Hernandez-Fernandez Antonio

В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Antonio Hernandez-Fernandez

Наука. Величайшие теории: выпуск 24: В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Наука. Величайшие теории Выпуск № 24, 2015 Еженедельное издание

© Antonio Hernandez-Fernandez, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012 © ООО “Де Агостини", 2014-2015

ISSN 2409-0069

Пер. с итал. — М: Де Агостини, 2015.- 168 с.

Энрико Ферми, один из главных ученых XX века, произвел революцию в физике первой половины столетия, внеся вклад в развитие таких дисциплин, как статистическая механика, теория квантов и ядерная физика. Ученый принял активное участие в создании первого ядерного реактора, что спустя несколько лет привело к появлению атомной бомбы, навсегда изменившей ход истории. Он был необыкновенным физиком, опередившим свое время, прообразом современного ученого, который вместо того, чтобы замыкаться в своей гениальности, окружал себя лучшими из лучших и работал в команде. Он запомнился своему поколению не только как великий исследователь, но и как превосходный педагог, взрастивший нескольких будущих лауреатов Нобелевской премии.

Введение

Энрико Ферми был одним из ученых, совершивших переворот в физике первой половины XX века. Он занимался самыми разными областями науки, в том числе изучал частицы квантовой вселенной: созданием большей части известных сегодня ядерных технологий мы обязаны способности Ферми исследовать материю. Также он стоял у истоков атомной эры. Благодаря усилиям ученого атомная энергия со всей ее невероятной мощью и связанными с ней этическими проблемами стала неотъемлемой частью нашей жизни.

Вместе с Лео Силардом Ферми сыграл ключевую роль в создании первого ядерного реактора, встав во главе исследовательской группы, которая 2 декабря 1942 года в Чикагском университете запустила «Чикагскую поленницу — 1». Ученый принял самое активное участие в Манхэттенском проекте, в рамках которого была создана атомная бомба. Она изменила ход истории и положила конец Второй мировой войне, затмив остальные достижения Ферми.

К сожалению, этот итальянский ученый не приобрел широкой известности — его, как и многих других выдающихся ученых того времени, заслонила тень гениального Альберта Эйнштейна. Тем не менее Ферми был одним из самых универсальных физиков в истории. Он прекрасно совмещал теоретические разработки с экспериментальной физикой, а в последние годы жизни заложил основы имитационного моделирования — третьего метода эмпирического познания. Ферми одним из первых осознал, что будущее науки зависит от развития компьютеров.

На страницах этой книги мы постараемся описать огромные масштабы его работы, которая выходит далеко за рамки сборки ядерного реактора или Манхэттенского проекта. Вся увлекательная жизнь Ферми была символом перехода человека от незнания о квантовой структуре мира к просеиванию элементарных частиц, составляющих материю. Его плодотворная работа имела важнейшее значение для понимания ядерных сил, а также для осознания и контроля огромной энергии, таящейся в атоме. Как и многие другие первооткрыватели в области радиоактивности, ученый рано умер от рака, всего лишь в возрасте 53 лет.

Ферми также был великолепным педагогом и умело совмещал исследовательскую работу с преподаванием, что удавалось немногим великим ученым. Он взрастил будущих лауреатов Нобелевской премии Эмилио Сегре, Джека Стейнбергера и Оуэна Чемберлена, которые из учеников превратились в его сотрудников. Сегре завязал с Ферми тесную дружбу еще со времен Рима, когда оба они входили в группу «ребят с улицы Панисперна». Под руководством Ферми эта исследовательская команда развивала ядерную физику в Италии. Исследователь написал несколько учебников по разным областям физики: термодинамике, атомной, квантовой физике и так далее. Страсть Ферми к науке была так велика, что он хотел передать ее другим, заразить их вирусом интеллектуального любопытства.

В то время не было принято разрабатывать теоретическую базу какой-либо дисциплины и одновременно изучать применение новых технологий. Однако одной из целей Ферми стала именно разработка технологий в современном понимании. Он даже зарегистрировал несколько патентов, в частности связанных с нейтронными реакторами или получением радиоактивного материала. Можно сказать, что Ферми опередил свое время. Его интеллектуальный гений соединялся с потрясающе открытым умом, ученый сумел окружить себя прекрасными единомышленниками и увлеченными студентами, создав условия для плодотворного сотрудничества, без которого невозможна современная наука. Таким образом, Энрико Ферми порвал с парадигмой одинокого гения, свойственной XIX веку: большую часть своей работы он проделал в команде. Возможно, этому способствовал и южный характер ученого. Он соединил исследовательскую работу с преподаванием и начал новую эру, в которой наука и развитие технологий оказались тесно связаны. Ферми был настоящим ученым XX века.

Он родился в 1901 году в Риме, с самых ранних лет интересовался наукой и через всю жизнь пронес наивную детскую страсть ко всякого рода поделкам. Жадную любознательность Ферми разделял и его старший брат Джулио, однако он трагически погиб в возрасте 15 лет, и Энрико с головой ушел в учебу. Эта трагедия наложила отпечаток на всю жизнь ученого. Его жаждущая знаний личность была сформирована классическим образованием и книгами, которые Ферми читал в отрочестве. Довершили работу сами обстоятельства той эпохи.

Ферми не оставил автобиографий, но, к счастью, его супруга Лаура Капон (впоследствии она по американской традиции взяла фамилию мужа), с которой ученый, связав себя узами брака в 1928 году, прожил до самой смерти, написала подробнейший рассказ об их совместной жизни. После смерти Ферми Эмилио Сегре собрал воедино все его работы и переписку.

У Лауры и Энрико было двое детей: старшая дочь Нелла и сын Джулио, названный в честь погибшего брата. Как и некоторые римские сотрудники Ферми, Лаура была еврейкой, и это вынудило ученого со всей семьей бежать из фашистской Италии, от режима Муссолини. Сам дуче очень высоко оценивал передовые исследования Ферми в атомной физике и его значение для « итальянской расы». Хотя в молодости ученому удавалось оставаться вне политики и движения чернорубашечников, в 1929 году ему пришлось вступить в Национальную фашистскую партию, поскольку сам Муссолини назначил его членом Королевской академии Италии.

Тем не менее по мере ужесточения фашизма и сближения Муссолини с Гитлером положение Ферми становилось все более шатким. Летом 1938 года дуче распространил несколько манифестов в защиту итальянской расы, в которых в полную силу зазвучали антисемитские ноты. В этом же году Этторе Майорана, один из учеников и ближайших сотрудников Ферми, исчез при неизвестных обстоятельствах. К счастью, 10 ноября 1938 года Энрико получил известие от Шведской Королевской академии: ему присудили Нобелевскую премию по физике. И это, возможно, был единственный шанс сбежать с семьей из фашистской Италии. Очень редко Нобелевская премия имела для кого-либо такое огромное значение; вероятно, понимала это и сама академия. После церемонии вручения Ферми с семьей уехал в Нью-Йорк.

Исследования, проделанные Ферми в Италии, привели к потрясающим результатам. Благодаря таким открытиям, как принцип исключения Паули, согласно которому некоторые частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, Ферми разработал статистику, объясняющую поведение атомов и частиц, изучение которых только начиналось,— электронов, протонов и нейтронов. В его честь эти частицы, образующие большую часть известного нам мира, вместе с другими, которые были открыты позже и подчиняются тем же принципам, были названы фермионами.

Общее видение научной картины помогло Ферми понять, что для изучения мира атомов необходима статистическая физика — область, занимающаяся огромными совокупностями элементов и позволяющая делать макроскопические прогнозы. Благодаря своей знаменитой научной интуиции Ферми смог объяснить бета-распад и поведение радиоактивных элементов. Он прославился способностью находить решение задач на основании небольшого количества данных (так называемые задачи Ферми). Также ученый доказал, что частица, постулированная Паули в 1930 году, — не нейтрон, а что-то другое, с меньшей массой. Ферми назвал ее нейтрино (это слово имеет очевидное итальянское происхождение: нейтрино — нечто нейтральное и маленькое). Предположения Ферми очень часто подтверждались опытным путем и интегрировались в существующие модели, включая новые частицы, например позитрон, гипотезу о котором выдвинул Дирак, или квантовую механику Вернера Гейзенберга. Однако статья Ферми не нашла одобрения в редакции журнала Nature, так как была «слишком далека от реальности»: еще одно доказательство того, что редакторы научных журналов не всегда дотягивают до высоты гениальных авторов-ученых.

Последующее экспериментальное открытие нейтрино и его новых типов, часть которых имела космическое происхождение, произвело революцию в физике элементарных частиц и помогло связать ее с астрофизикой, как это и предвидел Ферми в последние годы своей научной деятельности. В этот период он сформулировал знаменитый парадокс Ферми, в котором выявлял противоречие между высокой вероятностью существования инопланетян и отсутствием каких-либо эмпирических доказательств этого. Однако настоящим парадоксом в жизни Ферми стала его работа в лаборатории Лос-Аламоса над использованием ядерной физики в военных целях, хотя публично ученый выступал против расширения видов вооружения.

Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронами, или же бомбардировка нейтронами атомных ядер, привела Ферми и его «ребят с улицы Панисперна» к открытию множества радиоактивных изотопов. Ученый отшлифовал технику бомбардировки медленными нейтронами, которая позже сыграла важнейшую роль при создании ядерного реактора, первой ядерной самоподдерживающейся цепной реакции и смертоносной атомной бомбы в Лос-Аламосе. Любопытно, что еще в 1934 году в Риме, наблюдая в ходе эксперимента по бомбардировке урана нейтронами большую радиоактивность по сравнению с ожидаемой, Ферми не подумал, что речь идет о делении ядра — процессе, о котором в том же году говорила немецкий физик Ида Новак. Как признавал сам ученый, это была его «большая ошибка». После того как стал понятен механизм деления ядра, разработка атомной бомбы продолжилась в Лос-Аламосской лаборатории. Новое оружие должно было положить конец Второй мировой войне.

Таким образом, Ферми стал первым ядерным инженером в истории. Любовь ученого к исследовательской деятельности наряду с прагматизмом позволили ему использовать квантовую революцию и понимание атомной вселенной для создания первых ядерных реакторов и внести решающий вклад в появление ядерного оружия. Ядерный парадокс очевиден: с одной стороны, часть потребляемого нами электричества происходит от ядерной энергии, и атомные реакторы могут сыграть ключевую роль в будущем исследовании космоса. С другой стороны, современный ядерный арсенал таит огромную опасность и способен уничтожить все человечество; к тому же наши реакторы не могут противостоять природным катастрофам (как случилось в Фукусиме в Японии в 2011 году) и человеческому фактору (как это было в Чернобыле в 1986-м). Должны ли мы отказаться от ядерной энергии из-за тех рисков, которые она несет в себе? Сможем ли мы контролировать развитие ядерного оружия, избежав угрозы массового уничтожения? Ферми тоже задавался этими вопросами. Он считал, что разработав такую технологию, как ядерная, человечество не может дать задний ход. Напротив, если человек — часть природы, то атомная бомба — это одна из возможных природных катастроф.

Интересно, что нейтрино, получивший свое название от Ферми, сейчас стал одним из главных объектов исследований, которые подводят нас к пределу понимания Вселенной. Мы знаем, что Солнце испускает нейтрино как продукт реакций деления, происходящих внутри него, те же процессы протекают и в звездах, например в сверхновых. Даже наше тело и вся материя испускают нейтрино. После того как было открыто, что нейтрино обладают массой, пусть и очень маленькой, удалось также доказать ошибочность эксперимент OPERA, в ходе которого якобы было установлено, что скорость нейтрино превышает скорость света.

Дух Ферми продолжает жить в Фермилабе — одном из крупнейших ускорителей частиц в мире, который расширяет наши знания о нейтрино и мире субатомных частиц.

1901 29 сентября в Риме рождается Энрико Ферми.

1914 Ферми знакомится с инженером Адольфо Амидеи, другом своего отца. Амидеи становится первым учителем и наставником мальчика. Год спустя умирает брат Ферми, Джулио.

1921 Еще до окончания учебы в Высшей нормальной школе Пизы публикует свою первую научную статью «О динамике системы жестко связанных электрических зарядов, движущейся поступательно».

1923 Во время учебы у Макса Борна в Геттингене знакомится с Вернером Гейзенбергом и Паскуалем Йорданом и их теориями.

1924 Стажируется в Лейдене у Пауля Эренфеста. По возвращении в Рим публикует работу «О вероятности квантовых состояний».

1926 Получает первую кафедру по физике в римском университете Ла Сапиенца. Публикует работу «О квантовании идеального одноатомного газа». В ней излагает теорию, лежащую в основе поведения большинства частиц Вселенной — фермионов.

1927 В статье 4 Статистический метод определения некоторых свойств атома» предлагает статистическую модель атома, или модель Томаса — Ферми.

1928 Женится на Лауре Капон. В этом браке родится двое детей.

1933 Благодаря открытию Паули нейтрино объясняет бета-распад.

1938 Муссолини публикует Итальянский расовый манифест. Ферми получает Нобелевскую премию по физике и пользуется поездкой в Стокгольм, чтобы эмигрировать в США.

1942 Переезжает в Чикаго и начинает работу, в результате которой возглавляет Манхэттенский проект, связанный с разработкой первого ядерного реактора в истории.

1945 Участвует в разработке первых атомных бомб в Лос-Аламосе.

1946 Возвращается в Чикаго и основывает Институт ядерных исследований. Начинается период блестящих открытий Ферми в области ядерной физики. Также ученый ведет преподавательскую деятельность в Чикагском университете.

1951 В Чикагском университете создает синхроциклотрон, открывающий новую эру в физике высоких энергий.

1953 Назначен президентом Американского физического общества.

1954 Ферми выступает как свидетель на процессе Оппенгеймера. Прочитав в Варение (город на берегу озера Комо) последние лекции, возвращается в Чикаго. Там ученому ставят диагноз «рак желудка», от которого он умирает 28 ноября.

ГЛАВА 1

Рождение фотона

В начале XX века человечество стало понимать, как устроены материя и свет.

Был открыт электрон, и началось изучение мира атомов. Волновая теория света и уравнения Максвелла объясняли большинство оптических явлений, пока Эйнштейн не сформулировал теорию фотоэлектрического эффекта, основанную на квантовании, предложенном Планком. Подготавливались основы квантовой механики. Юный Ферми прикоснулся ко всем этим источникам знаний, что впоследствии помогло ему стать пионером ядерных технологий.

Отец Энрико, Альберто Ферми, был служащим новых железных дорог, и эти пути сообщения в то время составляли нервную систему молодой итальянской нации, появившейся в 1861 году. Альберто родился в Боргонуре, недалеко от Пьяченцы, 3 апреля 1857 года. Его отцу, Стефано (первому из рода Ферми, кто не работал в поле), удалось устроить Альберто в железнодорожную компанию Alta Italia в 1882 году. Благодаря своим способностям и старанию Альберто очень скоро сделал карьеру в администрации и в 1898 году получил место инспектора. Он совершал много рабочих поездок, но в конце концов осел в Риме. В том же году Альберто женился на Иде де Гаттис, учительнице из Бари, которая была на 14 лет моложе его. У них родилось трое детей: старшая дочь Мария — в 1899 году, сын Джулио — в 1900-м, и наконец, Энрико появился на свет 29 сентября 1901 года.

Ида была очень умной женщиной и воспитывала детей в строгости. С самых ранних лет она прививала им усердие, упорство и любовь к знаниям. Поскольку она не могла кормить всех трех детей с такой маленькой разницей в возрасте, то Энрико и Джулио провели первые годы жизни у кормилицы в деревне — это была обычная практика для зажиточных семей того времени. Когда мальчику исполнилось два с половиной года, он заболел и вернулся в Рим. Энрико рано научился читать и писать и демонстрировал прекрасную память, зачитывая наизусть длинные отрывки из «Неистового Роланда» Лудовико Ариосто.

Когда в шесть лет он пошел в школу, то проявил способности и к математике. Говорят, что в возрасте десяти лет, когда дети только переходили из начальной школы в среднюю, Энрико уже решал абстрактные задачи. Например, уравнение окружности х² + у² = r² — один из его первых алгебраических вызовов. В детстве он предпочитал познавать мир самостоятельно, не прибегая к помощи брата и сестры, но со временем стал более общительным и научился делиться переживаниями, особенно с Джулио. Любознательность и удовольствие от решения интеллектуальных задач стали верными спутниками Энрико на протяжении всей жизни.

БОЛЬШАЯ УТРАТА

Обучение в средней школе длилось пять лет, в лицее — три года, за это время учащихся готовили к университету и преподавали им преимущественно гуманитарные дисциплины, в частности итальянский, латынь, греческий, французский, философию, историю, географию, а также математику, физику и естественные науки, которые тогда назывались «естественной историей». Энрико был первым учеником в классе. Благодаря живому уму он интересовался всеми предметами, но особую склонность чувствовал к дисциплинам, которые вели увлеченные своим делом педагоги. Например, учитель по итальянскому Джованни Федерцони вдохновил мальчика на изучение «Божественной комедии» Данте. Во взрослом возрасте Энрико Ферми, к тому времени уже забывший отрывки из «Неистового Роланда», читал Данте наизусть с потрясающей точностью.

Несмотря на замкнутый и молчаливый характер, он любил играть в футбол, плавать и гулять по горам и часто брал с собой брата Джулио. Также Энрике пылал духом соперничества: ему нравилось побеждать и становиться во всем первым. Возможно, это была своего рода компенсация: в семье мальчик был самым младшим и страдал от комплекса неполноценности по отношению к брату и сестре. С Джулио он делил все: игры, желание познать устройство Вселенной, страсть к науке и новым технологиям, которые уже начинали менять мир. Братья были неразлучны. Они вместе сконструировали несколько маленьких моторов и игрушек.

Люди слишком часто отказываются понять суть вещей.

Высказывание молодого Ферми, в котором заключено его кредо

Тогда это и случилось. У Джулио началось воспаление горла 12 января 1915 года. В результате операции, которая поначалу казалась довольно простой, он погиб. Эта смерть повергла семью в отчаяние. Ида впала в тяжелую депрессию, разом постарев на несколько лет. Она была особенно привязана к Джулио и так никогда и не оправилась от этой потери. Энрико же лишился товарища по приключениям, старшего брата, с которым он играл в футбол, гулял по горам, друга, помогавшего ему сблизиться с другими людьми. Он еще больше замкнулся и нашел прибежище в учебе, окончив среднюю школу с превосходными результатами и на год раньше срока. Затем Энрико поступил в римский лицей имени Умберто I.

ДВА ЭНРИКО

Поскольку Энрико поступил в лицей на год раньше, то оказался среди мальчиков, которые были старше его — как раз как его погибший брат. Там Ферми познакомился с Энрико Персико, бывшим другом Джулио. Вскоре выяснилось, что оба Энрико одинаково любили физику. В лице Персико Ферми нашел больше чем друга — практически родную душу. Уроки в лицее были не в состоянии утолить их жажду знаний, и по средам они оба ходили на рынок на площади Кампо-деи-Фиори, где за несколько лир покупали подержанные книги.

