ארנסט לורנס

תחילת הקריירה

לורנס נולד בעיירה קנטון שבדרום דקוטה, למשפחה ממוצא נורווגי. בנעוריו גילה עניין בהרכבת מכשירי רדיו. בגיל 16 החל לימודי רפואה בקולג' לותרני קטן בשם סנט אולף במינסוטה. לאחר שנה עבר לאוניברסיטת דרום דקוטה, ובה אחד הפרופסורים שכנע אותו ללמוד פיזיקה, כשהבחין בהתעניינותו במכשירי רדיו. הוא סיים את התואר הראשון ב־1922, והחל ללמוד אצל ו. פ. ג. סוון (W.F.G. Swann) באוניברסיטת מינסוטה. לורנס עבר בעקבות מנחהו לאוניברסיטת שיקגו, ולבסוף לאוניברסיטת ייל, שם השלים ב־1925 עבודת דוקטורט ניסויית שעסקה באפקט הפוטואלקטרי. הוא נשאר בייל במסגרת פוסט-דוקטורט והפך למרצה מן החוץ ב־1927.
ב־1928 עבר לורנס לאוניברסיטת קליפורניה בברקלי כמרצה מן המניין, ושנתיים לאחר מכן הפך לפרופסור הצעיר ביותר בתולדות האוניברסיטה. באותה תקופה הצטרף לסגל האוניברסיטה גם הפיזיקאי התאורטי רוברט אופנהיימר. השניים התיידדו, ובהמשך אף שיתפו פעולה במחקריהם. הן בייל והן בברקלי ערך לורנס ניסויים בתחומים פיזיקליים שונים, כמו מדידת אנרגיית היינון של כספית, מדידת פרקי זמן בסדר גודל של ננו-שנייה (מיליארדית השנייה) ושימוש במדידות אלו לצורך חקירת השלבים הראשונים של התפרקות חשמלית. כן מצא לורנס שיטות חדשות למדידת היחס e/m בין מטען האלקטרון למסתו.
לורנס הרבה לשהות באוניברסיטאות במזרח ארצות הברית. באחד מביקורים אלה פגש את מרי (מולי) בלאמר, בתו של פרופסור לרפואה בייל. הם נישאו ב־1932, ונולדו להם 6 ילדים.

המצאת הציקלוטרון

לורנס התפרסם בעקבות המצאת הציקלוטרון, שהיה מאיץ החלקיקים המעגלי הראשון, והיווה פריצת דרך משמעותית בתחום. הציקלוטרון הפך למאיץ החלקיקים החשוב ביותר באמצע המאה העשרים, ומחקרים רבים נעשו בעזרתו. מאיצי החלקיקים שהופיעו אחר כך ומשמשים את המדענים גם כיום, מבוססים על המצאתו.
עידן הפיזיקה הגרעינית החל ב־1919, כאשר ארנסט רתרפורד הפציץ אטומי חנקן בחלקיקי אלפא שנוצרו בהתפרקות רדיואקטיבית טבעית, וכתוצאה מכך חלק מאטומי החנקן הפכו לאטומי חמצן. אולם במהלך שנות ה-20 לא חלה התפתחות בתחום, משום שהאנרגיה של חלקיקי האלפא הייתה מוגבלת, ולכן בשנת 1927 קרא רתפורד לבניית מכשירים שיוכלו להאיץ חלקיקים טעונים למהירות מספיק גבוהה כך שהאנרגיה שלהם תגיע לערך הנדרש - מאות אלפי ואפילו מיליוני אלקטרון וולט.
