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Jun 03, 2023

科学的偶然と少しの幸運が核時代の到来をどのように助けたか

Attraverso esperimenti casuali e incontri casuali, Enrico Fermi

偶然の実験と偶然の出会いが、エンリコ・フェルミによる最初の原子炉の製造に貢献しました

デビッド N. シュワルツ、ソカロ公共広場

一般の人々は、科学的事業が合理的かつ系統的で、秩序正しく、まとまった方法で前進するものであると見なすかもしれません。 しかし、科学は時々前進し、時には後退し、時には計画的に、時にはまったく偶然に、時々動き始めます。 科学的発見において偶然と偶然が果たす並外れた役割は、20 世紀の最も偉大な物理学者の 1 人であるエンリコ フェルミの注目すべき経歴に見ることができます。 フェルミは主に、中性子物理学、核分裂、そして最初の原子爆弾につながった実験に関する研究で知られています。

1934 年 10 月、フェルミはローマで小規模なチームを率いて、さまざまな元素に中性子（ほとんどの原子の核に存在する重い中性粒子）を衝突させて放射性元素を作成していました。 そうすることで彼はウラン原子を分割した。 しかし、さまざまな理由から、主に彼のチームの放射化学の限界に関係していたので、当時彼はこのことを知りませんでした。 しかし、彼の同僚は、驚くべきことに、元素を木製のテーブルの上に置いた状態で照射すると、大理石のテーブルの上に置いたときよりもその元素の放射能が高くなることに気づきました。 それは彼らが予期した結果ではなく、彼らの好奇心と観察力のために気づかなかったのかもしれません。

説明を求めて、彼らはその現象をフェルミに持ち込んだ。 フェルミはそれについて考え、木製のテーブルにある水素と炭素の軽い原子核が中性子を遅くするように作用し、中性子が原子核内で過ごして原子核を損傷する時間を長くし、その結果放射能が増加すると結論づけた。 彼は、中性子源とターゲットの間にパラフィンのブロックを使用して確認実験を実施しました。パラフィンには水素と炭素が多く含まれているため、これらの目的には理想的です。

この偶然の発見の重要性をいくら強調してもしすぎることはありません。 その後、フェルミがこの啓示を利用するために導いた研究は、1942 年 12 月 2 日にシカゴで最初の核連鎖反応の開発で最高潮に達しましたが、その研究は完全に「低速中性子」効果に基づいていました。 最初の原子山の構造を形成した黒鉛レンガは、原子山の全体に埋め込まれたウランのスラグから放出される中性子の減速の役割を果たし、核分裂の可能性を高めました。 すべての原子炉がこの効果に基づいているだけではありません。 それは容赦なく核兵器の開発につながる核分裂研究の重要な側面でした。

フェルミの科学は、別の方法で偶然導かれました。 まず、1901 年に彼の誕生という単純な偶然があり、それが 1920 年代に彼を知的に成熟させました。当時、量子論の深い問題が取り組まれていました。 英国の偉大な歴史家 CP スノーはかつてフェルミについて次のように書いています。「もしフェルミが数年早く生まれていたら、彼がラザフォードの原子核を発見し、その後ボーアの水素原子理論を発展させたことは十分に想像できます。これが誇張のように聞こえるかもしれませんが、フェルミについては何でも構いません」フェルミというと誇張のように聞こえるかもしれない。」

もちろん、彼は 1901 年生まれで、核物理学の初期に貢献するには遅すぎました。 しかし、彼はちょうど量子論の最も重要な発展に貢献する時期に生まれました。 今日のフェルミスは、存在する限りにおいて、CERN で数千人の実験物理学者と理論物理学者のチームで働いています。そこでは最先端の素粒子物理学が行われていますが、個人の成果の範囲は厳しく制限されています。

第二に、13歳のとき、父親の同僚であるアドルフォ・アミデイという男性との偶然の出会いがある。彼はフェルミが神童であることを理解し、自らこのティーンエイジャーに基礎となる数学と物理学の学部教育を与えようとした。フェルミはこれに基づいてキャリアを築きました。

