Luis Alvarez

Luis Walter Alvarez (13 Haziran 1911 - 1 Eylül 1988) Amerikan deneysel fizikçi, mucit ve 1968 yılında Nobel Fizik Ödülü kazanmış profesördür. Amerikan Fizik Dergisi “Luis Alvarez yirminci yüzyılın en başarılı ve üretici deneysel fizikçilerinden biriydi” yorumunu yaptı.

1936’da Chicago Üniversitesi’nden doktorasını aldıktan sonra Alvarez Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesinde Ernest Lawrence için Radyasyon Laboratuvarında çalışmaya gitti. Radyoaktif çekirdekteki K-elektron yakalamayı gözlemlemek için birçok deney düzenledi. Beta bozulma teorisi tarafından öngörüldü ama hiçbir zaman gözlemlenemedi. Trityum üretmek için siklotron kullandı ve bunun ömrünü ölçtü. Felix Bloch ile işbirliği içinde nötron manyetik momentini hesapladılar.

Savaştan sonra Alvarez sıvı hidrojen kabarcık odası tasarımına katıldı. Bu takımına parçacık etkileşimlerinin milyonlarca fotoğrafını çekmek için olanak sağladı. Bu etkileşimlerin ölçülmesi ve analiz edilme amacı ile karmaşık bilgisayar sistemleri geliştirildi ve yeni parçacıkların tüm türünün ve rezonans halinin keşfine olanak sağlandı. Bu çalışma 1968 yılında Alvarez’e Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı. Mısır piramitlerindeki bilinmeyen odaları araştırmak için x-ışını ile inceleme projesine katıldı. Oğlu, gezegen bilimci Walter Alvarez, ile birlikte Alvarez Hipotezini geliştirdiler. Bu Kretase-Tersiyer yok oluşunun dinozorların ortadan kalkmasını asteroidin çarpması sonucu olduğu önerisiydi.

Luis Walter Alvarez 13 Haziran 1911’de San Francisco’da doğdu. Walter C. Alvarez, fizikçi ve Harriet evlilik öncesi soyadı ile Smyth’in ikinci çocuğu ve en büyük oğluydu. Ayrıca Luis F. Alvarez, uzun süre boyunca İspanya’da sonrasında Küba ve sonunda Amerika Birleşik Devletleri’nde yaşamış ve maküler cüzzam teşhisi için daha iyi bir yöntem bulan fizikçinin torunudur. Gladys adında bir ablası, Bob adında erkek kardeşi ve Bernice adında bir kız kardeşi vardı. Halası Mabel Alvarez yağlı boyada kendini geliştirmiş Kaliforniyalı bir artist idi.

1918’den 1924’e kadar San Francisco’daki Madison Okulu’na gitti ve ardından San Francisco Teknik Lisesi’ne kaydoldu. 1926 yılında babası Mayo Klinik’te araştırma görevlisi oldu ve aile Rochester, Minnesota’ya taşındı. Alvarez lise eğitimine Rochester Lisesi’nde devam etti. Her zaman Kaliforniya Üniversitesine gideceği beklendi ama Rochester Lisesi’ndeki öğretmenlerin teşviki ile 1932’de diplomasını aldığı, 1934’te mastırını, 1936 yılında doktorasını yaptığı Chicago Üniversitesine gitti. Lisans öğrencisi olarak Phi Gamma Delta derneğindendi, mezun olduktan sonra Gamma Alpha’ya geçiş yaptı.

1932 yılında Chicago’da mezun olarak fiziği keşfetti ve fizikçi Albert A. Michelson’ın ekipmanlarını kullanma fırsatı yakaladı. Alvarez ayrıca Geiger sayacı tüplerini tekrar düzenleyerek kozmik ışın teleskobu yaptı ve danışmanı olan Arthur Compton’un himayesi altında kozmik ışınların doğu-batı etkisi olarak adlandırılan Mexico City’deki deneyi yönlendirdi. Batıdan gelen daha fazla radyasyon gözlemlendi ve Alvarez ilk kozmik ışınların pozitif yüklü olduğu sonucuna vardı. Compton sonucu Alvarez’in ismi başta olmak üzere Physical Review’a teslim etti.

