být chlazen a ti, kdo jej obsluhovali, by museli být chránění dva metry silnou betonovou zdí proti nebezpečnému záření,“ konstatoval později přední český jaderný fyzik František Běhounek.

Sám Fermi vzpomínal, že po úspěšném dokončení utajovaného experimentu zvedl telefon a s odkazem na Kolumba ohlásil nadřízenému, předsedovi Národního výboru pro obranný výzkum Jamesi Conantovi, že „italský mořeplavec právě přistál v Novém světě“. Vzápětí byl první reaktor na světě rozebrán a přestěhován na bezpečnější místo. I tam pak Fermi řídil další experimenty. Stál rovněž u spuštění vzduchem chlazeného grafitového reaktoru v Oak Ridge o rok později. Ten již produkoval první plutonium. Vedle toho sloužil k získání dat nutných ke stavbě dalších reaktorů a proškolení obslužného personálu.

Projekt Manhattan, do kterého americká vláda nalila dvě miliardy dolarů (dnešní ekvivalent téměř 30 miliard dolarů), už běžel naplno a Fermi se do něj také formálně zapojil. Od roku 1944 v atomovém středisku v Los Alamos vedl jednu z tamních laboratoří.

Ještě předtím dospěl k mylnému názoru, že Adolf Hitler sestrojí atomovou bombu rychleji než Amerika, a tak spolu s vědeckým šéfem projektu Manhattan Robertem Oppenheimerem nadnesl možnost alespoň kontaminovat německé potraviny radioaktivním stronciem. Naštěstí zůstalo jen u plánu.

Raději do civilu

Když se počátkem roku 1945 začalo mezi politiky, vojáky i vědci debatovat o nasazení jaderné bomby, dospěl klíčový dočasný výbor, v němž zasedal rovněž Fermi, k doporučení, že nová zbraň má být co nejdříve použita. Nikoliv jen k mezinárodní demonstraci, jak navrhovala část jaderných fyziků, tedy k veřejné obdobě utajeného pokusného výbuchu, testu Trinity z července 1945 v Novém Mexiku. Ale skutečně svržena na nepřátelský, v té době již ne německý, ale japonský cíl. Na město a se záměrem způsobit co největší škody a ukončit tak válku.

V červenci 1945 se Fermi zúčastnil první jaderné exploze, testu Trinity. V Novém Mexiku v USA vybuchla bomba obsahující umělý prvek plutonium, k jehož výrobě teoreticky i prakticky přispěl.

Foto: Shutterstock

K tomu z rozhodnutí prezidenta Harryho Trumana došlo 6. a 9. srpna 1945 v Hirošimě a Nagasaki. Přičemž v druhém případě šlo o plutoniovou bombu. Dodnes se vedou spory, zda jaderný útok, který si vyžádal stovky tisíc civilních obětí, byl ke kapitulaci Japonska nutný. Řada amerických generálů včetně Dwighta Eisenhowera či Douglase MacArthura o tom v roce 1945 pochybovala. Později byl Fermi k dalšímu vojenskému vy­užití jádra zdrženlivý a vyjadřoval obavy z nekontrolovaného šíření atomových zbraní. Patřil proto k signatářům dopisu vědců prezidentovi Trumanovi, kteří varovali před závody ve zbrojení a doporučovali mezinárodní kontrolu.

Po válce se Fermi, který získal americké občanství a předal řadu svých jaderných patentů americké vládě, vrátil k akademické práci. Bádal a vyučoval na Chicagské univerzitě.

„Enrico s ostatními cítil, že země vedle zbraní potřebuje také novou generaci vědců. Čtyři válečná léta a vojenský výzkum odčerpaly z univerzit příliš mnoho mladých lidí a byl nejvyšší čas, aby vědci začali doplňovat svoje řady,“ napsala Laura Fermiová v biografii svého manžela.

Dál také přispěl k rozvoji kvantové elektrodynamiky, částicové fyziky a astrofyziky. Vědcovo jméno nyní nese mnoho pojmů: částice označované za fermiony, Fermiho energie, Fermiho plyn, Fermiho paradox. Ten se týká nikoliv jaderné fyziky, ale mimozemského života: Fermi totiž předpokládal, že vesmír je ohromný a existuje v něm mnoho planet, a tedy mnoho míst, kde může být život. Bylo mu však divné, že známky mimozemských civilizací nevidíme.

Fermi zemřel v roce 1954 ve věku 53 let na rakovinu žaludku. Pravděpodobně důsledkem života vedle nebezpečných radioaktivních materiálů. I když zemřel předčasně, jeho dílo má dodnes obrovský význam. Jaderné elektrárny, které nyní vyrábějí asi 10 procent elektřiny, stojí na principech, jež poprvé ověřil právě on. Rovněž výzkum radioizotopů pro diagnostiku a léčbu rakoviny navazuje na jeho experimenty. Částicová fyzika, kterou Fermi pomáhal rozvíjet, je zase základem dnešních teleskopů a urychlovačů. Současně je Fermiho jméno spjato s úvahami o odpovědnosti vědy. Otevřel totiž cestu jak k neomezeným zdrojům energie, tak k ničivým zbraním.