Одной из таких книг оказался трактат, написанный Андреа Караффой (1789-1845), членом ордена иезуитов, физиком и математиком. Эта работа, опубликованная на латыни в 1840 году, называлась Elementorum physicae mathematicae («Начала физики и математики»). Наконец-то Энрике пригодились уроки древних языков, и очень скоро он поделился с Персико этим гениальным сочинением. В работе Караффы, состоящей из более чем 900 страниц, были разделы по математике, классической механике, оптике, астрономии и акустике. С горячностью, свойственной молодости, Энрико восхищался этим трактатом. Анализируя движение юлы, с которой Ферми и Персико играли, как и другие дети, друзья углубились в изучение механики твердых тел и вышли за пределы трактата. Ребята даже изготовили самодельные гироскопы — инструмент, созданный в 1852 году Фуко для того, чтобы лучше понять движение Земли (после того как он доказал ее вращение с помощью знаменитого маятника). В начале XX века гироскоп еще оставался удивительным механизмом, способным поразить молодой ум.

В то время Ферми уже продемонстрировал уникальные способности к абстрагированию и всегда с максимальной ясностью излагал свои идеи и гипотезы, стремясь найти наиболее точный экспериментальный способ доказать их. Персико следовал за другом, понимая, что имеет дело с гением, которому почти нет равных. Годы спустя, в 1936-м, оба друга возглавили первые две кафедры по теоретической физике в Италии.

ИНЖЕНЕР АМИДЕИ

После смерти Джулио Альберто Ферми еще больше сблизился со своими детьми. Энрико завел привычку после уроков заходить к отцу на работу, и они вместе шли домой. Часто их провожал коллега Альберто, Адольфо Амидеи, инженер железнодорожной компании. Амидеи сразу распознал удивительные способности Энрико. Видя его энтузиазм, он вскоре начал давать мальчику задачи, пробуждающие в нем еще больший интерес. Специально для Энрико Амидеи составил курс математики и физики, давал ему читать свои книги, объяснял ему все, что знал сам, распределяя темы по времени и уровню сложности.

Ферми сам дополнял эти полезнейшие сведения случайными книгами, которые находил по средам на рынке Кампо-деи-Фиори, и делился с Персико своими достижениями.

Я с усердием занимаюсь математикой, потому что считаю ее необходимой для изучения физики, которой хочу всецело себя посвятить.

Ответ Энрико Ферми на вопрос Адольфо Амидеи о его предпочтениях в учебе

Адольфо Амидеи был поражен успехами молодого Ферми.

В 1918 году он сказал его отцу, что вместо римского университета Ла Сапиенца для Энрико было бы лучше попробовать получить стипендию на учебу в престижной Высшей нормальной школе Пизы. Поначалу Ида и Альберто не оценили эту идею.

Ла Сапиенца считался хорошим университетом, к тому же он находился рядом с домом. С момента смерти Джулио прошло слишком мало времени, и родители не хотели расставаться со вторым сыном, хотя Пиза тоже была не так уж далеко. Однако настойчивость Амидеи и самого Энрико в конце концов преодолела их сопротивление. Амидеи посоветовал Ферми учить немецкий, который в то время был языком физики.

На одном из вступительных испытаний 14 ноября 1918 года Ферми поразил экзаменаторов, в частности профессора математики Римского университета Джузеппе Питарелли, подробным докладом о свойствах звука и вибрации струн под названием «Характер и причины звуков», в котором демонстрировал прекрасное владение методами решения дифференциальных уравнений и анализом Фурье. Питарелли никогда в жизни не видел ничего подобного. Знания Ферми были на уровне выпускника, а не ученика старшей школы. В его лице Пизанский университет приобретал гениального студента.

ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ?

Вопрос о том, какую природу имеет свет — волновую или корпускулярную, решался в учебнике Караффы неправильно. Исаак Ньютон (1643-1727) в своем трактате об оптике 1704 года уже использовал корпускулярную модель для объяснения отражения и преломления света. По теории Ньютона, в воде и в стекле свет перемещается с большей скоростью, чем в воздухе, что было неправильным предположением, как и то, что свет перемещается практически мгновенно, а его лучи распространяются только по прямой. Эти взгляды ученого подверглись жесткой критике со стороны современников, особенно англичанина Роберта Гука (1635-1703) и голландца Христиана Гюйгенса (1629-1695). Описывая феномен преломления, они предполагали, что свет достигает максимальной скорости в воздухе, и отстаивали его волновую природу. Французский физик Огюстен Френель (1788-1827) провел множество опытов по интерференции и дифракции и заложил математические основы волновой теории света — единственной, которая могла объяснить его дифракцию. При дифракции волны искривляются, наталкиваясь на препятствие или проходя через отверстие.

В 1801 году английский ученый Томас Юнг (1773-1829) доказал правильность волновой теории с помощью своего знаменитого опыта с двойными прорезями. Эксперимент заключался в следующем: на две узкие прорези, расположенные одна рядом с другой, направлялся луч света. Таким образом получалось два пучка света, и на проекционном экране была видна интерференция, то есть светлые и темные полосы (рисунок 1). Это, бесспорно, доказывало волновую природу света: если бы свет состоял из частиц, то интерференции не наблюдалось бы и частицы, достигшие экрана, сконцентрировались бы перед прорезями, создав две освещенные области (рисунок 2).

РИС. 1

РИС. 2

Когда в 1860 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) опубликовал свою математическую теорию электромагнетизма, казалось, что волновая теория победила окончательно. В ее рамках были разработаны уравнения, которые предсказывали существование волн, подтверждавших ее истинность. Максвелл воспользовался разработками других ученых, таких как Гаусс, Фарадей, Ленц и Ампер. Его заслуга заключалась в том, что он объединил разрозненные исследования на тему магнетизма и доказал, что скорость света в вакууме (с) равна приблизительно 300000 км/с и что свет является формой электромагнитного излучения, описывающейся уравнением

c = 1/√(ε_0μ_0),

где ε_0 — электрическая постоянная, или, как тогда ее называли, электрическая проницаемость вакуума (8,854-10-12 Ф/м), а μ_0 — магнитная постоянная, или магнитная проницаемость вакуума (4π-10^7 Гн/м). Электрическая проницаемость материала — это значение, которое показывает, как он ведет себя в присутствии электрического поля, а магнитная проницаемость характеризует способность материала пропускать через себя магнитные поля. Большим достижением Максвелла было то, что он объяснил природу света, связав ее с электромагнитными свойствами материалов, через которые свет проходит. Молодой Ферми был очарован универсальными постоянными — эти числа, справедливые для всей Вселенной, словно ждали, пока их откроют.

По мере того как ученые продвигались в изучении света, стали проявляться свойства недавно открытых катодных лучей. Немецкий физик и математик Юлиус Плюккер (1801-1868) в 1858 году обнаружил разряды в некоторых газах, запаянных в стеклянные трубки, откуда предварительно был откачан воздух. В 1897 году в Кавендишской лаборатории в Кембридже британский ученый Джозеф Джон Томсон (1856-1940) измерил соотношение между разрядом и массой электрона (е/m).

ОПЫТ ТОМСОНА

В опыте Томсона (см. рисунок) катод С испускает электроны со скоростью v', их большая часть доходит до анода А, но некоторые проходят через отверстие в аноде. Через второй анод, А’, проходит еще меньшее количество электродов, на которые затем воздействует электромагнитное поле, создающееся между параллельными пластинами шириной а.

С — катод, испускающий электроны;

А, А' — перфорированные аноды с высоким положительным потенциалом;

Р, Р' — отклоняющие пластины, создающие электрическое поле, более или менее равномерное на всем расстоянии L;

S — флюоресцентная пластина, на которой остается след от столкновения с электроном.

Электрическое поле Е отклоняет электроны на величину (yε). Магнитное поле В отклоняет их на величину yM. Отклонения yε, yM, ширину пластин и длину L между концом пластин и экраном S можно измерить напрямую, макроскопически.

yε = eEa/mv²(L + a/2)

Схема и формула измерения отклонения yε вызванного электрическим полем (E→).

yM = eBa/mv(L + a/2)

Схема и формула измерения отклонения вызванного магнитным полем (B→).

Изменив электрическое поле Е и магнитное поле В так, чтобы пучок не отклонялся от прямой, мы можем приравнять оба отклонения: yε = yM. Измерив их, мы получим соотношение между зарядом и массой электрона (е/m) в зависимости от расстояний а и L с помощью формулы

e/m = yEv²/Ea · 1/(L + a/2) ≃ yEv²/EaL = (yE · E)/B²aL.

Таким образом можно получить достаточно точное соотношение между зарядом и массой электрона.

Для этого он использовал специальный прибор: в стеклянную трубку, внутри которой создавался вакуум (давление меньше 0,01 мм рт. ст.), помещали несколько металлических электродов, а затем через них пропускали пучок катодных лучей Плюкера. Так Томсон опытным путем доказал, что катодные лучи имеют корпускулярную природу и отрицательный заряд, то есть открыл электрон. В результате этих исследований появилась простая атомная модель, в которой атом состоял из электронов, находящихся в составе массы с положительным зарядом, как изюм в пудинге (см. рисунок на следующей странице).

В 1909 году американские физики Роберт Милликен (1868-1953) и Харви Флетчер (1884-1981) провели опыт, вызвавший впоследствии большую критику, поскольку в нем было допущено несколько ошибок, и измерили заряд электрона. Он оказался приблизительно равен e ≈ -1,6 · 10-19 Кл. До открытия кварков заряд электрона считался самым маленьким зарядом, встречающимся в природе.

РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Квантовая физика родилась 14 декабря 1900 года, когда немецкий физик Макс Планк (1858-1957) на заседании Немецкого физического общества прочел свою работу «К теории распределения энергии излучения нормального спектра».

В ней Планк высказывался в поддержку дискретных состояний энергии, а не непрерывных, как утверждалось в классической теории, согласно которой частицы могут иметь энергию, равную любому численному значению.

Дискретизация подразумевала, что обмен энергией между системами постоянный. Закон Планка связывает энергию излучения с ее частотой (v) так, что E = hv, где постоянная h — постоянная Планка — приблизительно равна h ≈ 6,626 х 10-34 Дж с. Планк заключал, что при переходе с одного уровня на другой энергия организовывается в кванты, то есть в минимальные порции энергии, которые можно вычислить с помощью уравнения.

Энрико (в центре) в возрасте четырех лет с братом Джулио и сестрой Марией.

Ферми в возрасте 16 лет, перед поступлением в Нормальную школу Пизы.

Энрико Персико (в центре) с Ферми (второй справа) вовремя каникул группы физиков в Валле д’Аоста в декабре 1932 года.

АТОМ РЕЗЕРФОРДА

В 1911 году новозеландский физик и химик Эрнест Резерфорд (1871- 1937) заметил, что некоторые альфа-частицы, излучаемые радиоактивным веществом, резко меняют траекторию при прохождении через тонкий лист золотой фольги, при этом небольшое их количество отражается, а большая часть проходит сквозь лист (рисунок 1). Эксперимент, проведенный Резерфордом, Гейгером и Марсденом, противоречил атомной модели Томсона — иногда ее называли моделью «сливового пудинга» или «булочки с изюмом». Отклонение происходило при столкновении альфа-частицы и атомного ядра. Чтобы объяснить результаты, Резерфорд предложил атомную модель, в которой большая часть массы атома и весь его положительный заряд находились в определенной области, названной ядром, а вокруг него, как в миниатюрной планетарной системе, по орбитам вращались электроны, и их общий заряд точно соответствовал положительному заряду ядра (рисунок 2). Эта модель часто используется в изображении атомов и сегодня. Она предусматривает условие, которое совсем не кажется очевидным: большая часть атома пуста. Позже Резерфорд теоретически обосновал существование нейтрона, который обнаружил опытным путем английский физик Джеймс Чедвик в 1932 году.

РИС. 1

РИС . 2

Альберт Эйнштейн заинтересовался теорией Планка и использовал ее в 1905 году для объяснения фотоэлектрического эффекта, который невозможно было объяснить с помощью господствующей волновой теории. Эйнштейн предположил, что свет делится на кванты, то есть на маленькие части, имеющие свойства частиц и называющиеся фотонами.

При фотоэлектрическом эффекте пучок света падает на металлическую пластину и производит электрический ток, который измеряется амперметром (см. рисунок). По классической волновой теории, свет высвобождает электроны металла в зависимости от энергии, или интенсивности падающего света, и независимо от его частоты, или цвета. Поэтому чем интенсивнее свет, тем сильнее должен быть ток. Однако голубой свет низкой интенсивности производил фотоэлектрический эффект, а более интенсивный красный свет — нет.

Схема цели, в которой можно наблюдать фотоэффект.

Следовательно, основополагающим фактором была частота, а не интенсивность света. Эйнштейн пришел к выводу, что электроны высвобождаются из металла под воздействием фотонов, которые следуют закону Планка, поэтому энергия Е фотонов напрямую зависит от частоты, и только фотоны с высокой частотой (превышающей определенный порог) могут выбить электроны из пластины. В 1921 году за свое объяснение фотоэлектрического эффекта Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Благодаря его работе сегодня мы можем пользоваться солнечными батареями и датчиками освещения. Путь квантовой механике был открыт.

ГЛАВА 2

Мир фермионов

На заре XX века классическая физика уже не выдерживала натиска теории относительности и квантовой механики. Появилось несколько моделей атомов, были доказаны корпускулярно-волновой дуализм и важность статистической физики для изучения мира атомов. Статистическая теория Ферми объяснила поведение многих элементарных частиц, названных в его честь фермионами. С этого момента список частиц, составляющих Вселенную, начал неуклонно расти. Последним открытием стала частица, похожая на бозон Хиггса.

Приехав в Пизу, молодой Ферми получил скромную, холодную, но собственную комнату, а предоставленная ему стипендия позволяла не заботиться о хлебе насущном. Меню студента не отличалось разнообразием, но гораздо больше его внимание привлекала обширная библиотека Нормальной школы. Энрико быстро выполнял учебные задания и продолжал свое образование, выходившее за рамки программы. Наставника Амидеи рядом не было, и Ферми самостоятельно выбирал себе литературу. В его записках того периода часто встречаются аккуратные списки прочитанных книг. В 1919 году Ферми начал изучать первые работы Нильса Бора (1885-1962) о спектре водорода, электронную теорию материи Оуэна Уилланса Ричардсона (1879-1959), тензорное исчисление Туллио Леви-Чивиты (1873-1941), труды по специальной теории относительности, работы Людвига Больцмана (1844-1906) по статистической физике и учебник Эрнеста Резерфорда (1871-1937) по радиоактивности.

Ферми проводил время не только за учебой. В Пизе он познакомился с Франко Разетти, тоже студентом-физиком первого курса, который, как и Ферми, увлекался не только естественными науками, но и горными прогулками. Энрико часто бывал у Разетти дома, где мама товарища готовила лакомства, вносившие разнообразие в однообразную диету юноши в Нормальной школе. Какое-то время друзья развлекались тем, что подшучивали над профессорами. Вместе с товарищами, среди которых был Нелло Каррара, они подвешивали ведра с водой над полузакрытыми дверями, устраивали маленькие взрывы в химической лаборатории и взрывали вонючие бомбочки в классе. К счастью для Ферми, их преподаватель по экспериментальной физике, Луиджи Пуччанти, был очень терпеливым человеком, на специально созванной комиссии он вступился за талантливых студентов и помог им избежать исключения из школы.

Более того, Пуччанти разрешил Ферми, Разетти и Карраре свободно пользоваться лабораториями. В его собственной лаборатории было оборудование для спектроскопии и работы с рентгеновскими лучами, которое имело огромную важность для первых экспериментальных работ Ферми и впоследствии для его докторской диссертации.

Люди должны смириться с тем, что невежество не может быть лучше знания.

Энрико Ферми

В 1920 году Ферми изучил труд немецкого физика Арнольда Зоммерфельда (1868-1951) Atombau und SpektraUinien («Строение атома и спектры»), который считался библией атомной физики. Зоммерфельд был известен как эксперт по теории Бора — Зоммерфельда. В атомной модели датского физика Нильса Бора электроны были распределены вокруг ядра равномерно. По его мнению, они двигались по круговым орбитам, или квантовым уровням (n). Энергия электрона зависела от орбиты, на которой он находился: чем дальше от ядра, тем энергия выше. Радиусы орбит и энергия электронов могли иметь всего несколько численных значений: в атоме водорода энергия электрона была бы примерно равна

E = -13,6 eV/n^2

Электрон-вольт (эВ) — это единица, равная количеству энергии, которое нужно затратить, чтобы частицу с зарядом, равным заряду электрона, переместить в электрическом поле на разность потенциалов в один вольт. Это количество примерно равно 1,602-10-9 Джоуля.

Квантовая механика легла в основу физической научной революции начала XX века и лучше, чем классический подход, объясняла мир атомов. Она описывает поведение частиц и сил, управляющих Вселенной, посредством математических уравнений, определяющих квантовые состояния, в которых может находиться каждая частица или система. Квантовые состояния описываются квантовыми числами (см. таблицу ниже).

Название

Обозначение

Возможные значения

Значение

Главное число

n

1 ≤ n  n = 1, 2, 3...

Обозначает расстояние между ядром и электроном в зависимости от энергетического уровня.

Орбитальное число

l

0 ≤ l ≤ n-1, следовательно n = 3: l = 0,1,2 (s, р. d)

Определяет форму орбит и энергетический подуровень, на котором находится электрон.

Магнитноечисло

m_1

-l ≤ m_1 ≤ l, следовательно l = 2: m1 = - 2,-1, 0, 1, 2

Характеризует ориентацию орбитального энергетического подуровня в пространстве.

Спиновое число

ms

Для электрона: -1/2, 1/2

Связанос предполагаемым вращением электрона вокруг своей оси.

ВОПРОС О СВЕТЕ

В 1924 году французский физик Луи Виктор де Бройль (1892— 1987) в своей докторской диссертации изложил теорию корпускулярно-волнового дуализма и положил конец дискуссии, длившейся несколько веков. Де Бройль доказал, что в таких явлениях, как дифракция, интерференция или преломление, свет ведет себя как волна, а при фотоэлектрическом эффекте, или эффекте Комптона — как частица. Ученый отметил, что так же двойственно ведет себя и материя: у всех частиц длина ассоциированной волны, λ, равна соотношению между постоянной Планка, h, и линейным моментом, p (произведению массы m на скорость v):

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

В 1923 году американский физик Артур Холли Комптон (1892-1962) привел еще одно доказательство теории фотоэлектрического эффекта Эйнштейна. Комптон измерил рассеивание рентгеновских лучей с точки зрения свободных электронов, то есть обнаружил, что когда лучи сталкиваются со свободными электронами и теряют при этом часть своей энергии, длина их волны увеличивается. Этот феномен, названный в честь своего первооткрывателя эффектом Комптона, нельзя было объяснить, основываясь на волновой теории света. Комптону удалось интерпретировать результаты с позиций теорий Планка и Эйнштейна. Он заметил, что конечная длина волны излучения зависит только от угла направления рассеяния. Разница между начальной длиной волны (λ) и конечной (λ) пропорциональна постоянной Планка и обратно пропорциональна массе электрона в покое (m0) и скорости света (с), коэффициент пропорциональности зависит от угла рассеяния (θ).