Alvarez’in kız kardeşi Gladys Ernest Lawrence için yarı zamanlı sekreter olarak çalıştı ve Lawrence’a Alvarez’den bahsetti. Daha sonrasında Lawrence, Alvarez’i Chicago’daki Gelişimin Yüzyılı sergisini gezmek için davet etti. 1936’da sözlü sınavlarını tamamladıktan sonra Alvarez kardeşinden Lawrence’a Radyasyon Laboratuvarında çalışmak için uygun iş olup olmadığını sormasını istedi. Kısa bir zaman sonra Gladys’tan Lawrence’ın sunduğu iş teklifi telgrafı geldi. Bu Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’deki uzun süreli işbirliğini başlattı. Alvarez ve Smithwick Kaliforniya Üniversitesindeki küçük bir kilisede evlenmelerinin ardından Kaliforniya’ya gittiler. Walter ve Jean adında iki çocukları oldu. 1957 yılında ise boşandılar. 28 Aralık 1958’de Alvarez, Janet L. Landis ile evlendi ve Donald ile Helen adında iki çocuğu daha oldu.

Radyasyon Laboratuvarında Lawrence’ın deneysel takımıyla birlikte çalıştı. Takım Robert Oppenheimer’ın önderliğinde teorik fizikçilerce destekleniyordu. Alvarez radyoaktif çekirdekteki K-elektron yakalamasını gözlemlemek için birçok deney yaptı. Radyoaktif kaynaklardan sızan pozitron ve elektronları bir kenara kaldırmak için mıknatısları kullandı. K yakalamasından gelen sadece yumuşak x-ışınlarını saptaması için özel bir Geiger sayacı tasarladı.

Döteryum (hidrojen-2) döteryum ile bombardıman edildiğinde füzyon reaksiyonunun her bir ürünü trityum (hidrojen-3) artı bir proton ya da helyum-3 artı bir nötron (2H + 2H → 3H + p ya da 3He + n) oldu. Bu en basit füzyon reaksiyonlarından biriydi ve hidrojen bombasının temeliydi. Ayrıca geçerlilikteki araştırma nükleer füzyonu kontrolü üzerineydi. Bu zamanda bu iki reaksiyon ürünlerinin kararlılığı bilinmiyordu ama Hans Bethe’nin teorisi olan trityumun karalı ve helyum-3’ün karasız olmasına dayanıyordu. Alvarez 60 inçlik siklotron sistemindeki bilgilerini kullanarak bunun tersini kanıtladı. Makineyi helyum-3 çekirdeğini çift iyonlaşmış hızlandırmaya ayarladı ve hızlandırılmış iyon ışınları elde etti. Böylece siklotonu bir çeşit süper kütle spektrometresi olarak kullandı. Hızlandırılmış helyumun milyonlarca yıldır olduğu derin gaz kuyularından gelmesine karşın helyum-3 bileşenleri kararlı olmalıydı. Daha sonrasında Alvarez siklotron kullanarak radyoaktif trityum ve 2H + 2H reaksiyonu elde etti ve bunun ömrünü ölçtü.

1938 yılında tekrar siklotrondaki bilgilerini kullanarak ve uçuş zamanı teknikleri olarak bilinen teknikler ile Alvarez tek enerjili termal nötronları ışını yarattı. Bununla birlikte Felix Bloch ile işbirliği içerisinde nötronun manyetik momentini ölçmek için uzun bir deney serisi başladı. Sonuçları μ0 = 1.93±0.02 μN 1940 yılında yayınlandı ve önceki çalışmalarının büyük ölçüdeki faydasıydı.

