Que cultivemos a esperança de que o dia não esteja distante quando estaremos no meio dessa próxima aventura.
Ernest Orlando Lawrence foi um pioneiro cientista nuclear americano e ganhador do Prêmio Nobel de Física em 1939 pela sua invenção do cíclotron. Ele é conhecido por seu trabalho na separação de isótopos de urânio para o Projeto Manhattan, assim como por fundar o Lawrence Berkeley National Laboratory e o Lawrence Livermore National Laboratory.
Formado pela University of South Dakota e University of Minnesota, Lawrence obteve seu PhD em Física em Yale em 1925. Em 1928, foi contratado como professor associado de Física na University of California, Berkeley, tornando-se o professor pleno mais jovem dois anos depois. Em sua biblioteca, uma noite, Lawrence ficou intrigado com um diagrama de um acelerador que produzia partículas de alta energia. Ele contemplou como poderia ser feito de forma compacta e teve a ideia de uma câmara aceleradora circular entre os pólos de um eletroímã. O resultado foi o primeiro cíclotron.
Lawrence continuou a construir uma série de ciclotrons cada vez maiores e mais caros. Seu Radiation Laboratory tornou-se um departamento oficial da University of California em 1936, com Lawrence como seu diretor. Além do uso do cíclotron para física, Lawrence também apoiou seu uso em pesquisa sobre aplicações médicas de radioisótopos. Durante a Segunda Guerra Mundial, Lawrence desenvolveu a separação eletromagnética de isótopos no Radiation Laboratory. Usava dispositivos conhecidos como calutrons, um híbrido do espectrômetro de massa padrão de laboratório e do cíclotron. Uma enorme planta de separação eletromagnética foi construída em Oak Ridge, Tennessee, que passou a ser chamada de Y-12. O processo era ineficiente, mas funcionava.
Após a guerra, Lawrence fez campanha extensivamente pelo patrocínio governamental de grandes programas científicos e foi um defensor vigoroso da "Big Science", com seus requisitos de grandes máquinas e muito dinheiro. Lawrence apoiou fortemente a campanha de Edward Teller por um segundo laboratório de armas nucleares, que Lawrence localizou em Livermore, Califórnia. Após sua morte, os Regentes da University of California renomearam o Lawrence Livermore National Laboratory e o Lawrence Berkeley National Laboratory em sua homenagem. O elemento químico número 103 foi nomeado laurêncio em sua honra após sua descoberta em Berkeley em 1961.
Primeiros anos
Ernest Orlando Lawrence nasceu em Canton, South Dakota em 8 de agosto de 1901. Seus pais, Carl Gustavus e Gunda née Jacobson Lawrence, eram ambos filhos de imigrantes noruegueses que se conheceram enquanto ensinavam no ensino médio em Canton, onde seu pai também era superintendente das escolas. Tinha um irmão mais jovem, John H. Lawrence, que se tornaria médico e foi um pioneiro no campo da medicina nuclear. Durante a infância, seu melhor amigo foi Merle Tuve, que também se tornaria um físico altamente realizado.
Lawrence frequentou as escolas públicas de Canton e Pierre, depois se matriculou na St. Olaf College em Northfield, Minnesota, mas transferiu-se após um ano para a University of South Dakota em Vermillion. Completou seu bacharelado em química em 1922 e seu grau de Mestre em Artes M.A. em Física pela University of Minnesota em 1923 sob a supervisão de William Francis Gray Swann. Para sua dissertação de mestrado, Lawrence construiu um aparato experimental que rotacionava um elipsoide através de um campo magnético.
Lawrence seguiu Swann para a University of Chicago e depois para Yale University em New Haven, Connecticut, onde completou seu grau de Doutor em Filosofia Ph.D. em Física em 1925 como Sloane Fellow, escrevendo sua tese doutoral sobre o efeito fotoelétrico em vapor de potássio. Foi eleito membro da Sigma Xi e, por recomendação de Swann, recebeu uma bolsa do National Research Council. Em vez de usá-la para viajar para a Europa, como era costume na época, permaneceu em Yale University com Swann como pesquisador.
Com Jesse Beams da University of Virginia, Lawrence continuou pesquisando o efeito fotoelétrico. Mostraram que fotoelétrons apareciam dentro de 2 x 10−9 segundos dos fótons atingindo a superfície fotoelétrica—próximo ao limite de medição na época. Reduzir o tempo de emissão ligando e desligando rapidamente a fonte de luz fez com que o espectro de energia emitida ficasse mais amplo, em conformidade com o princípio da incerteza de Werner Heisenberg.
