Chicago, 2 december 1942. Prent van het moment waarop voor het eerst in de geschiedenis (van ons aardlingen) een kernreactor kritisch wordt (beheerste kernsplijting warmte produceert).De experimentele kernreactor werd o.l.v. Enrico Fermi ontworpen en gebouwd.
In dit artikel valt met enige regelmaat de naam Fermi, vooral in relatie tot een quasi-paradox, die in sommige kringen de gemoederen al geruime tijd bezighoudt, de Fermi Paradox. Tijdens een lunch met enkele collega’s zou de beroemde fysicus Enrico Fermi de gedenkwaardige vraag hebben gesteld:
‘Where is everybody?’
Fermi doelde op buitenaardse intelligenties. Het was 1950. Fermi had een hoofdrol gespeeld in de ontwikkeling van de atoombom die Japan tot overgave dwong. Net zoals tafelgenoot Edward Teller. Middenin de Koude Oorlog waren beiden op dat moment ook nauw betrokken bij de productie van een nieuw en nog veel vernietigender wapen: de waterstofbom. En alsof de tijden nog niet roerig genoeg waren, kwamen er in, maar vooral ook direct na de oorlog berichten over een nieuwe bedreiging, ditmaal van buiten de aarde. Unidentified Flying Objects (UFOs), vaak in de vorm van een discus zodat al snel de naam Vliegende Schotels populair werd. Overigens zijn er ook uit vroegere tijd de nodige meldingen bekend van opmerkelijke vliegende objecten c.q. lichtverschijnselen. De meeste zijn niet goed meer naar waarde te schatten.
“Where is everybody?” (Enrico Fermi, 1950)
De uitdagende vraag van Fermi: Where is everybody?, was lang een soort wetenschappelijke legende die onder meer door Carl Sagan werd gebruikt. In Physics Today, augustus 1985, staat op pagina 12 en 13 een ingezonden brief van Eric M. Jones van Los Alamos National Laboratory waarin op basis van de herinneringen van direct betrokkenen verslag wordt gedaan van de “bijeenkomst” uit 1950 waarbij deze vraag aan de orde werd gesteld.
Tien jaar later (1961) duikt de essentie van de discussie weer op in de gedaante van de beroemde formule van Drake – Green Bank. De formule is bedoeld om het aantal intelligente beschavingen in onze melkweg te berekenen die in staat geacht moeten worden om elektromagnetische informatie uit te zenden (zoals radiostraling). Straling die in principe detecteerbaar zou kunnen zijn voor voldoende gevoelige ontvangers (lees radiotelescopen).
De astronoom Frank Drake was samen met Carl Sagan een van de eersten die pleitte voor iets als een SETI-programma (Search for Extra-Terrestrial Intelligence).
Hieronder een deel uit de bovengenoemde ingezonden brief.
Fermi did make the remark during a lunchtime conversation in 1950. His campanions were Emil Konopinski, Edward Teller and Herbert York. All three have provided accounts of the incident. We begin with Konopinski: When I joined the party, I found being discussed evidence about flying saucers. That immediately brought to my mind a cartoon I had recently seen in the New Yorker, explaining why public trash cans were disappearing from the streets of New York City. The New York papers were making a fuss about that. The cartoon showed what was evidently a flying saucer sitting in the background and, streaming toward it, "little green men" (endowed with antennas) carrying the trash cans. More amusing was Fermi's comment, that it was a very reasonable theory since it accounted for two separate phenomena: the reports of flying saucers as well as the disappearance of the trash cans. There ensued a discussion as to whether the saucers could somehow exceed the speed of light.
Teller comments: I remember having walked over with Fermi and others to Fuller Lodge for lunch. While we walked over, there was a conversation which I believed to have been quite brief and superficial on a subject only vaguely connected with space travel. I have a vague recollection, which may not be accurate, that we talked about flying saucers and the obvious statement that flying saucers are not real. I also remember that Fermi explicitly raised the question, and I think he directed it at me, "Edward, what do you think? How probable is it that within the next ten years we shall have clear evidence of a material object moving faster than light?" I remember that my answer was "10 -6." Fermi said, "This is much too low. The probability is more like ten percent" (the well-known figure for a Fermi miracle). Konapinski says that he does not recall the numerical values, "except that they changed rapidly as Edward and Fermi bounced arguments off each other."
