یک انفجار علمی (1)

در اوایل قرن بیستم، تحقیقات بنیادی در میکروفیزیک به نظر نمی رسید که کمترین کاربردی داشته باشد. در ژوئیه ی 1932 روزنامه نگاری با فردریک ژولیو، که آن وقت دستیار ماری کوری در انستیتو رادیوم پاریس بود، مصاحبه ای انجام داد. چند ماه پیش از آن، جمس چادویک در انگلستان نوترون را در پی آزمایشهای فردریک و ایرن ژولیو ــ کوری کشف کرده بود. روزنامه نگار، از فیزیکدان جوان پرسشهایی درباره ی تحقیق بنیادی و تحقیق کاربردی می کند. فردریک ژولیو پاسخ می دهد: «اینک ما روی نوترون کار می کنیم. دقیق تر بگویم، ما داریم روی تابشهای هسته ی مرکزی اتمها مطالعه می کنیم. در این باره مرتباً از همه طرف از ما می پرسند؛» نتیجه ی این پژوهشها چه مصرفی خواهد داشت؟ «ما چیزی درباره ی مصرف آن نمی دانیم و علاقه ای هم به دانستنش نداریم».
دانشمند نمی توانست مدتی طولانی بر این عقیده باقی بماند. سه سال بعد در استکهلم در مراسم اعطای جایزه ی نوبل، در نتیجه گیری کنفرانسش اظهار می کند: «اگر به آهنگ پیوسته فزاینده ی پیشرفت علم در چند دهه ی گذشته نگاه کنیم، حق داریم فکر کنیم که محققان با توانایی و امکانی که در ساختن یا در تخریب عناصر به اراده خود پیدا می کنند، بزودی موفق به کشف تبدّلاتی با خصلت انفجاری، واکنشهای شیمیایی زنجیره ای واقعی، خواهند شد. اگر چنین تبدّلاتی بتواند در مادّه گسترش پیدا کند، می توان به انرژی رهاشده ی عظیمی فکر کرد که مورد استفاده واقع شد.
آنچه در این فاصله ی زمانی، در ژانویه ی 1934، فردریک ژولیو و زنش ایرن، دختر پی یر و ماری کوری، کشف کرده بودند، رادیواکتیویته ی مصنوعی بود. یعنی امکان ساختن، ایجاد کردن ذرات تابشی جدید، ایزوتوپهای رادیواکتیو عناصر شیمیایی عموماً پایدار، از راه بمباران با ذرات آلفا، هسته های رادیواکتیو تشکیل شده ای مثل فسفر 30، رادیواکتیوی طبیعی نظیر رادیواکتیو رادیوم دارند. اما این هسته ها دیگر در طبیعت وجود ندارند، زیرا عمر رادیواکتیو بودن آنها به سر رسیده است، به عبارت دیگر، دوره ی رادیواکتیو بودنشان کوتاه تر از آن بوده است که از زمان تشکیل منظومه ی شمسیِ ما تاکنون دوام بیاورند.
چند هفته پس از این کشف، انریکو فِرمی و گروهش در رُم به فکر افتادند که با بمباران هسته های پایدار با نوترونها، عناصر رادیواکتیو مصنوعی تولید کنند. این گروه تحقیقاتی به بار الکتریکی مثبت پروتونهای هسته، که به زبان فیزیکی سد «دفع الکترواستاتیکی» (1) هسته ها گفته می شود، توجهی نداشتند. فِرمی کارش را به طور سیستماتیک با بمباران همه ی عناصر شیمیایی که می توانست تهیه کند، به ترتیب عدد اتمیِ فزاینده شان و ابتدا با هیدروژن شروع کرد. از ماه ژوئن، گروه تحقیقاتی رم، رادیواکتیویته های جدیدی در 47 عنصر پیدا کرد. در طول آزمایشها، گروه، اثر برهم کنشیِ بسیار مهم نوترونهای کُند را با هسته ها، که ابتدا عجیب می نمود، کشف می کند. فِرمی بزودی آن را چنین توضیح می دهد که این نوترونها به دلیل کُند بودن، مدت بیشتری را در هسته هایی که باید از آنها عبور کنند، می گذرانند، لذا برهم کنشیِ قوی تری دارند.
