Niels Bohr og Íslendingar IV: (b) Alþjóðlegt samstarf á eftirstríðsárunum

Posted on: 23/04/2023 by Einar H. Guðmundsson

Efnisyfirlit

Þegar hinn þrítugi kjarneðlisfræðingur, Þorbjörn Sigurgeirsson, kom heim frá Bandaríkjunum haustið 1947 (sjá kafla IVa) hafði hann tekið endanlega ákvörðun um það, að hér skildi hann framvegis búa og starfa. Segja má, að með þeirri ákvörðun hafi rannsóknarandinn frá Eðlisfræðistofnuninni í Kaupmannahöfn fyrir alvöru náð að teygja sig til Íslands. Þótt Þorbjörn hafi einnig orðið fyrir margskonar áhrifum í Bandaríkjunum, þá var hann samt ávallt „einn af lærisveinum Níelsar Bohr“ í hugum landsmanna.

Þorbjörn Sigurgeirsson í Los Alamos, skömmu áður en hann kom heim frá Bandaríkjunum. Sjá frétt í Þjóðviljanum, 24. september 1947.

Fljótlega eftir heimkomuna birtust viðtöl við Þorbjörn í dagblöðum um dvöl hans í Bandaríkjunum og rannsóknir hans þar. Rætt var um aðstöðuna til eðlisfræðirannsókna við Princetonháskóla, erindi hans til Los Alamos og að sjálfsögðu um kjarnorkumál almennt. Þar kemur einnig fram, að Þorbjörn hafði haft með sér búnað til geislamælinga frá Princeton, ýmist tæki sem hann hafði smíðað sjálfur, eða eignast ódýrt. Hann var þá þegar búinn að fá aðstöðu til rannsókna í kjallara Aðalbyggingar Háskólans og hafði tekið að sér stundakennslu við verkfræðideild skólans. Sem kunnugt er var það einmitt Þorbjörn, sem innleiddi nútíma eðlisfræði í verklegu kennsluna í fyrrihlutanáminu í verkfræði hér heima.

Átján árum síðar komu þessi málefni aftur til umræðu í upphafi ágætis viðtals við Þorbjörn:

Auk stundakennslu við Háskólann, tók Þorbjörn einnig að sér eðlisfræðikennslu við Menntaskólann í Reykjavík og hélt því áfram, allt til hann varð prófessor í eðlisfræði við Háskóla Íslands, haustið 1957.

Sjötti bekkur X í Menntaskólanum í Reykjavík ásamt raungreinakennurum sínum vorið 1949. Fremsta röð frá vinstri: Björn Bjarnason stærðfræðingur, Sigurkarl Stefánsson stærðfræðingur, Pálmi Hannesson náttúrufræðingur, Guðmundur Arnlaugsson stærðfræðingur og Þorbjörn Sigurgeirsson eðlisfræðingur. Allir höfðu þeir lokið námi við Háskólann í Kaupmannahöfn. Meðal nemenda standa efst frá vinstri Guðmundur Pálmason (síðar jarðeðlisfræðingur), Steingrímur Baldursson (síðar efnafræðingur og prófessor) og Leifur Hannersson (síðar verkfræðingur og prófessor). Margrét Guðnadóttir (síðar læknir, veirufræðingur og prófessor) stendur að baki Þorbjörns.

Til viðbótar stundakennslunni þennan fyrsta áratug, vann Þorbjörn ásamt fyrrum kennara sínum í Menntaskólanum á Akureyri, Trausta Einarssyni, að jarðeðlisfræðiathugunum í Heklugosinu 1947. Að beiðni Bandaríkjamannsins H.C. Ureys, sendi Þorbjörn honum berg- og vatnssýni frá Heklu til geislamælinga, en mældi jafnframt sjálfur geislavirkni nýrra hraunlaga með Geiger–Müller teljaranum, sem hann hafði smíðað í Princeton. Í ljós kom, að virknin var hin sama og í eldri lögum. Einnig notaði Þorbjörn mælinn til að kanna geislavirkni í bergi víðar á Suðurlandi:

Árið 1949 tók Þorbjörn við starfi framkvæmdastjóra Rannsóknarráðs ríkisins og sinnti því með miklum ágætum til 1957, þegar hann varð prófessor við Háskóla Íslands. Hjá Rannsóknarráði fékk hann ekki mikil tækifæri til að stunda rannsóknir í kjarneðlisfræði, enda var öll aðstaða til slíkra verka vægast sagt ófullkomin.

Sem framkvæmdastjóri Rannsóknarráðs, vann Þorbjörn því að margskonar öðrum verkefnum, ýmist einn eða með öðrum. Hann kannaði til dæmis hitadreifinguna í Geysi með sérhönnuðum búnaði, rannsakaði þang og þaragróður á ýmsum stöðum, meðal annars í Breiðafirði og vann við þyngdarmælingar í samvinnu við franskan Grænlandsleiðangur. Einnig skrifaði hann alþýðlegar greinar.

Áhugi Þorbjörns á jarðsegulmælingum, viðfangsefni sem síðar átti eftir að verða hans aðal rannsóknarsvið hérlendis, mun fyrst hafa vaknað á árunum 1950 til 1951. Þá fylgdist hann með mælingum ungs hollensks doktorsnema, J. Hospers, á segulstefnu í bergi hér á landi. Ekki leið á löngu þar til Hospers varð vel þekktur fyrir þessar rannsóknir.