באותה תקופה לא ניתן היה ליצור מתח גבוה מספיק הדרוש להאצת חלקיקי האלפא לאנרגיות כאלה, ולכן הועלו רעיונות להאיץ חלקיקים על ידי שימוש חוזר באותו מתח כמה פעמים, כלומר האצה בשלבים. ב־1929 נתקל לורנס במאמר מדעי בכתב עת בגרמנית שהציע דרך לבצע זאת. לורנס, שלא שלט היטב בגרמנית, לא קרא את המאמר עצמו לעומק, אולם הבין את הרעיון העיקרי מתוך השרטוטים שהיו מצורפים אליו: חלקיקים טעונים נמשכים לתוך אלקטרודה צינורית בעזרת מתח חשמלי ונדחים ממנה החוצה, לאחר שעברו את אמצע הצינור, בעזרת היפוך המתח בצורה מתוזמנת. שימוש בכמה אלקטרודות כאלה בטור גורם להאצה נוספת בעזרת אותו מתח. אולם כל תוספת לאנרגיה של ההאצה דורשת הוספה של עוד ועוד אלקטרודות צינוריות (שגם צריכות להיות ארוכות יותר), מה שגרם למכשיר להיות לא מעשי עבור אנרגיות גבוהות.
שיטה זו נתנה השראה ללורנס למצוא דרך להשתמש שוב ושוב באותו מתח על מנת להאיץ את החלקיקים, וכך לקבל בכל מעבר של החלקיק תוספת אנרגיה, עד קבלת האנרגיה הדרושה. הוא הבין שניתן להשתמש בשדה מגנטי על מנת להחזיר את החלקיקים לאזור ההאצה לאחר כל פעם שיצאו ממנו, וכך להשתמש פעמים רבות באותו הפרש מתחים. לורנס חשב על מכשיר שיכיל שני אזורים שבהם יש שדה מגנטי אחיד, וביניהם אזור קטן ובו שדה חשמלי מתחלף הניצב לשדה המגנטי. החלקיקים יואצו באזור השדה החשמלי עד שיגיעו לאזור השדה המגנטי, שם הם יסתובבו בחצי מעגל בלי לשנות את מהירותם, ויחזרו לאזור השדה החשמלי על מנת לקבל האצה נוספת.
חלקיק טעון שנמצא בשדה מגנטי אחיד הניצב לכיוון תנועתו, מסתובב במעגל. רדיוס המעגל עולה ביחס ישר למהירות החלקיק, ולכן התדירות ומשך זמן הסיבוב אינם תלויים במהירות. הם תלויים רק במטען החלקיק, במסה שלו, ובעוצמת השדה המגנטי, שאינם משתנים.
לורנס הבין שמכיוון שזמן התנועה הוא קבוע באזור השדה המגנטי, אפשר לשים באזור החשמלי מתח חילופין בתדירות שמתאימה לתדירות הסיבוב של החלקיקים בשדה המגנטי, ואז המתח יאיץ תמיד את החלקיקים שיעברו בו. לאחר כל מעבר כזה גדל רדיוס התנועה של החלקיקים בשדה המגנטי, עד שהם מגיעים לאנרגיה מסוימת, ואז הם יוצאים מהמכשיר בצורת קרן של חלקיקים.
לורנס, בעזרת הסטודנטים שלו ובראשם סטנלי ליווינגסטון, החל ב־1930 בבניית המודל הראשון של הציקלוטרון, בקוטר של 4.5 אינץ' (כ־11 ס"מ). המודל הופעל לראשונה בהצלחה ב־2 בינואר 1931. בעזרת הפרש מתחים של 1,800 וולט, הצליח לורנס להאיץ חלקיקים טעונים למהירויות שבהן האנרגיה הקינטית שלהם הייתה 80,000 אלקטרון וולט (שקול להאצה חד-פעמית של אותו חלקיק בעזרת הפרש מתחים של 80,000 וולט).
