29. 9. 1901 – 28. 11. 1954
Italsko‑americký fyzik Enrico Fermi se narodil 29. září 1901 v Římě v rodině Alberta Fermiho, úředníka italského ministerstva komunikací. Patří k mála fyzikům 20. století, kteří mimořádně ovlivnili jak teoretickou, tak experimentální fyziku.
Studoval na Univerzitě v Pise, kde roku 1922 získal doktorát z fyziky. Roku 1923 pobýval v Göttingenu u Maxe Borna a roku 1924 v Leidenu u Paula Ehrenfesta. V letech 1924–1926 přednášel matematickou fyziku a mechaniku na Univerzitě ve Florencii.
Proč má Fermi místo mezi fyziky
Fermi je jednou z klíčových osobností moderní fyziky. V teorii se jeho jméno spojuje s kvantovou statistikou částic s poločíselným spinem. V experimentální a jaderné fyzice sehrál zásadní roli při výzkumu neutronů, jaderných reakcí a první člověkem řízené samoudržující řetězové reakce.
Jeho práce propojuje mikrosvět částic, jadernou energetiku, astrofyziku i materiálovou fyziku. Po Fermim je pojmenována starší jednotka délky fermi, elementární částice fermiony, chemický prvek fermium a řada pojmů používaných v kvantové fyzice.
Fermiho–Diracova statistika
Roku 1926 Fermi formuloval statistický popis částic, které se řídí Pauliho vylučovacím principem. Stejný typ statistiky nezávisle rozpracoval Paul Dirac; dnes se označuje jako Fermiho–Diracova statistika.
Tato statistika popisuje například elektrony v kovu, protony a neutrony v jádře nebo další částice označované jako fermiony. Je základní pro vysvětlení elektronové struktury látek, vodivosti kovů, bílých trpaslíků i degenerovaného fermionového plynu.
Teorie beta-rozpadu a neutrino
V roce 1933 Fermi navrhl kvantitativní teorii beta-rozpadu, v níž jako první matematicky popsal proces, při kterém se neutron v jádře mění na proton za současného vyzáření elektronu a dalšího, tehdy hypotetického neutrálního lehkého částice. Tuto částici, kterou předpověděl Wolfgang Pauli, Fermi (s Edoardem Amaldim) pojmenoval italsky neutrino – „malý neutron". Šlo o první ucelenou teorii toho, co dnes nazýváme slabá interakce.
Článek Tentativo di una teoria dei raggi β nejdříve odmítl časopis Nature – s poznámkou, že „obsahuje spekulace příliš vzdálené realitě, aby zajímaly čtenáře". Fermi jej publikoval v italském Il Nuovo Cimento (1934) a v německém Zeitschrift für Physik. Tato práce dala vzniknout pojmu Fermiho zlaté pravidlo pro výpočet pravděpodobnosti přechodu v kvantové mechanice a Fermiho konstantě slabé interakce. Existence neutrina byla experimentálně potvrzena až v roce 1956 (Reines a Cowan), tedy dva roky po Fermiho smrti.
Římská škola a pomalé neutrony
Roku 1927 se Fermi stal profesorem teoretické fyziky na Univerzitě v Římě, kde kolem sebe soustředil skupinu mladých fyziků, později proslavenou jako Via Panisperna boys. V červenci 1928 se oženil s Laurou Caponovou a v březnu 1929 byl jmenován Mussolinim jedním z prvních členů nově založené Královské akademie Itálie (Accademia d'Italia) – jako jediný fyzik v první třicítce akademiků.
V roce 1934 začala Fermiho skupina systematicky bombardovat různé prvky neutrony. Dne 22. října 1934 Fermi a jeho kolegové (Amaldi, Pontecorvo, Rasetti, Segrè) zjistili, že neutrony zpomalené průchodem parafinem vyvolávají jaderné reakce mnohem účinněji než neutrony rychlé. Klíčem byly srážky neutronů s vodíkovými jádry v parafinu, které neutrony zpomalí natolik, že je atomová jádra ochotně zachytí. Tento objev měl zásadní význam pro jadernou fyziku, konstrukci reaktorů i pozdější výzkum štěpení.
Via Panisperna boys
Skupinu mladých italských fyziků kolem Fermiho v Římě nazývali I ragazzi di Via Panisperna – „chlapci z Via Panisperna" podle adresy Královského fyzikálního institutu na římském pahorku Viminal. Pod záštitou ředitele Orsa Maria Corbina (kterého skupina přezdívala „Padreterno", Všemocný Otec) vznikl mezi roky 1929 a 1938 nejvýraznější výzkumný kolektiv v dějinách italské fyziky.
