Hans Bethe si energia soarelui (1906-2005)

În reacţia nucleară cunoscută sub numele de fuziune, ciocnirea şi apoi unirea a două nuclee atomice conduc la eliberarea unei energii.

Descoperirea mecanismului prin care are loc fuziunea în miezul unor stele cum ar fi Soarele, mecanism care produce cantităţi enorme de lumină şi energie, reprezintă una din principalele realizări ale lui Hans Bethe. Din punct de vedere al istoriei ştiinţei, subliniază Sheldon Glashow, este punctul în care micro- şi macrouniversul încep să conveargă în fizica modernă.

Bethe, unul dintre cei mai admiraţi oameni de ştiinţă ai secolului XX, a emigrat în Statele Unite în anii 1930, fugind din Germania nazistă. În timpul celui de-al doilea război mondial, el s-a implicat în construirea bombei atomice şi apoi, ca mulţi alţi fizicieni, a devenit un oponent redutabil al utilizării acesteia. În 1991, după prăbuşirea Uniunii Sovietice, Bethe s-a numărat printre personalităţile marcante care au militat pentru reducerea bilaterală a înarmării nucleare.

Născut în Germania, la Strasbourg, pe 2 iulie 1906, Hans Bethe (numele se pronunţă ca litera grecească Beta) a fost fiul lui Albrecht Theodore Julius Bethe şi al Annei Kuhn, care provenea dintr-o familie evreiască. Tatăl lui era psiholog şi lucra ca „privatdozent" la Universitatea din Strasbourg. În cea mai mare parte a tinereţii, Bethe a avut foarte puţini prieteni de vârsta sa.

După cum scria el ulterior: „Am fost tot timpul înconjurat de oameni maturi - de părinţi şi de rudele apropiate... Tata discuta cu mine subiecte ştiinţifice". Foarte dotat pentru matematică, a învăţat singur la vârsta de 14 ani analiza matematică. După primul război mondial, a avut unele opţiuni de stânga, în parte sub influenţa tatălui său, care era liberal şi activist politic.

La începutul anului 1924 s-a înscris la Universitatea din Frankfurt, dar s-a transferat curând la Universitatea din Munchen, unde a intrat sub influenţa lui Arnold Sommerfeld, eminent profesor de fizică teoretică.

După ce şi-a luat doctoratul în 1928, Bethe a predat la universităţile din Frankfurt şi Stuttgart. Disertaţia şi lucrările lui ulterioare sunt inspirate de fertilul domeniu al primilor ani ai mecanicii cuantice. În 1930, Bethe a petrecut un timp în Anglia şi Italia, unde a lucrat cu Enrico Fermi, apoi la institutul din Copenhaga al lui Niels Bohr. Una din primele lui lucrări a descris o metodă utilă şi elegantă de a calcula modul în care particulele încărcate electric sunt încetinite la trecerea lor prin substanţă.

Ca mulţi alţi oameni de ştiinţă proveniţi din mediul evreiesc, Bethe a fost obligat să părăsească Germania o dată cu venirea la putere a partidului nazist. În 1931, el s-a întors sa predea la Universitatea din Tubingen. Dar în 1932 tinerii fascişti au apărut la cursurile lui purtând banderole cu zvastici, iar în anul următor, o dată cu ascensiunea lui Hitler, Bethe şi-a pierdut postul la universitate.

A emigrat în Anglia, unde a lucrat la universităţile din Manchester şi Bristol. În 1935, el a sosit în Statele Unite, unde a primit un post de asistent la catedra de fizică teoretică de la Universitatea Corneli; doi ani mai târziu avea să devină profesor plin.

Recunoscând seriosul deficit de fizicieni în domeniul fizicii nucleare, Bethe a scris în 1936 şi 1937 o serie de trei articole pentru Review of Modern Physics. Acestea au oferit o vedere de ansamblu foarte cuprinzătoare, abordând practic toate cunoştinţele acumulate în acel moment în domeniul fizicii nucleare. Datorită răspândirii lor pe scară largă, aceste lucrări au fost denumite ulterior „Biblia lui Bethe", consolidându-i reputaţia în domeniul fizicii americane.

Cea mai mare realizare a lui Bethe în fizica teoretică a reprezentat-o teoria lui privind energia stelelor. În 1938, el a participat la o conferinţă de astrofizică la Washington, D.C., organizată de George Gamow şi de Eedward Teller. Subiectul era producţia de energie a stelelor, o chestiune care tocmai intrase în vederile fizicii particulelor. Sursa adevărată de energie a unei stele ca Soarele nu era cunoscută. Nici gravitaţia şi nici reacţiile chimice obişnuite nu puteau explica imensa cantitate de energie emisă.

Ca să simplificăm această complexă problemă, o enunţăm astfel: cum poate să emane Soarele atâta energie şi lumină fără să ardă rapid? Pe măsură ce s-au aflat mai multe despre coliziunile dintre particulele atomice, a fost luată în calcul ipoteza potrivit căreia un rol determinant îl joacă fuziunea atomică. Această ipoteză fusese emisă încă din 1930 de către Arthur Eddington şi părea plauzibilă, deşi nimeni nu putea spune cum erau implicate particulele subatomice.

Descoperirea lui Bethe din 1938, survenită la scurt timp după conferinţa de la Washington, demonstra că energia unei stele este produsă continuu printr-o reacţie termonucleară ciclică. Se ştia că Soarele este constituit în cea mai mare parte din hidrogen şi heliu, cele mai uşoare elemente, ca şi din mici cantităţi de elemente mai grele. Bethe a căutat un element care ar fi putut servi drept catalizator în reacţia de fuziune din stea.