Teller continues: "The conversation, according to my memory, was only vaguely connected with astronautics, partly on account of flying saucers might be due to extraterrastrial people (here I believe the remarks were purely negative), and partly because exceeding light velocity would make interstellar travel one degree more real." "It was after we were at the luncheon table," Kanopinski recalls, "that Fermi surprised us with the question 'but where is everybody?' It was his way of putting it that drew laughs from us." York, who does not recall the preliminary conversation on the walk to Fuller Lodge, does remember that "virtually apropos of nothing, Fermi said, 'Don't you ever wonder where every-body is?' Somehow we all knew he meant extraterrestrials." Teller remembers the question in much the same way: "The discussion had nothing to do with astronomy or with extraterrestrial beings. I think it was some down-to-earth topic. Then, in the middle of this conversation, Fermi came out with the quite unexpected question 'Where is everybody?' The result of his question was general laughter because of the strange fact that in spite of Fermi's question coming from the clear blue, everybody around the table seemed to understand at once that he was talking about extraterrastrial life. I do not believe that much came of this conversation, except perhaps as a statement that the distances to the next location of living beings may be very great and that, indeed, as far as our galaxy is concerned, we are living somewhere in the sticks, far removed from the metropolitan area of the galactie center." York believes that Fermi was somewhat more expansive and "followed up with a series of calculations on the probability of earthlike planets, the probability of life given an Earth, the probability of humans given life, the likely rise and duration of high technology, and so on. He concluded on the basis of such calculations that we ought to have been visited long ago and many times over. As I recall, he went on to conclude that the reason we had not been visited might be that interstellar flight is impossible, or, if it is possible, always judged to be not worth the effort, or technological civilization does not last long enough for it to happen." York confessed to being hazy about these last remarks. In summary, Fermi did ask the question and, perhaps not surprisingly, issues still debated today were part of the discussion. Certainly the line of argument that York remembers became familiar a decade later as the Drake-Green Bank Equation.
“Where is everybody?”, de vraag werd de essentie van wat in het vervolg de Fermi Paradox is gaan heten.
We komen er uitgebreid op terug. Nu eerst nog enkele saillante gegevens over Fermi.
Ik stond verbaasd stond toen ik ontdekte dat ik met een beetje fantasie van de verschillende Fermi’s een spannend verhaal kon smeden. Fermi zou er ook zelf verbaasd van hebben gestaan. Of hij het ook gewaardeerd zou hebben is wat minder zeker.
Enrico Fermi leefde van 1901 – 1954. Hij ontving in 1938 de Nobelprijs voor zijn werk op het gebied van de quantummmechanica en de kernfysica.
Behalve in de Fermi Paradox, niet veel meer dan een losse opmerking van een briljante geest, is de naam Fermi onder meer verbonden met de klasse van elementaire deeltjes met een halftallige spin, zoals elektronen en protonen, die geregeerd worden door de Fermi-Dirac-statistiek en die fermionen worden genoemd. In de vaste-stoffysica is het Ferminiveau van belang, het kunstmatige element met atoomnummer 100 heeft de naam fermium gekregen. Fermi was een pionier op het gebied van de creatie van nieuwe, kunstmatige atoomsoorten die in de natuur niet voorkomen. Omdat ze “zwaarder” zijn dan uranium worden ze transuranen genoemd.
Fermi stond aan het hoofd van het team dat de eerste kernreactor bouwde, waarin de eerste beheerste nucleaire kettingreactie plaatsvond (eind 1942). De reactor moest de brandstof leveren voor de eerste atoombom. Hij was een van de kopstukken van het Manhattanproject, opgezet om een atoombom te ontwikkelen. En een paar jaar later was hij ook nauw betrokken bij de ontwikkeling van de veel krachtiger waterstofbom.