Комптон вывел уравнения импульса электрона и фотона после рассеяния на основе закона сохранения линейного импульса, применимого к любому столкновению.

λ = h/p = h/mv

С точки зрения квантовой механики волны и частицы имеют одинаковую двойственную природу. Теория де Бройля подтвердилась, когда британец Джордж Паджет Томсон и американец Клинтон Джозеф Дэвиссон доказали, что электроны способны дифрагировать. За это открытие ученые в 1937 году получили Нобелевскую премию по физике.

ПЕРВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Ферми писал 30 января 1920 года своему другу Персико, с которым поддерживал связь и после отъезда в Пизу:

«В Институте физики мой авторитет постепенно растет. На днях я даже должен буду выступать перед разными светилами с лекцией о теории квантов, которую я всегда пропагандирую».

На тот момент Энрико едва исполнилось 18 лет. К этому времени он значительно продвинулся в изучении немецкого и смог прочесть работу Германа Вейля «Пространство. Время. Материя», углубить методы вариационного исчисления в математической физике, усовершенствовать познания в квантовой механике и теории относительности.

Между 1921 и 1926 годами, когда квантовая революция только зарождалась, Ферми заинтересовался общей теорией относительности и с энтузиазмом начал работать над электромагнетизмом и интерпретацией опытов и моделей, которые формировались в ядерной физике. В1921 году, на третьем курсе Пизанской Нормальной школы, юноша опубликовал свои первые работы по электромагнетизму в журнале Nuovo cimento. В первой — «0 динамике системы жестко связанных электрических зарядов, движущейся поступательно» — он противопоставил принцип эквивалентности массы и энергии Эйнштейна

(знаменитое уравнение E = mc2) вычислению массы по теории Лоренца, придя к видимому противоречию, которое он решил год спустя в статье, опубликованной в авторитетном немецком журнале Physikalische Zeitschrift.

Самое известное уравнение в истории — E = mc^2 — устанавливает тесную связь между массой и энергией. Согласно ему, материя Вселенной имеет огромный запас энергии (E), эквивалентной произведению массы (m) на квадрат скорости света в вакууме (с ≈ 3 • 108 м/с). Уравнение было предложено Альбертом Эйнштейном и стало одним из символов науки.

В своей следующей публикации в Nuovo cimento — «Об электростатике однородного гравитационного поля и о весе электромагнитной массы» — Ферми, опираясь на общую теорию относительности, писал об эффекте однородного и статичного гравитационного поля в системе электрических зарядов, доказывая: электромагнитная масса зарядов равна их материальной массе, то есть m = U/c^2> где U — электростатическая энергия системы, а с — скорость света в вакууме.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И КООРДИНАТЫ ФЕРМИ —УОЛКЕРА

Принцип эквивалентности общей теории относительности Эйнштейна гласит, что предмет, находящийся под действием силы притяжения (g), невозможно локально отличить от этого же предмета, находящегося в ракете, которая двигается с ускорением g в пространстве е, то есть при отсутствии гравитационных полей (рисунок 1). Тензор энергии-импульса (рисунок 2) —это матрица, описывающая взаимодействие полей материи с гравитационным полем.

РИС. 1

РИС . 2

Тензор кривизны Gαβ приравнивается к тензору напряжения — энергии Tαβ где с — скорость света в вакууме (с ≈ 3 • 108 м/с), a G — гравитационная постоянная (G ≈ 6,67-10-11 Н • м^2/кг^2). Уравнение гравитационного поля Эйнштейна, опубликованное в его работе по общей теории относительности в 1916 году, описывает, как материя искривляет пространство-время (рисунок 3). Координаты Ферми — Уолкера, или перенос Ферми — Уолкера, — это математический метод, использующийся для определения совокупности координат, в которых искривление системы происходит из-за присутствия масс или энергии, а не спина, или вращения системы, что может быть еще одной причиной искривления пространства- времени (рисунок 4).

РИС.З

РИС. 4

Философы могут разгневаться и вовлечь меня в бесплодные споры.

Ферми в письме к Энрико Персико 18 марта 1922 года

ГОВОРЯ О ТЕОРИЯХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ

В январе 1922 года Ферми писал своему другу Персико о том, что продолжает заниматься изучением теории относительности и тензорного исчисления. В своей статье «О явлениях, происходящих вблизи от мировой линии» он, используя дифференциальное исчисление, доказал, что пространство вокруг мировой линии ведет себя как евклидово. В этой работе Ферми впервые ввел систему пространственно-временных координат — координат Ферми, — которые с большой точностью описывают временное развитие явлений, происходящих рядом с мировой линией. В 1932 году английский математик А. Дж. Уолкер расширил эту систему, поэтому сегодня эти координаты называются координатами Ферми — Уолкера.

Ферми с отличием закончил физический факультет 7 июля 1922 года, подготовив работу о дифракции рентгеновских лучей. За год до этого он опубликовал в Nuovo cimento еще одну специализированную статью — Теоретическая часть его диплома была опубликована в 1926 году под названием «Теорема вычисления вероятностей и некоторые ее применения». В 1923 году Ферми принял участие в подготовке итальянского издания «Основ теории относительности штейна» и был одним из немногих, кто признавал огромную концептуальную важность теории относительности. Его привлекала возможность получения энергии из материи, знаменитое уравнение Е = mc^2. Ферми писал:

«Найти способ освобождения таких чудовищных количеств энергии вряд ли удастся, по крайней мере в ближайшем будущем. Кстати, можно только надеяться, что этого не произойдет, так как мгновенное выделение такого ужасного количества энергии привело бы в качестве первого результата к разрыву на мелкие кусочки того несчастного физика, который нашел бы этот способ».

Возможно, уже в то время он думал о том, как держать этот взрыв под контролем.

ГЛОТОК СВЕЖЕГО ВОЗДУХА

Ферми должен был увидеть мир, чтобы взглянуть на науку новым взглядом. Директор физического отделения Римского университета Орсо Марио Корбино посоветовал Энрико принять стипендию Гёттингенского университета и немного пожить в Германии, работая с немецким физиком и математиком Максом Борном (1882-1970). Зимой 1923 года Ферми приехал в Гёттинген. В Германии Энрико познакомился со многими выдающимися молодыми учеными, такими как Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан, но почти не общался с ними. Ферми приехал из Италии, где господствовала экспериментальная физика и его теории легко приобретали известность; в Германии же, напротив, занимались в основном теоретической физикой, которая превратилась в настоящую философию, и он был всего лишь одним из многих в этом обществе выдающихся умов. Ферми опубликовал серию превосходных работ по аналитической механике, которые привлекли внимание австрийского физика Пауля Эренфеста (1880-1933), поскольку в них эта дисциплина связывалась с квантовой механикой. После издания «Некоторых теорем аналитической механики, важных для теории квантов» Ферми удалось применить принципы Эренфеста к квантизации задачи трех тел. Эренфест проявил к этой теме такой интерес, что осенью 1923 года между учеными завязалась переписка, и когда чуть позже, в 1924 году, Ферми получил стипендию фонда Рокфеллера, то ни секунды не сомневаясь решил поехать в Лейден к Эренфесту. Вернувшись в Рим, он опубликовал работу «О вероятности квантовых состояний», которую можно считать одним из самых крупных вкладов в квантовую механику.

Летом 1924 года ученый вернулся в Рим на каникулы и познакомился с 16-летней красавицей Лаурой Капон. В это время самому Энрико не было еще и 23 лет. Между молодыми людьми проскочила искра. Два года спустя они встретились опять, и огонь разгорелся с новой силой.

СТАТИСТИКА ФЕРМИ

Ферми прожил в Лейдене с сентября по декабрь 1924 года. Эренфест познакомил его с Хендриком Антоном Лоренцем и Альбертом Эйнштейном. В том же году, после публикации «К теории столкновений атомов с электрически заряженными частицами»,обнаружились расхождения Ферми с Бором. Ферми защищал полуклассическую модель атома, объясняя с ее помощью отклонения от правил квантизации атомной модели Бора — Зоммерфельда и результаты экспериментов. Он довольно близко подошел к принципу исключения Паули, который впоследствии позволил позициям Ферми и Бора сойтись.

РИС. 1

В 1925 году Вольфганг Эрнст Паули (1900-1958) сформулировал принцип исключения, согласно которому два электрона не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии, то есть иметь одинаковые квантовые числа. В октябре того же года ученые Крониг, Уленбек и Гаудсмит получили эмпирическое доказательство существования спина электрона, которому приписывается свое квантовое число, или, что одно и то же, открыли свойство электрона, связанное с его собственным моментом импульса. Новая модель, в числе прочего, объясняла эксперимент Штерна — Герлаха. В 1922 году Отто Штерн (1888-1969) и Вальтер Герлах (1889-1979), еще не знавшие о существовании спина, в ходе эксперимента спровоцировали отклонение частиц из пучка атомов серебра, заставив их пройти через область с сильным магнитным полем (рисунок 1). Согласно классической физике, частицы пучка обладали магнитным импульсом, направленным случайно, поэтому под действием магнитного поля они должны были бы отклоняться в соответствии с углом между магнитным импульсом и созданным магнитным полем. Частицы отклонялись бы постепенно, покрывая весь спектр интенсивности. Однако в ходе эксперимента Штерна — Герлаха магнитное поле отклоняло атомы серебра в зависимости от их спина: частицы с положительным спином +1/2 отклонялись вверх, а с отрицательным, -1/2, — вниз, образуя две одинаковые по интенсивности группы. Этот опыт показал, что и электроны, и ионы имеют квантовые и магнитные свойства, соответствующие их квантовым числам.

Согласно принципу исключения Паули, на одном атомном уровне не может быть двух электронов в одинаковом квантовом состоянии. Поэтому на одном и том же атомном уровне может быть максимум два электрона. При этом электроны объединяются в пары: один — со спиновым числом +1/2 (сверху), а другой -1/2 (внизу) (рисунок 2).

РИС . 2

Квантовая проекция спина электрона на оси вращения Z.

Вернувшись из Лейдена, Ферми с помощью Разетти получил временную должность во Флорентийском университете. До 1926 года он преподавал теоретическую механику и теоретическую физику. Ферми считал понятие матрицы слишком абстрактным, ему была ближе формулировка Эрвина Шрёдингера (1887-1961): его волновое уравнение помогало решить большинство задач, не прибегая к новым абстракциям.

Во Флоренции Ферми и Разетти проделали ряд опытов, в ходе которых исследовали техники изучения атомных спектров. Результаты были изложены в статье «переменкого магнитного поля на поляризацию резонансного излучения ртути опубликованной в журнале Nature. Впоследствии техника Ферми и Разетти успешно применялась в изучении электромагнитных спектров. К тому моменту, когда Паули впервые рассказал о своем принципе исключения, Ферми уже понял причину, объяснявшую его статистику, и собирался развить

ОРБИТАЛИ

Атомная орбиталь — это пространство вокруг ядра, где вероятнее всего можно встретить электрон с определенной энергией. Форма орбитали зависит от квантовых чисел (см. рисунок). Конфигурация электронов вещества — это распределение электронов в его атомах на разных уровнях, подуровнях и орбиталях от частиц с меньшей энергией к большей. Эта конфигурация определяет большинство свойств веществ: например, почти полное отсутствие реактивности благородных газов объясняется тем, что их последняя орбиталь заполнена электронами.

Орбиталь типа s

Орбиталь типа d

Орбиталь типа р

Орбиталь типа f

свою догадку независимо от квантовой механики, поэтому он был очень раздосадован, когда узнал, что австрийский ученый опередил его. Индийский физик Шатьендранат Бозе (1894- 1974) ввел 2 июля 1924 года новую статистическую теорию для квантов света и получил формулы Больцмана для излучения черного тела. Ровно через неделю Эйнштейн применил эту статистику для газа со свободными частицами.

В 1926 году Ферми опубликовал работу «О квантовании идеального одноатомного газа», ставшую важнейшим вкладом в физическую науку. В ней он сформулировал теорию идеального одноатомного газа, поведение которого подчиняется принципу исключения Паули.

Энрико Ферми создал новый способ подсчета частиц с полуцелым спином (например, электроны, нейтроны и протоны), приняв, что на каждом уровне может находиться только по одной частице, так что у двух разных частиц не может быть одинаковых квантовых чисел. Распределение Ферми — это функция, определяющая вероятность, с которой частицы находятся на том или ином уровне, от меньшей энергии к большей, всегда в строгом соответствии с принципом исключения, до их полного распределения. Среднее количество частиц ni , которые при температуре Т обладают энергией εi, равно

где kB — постоянная Больцмана, μ — химический потенциал (способность частиц реагировать и растворяться), gi — кратность вырождения состояния i. В квантовой теории вырождение означает, что один энергетический уровень системы содержит более одного квантового состояния. В невырожденных системах g = 1. Вскоре такой же тип статистики был разработан Дираком, но он и предыдущее распределение получили название статистики и распределения Ферми — Дирака (см. рисунок), хотя сам Дирак настаивал на том, чтобы использовать только фамилию Ферми, поскольку итальянский физик опубликовал работу раньше него. Энергия последнего заполненного состояния называется энергией Ферми, а температура, которому она соответствует, — температурой Ферми. Температура Ферми большей части металлов очень высока, около 10000 °С, поэтому распределение Ферми при температуре окружающей среды близко к ступенчатой функции.

Распределение Ферми — Дирака определяет проводимость металлов, что было доказано Зоммерфельдом — и самим Паули в 1927 году — с помощью анализа свободных электронов. Однако первым его применением мы обязаны британскому физику и астроному Ральфу Говарду Фаулеру, который в 1926 году успешно применил его в астрофизике. В частности, Фаулер доказал, что газ со свободными электронами, находящийся в белом карлике, является вырожденным газом Ферми.

Распределение Ферми — Дирака: вариация ni, от коэффициента εi/μ. Форма распределения Ферми меняется в зависимости от произведения kBТ. При низких температурах распределение Ферми — Дирака приближается к ступенчатой функции или к единичной функции Хевисайда, кусочнопостоянной математической функции, значение которой (0 или 1) зависит от того, положительное или отрицательное х.

ФЕРМИОНЫ И БОЗОНЫ

Все известные на данный момент частицы, согласно принципу исключения Паули, делятся на фермионы и бозоны. Они приведены в таблице на этой странице, а на следующей — указано, когда была выдвинута гипотеза об их существовании и когда они были открыты экспериментально.

Два фермиона не могут оставаться в одинаковом квантовом состоянии, то есть иметь одинаковые квантовые числа. Как видно из таблицы, фермионы имеют спин Vi и антисимметричную волновую функцию. Кроме того, согласно принципу исключения Паули, два электрона могут находиться на одном и том же атомном уровне (быть спаренными), только если значения их спинов противоположны друг другу, то есть если они различаются хотя бы спиновым числом.

Все фермионы подчиняются статистике Ферми — Дирака и делятся на две большие группы: кварки — частицы атомного ядра (протоны и нейтроны), участвующие в сильном ядерном взаимодействии, и лептоны, среди которых электроны и нейтрино с электрослабым взаимодействием. Бозоны, находящиеся в симметричных квантовых состояниях и обладающие целым спином, не подчиняются принципу Паули, то есть в одном квантовом состоянии может быть более одного бозона. По этой причине возможен, например, эффект лазера, когда множество фотонов переходит с одного энергетического уровня на другой с таким же квантовым числом. Бозоны следуют статистике Бозе — Эйнштейна и являются носителями сил, с помощью которых частицы взаимодействуют друг с другом.

Все частицы материи были названы фермионами в честь Энрико Ферми, который первым понял статистические принципы функционирования квантовой Вселенной.

Частица

Гипотеза

Открытие

u-кварк

Гелл-Манн и Цвейг (1964)

Лаборатория SLAC (1967)

d-кварк

Гелл-Манн и Цвейг (1964)

Лаборатория SLAC (1967)

с-кварк

Глэшоу, Илиопулос, Майяни (1970)

Рихтер и другие сотрудники лаборатории SLAC и Тинг и сотрудники лаборатории BNL (1974)

s-кварк

Гелл-Манн и Цвейг (1964)

Лаборатория SLAC (1967)

t-кварк

Кобаяси и Масукава (1973)

Коллаборации CDF и DO Фермилаб (1995)

b-кварк

Кобаяси и Масукава (1973)

Ледерман и сотрудники лаборатории Фермилаб (1977)

Электронное нейтрино

Паули (1930)

Коуэн и Райнес (1956)

Электрон

Ламинг (1838) / Стони (1874)

Томсон (1897)

Мюонное нейтрино

Саката и Иноуэ (1946)

Ледерман, Шварц и Стейнбергер (1962)

Мюон

—

Андерсон и Неддермейер (1936)

Тау-нейтрино

Перл и сотрудники лаборатории SLAC (1974)

Коллаборация DONUT / Лаборатория Фермилаб (2000)

Тау-лептон

—

Перл и сотрудники лаборатории SLAC (1974)

Фотон

Планк (1900) / Эйнштейн (1905)

Рентген / Иван Пулюй (1896)

Глюон

Гелл-Манн (1962)

Исследовательский центр DESY / детектор PLUTO (1978)

Слабое взаимодействие Z°

Глэшоу. Вайнберг, Салам (1968)

Детекторы UA1 / UA2 (1983)

Слабое взаимодействие W+/-

Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968)

Детекторы UA1 / UA2 (1983)

Бозон Хиггса

Хиггс (1964)

ЦЕРН-БАК (Большой адронный коллайдер) (2012)

ГЛАВА 3

Нейтрино и бета-распад

Благодаря открытию нейтрона, искусственной радиации и делению ядра немногим больше чем за десятилетие, между 1927 и 1938 годами, ученым удалось проникнуть в тайны атомного мира. Модель Томаса — Ферми позволила понять феномен электрической проводимости и заложила основы современной электроники. Ферми получил Нобелевскую премию за доказательство возможности получения новых радиоактивных элементов и дал название новой частице — нейтрино. Сегодня идут споры о том, могут ли нейтрино развивать скорость, превышающую скорость света.

В 1926 году Ферми подал запрос на кафедру физики университета Кальяри. После работы в этом учебном заведении он смог бы рассчитывать на более престижные должности. Однако комиссия сочла блестящего ученого слишком молодым и предпочла ему Джованни Джорджи, имевшего более солидное резюме: он написал докторскую диссертацию на восемь лет раньше Ферми и был уже известен благодаря разработке системы МКС (в которой основными единицами измерения являются метр, килограмм и секунда). Тогда Орсо Марио Корбино, директор физического отделения Римского университета, решил создать новую кафедру теоретической физики в Риме. Корбино хотел собрать группу физиков-новаторов, а для этого ему нужны были талантливые молодые ученые, желающие произвести революцию в итальянской науке. Корбино организовал конкурс, в котором Ферми занял первое место, а Персико — второе. Так эти два давних друга начали тесное сотрудничество в научных исследованиях.