Jádro tvořilo sedm členů: Enrico Fermi (přezdívaný „Il Papa" pro neomylnost), Franco Rasetti (Fermiho pravá ruka, „Cardinal Vicario"), Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Emilio Segrè, Ettore Majorana („Velký inkvizitor") a chemik Oscar D'Agostino. Skupina v letech 1933–1934 publikovala teorii beta-rozpadu a v říjnu 1934 objevila pomalé neutrony.
Skupina se rozpadla v letech 1938–1939 v důsledku italských rasových zákonů a narůstajícího fašismu. Segrè odešel do Berkeley (Nobelova cena 1959 za antiproton), Pontecorvo přes Paříž později do Sovětského svazu, Rasetti do Kanady, Fermi do USA. Majorana záhadně zmizel v březnu 1938 cestou lodí do Neapole. V Itálii zůstali D'Agostino a Amaldi, který po válce stál u zrodu CERN.
Nobelova cena
V roce 1938 získal Enrico Fermi Nobelovu cenu za fyziku. Oficiálně byla udělena za prokázání existence nových radioaktivních prvků vzniklých neutronovým ozářením a za objev jaderných reakcí vyvolaných pomalými neutrony.
Pozdější vývoj ukázal, že část výsledků tehdejších pokusů byla interpretována v dobovém kontextu před objevem jaderného štěpení. Fermiho hlavní přínos však zůstává nezpochybnitelný: ukázal mimořádnou účinnost neutronů jako nástroje jaderných reakcí a položil základy reaktorové fyziky.
Emigrace do USA
Po převzetí Nobelovy ceny se Fermi s rodinou nevrátil do fašistické Itálie. Rasové zákony Mussoliniho režimu ohrožovaly jeho manželku Lauru, která pocházela z židovské rodiny. Fermi odešel do Spojených států a v letech 1939–1942 působil na Columbijské univerzitě v New Yorku.
Roku 1944 se stal občanem USA. Po válce přijal profesuru na Univerzitě v Chicagu, kde se věnoval jaderné fyzice, neutronové fyzice, elementárním částicím a vysokoenergetickým srážkám.
Chicago Pile‑1 a kontrolovaná řetězová reakce
Dne 2. prosince 1942 vedl Fermi v Chicagu experiment, při němž zařízení Chicago Pile‑1 dosáhlo první člověkem vyvolané samoudržující jaderné řetězové reakce. Reaktor – „surová hromada černých cihel a dřevěných trámů", jak ho Fermi sám popsal – byl postaven ve squashovém kurtu pod západní tribunou stadionu Stagg Field, který univerzita po ukončení svého fotbalového programu v roce 1939 přestala užívat. CP‑1 obsahoval přes 40 000 grafitových bloků a přibližně 6 tun uranu a oxidu uraničitého. Kritičnosti dosáhl v 15:25 chicagského času, když George Weil vytáhl poslední kadmiovou regulační tyč.
Tento experiment znamenal zásadní zlom: ukázal, že jadernou řetězovou reakci lze řídit. Fermi se poté jako jeden z klíčových fyziků zapojil do Projektu Manhattan.
Manhattan Project a Trinity test
V roce 1944 se Fermi přesunul do Los Alamos v Novém Mexiku, kde se stal zástupcem ředitele Projektu Manhattan a vedl divizi F (Fermiho divizi) zaměřenou na netříděné problémy: hybridní reaktor s těžkou vodou, teorii implozní geometrie a diagnostiku zbraňových experimentů. Téhož roku přijal americké občanství.
Dne 16. července 1945 Fermi v Alamogordu osobně sledoval zkoušku Trinity – první test atomové bomby v dějinách. Asi 16 km od epicentra počítal Fermi „na koleně" energii výbuchu klasickou Fermiho metodou: do tlakové vlny upustil několik útržků papíru a změřil, jak daleko je vítr odnesl. Z jednoduchého odhadu posunu papíru dostal ekvivalent kolem 10 kilotun TNT; pozdější přesná měření ukázala hodnotu kolem 21 kt. Pro back-of-the-envelope výpočet udělaný v reálném čase šokující shoda v řádu.
Fermi po válce
Po druhé světové válce Fermi pokračoval v práci na University of Chicago, kde patřil k zakladatelům Institutu pro jaderná studia (dnes Fermiho institut). Zabýval se neutronovou optikou, fyzikou elementárních částic, nukleon‑mezonovými interakcemi (pion-nukleonová interakce) a kosmickým zářením, pro něž v roce 1949 vypracoval teorii urychlování částic v galaktických magnetických polích (Fermiho mechanismus).