Haustið 1952 fékk Þorbjörn leyfi frá starfi sínu fyrir Rannsóknarráð til að vinna tímabundið með kennilega starfshópnum hjá CERN, sem þá var í Kaupmannahöfn og undir stjórn Níelsar Bohr. Hann notaði jafnframt tímann til að kynna sér segulmælingar í Danmörku og undirbúa svipaðar mælingar hér heima. Í kafla IVc verður rætt nánar um segulmælingaþáttinn í rannsóknum Þorbjörns eftir heimkomuna frá Kaupmannahöfn, sumarið 1953. Þess má þó geta hér, að kjarneðlisfræðin kom honum síðar að góðum notum við hönnun og smíði mikilvægra segulmælingatækja.

Áhugasamir lesendur geta fengið nánari upplýsingar um Þorbjörn og rannsóknir hans í yfirlitinu

Þar er meðal annars hægt að nálgast ritaskrá Þorbjörns og ýmsar gagnlegar heimildir um ævi hans og störf. Í þessum og næsta kafla er svo getið frekari heimilda um verk Þorbjörns á árunum 1952 til 1966 og tengsl hans og samstarfsmanna hans við danska og alþjóðlega eðlisfræðiheiminn á sama tímabili.

 

CERN

Rétt er að geta þess strax, að skammstöfunin CERN stendur fyrir Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (European Council for Nuclear Research). Um var að ræða undirbúnings- eða bráðabirgðaráð, sem var formlega skipað í febrúar 1952 og átti að undirbúa stofnun Vestur-Evrópskrar rannsóknarmiðstöðvar í kjarna- og öreindafræði. Á sínum tíma kölluðu Íslendingar ráðið ýmist Kjarnorkuráð Evrópu, Kjarnorkuvísindaráð Evrópu eða Kjarnorkunefnd Evrópu.

Að loknum CERN-fundinum í febrúar 1952 sendu þátttakendur þetta fræga  bréf til bandaríska eðlisfræðingsins, I. Rabi. Hann hafði tveimur árum áður átt mikinn þátt í að koma umræðum um samstarfið á skrið.

Hér er ástæða til að nefna, að saga CERN er til í þremur bindum, sem ná yfir tímabilið frá lokum seinni heimsstyrjaldarinnar til ársins 1996:

Sjá einnig:

Á vefsíðu CERN má svo finna tiltölulega stutt, en fróðlegt yfirlit um sögu stofnunarinnar. Hvað þátttöku Dana varðar, hef ég í þessari umfjöllun einkum stuðst við eftirfarandi heimild:

 

CERN – Bohr, Þorbjörn og fleiri

Aðdragandinn að skipun Kjarnorkuráðsins á febrúarfundinum 1952 hafði verið langur og strangur og umræður voru þá þegar hafnar um heppilega staðsetningu fyrir stofnunina. Margir vildu hreppa hnossið, til dæmis gerðu Danir sér miklar vonir um að Kaupmannahöfn og Eðlisfræðistofnun Bohrs yrðu fyrir valinu. Eftir frekar jákvæð viðbrögð við hugmyndum Bohrs á samráðsfundi í París í desember 1951 birtist þessi forsíðufrétt í Politiken: “Kæmpemæssigt Unesco-projekt: Europas atom-center maaske i København.” Hér heima mátti sjá þessar væntingar endurspeglast í íslenskum dagblöðum:

Þessi skemmtilega mynd eftir D. Parkins birtist í greininni Paris 1951: The birth of CERN eftir F. de Rose frá 2008. Á bandarísku hænunni sitja þeir  I. Rabi og J.R. Oppenheimer, en á egginu (merkt CERN) þeir F. Perrin, Niels Bohr,  W. Heisenberg og G.P. Thomson. Í bakgrunninum hægra megin má sjá Evrópu í rjúkandi rústum eftir seinni heimsstyrjöldina.

Dönum varð þó ekki að ósk sinni, því strax á þriðja fundi Kjarnorkuráðsins í október 1952 var ákveðið stofnunin yrði staðsett í útjaðri Genfar í Sviss. Þegar hún var svo formlega sett á laggirnar í september 1954, var svissnesk-bandaríski eðlisfræðingurinn F. Bloch skipaður fyrsti forstöðumaðurinn. Stofnunin hlaut jafnframt nýtt nafn, Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (European Organization for Nuclear Research; Rannsóknarstofnun Evrópu í kjarneðlisfræði), en skammstöfuninni CERN var þó haldið til að forðast rugling. Í dag stendur CERN fyrir Laboratoire européen pour la physique des particules (European laboratory for particle physics; Rannsóknarstofnun Evrópu í öreindafræði).

Vonbrigði Dana voru talsverð, þegar þeir fréttu af ákvörðuninni um staðsetninguna í Genf. Við það neyddust þeir til að horfast í augu við þá staðreynd, að Kaupmannahöfn var ekki lengur sama stórveldið í heimi evrópskrar eðlisfræði og verið hafði á millistríðsárunum. Margir þeirra hefðu þó sennilega tekið undir orðin, sem eðlisfræðingurinn V.F. Weisskopf lét falla um Bohr undir lok minningargreinar um vin sinn í árslok 1962:

CERN exists because of Niels Bohr. It was Niels Bohr's personality, Niels Bohr'sweight, and Niels Bohr's work that made this place possible. There were other personalities  who started and conceived the idea of CERN. The enthusiasm and the ideas of the other people would not have been enough, however, if a man of his stature had not supported it, and not only supported it, if he had not participated actively in every important act of founding and developing, if he had not sat together with the others and worried about every detail.

Sennilega hafa tilfinningarnar borið Weisskopf ofurliði í  þetta skiptið, því auk þeirra Bohrs og Rabis höfðu fjölmargir aðrir dugmiklir einstaklingar lagst á árarnar til að koma skipinu í höfn. Meðal þeirra má nefna eðlisfræðingana E. Amaldi, P. Auger, L. Kowarsky, F. Perrin og  W. Heisenberg, sem og ýmsa háttsetta stjórnmálamenn. Hitt er þó rétt hjá Weisskopf, að áhrif Bohrs á framgang þessara mála voru mikil á árunum 1950 til 1954.