ב־1934 רשם לורנס פטנט על הציקלוטרון. אחרי שהפעלת המודל הראשון של הציקלוטרון הצליחה, החל לורנס לבנות ציקלוטרונים גדולים יותר, שהאיצו חלקיקים לאנרגיות גבוהות יותר. ב־1932 בנה ציקלוטרון בקוטר 27 אינץ' (כ־70 ס"מ), שהאיץ חלקיקים לאנרגיות של מיליוני אלקטרון וולט, ובהמשך העשור נבנו ציקלוטרונים בעלי קוטר של עד 60 אינץ' (כמטר וחצי), שהאיצו לאנרגיות של עשרות מיליוני אלקטרון וולט. הציקלוטרון הפך את לורנס לאישיות מפורסמת ומוערכת הן בעולם המדעי והן מחוצה לו. ב־1937 הופיעה עליו כתבת שער בטיים מגזין. ב־1939 הוענק ללורנס פרס נובל לפיזיקה עבור עבודתו על הציקלוטרון ויישומיו. טקס קבלת הפרס נערך בקליפורניה עקב המלחמה, ולורנס קיבל את המדליה שלו מהקונסול הכללי של שוודיה בסן פרנסיסקו.

מעבדת הקרינה

בעוד שהמודל הראשון של הציקלוטרון נבנה מחלקי מתכת, חוטי תיל ושעוות חותם לבידוד בעלות כוללת של כ־25 דולר, בניית הדגמים המתקדמים יותר הצריכה הגדלה משמעותית הן במשאבים, הן בכוח האדם והן בגודל הפיזי של המקום שנועד להכיל את המגנטים הגדולים שנדרשו. באוגוסט 1931 הקצתה האוניברסיטה בניין ללורנס, ובו הוקמה מעבדת הקרינה שבראשה עמד עד מותו. בהמשך היא נקראה על שמו והפכה ל"מעבדה הלאומית לורנס ברקלי". לורנס עסק לא רק בצד המדעי של בניית המכשירים ועריכת הניסויים בהם, אלא גם בגיוס מימון ותרומות, ובגיוס כוח אדם, כל זאת בימי השיא של השפל הגדול - דבר שפיתח את כישורי האדמיניסטרציה והשתדלנות שלו.
בשנות ה-30 כלל צוות מעבדת הקרינה עשרות אנשים, מתחומים שונים: פיזיקאים, כימאים, מהנדסים ואפילו אנשי רפואה וביולוגיה. היא הייתה אחת הדוגמאות הראשונות ל"מדע גדול", שבו העבודה לא נעשתה על ידי מדען יחיד, אלא בצוותים גדולים של מדענים מתחומים שונים, ובהשקעה של משאבים רבים. אנשי המעבדה של לורנס השתמשו בציקלוטרונים להפצצת אטומים בחלקיקים אנרגטיים. בעזרת הגלאים שמדדו את החלקיקים המתפזרים מהחומר המופצץ, הם למדו על התכונות הבסיסיות של גרעין האטום, החלקיקים שמרכיבים אותו והאינטראקציות הגרעיניות. בדגימות המופצצות נוצרו איזוטופים רדיואקטיביים מלאכותיים, ואף יסודות מלאכותיים שלראשונה הייתה אפשרות לחקור אותם ואת תכונותיהם באופן ניסויי. בהשפעת אחיו הרופא, שאתו הוא שיתף פעולה במחקריו, ועל מנת לגייס תורמים, הקדיש לורנס תשומת לב רבה לייצור רדיואיזוטופים בעלי שימוש רפואי הן לצורך רדיותרפיה והן כסמנים (tracers).
ההתעסקות של לורנס בשיפור מתמיד של הציקלוטרון באה לעיתים על חשבון העבודה המדעית עצמה. לורנס וצוותו החמיצו מספר תגליות שהיו יכולים לחשוף בניסויים שאותם ערכו, פשוט מפני שלא חשבו לבצע את המדידות המתאימות. כך למשל הפיזיקאים הצרפתיים אירֶן ופרדריק ז'וליו-קירי הקדימו אותם בגילוי הרדיואקטיביות המלאכותית, משום שאנשי המעבדה של לורנס בדקו את הקרינה הנפלטת מהמטרות אותן הפציצו בחלקיקים אנרגטיים רק בזמן הפגיעה, אך לא אחריה. הטעות המביכה ביותר של לורנס הייתה טענתו שדאוטריום (חומר בו הרבה להשתמש כ"קליע" שהואץ בציקלוטרון ופגע במטרות העשויות מאטומים כבדים יותר) מתפרק כאשר הוא פוגע בגרעין אחר. הטענה עוררה הדים רבים בשל השלכותיה מרחיקות הלכת על הפיזיקה הגרעינית, אך לבסוף התבררה כטעות שנבעה מזיהום במכשור הניסוי.
