רודולף פיירלס

רודולף ארנסט פיירלס (באנגלית: Rudolf Ernst Peierls; 5 ביוני 1907 – 19 בספטמבר 1995) היה פיזיקאי בריטי יליד גרמניה, שמילא תפקיד מרכזי בתוכנית צינורות סגסוגת, תוכנית הנשק הגרעיני של בריטניה, וכן בפרויקט מנהטן, התוכנית המשותפת של בעלות הברית לפיתוח פצצה גרעינית. הספדו משנת 1996 בכתב העת Physics Today תיאר אותו כ"שחקן מרכזי בדרמה של פריצת הפיזיקה גרעינית לענייני העולם".

פיירלס למד פיזיקה באוניברסיטת הומבולדט של ברלין, באוניברסיטת מינכן בהדרכת ארנולד זומרפלד, באוניברסיטת לייפציג בהדרכת ורנר הייזנברג, ובמכון הטכנולוגי של ציריך בהדרכת וולפגנג פאולי. לאחר שקיבל את תואר ה־DPhil מלייפציג ב-1929, הפך לעוזרו של פאולי בציריך. ב-1932 זכה במלגת רוקפלר, אותה ניצל כדי ללמוד ברומא בהדרכת אנריקו פרמי, ולאחר מכן במעבדת קוונדיש בקיימברידג' בהדרכת ראלף הווארד פאולר. בשל מוצאו היהודי, החליט לא לשוב לגרמניה לאחר עלייתו של אדולף היטלר לשלטון ב-1933, והעדיף להישאר בבריטניה, שם עבד עם הנס בתה באוניברסיטת ויקטוריה של מנצ'סטר, ולאחר מכן במעבדת מונד בקיימברידג'. ב-1937, מארק אוליפנט, הפרופסור האוסטרלי החדש לפיזיקה באוניברסיטת ברמינגהאם, גייס אותו לכהן כפרופסור למתמטיקה יישומית.

במרץ 1940 ניסחו רודולף פיירלס ואוטו פריש את מזכר פריש–פיירלס, מסמך קצר שהציג לראשונה את האפשרות התאורטית לבניית פצצה גרעינית באמצעות כמות קטנה של אורניום-235. עד לאותו שלב, ההערכה הייתה כי יידרשו טונות של חומר בקיע על מנת ליצור פצצה, ולכן הרעיון נחשב בלתי ישים מבחינה מעשית. המזכר עורר עניין רב בקרב גורמים ממשלתיים בבריטניה ובהמשך גם בארצות הברית, ותרם תרומה מרכזית להתנעת המחקר בתחום הנשק הגרעיני, שהוביל בסופו של דבר לפרויקט מנהטן.

במהלך עבודתו, גייס פיירלס לשירותו את קלאוס פוקס, פליט מגרמניה שכמוהו הגיע לבריטניה. מאוחר יותר, עם חשיפתו של פוקס כמרגל שפעל לטובת ברית המועצות בשנת 1950, עלו חשדות גם כלפי פיירלס, אך לא נמצא קשר ישיר בין השניים בתחום זה.

לאחר תום מלחמת העולם השנייה שב פיירלס לאוניברסיטת ברמינגהאם, שם המשיך לעסוק במחקר עד שנת 1963. בהמשך מונה לפרופסור ויקהאם לפיזיקה תאורטית באוניברסיטת אוקספורד ולחבר בניו קולג', תפקיד בו כיהן עד לפרישתו בשנת 1974. תחומי מחקריו כללו כוחות גרעיניים, תהליכי פיזור, תורת השדות הקוונטית, מבנה גרעין, תנועה קולקטיבית בגרעינים, תאוריות העברה ומכניקה סטטיסטית. הוא שימש גם יועץ למרכז המחקר לאנרגיה אטומית בהארוול.

