Stanisław Ulam – matematyk o inżynieryjnym sercu

Lwowską szkołę matematyczną kojarzysz przede wszystkim z nazwiskami Stefana Banacha czy Hugona Steinhausa i ich osiągnięciami w dziedzinie analizy funkcjonalnej. Ale w drugim rzędzie stali również inni naukowcy, którzy poszli inną, własną drogą naukową, która łączyła pragmatyzm, intuicję matematyczną oraz dążenie do osiągnięcia praktycznego celu. Wśród nich najbardziej znaną postacią jest Stanisław Ulam.

Niełatwe początki i łowca talentów

Urodził się w 1909 roku we Lwowie w rodzinie o żydowskich korzeniach. Wybuch pierwszej wojny światowej spowodował, że uciekając przed frontem rosyjsko-austriackim rodzina Ulamów przeniosła się do Wiednia, jednak w doku 1918 powróciła do Lwowa. Tam Stanisław ukończył gimnazjum, wcześnie ujawniając zdolności matematyczne. Chciał poświęcić się tej dziedzinie, ale zasada numerus clausus, ograniczająca liczbę miejsc na uczelniach przeznaczonych dla osób narodowości żydowskiej, spowodowała, że ostatecznie trafił na wydział inżynierski. Nadal jednak rozwijał swoje zainteresowania.

Choć jego praca magisterska oraz szybko uzyskany doktorat ujawniały jego nieprzeciętny talent matematyczny, uzyskanie dającego stabilizację stanowiska profesora okazało się niemożliwe. Dlatego szybko uległ namowom „łowcy talentów” — znanego naukowca amerykańskiego Johna von Neumanna i postanowił wyemigrować do Stanów Zjednoczonych. Tam rozpoczął pracę na tamtejszych uniwersytetach.

Poznaj losy Ulama i innych polskich naukowców, które zostały zebrane w książce „Akademia Superbohaterów”!

Stany Zjednoczone i prace nad bombą

Nadal utrzymywał jednak kontakt z rodzinnym miastem, co roku spędzając w nim wakacje. Po jednej z wizyt, w sierpniu 1939 roku wraz z bratem odpłynął z Gdyni na pokładzie transatlantyku Batory, jak się okazało, opuszczając Polskę, rodzinę i przyjaciół już na zawsze. Po wybuchu wojny chciał koniecznie zaangażować się w działania sprzyjające zwycięstwu nad Niemcami, dlatego chętnie przyjął tajemniczą ofertę armii USA dotyczącą
pracy nad nowym, potężnym rodzajem broni.

Ta decyzja wpłynęła na całe jego późniejsze życie i otworzyła mu drzwi do sławy. Nazwisko Ulama kojarzone jest przede wszystkim z budową pierwszej bomby termojądrowej.

Prace nad konstrukcją bomby termojądrowej

No dobrze, wyjaśnijmy najpierw, czym jest bomba termojądrowa, bo to nie to samo co bomba atomowa. Jaka jest więc między nimi różnica? Bomba termojądrowa, w odróżnieniu od bomby atomowej, której energia pochodzi z rozszczepiania ciężkich atomów, jest oparta na łączeniu pierwiastków lekkich, przede wszystkim trytu – izotopu wodoru.

Po sukcesie projektu Manhattan, kierowanego przez Oppenheimera, który dzięki trzem eksplozjom jądrowym (dwóm nad Japonią i jednej próbnej na pustyni w Nevadzie) zakończył wojnę na Dalekim Wschodzie, zainteresowanie polityków budową potężniejszej bomby wzrosło jeszcze bardziej. Naciskali oni też coraz mocniej na naukowców. W praktyce skala
problemów, z którymi musieli się oni zmagać tym razem była znacznie większa niż w przypadku bomby jądrowej.

Skłonienie atomów wodoru do zbliżenia się do siebie na tyle, aby było możliwe zainicjowanie łańcuchowej, samopodtrzymującej się reakcji, wymagało dostarczenia w krótkim czasie olbrzymiej ilości energii oraz emisji dużej liczby szybkich neutronów i
to w taki sposób, aby reagujący materiał nie został zbyt szybko rozproszony w wyniku samego wybuchu. Pytanie, skąd wziąć taką energię i jak ukształtować ładunek, aby wybuch zachował się zgodnie z przewidywaniami, stanowiło istotne wyzwanie fizyczne, ale też
technologiczne.