در طول تابستان 1934، گروه فِرمی سنگین ترین عناصر شناخته شده در طبیعت، یعنی توریوم و اورانیوم را با نوترونها بمباران می کند. آنگاه، فیزیکدانها تعداد زیادی هسته های جدید رادیواکتیو مشاهده می کنند. آنها خیال می کنند توانسته اند عناصر شیمیایی سنگین تر از اورانیوم بسازند که هنوز در روی زمین ناشناخته اند. با این همه، این تعریف با یک رشته تناقضات روبه رو می شود؛ مخصوصاً وفور ایزوتوپهای جدید برای تعداد اندکی از عناصر شیمیایی که موفق نمی شدند شکلبندی و حلقه های ارتباطیشان را بفهمند. گروههای علمی دیگر در کشورهای مختلف، این آزمایشها را از سرمی گیرند تا شاید معما را حل کنند. دو گروه سرشناس در این میان، ایرن ژولیو ــ کوری و پاول ساویچ (2) در انستیتو رادیوم پاریس، و اوتوهان و لیزه میتنر در انستیتو شیمی کایزر ویلهلم برلین، با هم در رقابت هستند: تعریفها و نتایج ضد و نقیض، مدت چهار سال ادامه می یابد، تا اینکه اوتوهان، شیمیدان مجرّب که پیش از آن چندین عنصر رادیواکتیو طبیعی را کشف و مجزا کرده بود، با دستیارش فریتس اشتراسمان، موفق به کشفی می شود که او را به توضیح درست هدایت می کند: برخی از رادیواکتیویته های اسرارآمیز به ایزوتوپهای رادیواکتیو باریوم مربوط می شود، عنصر شیمیایی با عدد اتمی خیلی کوچک تر از عدد اتمی اورانیوم؛ هسته های اورانیوم در اثر برهم کنشی با نوترونها به دو هسته ی مکمل با جرم متوسط تقسیم می شود که در میانه ی جدول تناوبی عناصر جا داشت.
نتایج این کشف در 6 ژانویه ی 1939 در مجله ی Naturwissenschaften منتشر شد. تبلیغات ضدیهودی که در این ایام در آلمان نازی موج می زد و ضمیمه کردن اتریش به آلمان در بهار 1938، لیزه میتنر را که ملیت اتریشی و تبار یهودی داشت مجبور می کند که در ژوئیه همان سال مخفیانه از مرز میان آلمان و هلند بگذرد و به سوئد پناهنده شود. اوتو هان حتی پیش از انتشار مقاله به همکار قدیمیش می نویسد که چه کشفی کرده است. چندین نامه در فاصله ی اواخر دسامبر و اوایل ژانویه میانشان مبادله می شود. اوتو هان می خواست هر جور شده لیزه میتنر را در نتایج جدیدش شریک کند: او از لیزه میتنر می خواهد که تفسیری برای پدیده پیدا کند. لیزه میتنر درباره ی موضوع با برادر زاده اش اوتو فریش، که او هم فیزیکدان بود و به مناسبت عید نوئل به دیدار عمه اش آمده بود، به تبادل نظر می پردازد. دو فیزیکدان به تعریف درستی می رسند؛ هسته ی اورانیوم که می توان آن را به قطره ی مایعی تشبیه کرد، با جذب یک نوترون، انرژی اضافی دریافت می کند. در این صورت، هسته تغییر شکل می دهد و نیروی دفع الکترواستاتیکی متقابل پروتونها بر قدرتهای هسته ای جاذب فائق می آید و در نتیجه، هسته به دو پاره تقسیم می شود. فریش این فرایند جدید را شکافت (fission) می نامد. دو پاره ی شکافت، هر کدام به سمتی می رود و انرژی قابل ملاحظه ای آزاد می کند. پیوند هسته های متوسط از هسته های اورانیوم بیشتر است و با تشکیل آنها، پس از عبور از سد دفع الکترواستاتیکی، انرژی بیشتری به دست می آید.
(توضیح تصویر): انرژی بستگی بر حسب نوکلئون هسته های متفاوت به تبع عدد جرم اتمیشان. دقت شود که مقیاس جرم اتمی از عدد 30 به بعد تغییر می کند.