פיירלס כתב ספרים מדעיים ופופולריים, ובהם "תורת הקוונטים של מוצקים", "חוקי הטבע" (1955), "הפתעות בפיזיקה תאורטית" (1979), "עוד הפתעות בפיזיקה תאורטית" (1991) ואוטוביוגרפיה בשם "ציפור נודדת" (1985). על תרומתו למדע הוענק לו תואר אבירות בשנת 1968. הוא היה מעורב בפעילות ציבורית הנוגעת לאחריות המדעית של פיתוח נשק גרעיני, בין היתר באמצעות פעילותו בביטאון מדעני האטום, נשיאותו באגודת המדענים האטומיים בבריטניה והשתתפותו בוועידות פגוואש בנושא מדע ועניינים בין-לאומיים.

 ביוגרפיה 
רודולף ארנסט פיירלס נולד בפרבר אוברשונוויידה בברלין, הצעיר מבין שלושה ילדים של היינריך פיירלס, מהנדס חשמל ממשפחה של סוחרים יהודים. אביו היה המנהל של מפעל כבלים של AEG, ואמו הייתה אליזבת (לבית וייגרט), אשתו הראשונה של אביו. לרודולף היו אח גדול, אלפרד, ואחות גדולה, אני. אמו נפטרה מלימפומת הודג'קין ב-1921, ואביו נישא לאלזה הרמן, גיסתו של המחזאי לודוויג פולדה. המשפחה הייתה יהודית, אך התבוללה, ופיירלס ואחיו הוטבלו כלותרנים. אך בבגרותו זנח את הדת.

פיירלס החל את לימודיו שנה באיחור משום שהוריו חששו כי יאבד או ישבור את משקפיו. לאחר שנתיים בבית ספר יסודי מקומי, הוא נרשם לגימנסיה המקומית, שם למד תשע שנים ועבר את בחינות האביטור ב-1925. הוא שאף ללמוד הנדסה, אך הוריו, שפקפקו ביכולותיו המעשיות, הציעו שילמד פיזיקה במקום זאת. הוא נרשם לאוניברסיטת ברלין, שם הקשיב להרצאות של מקס פלאנק, ולתר בותה וולטר נרנסט. בין חבריו לספסל הלימודים היו קורט הירש וקטה שפרלינג. מעבדות הפיזיקה היו צפופות, ולכן סטודנטים בשנה הראשונה עודדו ללמוד קורסים בפיזיקה תאורטית. פיירלס גילה כי המקצוע מוצא חן בעיניו.

ב-1926 החליט פיירלס לעבור לאוניברסיטת מינכן כדי ללמוד בהדרכת ארנולד זומרפלד, שנחשב למורה הגדול ביותר לפיזיקה תאורטית. בין חבריו לספסל הלימודים היו הנס בתה, הרמן ברוק וויליאם ו. יוסטון. באותה תקופה, תורת בוהר-זומרפלד הוחלפה על ידי מכניקת הקוונטים החדשה של ורנר הייזנברג ופול דיראק. ב-1928, זומרפלד יצא למסע סביב העולם, ובעצתו עבר פיירלס לאוניברסיטת לייפציג, שם מונה הייזנברג לפרופסור ב-1927.

הייזנברג הטיל על פיירלס פרויקט מחקר בנושא פרומגנטיות. היה ידוע כי תופעה זו נגרמת על ידי יישור הספין של האלקטרונים במתכת, אך הסיבה לכך לא הייתה ידועה. הייזנברג חשד כי מדובר באפקט של מכניקת הקוונטים, הנגרם על ידי עקרון האיסור של פאולי. פיירלס לא הצליח לפתח את התאוריה, אך עבודתו על אפקט הול הניבה תוצאות. אפקט הול החריג לא ניתן להסבר באמצעות התאוריה הקלאסית של מתכות, והייזנברג חש כי זו הזדמנות להוכיח שמכניקת הקוונטים יכולה להסבירו. פיירלס הצליח לעשות זאת, והדבר הוביל למאמרו המדעי הראשון שפורסם.