 

Upphaf vísindastarfsins

Eins og áður sagði, var Kjarnorkuráðið skipað í febrúar 1952 og hóf fljótlega störf. Fulltrúar Dana voru í byrjun eðlisfræðingarnir Niels Bohr og J.C. Jacobsen og stærðfræðingurinn J. Nielsen.

Nielsen, Bohr og Jacobsen á einum af fjölmörgum CERN-fundum á árunum 1951-52. Eins og fjallað er um í kafla IVa var Jacobsen annar af tveimur aðalkennurum Þorbjörns Sigurgeirssonar á sínum tíma. Mynd: Niels Bohr Archive.

Á fundi ráðsins í maí 1952 var ákveðið, að formaður þess yrði E. Amaldi frá Róm, en sjálft  undirbúningsstarfið skyldi fara fram í fjórum deildum eða starfshópum. Þeir voru:

  1. Hópur undir stjórn L. Kowarskys í París. Verkefni hans var að fjalla um almennt skipulag komandi stofnunar, fjármál og húsnæði, einkum fyrir tilraunastarfsemina.
  2. Hópur undir stjórn C.J. Bakkers í Amsterdam. Verkefni hans var að undirbúa hönnun og smíði fyrsta CERN-hraðalsins, sam-hringhraðals, sem næði að minnsta kosti 500 MeV orku. – Niðurstaðan varð hinn svokallaði SC-hraðall, sem náði 600 MeV orku og komst í gagnið 1957.
  3. Hópur undir stjórn O. Dahls í Bergen. Verkefni hans var að kanna möguleika á smíði risahraðals, samhraðals, í líkingu við hinn bandaríska Kosmótron, sem næði mun meiri orku en sam-hringhraðall B-hópsins og myndi ekki aðeins verða mikilvægasta rannsóknartæki hins nýja samstarfs, heldur jafnframt kraftmesti hraðall í heimi. – Niðurstaðan úr þessu hópstarfi var tillaga um að smíða hinn svonefnda PS-hraðal, sem komst í gagnið 1959.
  4. Hópur undir stjórn Níelsar Bohr í Kaupmannahöfn. Verkefni hans var að sjá um kennilega útreikninga er tengdust væntanlegri hraðlastarfsemi CERN. – Nánar er fjallað um hópinn hér á eftir.

Hóparnir skyldu eiga tíð samskipti og skiptast á upplýsingum eftir þörfum. Þeim var og ætlað að skila ráðinu niðurstöðum innan 18 mánaða.

 

Kennilegi hópurinn í Kaupmannahöfn 1952-1957

Síðla árs 1951 var orðið ljóst, að einhver hluti undirbúningsstarfsins yrði vistaður í Kaupmannahöfn. Bohr fór þá þegar að huga að því, hvernig best væri að manna kennilegu starfsemina. Bréf voru send út og eitt þeirra barst til Þorbjörns Sigurgeirssonar í Reykjavík, þar sem honum var boðið að taka þátt í starfinu á akademíska árinu 1952-53. Þorbjörn brást jákvætt við, fékk ársleyfi frá starfi sínu sem framkvæmdastjóri Rannsóknarráðs og hélt til ársdvalar við Eðlisfræðistofnun Bohrs í ágúst 1952. Fyrr um sumarið hafði hann sótt almenna ráðstefnu þar á vegum CERN:

Áður en lengra er haldið, má geta þess að finna má almennt yfirlit um störf hins kennilega hóps Kjarnorkuráðsins á árunum 1952-1954 í skýrslunni

Hér má svo sjá lista yfir Kaupmannahafnarhópinn á þessu tímabili:

Úr grein J. Iliopoulos frá 1993: Physics in the CERN Theory Division, bls. 4.

Rétt er að hafa í huga, að Niels Bohr var aðeins stjórnandi hópsins í tvö ár, 1952-54. Árið 1954 var hópurinn gerður að deild í hinni nýstofnuðu Rannsóknarstofnun Evrópu í kjarneðlisfræði (skammsöfuninni CERN var haldið) og fyrrum nemandi Bohrs (og annar af tveimur aðalkennurum Þorbjörns), Christian Møller, tók við. Hann hélt um stjórnartaumana þar til kennilega deildin var flutt frá Kaupmannahöfn til Genfar árið 1957.

 

Þáttur Þorbjörns

Frá upphafi hafði verið ákveðið, að CERN skyldi leggja aðaláherslu á hönnun og smíði háorku samhraðals fyrir róteindir. Fyrstu hugmyndirnar um samhraðla höfðu komið fram á árunum 1944-45 í verkum Svovétmannsins V. Vekslers og Bandaríkjamannsins E.M. McMillans um eindahraðla, sem gætu náð mun hærri orku en hringhraðlar af svipaðri gerð og Bandaríkjamaðurinn E. Lawrence hafði fundið upp árið 1929. Það mun svo hafa verið á árunum um og upp úr 1950, sem Ástralinn M. Oliphant mótaði fyrstu raunhæfu hugmyndirnar um orkumikla samhraðla fyrir róteindir. Álíka hugmyndir urðu einnig til í Bandaríkjunum um svipað leyti í tengslum við hönnun og smíði hraðla með nöfnunum Bevatron og Kosmótron.

