1. Cuộc đời
Ernest Orlando Lawrence có một tuổi thơ gắn liền với bối cảnh gia đình nhập cư, trải qua quá trình giáo dục nghiêm túc và bắt đầu sự nghiệp khoa học với những nghiên cứu tiên phong về hiệu ứng quang điện trước khi chuyển đến Đại học California, Berkeley.
1.1. Thời niên thiếu và Giáo dục
Ernest Orlando Lawrence sinh tại Canton, South Dakota, vào ngày 8 tháng 8 năm 1901. Cha mẹ ông, Carl Gustavus (1871-1954) và Gunda Regina (nhũ danh Jacobson) Lawrence (1874-1959), đều là con cháu của những người nhập cư Na Uy và gặp nhau khi đang dạy học tại trường trung học ở Canton, nơi cha ông cũng là hiệu trưởng. Ông có một người em trai, John H. Lawrence, sau này trở thành một bác sĩ và là người tiên phong trong lĩnh vực y học hạt nhân. Khi lớn lên, người bạn thân nhất của ông là Merle Tuve, người sau này cũng trở thành một nhà vật lý xuất sắc.
Lawrence theo học các trường công lập ở Canton và Pierre, sau đó theo học tại St. Olaf College ở Northfield, Minnesota, nhưng đã chuyển sang Đại học Nam Dakota ở Vermillion sau một năm. Ông hoàn thành bằng cử nhân hóa học vào năm 1922 và bằng Thạc sĩ vật lý tại Đại học Minnesota vào năm 1923 dưới sự hướng dẫn của William Francis Gray Swann. Để hoàn thành luận văn thạc sĩ, Lawrence đã chế tạo một thiết bị thí nghiệm xoay một hình elip qua một từ trường.
Lawrence tiếp tục theo Swann đến Đại học Chicago, và sau đó đến Đại học Yale ở New Haven, Connecticut, nơi Lawrence hoàn thành bằng Tiến sĩ vật lý vào năm 1925 với tư cách là Nghiên cứu viên Quốc gia, viết luận án tiến sĩ về hiệu ứng quang điện trong hơi kali. Ông được bầu làm thành viên của Sigma Xi, và theo đề nghị của Swann, đã nhận được học bổng của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ. Thay vì sử dụng nó để đi du lịch châu Âu, như thông lệ vào thời điểm đó, ông vẫn ở lại Đại học Yale cùng Swann với tư cách là một nhà nghiên cứu.
Cùng với Jesse Beams từ Đại học Virginia, Lawrence tiếp tục nghiên cứu hiệu ứng quang điện. Họ đã chỉ ra rằng các quang điện tử xuất hiện trong vòng 2 x 10-9 giây sau khi các photon va chạm vào bề mặt quang điện-gần với giới hạn đo lường vào thời điểm đó. Việc giảm thời gian phát xạ bằng cách bật tắt nhanh nguồn sáng đã làm cho phổ năng lượng phát ra rộng hơn, phù hợp với nguyên lý bất định của Werner Heisenberg.
1.2. Sự nghiệp ban đầu và Nghiên cứu
Vào năm 1926 và 1927, Lawrence nhận được lời mời làm trợ lý giáo sư từ Đại học Washington ở Seattle và Đại học California với mức lương 3.50 K USD mỗi năm. Yale nhanh chóng đưa ra lời đề nghị tương đương về vị trí trợ lý giáo sư, nhưng với mức lương 3.00 K USD. Lawrence đã chọn ở lại Yale danh giá hơn, nhưng vì ông chưa bao giờ là giảng viên, việc bổ nhiệm này đã bị một số đồng nghiệp trong khoa phản đối, và trong mắt nhiều người, nó vẫn không bù đắp được xuất thân nhập cư từ South Dakota của ông.
Lawrence được tuyển dụng làm phó giáo sư vật lý tại Đại học California vào năm 1928. Ông trở thành giáo sư chính thức hai năm sau đó, trở thành giáo sư trẻ nhất của trường đại học này. Dựa trên công trình được xuất bản năm 1934 của Frédéric và Irène Joliot-Curie về phóng xạ nhân tạo, Lawrence đã phát hiện ra đồng vị nitơ-13 bằng cách bắn các proton năng lượng cao vào một nguyên tố carbon-13 trong phòng thí nghiệm của mình. Ông và nhóm của mình, bao gồm Martin Kamen và Samuel Ruben, đã vô tình phát hiện ra đồng vị carbon-14 bằng cách bắn phá graphite bằng các proton năng lượng cao.
Robert Gordon Sproul, người trở thành chủ tịch trường đại học vào ngày sau khi Lawrence trở thành giáo sư, là một thành viên của Bohemian Club, và ông đã bảo trợ cho Lawrence trở thành thành viên vào năm 1932. Thông qua câu lạc bộ này, Lawrence đã gặp William Henry Crocker, Edwin Pauley, và John Francis Neylan. Họ là những người có ảnh hưởng đã giúp ông có được tiền để điều tra các hạt nhân năng lượng cao của mình. Có rất nhiều hy vọng về các ứng dụng y tế từ sự phát triển của vật lý hạt, và điều này đã dẫn đến phần lớn nguồn tài trợ ban đầu mà Lawrence có thể có được cho nghiên cứu.
