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Jun 03, 2023

Wie wissenschaftlicher Zufall und ein wenig Glück dazu beitrugen, das Atomzeitalter einzuläuten

Zufällige Experimente und zufällige Begegnungen halfen Enrico Fermi bei der Entstehung des

Zufällige Experimente und zufällige Begegnungen halfen Enrico Fermi, den ersten Kernreaktor zu bauen

David N. Schwartz, öffentlicher Platz Zocalo

Die breite Öffentlichkeit mag das wissenschaftliche Unterfangen als rational und methodisch betrachten, das auf geordnete und zusammenhängende Weise voranschreitet. Aber die Wissenschaft bewegt sich in Anfällen und Anläufen, manchmal vorwärts und manchmal rückwärts, manchmal methodisch und manchmal ganz zufällig. Die außergewöhnliche Rolle, die Zufall und Zufall bei wissenschaftlichen Entdeckungen spielen, zeigt sich in der bemerkenswerten Karriere von Enrico Fermi, einem der größten Physiker des 20. Jahrhunderts. Fermi ist vor allem für seine Arbeiten zur Neutronenphysik, zur Kernspaltung und den Experimenten bekannt, die zur ersten Atombombe führten.

Im Oktober 1934 leitete Fermi ein kleines Team in Rom, um radioaktive Elemente zu erzeugen, indem er verschiedene Elemente mit Neutronen beschoss, den schweren neutralen Teilchen, die sich im Kern der meisten Atome befinden. Dabei spaltete er das Uranatom. Doch aus verschiedenen Gründen, die vor allem mit den Einschränkungen der Radiochemie seines Teams zu tun hatten, wusste er das damals noch nicht. Allerdings stellten seine Kollegen fest, dass der Beschuss eines Elements, während es auf einem Holztisch lag, dieses Element überraschenderweise radioaktiver machte, als wenn es auf einem Marmortisch lag. Mit diesem Ergebnis hatten sie nicht gerechnet, und ohne ihre Neugier und Beobachtungsgabe hätten sie es vielleicht nicht bemerkt.

Auf der Suche nach einer Erklärung brachten sie das Phänomen zu Fermi. Fermi dachte darüber nach und kam zu dem Schluss, dass die leichteren Kerne aus Wasserstoff und Kohlenstoff im Holztisch die Neutronen verlangsamten, sodass die Neutronen mehr Zeit im Atomkern verweilen und ihn beschädigen konnten – daher der Anstieg der Radioaktivität. Er führte ein Bestätigungsexperiment mit einem Paraffinblock zwischen der Neutronenquelle und dem Ziel durch – Paraffin enthält viel Wasserstoff und Kohlenstoff und ist daher ideal für diese Zwecke.

Man kann die Bedeutung dieser zufälligen Entdeckung gar nicht genug betonen. Die von Fermi anschließend durchgeführten Arbeiten zur Nutzung dieser Entdeckung, die am 2. Dezember 1942 in Chicago in der Entwicklung der ersten nuklearen Kettenreaktion gipfelten, basierten vollständig auf dem Effekt des „langsamen Neutrons“. Die Graphitsteine, die die Struktur des ersten Atomhaufens bildeten, dienten als Moderator, um die Neutronen zu verlangsamen, die von den im gesamten Haufen eingebetteten Urankügelchen emittiert wurden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung erhöht wurde. Alle Kernreaktoren basieren nicht nur auf diesem Effekt; Es war ein wesentlicher Aspekt der Kernspaltungsforschung, der unaufhaltsam zur Entwicklung von Atomwaffen führte.

Fermis Wissenschaft wurde auf andere Weise vom Zufall geleitet. Erstens war da der einfache Zufall seiner Geburt im Jahr 1901, der ihn in den 1920er Jahren zur intellektuellen Reife führte, zu einer Zeit, als tiefgreifende Probleme der Quantentheorie angegangen wurden. Der große britische Historiker CP Snow schrieb einmal über Fermi: „Wenn Fermi ein paar Jahre früher geboren worden wäre, könnte man sich gut vorstellen, dass er Rutherfords Atomkern entdeckt und dann Bohrs Theorie des Wasserstoffatoms entwickelt hat. Wenn das wie eine Übertreibung klingt, dann nichts darüber.“ „Fermi“ klingt wahrscheinlich wie eine Übertreibung.“

Da er 1901 geboren wurde, kam er natürlich zu spät, um zu diesen frühen Jahren der Kernphysik beizutragen. Er wurde jedoch gerade rechtzeitig geboren, um zu einigen der wichtigsten Entwicklungen der Quantentheorie beizutragen. Die Fermis von heute, soweit es sie gibt, arbeiten jetzt in Teams von Tausenden von experimentellen und theoretischen Physikern am CERN, wo Spitzenteilchenphysik betrieben wird, der Spielraum für individuelle Leistungen jedoch stark eingeschränkt ist.