Í Kaupmannahöfn vann Þorbjörn að kennilegum verkefnum með tveimur öðrum í hópnum, Þjóðverjanum G. Lüders og Ítalanum E.R. Caianiello. Verkefni þeirra var hluti af undirbúningsvinnunni fyrir smíði róteindahraðalsins PS, sem Niels Bohr vígði 1960 og gegnir enn mikilvægu hlutverki hjá CERN. Vandamálið, sem þeir glímdu aðallega við, var að kanna, hvernig best væri að halda orkumiklum rafhlöðnum eindum á réttri braut í stórum samhröðlum. Þar byggðu þeir einkum á sérstakri aðferð, svokallaðari sterkri samstillingu, sem þrír Bandaríkjamenn, E.D. Courant, M.S. Livingston og H.S. Snyder, höfðu nýlega stungið upp á. Kaupmannahafnarhópurinn vann með forprent að grein þeirra, sem kom ekki út fyrr en í árslok 1952:

Meðan á rannsóknunum stóð, átti hópurinn í Kaupmannahöfn í samvinnu við ýmsa aðra vísindamenn, meðal annars breska hópinn hjá Kjarnorkurannsóknarstofnuninni í Harwell í Englandi. Aðrir, sem unnu að skyldum verkefnum, voru E. Regenstreif í París og K. Johnsen í Bergen. Fá má sæmilegt almennt yfirlit um þetta starf með lestri eftirfarandi heimilda:

Í grein Lawsons segir meðal annars (bls. 22-23):

Niels Bohr, head of the CERN theory study group arranged for Gerhard Lüders from Göttingen and T. Sigurgeirsson from Iceland, to work in Copenhagen on orbit dynamics. At Harwell John Bell also contributed to the orbit theory, and in January 1953 wrote a report on the algebra of strong focusing, which contained a derivation of what is now known as the Courant-Snyder invariant [„Basic Algebra of the Strong-Focussing System“].  [...] Lüders and Sigurgeirsson (who introduced the concept of 'admittance') [Betatron oscillations in the strong focusing synchrotron] together produced a formal theory of orbits in periodic structures, incorporating effects of misalignments responsible for the integral resonances, and also errors in gradient which also gave rise to half-integral resonances [Orbit Instabilities in the New Type Synchrotron].  [...] During 1953 meetings between the sub-groups had been held, at least two of these being in the UK. [...] One such meeting was held at Harwell by the orbits sub-group on 1 March. In addition to Harwell staff, Johnsen and Regenstreif were present, and three members of the theoretical group, Jacobsen, Lüders and Sigurgeirsson. Several conclusions are reached: first, the prospects for making a strong-focusing synchrotron are good; second, because of alignment difficulties, n should be reduced by 4 to 900; third the magnetic field could be non-linear, but if so it must be closely controlled; fourth the frequency and phase need to be carefully controlled in passing through transition energy and finally, the field inhomogeneities at injection will require an injection energy of 50 MeV rather than 4 MeV as previously assumed.

Þarna er meðal annars minnast á hinn þekkta eðlisfræðing, J.S. Bell, sem þá var enn í doktorsnámi. Af lýsingunni má ráða, að þeir Þorbjörn hafi verið að vinna að tengdum verkefnum á þessum tíma og að samskipti hópanna í Kaupmannahöfn og Harwell hafi verið talsverð. Um verk Bells í hraðlavísindum má meðal annars lesa hjá

Framlag Þorbjörns var fyrst og fremst fræðileg könnun á því, hvernig segulsviðið í samhraðlinum þyrfti að vera til að halda eindunum saman í grannri bunu alla leið á áfangastað. Hann setti og fram tillögu um það, hvaða lögun rafsegulskaut hraðalsins skyldu hafa til að mynda slíkt svið.

Hugmynd Þorbjörns vakti mikinn áhuga í Kaupmannahöfn og til að kanna hana og aðra eiginleika sterkrar samstillingar lét J.C. Jacobsen smíða 6 metra langan samhraðalsboga með 4 metra radíus á Eðlisfræðistofnuninni.

Samhraðalsbogi Jacobsens var um það bil fjórðungur úr hring. Hann var smíðaður árið 1953 til að kanna hugmyndir Þorbjörns og samstarfsmanna hans um segulstýringu á eindabunum inni í háorkuhröðlum. Myndin, sem sýnir hluta bogans, er fengin að láni úr ritgerð Rasmussens frá 2002: Det danske engagement i CERN 1950-70 (bls. 59).

Jacobsen mun hafa skrifað tvær skýrslur um þessar tilraunir: „Comments on: T. Sigurgeirssons: Focussing in a synchrotron with periodic field. Pertubation treatment.“ (CERN/T/JCJ-1)  og  „Experimental study of a strong-focussing magnetic field.“ (CERN/T/JCJ-2). Ég hef ekki enn náð að skoða skýrslurnar, en sennilega er niðurstöðurnar (allavega að hluta) einnig að finna í grein Jacobsens „Magnetic Studies, Part II“ á síðum 159-170 í ráðstefnuritinu Lectures on the Theory and Design of an Alternating-Gradient Proton Synchrotron frá 1953 og áður var minnst á.

Í grein sinni um Þorbjörn frá 1989 lýsir Páll Theodórsson tilraununum á eftirfarandi hátt (bls. 21-22):

Vorið 1953 hafði [Þorbjörn] lokið [kennilega] verkefninu og rafseglar voru smíðaðir eftir fyrirsögn [hans] og pípu komið fyrir í segulsviðinu. Til að prófa tækið var alfa-geislandi efni sett í annan enda pípunnar en ljósmyndaplata í hinn endann og pípan síðan lofttæmd. Mundu nú alfaagnir sem höfðu rétta upphafsstefnu haldast í mjóum geisla og skila sér í litlum punkti í um 6 metra fjarlægð eftir að þær höfðu verið sveigðar af segulsviðinu í fjórðung hrings? Á ljósmyndaplötunni kom fram lítill svartur depill, tilgátan hafði verið staðfest og áfanga í undirbúningi að smíði risahraðlanna var lokið.

