فیزیک هسته‌ای؛ انریکو فرمی و بمباران اتمی

به قسمت یازدهم مجموعه مقالات گذری بر فیزیک کوانتوم خوش آمدید. در ده قسمت گذشته، مباحث و اتفاقات بسیاری در جهان فیزیک را نقد و بررسی کرده‌ایم. در این قسمت به ادامه‌ی بحث فیزیک هسته‌ای می‌پردازیم. در قسمت قبلی نقش دانشمندانی نظیر؛ ماری کوری، ارنست رادرفورد و لیزه مایتنر را در کشف و شناسایی فیزیک هسته‌ای بررسی کردیم. در این قسمت به سراغ یکی از نوابغ بی‌بدیل قرن بیستم می‌رویم. زندگی علمی او را مرور می‌کنیم و در نهایت به تأثیر او در ساخت اولین بمب اتمی می‌پردازیم. 

همچنین در انتهای مقاله به سراغ دو بمب اتمی که در جریان جنگ جهانی دوم استفاده شدند، می‌رویم. جنگ‌ افزار هسته‌ای اولین و آخرین بار در روزهای پایانی جنگ جهانی دوم استفاده شد و پس از آن که بشر نتایج وحشتناک و شوکه‌کننده آن را مشاهده کرد، تصمیم گرفت تا مانع گسترش و استفاده دوباره از آن بشود.

این مقاله نزدیک به ۹ هزار کلمه محتوا دارد و برای آن که راحت‌تر مطالعه شود به ۲ قسمت تقسیم شده است.  بدیهی است که این جنس مقالات با اخبار روزانه تفاوت ساختاری فاحشی دارند و هدف آن‌ها افزایش دانش، بینش و سواد حقیقی شما است. بنابراین اگر تمایل به خواندن آن دارید، حتما آن را ذخیره کنید و در طول مدت زمان حداقل ۲ روز مطالعه کنید. به مانند قسمت‌های قبلی، تمامی سعی نگارنده بر این بوده است، که مطالب به زبانی ساده و گیرا بیان شود و با بررسی، جمع‌آوری و مطالعه‌ی چندین کتاب سعی شده است، تا بر این اصل مهم خود وفادار بمانیم.

دانشمندان بزرگ استعدادشان را به‌شکل نظریه‌پرداز یا آزمایشگر بروز می‌دهند، نه هر دو آن‌ها!

به‌طور مثال؛ اینشتین، ماکسول و گیبس نظریه‌پردازان بزرگی بودند، اما تبحر خاصی در انجام آزمایش نداشتند. در سوی دیگر فارادی و رادرفورد آزمایشگران بزرگی بودند، اما در زمینه‌ی نظریه‌پردازی حرف خاصی برای گفتن نداشتند. در میان فیزیکدانانی که تا به امروز بررسی کرده‌ایم، تنها نیوتن تبحر فوق‌العاده‌ای، هم به‌عنوان آزمایشگر و هم به‌عنوان نظریه‌پرداز و همچنین ریاضیدان از خود نشان داده است. در این قسمت از مجموعه مقالات «گذری بر فیزیک کوانتوم» به سراغ یک استثنا می‌رویم. چند قرن پس از نیوتن، این بار از ایتالیا مردی ظهور کرد، که استعداد بی‌نظیری در زمینه‌ی نظریه‌پردازی و در عین‌حال آزمایشگری از خود نشان می‌داد.

انریکو فرمی در سال ۱۹۰۱ در رُم چشم به جهان گشود و جوان‌ترین فرزند از سه فرزند خانواده‌اش بود. مادرش آیدا، معلم مدرسه و پدرش آلبرتو، کارمند اداره‌ی راه‌آهن بود. خانواده فرمی تجملات چندانی نداشتند و انریکو به مانند اکثر بزرگان دنیای علم، دوران کودکی را با طعم گزنده‌ی فقر، پشت سر گذاشت.

انریکو و برادر بزرگش، جولیو، فراتر از دو برادر، دوستانی صمیمی و همیشه در کنار هم بودند. هنگامی که جولیو در هنگام جراحی گلو درگذشت، این رابطه به‌طور مصیبت‌بار و غم‌انگیزی پایان یافت. انریکو بهترین دوستش را از دست داد. در آن زمان او برای فرار از مالیخولیا و افسردگی، مطالعه‌ی شخصی ریاضیات و فیزیک را آغاز کرد.

محل تولد فرمی

ابتدا مطالعاتش بی‌هدف بود و عمدتا بستگی به کتاب‌هایی داشت که بتواند در کتابفروشی پیدا کند. به تدریج دوستانش کتاب‌های گوناگونی در زمینه‌ی هندسه و جبر در اختیار او قرار دادند و انریکو تک تک آن کتاب‌ها را با دقت مطالعه کرد. فرمی تمامی تمرین‌های دشوار کتاب‌ها را حل می‌کرد و به درک بالایی از ریاضیات و فیزیک دست یافته بود. 

فرمی به‌عنوان دانشجوی بورسیه‌ی وارد دانشگاه Scuola Normale Superiore در شهر پیزا شد. رساله‌ی ورودی او با عنوان «ویژگی‌های صوت» یک تحلیل ریاضی پیشرفته، شامل بیان معادلات دیفرانسیل برای انتشار صوت و راه‌حل‌های آن بود. این رساله به‌حدی قوی بود، که شگفتی کمیته‌ی پذیرش دانشگاه را برانگیخت.

فرمی در سال ۱۹۲۲ پیزا را ترک کرد و به رم بازگشت. در آن زمان فیزیکدانان و ریاضیدانان ایتالیایی سهم مهمی در نظریه‌ی نسبیت عام داشتند، اما در زمینه‌های جدید دیگر به‌ویژه نظریه‌ی کوانتومی دخالتی نداشتند و حتی آن را تدریس نمی‌کردند. این در حالی بود، که هر روز بخش‌های جدیدی از نظریه‌ی کوانتومی در جاهای دیگر اروپا شکوفا می‌شد. بنابراین فرمی با بورس تحقیقاتی به دنیای علم خارج از ایتالیا سفر کرد.

نخست به مؤسسه‌ی ماکس بورن در گوتینگن رفت، جایی که در آن زمان در تسخیر هایزنبرگ و پائولی بود. فرمی در آنجا احساس راحتی نمی‌کرد و پس از مدت کوتاهی به لیدن کوچ کرد. او را پل ارنفست، استاد فیزیک نظری و جانشین فیزیکدان بزرگ کلاسیک، هندریک لورنتس، دعوت کرده بود. ارنفست از همان زمان معتقد بود، که در پیشرفت‌های انقلابی که در پیش است، نقش مهمی برای خودنمایی فرمی وجود خواهد داشت.

درکنار ولفگانگ پائولی و ورنر هایزنبرگ

فرمی پس از بازگشت به ایتالیا در دانشگاه فلورانس مشغول به کار شد. در آنجا او جنبه‌ی دیگری از استعدادش را نشان داد و آن توانایی استثنایی او در امر آموزش بود. او عاشق یاد دادن بود و این کار را به بهترین شکل انجام می‌داد. فرمی دائما در حال مطالعه بود و درباره آن‌چه که می‌خواند عمیقا فکر می‌کرد. او همواره لذت می‌برد تا چیزی جدید را به دانسته‌های خود بیفزاید. در یکی از این گشت و گذارهای او در نوشته‌های فیزیک معاصر، او با «افزایش مطلب جدیدی» به اصل طرد پائولی،‌ نخستین کمک بزرگش را به جهان علم کرد.

فرمی به‌طور غیرمستقیم به اصل پائولی رسید. هدف او این بود که با استفاده از معادله‌ی آنتروپی آماری بولتزمان؛

آنتروپی یک گاز کامل از اتم‌ها را باتوجه دقیق به قواعد مکانیک کوانتومی محاسبه کند. یکی از این قواعد این است، که اتم‌ها فقط می‌توانند در حالات گسسته معینی وجود داشته باشند و امکان قرارگیری در هر حالت دلخواهی وجود ندارد.

قاعده دیگر این است، که اتم‌های موجود در یک ظرف را نمی‌توان برچسب زد و از یکدیگر تمیز داد، زیرا تابع موج نماینده یک اتم، دامنه‌ی دسترسی به قدر کافی طولانی دارد، که با تابع‌های موج برای اتم‌های دیگر موجود در ظرف هم‌پوشانی کند. (تابع‌های موج برای الکترون‌ها در قسمت هفتم بررسی شد. با معادله‌ی شرودینگر می‌توان تابع‌های موج اتم‌ها، یا هر موجود فیزیکی دیگری را تعریف کرد) بنابراین مدل فرمی از مدل بولتزمان که فرض می‌کند، اتم‌ها (یا مولکول‌های) مشابه یک گاز از یکدیگر تشخیص پذیرند، فاصله می‌گیرد.

فرمی برای موفقیت در محاسبه‌ی آنتروپی‌اش، باید انحراف بیشتری از نظریه بولتزمان را در نظر می‌گرفت. بنابراین او با گرفتن رهنمودی از پائولی، این قاعده را اضافه کرد که هر حالت کوانتومی می‌تواند تنها و تنها یک اتم همساز را جا دهد، حتی در دماهای پایین، باید همه‌ی اتم‌ها را در حالت‌های کوانتومی متفاوت یافت. فرمی با رد قاعده‌ی تشخیص پذیری بولتزمان و تطبیق با قاعده‌ی پائولی، محاسبه‌ی آنتروپی مورد نظرش را به دست آورد. او مدل آماری جدیدش را در سال ۱۹۲۶ منتشر کرد.