Когда Ферми вернулся в Италию, Лаура Капон была студенткой второго курса Римского университета. Она посещала лекции Корбино по электричеству, проходившие в здании на улице Панисперна, в бывшем монастыре, который в 1870 году был отдан университету под отделение физики. В другом бывшем монастыре, расположенном на той же улице, проходили занятия по химии, на которые в основном и ходила Лаура. В целом список предметов, которые она выбрала для изучения, был очень разносторонним, на стыке различных дисциплин, как лекции Корбино.

Сам Корбино хорошо представлял себе, чего хочет. Он пригласил Разетти из Флоренции в Рим на место, для которого не требовалось участвовать в государственном конкурсе (ученый знал, что Разетти отлично сойдется в работе с Ферми), и убедил некоторых блестящих студентов инженерного факультета заняться физикой. Среди них был Эдоардо Амальди, друг Лауры Капон, который вместе с ней ходил на лекции Корбино по электричеству. Вскоре к ним присоединились Эмилио Сегре, Бруно Понтекорво, замкнутый, но талантливый Этторе Майорана и другие. Корбино удалось создать вокруг Энрико Ферми рабочую группу, известную нам как «ребята с улицы Панисперна».

Изучение теплоты можно рассматривать как специальную отрасль механики.

Ферми во введении в свою «Термодинамику»

Ферми подталкивал группу соратников к выходу за рамки традиционных университетских курсов, как он сам делал это во время учебы. Молодость самого Ферми и поддержка со стороны Разетти способствовали его сближению с молодыми студентами, которыми он руководил. Обычно, отталкиваясь от одной задачи, Ферми соединял физическую теорию с необходимыми для ее решения математическими инструментами и объяснял ее эмпирические последствия. Ученый демонстрировал энциклопедические знания, говоря об излучении черного тела, теории относительности Эйнштейна, термодинамике, электродинамике или статистической механике и показывая связи между ними. Он всегда стремился дойти до сути проблемы и найти способ ее экспериментального решения, которое должно было предоставить необходимые данные, «основу объяснений».

По субботам во второй половине дня у профессора Кастельнуово обычно собирались семьи и студенты, так или иначе имевшие отношение к Римскому университету. На этих вечерах студенты и молодые профессора не только обсуждали научные вопросы, но и завязывали дружеские отношения. Там Лаура Капон и Энрико Ферми встретились вновь.

ТАЙНА АТОМА И МОДЕЛЬ ТОМАСА — ФЕРМИ

Когда Ферми опубликовал свою работу «О квантовании идеального одноатомного газа», ученые еще не имели ни малейшего представления о той вселенной элементарных частиц, которую мы кратко описали в конце предыдущей главы. Атом оставался совершенной загадкой. В 1920 году Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании нейтрона (которая еще не была доказана эмпирически) и в том же году назвал ядро атома водорода протоном, который он обнаружил в ходе эксперимента в 1919 году.

Благодаря своей теории статистики Ферми начинал приобретать международную известность: в одном из писем Лоренцу в июне 1926 года Эйнштейн советовал коллеге пригласить на пятый Сольвеевский конгресс, который должен был состояться в октябре 1927 года, Ферми или Ланжевена, лучших ораторов и знатоков квантовой статистики. В результате туда поехал Ланжевен, и именно он запечатлен на одной из самых знаменитых фотографий в истории науки. Месяцем раньше, в сентябре 1927 года, в Комо прошла еще одна международная конференция по физике, посвященная 100-летию со дня смерти Алессандро Вольты. Корбино удалось собрать на ней, кроме своих «ребят с улицы Панисперна», большинство тех, кто должен был участвовать и в Сольвеевском конгрессе: приехали Планк, Паули, Гейзенберг, Резерфорд, Лоренц и Бор.

В Комо Бор изложил свой знаменитый принцип дополнительности квантовой механики, который постулировал, что для понимания мира квантов согласно копенгагенской интерпретации классическая физика должна дополняться волновой и корпускулярной теориями. Он переиначил принцип неопределенности Гейзенберга, выдвинутый последним в марте того же года, и предположил, что независимо от того, являются ли частицы объектом наблюдения, наблюдатель взаимодействует с квантовыми системами таким образом, что эта система не может считаться независимой. Другими словами, квантовая наука оформлялась как вероятностная, она положила конец классическому подходу Ньютона. Эпистемологические выводы, следующие из копенгагенской интерпретации, занимали философов на протяжении всего XX века: реальность — это физика вероятностей? В мире атомов все казалось другим и непонятным. В макроскопическом же мире, напротив, вероятности событий становятся настолько высокими, что статистика придает нам уверенность.

Английские астрономы могут стать американскими сенаторами, но реками — никогда.

Энрико Ферми о своем эпистемологическом видении

Ферми был очарован успехами статистической физики в объяснении квантового мира. Поэтому он решил использовать тот же метод, который он применил для статистики одноатомного газа, для подсчета эффективного потенциала, действующего на электроны. Он рассмотрел частицы как газ из фермионов при абсолютном нуле, которые поддерживают вокруг ядра электрическое притяжение.

В статье «Статистический метод определения некоторых свойств атома» Ферми изложил модель, известную сегодня как атомная модель Томаса — Ферми, поскольку Люэлин Хиллет Томас предложил похожую модель годом раньше, хотя Ферми ничего не знал о его работе. Согласно модели Томаса — Ферми облако электронов не падает на ядро, что должно было бы произойти из-за электромагнитного притяжения с протонами, имеющими противоположный заряд, потому что принцип исключения Паули ограничивает количество электронов на разных уровнях. Электроны ведут себя как идеальный газ Ферми, то есть как совокупность фермионов, не притягивающихся друг к другу и подчиняющихся принципу исключения. Эта простая модель хорошо работала для свободных электронов в металлах. Например, она объясняла их хорошую электрическую проводимость, а также, как продемонстрировал в 1930 году индийский физик Чандрасекар, поведение белых карликов, которые не коллапсируют, если их масса не превышает определенного верхнего предела.

Совокупность энергии Ферми-газа при абсолютном нуле больше суммы энергий фундаментальных состояний отдельных частиц. Это объясняется тем, что принцип Паули действует как давление, удерживающее фермионы отдельно друг от друга и в движении. Поэтому давление Ферми-газа ничтожно и при абсолютном нуле: давлением Ферми, или давлением вырождения, называют давление, которое стабилизирует звезды, и только в том случае, если звезда обладает достаточной массой для преодоления давления Ферми, она может провалиться в гравитационную сингулярность, или в черную дыру.

Наконец, модель Томаса — Ферми дала хорошее описание атомной плотности и объяснила, почему размеры каждого материального элемента являются следствием равновесия между внешними силами (электромагнитными или гравитационными, в зависимости от того, рассматриваются квантовые или астрономические явления) и давлением Ферми. В XX веке атомно-статистические теории Ферми успешно применялись также в науке о материалах.

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ МЕТАЛЛА

В Ферми-газе как системе свободных фермионов частицы не взаимодействуют друг с другом, в отличие от Ферми-жидкости. В зависимости от того, как протоны и электроны описаны статистикой Ферми, можно сделать первые приблизительные выводы с помощью этой модели газа Ферми. Нельзя забывать, что когда была предложена модель Томаса — Ферми, нейтрон еще не был открыт, так что точность расчетов Ферми вызывает удивление.

ПОВЕРХНОСТЬ И СКОРОСТЬ ФЕРМИ

Энергия последнего заполненного электронами уровня (или уровня Ферми, nF) описывается следующим выражением:

εF = h^2n^2F/8mL^2 = h^2/8m·(N/2L)2,

где N — количество электронов, m — масса электрона, h — постоянная Планка, N/L — электронная плотность газа, которая зависит от L, глубины потенциальной ямы, считающейся в данном случае одномерной (краевая задача). Определим волновой вектор Ферми:

kF = 2πnF/L.

В идеальном случае со сферой с радиусом kF поверхность Ферми будет определена как поверхность, отделяющая населенные уровни от пустых в пространстве импульсов (см. рисунок). Энергию Ферми можно записать в зависимости от kF в данном случае

εF = h^2k^2F/8πm.

Определение скорости Ферми (vF) следующее: это скорость, с которой фермион двигается на поверхности Ферми:

vF = √(2εF/m) = hkF/2πm.

Эти параметры характеризуют электроны, населяющие последний энергетический уровень в металлах (уровень Ферми). Зная их, можно подсчитать, когда они перейдут в зону проводимости. Это позволило развиваться полупроводникам и современной электронике.

Распределение энергии фермионов в Ферми-газе устанавливается посредством плотности, температуры и совокупности свободных энергетических уровней, следуя статистике Ферми — Дирака, как мы видели в предыдущей статье.

В 1927 году Паули успешно использовал статистику Ферми для объяснения парамагнетизма щелочных металлов, таких как литий. В том же году Зоммерфельд применил ее к свободным электронам в металле, хотя уже в 1900 году немецкий физик Пауль Друде изучал проводимость на примере классического газа. Свободные электроны металлов являются причиной электрической проводимости, и их надо отличать от электронов, которые остаются связанными с атомными ядрами и не входят в так называемую зону проводимости.

При температуре ниже, чем температура Ферми, газ может считаться вырожденным, и следовательно, давление Ферми имеет место только благодаря принципу исключения. Температура Ферми зависит от массы задействованных фермионов и от плотности энергетических уровней. Для металлов она равна тысячам градусов Кельвина. Максимальная энергия фермионов при абсолютном нуле равна энергии Ферми, которая определяет границу перехода электронов, связанных с ядром, к электрической проводимости.

Итак, в металле одна часть электронов остается при атомах, которые формируют его структуру, а другая, находящаяся на внешних уровнях и орбиталях, становится газом свободных электронов (см. рисунок на следующей странице). Их можно легко сдвигать с помощью внешних электромагнитных полей. Таким образом, батарейка может легко вызвать движение электронов в металле и, следовательно, электрический ток.

Понимание явления проводимости металлов в середине XX века позволило создать полупроводниковые материалы, имеющие фундаментальное значение для современной электроники. Они стали основой технологической революции в нашу кремниевую эпоху.

Схема свободных электронов лития. Только некоторые из них перешли от последнего уровня, или уровня Ферми, к зоне проводимости — своего рода бульону, в котором электроны двигаются с большой легкостью и который обеспечивает хорошую проводимость металлов.

СЕМЕЙНАЯ ЖИЗНЬ ФЕРМИ

Во время субботних вечеринок у профессора Кастельнуово сложилась тесная компания студентов и молодых профессоров. Среди «ребят с улицы Панисперна» были такие студенты, как Амальди и Сегре, и близость к ним по возрасту Ферми, Персико и Разетти способствовала зарождению тесной дружбы. Лаура и Энрико тоже сближались все сильнее и в конце концов встали рядом перед алтарем. Они поженились жарким днем 19 июля 1928 года. Лаура была умной девушкой, очень непосредственной и эмоциональной. Она влюбилась не только в гений Ферми, в ученого, поражавшего (и даже иногда пугавшего) ее своими знаниями и открывавшего ей чудеса физики, но и в сердечного, простого человека, способного наслаждаться малым, получать удовольствие от жизни и мечтать.

Лаура редко сопровождала мужа в поездках и впервые оказалась вместе с ним в США в 1930 году, когда Энрико должен был прочитать лекцию на конференции в Энн-Арборе, в Мичиганском университете. Так она увидела страну, которая позже стала ее второй родиной, и так началась, как писала сама Лаура, ее «американизация». Вернувшись в Рим после медового месяца, чета переселилась в квартиру, где через несколько лет родилась их старшая дочь Нелла (1931), а потом сын Джулио (1936), названный в честь погибшего брата Энрико. Этот период был очень плодотворным для Ферми-ученого. Казалось, ничто не могло поколебать их счастье, но внешние обстоятельства оказались сильнее человека. Ужесточение фашистского режима вынудило семью Ферми эмигрировать.

Ферми с Лаурой Капой в 1954 году. Они поженились в 1928-м.

Корбино, создатель группы «ребята с улицы Панислерна».

Под наблюдением Корбино Ферми руководил «ребятами с улицы Панисперна». Слева направо: Оскар Д’Агостино, Эмилио Сегре, Эдоардо Амальди, Франко Разетти и Энрико Ферми. Около 1930 года.

СПЕКТР УЛИЦЫ ПАНИСПЕРНА

Спектроскопия позволяет проанализировать химический состав вещества на основе, например, его спектра излучения или поглощения (см. рисунок). Если газ подвергается действию высокочастотной радиации, то поглощает часть спектра и в результате получается спектр поглощения, в котором нет полос, соответствующих длине волн поглощенного излучения. С другой стороны, возбужденный газ может испускать излучение с длиной волн, обусловленной его химическим составом, поэтому каждый газ имеет собственный спектр излучения. В первые годы работы на улице Панисперна Ферми изучал молекулярную спектроскопию в тесном сотрудничестве с Разетти, так как понял, что это прямой способ получить сведения о структуре материи. Его догадку подтверждали и исследования спектра водорода, сделанные Иоганном Якобом Бальмером в 1885 году, и последующие дополнения Йоханнеса Ридберга. В 1908 году Ридберг опытным путем получил формулу частоты спектральных линий для перехода атома водорода между уровнями n и n':

Схема устройства для измерения атомных спектров.

Фотографическая пластина идет в комплекте с камерами переменного тока, подключенными к компьютеру. Наблюдаемые спектральные линии говорят составе вещества, его атомной и молекулярной структуре.

v = RH(1/n^2 - 1/n'2),

где RH — постоянная Ридберга для водорода, на сегодняшний день равная RH = 10967 758,341 ± 0,001 м-1 (в то время это значение было гораздо менее точным). Американский физик Теодор Лайман (1874-1954) открыл новые линии в ультрафиолетовой зоне, а позднее Пашен, Браккет и Пфунд выявили новые линии в инфракрасной. Даже Бор, создавая в 1913 году свою атомную модель, предусмотрел, чтобы она соответствовала спектроскопическим прогнозам, так как частота излучения фотонов должна совпадать с переходами электронов на другие энергетические уровни. Этому условию должна соответствовать модель атома (см. рисунок на следующей странице).

Формула боровской модели

E = 13,6eV/n^2

точно предсказывала переходы атомов водорода. Ферми очень интересовался атомной физикой. В 1928 году он опубликовал «Введение в атомную физику», в котором, помимо прочего, продемонстрировал свои незаурядные педагогические способности. Ферми был убежден: если кто-то действительно что-то понял, он должен быть в состоянии это объяснить. В последующие годы он много занимался популяризаторской работой. В 1928 году вышел учебник Ферми по физике для учеников старших классов, в 1929-м — серия статей для широкого круга читателей, например «Экспериментальное обоснование новых физических теорий» или «Современные задачи физики», а в 1930-м — «Современная физика», «Атомы и звезды» и «О квантовой электродинамике». Ферми считал, что ученые обязаны рассказывать обществу о своих открытиях, хотя в то время Италии только предстояло пройти долгий путь к всеобщей грамотности, а физика еще не до конца восприняла теории квантов и относительности. Разетти же, со своей стороны, был прекрасным экспериментатором и брал на себя большую часть работы по постановке опытов, оставляя на долю Ферми их продумывание и теоретическую интерпретацию результатов.

Энергетические уровни водорода с квантовым числом л на каждом уровне и приблизительное изображение некоторых переходов, которые появляются в спектре (серия Лаймана в ультрафиолетовом, Балмера в видимом и Пашена в инфракрасном). Шкала длины волны и частоты не линеарна. Энергия измеряется в электрон вольтах (эВ), длина волны — в ангстремах

(1А = 10-10 м), а частота — в герцах (Гц).

Ферми всегда стремился выйти за рамки простой констатации результатов, его интуиция подсказывала ему саму суть проблемы, а полученные данные ученый анализировал с большим математическим изяществом. Вместе с Разетти они дали хорошую техническую подготовку Сегре и Амальди, которые впоследствии сделали в спектроскопии большие открытия, имевшие огромное значение для развития итальянской физики.

Вслед за Сегре в 1928 году физикой решил заняться Этторе Майорана, обладавший уникальными вычислительными способностями и привлеченный успехами рабочей группы Ферми. Вместе с Джованни Джентиле, еще одним молодым профессором с улицы Панисперна, он начал заниматься квантовыми исследованиями в области спектроскопии, применением модели Томаса — Ферми к квантовым состояниям электронов, находящихся на нижних уровнях урана и гадолиния, а также изучением тонкой структуры цезия.

В первых атомных моделях, например в боровской, спектральные линии были соотнесены с переходами между квантовыми уровнями, основанными на квантовом числе n. Однако Уилсон и Зоммерфельд разработали правила квантования, объясняющие так называемую тонкую структуру, или расщепление спектральных линий на несколько составляющих. Оно наблюдается во всех спектрах при наличии достаточно точных спектрометров и обусловлено спин-орбитальным взаимодействием, которое в конце 20-х годов еще было окутано тайной. Разетти и Ферми изучали тонкую структуру из-за ее способности точно предсказать структуру атомных уровней.

В 1929 году Корбино перед Итальянским Обществом научного прогресса заявил: «Единственная существующая сегодня возможность сделать великие открытия в физике появится, когда кому-нибудь удастся изменить ядро атома». Переход к ядерной физике был неизбежен, и стажировки за рубежом были хорошей возможностью познакомить Италию с открытиями других ученых. Так, период с 1928 по 1929 год Разетти провел в Калифорнийском технологическом институте, где изучал эффект Рамана с американским физиком Робертом Эндрюсом Милликеном, а затем — год в Берлине, работая с австрийским физиком Лизой Мейтнер и овладевая техниками наблюдения в ядерной физике. В это же время Сегре поехал в Гамбург учиться у Отто Гана, а потом — в Амстердам, к Питеру Зееману, чтобы улучшить свои знания спектроскопии; Амальди изучал дифракцию рентгеновских лучей в жидкостях вместе с Дебаем в Лейпциге, а вернувшись в Рим, вместе с Ферми сконструировал первую в Италии туманную камеру (или камеру Вильсона). В 1933 году, как раз когда к власти в Германии пришли нацисты, Майорана тоже уехал в Лейпциг, чтобы работать с Гейзенбергом над новой ядерной теорией. Бруно Понтекорво в 1936 году уехал в Париж, где работал вместе с Ирен Кюри и Фредериком Жолио, открывшими в 1934 году эмпирическим путем нейтрон и искусственную радиацию. Будучи евреем, он больше не вернулся в Италию, где ужесточался фашистский режим, и позже оказался замешан в странном шпионском скандале.