اوتو فریش شخصاً برای مشاهده ی گسیل دو پاره ی هسته دست به آزمایش می زند وپس از بازگشت به آزمایشگاهش در کپنهاگ، خبر شکافت هسته در آلمان نازی را به نیلس بور، در لحظه ای که آماده ی سفر به ایالات متحده ی آمریکا بود، می دهد. نیلس بور، به نشانه ی افسوس، دستی به پیشانی می زند و می گوید «چه خِنگی بودیم ما! ما می باید زودتر آن را می دیدیم». نیلس بور، اطلاعات را روز 26 ژانویه 1939، در یک گردهمایی علمی که در واشینگتن تشکیل شده بود، در میان می گذارد. جنب وجوش جلسه را فرامی گیرد، بسیاری از فیزیکدانهای حاضر در جلسه با آزمایشگاههایشان تلفنی تماس می گیرند و می خواهند تا رسیدنشان مقدمات آزمایشها فراهم شود.
در این میان، فردریک ژولیو در کُلژدوفرانس از نتایج آزمایشهای هان و اشتراسمان مطلع می شود. او بلافاصله آزمایش فیزیکی ساده ای را برای اثبات پدیده ی شکافت هسته ی اورانیوم طراحی می کند و به اجرا می گذارد. فوراً به واکنش زنجیره ای می اندیشد. مازاد نوترونهای هسته ی اورانیوم خیلی بیشتر از مازاد نوترونهای هسته های متوسط است و شکافت آن می تواند نوترونهای اضافی رها کند که به نوبه ی خود باعث شکافت می شوند. یک چنین فرایند زنجیره ای می تواند انرژی عظیمی تولید کند و حتی انفجاری باشد. آنگاه فردریک ژولیو و همکارانش هانس هالبان (3) و لیف کوارسکی (4) با جدیت تمام یک سری آزمایشهای جدید را شروع می کنند.
فیزیکدان ایتالیایی، انریکو فرمی، تازه در دانشگاه کلمبیای نیویورک استخدام شده بود. او از ایتالیای فاشیست، که آنجا از پیامدهای قوانین تبعیض آمیز نژادی که پس از اتحاد موسولینی و هیتلر وضع شده بود به خاطر زنش بیمناک بود، گریخته و به ایالات متحده ی آمریکا مهاجرت کرده بود. 6 فوریه ی 1939، انریکو فرمی، اچ. ال. آندرسون (5)، جی. ار. دانینگ (6) و سه فیزیکدان دیگر، نتایج آزمایشی را برای فیزیکال ریویو می فرستند که شکافت هسته های اورانیوم با بمباران نوترونها را تأیید می کرد.
از طرف دیگر، در پی آزمایشهای جدید، در 8 مارس 1939، هالبان، ژولیو و کوارسکی طی مقاله ای در مجله ی Nature اعلام می کنند که شکافت اورانیوم با نوترونها، عملاً نوترونهای جدیدی تولید می کند. بنابراین، یک واکنش زنجیره ای از لحاظ نظری امکان پذیر است. روایت می کنند که فردریک ژولیو پیش از ارسال مقاله، همه ی همکارانش در آزمایشگاه شیمی هسته ای کلژ دوفرانس را در دفتر کارش جمع می کند و متن مقاله را برایشان می خواند. یکی از این محققان پس از خروج از جلسه، یکراست به بانک طرف حسابش می رود و از کارمند بانک می پرسد: «آیا من می توانم سهام معادن اورانیوم بخرم؟»، ــ کارمند می پرسد «اورانیوم چیست؟» ــ «یک فلز سنگین که فقط در بعضی از کشورها پیدا می شود». کارمند بانک پس از زیر ورو کردن لیست سهام بورس می گوید: «اورانیوم در بورس پاریس مظنه گذاری نشده است، اما در بورس نیویورک چرا». محقق کلژدوفرانس می گوید: «می خواهم همه ی پس اندازم را صرف خرید سهام اورانیوم در بورس نیویورک کنم، آیا می توانید تلگرامی بفرستید؟» کارمند بانک در پاسخ می گوید: «ای آقا، بازار این کالا آن قدر داغ نیست که به تلگرام نیاز باشد، آیا کافی نیست که نامه بفرستیم؟» محقق در پاسخ می گوید: «نه، نه، حتماً می خواهم که تلگراف فوری مخابره کنید.» دستور اجرا شد. خیلی دیرتر، دولت امریکا همه ی سهام اورانیوم را به قیمت خوب بازخرید کرد. پس از جنگ، محقق کلژدوفرانس، تصادفاً با همان کارمند بانک روبه رو می شود. کارمند از او می پرسد: «شما اطلاعات محرمانه ای داشتید، مگر نه؟»