הייזנברג עזב ב-1929 להרצות באמריקה, בסין, ביפן ובהודו, ובעצתו עבר פיירלס למכון הטכנולוגי של ציריך, שם למד בהדרכת וולפגנג פאולי. פאולי הציב בפניו בעיה של חקר תנודות האטומים בסריג גבישי. פיירלס חקר – וקרא בשם – את התופעה של פיזור אומקלאפ. הוא הגיש עבודה זו כתזה שלו ל־DPhil, Zur kinetischen Theorie der Wärmeleitung in Kristallen (על התאוריה הקינטית של הולכת חום בגבישים), שהתקבלה על ידי אוניברסיטת לייפציג ב-1929. תאורייתו חזתה התנהגויות ספציפיות של מתכות בטמפרטורות נמוכות מאוד, אך עברו עשרים שנה נוספות עד שפותחו הטכניקות הניסיוניות לאימותן.

פיירלס קיבל הצעה מפאולי להפוך לעוזרו במקום פליקס בלוך. לב לנדאו שהה שם באותה עת במלגה מממשלת ברית המועצות, ופיירלס ולנדאו הפכו לחברים. הם שיתפו פעולה בניסיון לגזור סדרת משוואות גל דומות למשוואת שרדינגר עבור פוטונים. עם זאת, המשוואות שגזרו היו מורכבות, אך חסרות משמעות. ב-1930, פיירלס נסע להולנד לפגוש את הנס קרמרס, ולקופנהגן לפגוש את נילס בוהר.

באוגוסט 1930, פאולי ופיירלס השתתפו בקונגרס פיזיקה באודסה ופגשו שם את יבגניה (גניה) ניקולאייבנה קנגיסר, בוגרת פיזיקה צעירה מלנינגרד. מאחר שהוא לא דיבר רוסית והיא לא דיברה גרמנית, הם שוחחו באנגלית. במהלך ביקור מאוחר יותר של פיירלס להרצות בלנינגרד, הם נישאו ב-15 במרץ 1931. עם זאת, היא נאלצה להמתין לקבלת דרכון וויזת יציאה. לבסוף, הם עזבו לציריך בקיץ. להם נולדו ארבעה ילדים: גבי אלן (נ. 1933), רונלד פרנק (נ. 1935), קתרין (קיטי; נ. 1948) וג'ואנה (נ. 1949).

פיירלס סייע לאגון אורובאן בהבנת הכוח הנדרש להזזת נקע, תיאור שהורחב על ידי פרנק נברו ונקרא כוח פיירלס-נברו. ב-1929, הוא חקר פיזיקה של מצב מוצק

בציריך בהדרכתם של הייזנברג ופאולי. עבודתו המוקדמת על פיזיקת הקוונטים הובילה לתאוריית הנושאים החיוביים להסבר התנהגויות המוליכות התרמית והחשמלית של מוליכים למחצה. הוא היה חלוץ בתפיסת ה"חורים" במוליכים למחצה. הוא הקים את מושג ה"אזורים" לפני לאון ברילואן, אף על פי ששמו של ברילואן קשור כיום לרעיון, והחיל אותו על פונונים. בכך, הוא גילה את משוואת בולצמן לפונונים ואת תהליך האומקלאפ. הוא הגיש מאמר בנושא עבור הביליטציה שלו, ובכך זכה בזכות ללמד באוניברסיטאות גרמניות. כתב העת Physics Today ציין כי "מאמריו הרבים על אלקטרונים במתכות חדרו לעומק לספרות המדעית, עד שקשה לזהות את תרומתו להולכה בשדות מגנטיים ולמושג החור בתאוריית האלקטרונים במוצקים".