Primeiros passos na carreira
Em 1926 e 1927, Lawrence recebeu ofertas de professorados assistentes da University of Washington em Seattle e da University of California a um salário de $3.500 por ano. Yale prontamente igualou a oferta do professorado assistente, mas com um salário de $3.000. Lawrence escolheu permanecer em Yale, mais prestigiada, mas como nunca havia sido instrutor, o nomeamento foi ressentido por alguns de seus colegas de faculdade e, aos olhos de muitos, ainda não compensava sua origem de imigrante de South Dakota.
Lawrence foi contratado como professor associado de Física na University of California em 1928 e dois anos depois tornou-se professor pleno, tornando-se o professor mais jovem da universidade. Robert Gordon Sproul, que se tornou presidente da universidade no dia após Lawrence se tornar professor, era membro do Bohemian Club e patrocinou a adesão de Lawrence em 1932. Através deste clube, Lawrence conheceu William Henry Crocker, Edwin Pauley e John Francis Neylan. Eram homens influentes que o ajudaram a obter dinheiro para suas investigações energéticas de partículas nucleares. Havia grande esperança de usos médicos decorrentes do desenvolvimento da física de partículas, e isso levou a muito dos primeiros financiamentos que Lawrence conseguiu obter.
Enquanto estava em Yale, Lawrence conheceu Mary Kimberly Molly Blumer, a filha mais velha de quatro filhas de George Blumer, o decano da Yale School of Medicine. Conheceram-se pela primeira vez em 1926 e ficaram noivos em 1931, e se casaram em 14 de maio de 1932, na Trinity Church on the Green em New Haven, Connecticut. Tiveram seis filhos: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara e Susan. Lawrence nomeou seu filho Robert após o físico teórico Robert Oppenheimer, seu amigo mais próximo em Berkeley. Em 1941, a irmã de Molly, Elsie, casou-se com Edwin McMillan, que se tornaria ganhador do Prêmio Nobel de Química em 1951.
O desenvolvimento do cíclotron
Invenção
A invenção que levou Lawrence à fama internacional começou como um esboço em um pedaço de guardanapo. Enquanto estava sentado na biblioteca uma noite em 1929, Lawrence viu um artigo de revista de Rolf Widerøe e ficou intrigado com um dos diagramas. Este retratava um dispositivo que produzia partículas de alta energia por meio de uma sucessão de pequenos "empurrões". O dispositivo retratado estava disposto em linha reta usando eletrodos cada vez mais longos. Na época, os físicos estavam começando a explorar o núcleo atômico. Em 1919, o físico neozelandês Ernest Rutherford havia disparado partículas alfa no nitrogênio e conseguiu expulsar prótons de alguns dos núcleos. Mas os núcleos têm uma carga positiva que repele outros núcleos carregados positivamente, e estão ligados fortemente por uma força que os físicos estavam apenas começando a entender. Para quebrá-los, desintegrá-los, seria necessário energias muito maiores, na ordem de milhões de volts.
Lawrence viu que tal acelerador de partículas em breve se tornaria muito longo e difícil de manusear para seu laboratório universitário. Ao pensar em uma maneira de tornar o acelerador mais compacto, Lawrence decidiu colocar uma câmara aceleradora circular entre os pólos de um eletroímã. O campo magnético manteria os prótons carregados em um caminho espiral conforme eram acelerados entre apenas dois eletrodos semicirculares conectados a um potencial alternado. Após cerca de cem voltas, os prótons impactariam o alvo como um feixe de partículas de alta energia. Lawrence entusiasmadamente contou a seus colegas que havia descoberto um método para obter partículas de muito alta energia sem o uso de qualquer alta voltagem. Ele inicialmente trabalhou com Niels Edlefsen. Seu primeiro cíclotron foi feito de latão, arame e cera de lacre e tinha apenas quatro polegadas (10 cm) de diâmetro—podia literalmente ser segurado em uma mão e provavelmente custava $25 ao todo.
O que Lawrence precisava para desenvolver a ideia eram estudantes de pós-graduação capazes para fazer o trabalho. Edlefsen saiu para assumir um professorado assistente em setembro de 1930, e Lawrence o substituiu por David H. Sloan e M. Stanley Livingston, aos quais encarregou de desenvolver o acelerador de Widerøe e o cíclotron de Edlefsen, respectivamente. Ambos tinham seu próprio apoio financeiro. Ambos os designs se mostraram práticos e, até maio de 1931, o acelerador linear de Sloan foi capaz de acelerar íons a 1 MeV. Livingston tinha um desafio técnico maior, mas quando aplicou 1.800 V ao seu cíclotron de 11 polegadas em 2 de janeiro de 1931, conseguiu prótons de 80.000 elétron-volt girando. Uma semana depois, ele tinha 1,22 MeV com 3.000 V, mais do que o suficiente para sua tese de PhD sobre sua construção.