לורנס הרבה לחלוק עם מדענים נוספים את המידע שהצוות שלו גילה. מדענים רבים התארחו במעבדתו על מנת ללמוד על הציקלוטרון ואחר כך לבנות ציקלוטרונים באוניברסיטאות אחרות בארצות הברית וברחבי העולם. אחד משיתופי הפעולה המוצלחים של לורנס הוביל לגילויו של יסוד חדש. באמצעות הציקלוטרון, הפציץ לורנס בשנת 1936 דוגמה של מוליבדן בדאוטריום, ואת התוצר הוא מסר לפיזיקאי אמיליו סגרה, שביקר בקליפורניה באותה עת. לאחר ששב למעבדתו באוניברסיטת פלרמו שבאיטליה, בחן סגרה את הדוגמה וגילה את היסוד המלאכותי הראשון - טכנציום.

פיתוח הפצצה הגרעינית

לורנס היה אחת הדמויות המרכזיות בפרויקט פיתוח הפצצה הגרעינית האמריקאית במהלך מלחמת העולם השנייה ("פרויקט מנהטן"). בשנת 1939, לאחר שהתפרסם כי אוטו האן גרם לביקוע גרעיני של גרעיני אורניום על ידי פגיעה של נייטרונים, החל לורנס לעסוק במחקר בתחום. אולם בארצות הברית התנהל בעצלתיים הפרויקט של פיתוח פצצה שתשתמש בעקרון הביקוע, והוא התעורר בשל החשש שגרמניה הנאצית מפתחת פצצה גרעינית, ובעקבות התקדמות המחקר בנושא של מדעני הגרעין בבריטניה. הבריטים הסיקו שאורניום 235 יכול לשמש לפיצוץ גרעיני ושהמסה הקריטית שלו היא בסדר גודל של קילוגרמים אחדים, ולא של טונות כפי שחשבו קודם. מספר מדענים בריטים ואמריקאים, בראשות לורנס וארתור קומפטון, ניסו להאיץ את תהליך פיתוח הפצצה. ניסיונותיהם החלו להתממש כאשר האחריות לנושא עברה לידיו של וניבר בוש, ראש "הוועדה הלאומית למחקר ביטחוני".
תרומתו המדעית העיקרית של לורנס הייתה בתחום העשרת האורניום. לורנס היה אחראי לפיתוח שיטת ההפרדה האלקטרומגנטית, שמתבססת על התלות במסה שיש למסלול התנועה של חלקיק טעון בתוך שדה מגנטי. ככל שהמסה גדולה יותר, כך גם רדיוס המסלול המעגלי של החלקיק יהיה גדול יותר. כך אפשר להפריד (לפחות חלקית) בין האיזוטופים השונים של האורניום, ולקבל חומר עשיר יותר באיזוטופ אורניום 235 שמשתתף בתגובת השרשרת הגרעינית, לעומת האיזוטופ אורניום-238 שמפריע לה. הגם שלא הגה את השיטה, הניסיון הרב של לורנס בשימוש במגנטים גדולים הפך אותו לאיש המתאים ביותר לעמוד בראש פרויקט היישום שלה.