Fyrstu árin eftir að skýrslur Þorbjörns voru prentaðar, var talsvert í þær vitnað og enn þann dag í dag má sjá þeirra getið í fræðigreinum:

 

PS tekinn í notkun

Sex árum eftir að Þorbjörn hafði skilað sínu framlagi til fræðanna um risahraðla, tókst að ræsa samhraðallinn mikla í CERN í fyrsta sinn, hinn 24. nóvember 1959. Hann var svo vígður formlega 6. febrúar árið eftir.

Mynd af hluta róteindahraðalsins PS, rétt áður en hann var ræstur í fyrsta sinn í nóvember 1959. Mynd: CERN.

Um vígsluna í febrúar 1960 má svo lesa í marshefti CERN Courier sama ár. Einnig var gerð kvikmynd af þessu tilefni: CERN 1960 : le plus grand briseur d'atomes du monde.

Níels Bohr vígir PS-hraðalinn formlega í febrúar 1960 með því að senda kampavínsflösku af stað í átt að hraðlinum. Flaskan lenti á sérstakri hlífðarplötu, þar sem hún brotnaði eins og til stóð (sjá frönsku kvikmyndina, sem tengt er á hér að framan, kl. 06:54-07:20).

 

Íslendingar og CERN

Vitað er, að á sínum tíma hefði Þorbjörn Sigurgeirsson auðveldega getað fengið gott framtíðarstarf við CERN eða aðrar erlendar eðlisfræðistofnanir, hvort heldur var í Evrópu eða Bandaríkjunum. Sem kunnugt er, kaus hann þó frekar að halda áfram að starfa á Íslandi, þrátt fyrir afar erfiðar aðstæður.

Þótt Ísland sé ekki fullgildur aðili að CERN, hafa all nokkrir Íslendingar, aðrir en Þorbjörn, stundað rannsóknir við stofnunina í lengri eða skemmri tíma. Þar skal fyrst nefna Ögmund Runólfsson kjarneðlisfræðing. Hann lauk doktorsprófi frá Háskólanum í Bonn árið 1965 og var síðan allan sinn starfsaldur hjá CERN í Sviss, þar sem hann vann að margs konar vísindarannsóknum og tæknilegum verkefnum.

  • Ögmundur Runólfsson, 1965: Messung des Zeemaneffekts, des Starkeffekts und der Hyperfeinstruktur des Cäsiumfluorids mit der Molekülstrahlresonanzmethode. Doktorsritgerð (til á Lbs-Hbs Íslandssafn).
  • Ögmundur Runólfsson: Ritaskrá hjá INSPIRE.
  • Tíminn, 14. júlí 1989: Kannar tilurð efnis í fumeindaskothríð.

Ögmundur Runólfsson (til vinstri) og Guðni G. Sigurðsson.

Næst kemur Guðni G. Sigurðsson kjarneðlisfræðingur. Hann lauk doktorsprófi frá Tækniháskólanum í Karlsruhe 1972 og var ritgerð hans byggð á gögnum, sem hann hafði aflað með ársdvöl hjá CERN. Eftir doktorsprófið stundaði hann rannsóknir í eitt ár við Serpukhov rannsóknarstofnunina í Sovétríkjunum og vann síðan sem verkfræðingur við CERN á árunum 1974-79. Hann var sérfræðingur við Raunvísindastofnun Háskólans 1979-82, en sneri sér eftir það að verkefnum hjá hugbúnaðarfyrirtækinu Tölvar ehf.

Árið 1990 hóf Þórður Jónsson eðlisfræðingur athugun á því, hvort Íslendingar gætu gert einhvers konar samstarfssamning við CERN á sviði öreindafræðirannsókna.  Vorið 1991 sendi hann utanríkisráðherra erindi um málið, sem Menntamálaráðuneytið áframsendi til Vísindaráðs og Háskóla Íslands. Þrátt fyrir dræmar undirtektir þessara stofnana í fyrstu, var að lokum gerður endurnýjanlegur fimm ára samningur milli CERN og íslenskra stjórnvalda í september árið 1996. Samkvæmt honum hefur Ísland stöðu laustengds ríkis (non-member state) hjá CERN.

Á sínum tíma sýndi stjórn CERN erindi Þórðar strax jákvæðan áhuga, en eins og sjá má tók það fimm til sex ár að koma málinu í gegnum íslenska stjórnunarbáknið. Hér verður ekki farið út í frekari smáatriði, hvað það varðar, en ferlið minnir þó óneitanlega um margt á sjö ára þrautagöngu íslenskra stjarnvísindamanna, áður en henni lauk árið 1997, með fullri þátttöku Íslands í samstarfinu um norræna stjörnusjónaukann á La Palma.

Samningurinn við CERN er enn í gildi og hann hefur gert íslenskum eðlisfræðingum kleift að heimsækja stofnunina og dvelja þar við rannsóknir um lengri eða skemmri tíma. Þá hefur hann gert íslenskum eðlisfræðinemum mögulegt, að taka þátt í sérstökum sumarskólum í öreindafræði:

Einn þessara nemenda var grísk-íslenski eðlisfræðingurinn Konstantinos A. Kastanas (Axel Brjánn Kastanas) sem lauk BS-prófi í eðlisfræði við Háskóla Íslands árið 2006. Hann stundaði framhaldsnám við Háskólann í Bergen í Noregi, þar sem hann lauk doktorsprófi árið 2014 fyrir verkefni með ATLAS-nema sterkeindahraðalsins mikla (LHC) í CERN. Hann starfar nú sem kerfisfræðingur við eðlisfræðideild Stokkhólmsháskóla.