Khi còn ở Yale, Lawrence đã gặp Mary Kimberly (Molly) Blumer, con gái lớn trong số bốn cô con gái của George Blumer, trưởng khoa Trường Y khoa Yale. Họ gặp nhau lần đầu vào năm 1926 và đính hôn vào năm 1931, rồi kết hôn vào ngày 14 tháng 5 năm 1932, tại Trinity Church on the Green ở New Haven, Connecticut. Họ có sáu người con: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara, và Susan. Lawrence đặt tên con trai mình là Robert theo tên nhà vật lý lý thuyết Robert Oppenheimer, người bạn thân nhất của ông ở Berkeley. Năm 1941, chị gái của Molly, Elsie, kết hôn với Edwin McMillan, người sau này sẽ giành Giải Nobel Hóa học vào năm 1951 cùng với Glenn T. Seaborg.
2. Hoạt động và Thành tựu Chính
Ernest Orlando Lawrence đã có những đóng góp to lớn cho vật lý hạt nhân, từ việc phát minh ra máy gia tốc cyclotron, đóng vai trò then chốt trong Dự án Manhattan, đến việc định hình chính sách khoa học thời hậu chiến bằng cách thúc đẩy "Khoa học Lớn".
2.1. Phát minh và Phát triển Cyclotron
Phát minh mang lại danh tiếng quốc tế cho Lawrence bắt đầu từ một bản phác thảo trên một mẩu giấy ăn. Từ ý tưởng ban đầu đến việc phát triển các phiên bản lớn hơn và thành lập Phòng thí nghiệm Bức xạ Berkeley, cyclotron đã cách mạng hóa vật lý hạt nhân.
2.1.1. Quá trình Phát minh
Trong khi ngồi trong thư viện vào một buổi tối năm 1929, Lawrence tình cờ đọc một bài báo trên tạp chí của Rolf Widerøe, và bị cuốn hút bởi một trong các sơ đồ. Sơ đồ này mô tả một thiết bị tạo ra các hạt năng lượng cao bằng cách liên tiếp các "lực đẩy" nhỏ. Thiết bị được mô tả được bố trí theo một đường thẳng sử dụng các điện cực ngày càng dài hơn. Vào thời điểm đó, các nhà vật lý đang bắt đầu khám phá hạt nhân nguyên tử. Năm 1919, nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford đã bắn các hạt alpha vào nitơ và đã thành công trong việc đánh bật các proton ra khỏi một số hạt nhân. Nhưng hạt nhân có điện tích dương đẩy các hạt nhân tích điện dương khác, và chúng được liên kết chặt chẽ bởi một lực mà các nhà vật lý chỉ mới bắt đầu hiểu. Để phá vỡ chúng, để phân rã chúng, sẽ cần năng lượng cao hơn nhiều, cỡ hàng triệu volt.
Lawrence nhận thấy rằng một máy gia tốc hạt như vậy sẽ sớm trở nên quá dài và cồng kềnh đối với phòng thí nghiệm của trường đại học ông. Trong khi suy nghĩ về một cách để làm cho máy gia tốc nhỏ gọn hơn, Lawrence đã quyết định đặt một buồng gia tốc hình tròn giữa các cực của một nam châm điện. Từ trường sẽ giữ các proton tích điện theo một đường xoắn ốc khi chúng được gia tốc giữa hai điện cực bán nguyệt được nối với một điện thế xoay chiều. Sau khoảng một trăm vòng, các proton sẽ va chạm vào mục tiêu dưới dạng một chùm hạt năng lượng cao. Lawrence hào hứng nói với các đồng nghiệp rằng ông đã phát hiện ra một phương pháp để thu được các hạt năng lượng rất cao mà không cần sử dụng bất kỳ điện áp cao nào. Ban đầu ông làm việc với Niels Edlefsen. Chiếc cyclotron đầu tiên của họ được làm từ đồng thau, dây điện và sáp niêm phong và chỉ có đường kính 0.1 m (4 in)-nó có thể được giữ trong một tay, và có lẽ tổng chi phí là 25 USD.
Điều Lawrence cần để phát triển ý tưởng là những sinh viên tốt nghiệp có năng lực để thực hiện công việc. Edlefsen rời đi để nhận vị trí trợ lý giáo sư vào tháng 9 năm 1930, và Lawrence đã thay thế ông bằng David H. Sloan và M. Stanley Livingston, những người mà ông đã giao nhiệm vụ phát triển máy gia tốc của Widerøe và cyclotron của Edlefsen tương ứng. Cả hai đều có sự hỗ trợ tài chính riêng. Cả hai thiết kế đều tỏ ra khả thi, và đến tháng 5 năm 1931, máy gia tốc tuyến tính của Sloan đã có thể gia tốc các ion lên đến 1 MeV. Livingston đã gặp thách thức kỹ thuật lớn hơn, nhưng khi ông áp dụng 1.800 V vào cyclotron 0.3 m (11 in) của mình vào ngày 2 tháng 1 năm 1931, ông đã thu được các proton 80.000 electron-volt quay tròn. Một tuần sau, ông đã đạt được 1,22 MeV với 3.000 V, quá đủ cho luận án tiến sĩ của ông về việc chế tạo nó.
2.1.2. Phát triển và Mở rộng
Trong một mô hình lặp đi lặp lại, ngay khi có dấu hiệu thành công đầu tiên, Lawrence đã bắt đầu lên kế hoạch cho một cỗ máy mới, lớn hơn. Lawrence và Livingston đã lập một thiết kế cho một cyclotron 0.7 m (27 in) vào đầu năm 1932. Nam châm cho cyclotron 0.3 m (11 in) trị giá 800 USD nặng 2 t, nhưng Lawrence đã tìm thấy một nam châm khổng lồ nặng 80 t đang rỉ sét trong một bãi phế liệu ở Palo Alto cho chiếc 0.7 m (27 in) mà ban đầu được chế tạo trong Thế chiến I để cấp điện cho một liên kết vô tuyến xuyên Đại Tây Dương. Với cyclotron, ông có một công cụ khoa học mạnh mẽ, nhưng điều này không dẫn đến khám phá khoa học. Vào tháng 4 năm 1932, John Cockcroft và Ernest Walton tại Phòng thí nghiệm Cavendish ở Anh đã thông báo rằng họ đã bắn phá lithium bằng proton và đã thành công trong việc biến đổi nó thành heli. Năng lượng cần thiết hóa ra khá thấp-hoàn toàn nằm trong khả năng của cyclotron 0.3 m (11 in). Sau khi biết về điều đó, Lawrence đã gửi điện tín đến Berkeley và yêu cầu xác minh kết quả của Cockcroft và Walton. Nhóm đã mất đến tháng 9 để làm điều đó, chủ yếu do thiếu thiết bị phát hiện đầy đủ.