فرمی نخستین کسی نبود که از مدل‌های آماری اصلاح شده، برای برآورده کردن نیازهای مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند. دو سال پیش از انتشار مقاله‌ی فرمی، ساتینت‌درانات بوز، فیزیکدان هندی مدلی را بر مبنای این مفهوم اینشتین، که نور و شکل‌های دیگر تابش، رفتاری شبیه گاز کاملی از ذرات دارند، که بعدها فوتون نامیده شد، منتشر کرد.

همچنان که فرمی مدل آماری‌اش را دنبال می‌کرد، پل دیراک به‌طور مستقل، همان قلمرو را از دیدگاه وسیع‌تری می‌کاوید، او تأکید داشت، که تفاوت مدل بوز-اینشتین و مدلی که او برای الکترون‌های مستقر در اتم‌ها پیشنهاد می‌کرد، مانند نظریه فرمی بر پایه‌های اصل پائولی استوار است. مقاله‌ی فرمی مقدمه‌ای بر مقاله‌ی دیراک بود، اما دیراک از ذکر این موضوع در مقاله‌اش کوتاهی کرد. گرچه او بعدها پذیرفت، که کار فرمی را دیده بود، اما متوجه اهمیت آن نشده بود. فرمی در نامه‌ای به دیراک نوشت؛

چون گمان می‌کنم که مقاله‌ی مرا ندیده‌اید، خواهش می‌کنم به آن توجه کنید!

مدل فرمی-دیراک محدود به اتم‌ها و الکترون‌ها، و مدل بوز-اینشتین محدود به فوتون‌ها بود. تلقی فیزیکدانان ذرات بنیادی معاصر این است، که تمامی ذرات نه‌تنها الکترون‌ها و فوتون‌ها، بلکه پروتون‌ها، نوترون‌ها، نوترینوها و بسیاری ذرات دیگر از یک مدل یا مدل دیگر پیروی می‌کنند.

دیراک برای جبران کوتاهی خود، در یاد نکردن از مقاله‌ی فرمی، پیشنهاد کرد که همه‌ی ذرات تابع مدل فرمی (و خود دیراک) «فرمیون» نامیده شوند. همچنین، او اصطلاح «بوزون» را برای ذراتی که تابع مدل بوز-اینشتین هستند، پیشنهاد کرد.

بر اثر تلاش‌های اورسو کوربینو، انریکو فرمی در پاییز سال ۱۹۲۶ به رم بازگشت. به اعتقاد اساتید آن زمان، فرمی در سن ۲۵ سالگی به نقطه‌ی اوج کار دانشگاهی در ایتالیا رسیده بود. نخستین گام فرمی برای شناساندن خود و موضوع کارش این بود، که سخنرانی‌ها و کتاب‌های درسی عامه پسند ارائه کند. نوشتن این کتاب‌ها هنگام تعطیلات تابستان در روستای کوهستانی دلخواه او در سلسله کوه‌های جنوب شرقی ایتالیا (Dolomites) انجام شد. یک سال پس از ورود فرمی، کوربینو دست پرورده‌ی دیگری را به رم آورد و آن فرد فرانکو راستی آزمایشگری جوان بود.

فرمی و راستی، با دو عضو جدید؛ ادواردو آمالدی، دانشجوی سابق مهندسی و امیلیو سگره که نخستین دانشجوی تحصیلات تکمیلی فرمی بود، هسته‌ی اصلی مدرسه‌ی کوربینوی رم را تشکیل می‌دادند. کوربینو آنان را «پسران خود» می‌نامید.

آنان جوان، با استعداد و فوق‌العاده متعهد به کارشان بود و با تمام وجود باور داشتند، که اکتشافی بزرگ در سر راهشان است و واقعا هم بود! فرمی رهبر این گروه بود. او در موارد نظری مصون از خطا بود، از این رو آنان او را «پاپ» می نامیدند!

فرمی به‌همراه دانشجویان و همکاران

سبک فرمی به‌عنوان یک نظریه پرداز همواره عمل‌گرایانه (pragmatic) و تا حد ممکن ساده بود. هدف او رسیدن به امری عینی و ملموس بود و از موارد انتزاعی و مجرد دوری می‌کرد. هانس بته، یکی از همکاران آلمانی فرمی درباره‌ی سبک کار فرمی چنین بیان می‌کند:

بیشترین تأثیری که روش فرمی در فیزیک نظری بر من گذاشت، سادگی و سهولت آن بود. او می‌توانست هر مسئله‌ای را، هرچند پیچیده به‌نظر می‌رسید، به عوامل اصلی آن تجزیه و تحلیل کند. او مسئله را از پیچیدگی‌های ریاضی و از صورت‌گرایی غیرضروری پاک می‌کرد، به این ترتیب، اغلب طی نیم ساعت یا کمتر می‌توانست مسئله فیزیکی را که درگیر آن بود، حل کند.البته این هنوز یک حل کامل ریاضی نبود، اما وقتی فرمی را پس از یکی از این بحث‌ها ترک می‌کردید، معلوم بود، که راه‌حل ریاضی باید چگونه انجام شود. این روش تأثیر خاصی بر من داشت، زیرا من از مدرسه‌ی زومرفلد در مونیخ آمده بودم، کسی که همه‌ی کارهایش با راه‌حل‌های ریاضی کامل پیش می‌رفت.با بزرگ شدن در مدرسه‌ی زومرفلد، فکر می‌کردم که روش حل کردن مسئله نوشتن معادله دیفرانسیل برای مسئله (معمولا معادله شرودینگر) است، تا با به کارگیری مهارت ریاضی، حلی را که تا حد ممکن دقیق و ظریف باشد، بیابیم و سپس درباره‌ی آن بحث کنیم. در بحث، جنبه‌های کیفی راه‌حل را در می‌یابیم و از این رو فیزیک مسئله را می‌فهمیم، روش زومرفلد وقتی خوب بود، که فیزیک بنیادی آن قبلا فهمیده شده باشد، اما فوق‌العاده پرزحمت بود. چرا که چند ماه طول می‌کشید تا پاسخ پرسش را بیابید.دیدن اینکه فرمی به این همه زحمت نیازی نداشت، بسیار تحسین برانگیز بود. فیزیک با تحلیل اصول اساسی و چند برآورد مرتبه - بزرگی روشن می‌شد. رهیافت او عمل گرایانه بود. فرمی ریاضیدان قابلی بود. هرجا لازم بود، می‌توانست عملیات ریاضی مفصلی را انجام دهد، اما نخست می‌خواست مطمئن شود که این کار ارزش انجام آن را دارد. او در به دست آوردن نتایج، با حداقل تلاش و وسایل ریاضی استاد بود.

نظریه‌پردازان اواخر سال‌های ۱۹۲۰ و اوایل سال‌های ۱۹۳۰ از رفتار ذرات بتا که در گسیل از عناصر پرتوزا یافت می‌شدند، سردرگم و مأیوس شده بودند. ذرات β آشکارا با انرژی‌هایی که گستره‌ی وسیعی را در بر می‌گرفت. از هسته‌های پرتوزا گسیل ‌می‌شدند. اما سؤال اصلی این بود؛ که منشأ آن‌ها چیست؟

در نظریه‌های اولیه به‌سادگی فرض می‌شد، که الکترون‌ها همراه‌با پروتون‌ها در هسته‌ها جای دارند و گاهی به‌صورت ذرات بتا می‌گریزند.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ با نشان دادن اینکه اگر الکترون در هسته‌ای محبوس باشد، عدم قطعیت مکان آن (Δx در نامعادله‌ی هایزنبرگ) بسیار کوچک خواهد بود و بنابراین عدم قطعیت تکانه‌ی (Δp) به قدری بزرگ خواهد بود، که الکترون هسته‌ای نمی تواند پایدار بماند، به این تصور پایان داد!

معمای دیگر ذرات بتا، طیف انرژی آن‌ها بود. این ذرات می‌توانستند هر انرژی را در یک طیف پیوسته از صفر تا مقدار نسبتا بزرگی داشته باشند. این ویژگی موجب شد، تا ولفگانگ پائولی نامه‌ای خطاب به دوستانش بنویسد و در آن بدون هیچ مدرکی پیشنهاد کند، که هر ذره‌ی بتا همراه‌ با ذره دیگری که در مرز موجود نبودن است، ظاهر می‌شود. این ذره بار الکتریکی ندارد و جرم آن اندک یا فاقد جرم است.