 

Tilraunastöðin ISOLDE í CERN og íslenskir eðlisfræðingar

Í hópi þeirra, sem auk J.C. Jacobsens notuðu hringhraðalinn við Eðlisfræðistofnunina í Kaupmannahöfn á sínum tíma, var nemandi hans, kjarneðlisfræðingurinn O. Kofoed-Hansen. Á árunum kringum 1950 starfaði verkfræðingurinn K.O. Nielsen einnig við stofnunina og vann meðal annars að hönnun og smíði tækis til að aðgreina samsætur. Þeir Kofoed-Hansen og Nielsen tóku höndum saman og framkvæmdu ýmsar tilraunir á árunum 1950-51, þar sem þessi tvö tæki, hringhraðallinn og samsætugreinirinn, voru samnýtt til að kanna vissa eiginleika skammlífra geislavirkra samsæta. Með þessu lögðu þeir grunninn að tækni, sem mætti kalla hraðaltengda samsætugreiningu (on-line isotope seperation). Þessi tækni þeirra félaga var fljótlega þróuð frekar og hefur lengi verið notuð við ISOLDE (Isotope Separator On Line Device), eina af elstu tilraunastöðvum CERN (sjá sögu ISOLDE).

Segja má, að kjarni ISOLDE-stöðvarinnar sé einskonar samsætuverksmiðja. Hún tekur við háorku róteindum í afmörkuðum skömmtum frá svokölluðum PSB-hraðli. Sá var upphaflega byggður 1972 til að beina orkumiklum róteindum inn í róteindahraðalinn (PS), sem rætt var um hér að framan. Sú innspýting hjálpar PS til að gefa róteindunum enn hærri orku en áður var mögulegt. Síðan þá, hefur PSB einnig fengið það hlutverk að fóðra aðrar stöðvar með róteindum, þar á meðal ISOLDE.

Þegar róteindirnar koma inn í ISOLDE-stöðina lenda þær í árekstri við sérvalið skotmark og við það myndast ýmsar skammlífar geislavirkar samsætur. Sérstök tækni aðgreinir samsæturnar og beinir á mismunandi staði í stöðinni. Hver áfangastaður fær sína gerð af samsætum og þar gera vísindamenn á þeim sérhæfðar tilraunir.

Hér má finna nánari skýringar á því, hvað myndin sýnir.

Meðal þeirra mikilvægu rannsóknarsviða, sem styðjast við ISOLDE, er þéttefnisfræði. Á því sviði fara til dæmis fram Mössbauermælingar undir stjórn Haralds P. Gunnlaugssonar.

Á sínum tíma tók Haraldur meistarapróf við Háskóla Íslands hjá Erni Helgasyni kjarneðlisfræðingi. Síðan fór hann til Kaupmannahafnar, þar sem hann lauk doktorsprófi í eðlisfræði við Háskólann árið 1997, undir leiðsögn J.M. Knudsens. Hann starfaði síðan vð Árósarháskóla og víðar og tók meðal annars þátt í rannsóknum tengdum Mars-förunum Pathfinder, Surveyor og  Phoenix.

Um nokkurt skeið hefur Haraldur stjórnað Mössbauermælingum á geislavirkum samsætum hjá ISOLDE. Að þeim koma ýmsir vísindamenn, þar á meðal þrír frá eðlisfræðistofu Raunvísindastofnunar Háskólans, þau Sveinn Ólafsson, Hafliði P. Gíslason og Bingcui Qi. Þá stundar fyrrverandi doktorsnemi víð Háskóla Íslands, T.E. Mølholt, einnig rannsóknir með hópnum.

Íslensku eðlisfræðingarnir fyrir utan ISOLDE tilraunastöðina í CERN árið 2017. Höfuðpaurinn, Haraldur P. Gunnlaugsson, stendur í miðjunni. Með honum eru Sveinn Ólafsson (til vinstri) og Hafliði P. Gíslason. Mynd úr safni SÓ.

Til fróðleiks má geta þess hér, að fyrstu notkun geislavirkra samsæta í rannsóknum í þéttefnisfræði má rekja til George de Hevesy, eins af helstu samstarfsmönnum Níelsar Bohr á upphafsárum Eðlisfræðistofnunarinnar í Kaupmannahöfn. Á árunum kringum 1920 notaði hann geislavirkar blýsamsætur til að kanna sveim atóma í vökvum og föstum efnum. De Hevesy er jafnframt talinn „faðir geislalæknisfræðinnar“.

 

Friðsamleg notkun kjarnorkunnar

Rannsóknirnar sem framkvæmdar eru við ISOLDE (og reyndar við CERN í heild) eru skólabókardæmi um friðsamlega notkun kjarnorku í þágu vísindanna. Rétt er að hafa í huga í þessu sambandi, að ekki var almennt farið að nota orðalagið „friðsamleg notkun kjarnorku“ fyrr en eftir að kjarnorkusprengjunum hafði verið varpað á Hiroshima og Nagasaki í ágúst árið 1945 (sjá kafla IVa).

Geislavirk efni höfðu verið notuð með margvíslegum hætti, allt frá uppgötvun þeirra fyrir tilviljun árið 1896. Meðal annars var fljótlega farið að nýta þau í læknisfræði, líffræði og landbúnaði. Aðgengi að geislavirkum samsætum var lykilatriði í allri hagnýtingu, en það var ekki fyrr en með tilkomu fyrstu hringhraðanna á fjórða áratugi tuttugustu aldar, sem aðrir en útvaldir gátu nálgast þær, án nær óyfirstíganlegs kostnaðar. Í því sambandi má nefna, að aðalhlutverk  danska hringhraðalsins, sem tekinn var í gagnið árið 1938 (sjá kafla IVa) var að framleiða geislavirkar samsætur til nota í líffræði og læknisfræði. Hinar mikilvægu rannsóknir Eðlisfræðistofnunar Bohrs með hraðlinum voru þar í öðru sæti. Hið sama gilti um flesta aðra agnahraðla á þeim árum, bæði í Bandaríkjunum og Evrópu.