Projekt Ulama-Tellera

Rozważano kilka rozwiązań, jednak ostatecznie wykorzystano pomysł znany obecnie jako projekt Ulama-Tellera. Zakładał on użycie jako „rozrusznika”… bomby atomowej. To jej eksplozja stanowiła pierwszy etap wybuchu, dostarczając niezbędnej początkowej energii i odpowiedniej liczby neutronów, które w drugim etapie inicjowały reakcję termojądrową. Aby energia skupiła się w jednym miejscu, bombie nadano kształt kuli o powierzchni wykonanej z bardzo twardego i ciężkiego pierwiastka: uranu lub plutonu. Podstawowym jej zadaniem było odbijanie neutronów do wnętrza, ale dodatkowo stanowiła ona również ich źródło. To dodatkowo zwiększało moc wyzwalaną w trakcie eksplozji. Pierwsza taka bomba, zdetonowana w 1952 roku, miała moc 700 bomb zrzuconych na Hiroszimę!

Na temat rzeczywistego wkładu Ulama w sukces amerykańskiej bomby „H” (od symbolu chemicznego wodoru) do dziś toczą się dyskusje. Szef projektu, węgierski emigrant Edward Teller, chciał uzyskać status podobny do Oppenheimera, dlatego przez wiele lat pomijał wkład Polaka, przypisując sobie całość zasług. Ich niekończący się konflikt spowodował jednak, że podkradając sobie wzajemnie pomysły, jednocześnie inspirowali się. To
ostatecznie doprowadziło do oczekiwanego efektu. Trafnie podsumował to inny znany fizyk, Hans Bethe, nazywając Ulama ojcem, a Tellera – matką projektu (samemu skromnie przypisując sobie rolę akuszera). Jednak sami zainteresowani po zakończeniu projektu nigdy już ze sobą nie zamienili słowa.

Metoda Monte Carlo – drugie „dzieło” Ulama

Drugim kluczowym osiągnięciem Ulama jest opracowanie metody Monte Carlo. Stanowi ona kwintesencję praktycznego podejścia Polaka do rozwiązywania problemów i analizowania procesów zbyt skomplikowanych, aby można było je opisać za pomocą metod analitycznych.

Nazwa metody pochodzi od sławnego monakijskiego kasyna i jednocześnie wyjaśnia zasadę
jej działania: wprawdzie nie można dokładnie przewidzieć wyniku pojedynczego rzutu kulką, bo wpływa na niego wiele czynników, nad którymi nie mamy kontroli, jednak powtarzając losowanie miliony razy możemy sporo dowiedzieć się o całym procesie, znając jedynie rozkład jego prawdopodobieństwa.

Losowanie zatem wprawdzie ignoruje całe piękno fizyki, która rządzi pojedynczym zdarzeniem, jednak pozwala wykorzystać miażdżącą siłę statystyki wielkich liczb do osiągnięcia rezultatu niejako „na skróty”, bez rozważania nieistotnych niuansów. W połowie XX wieku w wielu dziedzinach metoda ta stanowiła prawdziwy przełom, bo możliwości ówczesnych komputerów były wówczas bardzo skromne do wykonania dokładnej analizy zjawisk fizycznych. Jednak nawet dziś, gdy dysponujemy gigantyczną mocą obliczeniową superkomputerów, metoda Monte Carlo nadal jest powszechne wykorzystywana.

Ulam – nietypowy matematyk o inżynieryjnym zacięciu

Stanisław Ulam uwieczniony jest w metodach i rozwiązaniach nazwanych od jego nazwiska. Można go jednak uznać również za inicjatora zastosowania metod obliczeniowych i komputerów do symulacji i analizy zjawisk fizycznych – kierunku badań, który całkowicie zmienił sposób poznawania świata przez człowieka. Ulam był naukowcem nietypowym, bo mając solidne podstawy matematyczne, nigdy nie przestał być jednocześnie twardo
stąpającym po ziemi inżynierem, dążąc do stosowania matematyki w celu rozwiązywania praktycznych problemów.