Группа, которую Корбино удалось собрать вокруг Ферми, состояла из разносторонне одаренных исследователей. За годы своего существования она приобрела международный авторитет в физике и продолжала бы двигать вперед итальянскую науку, если бы Муссолини не спровоцировал побег ученых, ставший прелюдией ко Второй мировой войне. Дуче понял, что эксперименты, над которыми работали «ребята с улицы Панисперна», могли прославить Италию. Эти молодые ученые исследовали структуру материи и секреты атома, который очень скоро стал проявлять свои волшебные и даже пугающие свойства. В марте 1929 года Ферми вступил в Королевскую академию Италии, созданную Муссолини в 1926 году для пропаганды новых национальных ценностей. Помимо этого, Ферми, который всегда был вне фашизма в частности и вне политики вообще, пришлось вступить в Национальную фашистскую партию: это была единственная возможность гарантировать финансирование его исследовательской группы.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И ПОЯВЛЕНИЕ НЕЙТРОНА

Ферми стал изучать квантовую теорию излучения летом 1929 года, познакомившись с работами Дирака. Он сконцентрировался на взаимодействии между электронами и электромагнитными полями, а также на процессах излучения и поглощения фотонов в области, названной квантовой электродинамикой. Она объясняет взаимодействия между фотонами и заряженными фермионами, теорию квантовых электромагнитных полей, создание и разрушение частиц. В серии статей, опубликованных между 1929 и 1932 годами, Ферми сформулировал описание заряженных частиц в магнитных полях с позиций теории относительности, представив частицы с точки зрения уравнения Шрёдингера и не прибегая к квантовому формализму Гейзенберга или Паули. В своей «Интерпретации принципа причинности в квантовой механике» (1930) Ферми трактовал с позиций квантовой механики тот факт, что будущие события не полностью детерминированы. Он подчеркнул, что в перспективе важнее неуверенность в определении физических состояний, чем узкий взгляд на временное развитие пространства событий. В его рассуждениях прослеживался интеллектуальный переход от классической физики к современной.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

На схеме представлены основные типы элементарных частиц, составляющие материю (слева) и являющиеся носителями взаимодействий (справа). Элементарные частицы и их взаимодействие управляют Вселенной. Под названием частиц — носительниц взаимодействий указаны области физики, их изучающие. Гравитоны еще не классифицированы.

В природе существует четыре основных вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое. Гравитационное взаимодействие происходит между частицами, обладающими массой, оно было описано Ньютоном. Электромагнетизм — взаимодействие между частицами с электрическим зарядом посредством электромагнитного поля. Сильное взаимодействие (или сильное ядерное взаимодействие) позволяет кваркам соединяться и образовывать адроны, то есть ядра атомов. Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие) — причина изменений «ароматов» кварков и лептонов; другими словами, оно отвечает за трансформацию кварков и лептонов в более легкие частицы и бета-распад, как объяснил Ферми. Электромагнитное взаимодействие, сильное и слабое, сегодня изучают в рамках так называемой стандартной модели. Целью теоретической физики является описание этих четырех взаимодействий как аспектов единой силы, но для этого необходимо экспериментально доказать существование гравитона.

Действительно, в своей первой работе «О квантовой электродинамике» (1929) он отталкивался от классической электродинамики, а потом сделал резкий переход к теории квантов. В последующих работах Ферми пытался сформулировать теорию электромагнитного излучения, которая не противоречила бы квантовой механике. В 1932 году он опубликовал блестящую статью «Современная физика. Новая антология», в которой заложил основы современной квантовой электродинамики, с поразительной простотой объясняя сложнейшую область науки. Ричард Фейнман всегда говорил об этой работе как об одном из столпов, на котором он построил современную квантовую электродинамику.

Когда американский физик немецкого происхождения Ханс Бете (1906-2005) приехал в Рим по стипендии Фонда Рокфеллера (престиж группы Ферми был так велик, что он начал принимать студентов), то был поражен способностью Ферми анализировать сложнейшие задачи, а затем решать их точными математическими методами. В 1932 году Бете и Ферми написали совместную работу «О взаимодействии двух электронов», в которой рассказывали о поведении фермионов в зависимости от обмена фотонами.

В начале 1929 года наиболее распространенная атомная модель представляла ядро с протонами А и электронами A-Z. То есть в ней были представлены электроны на орбиталях вокруг ядра и электроны в самом ядре вместе с протонами. Необходимо было выяснить, какой статистике подчинялось ядро: Бозе — Эйнштейна или Ферми — Дирака.

В 1928 году Вальтер Боте заметил, что при облучении альфа-частицами бериллий испускает проникающие и при этом электрически нейтральные частицы. Он решил, что это фотоны, гамма-излучение. Джеймс Чедвик (1891-1974) подверг воздействию излучения бериллия разные вещества и выяснил, что излучаемые частицы должны быть нейтральными и обладать массой, близкой к массе протона.

ДИАГРАММЫ ФЕЙНМАНА

В 1948 году американский физик Ричард Фейнман (1918-1988) предложил эффективный и наглядный способ упрощенного представления взаимодействия элементарных частиц. Его диаграммы нельзя пугать с пространственно-временными диаграммами или с реальными движениями частиц (которые получают при помощи туманной камеры). В своей самой строгой версии диаграммы Фейнмана показывают, как влияет возмущение на квантовый переход от начального квантового состояния к конечному. Например, при взаимодействии двух электронов, которые обмениваются фотоном, в одной вершине сходятся две фермионные линии (непрерывные прямые) и одна фотонная (представленная волнистой линией).

Пример диаграммы Фейнмана, на которой два электрона обмениваются фотоном.

Так были открыты нейтроны, существование которых предсказывал Резерфорд. В феврале 1932 года Чедвик теоретически доказал существование этой новой частицы, нейтрона. В январе того же года Гарольд Юри открыл новый изотоп водорода, дейтерий. В апреле Уолтон и Кокрофт получили первый ядерный распад путем облучения ускоренными протонами в электростатическом ускорителе легких ядер, а вскоре после этого Лоуренс, Ливингстон и Мильтон использовали для ядерного распада циклотрон, разработанный Эрнестом Лоуренсом. В 1933 году Олифант, Кинси и Резерфорд открыли тритий, подтвердив, что нейтрон имеет фундаментальное значение в атомной структуре и в новом представлении об изотопе. Хотя элементы периодической таблицы определялись по количеству их протонов, ядро атомов могло иметь большее или меньшее количество нейтронов. Атом X с N количеством нейтронов и Z протонов имел массовое число А = N + Z и обозначался обычно как ХAZ. Было доказано, что водород также может иметь изотопы с массовым числом А = 2 (дейтерий H^2_1) и А = 3 (тритий, H^3_1) с одним или двумя нейтронами соответственно.

Если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, то стал бы ботаником.

Энрико Ферми

Анализируя космическое излучение, американский физик Карл Андерсон (1905-1991) впервые выявил позитрон, е+, частицу с такими же массой и спином, как у электрона, но с положительным зарядом. Таким образом, Андерсон подтвердил предсказания Дирака о квантовых моделях, сделанные в 1927 году, к которым также в 1928 году пришел Майорана. Карта элементарных частиц становилась все полнее. В атомной и ядерной физике начиналась революция. В 1932 году Ферми был приглашен в Париж на Пятую Международную конференцию об электричестве, где он выступил с докладом «Современное состояние физики атомного ядра», в котором объяснил несостоятельность модели атомного ядра, основанной на протонах и электронах, и изложил гипотезу Паули о существовании нейтрино.

БЕТА-РАСПАД, НЕЙТРИНО И СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Распад ядра случается всякий раз, когда ядро атома приходит в возбужденное состояние, то есть отличное от состояния с наименьшим возможным количеством энергии. Возбуждение атомов происходит естественным образом или может быть создано искусственно. Естественная радиоактивность была открыта французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, она изучалась Пьером и Марией Кюри и является следствием процессов ядерного распада. Существует три типа радиоактивности: альфа (α), бета (β) и гамма (γ) (см. рисунок). Гамма-излучение состоит из фотонов с высокой энергией, способных проникать в свинце на глубину до 7 см. Фотоны могут исходить, например, от протона в возбужденном состоянии ядра, который переходит на уровень с меньшей энергией: р+ → р + γ. Гамма-лучи образуются также в ходе ядерных реакций на звездах, например на Солнце, но, к счастью, они не проходят сквозь атмосферу и не достигают земной поверхности. Объяснение гамма-распада не представляло особой трудности в рамках теории Ферми, так как соответствовало теориям Планка и Эйнштейна. Экспериментальная же физика должна была разработать необходимые инструменты для его анализа и получения данных об атомных ядрах. В 1933 году Ферми и Разетти создали спектрометр с кристаллами висмута — пригодилась техника, которой Разетти научился за год до этого у Лизы Мейтнер. Альфа-распад состоит в излучении альфа-частицы (ядра гелия-4, Не^4_2) ядром. Например, Мария Кюри открыла, что это происходит с радием, который естественным образом превращается в радон:

Ra^226_88 → Rd^222_86 + He^4_2.

Каждый вид излучения имеет свою проникающую способность. Альфа-частицы останавливает обычный листок бумаги, бета- частицы —- тонкая деревянная доска, а гамма- частицы и нейтроны — брусок свинца толщиной в несколько сантиметров или кусок цемента толщиной в метр.

Было замечено, что альфа-распад обычно происходит в ядрах с атомным номером больше Z = 82.

Резерфорд использовал альфа-частицы для того, чтобы доказать существование атомного ядра. Энергия распада была известна, она зависела от масс участвующих в ядерной реакции ядер и могла быть записана в виде формулы эквивалентности массы и энергии Эйнштейна (E = mc^2).

ВОЗРАСТ И РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ АНАЛИЗ

Объяснение, которое Ферми дал явлению распада, легло в основу важных способов практического применения, например метода радиоуглеродного анализа. Если мы рассмотрим систему с множеством распадающихся атомных ядер (посредством альфа-, бета- или гамма-распада) в ритме, заданном постоянной λ (вероятность того, что ядро распадется за единицу времени), если в один момент времени t существует N ядер, которые не распались, то, применив дифференциальное вычисление, получим:

dN = -N·λ·dt → dN/N = -λdt

Минус означает, что количество ядер N со временем уменьшается. Взяв интеграл от предыдущего выражения, мы получим

∫N(t)N0 dN/N = -λ∫t_0dt = -λt

lnN(t) - ln(N_0) = -λt → ln(N(t)/N_0) = -λt

где N_0 — изначальное число нераспавшихся ядер. Если мы определим время жизни, T, как величину, обратную λ то получим закон экспоненциального распада.

N(t) = N_0e-λt = N_0e-t/T.

Обычно используется также период полураспада, или средний период жизни T1/2 , то есть время, прошедшее до момента, когда число ядер уменьшается наполовину:

T1/2 = (ln2)·T ≈ 0,693·T.

Сегодня мы знаем период полураспада большей части радиоактивных изотопов. Благодаря этому были разработаны системы геологической и археологической датировки, например метод углерода-14 (рисунок ниже), основанный на естественном присутствии ядер этого изотопа в углероде в органических останках не старше 50 тысяч лет.

Однако нестабильность структуры ядра, которая вела к альфа-распаду, и причина, по которой альфа-частица была именно ядром Не^4_2, а не каким- либо другим, нашли объяснение только в 1928 году в контексте квантовой механики благодаря советскому физику Георгию Гамову (1904-1968).

Причина бета-излучения, состоящего из простых электронов, оставалась тайной. До того как Чедвик открыл нейтрон, считалось, что она объясняется присутствием в ядре электронов: они были необходимы, чтобы компенсировать переизбыток заряда, созданный протонами ядра, согласно той ошибочной атомной модели, в которой еще не использовались нейтроны. Ферми и до открытия Чедвика знал, что модель неверна. Самым странным в бета-распаде было то, что излученные электроны не обладали энергией, которой должны были бы обладать; другими словами, они не следовали предполагаемому энергетическому спектру. Бор даже предположил, что при бета- распаде локально нарушается принцип сохранения энергии.

Таково было положение дел, когда 4 декабря 1930 года Паули в своем знаменитом письме предположил существование новой, еще не обнаруженной нейтральной частицы, излучаемой в ходе распада. Ферми использовал свое влияние в Королевской академии и вместе с Корбино в октябре 1931 года организовал в Риме конференцию. На ней Паули в частном разговоре с Ферми и другими коллегами высказал гипотезу о существовании маленькой частицы, «нейтральной, легкой, с большой проникающей способностью, которая не нарушает принцип сохранения энергии при бета-распаде». Ферми уже подозревал о существовании этой частицы, но не осмелился опубликовать догадку из-за вмешательства Бора. А вот более дерзкий Паули обнародовал свою гипотезу.

Поскольку нейтрон уже был открыт, чтобы избежать путаницы в терминах и даже отчасти в шутку, Амальди и Ферми предложили назвать частицу Паули на итальянский манер — нейтрино, то есть что-то нейтральное и маленькое. Предложение прозвучало на Римском конгрессе 1931 года. Вскоре термин был принят мировым научным сообществом, таким образом «крещение» новой частицы стало одним из самых необычных во всей истории науки. Спустя 25 лет, в 1956 году, американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес впервые обнаружили нейтрино опытным путем.

В 1933 году Ферми опубликовал в журнале La ricerca scientifica фундаментальную статью «Попытка теоретического обоснования бета-излучения». Возможно, из-за скромного названия эта работа была отклонена журналом Nature: редакторы сочли, что в работе содержались «рассуждения, слишком далекие от реальности физической науки, чтобы быть интересными читателям». Позже Ферми расширил статью для публикации в Nuovo cimento, и в 1934 году она была переведена на немецкий язык для авторитетного журнала Zeitschrift fur Physik под названием «К теории бета-лучей». В этой новаторской работе Ферми рассматривал бета-распад ядра А, превращающегося в итоге в ядро В, как

А → В + е" + v.

Согласно современной физике частиц, на самом деле в итоге получаются электрон и антинейтрино. Создание и разрушение частиц описывались в квантовой теории Дирака, которая, как в 1927 году доказали Клейн и Джордан, могла применяться к любому виду частиц. Несмотря на дуализм де Бройля и на принцип соответствия Бора, ученые еще довольно сдержанно (это продемонстрировали редакторы Nature) относились к утверждению о том, что частицы и электроны могут с легкостью создаваться и разрушаться. Хотя в рамках теории поля было принято описывать явления в терминах создания и разрушения частиц, лишь Ферми в своей работе применил этот подход не только к фотонам. В основе его теории лежал постулат о том, что в природе материи происходит фундаментальное взаимодействие, которое вызывает переход от нейтрона к протону, при этом образуется один электрон и один электронный антинейтрино:

n^0 → p+ + e- + v,

в строгой аналогии с гамма-излучением, при котором возбужденный протон лишается части своей энергии, испуская фотон. Ферми также смог объяснить, почему в одних случаях бета-распад идет быстрее, чем в других: одни процессы распада были разрешены в рамках квантовой теории и могли происходить в стационарных ядрах, в то время как для других, изначально запрещенных, ядро должно было находиться в движении.

В теории бета-распада Ферми не хватало только параметра G. Его надо было найти опытным путем, измерив среднее время жизни бета-распадов. Этот параметр, известный сегодня как постоянная Ферми, определяет интенсивность нового взаимодействия в атоме, вызвавшем бета-распад, которое, в противоположность сильным ядерным силам, обычно использующимся для придания стабильности атомному ядру, было названо слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие имеет ограниченное воздействие, а нейтрино и антинейтрино взаимодействуют с материей очень мягко. В современной стандартной модели переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны, о которых мы говорили в конце предыдущей главы (см. рисунок).

Диаграмма Фейнмана, на которой помазан распад нейтрона согласно современной физике частиц стандартной модели. Один из d-кварков нейтрона становится u-кварком, излучая р-частицу (электрон) и электронный антинейтрино.

Слабое взаимодействие применяется в инструментах медицинской диагностики и в методах геологической датировки, а также имеет основополагающее значение в той физической Вселенной, которая известна нам сегодня. Ферми и Паули обнаружили фундаментальное взаимодействие природы. Такие звезды, как Солнце, производят энергию посредством термоядерных реакций: например, в результате соединения двух атомов дейтерия получается гелий и энергия.

Н^2_1 + Н^2_1 → Не^4_2 + энергия.

Но как получить дейтерий? В ходе слабого взаимодействия двух протонов типа:

p+ + p+ → H^2_1 + e+ + v.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА

Счетчик Гейгера (или Гейгера — Мюллера) — это прибор, измеряющий интенсивность радиации: естественной и искусственной, космической и земной. Первый счетчик был создан в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером (1882-1945), но распознавал только альфа-частицы.

Спустя 20 лет его ученик Вальтер Мюллер (1905-1979) улучшил аппарат таким образом, что тот стал распознавать все остальные виды ионизирующей радиации. Счетчик состоит из изолированной нити, проходящей по трубке, внутри которой создан вакуум. Нить и трубка соединяются под высоким напряжением, поэтому когда заряженная частица попадает в счетчик, возникает поток, который можно увеличить и измерить. В некоторых счетчиках были установлены динамики, издававшие звуковой сигнал. Современные счетчики электронные. Они подсоединяются к компьютеру и высчитывают количество распадов на единицу времени.

В данном примере мы получаем один позитрон и один нейтрино. Тот факт, что для формирования плавящихся материалов необходимы реакции слабого взаимодействия, гарантирует, что водород Солнца расходуется медленнее, регулируя солнечную активность и увеличивая продолжительность жизни звезды. Ферми не упускал из виду связь своего открытия с космической радиацией. В 1933 году он воспользовался тем, что в Риме находился Бруно Росси, прославившийся разработкой цикла для измерения совпадений в спаренных счетчиках Гейгера и выявления таким образом траекторий частиц, и написал с ним совместную работу «Действие магнитного поля Земли на проникающее излучение». В этой статье объяснялось геомагнитное воздействие широты и долготы на космическую радиацию, достигающую Земли. Ферми был очень доволен результатами в области изучения слабого взаимодействия и считал их своими главными достижениями, достойными того, чтобы остаться в памяти потомков. На основе этой работы японский физик Хидэки Юкава (1907-1981) в 1935 году сформулировал свою теорию мезонов, и с нее началась революция в ядерной физике и физике элементарных частиц.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИАЦИЯ И ЦЕНА УСПЕХА

В январе 1934 года, бомбардируя альфа-частицами ядра бора и алюминия, Ирен Кюри и Фредерик Жолио получили первые искусственные радиоактивные изотопы. Ирен шла по стопам своих родителей, Пьера и Марии Кюри, которые детально изучили поведение естественных радиоактивных изотопов радия и полония и более тяжелых элементов, таких как уран и торий.

Легкие ядра, подвергавшиеся бомбардировке альфа-частицами, довольно быстро излучали позитроны, демонстрируя, таким образом, хорошие радиоактивные свойства, в то время как ядра более тяжелых атомов подобной наведенной радиации не проявляли. Альфа-частицы, как и положительные ионы гелия, не действовали на тяжелые ядра из-за повышенного содержания в них электронов, которые уменьшали воздействие на ядра вследствие электромагнитного отталкивания. Процесс усложнялся и за счет повышенного отталкивания тяжелых ядер.

В начале марта 1934 года в руки Ферми попала статья Кюри и Жолио. Он сразу предложил Разетти провести те же эксперименты, но не с альфа-частицами, а с нейтронами, чтобы избежать электромагнитных трудностей. Разетти разработал несколько источников нейтронов, полония и бериллия, а также еще один, более мощный, радона и бериллия. Он собирался ехать в отпуск, но Ферми не мог тянуть с началом опытов. В отсутствие Разетти ему пришлось самому сконструировать счетчик Гейгера (с чем он блестяще справился) и быстро получить радон для нейтронного источника. Надо сказать, что Ферми повезло: у профессора Джулио Чезаре Трабакки, директора хорошо оснащенных лабораторий итальянской санитарной службы, был радий и необходимые приборы для извлечения из него радона по методу Марии Кюри. Радон — это газ, образующийся при естественном альфа-распаде радия, как доказала Мария Кюри. Если смешать его с пылью бериллия, то порожденные альфа-частицы провоцируют выброс нейтронов.