Framleiðsla á geislavirkum samsætum jókst til muna með Manhattan verkefninu og tilkomu tengdra stofnana eins og rannsóknarstöðvanna í Hanford, Oak Ridge (sjá einnig hér) og Kanada. Einnig má segja, að kjarnorkuverkfræðin, með tilheyrandi áherslu á orkuframleiðslu með kjarnaofnum, hafi orðið til í Bandaríkjunum á stríðsárunum. Eins og nánar verður komið inn á hér á eftir, notuðu Bandaríkin yfirburði sína á þessu sviði, ekki aðeins til þróunar og framleiðslu kjarnavopna, heldur einnig til að auka áhrif sín erlendis í kalda stríðinu. Þar gegndi Kjarnorkumálanefnd Bandaríkjanna, sem stofnuð var 1947, mikilvægu hlutverki. Meðal annars hafði nefndin frá upphafi yfirumsjón með sölu Bandaríkjamanna á geislavirkum samsætum til annarra landa.

Næstu árin eftir kjarnorkuárásirnar á Japan fjölluðu íslensk blöð og tímarit skiljanlega mikið um kjarnorkumál. Mest voru þetta fréttir af tilraunasprengingum og kjarnorkuvá, alls konar vígbúnaðarstandi  og kjarnorkuvæðingu, sem og pólitískum yfirlýsingum erlendra ráðamanna um kjarnorkumál, fundum þeirra og ákvörðunum. Umræðan bar oft augljós merki kalda stríðsins, en talsvert var þó birt af fræðsluefni um kjarnorkuna og notkun hennar í friðsamlegum tilgangi. Hér eru nokkrar slíkar ritsmíðar frá árunum 1945 til 1953:

Nokkrar gagnlegar erlendar heimildir um kjarnorku, rannsóknir á henni og friðsamlega hagnýtingu:

 

Atoms for Peace

Á fyrstu árunum eftir lok síðari heimstyrjaldarinnar var tæknileg umræða um kjarnorkumál frekar takmörkuð vegna kalda stríðsins. Fyrir utan nokkra hópa útvaldra, var þekking á vísindalegum smáatriðum um notkun þessa nýja afls nær hverfandi, enda lágu kjarnorkuveldin á slíkum upplýsingum eins og ormar á gulli og leyndarhyggjan var alltumlykjandi. Í Bandaríkjunum varð lítil breyting á, þótt yfirumsjón kjarnorkumála flyttist frá hernum til Kjarnorkumálanefndarinnar árið 1947.

Árið 1953 markaði hins vegar þáttaskil í þessum málum. Um það bil ári eftir að hann tók við embætti Bandaríkjaforseta af H.S. Truman, hélt D. D. Eisenhower merka ræðu á alsherjarþingi Sameinuðu þjóðanna. Í ræðunni, sem haldin var 8. desember 1953, setti hann fram hugmyndir sínar um friðsamlega notkun kjarnorkunnar, mannkyninu til heilla. Jafnframt lofaði hann þingheimi, að Bandaríkin myndu framfylgja þeim eftir bestu getu, ef þau fengju til þess stuðning annarra ríkja, ekki síst Sovétríkjanna. Fréttir af ræðunni fóru eins og eldur í sinu um heim allan og hugmyndafræði Eisenhowers var nær samstundis gefið nafnið „Atoms for Peace“.

Hugmyndir Eisenhowers voru í meginatriðum þær, að kjarnorkuveldin, ekki síst Bandaríkin og Sovétríkin, ættu að sameinast um það að gefa hluta af birgðum sínum af úrani og öðrum kjarnkleyfum efnum til sérstakrar alþjóðastofnunar, sem komið yrði á fót á vegum Sameinuðu þjóðanna. Stofnunin sæi um að geyma efnin á öruggum stað og tæki jafnframt að sér að dreifa þeim til annarra ríkja til friðsamlegrar notkunar, meðal annars í landbúnaði og læknavísindum, en ekki síður til raforkuframleiðslu.

Myndin sýnir Eisenhower halda hina frægu Atoms for Peace ræðu á aðalþingi Sameinuðu þjóðanna, hinn 8. desember 1953. Hér má sjá myndband af þeim atburði.

Viðbrögðin hér heima við tillögum Eisenhowers er auðveldast að kanna með því að lesa umfjöllun dagblaðanna:

  1. desember:
  1. desember:
  1. desember:
  1. desember:
  1. desember:

Eins og sjá má af fréttaflutningnum, var tillögum Eisenhowers fagnað mjög á Vesturlöndum, en formleg svör sovétskra ráðamanna létu á sér standa. Þegar þeir loksins höfðu samband við Bandaríkjastjórn, settu þeir margvísleg skilyrði fyrir þátttöku, sem kröfðust ítarlegra og langdreginna  viðræðna.

Það flækti og málin talsvert í upphafi, að innan bandaríska stjórnkerfisins vissu tiltölulega fáir fyrirfram, hvað Eisenhower ætlaði að fjalla um á alsherjarþinginu. Flestir þeirra, sem sáu um kjarnorkumálin, komu algjörlega af fjöllum, þegar þeir fréttu af innihaldi ræðunnar. Fljótlega kom svo í ljós, að Bandaríkin voru langt frá því að vera tilbúin að takast á við þær skuldbindingar sem Eisenhower hafði lofað þingheimi Sameinuðu þjóðanna. Af því leiddi, að frekari tafir voru óumflýjanlegar. Ekki bætti úr skák, að vetnissprengjutilraun Bandaríkjamanna á Kyrrahafseyjunni Bikini, 1. mars 1954, hafði í för með sér gríðarlegt geislavirkt úrfelli, sem olli ótta og skelfingu víða um heim og vakti jafnframt tortryggni í garð Bandaríkjastjórnar.