ב-1932 זכה פיירלס במלגת רוקפלר ללימודים בחו"ל, אותה ניצל כדי ללמוד ברומא בהדרכת אנריקו פרמי, ולאחר מכן במעבדת קוונדיש בקיימברידג' בהדרכת ראלף הווארד פאולר. ברומא, השלים פיירלס שני מאמרים על מבנה פסים אלקטרוני, בהם הציג את החלפת פיירלס, וגזר ביטוי כללי לדיאמגנטיות במתכות בטמפרטורות נמוכות. זה סיפק הסבר לתכונות הדיאמגנטיות המסתוריות של ביסמוט, שהיו בולטות יותר מאשר במתכות אחרות.
ימין|ממוזער| בניין פוינטינג לפיזיקה באוניברסיטת ברמינגהם. אופן בנייתו סייע להוליד את הביטוי " אוניברסיטת לבנים אדומות ".בעקבות עליית אדולף היטלר לשלטון בגרמניה בשנת 1933, החליט רודולף פיירלס שלא לשוב למולדתו והעדיף להישאר בבריטניה. הוא דחה הצעה מאוטו שטרן לשוב לגרמניה ולקבל משרה באוניברסיטת המבורג. לאחר שקיבל אישור להישאר בבריטניה, הועסק באוניברסיטת ויקטוריה של מנצ'סטר באמצעות מימון מהמועצה לסיוע אקדמי, גוף שהוקם על מנת לתמוך באקדמאים שנמלטו ממשטרים פשיסטיים, ובראשם גרמניה הנאצית.

בני משפחתו הקרובים של פיירלס עזבו אף הם את גרמניה: אחיו ומשפחתו השתקעו בבריטניה, ואילו אחותו, הוריו ודודו מצד אמו היגרו לארצות הברית.

במהלך עבודתו באוניברסיטת מנצ'סטר, שיתף פעולה עם הנס בתה במחקרים על פוטודיסינטגרציה ומכניקה סטטיסטית של סגסוגות, בהנחייתו של ג'יימס צ'דוויק. ממצאי מחקרים אלו נחשבים לבסיס חשוב לפיתוח תאוריות שדה ממוצע המתארות שינויים מבניים בסגסוגות. אף שרוב עיסוקו התמקד בתאוריית האלקטרונים במתכות, בחן פיירלס גם את תאוריית החורים של דיראק, ושיתף פעולה עם בתה בכתיבת מאמר בנושא הנייטרינו.

על תרומתו למחקר הוענק לו תואר דוקטור למדעים (D.Sc.) מאוניברסיטת מנצ'סטר. עם שובו לקיימברידג', החל לעבוד עם דוד שונברג במעבדת מונד על תופעות של מוליכות-על והליום נוזלי. לצורך מתן אפשרות להוראה בהתאם לכללי האוניברסיטה, קיבל תואר מוסמך אוניברסיטה (M.A.) של כבוד ממכללת סנט ג'ון.
ממוזער| פיירל בשנת 1937
בשנת 1936 מונה מארק אוליפנט לפרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ברמינגהאם, והציע לרודולף פיירלס להצטרף אליו לתפקיד במסגרת הקמת קתדרה חדשה למתמטיקה שימושית, תחום שנחשב אז למקביל למה שמכונה כיום פיזיקה תאורטית. פיירלס זכה במשרה, על אף שהתמודד מול מועמדים בולטים אחרים, ובהם הארי מאסי. המינוי העניק לו משרה קבועה ובטוחה באקדמיה.

בין תלמידיו נמנה פרד הויל. יחד עם קאפור פיתח פיירלס את נוסחת הדיספרסיה לתגובות גרעיניות, אשר התבססה על תאוריית ההפרעה של גרגורי ברייט ויוג'ין ויגנר, אך נוסחה בתנאים כלליים יותר. נוסחה זו, המוכרת כיום בשם נוסחת קאפור-פיירלס, נותרה בשימוש, אף שבשנת 1947 פותחה שיטה חלופית על ידי ויגנר ולאונרד אייזנבוד, אשר זכתה לתפוצה רחבה יותר.

לאחר פרוץ מלחמת העולם השנייה בספטמבר 1939, החל רודולף פיירלס בעבודה משותפת עם אוטו פריש, אף הוא פליט מגרמניה, על מחקר בתחום הנשק הגרעיני. באופן אירוני, השניים לא הורשו להשתתף בפרויקטים בתחום המכ"ם באוניברסיטת ברמינגהאם, מאחר שתחום זה נחשב לרגיש מבחינה ביטחונית, והם סווגו כ"זרים אויבים". פיירלס קיבל אזרחות בריטית ב-27 במרץ 1940.