Если результат подтверждает гипотезу, значит, вы сделали измерение. Если результат противоречит гипотезе, вы сделали открытие.

Энрико Ферми

Ферми начал систематическую бомбардировку в порядке периодической таблицы, взяв водород, литий, бор, углерод и азот. Результаты были отрицательными. Ученый немного упал духом: полученные данные заставили его сомневаться.

Тогда он решил попробовать новые элементы. Ферми пропустил кислород, потому что его бомбардировку надо было проводить в воде, и, бомбардируя фтор, сумел активировать элемент. Отреагировал счетчик Гейгера и на алюминий. Ферми отправил 25 марта 1934 года в журнал La ticerca sdentifica статью «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. I», чтобы ее как можно скорее опубликовали.

В статье ученый давал интерпретацию полученных результатов для каждого элемента. Римская цифра I означала, что за этой статьей должны были последовать и другие из этой же серии, что и произошло.

Ферми понимал, что сила современной науки кроется в совместной работе. Он тут же подключил к новым исследованиям Амальди и Сегре. Помощники с энтузиазмом отнеслись к первым же результатам и предложили химику Оскару Д’Агостино присоединиться к ним (он как раз вернулся в Рим после работы в лаборатории Жолио-Кюри). Ферми отправил Разетти в Марокко телеграмму, в которой объяснял ситуацию и спрашивал, как приступать к сбору материала (речь шла обо всех элементах периодической таблицы!). Готовился поистине обширный эксперимент.

Команда исследовала более 60 элементов и открыла 40 новых радиоактивных изотопов. И это не все. При бомбардировке ядер более тяжелых элементов, тория (Z = 90) и урана (Z = 92), ученые обнаружили два новых элемента с атомным номером, превышающим 92. В статье Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92 («Возможное образование элементов с атомным номером выше 92»), опубликованной в журнале Nature, элементы были названы гесперий и аузоний. Количество полученных данных и открытых радиоактивных элементов поразило группу исследователей. Возможно, поэтому ученые не обратили должного внимания на блестящую идею немецкого физика и химика Иды Ноддак (1896-1978) о возможности деления ядер урана на изотопы уже известных атомов. Время деления ядра еще не пришло.

В мае 1934 года Ферми предложил создавать искусственным образом несуществующие на Земле элементы, например элемент 93, который он, как ему казалось, получил в ходе некоторых экспериментов по бомбардировке урана. Корбино, выступая на конференции перед королем Виктором Имануилом III, рассказал о достижениях научной группы Ферми и обрисовал перспективу создания новых элементов. Фашистская пресса тут же подхватила эти слова, воздавая похвалы ученым и подчеркивая огромный вклад итальянской науки в развитие человечества — науки, «поощряемой фашистским режимом», и говоря об открытии элемента-93 как о свершившемся факте. Ферми очень рассердился на Корбино. Он не хотел никакой рекламы, особенно если речь шла о лжи мировому сообществу. Слишком много сил он потратил на то, чтобы заслужить репутацию, и ученый не хотел ее разрушить. Корбино понял сложность положения, однако было поздно: из скандальной европейской прессы новость докатилась до The New York Times.

МЕДЛЕННЫЕ НЕЙТРОНЫ

Осенью 1934 года Ферми поручил Амальди и Бруно Понтекорво подсчитать количество радиации, излучаемой каждым бомбардируемым элементом. Амальди тем летом был вместе с Сегре в Кембридже и опубликовал там в журнале Proceedings of the Royal Society анализ на тему «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой». Амальди знал, что условия эксперимента оказывали значительное влияние на количество испускаемой радиации.

Между 18 и 22 октября того же года Амальди и Понтекорво изучили поглощающие свойства таких материалов, как свинец, в зависимости от величины вещества и условий эксперимента. В свинцовую коробку они поставили цилиндр из серебра, а счетчик Гейгера разместили позади источника нейтронов радона-бериллия (см. рисунок на следующей странице). Ученые провели несколько опытов с цилиндрами одинаковых размеров, но из разных материалов, меняя их положение в коробке. Измеряемая радиоактивность менялась в зависимости от положения цилиндров, и ученые не понимали причин этого.

Амальди и Понтекорво поделились трудностями с Ферми и Разетти. Те изменили эксперименты так, чтобы устранить возможные причины ошибок: Разетти был уверен (и совершенно справедливо), что для уменьшения статистических ошибок нужна большая точность. Амальди вместе с Понтекорво поняли, что радиоактивность менялась в зависимости от того, проводились опыты на деревянном или мраморном столе. Тогда Ферми предложил проделать все то же самое вне свинцовой коробки: радиоактивность менялась даже при приближении металлических или других предметов. Тогда он посоветовал поместить между нейтронным источником и серебряным цилиндром различные материалы. Несколько дней все «ребята с улицы Панисперна» участвовали в опытах.

Некоторые свинцовые плиты, помещенные между источником и цилиндром, увеличивали радиоактивность. Тогда Ферми решил попробовать то же самое с блоком парафина, и радиоактивность выросла в огромное количество раз. Медленные нейтроны могли увеличивать радиоактивность.

Схема бомбардировки в эксперименте Ферми.

Объяснялось это так: при столкновении с легкими атомами, такими как атомы воды или парафина, некоторые нейтроны отдавали им часть своей энергии, не будучи при этом поглощенными, а затем, после нескольких столкновений, приобретали скорость, свойственную материалу, становясь так называемыми термическими нейтронами, которые увеличивали свою эффективность при столкновениях с цилиндром, так как с большей легкостью вступали в резонанс с ядрами атомов серебра. Поэтому деревянные столы способствовали небольшому увеличению радиации по сравнению с мрамором: они сильнее сдерживали нейтроны. В структуре парафина и дерева находятся ядра водорода, которые содержат протон с массой, близкой к массе нейтрона, поэтому торможение нейтронов облегчало их взаимодействие с ядрами атомов серебра.

Ферми предложил провести опыт с большим количеством воды. Если его теория была верна, то большое количество водорода в воде произвело бы такой же эффект, что и парафин. Исследователи решили пойти к фонтану в частном саду сенатора Корбино, который, будучи начальником отделения, жил на четвертом этаже здания на улице Панисперна. Погрузив нейтронный источник и серебряный цилиндр в воду, они увидели, что, как и ожидалось, радиоактивность значительно увеличилась. Ферми был прав. В ту же ночь ученые написали статью для La ricerca scientifica под названием «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами», за которой последовали еще несколько работ, дополняющих ее.

Через пару дней после этого вторжения Корбино увиделся с исследователями в лаборатории и попытался убедить их больше ничего не публиковать о медленных нейтронах. Сначала Ферми был очень удивлен, но прагматичный Корбино объяснил ему свою позицию: их открытие могло быть использовано в промышленных целях, а потому его надо запатентовать. Он сразу понял, что радиоактивные изотопы можно применять, например, в медицине как маркеры, а также в ядерных технологиях. В декабре того же года ученые начали готовить документы, и 26 октября 1935 года Ферми, Разетти, Сегре, Амальди, Д’Агостино, Понтекорво и Трабакки (химический поставщик) получили первый патент (под номером 324458). В 1953 году после нескольких лет разбирательств правительство США выплатило 400 тысяч долларов за права на этот патент, по 24 тысячи долларов Ферми и каждому из членов группы, а также покрыло все судебные издержки.

К сожалению, когда в ходе бомбардировки урана Ферми увидел, что радиоактивность превышала предполагаемую, он не понял, что речь шла о делении ядра, о котором писала немецкий химик Ида Ноддак. Это была «большая ошибка Ферми», как он сам смиренно признавал, но именно благодаря ей ни у США, ни у Германии не оказалось перед началом Второй мировой войны готовой ядерной бомбы.

В диаграмме Сегре представлено число нейтронов (АО по сравнению с протонами (2) в каждом ядре. Стабильность ядер увеличивалась больше от нейтронов, чем от протонов. Серым обозначен период полураспада изотопов, а черным — зона стабильных ядер.

РАСПАД ГРУППЫ С УЛИЦЫ ПАНИСПЕРНА

Скорость частиц, с помощью которых осуществлялась бомбардировка, имела решающее значение для получения радиоактивных материалов. Получив финансирование от фонда Алессандро Вольты, Ферми между 1935 и 1936 годами отправил Разетти на стажировку в лабораторию Милликена в Пасадину и в Беркли (где Лоуренс разработал ускоритель частиц), Понтекорво — в Париж в лабораторию Жолио-Кюри, а д’Агостино — в Национальный химический институт. Тем временем Сегре в 1935 году женился и получил место заведующего кафедрой экспериментальной физики в Палермо. Вскоре Амальди и Ферми остались в Риме единственными, кто продолжал исследования, начатые с бомбардировок медленными нейтронами и с создания радиоактивных изотопов. Вместе они открыли, что процесс захвата нейтрона ядром обратно пропорционален скорости самого нейтрона. Ферми разработал уравнение диффузии, которое объясняло и поглощение нейтронов ядрами, и диффузию медленных нейтронов. В нем ученый анализировал время жизни нейтрона с момента его создания в источнике до того, как он становился частью материала, с которым сталкивался (то, что сегодня называется временем Ферми). Ферми и Амальди написали несколько статей для La ricerca scientifica и летом 1936 года, воспользовавшись пребыванием в Колумбийском университете, опубликовали полученные результаты в журнале The Physical Review в статье «О поглощении и диффузии медленных нейтронов» Амальди задержался в США на месяц и принял участие в создании линейного ускорителя протонов. Позже Сегре предложил графическое изображение различной способности ядер поглощать нейтроны, известное сегодня как диаграммы Сегре (см. рисунок на предыдущей странице).

Тем временем ситуация в Италии становилась все сложнее из-за радикализации фашизма. Муссолини захватил Эфиопию, что привело к международному кризису. Девятого мая 1936 года он провозгласил Италию империей, а Виктора Имануила III — императором. В октябре — создал ось Рим — Берлин, подписав с нацистской Германией пакт, по которому эти страны становили внешнеполитическими союзниками.

К рабочим успехам Ферми, плодам упорных трудов добавилась и личная радость: 16 февраля 1936 года у него родился сын Джулио. То ли из отцовского инстинкта, то ли из страха, возникшего после того, как Гитлер нарушил Версальский мирный договор и ввел войска в долину Рейна в марте 1936 года, однажды вечером Ферми принес домой противогазы для всей семьи, чем немало удивил жену. Группа «ребят с улицы Панисперна» распалась, и, хотя это расставание должно было быть временным, как это бывало и раньше, неспокойная обстановка в муссолиниевской Италии не обещала ничего хорошего. Словно в преддверии будущих трудностей все отделение физики переселили с улицы Панисперна в новый кампус на востоке Рима. В довершение всего 23 января 1937 года внезапно скончался сенатор Корбино. Для Ферми это было тяжелым ударом, и он посвятил наставнику хвалебную статью: «Учитель: Орсо Марио Корбино», еще не зная, что в том же году ему предстоит написать еще одну — «Памяти лорда Резерфорда* для журнала Nature — и что в июле умрет и Гульельмо Маркони. Уход этих ученых не оставил Ферми равнодушным. Он был им бесконечно благодарен за помощь и поддержку в создании новой физики. И Маркони, и Корбино отстаивали перед дуче его идеи, последней из которых было создание новой национальной физической лаборатории с большим ускорителем частиц.

Как и следовало ожидать, Ферми не стал преемником Корбино: на это место был поставлен приближенный к Муссолини сенатор Антонио Ло Сурдо. Ферми решил сконцентрироваться на изучении ускорителей частиц. В новой лаборатории был сконструирован прототип на 200 кВ и был открыт способ простого получения ускоренных до 200 кэВ ионов дейтерия.

ОСОБЫЙ ПАСПОРТ

Влияние немецкого национал-социализма в Италии становилось все сильнее. Когда в июле 1938 года Муссолини издал Итальянский расовый манифест, антисемитские настроения уже нашли поддержку среди населения. Однако Лаура была еврейкой, и Ферми не соблюдал законы, установленные режимом,— собственно, именно это и стало причиной, по которой ему не позволили занять место Корбино и отказали в открытии нового исследовательского центра. Ферми понимал, что эмигрировать всей семьей будет сложно: до этого, когда они выезжали за границу, по крайней мере дочь Нелла оставалась в Италии. После публикации Расового манифеста евреев исключили из университетов и других государственных учреждений, а приветствие в виде римского салюта стало обязательным. Энрико и Лаура твердо решили покинуть страну. Они намерились отправиться в Соединенные Штаты — ученый уже получил приглашения от ряда американских университетов.

ВОЗМОЖНОСТИ ДЕЛЕНИЯ УРАНА-235

Деление ядра — это его расщепление на два или более маленьких ядра и другие элементарные частицы, например нейтроны или фотоны. Процесс происходит при бомбардировке тяжелого атома нейтронами, поэтому, если в результате деления также образуются нейтроны, может возникнуть цепная реакция. Атом урана-235 можно делить разными способами. Статистически наиболее вероятно, что при его делении появляются ксенон и стронций, образуя два нейтрона с высвобождением энергии, или криптон и барий (см. рисунок), образуя три нейтрона с высвобождением энергии. Нейтроны, появляющиеся в процессе деления, могут поглощаться или провоцировать цепную реакцию. Также уран может делиться на рубидий и цезий, опять же с высвобождением двух нейтронов. Чтобы контролировать цепную реакцию, необходимо определить, сколько нейтронов высвобождается в среднем и какова их энергия.

Последней каплей стала гибель Этторе Майораны — в конце марта он пропал при невыясненных обстоятельствах, когда плыл на пароме из Неаполя в родной Палермо. Итальянским физикам стало не по себе: в накалявшейся военной обстановке они были ценной добычей. Тем летом Ферми оставил свою обычную осторожность и написал дуче письмо, в котором советовал продолжать исследования, начатые его другом:

«Вне всякого сомнения, я могу сказать, что из всех итальянских и зарубежных ученых Майорана больше всего поразил меня глубиной своего гения».

Ферми был научным руководителем дипломной работы Майораны на тему «Квантовая теория радиоактивных ядер», которую тот защитил в 1929 году. В этот период Ферми убедился в невероятных способностях Майораны и его гениальности, несмотря на всю замкнутость и чрезвычайную застенчивость. По свидетельству Сегре и Амальди, Майорана опередил Чедвика в открытии нейтрона, а Гейзенберга — в теории атомного ядра, образованного нейтронами и протонами, но не опубликовал своих работ.

Ферми был в отчаянии. В сентябре на конференции в Копенгагене Бор спросил его, принял бы он Нобелевскую премию, если бы ему ее дали, или, скорее, позволят ли ему фашистские власти принять эту награду. Ферми не предполагал, что сказал бы Муссолини, но понимал: будучи самым молодым академиком, он олицетворял «успехи фашистской науки». Конечно, ученый хотел бы получить эту награду и надеялся, что дуче из чувства гордости позволит ему поехать за ней.

Поэтому, когда утром 10 ноября 1938 года раздался долгожданный звонок от Академии, Ферми обрадовался не только Нобелевской премии по физике «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами», но и открывшейся возможности сбежать из Италии со всей семьей. И Лауре, и Нелле, и Джулио выдали специальную визу, чтобы они смогли присутствовать на награждении.

ГЛАВА 4

Манхэттенский проект

Приехав в США, Ферми начал углубленно изучать деление урана и исследовал механизмы рассеяния и поглощения нейтронов.

В разгар Второй мировой войны, когда атомная физика нашла военное применение под кодовым названием «Манхэттенский проект», ученый возглавил исследовательскую группу, запустившую первый ядерный реактор в истории, «Чикагскую поленницу — 1». Он также участвовал в работе Лос-Аламосской лаборатории, в частности в разработке смертоносной атомной бомбы, которая была применена в конце войны.

Энрико вместе с Лаурой, детьми и служанкой покинули Рим на поезде 6 декабря 1938 года. Нелле было семь лет, Джулио — меньше трех. Самое тревожное было — пройти паспортный контроль на границе с Германией, а после этого путешествие в Швецию прошло довольно спокойно. К счастью, Ферми предусмотрел все возможные трудности и подготовился к ним заранее. Приняв решение уехать из Италии, супруги продумали побег в мельчайших подробностях. Прежде всего, они должны были делать вид, что Ферми едет получать Нобелевскую премию, а после этого вернется в Италию как гордый триумфатор и символ фашизма. Однако радикальные фашисты придерживались другого мнения, ведь в 1935 году Гитлер запретил принимать премии Нобелевской академии. Случилось это после того, как премия мира была присуждена Карлу фон Осецкому — пацифисту, который чуть позже оказался в нацистской тюрьме. Многие в окружении Муссолини считали, что Ферми должен отказаться от премии. К счастью, дуче придерживался собственной точки зрения, которая не всегда совпадала с мнением Гитлера.

Чтобы гарантировать успешный побег, Ферми переступил через себя и, воспользовавшись знакомствами, сделал Лауре «чистый» паспорт, в котором отсутствовали указания на ее еврейское происхождение (что было в то время обязательным).

Затем с помощью своих связей ученый получил визы в немецком консульстве. Эта минута, пока нацистский офицер проверял паспорта семьи Ферми, показалась супругам вечностью. Офицер никак не мог найти страницу с визой, и Энрико на прекрасном немецком спросил, в чем задержка. Тут офицер наконец нашел страницу и поставил печать. В это мгновение жизнь Ферми разделилась на до и после: теперь ученый мог стряхнуть с себя все страхи и волнения предыдущих месяцев, освободиться от напряжения, которое ощущал с того дня, как был издан расовый манифест, ведь под действие этого документа попадала и его семья. Доехав до Балтийского моря, Ферми пересели на корабль до Стокгольма. Они превратились в эмигрантов, оставив родственников, друзей, результаты долгой и упорной работы — всю прежнюю жизнь. Воспоминания тонули в холодном Балтийском море.

Ферми понимал, что покидает своих товарищей и студентов навсегда, но жизнь в Риме становилась невыносимой: фашистское общество проявляло все большую враждебность, и угроза нависла над любимой Лаурой и детьми. Таинственное исчезновение Майораны не давало Ферми покоя, он видел, что многие его коллеги-евреи были вынуждены уволиться из университета. Ученый уехал вовремя, и он это знал. Скоро примеру Ферми последовали и остальные, в Италии остались только Амальди и Д’Агостино. Еще раньше, чем Ферми, родину покинул Сегре: он воспользовался работой в Беркли с Лоуренсом летом 1938 года и после публикации «Расового манифеста» остался в Калифорнии. Понтекорво, который тоже был евреем, не вернулся из Парижа, где продолжал работать с Ирен Кюри и Фредериком Жолио. Он оставался там, пока Германия не захватила Францию, а потом уехал в Испанию и оттуда — в США. Разетги в 1939 году получил место в Университете Лаваля в Канаде. Амальди тем временем провел два года в армии, а впоследствии ему поручили поддерживать огонь физики, который Корбино и Ферми зажгли в сердце Италии.