Eftir mikið þóf náðist loks samkomulag við Sovétmenn um friðsamlega notkun kjarnorkunnar, hinn 23. nóvember 1954. Ákvörðun um að setja á laggirnar alþjóðlega kjarnorkumálastofnun var síðan samþykkt formlega á alsherjarþingi Sameinuðu þjóðanna, 4. desember 1954. Nokkru seinna var svo ákveðið halda alþjóðlega ráðstefnu um friðsamlega notkun kjarnorkunnar sumarið 1955.

Strax í desembermánuði 1953 hóf Bandaríkjastjórn mikla áróðursherferð, sem á yfirborðinu snerist eingöngu um notkun kjarnorku í friðsamlegum tilgangi og almenna fræðslu um þau mál. Herferðinni var meðal annars ætlað að vega upp á móti stöðugum pólitískum prédikunum Sovétmanna um frið á jörðu og bann við kjarnorkuvopnum, nokkuð sem Bandaríkjastjórn hafði litla trú á, að væri annað en áróður til stuðnings heimsvaldastefnu kommúnista. Síðar kom reyndar í ljós, að ýmislegt annað en friðsamleg notkun kjarnorkunnar hékk á áróðursspýtu Bandaríkjamanna sjálfra, en frekari umræðu um það efni verður sleppt hér vegna plássleysis (sjá þó heimildaskrána hér á eftir).

Áróðursherferð Bandaríkjamanna var margþætt. Fyrir utan pólitísk samskipti við ráðamenn annarra landa, bæklingaskrif, blaða- og tímaritsgreinar og fréttatilkynningar, létu bandarísk yfirvöld framleiða fjölda kvikmynda um notkun kjarnorkunnar í friðsamlegum tilgangi. Þær voru sýndar víða um lönd, meðal annars á Íslandi. Jafnframt var sett af stað farandsýning um kjarnorkumál, sem á endanum kom til Íslands í ársbyrjun 1956. Þá var lögð áhersla á að koma á fót jákvæðum samskiptum við erlenda vísindamenn og stofnanir,  til dæmis með heimboðum, styrkjum og tækja- og bókagjöfum.

Í tilefni fyrstu alþjóðlegu ráðstefnunnar um friðsamlega notkun kjarnorkunnar í Gefn í ágúst 1955 (sjá kafla IVc) gáfu Bandaríkjamenn meðal annars út bækling og flott frímerki með einkunnarorðum, sem tekin voru úr desemberræðu Eisenhowers árið 1953:  „To find the way by which the ... inventiveness of man shall ... be ... consecrated to his life.“

Rúmlega tveimur og hálfu ári eftir að alsherjarþing Sameinuðu þjóðanna samþykkti að setja hana á fót, var Alþjóða-kjarnorkumálastofnunin loks stofnuð í júlí 1957. Hún starfar enn og gegnir mikilvægu hlutverki sem umræðuvettvangur aðildarríkjanna og eftirlitsaðili þeirra með friðsamlegri notkun kjarnorku á jarðarkringlunni. Hugmynd Eisenhowers um birgðastöð fyrir kjarnkleyf efni varð þó aldrei að veruleika, en stofnunin tók hins vegar að sér að vera milligönguaðili fyrir dreifingu á slíkum efnum, sem og tæknilegum upplýsingum um kjarnorkumál. Ísland hefur átt aðild að stofnuninni frá upphafi og notið góðs af.

Í vissum skilningi má segja, að með tilkomu Alþjóða-kjarnorkumálastofnunarinnar hafi Niels Bohr loks fengið að upplifa árangur af langri báráttu sinni fyrir friðsamlegri notkun kjarnorkunnar og opnum samskiptum um kjarnorkumál. Ráðamenn í Bandaríkjunum áttuðu sig fljótlega á mikilvægi þess að nýta sér nafn hans í þessu sambandi og þremur mánuðum eftir að kjarnorkumálastofnunin var sett á laggirnar fékk Bohr hin nýstofnuðu friðarverðlaun, Atoms for Peace Award, fyrstur manna.

Niels Bohr tekur við kjarnorkufriðar-verðlaununum úr hendi  J.R. Killians, ráðgjafa Eisenhowers Bandaríkaforseta, við hátíðlega athöfn í höfuðstöðvum Bandarísku vísindaakademíunnar, 24. október 1957. Hann var þá nýorðinn 72 ára. Forsetinn stendur kampakátur í miðjunni. Hér má sjá ávarp hans við þetta tækifæri og einnig stutta kvikmynd af afhendingunni.

Í næsta kafla (IVc) verður meðal annars fjallað um það, hvernig kalda stríðið, frumkvæði Eisenhowers árið 1953 og þó sérstaklega Genfarráðstefnan 1955, mörkuðu þáttaskil í sögu raunvísinda hér á landi. Ráðstefnan setti af stað atburðarás, sem leiddi strax til stofnunar Kjarnfræðanefndar Íslands og innan tveggja ára til  sérstakrar geislamælingastofu og nýs prófessorsembættis í eðlisfræði við Háskóla Íslands. Geislamælingastofan breyttist svo fljótlega í Eðlisfræðistofnun Háskólans, sem nokkrum árum síðar varð kjölfestan í Raunvísindastofnun Háskólans. Að þessari þróun stóð hópur úrvalsmanna með kjarneðlisfræðinginn Þorbjörn Sigurgeirsson í broddi fylkingar.

Til baka í efnisyfirlitið

 

Um Einar H. Guðmundsson

Prófessor emeritus við Háskóla Íslands - Tölvupóstfang: einar@hi.is - Vefsíða: https://einar.hi.is/
Þessi færsla var birt undir Eðlisfræði, Efnafræði, Tuttugasta og fyrsta öldin, Tuttugasta öldin. Bókamerkja beinan tengil.