گرچه عجیب بود، اما فرمی این ذره مرموز پائولی را پذیرفت و آن را «نوترینو» به‌معنای نوترون کوچک نامید. او همچنین نظر هایزنبرگ مبنی بر اینکه دو جزء اصلی ساختار هسته؛ پروتون و نوترون است، پذیرفت. او برای توجیه ظهور الکترون‌ها به‌صورت ذرات بتا نظریه‌ای از یک برهم‌کنش که امروزه به‌عنوان «برهمکنش ضعیف» معروف است، را مطرح کرد. این نظریه بیان می‌کند؛ که این برهم‌کنش در میدان صورت می‌گیرد و یک پروتون، یک الکترون و یک نوتیرینو تولید می‌کند. معادله‌ی نمادین آن به شکل زیر است؛

n → p+ + e- + ν

که نمادهای آن به ترتیب از راست به چپ؛ نوترون، پروتون، الکترون و نوترینو است. (در این برهم‌کنش ضعیف، نوترینو درواقع یک پاد نوترینو، پاد ذره و پاد ماده است)

این فرایند واپاشی نوترون، بسیار شبیه به واپاشی یک هسته پرتوزاست. هر نوترون، درون یا بیرون هسته، ممکن است به این طریق واپاشیده شود. این واپاشی نوترون را به یک پروتون (که در هسته می‌ماند، اگر هسته محل واپاشی باشد) تبدیل می‌کند و یک زوج الکترون-نوترینو ایجاد می‌کند. (که در خارج یک هسته ظاهر می‌شود)

فرمی در ساختار ریاضی نظریه‌اش، میدان مسئول برهم‌کنش را با یک موجود ریاضی نشان داده است، که در مکانیک کوانتومی به «تابع هامیلتون» معروف است. خلاصه‌ای از این نظر به چنین است:

الکترون‌ها یا نوترینوها ممکن است، تولید یا ناپدید شوند. تابع هامیلتونی دستگاه مرکب از ذرات سنگین و سبک باید، چنان انتخاب شود که هر گذار از نوترون به پروتون با تولید یک الکترون و نوترینو همراه باشد. فرایند معکوس یعنی تغییر از پروتون به نوترون باید، با ناپدید شدن یک الکترون و یک نوترینو همراه باشد.

فرمی در دسامبر سال ۱۹۳۳ طی یادداشتی نظریه‌اش را به مجله‌ی انگلیسی nature ارائه کرد و در نهایت تعجب او، مقاله‌اش رد شد. این اتفاق عصبانیت شدید، فرمی را برانگیخت. علت رد شدن این مقاله این بود که «فرض‌های آن دورتر از واقعیت بود، که نظر خوانندگان را جلب کند» اما یک نسخه طولانی‌تر آن در دو بخش در ژورنال فیزیک Zeitschrift für Physik منتشر شد و امروزه مهم‌ترین مقاله‌ی نظری فرمی محسوب می‌شود.

فرمی درباره‌ی نظریه واپاشی بتا حرف بیشتری نداشت، گرچه دیگران خشنود بودند که باتوجه به این مبانی آن را گسترش دهند.کم کم زمان آن رسیده بود، که فیزیکدان ایتالیایی روی به کار تجربی آورد. از پاریس گزارس رسیده بود، که از بمباران بور و آلومینیم با ذرات پرانرژی آلفا، می‌توان ایزوتوپ‌های پرتوزای جدید نیتروژن و فسفر تولید کرد.

این اتفاق مملو از درس‌های جالبی در زمینه‌ی الکترواستاتیک بود. چرا که با وجود اینکه هسته‌ها و ذرات آلفا بار الکتریکی مثبت دارند و بنابراین متمایل به دفع یکدیگرند (می‌دانیم که؛ بنابر قواعد الکتروستاتیک بارهای همانند یکدیگر را دفع و بارهای ناهمانند یکدیگر را جذب می‌کنند) آنان می‌توانستند بر سد الکتروستاتیکی غلبه کنند، با هم ادغام شوند و یک هسته پرتوزا تولید کنند!

حال اگر نوترون‌ها، که حامل بار نیستند و خنثی‌اند، به‌عنوان ذرات بمباران‌کننده به کار گرفته شوند، چه می‌شود؟

فرمی پیش‌بینی می‌کرد که آنان باید در فرایندهای هسته‌ای، کارآمدتر باشند. حق با او بود، اما او برای بعضی شگفتی‌ها آماده نبود!

فرمی این طرح تحقیقاتی را به‌تنهایی آغاز کرد. فرمی یک چشمه‌ی رادون ساخت، همان‌گونه که چادویک با بمباران بریلیم با ذرات آلفای گسیل یافته از رادون ساخته بود. طرح آزمایش او ساده بود؛ او باید عناصر متفاوت را با نوترون‌ها بمباران کند و در جستجوی پرتوزایی به وجود آمده باشد! همسر فرمی داستان نخستین آزمایش‌های نوترونی، انریکو فرمی را این چنین بیان می‌کند؛

فرمی مردی روشمند بود؛ بمباران مواد را به‌طور تصادفی انجام نمی داد، بلکه به‌طور منظم پیش می‌رفت، با سبک‌ترین عنصر یعنی هیدروژن آغاز و جدول تناوبی عناصر را دنبال کرد. هیدروژن نتیجه ای نداد، چرا که وقتی آب را با نوترون بمباران کرد اتفاقی نیفتاد.او عنصر بعدی یعنی لیتیم را آزمود، اما توفیقی حاصل نشد. سپس به سراغ بریلیم، سپس بور، کربن و نیتروژن رفت، اما هیچ یک فعالیتی نداشتند. انریکو مردد، مأیوس و در آستانه‌ی رها کردن تحقیقاتش بود. او می‌خواست یک عنصر دیگر را امتحان کند، اما آن عنصر اکسیژن بود که از قبل می‌دانست پرتوزا نمی‌شود، زیرا نخستین آزمایش او با آب بود. بنابراین به تابش‌دهی عنصر فلوئور پرداخت و در نهایت موفقیت!او به نتیجه رسیده بود. فلوئور و همچنین دیگر عناصر پس از فلوئور در جدول تناوبی به‌شدت فعال شدند!

فرمی راه تحقیق جدیدی را گشوده بود و بی‌درنگ از آن بهره‌برداری می‌کرد. آمالدی و سگره به پروژه ملحق شدند. راستی از مراکش فراخوانده شد و یک رادیوشیمیدان به‌نام اسکار داگستینو که در مؤسسه کوری در پاریس تعلیم دیده بود، استخدام شد.

گروه به‌زودی دریافت که نوترون‌ها به‌عنوان پرتابه‌های بمباران ویژگی‌های عجیبی دارند. اولین چالشی که تیم با آن روبه‌رو شد، معمای میزهای چوبی بود. آمالدی در این باره می‌گوید:

در یک اتاق تاریک چند میز چوبی نزدیک طیف‌نما وجود داشت، که ویژگی‌های شگفت‌انگیزی داشتند، زیرا از پرتودهی نقره روی آن میزها فعالیت بسیار بیشتری عاید می‌شد، تا پرتودهی آن روی یک میز سنگ مرمر در همان اتاق!

فرمی برای دنبال کردن این اتفاق غیرعادی تصمیم گرفت، تا نوترون‌های بمباران‌کننده را از صافی یک گووه سربی بگذراند. سپس تصمیمش را عوض کرد. بعدها فرمی کوشید، تا این دودلی و تردیدش را توضیح دهد؛

من می‌خواهم به شما بگویم، چگونه موفق به کشفی شدم که فکر می‌کنم مهم‌ترین کشف زندگی من باشد. ما به سختی بسیار درباره‌ی پرتوزایی ناشی از بمباران نوترون کار می‌کردیم و نتایجی را به دست می‌آوردیم که از آن سر در نمی‌آوردیم، یک روز وقتی به آزمایشگاه آمدم، به نظرم رسید که باید اثر گذاشتن یک قطعه سرب پیش از نوترون‌های فرودی را بررسی کنم. به‌جای عادت معمول، خواستم تا قطعه سرب را به‌طور دقیق بتراشند، به وضوح از چیزی ناراضی بودم. به هر بهانه‌ای متوسل می‌شدم تا گذاشتن قطعه‌ی سرب را به تعویق بیندازم و سرانجام هنگامی که با بی‌میلی می‌خواستم آن را در جایش بگذارم، به خود گفتم؛ «نه، من نمی خواهم این قطعه سرب در اینجا باشد، آنچه می‌خواهم یک قطعه پارافین است.» بدین ترتیب بدون اخطار قبلی و بدون استدلال خودآگاه، فورا قطعه‌ی پارافین کهنه‌ای را برداشتم و آن را در جایی که قرار بود سرب باشد، گذاشتم.

این داستان، شهود افسانه‌ای فرمی در عمل بود. قرار دادن سرب نتیجه‌ی خاصی ایجاد نکرده بود، اما گذاشتن پارافین، به‌معنای واقعی کلمه جادوگری بود! هنگامی که پارافین در جای خود گذاشته شد، پرتوزایی ناشی از نوترون به‌طور شگفت انگیزی زیاد شد.

حال نوبت آن شده بود، که فرمی نظریه‌پرداز درون خود را وارد بازی کند و تنها در طی چند ساعت، تحلیلی برای اثر پارافین پیشنهاد کند؛

نوترون‌هایی که از چشمه می‌آمدند، سریع بودند و طبیعتا بسیار پر انرژی! اما وقتی از پارافین می‌گذشتند، مثل توپ‌های بیلیارد، با هسته‌های هیدروژن برخورد می‌کردند (پارافین یک هیدروکربن است) و در هر برخورد کسر قابل ملاحظه‌ای از انرژی آن‌ها از دست می رفت. نام این عمل، کندسازی یا تعدیل بود، که نوترون‌های سریع حاصل از چشمه را به نوترون‌های کند، تبدیل می‌کرد. وقتی نوترون‌های کند از کنار هسته‌ی نقره (یا هسته‌های دیگر) می‌گذشتند، زمان بیشتری داشتند که به وسیله‌‌ی هسته‌های سنگین جذب شوند و ایجاد فعالیت کنند.

فرمی با فرض اینکه چوب حاوی هیدروژن است و مرمر هیدروژن ندارد، اثر عجیب میزهای چوبی و مرمری را توجیه کرد. هانس بته درباره‌ی این کشف به شوخی می‌گفت؛

اگر ایتالیا از لحاظ سنگ مرمر غنی نبود، کارایی نوترونهای گند هرگز کشف نمی شد.