Mặc dù những khám phá quan trọng tiếp tục lẩn tránh Phòng thí nghiệm Bức xạ của Lawrence, chủ yếu do tập trung vào việc phát triển cyclotron hơn là sử dụng khoa học của nó, thông qua các cỗ máy ngày càng lớn hơn của mình, Lawrence đã có thể cung cấp thiết bị quan trọng cần thiết cho các thí nghiệm trong vật lý năng lượng cao. Xung quanh thiết bị này, ông đã xây dựng cái mà trở thành phòng thí nghiệm hàng đầu thế giới cho lĩnh vực nghiên cứu vật lý hạt nhân mới vào những năm 1930. Ông đã nhận được bằng sáng chế cho cyclotron vào năm 1934, mà ông đã nhượng lại cho Research Corporation, một quỹ tư nhân đã tài trợ phần lớn công việc ban đầu của Lawrence.
Vào tháng 2 năm 1936, chủ tịch Đại học Harvard, James B. Conant, đã đưa ra những lời đề nghị hấp dẫn cho Lawrence và Oppenheimer. Chủ tịch Đại học California, Robert Gordon Sproul, đã phản ứng bằng cách cải thiện điều kiện. Phòng thí nghiệm Bức xạ trở thành một bộ phận chính thức của Đại học California vào ngày 1 tháng 7 năm 1936, với Lawrence chính thức được bổ nhiệm làm giám đốc, với một trợ lý giám đốc toàn thời gian, và trường đại học đã đồng ý cấp 20.00 K USD mỗi năm cho các hoạt động nghiên cứu của nó. Lawrence đã áp dụng một mô hình kinh doanh đơn giản: "Ông ấy đã tuyển dụng phòng thí nghiệm của mình với các sinh viên tốt nghiệp và giảng viên trẻ của khoa vật lý, với các tiến sĩ mới sẵn sàng làm việc với bất kỳ giá nào, và với những người có học bổng và khách giàu có có thể phục vụ mà không cần gì."
2.1.3. Phản ứng của Giới Khoa học và Thách thức
Sử dụng cyclotron 0.7 m (27 in) mới, nhóm nghiên cứu tại Berkeley phát hiện ra rằng mọi nguyên tố mà họ bắn phá bằng deuterium mới được phát hiện đều phát ra năng lượng, và trong cùng một phạm vi. Do đó, họ đã giả định sự tồn tại của một hạt mới và chưa từng được biết đến, có thể là một nguồn năng lượng vô hạn. William Laurence của The New York Times đã mô tả Lawrence là "một người làm phép lạ mới của khoa học". Theo lời mời của Cockcroft, Lawrence đã tham dự Hội nghị Solvay năm 1933 tại Bỉ. Đây là một cuộc tụ họp thường xuyên của các nhà vật lý hàng đầu thế giới. Gần như tất cả đều đến từ châu Âu, nhưng đôi khi một nhà khoa học Mỹ xuất sắc như Robert A. Millikan hoặc Arthur Compton sẽ được mời tham dự. Lawrence được yêu cầu trình bày về cyclotron. Tuyên bố của Lawrence về năng lượng vô hạn đã nhận được một sự đón tiếp rất khác tại Solvay. Ông đã gặp phải sự hoài nghi gay gắt từ James Chadwick của Phòng thí nghiệm Cavendish, nhà vật lý đã phát hiện ra neutron vào năm 1932, nhờ đó ông đã được trao giải Nobel năm 1935. Với giọng Anh nghe có vẻ trịch thượng đối với Lawrence, Chadwick gợi ý rằng những gì nhóm của Lawrence đang quan sát là sự nhiễm bẩn của thiết bị của họ.
Khi trở về Berkeley, Lawrence đã huy động nhóm của mình để xem xét kỹ lưỡng các kết quả nhằm thu thập đủ bằng chứng để thuyết phục Chadwick. Trong khi đó, tại phòng thí nghiệm Cavendish, Rutherford và Mark Oliphant phát hiện ra rằng deuterium tổng hợp để tạo thành heli-3, gây ra hiệu ứng mà các nhà cyclotron đã quan sát. Chadwick không chỉ đúng khi họ đã quan sát thấy sự nhiễm bẩn, mà họ còn bỏ qua một khám phá quan trọng khác, đó là tổng hợp hạt nhân. Phản ứng của Lawrence là tiếp tục tạo ra các cyclotron lớn hơn nữa. Cyclotron 0.7 m (27 in) đã được thay thế bằng cyclotron 0.9 m (37 in) vào tháng 6 năm 1937, sau đó lại được thay thế bằng cyclotron 1.5 m (60 in) vào tháng 5 năm 1939. Nó được sử dụng để bắn phá sắt và tạo ra các đồng vị phóng xạ đầu tiên vào tháng 6.