פיירלס הביע רצון עז לתרום למאבק בגרמניה הנאצית ובמשטרים טוטליטריים, אך בשל מעמדו המשפטי והזהירות הביטחונית שגילו הרשויות הבריטיות כלפי מהגרים ממוצא גרמני, המקום היחיד שבו התקבל בתחילה לשירות פעיל היה שירות הכבאות המילואים. בתקופה זו הציעה לו אוניברסיטת טורונטו לשלוח את ילדיו לקנדה, שם יוכלו להתגורר עם משפחה מארחת.

בפברואר ומרץ 1940 ניסחו רודולף פיירלס ואוטו פריש את מזכר פריש–פיירלס, מסמך קצר שהקליד פיירלס, אשר היה הראשון שהציג באופן ברור את האפשרות המעשית לבנות פצצה גרעינית באמצעות כמות קטנה יחסית של אורניום-235. על סמך הנתונים שעמדו לרשותם, השניים העריכו כי נדרשת פחות מקילוגרם אחד של חומר בקיע, אם כי בפועל המסה הקריטית היא בערך פי ארבעה. קודם לכן הייתה סברה כי נדרשת כמות של טונות רבות של אורניום, והרעיון נחשב לבלתי ישים מבחינה מעשית. השניים חישבו את עוצמת הפיצוץ האפשרית וכן את השלכותיו הפיזיות, הצבאיות והפוליטיות.

המסמך עורר עניין רב בקרב מקבלי ההחלטות בבריטניה ובהמשך גם בארצות הברית. בשנת 1941 נכללו ממצאיו בדו"ח ועדת MAUD, שהועבר לארצות הברית והיווה בסיס להקמת פרויקט מנהטן ולפיתוח פצצת האטום. בעקבות המזכר והדו"ח, הדיון המדעי עבר מהשאלה האם ניתן לבנות פצצה גרעינית לשאלה כיצד לעשות זאת.

בתחילה נחשבו פריש ופיירלס ל"זרים עוינים" ולכן לא נכללו בהרכב ועדת MAUD, אך לאחר שההחלטה עוררה ביקורת, הם צורפו לוועדת המשנה הטכנית שלה. עם זאת, לא הותר להם לקחת חלק בעבודה על מערכות מכ"ם. כאשר פריש ופיירלס נזקקו לסיוע בהקלדת מסמכיהם עבור הוועדה, לא הותר להם להיכנס לבניין נאפילד שבו עבדה מזכירתו של אוליפנט, והם נאלצו למסור את עבודתם על גבי גלילי שעווה באמצעות דיקטפון. בתחילה סברו כי שיטת הדיפוזיה התרמית היא המתאימה ביותר להפרדת אורניום, אך משנתגלו הקשיים בשיטה זו, פנו לשיטת הדיפוזיה הגזית, תוך שיתוף פעולה עם פרנץ סימון, פליט מגרמניה שהיה מומחה בתחום. במאי 1941 הצטרף לצוות גם קלאוס פוקס, אף הוא פליט מגרמניה, ששימש כעוזרו של פיירלס.

 לקריאה נוספת 




 קישורים חיצוניים 

 הערות שוליים 

קטגוריה:בוגרי אוניברסיטת לייפציג
קטגוריה:אבירים בריטים
קטגוריה:מפקדים במסדר האימפריה הבריטית
קטגוריה:זוכי מדליית מקס פלאנק
קטגוריה:זוכי המדליה המלכותית
קטגוריה:זוכי מדליית לורנץ
קטגוריה:מעוטרי מדליית החירות (1945)
קטגוריה:זוכי מדליית קופלי
קטגוריה:עובדי פרויקט מנהטן
קטגוריה:חברי האקדמיה האמריקאית לאמנויות ולמדעים
קטגוריה:חברי האקדמיה הצרפתית למדעים
קטגוריה:עמיתי החברה המלכותית
קטגוריה:זוכי פרס אנריקו פרמי
קטגוריה:סגל אוניברסיטת ברמינגהאם
קטגוריה:בריטים שנולדו ב-1907
קטגוריה:בריטים שנפטרו ב-1995
קטגוריה:פיזיקאים יהודים