Fermiho odhad
Fermi proslul také schopností rychle odhadovat řádové hodnoty složitých fyzikálních a technických problémů na základě minima informací a rozumných předpokladů. Tato metoda – Fermiho odhad nebo Fermiho problém – dodnes patří k základním nástrojům fyzikálního myšlení a používá ji řada inženýrů, vědců i datových analytiků.
Klasickou ukázkou je úloha „Kolik ladičů piana je v Chicagu?", kterou Fermi zadával svým studentům. Postup:
- Chicago má přibližně 3 miliony obyvatel a průměrně 2 osoby na domácnost → asi 1,5 milionu domácností.
- Klavír má řekněme každá 20. domácnost → 75 000 klavírů.
- Klavír se ladí asi jednou ročně → 75 000 ladění za rok.
- Ladič zvládne 4 klavíry denně, pracuje 5 dnů v týdnu, 50 týdnů v roce → 1000 ladění ročně.
- Závěr: asi 75 ladičů v Chicagu (skutečné číslo se historicky pohybovalo kolem 130).
Odhad je řádově správný, přestože vstupní data jsou jen kvalifikované odhady. Princip Fermiho metody: chyby ve vstupech mají tendenci se navzájem rušit, pokud jsou nezávislé.
Enrico Fermi zemřel 28. listopadu 1954 v Chicagu. Pohřben je na hřbitově Oak Woods Cemetery.
Ocenění a uznání
Enrico Fermi patří mezi nejvýznamnější fyziky 20. století. Jeho přínos je mimořádný tím, že spojoval hlubokou teorii s experimentální obratností. Fermiho–Diracova statistika je základem kvantové fyziky fermionů, zatímco práce s pomalými neutrony vedla k praktickému ovládnutí jaderné řetězové reakce.
Nejvyšším oceněním jeho vědecké práce byla Nobelova cena za fyziku za rok 1938. Po Fermim je pojmenována jednotka délky fermi, prvek fermium, fermiony, Fermiho energie, Fermiho hladina, Fermiho konstanta a řada dalších pojmů. Jeho jméno nese také americká Enrico Fermi Award.
Časté otázky
- Co je fermi?
- Fermi je starší název jednotky délky používané v jaderné fyzice. Platí 1 fermi = 1 fm = 10⁻¹⁵ m; dnes se běžně používá název femtometr.
- Co jsou fermiony?
- Fermiony jsou částice s poločíselným spinem, které se řídí Fermiho–Diracovou statistikou a Pauliho vylučovacím principem. Patří mezi ně například elektrony, protony a neutrony.
- Proč Fermi získal Nobelovu cenu?
- Za práce s neutronovým ozářením a za objev jaderných reakcí vyvolaných pomalými neutrony.
- Kde proběhla první kontrolovaná řetězová reakce?
- V zařízení Chicago Pile‑1 pod tribunou stadionu Stagg Field na University of Chicago dne 2. prosince 1942.
- Co je Fermiho odhad?
- Rychlá metoda odhadu řádové velikosti veličiny pomocí rozumných předpokladů a jednoduchých výpočtů, často „na ubrousek". Klasickým příkladem je odhad počtu ladičů piana ve velkém městě nebo Fermiho odhad síly Trojnice (Trinity testu) z letících útržků papíru.
- Kdo pojmenoval neutrino?
- Enrico Fermi (společně s Edoardem Amaldim) – italsky „neutrino" znamená „malý neutron". Wolfgang Pauli částici jen předpověděl; Fermi ji teoreticky popsal v rámci své teorie beta-rozpadu z roku 1933.
Použity zdroje publikované na serverech NobelPrize.org, Britannica, Atomic Archive a Argonne National Laboratory.
Souvislosti
- Enrico Fermi – NobelPrize.org
- Enrico Fermi – Britannica
- Enrico Fermi – Atomic Archive
- First self‑sustaining controlled nuclear chain reaction – Argonne National Laboratory
Pojmenováno po něm
- fermi – starší název femtometru, 1 fm = 10⁻¹⁵ m
- Fermiho–Diracova statistika – kvantová statistika fermionů
- fermion – částice s poločíselným spinem
- Fermiho energie a Fermiho hladina – pojmy používané v kvantové fyzice a fyzice pevných látek
- Fermiho konstanta – konstanta slabé interakce
- Fermiho paradox – otázka zdánlivého rozporu mezi pravděpodobností mimozemských civilizací a absencí pozorovaného kontaktu
- fermium – chemický prvek s protonovým číslem 100
Navazující osobnosti na webu
- Max Born – kvantová teorie a Fermiho pobyt v Göttingenu
- Wolfgang Pauli – vylučovací princip a fermiony
- J. Robert Oppenheimer – Projekt Manhattan
- Marie Curie – radioaktivita a jaderná fyzika