2.2. Đóng góp Khoa học và Khám phá
Các kết quả khoa học quan trọng đạt được nhờ sử dụng cyclotron đã mở ra những chân trời mới trong vật lý hạt nhân, từ việc khám phá các đồng vị và nguyên tố mới đến những ứng dụng đột phá trong y học và hóa sinh.
2.2.1. Khám phá Đồng vị và Nguyên tố
Vào tháng 12 năm 1940, Glenn T. Seaborg và Emilio Segrè đã sử dụng cyclotron 1.5 m (60 in) để bắn phá uranium-238 bằng deuteron tạo ra một nguyên tố mới, neptunium-238, sau đó phân rã bằng phát xạ beta để tạo thành plutonium-238. Một trong các đồng vị của nó, plutonium-239, có thể trải qua phân hạch hạt nhân, cung cấp một cách khác để chế tạo bom nguyên tử.
2.2.2. Ứng dụng trong Y học và Hóa sinh
Vì việc gây quỹ cho mục đích y tế, đặc biệt là điều trị ung thư, dễ dàng hơn so với vật lý hạt nhân, Lawrence đã khuyến khích việc sử dụng cyclotron cho nghiên cứu y tế. Làm việc với em trai mình, John, và Israel Lyon Chaikoff từ khoa sinh lý học của Đại học California, Lawrence đã hỗ trợ nghiên cứu về việc sử dụng các đồng vị phóng xạ cho mục đích trị liệu. Phosphorus-32 dễ dàng được sản xuất trong cyclotron, và John đã sử dụng nó để chữa khỏi một phụ nữ mắc bệnh đa hồng cầu nguyên phát, một bệnh về máu. John đã sử dụng phosphorus-32 được tạo ra trong cyclotron 0.9 m (37 in) vào năm 1938 trong các thử nghiệm trên chuột mắc bệnh bạch cầu. Ông phát hiện ra rằng phosphorus phóng xạ tập trung vào các tế bào ung thư phát triển nhanh. Điều này sau đó đã dẫn đến các thử nghiệm lâm sàng trên bệnh nhân người. Một đánh giá về liệu pháp năm 1948 cho thấy sự thuyên giảm xảy ra trong một số trường hợp. Lawrence cũng hy vọng vào việc sử dụng neutron trong y tế. Bệnh nhân ung thư đầu tiên đã nhận được liệu pháp neutron từ cyclotron 1.5 m (60 in) vào ngày 20 tháng 11. Chaikoff đã tiến hành các thử nghiệm về việc sử dụng các đồng vị phóng xạ làm chất đánh dấu phóng xạ để khám phá cơ chế của các phản ứng hóa sinh.
Lawrence đã được trao Giải Nobel Vật lý vào tháng 11 năm 1939 "vì việc phát minh và phát triển cyclotron và vì các kết quả thu được từ nó, đặc biệt là liên quan đến các nguyên tố phóng xạ nhân tạo". Ông là người đầu tiên tại Berkeley cũng như người đầu tiên ở South Dakota trở thành người đoạt giải Nobel, và là người đầu tiên được vinh danh khi đang làm việc tại một trường đại học do nhà nước hỗ trợ. Lễ trao giải Nobel được tổ chức vào ngày 29 tháng 2 năm 1940, tại Berkeley, California, do Chiến tranh thế giới thứ hai, trong khán phòng của Wheeler Hall trong khuôn viên trường đại học. Lawrence đã nhận huy chương của mình từ Carl E. Wallerstedt, Tổng lãnh sự Thụy Điển tại San Francisco. Robert W. Wood đã viết thư cho Lawrence và tiên đoán rằng "Khi ông đang đặt nền móng cho sự bùng nổ thảm khốc của uranium... tôi chắc chắn Nobel già sẽ chấp thuận."
Vào tháng 3 năm 1940, Arthur Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, và Alfred Lee Loomis đã đến Berkeley để thảo luận về đề xuất của Lawrence về một cyclotron 4.7 m (184 in) với một nam châm 4.50 K t được ước tính có giá 2.65 M USD. Quỹ Rockefeller đã cung cấp 1.15 M USD để bắt đầu dự án.
2.3. Thế chiến II và Dự án Manhattan
Vai trò của Lawrence trong Thế chiến II, đặc biệt là sự tham gia của ông vào Dự án Manhattan và đóng góp vào công nghệ làm giàu uranium, đã định hình lịch sử khoa học và quân sự.
2.3.1. Phòng thí nghiệm Bức xạ và Làm giàu Uranium
Sau khi Chiến tranh thế giới thứ hai bùng nổ ở châu Âu, Lawrence đã bị cuốn vào các dự án quân sự. Ông đã giúp tuyển dụng nhân viên cho Phòng thí nghiệm Bức xạ MIT, nơi các nhà vật lý Mỹ phát triển magnetron khoang do nhóm của Mark Oliphant ở Anh phát minh. Tên của phòng thí nghiệm mới được cố ý sao chép từ phòng thí nghiệm của Lawrence ở Berkeley vì lý do an ninh. Ông cũng tham gia tuyển dụng nhân viên cho các phòng thí nghiệm âm thanh dưới nước để phát triển các kỹ thuật phát hiện tàu ngầm Đức. Trong khi đó, công việc vẫn tiếp tục tại Berkeley với các cyclotron.
