Luis W. Alvarez

I’m convinced that a controlled disrespect for authority is essential to a scientist.
–
Luis W. Alvarez

Dat het Manhattan Project een ware mannenclub is, weten we al langer dan vandaag. Maar dat er zoveel van die fysici  geboren of gestorven zijn in de afgelopen drie maanden is weer iets anders! Vandaag gaat het over de experimentele fysicus
Luis Walter Alvarez, geboren en getogen op 13 juni 1911 in San Francisco, California.

Luie had een jongere zus en groeide op in een academisch klimaat: zijn vader, Walter Clement, was arts en zijn moeder, Harriet Smyth, was fysioloog afgestudeerd aan de Stanford Medical School. Zijn ouders waren misschien bekwaam in de geneeskunde en biologie, maar het was vooral door het gepruts in vaders laboratorium dat kleine Luie interesse kreeg voor instrumentatie.
Zijn roots gaan terug tot zijn grootvader Luis Alvarez, geboren in Spanje, verhuisd naar Cuba om zich dan permanent in de Verenigde Staten te vestigen. Echter is er van deze Spaanse achtergrond weinig terug te vinden in zijn taalgebruik en uiterlijk. Luie trouwde tweemaal: met Geraldine Smithwick met wie hij twee kinderen kreeg, Walter en Jean, en later met Janet Landis wat leidde  tot Donald en Helen.

En nu op naar het interessantere verhaal:

De Eerste Ontdekking

Luie begon aanvankelijk chemie te studeren aan de University of Chicago, maar veranderde later naar fysica. Zijn leven was dat van een doorsnee student: hij was lid van een studentenclub (, later ), speelde graag drankspelletjes, had op verschillende dagen katers en zat graag  jonge dames achterna. Zo kennen we er allemaal wel een paar… Buiten het studentenleven had hij hobbies zoals elke andere experimentele fysicus zou hebben: illegaal torens beklimmen en spelen met explosieven.

Aan de universiteit spendeerde hij veel tijd in het lab en nam vooral experimentele vakken op met weinig theorie. Iets wat hem later duur kwam te staan bij de applicatie voor een doctoraat. Gelukkig kon hij de theorie met gemak ophalen en het was het helemaal waard, want hij werd namelijk in 1932 de doctoraatsstudent van Nobelprijswinnaar Arthur Holly Compton. Het was vooral zijn eigen geëxperimenteer met Geiger buizen, een nieuw soort deeltjesversneller ontworpen door Hans Wilhelm Geiger, dat de aandacht trok van Compton.

Niet veel later stonden Compton en Luie op het dak van een hotel in Mexico City met een zelfgemaakte detector in een kruiwagen de aard van de kosmische straling te bestuderen. Een betere roadtrip bestaat er toch niet! Hier ontdekten ze dat er meer kosmische straling van het westen blijkt te komen: het East-West effect. Ze achterhaalden dat deze straling vooral uit positief geladen deeltjes bestond en dat een overgroot deel afkomstig was van de zonnewind. Dit was Luie’s eerste grote ontdekking, want dit legde het bestaan van de zonnewind vast (Figuur 2)!

Going Nuclear

Na het behalen van zijn doctoraat in 1936 begon hij te werken in het Radiation Lab van Ernest Lawrence, nog een Nobelprijswinnaar (Figuur 3). Een job die hij aan nepotisme te danken had, oftewel vriendjespolitiek: het hielp namelijk dat zijn zus, Gladys, er als secretaresse van Lawrence werkte. In dit lab werkte hij vooral met cyclotrons, een soort deeltjesversneller, en werd als het ware een expert in de nucleaire fysica. Dit kwam Ernests broer, John, ten goede, hij wordt ook wel de ”vader van de nucleaire geneeskunde” genoemd.

In die tijd was nucleaire fysica nog heel nieuw. Niet veel later bracht de Duits-Amerikaanse Hans Bethe zijn `bijbel’ van de nucleaire fysica uit: Bethe’s Bible. Natuurlijk sprong onze jonge bok hierop en deed wat ieder wetenschapper zou doen: elke claim die Bethe maakte ontkrachten. In Bethes woorden:  “Mainly to prove me wrong”. Zo bewees Luie experimenteel dat He stabiel is, samen met Felix Bloch mat hij voor de eerste keer het magnetisch moment van het neutron en hij bewees het fenomeen van K-capture, de belangrijkste vondst (Figuur 4).

Net voor de Tweede Wereldoorlog uitbrak, maakte hij een lijst met de belangrijkste open problemen in de nucleaire fysica en hoe deze experimenteel getest kunnen worden. Een slechtere timing bestond er niet.

Figuur 3: De Radiation Laboratory: “why use lead when gold will do.”