فرمی و گروهش بار دیگر برای یافتن آثار تازه به سراغ فهرست عناصر رفتند، اما سرانجام در پایان جدول تناوبی به اورانیم و سردرگمی عجیبی رسیدند. چرا که فعالیت‌هایی را که آنان در بمباران اورانیوم به وسیله‌ی نوترون کند، مشاهده می‌کردند، نیمه‌عمرهای ۱۵ ثانیه، ۱۳ دقیقه و ۱۰۰ دقیقه درپی داشت. آنان دریافتند که فعالیت‌های جدید، نمی‌تواند ناشی از عناصر بین سرب و اورانیم در جدول تناوبی باشد. از این رو حدس زدند، که فعالیت‌های مشاهده شده ناشی از یک ایزوتوپ اورانیم و از عناصر ۹۳ و ۹۴ است، عناصر جدید «فرا اورانیم» که از رویدادهای واپاشی بتا متوالی حاصل شده‌اند.

اگر ایزوتوپ‌های ۹۳ و ۹۴ وجود می‌داشتند، فرمی و همکارانش می‌توانستند ادعا کنند که دو عنصر مصنوعی ساخته‌اند که ناپایدارند و در طبیعت یافت نمی‌شوند. آنان در سال ۱۹۳۵ نوشتند؛

ساده‌ترین تعبیر سازگار با واقعیت‌های شناخته‌شده این است، که بپذیریم فعالیت‌های ۱۵ ثانیه، ۱۳ دقیقه و ۱۰۰ دقیقه، محصولات زنجیری (محصولات متوالی واپاشی بتا) احتمالا به ترتیب با اعداد اتمی ۹۲، ۹۳ و ۹۴ و وزن اتمی ۲۳۹ اند.

متأسفانه، ساده‌ترین تعبیر در فیزیک همیشه کامل یا درست نیست. داستان کامل بمباران نوترونی اورانیم بسیار پیچیده‌تر از آن است، که فرمی و همکارانش تصور می‌کردند. لیزه مایتنر، فریش، هان و اشتراسمان سرانجام در سال ۱۹۳۸ به این نتیجه رسیدند، که گیراندازی یک نوترون سریع یا کند، می‌تواند باعث شکافت هسته‌ی اورانیم به دو پاره با جرم تقریبا برابر شود.(در قسمت قبل به‌طور کامل توضیح داده شد)

فعالیت‌های مشاهده شده توسط فرمی ظاهرا ناشی از تعدادی پاره‌های این شکافت بود و ارتباطی با ایزوتوپ‌های فرااورانیوم نداشت. بدون شک عناصر ۹۳ و ۹۴ نیز در بمباران نوترونی تولید می‌شدند، اما فرمی و همکارانش آن‌ها را مشاهده و شناسایی نکردند.

در همان زمان که فرمی در اوایل سال‌های ۱۹۲۰ شهرت می‌یافت، یک استبداد فاشیستی به رهبری بنیتو موسولینی در ایتالیا پدیدار می‌شد، فرمی، مانند اغلب همکاران و دوستانش اهل سیاست نبود، اما بلند پرواز و جاه طلب بود، بنابراین در سال ۱۹۲۹ پستی را در فرهنگستان ایتالیایی موسولینی پذیرفت و ناخودآگاه در کنار بزرگان حزب فاشیست قرار گرفت. اما انجمن‌های افتخاری، عنوان‌های اجباری و لباس‌های تشریفاتی جایگاه طبیعی فرمی نبود. او به مراسم‌های رسمی دعوت می‌شد، اما هر وقت ممکن بود از حضور در آن مراسم اجتناب می‌کرد. در یک مورد که عروسی ولیعهد بود. فرمی ترجیح داد، آن روز را در آزمایشگاه بگذراند، سگره داستان «رفتن او به آزمایشگاه» را چنین نقل می‌کند؛

او باید، از خیابانی در مسیر کاروان می‌گذشت، که روی عبور و مرور معمولی بسته شده بود و با صف‌هایی از سربازان محافظت می‌شد. فرمی که با لباس معمولی، به‌جای لباس فرم پُرزرق و برق فرهنگستان، ماشین کوچک و کهنه‌اش را می‌راند و کارت دعوتنامه در جیبش بود، وقتی سربازان او را متوقف کردند، کارت را به یک افسر نشان داد و گفت؛ من راننده جناب فرمی هستم و باید او را به عروسی ببرم. لطفا اجازه دهید از صف سربازان عبور کنم. به این وسیله از صف سربازان گذشت و باقی روز را در آزمایشگاه گذراند.

تا سال ۱۹۳۷ موضع سیاسی فرمی همزیستی قابل قبول و مفید با رژیم موسولینی بود، در حقیقت او نه فاشیست بود و نه ضدفاشیست! اما کمی بعد اوضاع و احوال سیاسی عقیدتی در یک چرخش سریع بدتر شد و آن هنگامی بود که ایتالیا به نیروهای رایش سوم آلمان به سرکردگی هیتلر پیوست. در سال ۱۹۳۸، هیتلر مدل‌های قوانین نژادی نازی را بر جامعه‌ی ایتالیایی تحمیل کرد، که نتیجه‌ی آن برکناری‌ها و فشار زیاد به یهودیان بود. لورا فرمی (همسر فرمی) یهودی بود و وقتی نخستین قوانین ضدیهودی، در سپتامبر سال ۱۹۳۸ تصویب شد، فرمی تصمیم گرفت که هرچه زودتر ایتالیا را ترک کند!

انریکو فرمی در کنار همسرش؛ لورا فرمی

آنان یک راه فرار مساعد داشتند. از قبل این خبر رسیده بود، که فرمی برنده جایزه نوبل ۱۹۳۸ در فیزیک خواهد بود. بنابراین خانواده فرمی از ایتالیا بیرون رفتند و لیرهای ایتالیایی‌شان را تبدیل کردند، سپس برای گرفتن جایزه به استکهلم سفر کردند و در نهایت، بدون اطلاع دادن به کسی، مستقیما روانه ایالات متحده شدند. فرمی مقام و موقعیتی را در دانشگاه کلمبیا آمریکا پذیرفته بود. 

برای لورا فرمی، پایان مسافرت‌شان در یک روز سرد ژانویه، احساسات متضادی ایجاد می‌کرد. او می نویسد؛

طولی نکشید که خط افق نیویورک در آسمان خاکستری ظاهر شد، ابتدا کم نور و سپس به وضوح دندانه‌دار و سرانجام مجسمه‌ی آزادی به طرف ما آمد. مجسمه‌ی عظیم و فلزی یک زن که هنوز پیامی برای من نداشت!

لورا رو به همسرش کرد و او با تبسمی که بر لب داشت و چهره‌اش بر اثر آب دریا برنزه شده بود، گفت:

ما شاخه‌‌ی آمریکایی خانواده فرمی را تأسیس کرده‌ایم.

اما در حقیقت آنان به‌طور غیر منتظره‌ای سرزمین خودشان را ترک کرده بودند.

پایان قسمت اول

هنگامی که خانواده‌ی فرمی از اقیانوس اطلس عبور می‌کردند، لیزه مایتنر و اُتو فریش ایده‌ی شکافت هسته‌ای را کشف کردند. فریش اخبار این کشف را به نیلز بور رساند و او نیز آن اخبار را به سرعت، در ژانویه سال ۱۹۳۹ به امریکا منتقل کرد. فرمی و دیگر کارشناسان نوترونی مجذوب و شیفته‌ی این اخبار شدند و به سرعت ثابت شد، که گیراندازی نوترون‌های کند به وسیله ایزوتوپ کمیاب U235 عمدتا عامل شکافت است و اینکه در هر شکافت نوترون‌های تولید شده بیشتر از نوترون‌های مصرف شده است.

تکثیر نوترون این امکان تأمل برانگیز را به وجود آورد، که ساختن مجتمعی دقیق از اورانیم می‌تواند زنجیره‌ای از واکنش‌های شکافت و آزاد شدن انرژی فوق‌العاده زیاد را فراهم کند. واکنش زنجیره‌ای شکافت را می‌توان کنترل کرد و آن را به‌صورت منبع انرژی در نیروگاه به کار گرفت و اگر کنترل شده نباشد، امکان تولید بمب هسته‌ای با قدرت تخریبی بی‌مانندی را فراهم می‌کند.

درحالی‌که فیزیکدانان درباره‌ی این رویداد با یکدیگر گفت‌وگو می‌کردند، جنگ جهانی دوم در اروپا آغاز شد و برای بعضی دانشمندان پناهنده که اخیرا از اروپا آمده بودند، خبر دستیابی احتمالی دانشمندان آلمانی به سلاح هسته‌ای شوکه‌کننده و هولناک بود. در تابستان سال ۱۹۳۹ یک گروه سه نفری از پناهندگان فیزیکدان مجارستانی به‌نام‌های؛ لئو زیلارد، یوجین ویگنر و ادوارد تلر زمام امور را به دست گرفتند. آنان نامه‌ای به رئیس جمهور وقت ایالات متحده؛ روزولت نوشتند و آلبرت اینشتین را متقاعد کردند، که آن نامه را امضا کند. نامه هشدار می‌داد؛

در آینده‌ای نزدیک، عنصر اورانیم ممکن است به منبع جدید و مهمی از انرژی تبدیل شود. این پدیده‌ی جدید به ساخت نوعی بمب نیز خواهد انجامید و می‌توان تصور کرد(گرچه چندان قطعی نیست) که نوع جدیدی از بمب‌های بسیار پر قدرت ساخته شود.