Vào tháng 9 năm 1941, Oliphant đã gặp Lawrence và Oppenheimer tại Berkeley, nơi họ cho ông xem địa điểm cho cyclotron 4.7 m (184 in) mới. Oliphant, đến lượt mình, đã chỉ trích người Mỹ vì đã không tuân theo các khuyến nghị của Ủy ban MAUD của Anh, vốn ủng hộ một chương trình phát triển bom nguyên tử. Lawrence đã nghĩ về vấn đề tách đồng vị phân hạch uranium-235 khỏi uranium-238, một quá trình ngày nay được gọi là làm giàu uranium. Việc tách các đồng vị uranium rất khó khăn vì hai đồng vị có tính chất hóa học gần như giống hệt nhau, và chỉ có thể được tách dần dần bằng cách sử dụng sự khác biệt khối lượng nhỏ của chúng. Việc tách các đồng vị bằng phổ kế khối lượng là một kỹ thuật mà Oliphant đã tiên phong với lithium vào năm 1934.
Lawrence bắt đầu chuyển đổi cyclotron 0.9 m (37 in) cũ của mình thành một phổ kế khối lượng khổng lồ. Theo khuyến nghị của ông, giám đốc Dự án Manhattan, Chuẩn tướng Leslie R. Groves Jr., đã bổ nhiệm Oppenheimer làm người đứng đầu Phòng thí nghiệm Los Alamos của mình ở New Mexico. Trong khi Phòng thí nghiệm Bức xạ phát triển quá trình làm giàu uranium điện từ, Phòng thí nghiệm Los Alamos đã thiết kế và chế tạo bom nguyên tử. Giống như Phòng thí nghiệm Bức xạ, nó được điều hành bởi Đại học California.
Việc tách đồng vị điện từ sử dụng các thiết bị được gọi là calutron, một sự kết hợp của hai dụng cụ phòng thí nghiệm, phổ kế khối lượng và cyclotron. Tên này bắt nguồn từ "California university cyclotrons" (cyclotron của Đại học California). Vào tháng 11 năm 1943, nhóm của Lawrence tại Berkeley đã được tăng cường bởi 29 nhà khoa học Anh, bao gồm cả Oliphant.
Trong quá trình điện từ, một từ trường làm lệch các hạt tích điện theo khối lượng. Quá trình này không thanh lịch về mặt khoa học cũng như không hiệu quả về mặt công nghiệp. So với một nhà máy khuếch tán khí hoặc một lò phản ứng hạt nhân, một nhà máy tách điện từ sẽ tiêu thụ nhiều vật liệu khan hiếm hơn, đòi hỏi nhiều nhân lực hơn để vận hành và tốn kém hơn để xây dựng. Tuy nhiên, quá trình này đã được chấp thuận vì nó dựa trên công nghệ đã được chứng minh và do đó ít rủi ro hơn. Hơn nữa, nó có thể được xây dựng theo từng giai đoạn, và sẽ nhanh chóng đạt được công suất công nghiệp.
2.3.2. Sản xuất Vật liệu Hạt nhân tại Oak Ridge
Trách nhiệm thiết kế và xây dựng nhà máy tách điện từ tại Oak Ridge, Tennessee, được gọi là Y-12, được giao cho Stone & Webster. Các calutron, sử dụng 14.70 K t bạc, được sản xuất bởi Allis-Chalmers ở Milwaukee và vận chuyển đến Oak Ridge. Thiết kế yêu cầu năm đơn vị xử lý giai đoạn đầu, được gọi là đường đua Alpha, và hai đơn vị để xử lý cuối cùng, được gọi là đường đua Beta. Vào tháng 9 năm 1943, Groves đã ủy quyền xây dựng thêm bốn đường đua nữa, được gọi là Alpha II. Khi nhà máy được khởi động để thử nghiệm đúng tiến độ vào tháng 10 năm 1943, các bể chân không 14 t đã bị lệch khỏi vị trí do lực của nam châm và phải được cố định chắc chắn hơn. Một vấn đề nghiêm trọng hơn nảy sinh khi các cuộn dây nam châm bắt đầu bị đoản mạch. Vào tháng 12, Groves ra lệnh phá vỡ một nam châm, và tìm thấy những nắm rỉ sét bên trong. Groves sau đó ra lệnh tháo dỡ các đường đua và gửi nam châm trở lại nhà máy để làm sạch. Một nhà máy tẩy rỉ đã được thành lập tại chỗ để làm sạch các đường ống và phụ kiện.
Tennessee Eastman được thuê để quản lý Y-12. Y-12 ban đầu làm giàu hàm lượng uranium-235 lên giữa 13% và 15%, và vận chuyển vài trăm gram đầu tiên đến phòng thí nghiệm Los Alamos vào tháng 3 năm 1944. Chỉ 1 phần trong 5.825 lượng uranium cấp vào trở thành sản phẩm cuối cùng. Phần còn lại bị bắn tung tóe lên thiết bị trong quá trình. Những nỗ lực phục hồi mạnh mẽ đã giúp tăng sản lượng lên 10% lượng uranium-235 cấp vào vào tháng 1 năm 1945. Vào tháng 2, các đường đua Alpha bắt đầu nhận lượng cấp vào được làm giàu nhẹ (1.4%) từ nhà máy S-50 khuếch tán nhiệt mới. Tháng tiếp theo, nó nhận lượng cấp vào được tăng cường (5%) từ nhà máy khuếch tán khí K-25. Đến tháng 4 năm 1945, K-25 đang sản xuất uranium được làm giàu đủ để cấp trực tiếp vào các đường Beta.
Vào ngày 16 tháng 7 năm 1945, Lawrence đã quan sát Thử nghiệm hạt nhân Trinity của quả bom nguyên tử đầu tiên cùng với Chadwick và Charles A. Thomas. Ít ai hào hứng với thành công của nó hơn Lawrence. Vấn đề làm thế nào để sử dụng vũ khí hiện đã hoạt động trên Nhật Bản đã trở thành một vấn đề đối với các nhà khoa học. Trong khi Oppenheimer ủng hộ việc không trình diễn sức mạnh của vũ khí mới cho các nhà lãnh đạo Nhật Bản, Lawrence cảm thấy mạnh mẽ rằng một cuộc trình diễn sẽ là khôn ngoan. Khi một quả bom uranium được sử dụng mà không cảnh báo trong vụ ném bom nguyên tử Hiroshima, Lawrence cảm thấy rất tự hào về thành tựu của mình.