Zweitens ist da seine zufällige Begegnung im Alter von 13 Jahren mit einem Kollegen seines Vaters, einem Mann namens Adolfo Amidei, der verstand, dass Fermi ein Wunderkind war, und es sich zur Aufgabe machte, dem Teenager eine Grundausbildung in Mathematik und Physik zu ermöglichen – die Grundlage dafür auf dem Fermi seine Karriere aufbaute.

Drittens gibt es den Zufall seiner Heirat mit einer Frau, die Rom so sehr liebte, dass sie sich 1930 weigerte, in die Vereinigten Staaten zu ziehen, als Fermi dies ursprünglich wollte. Wenn er Rom in den frühen 1930er Jahren verlassen hätte, wer weiß, ob er dann seine Arbeit mit langsamen Neutronen durchgeführt oder die Kernspaltung entdeckt hätte?

Ohnehin wusste er nicht, dass er in seinen Experimenten von 1934 das Uranatom gespalten hatte, bis 1939 deutsche Wissenschaftler verkündeten, dass sie durch die Wiederholung von Fermis Arbeit von 1934 zu dem Schluss kamen, dass er die Uranspaltung herbeigeführt hatte. Sicherlich ist die Tatsache, dass er jedes von ihm bombardierte Element mit einer Bleiabschirmung versehen hat, was die Tatsache verschleierte, dass Uran bei der Spaltung seines Kerns einen starken elektromagnetischen Impuls aussendet, ein historisches Zufallsereignis. Wenn er gewusst hätte, dass er das Uranatom spaltete, hätte Italien möglicherweise schon lange vor Beginn des Zweiten Weltkriegs Atomwaffen entwickelt, mit völlig unvorhersehbaren Folgen.

Hinzu kommt seine Ankunft an der Columbia University im Jahr 1939, möglicherweise der historischste Unfall von allen. In Columbia traf er den ungarischen Physiker Leo Szilard, der die Idee einer nuklearen Kettenreaktion hatte, lange bevor das Uranatom gespalten worden war, und der Fermi in die Experimente drängte, die zur ersten kontrollierten, nachhaltigen nuklearen Kettenreaktion der Welt führten. Wenn Fermi sich dafür entschieden hätte, an die University of Michigan in Ann Arbor (wo er Freunde hatte) statt an Columbia zu gehen, wäre er Szilard nicht begegnet. William Lanouette, Szilards Biograf, glaubt, dass die Geschichte der Atombombe sicherlich anders verlaufen wäre, wenn sich die beiden Männer nicht im Januar 1939 in New York getroffen hätten, und ein rechtzeitiger Erfolg weitaus unwahrscheinlicher gewesen wäre. Szilard hatte die Idee der Kettenreaktion; Fermi war der sachkundigste Mensch der Welt darüber, wie Neutronen Materie durchdringen. Der Unfall, der sie zur gleichen Zeit an denselben Ort brachte, war also der Wendepunkt für das Manhattan-Projekt.

So auffällig diese zufälligen Ereignisse und Unfälle in Fermis Karriere auch sind, die Geschichte der Wissenschaft ist reich an ihnen. Die Entdeckung des Chemotherapeutikums Cisplatin, die Entdeckung der Radioaktivität, die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung und sogar die Entdeckung von Viagra erfolgten alle durch Zufall. Sinnbildlich für diese übergroße Rolle, die der Zufall in der Wissenschaft gespielt hat, ist Alexander Flemings Entdeckung des Penicillins. Der Bakteriologieprofessor bereitete eine Reihe von Petrischalen mit Bakterienkolonien vor, bevor er im September 1928 von seinem Labor im St. Mary's Hospital in London in den Urlaub fuhr. Nach dem Urlaub überprüfte er die Präparate und stellte zu seiner Überraschung fest, dass eine von ihnen von Schimmel befallen war von ihnen. Als er die Schale weiter untersuchte, stellte er fest, dass unmittelbar um die Schimmelpilzkolonie herum keine Bakterien wuchsen. Fasziniert begann er eine Reihe von Experimenten und stellte fest, dass der Schimmel eine Substanz absonderte, die Bakterien abtötete. Viele lange Jahre weiterer Arbeit waren erforderlich, aber das Ergebnis – das erste große Antibiotikum – hat die medizinische Praxis völlig und für immer verändert und dabei unzählige Leben gerettet.

Zufällige Entdeckungen sind natürlich die Ausnahme und nicht die Regel. Die meisten Wissenschaftler verbringen ihre Karriere damit, methodisch interessante Fragen in ihrem jeweiligen Fachgebiet zu untersuchen, und wenn sie Glück haben, erweitern sie dabei ihr Wissen. Und einige ihrer Entdeckungen werden zweifellos großartig sein. Einsteins Entdeckungen waren kaum ein Zufall – obwohl es hilfreich war, dass er in dem Moment geboren wurde, in dem er war, und nicht ein Jahrtausend früher.

David N. Schwartz ist der Autor von „The Last Man Who Knew Everything: The Life and Times of Enrico Fermi, Father of the Nuclear Age“. Sein Vater, Melvin Schwartz, erhielt 1988 gemeinsam den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung des Myon-Neutrinos.

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