בעזרת המגנטים של הציקלוטרונים הוא פיתח במעבדה בברקלי את הקלוטרון (Calutron - על שם אוניברסיטת קליפורניה), ואחר כך פיקח על בניית הקלוטרונים במפעל הגדול להעשרת האורניום באוק רידג' שבטנסי, ועל תיקון התקלות הרבות שהתגלו בהם. תקלות אלו נבעו מתהליך הבנייה המזורז של הקלוטרונים. אף על פי ששיטה זו לא הייתה היחידה שבה השתמשו באוק רידג' להעשרת האורניום, היא הייתה הראשונה שפעלה בהצלחה, והייתה השיטה העיקרית בהעשרת האורניום של "ילד קטן", הפצצה שהוטלה על הירושימה. לאחר המלחמה הצליחו להתגבר על הבעיות שהיו לשיטות ההעשרה האחרות, ושיטה זו נזנחה, אולם השימוש בה היה חיוני לעמידה בלוח הזמנים התובעני של פרויקט מנהטן.
גם במסלול השני לייצור חומר בקיע לפצצה הייתה ללורנס יד - ייצור הפלוטוניום. הדרך לייצר אותו מאורניום התגלתה במעבדה שלו בברקלי על ידי אדווין מקמילן, גלן סיבורג ושותפיהם למחקר. מעבדת הקרינה בברקלי הפכה לאחד ממרכזי המחקר החשובים במהלך המלחמה, והדבר השפיע על אופיה: ממעבדה בה היו עשרות אנשי צוות, היא גדלה למעבדה בת למעלה מ־1,000 איש. היא גם הפכה ממוסד מדעי טהור, למוסד שכפוף לכללים צבאיים ולסיווג ביטחוני. גם לורנס נאלץ להגביל את מנהגו לחלוק מידע עם מדענים עמיתים, אם כי לא תמיד עמד בכך.
מעבר לתרומה הספציפית שלו בתחום העשרת האורניום, לורנס לקח חלק חשוב בניהול הכללי של פרויקט בניית הפצצה. כשהאחריות על הפרויקט עברה לצבא, והוא הפך ל"פרויקט מנהטן", תמך לורנס בהקמת מעבדה מיוחדת שתרכז את פיתוח הפצצה עצמה, מעבדה שהוקמה לבסוף בלוס אלמוס. לורנס הציע שבראש המעבדה יעמוד איש המעבדה שלו בברקלי, אדווין מקמילן. אך ההחלטה הייתה בידי ראש הפרויקט, הגנרל לסלי גרובס. גרובס רצה בתחילה שלורנס עצמו יעמוד בראש המעבדה, אך הוא היה נחוץ גם בפרויקט העשרת האורניום, ולבסוף בחר גרובס ברוברט אופנהיימר. על אף שאופנהיימר היה ידידו, זעם לורנס על ההחלטה. הוא לא האמין שאופנהיימר, התאורטיקאי, יוכל לעמוד בראש מעבדה כזו, וגם לא בטח בו בשל עמדותיו השמאלניות.
לורנס, רוברט אופנהיימר, ארתור קומפטון ואנריקו פרמי היו חברים בצוות שהתבקש להמליץ כיצד להשתמש בפצצות הגרעיניות, לאחר שהושלם פיתוחן. בתחילה תמך לורנס ברעיון לבצע הדגמה של פעולת הפצצה בפני נציגים של יפן על מנת לשכנע אותם להיכנע, אולם לבסוף הוא השתכנע להצטרף לדעת שאר חברי הוועדה, שהמליצו ב־16 ביוני 1945 על "שימוש צבאי מיידי" בפצצה. חודש אחר כך נכח לורנס בניסוי טריניטי שנערך בניו מקסיקו, ובו פוצצה לראשונה פצצה גרעינית.