Figuur 4: K-capture is het fenomeen waarbij een atoom één van zijn eigen elektronen invangt om zo met een proton te combineren tot een neutron en dus een ander element

 

De Oorlog en de Meltdown

Luie was een echte uitvinder en dat wist iedereen, daarom moest hij samen met Ed McMillan in 1941 naar het MIT om er militaire technologieën te ontwikkelen.
Enkele van zijn belangrijkste uitvindingen waren:

• EAGLE radar: gebruikt in bombarderingen
• Ground Control Approach: een hulp bij het veilig landen van een vliegtuig in condities met weinig zicht
• Microwave Early Warning System: een langeafstandsrader om vijandelijke vliegtuigen te spotten
• VIXEN System: een sluwe truc om Duitse U-boten ‘s nachts te kunnen bombarderen. Hij liet namelijk de duikboten denken dat ze wegvlogen door
  een signaal uit te zenden dat zwakker wordt naarmate het vliegtuig dichterbij kwam (het omgekeerde van de -wet voor de intensiteit van straling).

Na zijn terugkeer begon hij weer te werken in de nucleaire fysica, maar deze keer voor het beruchte Manhattan Project (Figuur 5). Hierin werkte hij mee aan het detonatiemechanisme van de plutoniumbom en vloog zelfs mee met het observatievliegtuig bij de bombarderingen van Hiroshima en Nagasaki om de impact van hun wapen te meten (Figuur 6). Door zijn onprofessionele omgang met betrouwbare informatie werd hij zelfs beschuldigd van spionage voor de USSR. Na de oorlog geraakte hij in een burn-out: één-voor-één werden de open vraagstukken op zijn lijst opgelost door iemand anders die hiervoor dan ook de Nobelprijs kreeg. Daarbovenop hielp een mislukt experiment hier ook niet bij… Hij verdreef vooral zijn tijd door te kaarten, voornamelijk hartejagen, met de technici in het Rad Lab.

Figuur 5: The Manhattan Project: “All else, including safety, was secondary.”

Figuur 6: Luie in uitrusting voor The Great Artiste, het observatievliegtuig bij de bombardementen van Hiroshima en Nagasaki.

 

A New Hope

Gelukkig kwam er al snel nieuw licht voor hem: als professor aan de University of Berkeley, begeleidde hij twee studenten: Lynn Stevenson en Frank Crawford. Echter was hun onderzoek vooral gericht op deeltjesfysica en Luie was een totale leek in dit gebied. Er zat niks anders op, hij deed wat elke andere promotor zou hebben gedaan: hij liet zich onderwijzen door zijn twee studenten. Zo kwam hij aan zijn tweede lichtpunt: Don Glaser ontdekte dat geladen deeltjes die in een vloeistof geschoten werden een spoor achterlaten. Luie zag hier onmiddellijk de gevolgen van in: wat als die vloeistof nu eens vloeibaar waterstof is, de tank bestaat dan uit enkel protonen! Zo werd zijn Hydrogen Bubble Chamber werkelijkheid (Figuur 7).

Het was dit instrument dat zijn onderzoeksteam leidde tot de ontdekking van nieuwe deeltjes die gehypothiseerd werden. Deze deeltjes pasten perfect in het model van Murray Gell-Mann: The Eightfold Way}. Alsook bestaan ze uit de kleinste constituenten die we tot nu toe kennen: quarks[1]. Het is dan niet onlogisch dat deze ontdekking leidde tot zijn Nobelprijs in 1968 (Figuur 8)! Een deel van het geld gaf hij uit om met zijn meest vertrouwde onderzoekers en hun partner samen te reizen naar Stockholm.

Figuur 7: Resultaten van een meting met de Bubble Chamber: een met vloeibaar waterstof gevulde kamer wordt geplaatst in een magneetveld. Indien geladen deeltjes door de vloeistof vliegen, laten ze de vloeistof lokaal koken. Zo ontstaat er een traceerbaar pad dat de eigenschappen verraadt.

Figuur 8: Luie viert zijn Nobelprijs, op de ballon staan enkele deeltjes die hij ontdekt heeft.

 

De Extinctie van de Dino’s

Na zijn Nobelprijs richtte hij zich op andere dingen: de mythische magnetische monopool, een patent op een uitvinding  voor golf, complottheorieën, het gebruik van kosmische straling om verborgen kamers in piramides te ontdekken…

Als kers op de taart droeg hij bij tot de exctinctietheorie van de dino’s. Zijn zoon, Walter, was geoloog en bracht in 1980 een stuk kalksteen mee uit Gubbio, Italië (Figuur 9). Merkwaardig was dat het gesteente veel fossielen bevatte aan één kant, maar geen aan de andere kant. Dit zette vader en zoon aan het denken, gedreven door George Cuviers idee van een catastrofale gebeurtenis bedachten ze dat de oorzaak buitenaards moest zijn. Het gesteente was immers overal op aarde te vinden en steeds even oud. Om de leeftijd en evolutie te schatten, maten ze het iridiumgehalte als functie van de diepte in het gesteente. Iridium in de aardmantel is namelijk afkomstig van meteorieten, dus door het gehalte te meten, kon hij zo achterhalen hoe lang het duurde vooraleer een laag groeide. Er was maar één verklaring, dit fenomeen is inderdaad van buitenaardse afkomst: de K-T extinctie, een asteroïde-impact. Initieel was er veel kritiek op hun bevindingen, maar twee jaar na zijn dood in 1988 werden in een krater dichtbij Yucatan gesteenten aangetroffen met de leeftijd en iridiumgehaltes die voorspeld werden door Luie en zoon.