Lawrence hy vọng rằng Dự án Manhattan sẽ phát triển các calutron cải tiến và xây dựng các đường đua Alpha III, nhưng chúng được đánh giá là không kinh tế. Các đường đua Alpha đã bị đóng cửa vào tháng 9 năm 1945. Mặc dù hoạt động tốt hơn bao giờ hết, chúng không thể cạnh tranh với K-25 và K-27 mới, bắt đầu hoạt động vào tháng 1 năm 1946. Vào tháng 12, nhà máy Y-12 đã bị đóng cửa, do đó cắt giảm biên chế của Tennessee Eastman từ 8.600 xuống 1.500 và tiết kiệm 2.00 M USD mỗi tháng. Số lượng nhân viên tại Phòng thí nghiệm Bức xạ giảm từ 1.086 vào tháng 5 năm 1945 xuống 424 vào cuối năm.
2.4. Sự nghiệp Hậu chiến và "Khoa học Lớn"
Sau chiến tranh, Lawrence đã đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy "Khoa học Lớn" (Big Science), vận động chính phủ tài trợ cho các dự án khoa học quy mô lớn và thành lập các phòng thí nghiệm mới, định hình lại nền khoa học hiện đại.
2.4.1. Thúc đẩy và Ủng hộ "Khoa học Lớn"
Sau chiến tranh, Lawrence đã vận động rộng rãi để chính phủ tài trợ cho các chương trình khoa học quy mô lớn. Ông là người ủng hộ mạnh mẽ "Khoa học Lớn" với những yêu cầu về máy móc lớn và tiền bạc lớn, và vào năm 1946, ông đã yêu cầu Dự án Manhattan cấp hơn 2.00 M USD để nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bức xạ. Groves đã chấp thuận số tiền này, nhưng cắt giảm một số chương trình, bao gồm đề xuất của Seaborg về một phòng thí nghiệm bức xạ "nóng" ở Berkeley có mật độ dân số cao, và đề xuất của John Lawrence về sản xuất đồng vị y tế, vì nhu cầu này hiện có thể được đáp ứng tốt hơn từ các lò phản ứng hạt nhân. Một trở ngại là Đại học California, vốn rất muốn từ bỏ các nghĩa vụ quân sự trong thời chiến. Lawrence và Groves đã tìm cách thuyết phục Sproul chấp nhận gia hạn hợp đồng. Năm 1946, Dự án Manhattan đã chi 7 USD cho vật lý tại Đại học California cho mỗi đô la do trường đại học chi.
Luis Alvarez đã nhận xét: "Đối với hầu hết các đồng nghiệp của mình, Lawrence dường như gần như có ác cảm với tư duy toán học. Ông có một cách tiếp cận trực giác rất bất thường đối với các vấn đề vật lý phức tạp, và khi giải thích những ý tưởng mới cho ông, người ta nhanh chóng học được rằng không nên làm rối vấn đề bằng cách viết ra phương trình vi phân có thể làm rõ tình hình. Lawrence sẽ nói điều gì đó đại loại như ông không muốn bị làm phiền bởi các chi tiết toán học, mà "hãy giải thích vật lý của vấn đề cho tôi." Người ta có thể sống gần ông trong nhiều năm, và nghĩ rằng ông gần như mù chữ về toán học, nhưng sau đó lại bị giật mình khi thấy ông vẫn giữ được kỹ năng của mình trong toán học của điện và từ cổ điển một cách hoàn hảo."
Cyclotron 4.7 m (184 in) đã được hoàn thành bằng tiền thời chiến từ Dự án Manhattan. Nó kết hợp những ý tưởng mới của Ed McMillan, và được hoàn thành dưới dạng synchrocyclotron. Nó bắt đầu hoạt động vào ngày 13 tháng 11 năm 1946. Lần đầu tiên kể từ năm 1935, Lawrence đã tích cực tham gia vào các thí nghiệm, làm việc với Eugene Gardner trong một nỗ lực không thành công để tạo ra các meson pi mới được phát hiện bằng synchrotron. César Lattes sau đó đã sử dụng thiết bị mà họ đã tạo ra để tìm thấy các meson pi âm vào năm 1948.
Trách nhiệm đối với các phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã được chuyển giao cho Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Hoa Kỳ (AEC) mới được thành lập vào ngày 1 tháng 1 năm 1947. Năm đó, Lawrence đã yêu cầu 15.00 M USD cho các dự án của mình, bao gồm một máy gia tốc tuyến tính mới và một synchrotron gigaelectronvolt mới sau này được gọi là bevatron. Hợp đồng của Đại học California để điều hành phòng thí nghiệm Los Alamos sẽ hết hạn vào ngày 1 tháng 7 năm 1948, và một số thành viên hội đồng quản trị muốn trường đại học từ bỏ trách nhiệm điều hành một địa điểm bên ngoài California. Sau một số cuộc đàm phán, trường đại học đã đồng ý gia hạn hợp đồng cho cái mà hiện là Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos thêm bốn năm nữa và bổ nhiệm Norris Bradbury, người đã thay thế Oppenheimer làm giám đốc vào tháng 10 năm 1945, làm giáo sư. Ngay sau đó, Lawrence đã nhận được tất cả số tiền mà ông đã yêu cầu.