В день смерти Альфреда Нобеля, 10 ноября 1938 года, как того требовала традиция, Ферми получил премию по физике. Эта церемония развеяла последние сомнения и навсегда

Энрико Ферми с женой Лаурой и их детьми Джулио и Неллой во время побега в США. Там Ферми провел важные исследования, приняв участие в создании первого атомного реактора и разработке атомной бомбы.

Король Швеции Густав V вручает Ферми 10 декабря 1938 года Нобелевскую премию по физике. При получении награды ученый так и не вскинул руку в римском салюте, как надеялся Муссолини.

закрыла семье ученого обратный путь: при получении награды Энрико не вскинул руку в фашистском приветствии и обменялся твердым рукопожатием с королем Швеции Густавом V. Фашистская пресса в дипломатических целях попыталась не слишком акцентировать внимание на этом эпизоде, чтобы не показать Италию слабой в глазах Германии.

В своей речи Ферми говорил в основном о своих работах по радиоактивности и медленным нейтронам, но упомянул также аузоний и гесперий — предполагаемые новые трансурановые элементы. Несколько месяцев спустя, после открытия деления ядра, ученый исправил текст своего выступления. Тем временем мир катился в пропасть — Европа разваливалась на куски.

ПРИБЫТИЕ В США

По пути в Америку Ферми с семьей заехал в Копенгаген, чтобы встретиться с Бором. Вместо физики ученые говорили о неизбежности войны. Ферми поблагодарил Бора за помощь в получении премии, а тот рассказал, что, учитывая сложное положение в Дании (вскоре страна была оккупирована), он и сам собирается в США. Бор хотел провести хотя бы несколько месяцев в Принстоне с Эйнштейном.

В канун Рождества, 24 декабря 1938 года, семья Ферми села на корабль «Франкония», отплывающий из Саутгемптона в Нью-Йорк. В ту ночь, словно вестник из будущей жизни, подарки маленьким Джулио и Нелле принес незнакомый им Санта-Клаус: до сих пор дети получали дары только от волхвов. Все в их жизни менялось.

Утром 2 января 1939 года после спокойного плавания, занявшего несколько дней, пассажиры корабля увидели впереди силуэт статуи Свободы. Глядя с улыбкой на губах на такой близкий американский берег, Ферми воскликнул: «Мы создадим американскую ветвь семьи Ферми!» В Нью-Йорке его ждали Джордж Пеграм, директор физического отделения Колумбийского университета, и Габриелло Джаннини, друг ученого, который в свое время занимался регистрацией в США патента Ферми и его группы на использование медленных нейтронов.

Ферми легко вошел в новую команду в Колумбийском университете и быстро усовершенствовал свой английский методом полного погружения. Его способность вливаться в исследовательские группы упростила процесс привыкания. К тому же Ферми сразу подружился с Хербертом Андерсоном — студентом, который как раз заканчивал докторскую диссертацию на тему дисперсии нейтронов и хотел продолжить исследования под руководством Ферми. Тема этого исследования изменила ход истории: речь шла о делении ядра.

ДЕЛЕНИЕ ЯДРА

В конце 1938 года, когда Ферми только начинал новую жизнь в Америке, немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман на страницах журнала Naturwissenschaften рассказали о том, что после бомбардировки нейтронами ядер урана обнаружили барий. Ган предоставил результаты экспериментов Лизе Мейтнер, которая совершенно верно усмотрела в них доказательство деления ядра. Мейтнер была еврейкой, бежавшей в Швецию от нацистских преследований, и входила в исследовательскую группу Гана и Штрассмана. В то время с ней в Гетеборге проводил каникулы ее племянник Отто Фриш, сотрудник Бора. Фриш повторил эксперимент 13 января 1939 года, и они вместе с Мейтнер впервые подсчитали выброс энергии при делении. Исследователи поняли: то, что считалось новыми трансурановыми элементами, на самом деле было осколками, образующимися при делении ядра.

События разворачивались одно за другим, как в настоящей цепной реакции. Вернувшись в Копенгаген, Фриш встретился с Бором, который собирался бежать в США, и рассказал ему о своем открытии. Бор прибыл в Америку в середине января. Во время плавания он обсуждал деление с Леоном Розенфельдом, бельгийским физиком-теоретиком, плывшим на том же корабле. Бор вместе с Розенфельдом и Уилером на неформальной встрече в Принстоне 16 января 1939 года изложил результаты экспериментов Гана и Штрассмана и трактовку Мейтнер. На этой встрече присутствовали Раби и Лэмп, физики из Колумбийского университета. Они рассказали об этой беседе Ферми, и тот через несколько дней встретился с Бором. Хотя Ферми виделся с Мейтнер на награждении в Стокгольме, только сейчас он понял свою ошибку. Несколько лет он проводил бомбардировку нейтронами и не разглядел деления ядра!

Ферми решил приступить к работе в Колумбийском университете, где он мог использовать только что созданный группой Джона Даннинга циклотрон, о котором узнал от Джорджа Пеграма. Среди участников группы Даннинга особенно выделялся Херберт Андерсон, разработавший устройство для наблюдения ионизации, вызванной осколками, которые отлетают от ядра в ходе его деления. Благодаря осциллоскопу с катодными лучами, 25 января 1939 года Андерсон выявил импульсы, вызванные делением урана.

После того как нейтрон вызывал первое деление урана, необходимо было подсчитать количество нейтронов, получавшихся в ходе деления, и количество высвобождающейся энергии. Ферми настаивал на необходимости квантитативных методов для разработки способов практического применения, которые он уже держал в уме. Над первой статьей, написанной в США, — The Fission of Uranium («Деление урана») — Ферми работал вместе с группой Даннинга, руководителя диплома Андерсона. В тексте, опубликованном в журнале The Physical Review, были представлены вычисления эффективного сечения при столкновениях медленных и быстрых нейтронов и их обратная зависимость от скорости, что было доказано в опыте с изотопом урана-235, способного к делению. Ферми остановился на испускании нейтронов и на проблеме цепной реакции. Параллельно с ним, также в Колумбийском университете, физик венгерского происхождения Лео Силард и его канадский помощник Вальтер Зинн изучали испускание вторичных нейтронов после деления.

АВАРИЙНЫЕ СТЕРЖНИ И ЗАМЕДЛИТЕЛИ

РИС. 1

Для того чтобы контролировать цепную реакцию, необходимо поглощать часть высвобождающихся нейтронов. В реакторах используются аварийные стержни из материалов, слабо подверженных делению и хорошо поглощающих нейтроны, таких как бор и кадмий (рисунок 1). Чтобы замедлить быстрые нейтроны, используется замедлитель, например тяжелая вода или графит, которые применял Ферми, так как медленные нейтроны вызывают больше процессов деления и их легче поглотить аварийными стержнями (рисунок 2).

РИС . 2

Благодаря структура графит особенно хорошо выполняет функцию замедлителя нейтронов. Вода не является хорошим замедлителем, так как ее протоны имеют тенденцию соединяться с нейтронами, что уменьшает эффективность реакции.

Вскоре Ферми вместе с Хербертом Андерсоном и Лео Силардом опубликовал в The Physical Review статью Neutron Production and Absorption of Uranium («Образование и поглощение нейтронов в уране»), в которой говорилось, что при делении ядер урана с помощью медленных нейтронов, испускаемых нейтронов было больше, чем поглощенных, а также что тепловые нейтроны не могли правильно замедляться водой. По подсчетам ученых, в среднем при каждом делении получалось 1,2 вторичных нейтрона, и это количество могло увеличиться до 1,5. Это был первый и последний проект Ферми в сотрудничестве с Лео Силардом. Ученые слишком по-разному подходили к работе, и это вызывало разногласия. К тому же некоторая неорганизованность Силарда нервировала Ферми, который во всем любил порядок и систематичность.

Так образовались две исследовательские группы, одну из которых возглавил Ферми, а другую — Силард. Сначала они соперничали за первенство публикаций о вторичных нейтронах, получаемых в ходе деления урана: в марте 1939 года каждая группа подготовила статью для The Physical Rexnew. Силард написал ее совместно с Зинном, а Ферми — с Андерсоном. Так или иначе, профессиональные отношения между Силардом и Ферми сохранились на долгие годы и оставили след в виде обширной переписки. Со временем Ферми понял, что Силард — хороший организатор, умеющий вести переговоры с поставщиками и политиками. Именно он убедил Ферми в том, что возможность создать оружие массового поражения, использующего энергию деления ядра, более чем реальна.

Утром 16 марта Джордж Пеграм организовал встречу с Силардом и Ферми, на которой присутствовал также Юджин Вигнер, физик из Принстона. Вигнер был другом Эйнштейна и, как и Силард, венгерским беженцем. Ученые говорили о необходимости держать свои исследования в секрете или, по крайней мере, как можно меньше рассказывать о них в печати. Силард выступал за полное неразглашение, в то время как Ферми взывал к традиции и научной этике. Далекий от мыслей о военном использовании открытия, он был слишком наивен, а может быть, просто сомневался в потенциальной возможности такого использования ядерной энергии. В итоге ученые решили, что они должны связаться с правительством США и военным командованием: и для того, чтобы сохранить исследования в секрете, и для того, чтобы получить финансирование. Ферми проинформировал североамериканские власти 18 марта 1939 года о возможности применения атомной энергии в военных целях.

КАПЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

Эта модель была предложена Бором и Уилером в 1939 году. Ход деления ядра можно изменять при помощи параметра s, который обозначает расстояние между новыми атомными ядрами и начальным ядром, как в случае с каплей, делящейся на две (рисунок 1). Если V(s) — потенциальная энергия системы, зависящая от s, то вначале значение s невелико; бомбардируемое ядро вибрирует, и его поверхностное натяжение побеждается электрическим отталкиванием. V(s) увеличивается из-за поверхностного натяжения так же, как при делении капли воды. Превысив определенный порог, натяжение перестает быть релевантным, и начинает действовать электростатическое отталкивание между двумя новыми ядрами с положительным зарядом, осколками деления (рисунок 2). Этот процесс, вероятнее всего, происходит спонтанно или же очень медленно. При делении, наведенном бомбардировкой термическими нейтронами, если у них достаточно энергии, барьер деления V(s), равный примерно 6 МэВ для больших ядер, сохраняется, и начинается цепная реакция. Если она происходит на ядерной станции, реакцию можно контролировать, а если в бомбе, то нет. Ядерная энергия деления происходит от разницы масс продуктов деления и реагентов по знаменитой формуле Эйнштейна Е = mc^2.

РИС. 1

РИС . 2

Однако власти не проявили большой заинтересованности: отчасти из-за того, что Ферми довольно осторожно описывал возможности использования деления, а отчасти потому, что на этой беседе не присутствовало высокое командование. Создание атомной бомбы казалось несбыточной мечтой. Ферми вернулся в Колумбийский университет всего с 1500 долларами, которые пожертвовал молодой офицер, имевший физическое образование. По любопытному совпадению, в тот же день группа Жолио на страницах журнала Nature рассказывала о большинстве результатов, к которым независимо от нее пришли Ферми и Силард. Жолио и его сотрудники обнародовали открытия, в то время как работа Ферми и Силарда попала под гриф «совершенно секретно», и их исследования уже не могли печататься в научных журналах.

Эйнштейн после разговора с Вигнером и Силардом 2 августа 1939 года написал президенту Рузвельту письмо, в котором рассказывал о прогрессе в изучении цепных ядерных реакций, о возможностях создания бомбы нового типа и просил сформировать комиссию из физиков, которые работали над делением ядра, и из представителей правительства, поскольку в Германии также могли вести работу в этом направлении. И действительно, в Европе Халбан, Жолио и Коварский добились похожих результатов в области деления урана и цепных реакций. Рузвельт создал комиссию, о которой просил Эйнштейн, в октябре 1939 года и пригласил Ферми участвовать в ее работе. Тем временем 1 сентября 1939 года началась Вторая мировая война, и правительство Америки все больше волновал вопрос о том, обладает ли Гитлер атомной бомбой. Ферми получил от Вооруженных сил США дополнительные средства на секретные исследования цепных реакций. Уже летом, одновременно с Силардом, он определил, что вода — плохой замедлитель, так как водород поглощает слишком много термических нейтронов, и начал опыты с графитом. Гонка за атомной бомбой началась.

ПРОБЛЕМА УРАНА

В то время существовало два основных мнения по поводу цепных реакций деления урана. Бор доказал, что делятся атомы урана-235 (он составляет 1 % от всего природного урана), а не более распространенного урана-238, который имеет тенденцию поглощать большое количество нейтронов и образовывать уран-239. Поэтому Бор утверждал, что в случае возникновения цепной реакции надо разделять большое количество изотопов урана-235, или, как мы сказали бы сегодня, обогатить уран. Ферми же, напротив, думал, что с хорошим замедлителем и термическими нейтронами можно вызвать цепную реакцию с природным ураном и даже чуть меньше 0,7 % урана-235.

Даннинг, научный руководитель Андерсона, разделял мнение Бора. Он поручил Альфреду Ниру, специалисту по делению изотопов, работу над проблемой обогащения урана. Именно Нир первым определил соотношение изотопов урана- 235 к урану-238 (он нашел хорошее приблизительное значение 1 /139). Ферми видел, что можно пойти по любому из этих двух путей, но предполагал, что обогащение урана вызовет больше трудностей, чем продолжение уже начатой работы. Однако ему пришлось оставить свои исследования, особенно после статьи в The New York Times, опубликованной по итогам конференции Американского физического общества, в которой сравнивались научные подходы в области изучения цепных реакций.

В 1934 году Юкава заявил о существовании мезотрона, частицы — переносчика значительной ядерной силы, держащей ядра вместе. Он назвал эту частицу, отталкиваясь от греческого слова mesos («средний»), поскольку ее масса была средней между массой протона и электрона. Впоследствии Гейзенберг, как сын преподавателя греческого языка, исправил этот вариант, и сегодня семья бозонов, существование которой было предсказано Юкавой, известна как мезоны. Под влиянием открытия Юкавы Карл Дэвид Андерсон и Сет Неддермейер назвали новую частицу, выявленную в космической радиации, мезотроном (впоследствии она оказалась новым лептоном — мюоном). Мюон ведет себя как фермион, а его масса примерно в 200 раз превышает массу электрона и очень близка к мезотрону Юкавы. Свойства этой частицы поразили научное сообщество.

РАСЧЕТ МАССЫ ПОКОЯ ПИОНА

Массу покоя пи-мезона, или пиона, можно приблизительно рассчитать способом, аналогичным предсказанному Юкавой (это хороший пример подсчета, который в то время выполнил Ферми). Отталкиваясь от принципа неопределенности энергии-времени и от уравнения Эйнштейна, мы получим:

Затем применим теорию относительности, поскольку пион не может иметь скорость, превышающую скорость света, а значит, чтобы переместиться на расстояние г, максимальным значением будет:

Следовательно,

что не противоречит нуклоновой силе. Если мы обозначим через г приблизительный радиус вовлеченных частиц, протонов и нейтронов ядра, то r ≈ 2·10-15 м. Заменив постоянную Планка и скорость света, мы получим приближение, при котором mx ≈ 200 me ≈ 100 МэВ/с^2; масса пиона примерно в 200 раз больше массы электрона (me ≈ 0,5 МэВ/с2). Сегодня считается, что масса пиона π° равна примерно 135 МэВ/с^2, а масса мюона (лептона, с которым его путали вначале) — примерно 105,7 МэВ/с^2. Ошибка была вполне закономерной, учитывая погрешность измерений того времени. Добавим, что названия «пион» и «мюон» были предложены Ферми. Придумав название для нейтрино, ученый находил удовольствие в том, чтобы упорядочивать терминологию физики частиц.

То, что мюон не является одним из мезонов Юкавы, было открыто после того, как в 1939 году Ферми опубликовал свою работу Absorption of Mesotrons in Air and in Condensed Materials («Поглощение мезотронов в воздухе и в конденсированных материалах >) в которой он анализировал поглощение мезотронов, возможно пытаясь найти более легкие, чем нейтроны, частицы для бомбардировки ядра урана. Мысленные эксперименты Ферми по сталкиванию новых частиц на десятки лет опережали существовавшие тогда технологии.

К тому же у Ферми были свои счеты с «элементом 93», доставившим ему столько головной боли после того, как в июне 1934 года он опубликовал в журнале Nature статью «Возможное образование элементов с атомным номером выше 92». В статье Simple Capture of Neutrons by Uranium («Простой захват нейтронов ураном»), написанной совместно с Андерсоном, Ферми доказывал, что изотоп урана-238 в состоянии захватывать медленные нейтроны и после перехода в радиоактивный изотоп урана-239 разлагается на мелкие части. Получался элемент с атомным номером 93 и атомной массой 239, которому Макмиллан и Абельсон в Беркли дали название нептуний. А он, в свою очередь, был промежуточным этапом, ведущим к плутонию — элементу, имеющему огромное значение для ядерных технологий. Нейтроны, испускаемые при первом делении урана, рассеиваются ядрами с меньшей массой, которые находятся в замедлителе. Их энергия в ходе этих столкновений значительно уменьшается, и, следовательно, они не в состоянии вызывать последующее деление урана-238, но могут быть захвачены и участвовать в образовании урана-239.

Изотопы урана и их деление были основным объектом внимания ученых, когда в феврале 1940 года Ферми поехал в Беркли и в сотрудничестве с Сегре создал новый циклотрон, на котором ученые продемонстрировали возможности деления урана-235 с помощью альфа-частиц.

Вернувшись в Колумбийский университет, Ферми вместе с Андерсоном проанализировал создание и поглощение медленных нейтронов углеродом C^12_6 в куске графита. Это вещество не содержит водорода и, следовательно, замедляет скорость нейтронов незначительно. Главная причина, по которой графит стали использовать, заключается в том, что он поглощает меньше нейтронов, чем другие материалы. Завершающий штрих в контроле цепной реакции Ферми поставил, применив кадмий. Вскоре выяснилось, что водород Н^1_1 очень эффективен для захвата нейтронов и образования дейтерия Н21 и что эти нейтроны теряются в ходе цепной реакции.

Радиоактивный ряд урана-238, изученный Ферми.

Указанное время соответствует средней продолжительности жизни изотопа. Оно обозначается, когда речь идет об альфа- или бета- распаде.