در آن زمان ایالات متحده چندان این اخطار را جدی نگرفت و تنها پاسخ آنان اختصاص بودجه‌ای اندک و انتصاب یک کمیته مشورتی کم تحرک بود. اما در حدود یک سال بعد، با پیشرفت ارتش آلمان در اروپا، تدارک‌های جنگی در ایالات متحده تبدیل به یک واقعیت شد. سازمان اداری تلاش‌های علمی مربوط به جنگ، آغاز به کار کرد و کمیته‌هایی نظیر؛ شورای پژوهش دفاع ملی (NDRC) به سرپرستی جیمز بریانت کونانت، شیمیدان آلی و رئیس پیشین هاروارد و سازمان تحقیق و توسعه علمی (OSRD) به رهبری ونوار بوش، که فیزیکدان و مهندسی صریح و رک بود، آغاز به کار کرد. تلاش‌هایی که در زمینه‌ی فیزیک هسته‌ای می‌شد، غالبا نظری بود اما طرح ساخت بمب درحال شکل‌گیری بود. 

آشکار بود که برای آماده کردن یک بمب، باید ایزوتوپ شکاف‌پذیر اما کمیاب اورانیوم-۲۳۵ را از ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۸ جدا کرد، که این خود کاری بسیار مشقت‌بار بود. زیرا مقادیر بسیار زیادی از اورانیوم موردنیاز بود. 

راه دیگر ساختن یک بمب از عنصر ۹۴ کشف شده بود، که گلن سیبورگ و همکارانش در برکلی آن را شناسایی و «پلوتونیوم» نامیده بودند. ایزوتوپ پلوتونیوم-۲۳۹ مانند اورانیوم-۲۳۵ شکافت‌پذیر بود و می‌شد آن را به‌صورت یک محصول فرعی از واکنش زنجیری کنترل شده‌ی اورانیوم فراهم کرد.

در پی حمله‌ی ارتش ژاپن به پایگاه دریایی ایالات متحده آمریکا واقع در بندر پرل هاربور در ۷ دسامبر ۱۹۴۱، آمریکا رسما وارد جنگ جهانی دوم شد. در این حمله‌ی هوایی ژاپنی‌ها، ناوگان اقیانوس آرام آمریکا از جمله هفت رزم‌ناو نابود شدند. این حمله موجب گسترش مجدد پروژه اورانیم شد.

در طی دو سال بعد، فیزیک تا اندازه زیادی تسلیم مهندسی شد. ساختن بمب در یک کارخانه عظیم پخش گازی، برای جدا کردن اورانیوم-۲۳۵ از اورانیوم-۲۳۸ آغاز شد. همچنین یک فرایند الکترومغناطیسی برای جداسازی پلوتونیوم-۲۳۹ در برکلی گسترش یافت. واکنش زنجیری اورانیم، نخست در مقیاس کوچک به وسیله‌ی انریکو فرمی در شیکاگو و سپس در مقیاس بسیار وسیع در نزدیکی ریچلند، واشینگتن، برای تولید پلوتونیوم-۲۳۹ به‌طور ایمن مهار شد. با پیشرفت این تلاش‌ها، گروه عظیمی از فیزیکدانان، شیمیدانان، مهندسان و ریاضیدانان در یک محل دور افتاده در نیومکزیکو، به‌نام لوس آلاموس، گرد هم آمدند تا بمب را طراحی و سپس آن را آزمایش کنند.

در اواخر سال ۱۹۴۲، نیاز برای ساخت بمب به‌حدی فوری و ضرروی بود که کل پروژه در اختیار ارتش، یا به‌طور دقیق واحد مهندسی ارتش گذاشته شد، که سر پرست آن ژنرال لسلی گرووز بود. او نام کل تلاش‌های تهیه‌ی بمب را «ناحیه‌ی مهندسی مانهاتان» نامید، که بعدها از به اسم «پروژه‌ی مانهاتان» خلاصه شد.

لسلی گرووز در کنار اوپنهایمر 

گرووز با همکارانش که غالبا از محیط دانشگاهی آمده بودند، تفاوت‌های بسیاری داشت. او تقریبا چیزی از فیزیک نمی‌دانست، شعور چندانی نداشت و گاهی با قلدری راه خود را باز می‌کرد، اما یک ویژگی مهم داشت و آن هم این بود که؛ می‌دانست که چگونه پروژه‌های احداث بناهای دشوار و عظیم را راه اندازی کند.

یکی از افسران عالی رتبه‌ در دفتر خاطراتش درباره‌ی گرووز چنین نوشته است؛

او بزرگ‌ترین عوضی بود، که در تمام زندگی‌ام دیده‌ام، اما یکی از تواناترین افراد نیز بود. خودپسندی او بی‌همتا بود، انرژی خستگی ناپذیری داشت. او دُرشت هیکل و سنگین وزن بود، اما هرگز خسته نمی‌شد، به تصمیم‌هایش اعتماد مطلق داشت، رهیافت او برای انجام یک کار دشوار، مطلقا سرسختانه و ظالمانه بود. اما این زیبایی کار برای او بود، به‌طوری‌که شما هرگز نگران تصمیم‌هایی که گرفته می‌شد، نبودید. درواقع من فکر می‌کنم، اگر مجبور بودم وظایف خودم را بار دیگر تکرار کنم، گرووز را به‌عنوان رئیس انتخاب می‌کردم. من از ریخت او بیزار بودم، دیگران نیز چنین نظری داشتند، اما همه‌ی ما با او نوعی تفاهم داشتیم!

فرمی پس از ورود به نیویورک در سال ۱۹۳۹، چالش طراحی آزمایشی را پذیرفت، که واکنش زنجیری اورانیم را استمرار می‌بخشید. از لحاظ مواد، او دو چیز لازم داشت؛ یکی اورانیم شکافت‌پذیر یعنی ایزوتوپ ۲۳۵ اورانیوم کمیاب و دیگری یک «کندساز» که بتواند نوترون‌های سریع تولید شده در رویدادهای شکافت را کند سازد، تا نوترون‌های کند بتوانند شکافت‌های بیشتری تولید کنند. تأسیسات بزرگی که بتواند اورانیوم-۲۳۵ زیادی را از اورانیوم-۲۳۸ جدا کند، چند سال بعد به وجود آمد. بنابراین در آن زمان فرمی چاره‌ای نداشت، جز آنکه از اورانیم طبیعی ۰.۷ درصد اورانیوم-۲۳۵ استفاده کند. این بدان معنی بود، که وسیله‌ی واکنش-زنجیری، به هر طریقی که ساخته می‌شد، به چندین تُن اورانیم و کندساز نیاز داشت.

فرمی برای عملیات کندسازی، گرافیت را انتخاب کرد، چرا که اتم‌های کربن به قدر کافی سبک هستند، تا نوترون‌های سریع را به قدر کافی کُند کنند. گرافیت انسجام ساختاری لازم برای برپا کردن آزمایش در جایی به اندازه‌ی یک اتاق را دارد. فرمی طرحی برای مجموعه‌ای مرکب از آجرهای گرافیت، شامل شبکه‌ای از قطعات شکل گرفته اورانیم برگزید. 

ماورای این جنبه‌های ساختاری طراحی پیل (pile) که فرمی آن را چنین می‌نامید، موضوع بودجه‌بندی نوترون مطرح بود. برای ادامه‌ی واکنش زنجیری، نوترون‌های تولید شده در رویدادهای شکافت، باید بیشتر از نوترون‌هایی باشد که در فرایندهای دیگر از دست می‌روند. بعضی از نوترون‌ها از سطوح ساختار گرافیتی فرار می‌کردند و بعضی دیگر جذب اورانیم یا هسته های دیگر در رویدادهای غیرشکافتی می‌شدند.

اتلاف‌های چنینی در گرافیت حداقل است، چرا که هسته‌های کربن تمایل اندکی به نوترون‌ها دارند، اما آب که یک کندساز با دسترسی راحت‌تر است، این مزیت را ندارد!

فرمی ضریب عملکردی به‌نام «ضریب تکثیر یا تولید مثل» را که با نماد k نشان داده می‌شود، برگزید. این عامل میانگین تعداد نوترون‌های تولید شده از یک نوترون اولیه را محاسبه می‌کند. اگر فرض کنیم نوترون‌ها طی چند نسل از رویدادهای شکافت تولید می‌شوند، k تعداد نوترون‌های تولید شده از نوترون اصلی در نسل اول است، به همین ترتیب k² در نسل دوم، k³ در نسل سوم و غیره. اگر k<1، این تعداد در هر نسل کمتر می‌شود و زنجیره از بین می‌رود و اگر 1 < k باشد، تعداد نوترون‌ها بیشتر می‌شود و درنتیجه‌ی آن زنجیره واگرا و از کنترل خارج می‌شود و در نهایت اگر 1 = k باشد، آن‌گاه زنجیره با آهنگ ثابت پیش می‌رود و تولید و الان نوترون‌ها متوازن می‌شوند.

فرمی و گروهش ابتدا داده‌های مهم مربوط به اورانیوم و گرافیت را در «مجتمع زیر بحرانی» یعنی برای آن‌ها که ۱ > k، گردآوری کردند. این پیل‌ها به قدر کافی بزرگ نبودند تا واکنش هسته‌ای زنجیره‌ای در آن‌ها حفظ شود، اما فضای بزرگتری در پردیس کلمبیا موجود بود. کار مشابهی در دانشگاه شیکاگو در جایی با نام رمز «آزمایشگاه متالورژی» در حال انجام بود، آرتور کامپتون، که تمای پژوهش‌های هسته‌ای پروژه‌ی مانهاتان را هدایت می‌کرد، در اوایل سال ۱۹۴۲ تصمیم گرفت که پژوهش پیل را در شیکاگو تثبیت کند.