2.4.2. Phát triển Máy gia tốc Mới và Thành lập Phòng thí nghiệm
Lawrence đã rất lo lắng trước thử nghiệm hạt nhân đầu tiên của Liên Xô vào tháng 8 năm 1949. Ông kết luận rằng phản ứng thích hợp là một nỗ lực toàn diện để chế tạo một vũ khí hạt nhân lớn hơn: bom hydro. Ông đề xuất sử dụng máy gia tốc thay vì lò phản ứng hạt nhân để sản xuất các neutron cần thiết để tạo ra triti mà quả bom yêu cầu, cũng như plutonium, điều này khó hơn, vì sẽ cần năng lượng cao hơn nhiều. Ông lần đầu tiên đề xuất xây dựng Mark I, một nguyên mẫu máy gia tốc tuyến tính 7.00 M USD, 25 MeV, có tên mã là Materials Test Accelerator (MTA). Ông sớm nói về một MTA mới, thậm chí lớn hơn, được gọi là Mark II, có thể sản xuất triti hoặc plutonium từ uranium-238 đã cạn kiệt. Serber và Segrè đã cố gắng vô ích để giải thích các vấn đề kỹ thuật khiến nó không thực tế, nhưng Lawrence cảm thấy rằng họ đang không yêu nước.
Lawrence đã ủng hộ mạnh mẽ chiến dịch của Edward Teller cho một phòng thí nghiệm vũ khí hạt nhân thứ hai, mà Lawrence đề xuất đặt cùng với MTA Mark I tại Livermore, California. Lawrence và Teller đã phải tranh luận không chỉ với Ủy ban Năng lượng Nguyên tử, vốn không muốn nó, và Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, vốn kiên quyết phản đối, mà còn với những người ủng hộ cảm thấy rằng Chicago là địa điểm rõ ràng hơn cho nó. Phòng thí nghiệm mới tại Livermore cuối cùng đã được chấp thuận vào ngày 17 tháng 7 năm 1952, nhưng MTA Mark II đã bị hủy bỏ. Vào thời điểm này, Ủy ban Năng lượng Nguyên tử đã chi 45.00 M USD cho Mark I, vốn đã bắt đầu hoạt động, nhưng chủ yếu được sử dụng để sản xuất polonium cho chương trình vũ khí hạt nhân. Trong khi đó, Cosmotron của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven đã tạo ra một chùm tia 1 GeV.
3. Tư tưởng và Triết lý
Khám phá phương pháp luận khoa học, quan điểm chính trị và ảnh hưởng triết học của Lawrence đối với xã hội và khoa học, đặc biệt là trong bối cảnh Chiến tranh Lạnh, cho thấy một nhân vật phức tạp với những đóng góp vĩ đại nhưng cũng đầy tranh cãi.
3.1. Phương pháp luận Khoa học
Đối với hầu hết các đồng nghiệp của mình, Lawrence dường như gần như có ác cảm với tư duy toán học. Ông có một cách tiếp cận trực giác rất bất thường đối với các vấn đề vật lý phức tạp, và khi giải thích những ý tưởng mới cho ông, người ta nhanh chóng học được rằng không nên làm rối vấn đề bằng cách viết ra phương trình vi phân có thể làm rõ tình hình. Lawrence sẽ nói điều gì đó đại loại như ông không muốn bị làm phiền bởi các chi tiết toán học, mà "hãy giải thích vật lý của vấn đề cho tôi." Người ta có thể sống gần ông trong nhiều năm, và nghĩ rằng ông gần như mù chữ về toán học, nhưng sau đó lại bị giật mình khi thấy ông vẫn giữ được kỹ năng của mình trong toán học của điện và từ cổ điển một cách hoàn hảo.
3.2. Quan điểm Chính trị và Hoạt động trong Chiến tranh Lạnh
Mặc dù đã bỏ phiếu cho Franklin Roosevelt, Lawrence là một thành viên của Đảng Cộng hòa, người đã kịch liệt phản đối những nỗ lực của Oppenheimer trước chiến tranh nhằm thành lập công đoàn cho công nhân Phòng thí nghiệm Bức xạ, mà Lawrence coi là "các hoạt động lệch trái". Lawrence coi hoạt động chính trị là một sự lãng phí thời gian, tốt hơn nên dành cho nghiên cứu khoa học, và ông muốn nó được giữ ngoài Phòng thí nghiệm Bức xạ.
Trong bối cảnh Chiến tranh Lạnh lạnh giá của Đại học California sau chiến tranh, Lawrence chấp nhận các hành động của Ủy ban Hoạt động Phi Mỹ là hợp pháp, và không coi chúng là dấu hiệu của một vấn đề hệ thống liên quan đến tự do học thuật hoặc nhân quyền. Ông bảo vệ các cá nhân trong phòng thí nghiệm của mình, nhưng thậm chí còn bảo vệ danh tiếng của phòng thí nghiệm hơn. Ông buộc phải bảo vệ các thành viên của Phòng thí nghiệm Bức xạ như Robert Serber bị điều tra bởi Hội đồng An ninh Nhân sự của trường đại học. Trong một số trường hợp, ông đã đưa ra các thư giới thiệu nhân cách để hỗ trợ nhân viên. Tuy nhiên, Lawrence đã cấm anh trai của Robert Oppenheimer là Frank khỏi Phòng thí nghiệm Bức xạ, làm hỏng mối quan hệ của ông với Robert. Một chiến dịch tuyên thệ trung thành gay gắt tại Đại học California cũng đã khiến các giảng viên bỏ đi. Khi các phiên điều trần được tổ chức để thu hồi giấy phép an ninh của Robert Oppenheimer, Lawrence đã từ chối tham dự vì bệnh tật, nhưng một bản ghi chép trong đó ông chỉ trích Oppenheimer đã được trình bày khi ông vắng mặt. Thành công của Lawrence trong việc xây dựng một phòng thí nghiệm sáng tạo, hợp tác đã bị phá hoại bởi sự bất hòa và mất lòng tin do căng thẳng chính trị.