Intellectual Honesty

Dat Luie graag wat plezier maakte, is ons wel al bekend. Toen hij aan de slag ging met zijn onderzoeksgroep organiseerde hij vaak “journal clubs” bij hem thuis waar bier en andere dranken er rijkelijk vloeiden. Onbaatzuchtig was hij zeker, zo wilde hij niet als co-auteur op de papers van zijn onderzoekers staan indien hij geen belangrijke bijdrage had geleverd. Dit was mede door zijn populariteit, zodat anderen niet zouden denken dat bepaalde ideeën van hem afkomstig zouden zijn terwijl dat niet waar was: “Everyone will assume that it was my idea, not yours”. Iets wat volgens mij moeilijk te vinden is in de huidige academische wereld. Dit was bijna de reden dat zijn Nobelprijs niet-bestaande was. Zijn prijs is grotendeels te danken aan zijn jonge collega’s die hem overtuigden om toch op de papers te staan, met name de papers die voorafgingen aan zijn Nobelpijswinnende ontdekking.

Luie liet zich niet enkel leiden door iemands achtergrond, maar eerder door zijn/haar talenten en verdiensten. Zo werd de technicus Don Gow zijn “second in command” ondanks dat hij geen unversitaire studies had gevolgd. Samen met Pete Schweming, die ook geen universitair diploma had, richtte hij Schwem Instruments op om zijn uitvindingen te commercialiseren. Een egalitair iemand dus en een voorstander van meritocratie.

Hij is bij uitstek de personifactie van de professor bij wie je altijd kan binnenwandelen. Vaak zat hij samen met zijn studenten tijdens de lunch en praatten ze over complottheorieën of problemen in het lab. Je kon steeds onaangekondigd binnenwandelen en uitleg vragen over een bepaald topic, na een zorgvuldige uitleg stelde hij de persoon in kwestie op de proef door enkele vragen te stellen. Maar pas op indien je eerst had gezegd dat je alles begreep om dan grandioos te buizen op zijn mini-test: “woe be to those who falsely claimed understanding, as for him ignorance was acceptable and remediable, while faking it was inexcusable”.

Velen droegen hem hoog in het vaandel vanwege zijn manier van aanpakken. Hij had soms wel honderden ideeën per dag, maar hij toetste deze eerst af bij zijn vrienden om te vragen wat er mis mee kon zijn. Zijn vrienden namen dit even serieus als Luie zelf, vooral om zo niet ten schande te vallen. Eenmaal de eerste test geslaagd was, legde hij soms zijn ideeën voor aan zijn rivalen, zeer gewaagd dus. Dit kwam vooral doordat een foute claim desastreuse gevolgen zou hebben voor Luie’s zelfbeeld, zijn intellectuele eerlijkheid is iets waar menig persoon van kan leren.  Om het in Richard Feynmans woorden uit te drukken: “I think of Luis Alvarez, a physicist I admire for his gutsiness…if Alvarez was on this commission, he would do it, and that’s good enough for me”.

Uitgedoofd

Zijn leven was zeker niet zonder medische tegenslagen, zo had hij een hersentumor die gelukkig kon verwijderd worden. Zijn toestand werd echter slechter door slokdarmkanker, daarmee concludeerde hij bij zijn arts: “He presented his surgeon with a graph, the quality of life on the vertical axis and time on the horizontal, demonstrating that what remained for him to endure was not worth it”.
Zo stierf Luie op 1 september 1988 en werd zijn as uitgestrooid over Montery Bay.

Zijn nalatenschap leeft nog steeds voort doorheen zijn studenten en via zijn talloze ontdekkingen.

Bronnen:

• Luis Alvarez: Biographical.
• Famousscientist: Luis Alvarez.
• Luis Walter Alvarez, Wikipedia.
• W. P. Trower. Luis Walter Alvarez 1911-1988: A Biographical Memoir. National Academy
  of Sciences, 2009.
• N. West. Mortal Crimes, The greatest theft in History: The Soviet Penetration of the
  Manhattan Project. Enigma Books, 2009. ISBN 1-929631-21-9.

[1] Bedacht door Murray Gell-Mann, afgeleid uit de legendarische woorden “Three quarks for Muster Mark” uit Finnegans Wake van James Joyce.

door Julian De Vuyst