Amerika Birleşik Devletleri için olan 1940 yılındaki İngiliz Tizard Görevi, baştaki Amerikan bilimcilerinin magnetrondaki başarılı uygulamaları ile kısa dalgaboyunda titreşen radar ürettiklerini ispatladı. Başkan Franklin Roosevelt’ten birkaç ay öncesinde kurulan Ulusal Savunma Araştırma Komitesi Massachusetts Teknik Enstitüsünde (MIT) ordu uygulamalarındaki mikrodalga radarların geliştirilmesi amacı ile ulusal merkez laboratuvarı açtı. Lawrence, Alvarez’in de aralarında bulunduğu en iyi siklotroncularını Radyasyon Laboratuvarı olarak bilinen yeni laboratuvar için topladı, 11 Kasım 1940. Alvarez birçok radar projesine katkıda bulundu.

İlk projelerden biri magnetron tarafından İngiliz uzun dalga radarını yeni mikrodalga santimetre şerit radar yapmayı mümkün kılacak donanım yapmaktı. Erken uyarı mikrodalgası (EUM) üzerinde çalışırken Alvarez çizgisel dipol diziliş anteni icat etti. Bu sadece istenmeyen kenar loblarından baskı altına alınmış radyasyon alanıydı ama ayrıca mekanik taramaya gerek duymaksızın elektronik olarak da tarayabiliyordu. Bu ilk mikrodalgalı faz dizilimi anteniydi ve Alvarez bunu sadece EUM’da kullanmadı, ayrıca iki radar sisteminde daha kullandı. Anten, kötü havalarda ya da bulutlu olduğunda bombalamanın kesinliğini destekleme konusunda olanak sağlıyordu. Bu birçok B-29 kartal ile donatılmış ve düzgün çalışmasına rağmen savaşın sonrasında tamamlandı.

Radar sistemi Alvarez’in en çok bilindiği alan ve havacılıkta oldukça büyük bir rolü vardı, özellikle Berlin Ablukası sonrası. Alvarez’in dipol anteni kullanılarak çok yüksek açısal çözünürlük elde edilmek istendi. Yerden kontrol yaklaşımları pilotlarca sözlü komuta aktarımları ile uçağın iniş yapması için yer tabanlı radar operatörlerine izlenen özel kesinlikler göstermeye olanak sağlıyordu. Sistem eğitimsiz pilotlar için bile kolay, direkt ve oldukça iyi çalışır durumda idi. O kadar başarılıydı ki ordu savaştan sonraki yıllarda da kullanmaya devam etti ve 1980’lerde bazı ülkelerde hala kullanılmaktaydı. Alvarez 1945 yılında Ulusal Havacılık Kuruluşu tarafından her hava ve trafik koşulunda hava aracının yere güvenli inişini sağlayan Yerden Kontrol Yaklaşım (YKY) sistemini geliştirdiği için Collier Ödülü kazandı.

Alvarez 1943 yazını İngiltere’de YKY’ı test ederek geçirdi. Burada iken genç Arthur C. Clarke, RAF radar teknisyeni, ile karşılaştı. Clarke onun deneyimlerini radar araştırma istasyonunda romanı Glide Path’te kullandı. Clarke ve Alvarez uzun süreli arkadaşlık kurdular.

1943 sonbaharında Alvarez, Robert Oppenheimer’dan Los Alamos’taki Manhattan Projesinde çalışma teklifi ile Amerika Birleşik Devletlerine geri döndü. Fakat Oppehiemer Los Alamos’a gelmeden önce Chicago Üniversitesinde Enrico Fermi ile birkaç ay çalışma önerisinde bulundu. Bu aylar boyunca General Leslie Groves Alvarez’den Almanların nükleer reaktörler işletip işletmediğini, eğer işletiyorlar ise nerede olduğunu Amerika’nın öğrenebileceği bir yol düşünmesini istedi. Alvarez reaktörün üretti, xenon 133, radyoaktif gazları tespit edecek sistem taşıyan uçak teklifini sundu. Donanım Almanya boyunca uçtu ama Almanlar zincirleme reaksiyon için uygun olabilecek reaktör inşa etmedikleri için radyoaktif xenon saptanmadı. Bu füzyon ürünleri gözlemlenmesinin ve istihbarat toplama yöntemlerinin ilk fikriydi. Savaştan sonra oldukça önemli bir hale gelecekti.