第三に、フェルミが最初にアメリカへの移住を希望した1930年に、ローマを愛しすぎてアメリカへの移住を拒否した女性との結婚というアクシデントがある。 もし彼が 1930 年代初頭にローマを離れていたら、遅い中性子の研究をしていたのか、あるいは核分裂を発見していたのかは誰にもわかりません。

実際のところ、フェルミは 1939 年にドイツの科学者がフェルミの 1934 年の研究を再現してフェルミがウラン分裂を起こしていたと結論付けたと発表するまで、1934 年の実験でウラン原子が分裂したことを知りませんでした。 確かに、彼が照射した各元素に鉛のシールドを使用し、ウランの核が分裂するときに強力な電磁パルスを放出するという事実を隠したという事実は、歴史的な偶然の出来事です。 もし彼がウラン原子を分裂させていることを知っていたら、イタリアは第二次世界大戦が始まるずっと前に核兵器を開発し、まったく予測不可能な結果を​​もたらしたかもしれない。

1939 年にコロンビア大学に到着したこともありますが、これはおそらく最も歴史的な事故です。 コロンビア大学でハンガリーの物理学者レオ・シラードと出会った。彼はウラン原子が分裂するずっと前から核連鎖反応の着想を持ち、世界初の制御された持続的な核連鎖反応につながる実験をフェルミに押し付けた。 もしフェルミがコロンビアではなくアナーバーにあるミシガン大学（友人がいた）に進学することを選んでいたら、シラードに出会うことはなかったでしょう。 シラードの伝記作家ウィリアム・ラヌエットは、もし二人が1939年1月にニューヨークで出会っていなかったら、原爆の歴史は間違いなく違ったものになっていただろうし、時宜にかなった成功が得られるかどうかは確実ではなかったと考えている。 シラードは連鎖反応についてのアイデアを持っていました。 フェルミは、中性子がどのように物質を通過するかについて世界で最も知識のある人物でした。 つまり、それらを同時に同じ場所に置いた事故が、マンハッタン計画の転換点となったのだ。

フェルミのキャリアにおけるこれらの偶然の出来事や事故は印象的ですが、科学の歴史にはそれらがたくさんあります。 化学療法薬シスプラチンの発見、放射能の発見、宇宙背景放射線の発見、さらにはバイアグラの発見もすべて偶然に起こりました。 科学において偶然が果たしたこの大きな役割を象徴するものは、アレクサンダー・フレミングのペニシリンの発見です。 この細菌学の教授は、1928 年 9 月にロンドンのセント メアリーズ病院の研究室から休暇に出かける前に、細菌のコロニーが入った一連のペトリ皿を準備しました。休暇から戻って準備を見直したところ、驚いたことに、ペトリ皿にカビが蔓延していることに気づきました。そのうちの。 皿をさらに調べると、カビのコロニーのすぐ周囲には細菌が増殖していないことがわかりました。 興味をそそられた彼は一連の実験を開始し、カビが細菌を殺す物質を分泌していることを突き止めた。 さらに長年にわたる研究が必要でしたが、その結果、初めての主要な抗生物質が医療の実践を完全かつ永久に変え、その過程で数え切れないほどの命が救われました。

もちろん、偶然の発見は例外であり、一般的なものではありません。 ほとんどの科学者は、それぞれの分野で興味深い疑問を体系的に調査することにキャリアを費やしており、運が良ければ、そうすることで知識の総量が増加します。 そして、彼らの発見の中には、間違いなく素晴らしいものもあるでしょう。 アインシュタインの発見は決して偶然ではありませんでしたが、彼が 1,000 年前ではなく、今まさにその瞬間に生まれたことが助けになりました。

デビッド・N・シュワルツは、『すべてを知っていた最後の男: 核時代の父、エンリコ・フェルミの生涯と時代』の著者です。 彼の父、メルビン・シュワルツは、ミューニュートリノの発見で1988年のノーベル物理学賞を共同受賞した。

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