او به خاطر اینکه نتوانسته بود به تدریس علمی در شرایط مطلوب ادامه دهد کشورش را ترک کرده بود. او تحصیلاتش را در برلین همراه با ماکس پلانک و ماکس فون لاوئه (8) انجام داده بود و با نگرانی، ناظر اوجگیری نازیسم بوده است. او از آتش زدن رایشتاگ، پارلمان آلمان، در آغاز 1933، بی درنگ آن درسی را که باید بگیرد گرفته بود. به طوری که می دانیم این آتش سوزی به دست عوامل آشوبگر هیتلری و به تحریک گورینگ (9) صورت گرفته بود. هیتلر، که چند هفته ای از به قدرت رسیدنش نمی گذشت، با دستاویز قرار دادن آن، همه ی مخالفانش را به زندان انداخت. کتابهایی را که با مرام نازیها موافق نبود در میدان شهر، در میان تل آتش سوزانید. یهودستیزی، سیاست دولت شد: هرکس که یهودی بود و متصدی مقامی، از مقامش معزول گردید. بسیاری از روشنفکران از آلمان هیتلری گریختند. لئوزیلارد، فردای آتش سوزی رایشتاگ به اتریش رفت، از آنجا به بریتانیای کبیر و بالاخره در 1938 راهی ایالات متحده ی آمریکا شد.
زیلارد از اوژن ویگنر، فیزیکدان مهاجر مجارستانی تبار دیگر، خبر شکافت هسته را که نیلس بور آورده بود، دریافت کرد. بدون اطلاع از کارهای فِرمی، که به چنین امکانی می اندیشید، زیلارد بلافاصله به احتمال یک واکنش زنجیره ای با واسطه ی نوترونها که موجب شکافت هسته ی اورانیوم شده است، می اندیشد، و فوراً احساس خطر کرد: یک چنین فرایندی می تواند راه را برای ساختن سلاحی مرگبارتر از همه ی سلاحهایی که تاکنون می شناسیم، هموار کند. این احتمال از نظر آلمانیها دور نمانده است: لذا همه ی کارهای مربوط به آن باید سرّی بماند و هیچ مطلبی درباره اش منتشر نشود.(10) زیلارد از استاد فیزیک دانشگاه کلمبیا، ایزاک رابی (11)، که او هم اروپایی تبار و از سالهای قبل مقیم ایالات متحده ی آمریکاست، می خواهد که خطر انتشار نتایج آزمایشها را به فِرمی گوشزد کند. رابی، چند روز بعد به زیلارد ابراز تمایل می کند که در حضور رابی شخصاً فِرمی را متقاعد کند؛ او از فِرمی می پرسد به چه دلیلی توصیه ی او به نظرش مسخره بوده است. فیزیکدان ایتالیایی توضیح می دهد: «البته، احتمال ضعیفی وجود دارد که در فرایند شکافت هسته های اورانیوم، نوترونها بتوانند گسیل شوند و یک واکنش زنجیره ای پدید آید». «منظورتان از احتمال ضعیف چیست؟» فِرمی لحظه ای تأمل می کند، سپس می گوید: «شاید ده درصد». رابی، برآشفته می گوید: «احتمال ده درصد، وقتی پای مردن در میان است، احتمال خیلی زیادی است. اگر به من بگویند که مبتلا به ذات الریه هستم و احتمال مردنم ده درصد است، من بسیار نگران می شوم!».
روز 2 فوریه ی 1939، پیش از آنکه از لحاظ تجربی دانسته شود که در شکافت هسته ی اورانیوم نوترونهای جدیدی گسیل شده است یا نه، زیلارد از ایالات متحده ی آمریکا نامه ای به فردریک ژولیو می نویسد و طی آن نگرانیش را درباره ی احتمال تحقق واکنش زنجیره ای، که می تواند نه فقط به رهایی انرژی، بلکه به ساختن بمبهای «فوق العاده» خطرناک توسط برخی از دولتها» بینجامد، به اطلاع او می رساند. او در این نامه می خواهد که فیزیکدانهای کشورهای دموکراتیک با هم تبادل نظر کنند که اگر مصلحت اقتضا کند، نتایج تجربیاتشان را درباره ی شکافت، چنانچه این فعل و انفعال با گسیل نوترونهای اضافی همراه بود، منتشر نکنند. و به فردریک ژولیو خبر می دهد که اگر چنین باشد، با پیام تلگرافی از او خواهد خواست که در این اقدامِ سکوت و رازداری مشارکت کند. زیلارد، حتی وقتی در انگلستان اقامت داشت. از ضرورت رازداری در برخی از زمینه های تحقیقات فیزیک هسته ای دفاع کرده بود.