Radar çalışmasının sonucu ve Fermi ile birkaç ay çalıştıktan sonra Alvarez 1944 baharında Los Alamos’a gitti. “Little Boy” (uranyum bombası) üzerindeki çalışma uzunca sürdü. Böylece Alvarez “Fat Man” (plütonyum bombası) tasarımına katıldı. Teknik uranyum için kullanıldı. Bu iki kritik kütlenin type of gun kullanılarak birleştirilmesiydi. Geri plandaki doğal nötronların yüksek seviyede olması iki parça birbirine yaklaştığı anda füzyon oluşturacağından plütonyum için işe yaramadı. Böylelikle ısı ve genleşme fazla enerji açığa çıkmadan sistemi parçalayacaktı. Bununla neredeyse kritik plütonyum kürede kullanılmasına karar verildi.

Simetrik iç patlama yaratmak için plütonyum çekirdeğini gerekli yoğunluğa sıkıştırmak gerekiyordu, otuz iki patlayıcı yük eş zamanlı olarak küresel çekirdeğin etrafında patlatıldı. Patlayıcı kapsülleri ile alışılagelmiş patlama teknikleri kullanılarak işlemin eşzamanlı küçük bir bölüngü ile mikro saniye içinde başarısı hayal kırıklığına uğratıcıydı. Alvarez mezun olmuş öğrencisi Lawrence H. Johnson’ı her bir patlayıcı lense yüksek voltajda yük göndermesi için büyük bir kondansatör kullanması için yönlendirdi ve patlayıcı kapsüller patlayıcı köprü kablo fünye ile değiştirildi. Patlayıcı kablo otuz iki yükü mikro saniyenin birkaç ondalık diliminde infilak ettirdi. Buluş iç patlama tipi nükleer silah açısından kritik bir başarı sergiledi. Alvarez ayrıca RaLa Deneylerini de denetledi.

Tekrar Johnson ile çalışırken Alvarez’in Manhattan Projesi için olan son görevi atomik patlamadan patlama dalgasının gücünü uçaktan paraşütle atlandığında hesaplamak için kalibre edilmiş mikrofon ve verici geliştirmekti. Böylelikle bilimcilerin bombanın enerjisini hesaplamasına imkân sağlanacaktı. Alvarez B-29 Uçan Kalesinden Trinity nükleer testini gözlemledi ve ayrıca Proje Alberta üyelerinden Harold Agnew ve Deak Parsons da eşlik etti.

B-29 uçan kale The Great Artiste’te Enola Gay ile uçarken Alvarez ve Johnson Hiroşima’ya bırakılan Little Boy bombasının patlama etkisini ölçtüler. Birkaç gün sonra tekrar The Great Artiste’te uçarken Johnson Nagasaki patlaması gücünü ölçmede kullanılan aynı ekipmanı kullandı.

Kaliforniya Üniversitesine profesör olarak döndüğünde savaş zamanı radar bilgilerini parçacık hızlandırıcı üzerinde nasıl kullanacağı ile ilgili birçok fikri vardı. Bunlardan bazıları faz karalılığı konseptinde senkrosiklotronlarca izin verilen Edwin McMillian’dan gelen “büyük fikir” meyvesiydi. Arıtılarak ve genleştirilerek Lawrence takımı dünyanın en büyük proton hızlandırıcısı olan Bevatron’u yaptı. 1954 yılında ise işletilmeye başlandı. Özellikle ikinci çarpışmada olmak üzere Bevatron inlinç parçacıkların kopyasını üretebilirdi. Bu karmaşık etkileşimlerin saptanması ve analiz edilmesi bu zamanda zordu.