„Am cercetat sistematic tabelul periodic", povestea el mulţi ani după aceea, „dar totul părea absurd, pentru că orice atom aş fi folosit, litiu, beriliu, era distrus în timpul reacţiei şi oricum aceste substanţe aveau o răspândire extrem de redusă, după cum stăteau lucrurile pe Pământ şi pe alte stele.

Deci, aceste elemente nu puteau să contribuie la producţia de energie de-a lungul imensei perioade ce se scursese de la formarea Universului. În cele din urmă am recurs la carbon, iar reacţia catalizată de carbon a mers perfect. Se trece prin şase reacţii diferite şi în final carbonul se reface."

În cele şase săptămâni care au urmat după conferinţa de la Washington, Bethe a calculat cu febrilitate. El a descoperit că protonii de hidrogen, când lovesc un nucleu de carbon, creează un izotop instabil de nitrogen. Acesta se transformă rapid într-un izotop de carbon, apoi în nitrogen stabil, eliberând pe parcurs radiaţie gamma. Nitrogenul este apoi lovit, la rândul său, şi se creează un izotop de oxigen care se transformă din nou într-un izotop stabil de nitrogen.

Când acest nucleu se sparge, rezultă două nuclee: unul de heliu şi celălalt de carbon. Iar lanţul se repetă la nesfârşit. Bethe a demonstrat că acest ciclu în şase etape corespunde cantităţii de temperatură şi energie emisă de stele. Calculele mai detaliate efectuate ulterior, pe măsură ce variabilele erau cunoscute mai bine, au înlesnit înţelegerea modului în care se produce energia în stele.

În timpul celui de-al doilea război mondial, Bethe şi-a revizuit scepticismul iniţial şi a fost de acord să lucreze la producerea bombei atomice. La invitaţia lui Robert Oppenhemer, el s-a alăturat Proiectului Manhattan, fiind numit şeful Diviziei Teoretice de la Los Alamos. Una din misiunile lui era să descopere modul în care se amorsează reacţia în lanţ ce urmează să detoneze bomba.

În postura de şef peste 5 subgrupuri de la Los Alamos, fiecare cu misiunea sa specifică, Bethe „semăna", scrie un observator, „cu o navă de linie înconjurată de o escortă de vase mai mici, tinerii teoreticieni mişcându-se maiestuos prin oceanul necunoscutului."

Deşi munca lui a fost esenţială în efortul de creare a bombei atomice, în restul carierei lui Bethe dezarmarea nucleară avea să devină o preocupare importantă. Este celebră destrămarea, la Los Alamos, a prieteniei strânse dintre Bethe şi Edward Teller. Ruptura dintre ei a avut o rezonanţă istorică. După război, Teller a devenit un susţinător fervent al bombei cu hidrogen, ajungând unul dintre artizanii politicii înarmărilor din perioada războiului rece.

Dimpotrivă, Bethe a depus mari eforturi pentru a lămuri publicul în privinţa pericolelor unui război nuclear. El s-a opus iniţial la construirea „superbombei" cu hidrogen, pe care Teller o susţinea în timpul şi după al doilea război mondial. În cele din urmă s-a răzgândit atunci când s-a convins că Uniunea Sovietică este capabilă să producă acelaşi tip de bombă H, astfel că s-a implicat în proiectarea acesteia.

Bethe şi-a continuat munca în domeniul fizicii teoretice şi aplicate şi după al doilea război mondial, întorcându-se la Corneli în 1946. El a abordat diverse probleme, inclusiv teoria undelor de şoc şi cea a particulelor elementare cunoscute sub numele de mezoni.

În 1947, el a elaborat, în timp ce călătorea de la Shelter Island la Schenectady, New York, o teorie pentru explicarea „Deplasării Lamb", o schimbare infinitezimală în nivelurile energetice ale atomului de hidrogen. Aceasta a reprezentat una din cele câteva contribuţii esenţiale ale lui Bethe la dezvoltarea electrodinamicii cuantice. În 1967, a primit Premiul Nobel pentru realizările sale în domeniul fizicii nucleare, în special pentru munca legată de energia stelară.

Bethe a depus mari eforturi pentru oprirea proliferării armelor atomice. În 1958, a fost delegat la Conferinţa de la Geneva, unde s-a negociat primul tratat de interzicere a testelor nucleare. În timpul administraţiei Nixon, a luat atitudine împotriva dispunerii sistemului de rachete numit Safeguard. De asemenea, a fost un susţinător al tratatului pentru reducerea rachetelor balistice din 1972.

Dezbaterile Bethe-Teller au continuat şi în anii 1980, Bethe opunându-se categoric promovării de către Teller a costisitorului Război al Stelelor, iar în anii 1990 a militat pentru o reducere şi mai drastică a arsenalelor nucleare. „Am respirat uşurat", scria el mai târziu, „când am văzut că aceste arme nu au fost folosite după al doilea război mondial, dar m-am îngrozit la gândul că de atunci s-au construit zeci de mii de asemenea arme..."

Bucurându-se de un mare respect ca profesor, Bethe a continuat să publice lucrări încă multă vreme după pensionarea lui, în 1975, de la Corneli. „Nu există nimic mai interesant decât ştiinţa", scria el. „Câtă vreme creierul meu funcţionează, asta am să fac." În 1939, Bethe s-a căsătorit cu Rose Ewald, fiica lui Paul Ewald, bine cunoscut fizician, şi au doi copii.