Desenvolvimento
No que se tornaria um padrão recorrente, assim que havia o primeiro sinal de sucesso, Lawrence começava a planejar uma nova máquina maior. Lawrence e Livingston elaboraram um design para um cíclotron de 27 polegadas (69 cm) no início de 1932. O ímã para o cíclotron de 11 polegadas custando $800 pesava 2 toneladas, mas Lawrence encontrou um ímã massivo de 80 toneladas enferrujando em um ferro-velho em Palo Alto para o de 27 polegadas que havia sido originalmente construído durante a Primeira Guerra Mundial para alimentar um link de rádio transatlântico. No cíclotron, ele tinha um poderoso instrumento científico, mas isso não se traduzia em descoberta científica. Em abril de 1932, John Cockcroft e Ernest Walton no Cavendish Laboratory na Inglaterra anunciaram que haviam bombardeado lítio com prótons e conseguiram transmutá-lo em hélio. A energia necessária acabou sendo bem baixa—bem dentro da capacidade do cíclotron de 11 polegadas. Ao saber disso, Lawrence enviou um telegrama para Berkeley e pediu que os resultados de Cockcroft e Walton fossem verificados. Levou à equipe até setembro para fazê-lo, principalmente devido à falta de aparato de detecção adequado.
Embora descobertas importantes continuassem a escapar do Radiation Laboratory de Lawrence, principalmente devido ao seu foco no desenvolvimento do cíclotron em vez de seu uso científico, através de suas máquinas cada vez maiores, Lawrence foi capaz de fornecer equipamento crucial necessário para experimentos em física de alta energia. Em torno deste dispositivo, ele construiu o que se tornou o laboratório mais importante do mundo para o novo campo de pesquisa em física nuclear nos anos 1930. Recebeu uma patente para o cíclotron em 1934, que atribuiu à Research Corporation, uma fundação privada que financiou muito do trabalho inicial de Lawrence.
Em fevereiro de 1936, o presidente de Harvard University, James B. Conant, fez ofertas atraentes a Lawrence e Oppenheimer. O presidente da University of California, Robert Gordon Sproul, respondeu melhorando as condições. O Radiation Laboratory tornou-se um departamento oficial da University of California em 1º de julho de 1936, com Lawrence formalmente nomeado seu diretor, com um assistente diretor em tempo integral, e a Universidade concordou em disponibilizar $20.000 por ano para suas atividades de pesquisa. Lawrence empregava um modelo de negócios simples: "Ele equipava seu laboratório com alunos de pós-graduação e professores juniores do departamento de física, com PhD recém-formados dispostos a trabalhar por nada, e com bolsistas e convidados ricos capazes de servir por nada."
Recepção
Usando o novo cíclotron de 27 polegadas, a equipe de Berkeley descobriu que cada elemento que bombardeavam com deutério recém-descoberto emitia energia e na mesma faixa. Portanto, postularam a existência de uma nova partícula desconhecida até então que era uma possível fonte de energia ilimitada. William Laurence do The New York Times descreveu Lawrence como "um novo trabalhador milagroso da ciência". Por convite de Cockcroft, Lawrence participou da Conferência Solvay de 1933 na Bélgica. Esta era uma reunião regular dos principais físicos do mundo. Quase todos eram da Europa, mas ocasionalmente um cientista americano notável como Robert A. Millikan ou Arthur Compton era convidado a participar. Lawrence foi solicitado a fazer uma apresentação sobre o cíclotron. As afirmações de Lawrence sobre energia ilimitada receberam uma recepção muito diferente em Solvay. Ele enfrentou ceticismo devastador do Cavendish Laboratory's James Chadwick, o físico que havia descoberto o nêutron em 1932, pelo qual foi premiado com o Prêmio Nobel em 1935. Com um sotaque britânico que soava condescendente para os ouvidos americanos, Chadwick sugeriu que o que a equipe de Lawrence estava observando era contaminação de seu aparato.
Quando retornou a Berkeley, Lawrence mobilizou sua equipe para revisar cuidadosamente os resultados a fim de reunir evidências suficientes para convencer Chadwick. Enquanto isso, no laboratório Cavendish, Rutherford e Mark Oliphant descobriram que o deutério se funde para formar hélio-3, o que causa o efeito que os ciclotronistas haviam observado. Não apenas Chadwick estava correto em que estavam observando contaminação, mas também haviam perdido outra descoberta importante, a da fusão nuclear. A resposta de Lawrence foi prosseguir com a criação de cíclotrons ainda maiores. O 27-