Parçacıkların izlerini gözlemlemek için Donald Glaser tarafından kabarcık odası olarak bilinen yeni bir tutucu geliştirildi. Alvarez bu cihazın tam aradıkları şey olduğunu fark etti fakat keşke sıvı hidrojen fonksiyonu ile de yapılabilseydi. Hidrojen çekirdeği, protonlar, en basit ve en Bevatron ile üretilmiş ürünlerin etkileşimi için arzu edilen hedefi yaptı. Küçük odacıklar serisi için program geliştirmeye başladı ve cihazı Ernest Lawrence tarafınca destekledi.

Glaser cihazı eter ile doldurulmuş küçük cam bir silindirdi. Cihazdaki basıncı birden düşürerek sıvı geçici olarak kızgın durumda yer alabildi. Glaser kaynamadan birkaç saniye için kızdırılmış hali sürdürebiliyordu. Alvarez sıvı hidrojen kullanarak 1.5, 2.5, 4, 10 ve 15 in odalar yaptı ve camdan camları olan metal inşa etti. Böylece izler fotoğraflanabilirdi. Odalar hızlandırıcı ışın ile senkronizede olmaya ayarlıydı ve fotoğraf çekilebilirdi. Bir sonraki ışın ayarı için odacık tekrar sıkıştırıldı.

Bu program neredeyse 2 metre uzunluğunda sıvı hidrojen kabarcık odası yaptı. Tonla fizikçi ve mezun öğrenci yüzlerce mühendis ve teknisyen bile birlikte çalıştılar. Parçacıkların etkileşiminin milyonlarca fotoğrafı çekildi. Etkileşimleri ölçmek ve analiz etmek için bilgisayar programları geliştirildi ve yeni parçacık türü ve rezonans halleri keşfedildi. Bu çalışma 1968 yılında Alvarez’e Nobel Fizik Ödülü getirdi.

1964 yılında Alvarez Yüksek Rakın Parçacık Fizik Deneyi (YRPFD) olarak bilinen orijinali oldukça yüksek enerjili parçacık etkileşimleri üzerinde çalışmak için yüksek rakım balonunca taşınan süper iletken mıknatıs olarak tasarladı. Bu zamanda deneydeki odak noktası kozmolojiye ve parçacıkların rolü ve evrendeki radyasyona kaydı. Bu çalışma detektörleri yüksek rakım balonu ile ve yüksek uçuş hava aracı U-2 havaya çıkarmak oldukça zahmetliydi.

1965 yılında Alvarez Mısır piramitlerindeki gizli odaları araştırmaya girişti. Doğal meydana gelen kozmik ışınları ve yüksek enerji parçacık fiziği zamanındaki standart donanımları kullanarak bilinen odanın ikinci piramit olan Chephren’in altını araştırdı. Farklı yönlerdeki kozmik ışınların sayım oranını ölçerek detektör kayalık yapılardaki gizli oda var olup olmadığını açığa çıkaracaktı.

Alvarez Mısır ve Amerika Birleşik Devletlerinden fizikçi ve arkeolojist takımı topladı. Kayıt donanımı yapıldı ve 1967 Altı-Gün Savaşı’nın bölmesine kadar deney sürdürüldü. Savaştan sonra çalışma 1969’a kadar kozmik ışınların kayıt ve analizi ile devam etti. Alvarez Amerikan Fizik Derneği’ne gözlenen %19 piramitten oda bulunamadığını rapor etti.

Kasım 1966’da Life Abraham Zapruder’in Kennedy suikastınde çektiği fotoğraf serisini yayınladı. Optik ve fotoanalizde uzman olan Alvarez’in fotoğraflardan kafası karıştı ve bunlardan ne öğrenilebileceği konusunda çalıştı. Alvarez başkanın kafasnın arkasından çekine fotoğrafın arkasından vurulduğunu tutarlı şekilde gösterdiğini hem teorik hem de deneysel olarak kanıtladı. Ayrıca silahın ateşlenme zamanını, kamerada oluşan şok dalgasını ve kameranın hızını da araştırdı.

1980 yılında Alvarez ve dünya bilimci oğlu Walter Alvarez nükleer kimyacı Frank Asaro ve Helen Michel ile birlikte Dünya’yı sarsan facia ve Dünya tarihinin en büyük keşiflerinden birini ortaya çıkardılar.