(توضیح تصویر): ا. فرمی، ن. بور ول. روزنفلد در دیدار از انستیتو کارنگی، به هنگام کنفرانس واشینگتن، اواخر ژانویه ی 1939.
در ماه مارس، گروه تحقیقاتی دانشگاه کلمبیا به داده های متقاعد کننده ای دست می یابند. ا. فِرمی، ل. زیلارد و ادوارد تلر بحث درباره ی طرح منتشر نکردن را از سر می گیرند. روز 31 مارس، فیزیکدان هسته ای، ویکتور ویسکوف، که او هم به ایالات متحده ی آمریکا پناهنده شده بود، از پرینستون به فیزیکدان انگلیسی، پاتریک بلاکت، که به خاطر تحقیقاتش با اتاقک ابر سرشناس بود، و به هـ. هالبان، در کُلژدوفرانس، مخاطب ف. ژولیو تلگراف می زند تا موافقت آنها را با خودسانسوری نتایج مربوط به شکافت هسته ی اورانیوم جلب کند. اوژن ویگنر از جانب خودش به پی. ا. ام. دیراک، یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی در انگلستان نامه می نویسد، ول. زیلارد با نیلس بور که هنوز در ایالات متحده ی امریکا اقامت داشت تماس می گیرد تا موافقت گروه کپنهاگ را با توصیه ی منتشر نکردن نتایج تحقیقات، جلب کند. با وصف این، همه ی فیزیکدانهای امریکایی این دعوت را نپذیرفته بودند و نتایج آزمایشها کماکان توسط یک گروه تحقیقاتی واشینگتن منتشر می شد. ژولیو به ویسکوف تلگرافی پاسخ می دهد: «پیشنهاد 31 مارس شما خیلی عاقلانه است، اما خیلی دیر به دست ما رسید».
روز 6، سپس 7 آوریل، زیلارد بار دیگر با تلگرام و با نامه، از ژولیو مصراً می خواهد که از انتشار نتایج خودداری کند. اما ژولیو، که از یک طرف خیال می کند این اقدام یک فیزیکدان منفرد است و نه اقدام جامعه ی فیزیکدانان امریکایی، و از طرف دیگر، باور ندارد که به این زودیها ساختن بمب اتمی امکان پذیر گردد، سرانجام در 7 آوریل به زیلارد پاسخ می دهد؛ «پرسش شما را بررسی کردم. عقیده ام برمنتشر کردن است.»
با وجود این، پنج ماه بعد جنگ در اروپا آغاز و باعث می شود انتشارات درباره ی این موضوع، با ملاحظه ی نتایجی که در این فاصله ی زمانی کسب شده بود، در دو ساحل اقیانوس اطلس متوقف گردد.

پی نوشت ها :

1.electrostatic repulsion(=Coulomb repulsion).
2. Pavel Savitch.
3. Hans Halban.
4. Lew Kowarski.
5. H. L. Anderson.
6. J. R. Dunning.
7.Leo Szilard.
8. Max von laue.
9. Goering.
10. با احساس خطری مشابه، فیزیکدان آلمانی، فلوگه Flugge، که عمیقاً ضدنازی است تصمیم می گیرد دانسته هایش را درباره ی «تواناییها و امکانات واکنش زنجیره ای که می توان با اورانیوم به راه انداخت»، در یک مجله ی تخصصی منتشر کند و مخفیانه چند نسخه از آن را به زوریخ می فرستد و بدین ترتیب، خبر، به خارج از آلمان نازی درز می کند (رک؛ تکاپوی جهانی، ژان ژاک سروان شرایبر، ترجمه ی عبدالحسین نیک گهر، تهران، نشر نو، ص، 226.
11. I. Rabi.

منبع: سرگذشت اتم، شماره 2034