אחרי המלחמה

לאחר תום מלחמת העולם, ועם תחילת המלחמה הקרה, המשיך לורנס לשמור על קשרים טובים עם הממסד הביטחוני האמריקאי, כולל הצבא, הוועדה לאנרגיה אטומית (AEC) שהוקמה ב־1946, וחברי קונגרס שעסקו בנושא. בזכות כך הוא השיג תמיכה ממשלתית לפרויקטים החדשים של המעבדה, בהם ציקלוטרון בקוטר של 185 אינץ' (470 ס"מ), סינכרוטרון, ומאיץ קווי. בעזרת מאיצים אלה הצליחו מדעני המעבדה ליצור בפעם הראשונה באופן מלאכותי מזונים, ולצפות בפעם הראשונה באנטי-פרוטון. לורנס פעל לא רק למען הפרויקטים של המעבדה שלו, אלא ניצל את המוניטין והקשרים שלו לטובת פרויקטים ביטחוניים-טכנולוגיים אחרים. כך דחף למען פיתוח של מנועים גרעיניים לצוללות ופיתוח של נשק רדיולוגי. הוא לא נהג לפעול באופן פומבי, אלא מאחורי הקלעים, דבר שהתאים יותר לאופיו.
כמו רוב מדעני הגרעין, התנגד לורנס בתחילה לרעיון של אדוארד טלר לפיתוח פצצת המימן. אולם אחרי שהסובייטים ערכו את הניסוי הגרעיני הראשון שלהם ב־1949 שינה לורנס את דעתו, והפך לתומך נלהב של פיתוח הפצצה. תרומתו המדעית של לורנס לפרויקט זה אמורה הייתה להיות בניית מאיצי חלקיקים גדולים שיפיקו נייטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. נייטרונים אלו נדרשים לייצור הטריטיום המשמש בפצצת המימן, וכן לייצור פלוטוניום המשמש בפצצת ביקוע גרעיני. המיקום שנבחר למאיץ הראשון היה בסיס חיל אוויר בליברמור, כ־50 קילומטר ממזרח לסן פרנסיסקו. התוכנית בוטלה זמן קצר אחרי הפעלת המאיץ, אולם בעידודו של טלר הפך האתר בליברמור למעבדת המחקר הביטחונית השנייה בחשיבותה (אחרי מעבדת לוס אלמוס). מעבדה זו הייתה בתקופתו של לורנס מסונפת למעבדת הקרינה שלו בברקלי, ואילו היום היא עצמאית לחלוטין וקרויה המעבדה הלאומית לורנס ליברמור.
הגישה הניצית ההולכת וגוברת של לורנס הובילה לקרע ביחסיו עם רוברט אופנהיימר, ששיאו היה נכונותו של לורנס להעיד נגד אופנהיימר בשימוע שנערך לו ב־1954 על הסרת הסיווג הביטחוני שלו. בסופו של דבר, בגלל אשפוזו של לורנס, הוא לא העיד באופן רשמי בפני הוועדה, אבל דיבר עם צוות התביעה וטען באוזניהם כי אסור לאפשר לאופנהיימר "איזשהו קשר לקביעת מדיניות". בעקבות הניסויים הגרעיניים שנערכו באטול ביקיני ב־1954 במהלך "מבצע קאסל" (Operation Castle), וגרמו לפיזור נשורת גרעינית בטווח שהיה גדול מהמצופה ושכלל גם אזורים מיושבים, החלה לעלות דרישה ציבורית להפסקת הניסויים הגרעיניים. לורנס התנגד לדרישה, והציע במקום זאת לפתח פצצות "נקיות", שיגרמו לפיזור של פחות נשורת.
ב־1958 נענה לבקשתו של הנשיא אייזנהאואר להצטרף למשלחת האמריקנית לשיחות שנערכו בז'נבה בשווייץ בנושא של הפסקת הניסויים הגרעיניים. במהלך הדיונים, חלה החמרה במחלת הקוליטיס הכיבית שממנה סבל באופן כרוני. הוא חזר לארצות הברית ונותח בבית חולים בפאלו אלטו. לורנס לא שב להכרתו לאחר הניתוח, ונפטר כחודש לאחר מכן, ב־27 באוגוסט 1958. עשרים ושלושה ימים בלבד לאחר מותו, החליטה אוניברסיטת קליפורניה לקרוא על שמו את המעבדות בברקלי ובליברמור. היסוד הכימי מספר 103 שנתגלה ב־1961 במעבדת לורנס בברקלי נקרא "לורנציום" על שמו.