طرح شماتیک پیل شیکاگو

فرمی و نیروهای همراه او، اکنون هدفشان این بود که یک «مجتمع بحرانی» با مقیاس کامل و با ضریب تکثیر k بزرگ‌تر از یک (اندکی بزرگتر) بنا کنند. پذیرش این طرح، نشانه‌ی اعتماد آرتور کامپتون به انریکو فرمی بود، تا پیل بحرانی در پردیس دانشگاه شیکاگو در یک زمین بازی اسکواش، زیر جایگاه‌های غربی استادیوم دانشگاه ساخته شود. کامپتون به سرعت و بدون مشورت با رئیس دانشگاه تصمیم‌گیری کرد. استدلال کامپتون این بود؛ که نباید از یک حقوقدان بخواهد، که درباره‌ی مطلبی از فیزیک هسته‌ای قضاوت کند.

واژه‌ی ذوب هسته‌ی مرکزی در واژگان مهندسی هسته‌ای وارد نشده است. (فرمی تنها آن را برای مورد خاصی ابداع کرده بود) اما این دقیقا ریسکی بود که کامپتون می‌کرد، یعنی ساخت یک چرنوبیل کوچک در وسط یک شهر پرجمعیت! اما هم کامپتون به فرمی باور داشت و هم خود انریکو می‌دانست که او یک مهندس توانا است!

آنچه به کامپتون اطمینان خاطر بیشتری می‌داد، طرح کنترل دقیق پیل بود. ابزار کنترل اولیه او مجموعه‌ای بود از «میله‌های کنترل» شامل ورقه‌هایی از کادمیم که به نوارهایی چوبی میخکوب شده بود. این نوارها را می‌شد در پیل فرو برد و بیرون کشید. کادمیم مانند یک اسفنج جاذب نوترون عمل می‌کند، به‌طوری‌که با فرو بردن کامل میله‌های کنترل، تعداد نوترون به قدر کافی کم می‌شد، تا پیل را زیر حد بحرانی نگه دارد.

فرمی پیش‌بینی کرد، که اثر مساعد نوترون‌های تأخیری، کند کردن آهنگ افزایش جمعیت نوترون خواهد بود، تا متصدیان پیل به هر نشانه‌ی خطری واکنش نشان دهند.

لورا فرمی حکایت شورانگیز از رویدادهای یک روز سرد در اوایل دسامبر سال ۱۹۴۲ را در اختیارمان می‌گذارد، که CP-1(پیل نمره یک شیکاگو)، شامل ۶ تن اورانیوم، ۴۰ تن اکسید اورانیم و ۳۸۵ تن گرافیت، با ایمنی بحرانی شد؛

فقط شش هفته از قرار دادن نخستین آجر گرافیتی گذشته بود و دوم دسامبر بود. هربرت اندرسن (یکی از همکاران فرمی در طراحی پیل) خواب آلود و بدخُلق بود. او تا ساعت ۲ صبح بیدار مانده بود، تا دستکاری‌های نهایی پیل را انجام دهد. اگر یک میله‌ی کنترل را به هنگام شب بیرون کشیده بود، می‌توانست پیل را به کار اندازد و نخستین کسی باشد، که به یک واکنش زنجیری دست یافته است، دست کم به‌معنی مادی و مکانیکی آن! اما وظیفه‌ی اخلاقی او آن بود که با وجود وسوسه شدید، آن میله را بیرون نکشد. این کار در مورد فرمی منصفانه نبود. چرا که فرمی رهبر بود. او پژوهش را هدایت کرده و درباره‌ی نظریه‌ها کار کرده بود. ایده‌های اساسی مال او بود، امتیاز و مسئولیت، هدایت و کنترل واکنش زنجیری نیز به نوعی مال او بود.

تماشاگرانی در حدود بیست نفر به بالکنی در انتهای شمالی محوطه اسکواش رفتند. همه، به‌جز سه نفری که در جایی بالای بیل نشستند و به‌جز فیزیکدان جوانی به‌نام جرج ویل، که به‌تنهایی روی زمین کنار میله کادمیم آماده ایستاده بود، تا وقتی دستور رسید آن را از پیل بیرون بکشد.

از اینکه وقتی سه مرد جوان از آن بالا بر پیل خم می‌شدند، چه احساسی داشتند، سندی موجود نیست. آنان را «جوخه خودکشی» می‌نامیدند. این یک شوخی بود، اما احتمالا آنان از خود می‌پرسیدند، آیا ممکن است این شوخی حقیقتی در برداشته‌باشد. آنان مانند آتش‌نشانان گوش به زنگ وقوع آتش سوزی و آماده خاموش کردن آن بودند. اگر چیز غیر منتظره‌ای روی می‌داد، به‌طور مثال؛ پیل از کنترل خارج می‌شد. آنان سیل آسا با محلول کادمیم، آن را خاموش می‌کردند.

مدل سه‌بعدی پیل شیکاگو

بدین ترتیب نمایش آغاز شد؛

فرمی هدف میله‌ی کنترل را توضیح داد و به ویل دستور داد آن را بیرون بکشید و سیزده فوت آن را در پیل نگه دارد. شمارگرهایی که شدت نوترون را اندازه‌گیری می‌کردند، با سریع‌تر شدن صدای کلیک واکنش نشان دادند و اثر قلم ثبات نمودار نیز که نوترون‌ها را اندازه‌گیری می‌کرد، بالا رفت و سپس صاف شد.

واکنش زنجیری که هنوز خودنگهدار نبود، از تولید نوترون باز ایستاد. تمام صبح فرمی آزمایش را به همین طریق ادامه داد، به ویل دستور داد که میله‌ی کنترل را با نموهای شش اینچ بیرون بکشد و هر بار ناظران شاهد آن بودند که قلم ثبات بالا می‌رود و سپس هموار می‌شود. در ساعت ۱۱:۳۰ پیش از ظهر فرمی اعلام کرد، که وقت ناهار است. گرچه هیچ‌کس نشانه‌ای از گرسنگی نشان نداده بود.

در ساعت ۲ بعد از ظهر، فرمی و تماشاگرانی که اکنون دو برابر شده بود، به زمین اسکواش بازگشتند. فرمی با محاسبه و برون‌یابی نمودار، متوجه شد که پیل در نزدیکی مرحله بحرانی است. او به ویل گفت، که میله‌ی کنترل را تا دوازده اینچ بیشتر بیرون بکشد. فرمی به کامپتون گفت؛ «داریم می‌رسیم، اکنون خود نگهدار خواهد شد، اثر ثبات بالا خواهد رفت و به بالا رفتن ادامه خواهد داد، دیگر مسطح نخواهد شد!»

لحظه‌ی موعود فرا رسید، آن‌چه هربرت اندرسن به خاطر می‌آورد به این شرح است؛

ابتدا می‌توانستید صدای شمارگر نوترون را بشنوید، صدای کلیک-کلیک می‌آمد. سپس کلیک‌ها سریع‌تر و سریع‌تر شدند و پس از مدتی تبدیل به یک غرّش شد. شمارگر دیگر نمی‌توانست آن را دنبال کند، بنابراین از شمارش بازماند و خاموش شد.همه در سکوتی ناگهانی، شاهد انحراف فزاینده قلم ثبات بودند، سکوتی بهت‌انگیز حکم‌فرما بود، همگی معنی و اهمیت اثر ثبات را می‌فهمیدند. مقیاس ثبات باید مدام تغییر می‌کرد، تا با شدت نوترونی که پی در پی به سرعت در حال افزایش بود، سازگار شود. ناگهان فرمی دستش را بالا برد و اعلام کرد، «پیل بحرانی شده است.» هیچ یک از حاضران در این باره تردید نداشت.

خنده‌ای بر چهره‌ی فرمی نشست، اکنون او می‌توانست، روز بعد به شورای فنی گزارش دهد؛ که بیل به k معادل ۱٫۰۰۰۶ رسیده است. در این صورت شدت نوترون آن هر دو دقیقه دو برابر می‌شد. اگر پیل به مدت یک ساعت و نیم کنترل نمی‌شد، آهنگ افزایش انرژی آن را به یک میلیون کیلووات می‌رساند. در این صورت مدت‌ها پیش از رسیدن به این حد، هر کس که در اتاق مانده بود هلاک و ذوب می‌شد.

فرمی دستور داد که پیل، پس از چهار دقیقه و نیم کار کردن، متوقف و توان آن تا نیم وات کم شود، که به زحمت برای روشن کردن لامپ یک چراغ قوه کافی است. بنابراین عملیات با رمز «دریانورد ایتالیایی به دنیای جدیدی رسیده است» با موفقیت به اتمام رساند. 

راکتور هسته‌ای را یوجین ویگنر فیزیکدان دیگری که به کار مهندسی روی آورده بود، طراحی کرد. این راکتور در نزدیکی ریچلند واشنگتن و در کنار رودخانه‌ی کلمبیا ساخته شد، که با توان ۲۵۰۰۰۰(دویست و پنجاه هزار) کیلووات کار می‌کرد، که برای روشنایی یک شهر کوچک کافی بود. هدف ساخت این راکتور، تولید پلوتونیم بود!