4. Đời sống Cá nhân
Ernest Orlando Lawrence kết hôn với Mary Kimberly (Molly) Blumer và có sáu người con. Ông đặt tên con trai mình là Robert theo tên người bạn thân thiết Robert Oppenheimer.
5. Cái chết
Vào tháng 7 năm 1958, Tổng thống Dwight D. Eisenhower đã yêu cầu Lawrence đến Geneva, Thụy Sĩ, để giúp đàm phán một đề xuất Hiệp ước cấm thử hạt nhân một phần với Liên Xô. Chủ tịch AEC Lewis Strauss đã thúc đẩy việc đưa Lawrence vào. Hai người đàn ông đã tranh luận về việc phát triển bom hydro, và Strauss đã giúp gây quỹ cho cyclotron của Lawrence vào năm 1939. Strauss rất muốn có Lawrence trong phái đoàn Geneva vì Lawrence được biết là ủng hộ việc tiếp tục thử nghiệm hạt nhân. Mặc dù mắc phải một đợt bùng phát nghiêm trọng của viêm loét đại tràng mãn tính, Lawrence vẫn quyết định đi, nhưng ông bị ốm khi ở Geneva, và được đưa khẩn cấp trở lại bệnh viện tại Đại học Stanford. Các bác sĩ phẫu thuật đã cắt bỏ ruột già của ông, nhưng tìm thấy các vấn đề khác, bao gồm xơ vữa động mạch nghiêm trọng ở một trong các động mạch của ông. Ông qua đời tại Bệnh viện Palo Alto vào ngày 27 tháng 8 năm 1958, mười chín ngày sau sinh nhật thứ 57 của mình. Molly không muốn một tang lễ công khai nhưng đã đồng ý một buổi lễ tưởng niệm tại Nhà thờ First Congregational ở Berkeley. Chủ tịch Đại học California Clark Kerr đã đọc điếu văn.
6. Đánh giá và Di sản
Di sản của Ernest Orlando Lawrence là một sự kết hợp phức tạp giữa những đóng góp khoa học đột phá và những tranh cãi đạo đức liên quan đến vai trò của ông trong việc định hình nền khoa học hiện đại và phát triển vũ khí hạt nhân.
6.1. Các Giải thưởng và Vinh danh Lớn
Ngoài Giải Nobel, Lawrence đã nhận được Huy chương Elliott Cresson và Huy chương Hughes vào năm 1937, Giải thưởng Comstock về Vật lý vào năm 1938, Huy chương và Giải thưởng Duddell vào năm 1940, Huy chương Holley vào năm 1942, Huy chương vì Công lao vào năm 1946, Giải thưởng William Procter cho Thành tựu Khoa học vào năm 1951, Huy chương Faraday vào năm 1952, và Giải thưởng Enrico Fermi từ Ủy ban Năng lượng Nguyên tử vào năm 1957. Ông được bầu làm thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ vào năm 1934, và cả Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Hoa Kỳ và Hội Triết học Hoa Kỳ vào năm 1937. Ông được phong làm Sĩ quan của Bắc Đẩu Bội tinh vào năm 1948, và là người đầu tiên nhận Giải thưởng Sylvanus Thayer của Học viện Quân sự Hoa Kỳ vào năm 1958.
6.2. Tên gọi Vinh dự
Ngay sau khi Lawrence qua đời, Hội đồng Hiệu trưởng Đại học California đã bỏ phiếu đổi tên hai phòng thí nghiệm nghiên cứu hạt nhân của trường đại học theo tên Lawrence: Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley. Giải thưởng Ernest Orlando Lawrence được thành lập để tưởng nhớ ông vào năm 1959. Nguyên tố hóa học số 103, được phát hiện tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley vào năm 1961, được đặt tên là lawrencium theo tên ông. Năm 1968, trung tâm giáo dục khoa học công cộng Lawrence Hall of Science được thành lập để vinh danh ông. Các tài liệu của ông nằm trong Thư viện Bancroft tại Đại học California, Berkeley.
6.3. Tác động đối với Khoa học và Xã hội
George B. Kauffman đã viết rằng:
"Trước ông, "khoa học nhỏ" chủ yếu được thực hiện bởi các cá nhân đơn lẻ làm việc với phương tiện khiêm tốn trên quy mô nhỏ. Sau ông, các khoản chi tiêu khổng lồ của công nghiệp, và đặc biệt là của chính phủ, về nhân lực và tài chính đã biến "khoa học lớn", được thực hiện bởi các nhóm nghiên cứu quy mô lớn, thành một phân khúc lớn của nền kinh tế quốc gia."
6.4. Phê bình và Tranh cãi
Vào những năm 1980, góa phụ của Lawrence đã nhiều lần kiến nghị Hội đồng Hiệu trưởng Đại học California loại bỏ tên chồng mình khỏi Phòng thí nghiệm Livermore, do phòng thí nghiệm này tập trung vào vũ khí hạt nhân mà Lawrence đã giúp xây dựng, nhưng mỗi lần đều bị từ chối. Bà sống lâu hơn chồng mình hơn 44 năm và qua đời ở Walnut Creek, California, ở tuổi 92 vào ngày 6 tháng 1 năm 2003.
Lawrence được Josh Hartnett thể hiện trong bộ phim Oppenheimer năm 2023 của Christopher Nolan.