Er is ook nog een Nederlandse voetnoot in Fermi’s levensverhaal die ik mijn lezers niet wil onthouden. In het najaar van 1924 studeerde Fermi bij Paul Ehrenfest, de opvolger van Lorentz in Leiden. Voor Fermi was het verblijf in Leiden een inspirerende ervaring. Zo werd hij door Ehrenfest in contact gebracht met Hendrik Lorentz en Albert Einstein (huisvriend van Ehrenfest en met groot respect voor Lorentz die belangrijk “voorwerk” had gedaan voor zijn relativiteitstheorie) en sloot hij vriendschap met een aantal jonge natuurkundigen, waaronder Samuel Goudsmit en Jan Tinbergen (later vooral bekend geworden als econoom, met in 1969 de Nobelprijs voor Economie).
De Fermi Gamma-Ray Space Telescope
We maken nu een flinke sprong in de tijd om uit te komen in 2008. In dat jaar werd de Fermi Gamma-ray Space Telescope in een lage baan om de aarde gebracht. De telescoop moest gammastraling gaan detecteren. Deze elektromagnetische straling (zoals ook licht) is zo energierijk dat ze zich vooral als een deeltjesverschijnsel manifesteert. Later in het verhaal zal hopelijk duidelijk worden waarom ik de telescoop hier opvoer. Gammastraling komt vrij bij radioactief verval in atoomkernen. Fermi was een pionier in de kernfysica, vandaar de naam van de telescoop. Er was een bijzondere reden om deze telescoop in te zetten. De ontdekking van zogenoemde gammaflitsen.
De waarnemingssatelliet bevat twee instrumenten: de Large Area Telescope (LAT) en de Gamma-ray Burst Monitor (GBM). De LAT werkt door gammastraling op te vangen die door zwarte gaten en pulsars wordt uitgestoten. Het bereik van de LAT gaat van 20 MeV tot meer dan 300 GeV. De elektronvolt (eV) is een energiemaat die in wereld van atomen en atoomkernen veel wordt gebruikt. De energie van een lichtfoton is enkele elektronvolts (eV). De LAT kan dus gammafotonen registreren die 100 miljard keer zo energierijk zijn als de fotonen die het zichtbare licht voor hun rekening nemen!
Gamma Ray Bursts (GRBs, gammaflitsen) werden in de jaren zestig ontdekt door de Amerikaanse Vela-satellieten die bedoeld waren om beproeving (of gebruik) van vijandelijke kernwapens in de ruimte (door de Sovjetunie) te detecteren. Na lang aarzelen kwamen de Amerikanen tot de conclusie dat de waargenomen gammaflitsen een buitenaardse oorsprong hadden. Op 8 mei 1997 registreerde de net gelanceerde Nederlands-Italiaanse satelliet BeppoSAX een nieuwe gammaflits met de code GRB 970508. Met de veel betere instrumentatie en met behulp van de enorme ESO-telescopen kon eindelijk worden aangetoond dat het hier om een extreem krachtige stralingsbron op zeer grote afstand ging. Deze flits kwam van een bron op een afstand van niet minder dan negen miljard lichtjaar. Kort daarna werd een link gevonden tussen zo’n stralingsstoot en het vergaan van zeer zware sterren. Het ging hier om de versmelting van twee kleine, extreem zware neutronensterren met een zwart gat als uitkomst. De onvoorstelbare hoeveelheid uitgestraalde energie ontstond in het laatste moment van de fusie. Sindsdien zijn ook andersoortige bronnen gevonden. De Fermi-satelliet signaleerde sinds 2008 een paar honderd GRBs per jaar. Gammaflitsen behoren tot de meest spectaculaire zo niet meest gewelddadige fenomenen in de kosmos. Zo’n flits in onze melkweg kan in een enorm gebied dood en verderf zaaien. Als er natuurlijk iets is om dood te gaan!
In het tweede deel gaan we na waarom we Ze nog nooit hebben gezien. Of geldt ook in dit geval de Wet van Cruyff: Je ziet het pas als je het doorhebt?
Espunt, 20 september 2019