پس از انجام این پروژه، مقصد بعدی او، پروژه‌‌ی Y در لوس آلاموس نیومکزیکو بود که با هدف ساخت اولین بمب اتمی در جریان جنگ جهانی دوم فعالیت می‌کرد.

فرمی مدیر بخش F ( حرف اول شهرت او) لوس آلاموس با مأموریتی در یک رشته امور مربوط به هم شد. سگره درباره‌ی او می نویسد؛

مسئولیت‌های کلی بخش F تحقیق و بررسی مسائلی بود، که با کار بخش‌های دیگر سازگاری نداشت. فرمی آدم مطلع و صاحب نظری بود، که هر فیزیکدانی می‌توانست درخواستی از او داشته باشد و غالبا هم بدون دریافت کمکی چشمگیر از پیش او باز نمی‌گشت. مسائلی که به او ارجاع می‌شد، محدودیت نداشت.

از نظر فرمی تحقیق و توسعه‌ی بمب یک ضرورت اجباری بود و آن را وظیفه‌ای ناخوشایند می‌دانست. اما جو غالب حاکم بر لوس‌ آلاموس چنین نبود. در آنجا اشتیاقی عجیبی برای ساختن بمب حاکم بود، در حقیقت ساخت بمب دل‌مشغولی آنان بود و این چیزی بود که در ابتدا فرمی را آزار می‌داد.

عکس پرسنلی فرمی در پروژه‌ی منهتن

اما مدتی بعد، زمانی‌که بمب پلوتونیوم ساخته شد و برای آزمایش آماده‌ی سوار کردن بود، آزمایشی که اُپنهایمر مسئول علمی پروژه‌ی منهتن آن را ترینیتی می‌نامید، فرمی نیز مجذوب شده بود. بنا به نوشته‌های سگره؛

تا جایی که می‌دانم، گزارش‌های مکتوبی از نقش فرمی در مسائل این آزمایش وجود ندارد و بازسازی آن‌ها به تفصیل هم، کار آسانی نیست. اما یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد فرمی، تسلط او بر تمامی فیزیک بود. مسائل موجود در آزمایش‌های ترینیتی گستره‌ای از هیدرودینامیک تا فیزیک هسته‌ای، از اپتیک تا ترمودینامیک، از ژئوفیزیک تا شیمی هسته‌ای را در بر می گرفت. اغلب آن‌ها به هم ربط داشتند و حل کردن یکی مستلزم فهمیدن همه مسائل دیگر بود. گرچه هدف ناخوشایند و وحشتناک بود، اما یکی از بزرگ‌ترین آزمایش‌های فیزیک در تمای زمان‌ها بود. فرمی خودش را به‌طور کامل در این کار غرق کرده بود. در هنگام آزمایش، او یکی از معدود افرادی (یا شاید تنها کسی بود) که همه پیامدهای فنی فعالیت‌ها در آلاموگرودو (محل آزمایش در نیومکزیکوی جنوبی) را می فهمید و این شگفت‌انگیز بود.

یکی از نشانه‌های نبوغ فرمی، ناآرامی ذهنی‌اش بود. هنگامی که او حوزه‌ی نوید بخش جدیدی را می‌گشود، خوشحال بود که کار اولیه را کرده است و اکتشاف بیشتر در قلمرو جدید را به دیگران واگذار می‌کرد. مقاله‌های مهم او درباره‌ی آمار کوانتومی و واپاشی بتا دنباله نداشت!

وقتی پیل شیکاگو تحقق یافت، راکتورهای هسته‌ای، دیگر از لحاظ تحقیقاتی جذابیتی خاصی برای او نداشت. هنگامی که او هنوز در شیکاگو بود، مفید بودن باریکه‌های نوترون برای مطالعه‌ی حالت جامد را اثبات کرد و فیزیکدانان دیگر کار او را دنبال کردند. در حقیقت یک حوزه‌ی پژوهشی که به مرحله بلوغ رسیده باشد، هیچ‌گاه باب میل او نبود. دریانورد ایتالیایی همواره ماجراجو در جست‌وجوی حوزه‌های جدید بود و هرگز در یافتن آن‌ها ناکام نبود!

مقبره‌ی انریکو فرمی در شیکاگو

او در سال ۱۹۴۵ لوس آلاموس و فیزیک بمب را رها کرد و به شیکاگو بازگشت. سال بعد دانشگاه شیکاگو، طی مراسمی مؤسسه‌ی مطالعات هسته‌ای را افتتاح کرد و فرمی مقام تاثیرگذاری را در این مؤسسه برعهده گرفت. موضوعی که در آن زمان نظر او را جلب کرد، سیکلوترون(شتاب‌دهنده) بود. لورا فرمی، همسر انریکو می‌نویسد؛

سیکلوترون اسباب بازی او بود. او در همه‌ی ساعات روز و شب تابستان ۱۹۵۱ با سیکلوترون بازی می‌کرد. او می‌گذاشت تا سیکلوترون روال عادی کار او را برهم بریزد.

ابزار نظری او به‌جای نوترون، مزون بود. در آن زمان فکر می‌کردند، که مزون میانجی میان نوکلئون‌ها(پروتون‌ها و نوترون‌ها) است و آن‌ها را در هسته بهم پیوند می‌دهد. او برای مطالعات تجربی برهم‌کنش‌های میان مزون‌ها و نوکلئون‌ها از سیکلوترون استفاده می‌کرد. 

فرمی بار دیگر درست مانند سال‌ها قبل، هنگامی که در رُم بود، به‌عنوان سرپرست تحقیق و معلم فعال بود. مؤسسه‌ی شیکاگو به مرکزی برای تحقیق در زمینه‌ی فیزیک هسته‌ای و فیزیک انرژی‌های بالا تبدیل شده بود. او پای ثابت تمامی کنفرانس‌ها بود و معمولا به مراکز تحقیقاتی دیگر مسافرت می‌کرد. همچنین انریکو همواره زمانی را برای بحث با فیزیکدانان جوان، کنار می‌گذاشت و این موضوع برای او از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بود.

وقتی سیکلوترون در سال ۱۹۵۱ آغاز به کار کرد، فرمی هنوز به‌عنوان یک نظریه‌پرداز و آزمایشگر برجسته شناخته می‌شد. او گله می‌کرد؛ که حافظه‌اش مانند گذشته او را یاری نمی‌کند، اما می‌دانست که چگونه این مشکل را به خوبی حل کند! 

او یادداشت‌هایی را به دقت تنظیم و نگارش کرده بود. دریانورد ایتالیایی باید حداقل بیست یا سی سال دیگر زندگی می‌کرد، تا برای فیزیک ذرات و فیزیک انرژی‌های بالا  همان قدر کار کند، که پیش‌تر برای فیزیک هسته‌ای کرده بود. 

اما اوضاع چنین پیش نرفت و در سال ‍۱۹۵۴ سلامتی او به شکلی ناگهانی تحلیل رفت. تشخیص پزشکی بیماری او، سرطان معده‌ی غیرقابل علاج بود و او چندماه بعد در سن پنجاه و سه سالگی درگذشت.

فرمی در سال ۱۹۴۵، هنگامی که جنگ جهانی دوم به پایان رسیده بود، به سگره گفته بود؛ که او در حدود یک سوم کار زندگی‌اش را تکمیل کرده است.

با این اوصاف اگر کمی محاسبه کنیم، هنگامی که نه سال پس از این حرف او درگذشت، مرد ایتالیایی تنها نیمی از آنچه را که برای ارائه داشت، برای ما به یادگار گذاشته بود!

در اینجا بحث مربوط به فیزیک هسته‌ای به پایان می‌رسد. اما این پایان مقاله نیست. از آن‌جایی که وقوع جنگ‌جهانی دوم و در پی آن بمباران اتمی دو شهر ژاپن جزو مهم‌ترین اتفاقات تاریخ بشری محسوب می‌شود. تصمیم گرفتیم تا این دو رخداد را کمی بیشتر بررسی کنیم.

بمباران اتمی هیروشیما و ناکازاکی که به ترتیب در روزهای ۶ و ۹ اوت ۱۹۴۵ اتفاق افتاد، دو عملیات اتمی بودند که در زمان جنگ جهانی دوم به دستور هری ترومن، رئیس‌جمهور وقت ایالات متحده، علیه ژاپن انجام گرفتند. در این دو عملیات، دو بمب اتمی به فاصله‌ی ۳ روز روی شهرهای هیروشیما و ناگازاکی انداخته شد، که باعث ویرانی و کشتار گسترده شهروندان این دو شهر گردید. حدود ۲۲۰٬۰۰۰ نفر در اثر این دو بمباران اتمی جان باختند، که بیشتر آنان را شهروندان غیرنظامی تشکیل می‌دادند. بیش از ۱۰۰٬۰۰۰ نفر بلافاصله هنگام بمباران کشته شدند و بقیه تا پایان سال ۱۹۴۵ بر اثر اثرات مخرب تشعشعات رادیواکتیو جان خود را از دست دادند. بمباران هسته‌ای هیروشیما و ناگازاکی تا به امروز تنها موارد استفاده‌ی جنگی از سلاح هسته‌ای در جهان بوده است و امیدواریم آخرین آن نیز باشد.