Walter Alvarez 1970'lerde İtalya’nın başkentinde hem alt tabaka Cretaceous–Paleogene boundary hem de üst tabaka kireçtaşı katmanlarındaki geçidini inceleyen araştırma sürdürmekteydi. Kilin tam sınır katmanıdır. Walter babasına işaretli tabakanın dinozorların ve başka şeylerin yok oluşu hakkında kimsenin neden olduğunu ya da kilin bu konudaki söylediğini bilmediğini söyledi. Bu büyük bir gizemdi ve bunu çözmeye niyetlendi.

Alvarez’in Lawrence Berkeley Laboratuvarı’ndaki nükleer kimyacılara ulaşması ve Frank Asaro ile nötron aktivasyon analizi tekniğini kullanan Helen Michel ile birlikte çalışma şansı vardı. 1980 yılında Alvarez, Alvarez, Asaro ve Michel Cretaceous-Paleogene yok oluşunun (daha sonrasında Cretaceous-Tertiary yok oluşu olarak adlandırıldı) dünya dışından gelen bir nedenden dolayı olduğunu öne süren belge yayınladılar. Makalelerinin yayınlamanın sonraki yıllarında kilin is, küçük cam küreler, şoklanmış quartz kristalleri, mikroskopsal elmas ve sadece yüksek ısı ve basınç altında şekil bulabilecek nadir mineraller içerdiği bulundu.

1980’de yayınlanan makale dünya bilimi komitesince eleştiri getirdi ve haşin bir bilimsel tartışma ortamı meydana getirdi. On yıl ve Alvarez’in ölümünden sonra Chicxulub olarak adlandırılan teoriyi destekleyen geniş çarpma krateri kanıtı Meksika kıyısında bulundu. Diğer araştırmacılar daha sonra Cretaceous dinozorların yok olmasının sonucu meydana gelmesi hızla dünya bilimi terimlerinde yer almaya başladı. Diğerleri volkanizma gibi alternatif yok oluş senaryoları üzerinde çalışmaya devam ettiler. Fakat 4 Mart 2010’da 41 bilim insanı Chicxulub asteroit çarpmasının kütle yok oluşunu tetiklediğini kabul etti.

Otobiyografisinde Alvarez “Kendimi iki farklı kariyerde görüyorum, bunlardan biri bilim diğeri ise havacılık alanında.” dedi. Uçuştan aldığı zevke önemli bir katkısı oldu. 1933 yılında uçuşu öğrendi ve daha sonrasında instrument ve çoklu motor belgesi kazandı. Sonraki 50 yıl içinde çoğunluğu pilot komutasında 1000 saati aşkın uçuş zamanı elde etti. “yolcuların can güvenliği sorumluluğunda pilot olarak daha fazla haz veren çok az aktivite buldum.” dedi.

Alvarez havacılığa birçok katkıda bulundu. İkinci Dünya Savaşı sırasında çoklu havacılık teknikleri geliştirme üzerine çalıştı. 1945’te Collier Ödülü aldığı YKY de dahil olmak üzere projelerinden birkaçı üstte tanımlanmaktadır. Ayrıca basit radar aktarıcı ile patent almıştır.

Kariyerinin sonraki yıllarında hem askeri hem de sivil havacılık komitelerine danışmanlık yaptı. Buna Federal Havacılık Bakanlığı’nın gelecekteki hava navigasyonu ve hava trafiği sistemi grup projeleri de dahildir.

Alvarez’in uçuş sorumlulukları birçok maceraya yol açtı. Örnek olarak YKY üzerinde çalışırken kokpit dışındaki bir açıdan alçak uçuş gerçekleştiren ilk sivil oldu. Ayrıca yardımcı pilot koltuğundan B-29 ve Lockheed F-104 de dahil olmak üzere birçok askeri hava aracı uçurdu. Buna ek olarak İkinci Dünya Savaşı sırasında Miles Master’da yolcu olarak çarpışmadan canlı kurtuldu.