پسر کوچک نام رمزی بمب اتمی بود، که در روز ۶ اوت ۱۹۴۵ در جریان جنگ جهانی دوم روی شهر هیروشیما در کشور ژاپن انداخته شد. این بمب اولین جنگ‌ افزار هسته‌ای بود، که بشر تا آن روز استفاده کرده بود. قدرت انفجار این بمب معادل انفجار ۱۵ هزارتن ماده‌ی انفجاری TNT تخمین زده می‌شود و چیزی در حدود ۶۳ تراژول انرژی آزاد کرده است. این بمب حاصل سال‌ها تلاش و تحقیق فیزیکدانان و مهندسان در پروژه‌ای به‌نام منهتن بود. قدرت انفجار این بمب، از شکافت هسته‌ای اورانیوم-۲۳۵ تأمین می‌شد. این بمب شامل ۶۴ کیلوگرم اورانیوم غنی سازی شده بود، گرچه کمتر از یک کیلوگرم از این اورانیوم در شکافت هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گرفت. نقشه‌ی ساخت این بمب به ۳ بخش کاملا متفاوت تقسیم شد، تا هیچ‌کسی نسخه‌ی کامل ساخت این بمب را نداشته باشد. پس از به پایان رسیدن جنگ جهانی دوم و مشاهده‌ی آثار وحشتناک استفاده از بمب اتمی، بخش عظیمی از نقشه‌ها و طرح‌های ساخت «پسر کوچک» برای همیشه نابود شد، چرا که بشر تصمیم گرفته بود، تا دیگر هیچ‌وقت از بمب اتمی استفاده نکند!

«پسر کوچک» طولی به اندازه‌ی ۳ متر و قطری در حدود ۷۱ سانتی‌متر داشت. جرم آن در حدود ۴۴۰۰ کیلوگرم تخمین زده می‌شد و در داخل آن نزدیک به ۶۴ کیلوگرم اورانیوم-۲۳۵ قرار داده شده بود. گرچه کمتر از یک کیلوگرم از آن تحت فرایند هم‌جوشی هسته‌ای قرار می‌گرفت. 

 برای تأثیر تخریبی بیشتر، بمب به نحوی تنظیم شده بود که ۵۷۶ متر بالای سطح زمین منفجر شود. فعل و انفعالات اتمی در مرکز این بمب باعث گرمایی حدود چندین میلیون درجه سانتیگراد شد. این گرمای عظیم هر چیزی را تا شعاع یک و نیم کیلومتری مرکز اصابت بمب به‌طور کلی ذوب کرد. مردمی که از دور دست انفجار «پسر کوچک» را در آسمان هیروشیما مشاهده کردند، می‌گفتند که خورشید دیگری را در آسمان دیده‌اند.

نزدیک به هفتاد درصد ساختمان‌های هیروشیما از جمله کارخانه‌های فولادسازی و صنعتی چون میتسوبیشی در اثر این بمباران نابود شدند. تنها چیزی که از شهر باقی‌ماند؛ ساختمان تالار ترویج صنعتی استانی هیروشیما بود که انفجار، بالای گنبد این بنا رخ می‌دهد و به خاطر قرار گرفتن در کانون مرکزی انفجار، کاملا ویران نشد.

مرد چاق نام رمزی بمب اتمی بود، که در روز ۹ اوت ۱۹۴۵ در جریان جنگ جهانی دوم روی شهر ناگاساکی در کشور ژاپن انداخته شد. این بمب سه روز بعد از «پسر کوچک» توسط بویینگ B-29 بر فراز شهر ناگاساکی رها شد.

دو روز پس از بمباران هیروشیما و برخلاف انتظار و میل آمریکا، دولت شوروی به کشور ژاپن اعلان جنگ داد و نیروهای ارتش سرخ شوروی به مواضع ژاپن در منچوری یورش بردند. ورود شوروی به جبهه‌ی جنگ اقیانوس آرام باعث شد، که دولت آمریکا مصمم شود، تا هرچه سریع‌تر جنگ را به نفع خود و بدون مشارکت شوروی خاتمه دهد.

در این راستا استفاده بیشتر از سلاح هسته‌ای ساده‌ترین راه فشار بر ژاپن بود و نیروهای مسلح آمریکا برای استفاده مجدد از بمب هسته‌ای نیازی به مجوز جدید دولت نداشتند؛ زیرا مجوزی که ترومن برای حمله اتمی صادر کرده بود اجازه استفاده از بمب‌های جدید را می‌داد.

براساس اطلاعات هواشناسی نیروی هوایی آمریکا، بازه‌ی زمانی مساعد برای حمله دوم به ژاپن سه روز پس از حمله اول پدیدار می‌شد و باید از این بازه حداکثر استفاده به عمل می‌آمد. هدف بعدی برای بمباران هسته‌ای، در ابتدا شهر کوکورا بود، که صنایع گسترده نظامی و اسلحه‌سازی در آن وجود داشت. در ابتدای مأموریت براساس گزارش هواشناسی، دید مناسبی برای هدف‌گیری بر فراز کوکورا وجود داشت. اما وقتی هواپیمای بمب‌افکن به حدود منطقه مورد نظر رسید، تمام آسمان شهر با دود و غبار پوشیده شده بود و امکان پیدا کردن هدف را از میان برده بود.

علاوه بر دید کم، پدافند هوایی و ظاهر شدن هواپیماهای شکاری ژاپن مسئله را سخت کرده بود. پس از صرف‌نظر از بمباران منطقه کوکورا، بمب‌افکن آمریکایی فقط سوخت کافی برای بازگشت به پایگاه هوایی در اوکیناوا داشت. بنابراین فرمانده عملیات تصمیم گرفت، که به‌جای رها کردن بمب اتمی در دریا یا بازگرداندن آن به پایگاه، بهتر است آن را روی ناگاساکی بیندازند که در مسیر بازگشت بمب‌افکن به پایگاه هوایی در اوکیناوا قرار داشت و یکی از اهداف کم‌اهمیت‌تر آمریکا در ژاپن محسوب می‌شد.

آسیب‌های وارده به هیروشیما به مراتب بیشتر از ناگاساکی بوده‌است، چرا که هیروشیما شهری صاف است و تشعشعات هسته‌ای تمام شهر را درنوردید ولی ناگاساکی حالتی داشت که شهر در میان دو دره تقسیم شده بود و نصف شهر در یک دره و نصف دیگر در دره مجاور قرار داشت و با رهاسازی بمب هسته‌ای در یکی از دره‌ها بخش دیگر شهر که در دره دیگر قرار داشت به مراتب آسیب کمتری دید. پس از نابودی ناگازاکی، ژاپن مجبور به تسلیم شد!

«مرد چاق» دومین و آخرین جنگ افزار هسته‌ای است، که بشر در طول تاریخ از آن استفاده کرده است. این بمب نیز توسط مهندسان و فیزیکدانان آزمایشگاه لوس آلاموس طراحی شد و در ساخت آن از پلوتونیوم استفاده شده است. «مرد چاق» در مقایسه با «پسر کوچک» که در هیروشیما منفجر شد؛ گردتر، قطورتر و ویرانگرتر بود. به جرئت می‌توان گفت، که اگر عملیات انفجار «مرد چاق» به شکل درست پیش می‌رفت، نتیجه‌‌ی آن شوکه‌کننده و وحشتناک بود!

این بمب تخم مرغی شکل بود و ۳ متر و ۳۰ سانتی‌متر طول داشت. قطر آن یک و نیم متر و جرم آن در حدود ۵۴۰۰ کیلوگرم بود. و در بردارنده‌ی حدود ۱۰ کیلوگرم پلوتونیوم-۲۳۹ بود که بمب اتمی از نوع شکافت محسوب می‌شود.

پس از پایان جنگ جهانی دوم گروه‌ها و انجمن‌های بسیاری در پی وضع قوانینی برآمدند تا استفاده از سلاح‌های هسته‌ای را محدود و ممنوع کنند. بشریت که از نتایج استفاده از بمب هسته‌ای همچنان بیمناک است، به‌دنبال آن است که مانع دسترسی و گسترش کشورها به سلاح هسته‌ای بشود.

به همین منظور در سال ۱۹۶۷ مصادف با ۱۳۴۷ شمسی معاهده‌ای به‌نام «پیمان منع گسترش سلاح‌های هسته‌ای» یا به اختصار NPT را وضع کرد. این پیمان کشورهای جهان را به دو طبقه برخوردار (کشورهای دارای سلاح هسته‌ای) و غیربرخوردار (کشورهای فاقد سلاح هسته‌ای) تقسیم می‌کند.

طبق تعریف کشورهای برخوردار، شامل کشورهایی هستند که تا پیش از اول ژانویه ۱۹۶۷ برابر با ۱۱ دی ۱۳۴۷ سلاح هسته‌ای یا دیگر وسایل منفجره هسته‌ای را تولید و منفجر کرده باشند. طبق این تعریف؛ چین، فرانسه، روسیه، انگلیس و آمریکا (اعضای دائمی شورای امنیت) به‌طور رسمی دارای سلاح هسته‌ای شدند.

تاکنون ۱۸۸ کشور جهان با امضای این قرارداد این به پیمان‌نامه پیوسته‌اند. هند و پاکستان، و نیز فلسطین اشغالی این پیمان‌نامه را نپذیرفته‌اند. کره شمالی نیز پس از نقض پیمان در نهایت از این پیمان‌نامه خارج شد.

طبق این معاهده کشورهای دارای سلاح هسته‌ای نباید به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم به کشورهای غیربرخوردار در راه تحصیل این سلاح کمک کنند و کشورهای غیربرخوردار متعهد می‌شوند، تا در این راه تلاش نکنند، هر چند به موجب ماده ۴ برخوردارها متعهد شده‌اند، که فناوری هسته‌ای صلح آمیز را در اختیار غیربرخوردارها قرار دهند.