Ферми вывел уравнение рассеяния, описывающее поведение нейтронов, а позже, опять же вместе с Андерсоном, определил вероятность того, что уран после деления спровоцирует каскад радиоактивных распадов (так называемый процесс разветвления), который был ему знаком со времен изучения бета-распада. Продукты многих альфа- и бета-распадов могут состоять из еще не стабильных ядер. Эти ядра распадаются снова и снова, пока не появится стабильный элемент. Совокупность этих предопределенных ядерных распадов называется радиоактивным рядом. Радиоактивный ряд урана-238 (см. рисунок), который изучал Ферми, заканчивается созданием стабильного изотопа свинца-206 и занимает 4,51·10^9 лет. Именно по этой причине в природных залежах урана всегда находят свинец, и именно поэтому радиоактивные останки так опасны, ведь средняя продолжительность жизни радиоактивных материалов обычно огромная. Тем временем Рузвельт отреагировал на продвижение Гитлера в Европе, создав Национальный совет по оборонным исследованиям (National Defense Research Committee, или NDRC) и в его рамках — особую комиссию по изучению урана. Ни Ферми, ни Силард сначала не были допущены в этот орган, поскольку не были гражданами США. Деление урана уже представляло собой вопрос государственной важности, а вскоре ему было суждено обрести и мировое значение. NDRC стремился направить науку на военные цели. Американское правительство знало, что рано или поздно США должны вступить в европейский военный конфликт.

РЕАКТОРЫ ИЛИ БОМБЫ?

Ферми был убежден, что энергия, выделяемая во время самоподдерживающейся цепной реакции с использованием урана, может быть прекрасным источником мощности. Ученый посвятил этому вопросу статью Some Remarks on the Production of Energy by a Chain Reaction in Uranium («Некоторые замечания о получении энергии с помощью цепной реакции в уране»-), которую представил комиссии по изучению урана 30 июня 1941 года. Однако для решения этой задачи требовалось отделить достаточное количество урана-235 от урана-238. Но комиссия сочла невозможным конструирование маленьких ядерных реакторов за имеющееся время для использования их в военных целях, например при запуске снарядов или подводных лодок. Таким образом, она не посчитала приоритетным подобное использование урана.

Другой возможный с технической точки зрения путь деления был открыт Отто Ганом и Лизой Мейтнер: они доказали, что уран-238 может поглощать нейтрон, трансформируясь в уран-239, то есть он становится первым известным трансурановым элементом с атомным номером 93 и атомной массой 239 — так называемым нептунием, обнаруженным в 1940 году в Калифорнийском университете Макмилланом и Абельсоном. В результате распада нептуния, в свою очередь, получался радиоактивный изотоп с атомным номером 94 и атомной массой 239 — плутоний-239 (это название предложил Солд по окончании войны, в 1947 году). Силард на собрании комиссии по урану заявил, что этот элемент обладает всеми необходимыми свойствами для создания ядерной бомбы.

Ферми не терял связи со своим другом Сегре, и когда тот в конце 1940 года приехал к нему на Рождество в Леонию (Нью-Джерси), где семья Ферми жила с лета 1939-го, коллеги обсудили результаты своих исследований. Основной темой был плутоний. Вскоре после этого Сегре и группа ученых из Калифорнийского университета получили плутоний-239. Первые доклады об атомной бомбе на основе плутония появились в июле 1941 года, но наибольшее впечатление произвел доклад, представленный 6 ноября. В нем говорилось о возможности создания ядерных бомб только на основе урана-235. Правительство США оставило открытыми обе линии исследований.

Когда мы открываем новое базовое знание, то любая попытка помешать его применению становится такой же тщетной, как, например, попытка запретить Земле вращаться вокруг Солнца.

Ферми об идее остановить распространение ядерной энергии

В Беркли Эмилио Сегре и Гленн Сиборг усовершенствовали метод получения плутония, показав, что это хороший материал для деления — примерно в 1,7 раза лучше, чем уран-235. Проблема заключалась в том, что циклотрон в Беркли не мог вырабатывать достаточное количество плутония-239. Тогда правительству США стало ясно, что исследования Ферми в Колумбийском университете представляют огромный военный интерес, поскольку он мог получить большее количество плутония.

Тем временем в Бирмингеме (Великобритания) Отто Фриш и Рудольф Пайерлс, бежавшие от нацистского режима, вместе с Жолио и его группой, приехавшими из оккупированной Франции, занимались исследованием цепных атомных реакций с тяжелой водой в качестве замедлителя (водой, в состав которой входил дейтерий Hf вместо водорода Н|) и возможности создания атомной бомбы с ураном-235. Британцы вели с американским правительством переговоры, побуждая США сконцентрироваться на совершенствовании добычи обогащенного урана, игнорируя прогресс, достигнутый в области добычи плутония.

Национальный совет по оборонным исследованиям испытывал трудности с заключением промышленных контрактов, необходимых для развития вооружения, а также вступил в бюрократический конфликт с Национальной академией наук и даже с правительством страны, которому приходилось чрезвычайно дипломатично общаться со странами-союзниками, особенно в том, что касалось атомной бомбы. Чтобы решить все возникшие проблемы, Рузвельт создал Управление научных исследований и развития под своим непосредственным руководством и назначил его директором Буша Вэнивера, который до этого стоял во главе Национального совета по оборонным исследованиям. Буш, следуя рекомендациям своего преемника на прежнем посту Джеймса Конанта, отправил Ферми 19 августа 1941 года письмо, в котором приглашал ученого стать консультантом комиссии по урану, в частности заняться теоретическими аспектами в специальной группе по развитию ядерного реактора.

Японская атака на Перл-Харбор 7 декабря 1941 года подтолкнула США к вступлению в войну против группы союзников — Японии, Германии и Италии. Разработка атомной бомбы пошла быстрее. Исследования развивались по линии и плутония-239, и урана-235, при этом учитывалась возможность продолжения конструирования ядерных реакторов: согласно данным британской разведки, немецкие ученые испытывали к ним особый интерес.

Любопытно, что за день до атаки на Перл-Харбор Вэнивер Буш, уже будучи директором Управления научных исследований и развития, распределил обязанности по изучению ядерного потенциала следующим образом.

ОБОГАЩЕНИЕ УРАНА

Для создания бомбы необходимо было иметь достаточное количество плутония или урана-235. Эрнест Лоуренс использовал электромагнитный метод обогащения урана, разработанный Фрэнсисом Астоном в 1919 году. Метод состоял в том, чтобы создать пучок частиц с ураном в газообразном состоянии. Частицы ускорялись при помощи электрического поля, а потом входили в область воздействия магнитного поля, искривляющего ось так, что оси каждого изотопа урана разделялись и разделялся сам уран-235.

РИС. 1

Разряд калютрона α-1.

Лоуренс разобрал часть своего циклотрона, чтобы сконструировать аппарат, который он назвал калютроном — от слов «Калифорния» и «циклотрон» (рисунок 1). Метод газовой диффузии (рисунок 2), разработанный Гарольдом Юри и Джоном Даннингом в Колумбийском университете, был основан на том, что молекулы в газовых соединениях урана (например, гексафторид урана, UF6), проходя через тончайшие фильтры, делают это с разной скоростью в зависимости от атомной массы изотопа. Уран-235, более легкий по сравнению с ураном-238 и другими изотопами, проходит быстрее, и его можно отделить с помощью центрифугирования.

РИС . 2

Лоуренс в Калифорнийском университете должен был руководить исследованиями по обогащению урана электромагнитными методами в циклотроне; Гарольд Юри в Колумбийском университете был ответственным за улучшение процессов обогащения по газодиффузионной технологии; Эгер Мерфри, директор по исследованиям компании Standard Oil, должен был заниматься в Нью-Джерси промышленным обогащением урана путем центрифугирования; наконец, на Артура Комптона в Чикаго было возложено руководство исследованиями в области теоретической физики, а также проектированием и созданием бомбы. Параметр спонтанной делимости — это вероятность спонтанного деления атома за единицу времени без какого-либо внешнего воздействия. Параметр делимости плутония-239 очень высок по сравнению с ураном-235, поэтому с плутонием-239 проще получить сверхкритическую систему, чем с ураном-235. Однако плутоний был получен искусственно, и необходимая технология его производства была развита недостаточно, поэтому власти США считали, что проще идти по пути обогащения урана.

Сначала ни плутоний, ни работы Ферми не были в числе приоритетов американского правительства. К счастью, ученый нашел в Комптоне искреннего сторонника; дружба с семьей Юри, которая приняла Ферми в Колумбийском университете и ввела его с женой в местное общество, а также контакты с группой Лоуренса помогли ученому собрать воедино кусочки атомной мозаики. В Колумбийском университете Ферми поставил источник нейтронов радия и бериллия в диффузорное устройство, содержащее графит, оксид урана и другие материалы, такие как сталь, чтобы наблюдать за особенностями размножения нейтронов. Коэффициент k∞ показывает количество тепловых нейтронов, которые переходят из одной реакции к другой, поэтому теоретически для непрерывной цепной реакции он должен иметь значение k∞ ≥ 1.

В идеальных условиях для атомного реактора:

— если k∞ = 1, возникают критические условия, то есть самоподдерживающаяся цепная реакция (как на современных атомных станциях);

— если k∞ < 1, возникают подкритические условия, и ядерный реактор остановится;

— если k∞ > 1, возникают надкритические условия, которые могут привести к взрыву.

ФОРМУЛА ЧЕТЫРЕХ СОМНОЖИТЕЛЕЙ k∞

Обычно коэффициент размножения к. определяют как произведение четырех величин

k∞ = η · f · ε · р, где:

— η — коэффициент размножения, который показывает количество нейтронов, полученных в среднем на каждый тепловой нейтрон, захваченный ядерным топливом (обычно ураном-235 и -238). В случае с природным ураном он равен примерно 1,3;

— f — коэффициент использования тепловых нейтронов, который показывает вероятность того, что захват нейтронов произойдет в замедлителе или в структурных элементах, а не в топливе (уране). Обычно имеет значение 0,9;

— ε — коэффициент быстрого деления, который показывает вероятность того, что быстрые нейтроны спровоцируют деление. В реакторах с ураном в качестве топлива это привело бы, например, к делению урана-238; в этом случае значение коэффициента было бы равно 1,03;

— р — показывает вероятность того, что нейтроны избегут резонансного захвата. С графитом в качестве замедлителя его значение равно 0,9.

В идеальном случае при k∞ = 1 произойдет самоподдерживающаяся реакция без использования внешнего источника нейтронов. В реальных системах обычно коэффициент размножения нейтронов kef определяется как произведение бесконечного коэффициента размножения k∞ идеальной системы на вероятность Р того, что нейтрон ускользнет от системы размножения реактора:

kef = P · k∞

Это значение коэффициента, которое учитывает потерю нейтронов в реакторе, подразумевает, что на практике можно иметь k∞ > 1 и сохранять подкритические условия. Критическая масса — это количество ядерного топлива, которое при определенных условиях делает цепную реакцию самоподдерживающейся. Критическая масса зависит от геометрии реактора, а также от состава и уровня чистоты ядерного топлива. Если потеря нейтронов сокращается, то критическая масса может быть уменьшена. С другой стороны, нейтроны характеризуются временной постоянной т, которая соответствует времени, необходимому для торможения (примерно 10-6 с), и времени рассеяния перед поглощением (порядка 10-3 с). Таким образом, если N_0 — изначальное количество нейтронов, то с течением времени их количество будет соответствовать выражению, зависящему от k∞.

N(t) = N_0 · e(k∞-1)t/τ.

Поэтому если k∞ = 1, то появляются критические условия и количество нейтронов N не меняется (N = N_0). При k∞ < 1 оно экспоненциально уменьшается, а при k∞ > 1 мы имеем надкритическое состояние, при котором число нейтронов экспоненциально увеличивается и реакция выходит из-под контроля.

В настоящих реакторах обычно сначала создается подкритическое состояние и используются замедленные нейтроны и аварийная регулирующая кассета для того, чтобы достигнуть критического — рабочего — состояния.

ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕАКТОР КОЛУМБИЙСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Атака на Перл-Харбор вызвала огромный резонанс в американском обществе. К иностранным ученым, в особенности бежавшим из вражеских стран, стали относиться с большим подозрением: любой из них мог оказаться шпионом. Руководителями групп по исследованию урана назначались только американские граждане. В таких условиях в Чикаго была создана «Металлургическая лаборатория» во главе с Артуром Комптоном. Ее целью было получение плутония при помощи ядерных реакций на основе урана и с графитом в качестве замедлителя. Название проекта было призвано сохранить в тайне истинную его цель: в лаборатории почти не занимались металлургией, если не считать саму конструкцию ядерного реактора.

За короткое время Ферми завоевал в Чикаго всеобщее уважение, но когда в конце декабря 1941 года он первый раз приехал туда из Нью-Йорка, ему пришлось предупредить власти, взять у них разрешение на отъезд и сообщить цель и длительность поездки. Секретарь отделения физики в Колумбийском университете некоторое время исследовал досье ученого, а в апреле 1942 года Ферми окончательно переселился в Чикаго. Лаура с детьми ждали июня, когда заканчивалась учеба в школе. Для семьи Ферми это были сложные месяцы: они еще не были американскими гражданами и к тому же приехали из вражеской Италии, что усложняло каждый их шаг, в частности связанный с переездами.

В 1941 году Ферми и Силард не без сложностей получили большие количества чистого графита и чистых минералов урана. Силард сам вел переговоры с американскими и канадскими компаниями, чтобы получить достаточное количество качественного материала, а Ферми проектировал уран-графитовый ядерный реактор, как он сам его назвал, пытаясь найти наилучшую геометрическую форму для обоих компонентов и разместить их так, чтобы получить самоподдерживающуюся цепную реакцию. Ученые знали, что чем больше размеры реактора, тем лучше протекает диффузия нейтронов и возрастает коэффициент размножения kef.

К сентябрю того же года лаборатория располагала шестью тоннами оксида урана (U_3O8) и 30 тоннами графитовых блоков. Учитывая размеры и вес материалов, Пеграму пришлось найти другое помещение для их хранения. Так была построена Шермерхорн Рум — квадратная камера со сторонами длиной 2,45 м и высотой 3,35 м с блоками графита и урана, вставленными в герметичные контейнеры, с источником нейтронов радия и бериллия высокой интенсивности у основания. Из-за огромных размеров этой «поленницы» Ферми в шутку говорил, что впервые ему удалось совместить свою страсть к физике и горам и «карабкаться по собственным устройствам». Нейтроны можно было обнаружить с помощью панелей из индия, распределенных по камере. Так появился первый экспоненциальный реактор Ферми. По расчетам ученого, коэффициент размножения нейтронов был равен 0,87, но результаты оказались на 13% меньше необходимого минимума для получения самоподдерживающейся цепной реакции.

«ЧИКАГСКАЯ ПОЛЕННИЦА.

Несмотря на итальянское происхождение, Ферми заслужил доверие Вэнивера Буша и был назначен руководителем проекта по разработке ядерного реактора в Чикаго. Как любой начальник управления или отделения, ученый начал, как он сам говорил, «заниматься физикой по телефону». Он руководил инженерами, строящими новый реактор, обучал своих сотрудников, писал отчеты для военных (60 из них были обнародованы). С марта по сентябрь 1942 года Ферми провел ряд семинаров для членов своей команды и для военных властей, проявив выдающиеся педагогические способности.

По приезде в Колумбийский университет он вместе с Андерсоном проанализировал поглощающие способности бора и кадмия. Реактор должен был иметь систему контроля, чтобы надкритическое состояние не было превышено, и для реализации такой системы Ферми выбрал аварийную кассету из кадмия, механизм действия которой хорошо знал. По настоянию ученого к нему в Чикаго в феврале 1942 года приехал Андерсон.

Ферми назначил его ответственным за контроль чистоты материалов. Ученые начали конструировать «поленницы» меньшего размера по сравнению с Колумбийской, так называемые сигма-призмы с квадратным основанием, сторона которого была равна 1,22 м, и 2,44 м в высоту. Это было необходимо, чтобы определить эффективное сечение (о, сигма, — отсюда и название) графита, приобретенного Силардом. В основании был помещен источник нейтронов, и при помощи пластин индия были произведены измерения.

В июне 1942 года Рузвельт вместе с армией США и Управлением научных исследований и развития начал масштабную работу по созданию атомной бомбы. В августе программу, посвященную урану, назвали Манхэттенским проектом. Работа металлургической лаборатории стала государственным приоритетом, а Ферми получил пост руководителя теоретического отдела проекта.

Между преподаванием и исследовательской работой небольшая разница, если она вообще есть.

Замечание Ферми после цикла лекций, прочитанных в 1942 году

Между 15 сентября и 15 ноября 1942 года Зинн и Андерсон соорудили 16 экспоненциальных реакторов и успешно провели в них измерения. В августе были получены реакторы с коэффициентом размножения, превышающим 1, но контроль реакции еще стоял на повестке дня. В конце ноября казалось, что в реакторе Аргоннской национальной лаборатории все готово для получения самоподдерживающейся цепной реакции.

Однако из-за забастовки сотрудников лаборатории Комптону пришлось принять предложение Ферми и разместить реактор под западным сектором заброшенного стадиона Чикагского университета Stagg Field, на прямоугольном поле для сквоша размерами 9,15 x 18,30 м и немногим больше 8 м в высоту. Зинн и Андерсон уже построили там несколько экспоненциальных реакторов. Ферми смог убедить генерала Лесли Гровса, который должен был контролировать исследования в рамках Манхэттенского проекта (и самого Комптона), в том, что все будет в порядке. Ученый решил придать реактору более округлую форму диаметром 8 м, почти равным высоте поля для сквоша, — это позволяло свести к минимуму потери нейтронов. Он начал работу с деревянным остовом 16 ноября. Андерсон предложил обтянуть сферу оболочкой для аэростатов, а потом откачать из нее воздух и заменить его диоксидом углерода, уменьшив таким образом поглощение нейтронов азотом воздуха. Он сам заказал нужный материал компании Goodyear, которая вначале сочла этот запрос странным и не хотела за него браться, но в конце концов ее убедили деньги и приказ военных властей.

Конструкция состояла из перемежающихся слоев графита с содержанием оксида урана и блоков чистого графита, которым пытались придать близкую к сферической форму. В сборке реактора приняли участие студенты физического факультета Чикагского университета. В графите были проделаны желобки, в которые были вставлены деревянные брусья, покрытые пластинами кадмия. Каждый день в 8 утра Ферми просматривал эти пластины и данные, полученные за предыдущую ночь с помощью счетчика бора-фтора, чтобы проверить интенсивность поглощенных нейтронов. При необходимости пластины заменялись на новые.

Зинн спроектировал особый стержень, который назвали Zip. Он располагался в верхней части, был привязан к веревке и вытаскивался вручную. В желоб реактора он спускался с помощью ролика. Ферми решил сделать Zip встроенным, в том числе чтобы успокоить генерала Гровса и Комптона: многих волновало то, что реактор находится рядом с населенными пунктами. По мнению Нормана Хилбери, который должен был контролировать Zip, это был избыточный механизм обеспечения безопасности, поскольку ту же функцию выполняла кассета с кадмием, и группа Ферми наблюдала за ней ежедневно. Однако безопасность с момента построения первого ядерного реактора не была лишней.

По мере продвижения работ Ферми пришел к выводу, что критическая масса будет получена, даже если не достраивать сферу. Металлический уран Спеллинга имел отличную чистоту, а его расположение в центре реактора значительно увеличило коэффициент размножения.

В июне 1941 года было создано Управление по научным исследованиям и развитию. Артур Комптон с Вэнивером Бушем и Эрнестом Лоуренсом занялся американской программой по развитию атомной бомбы. На фото слева направо: Эрнест Лоуренс, Артур Комптон, Вэнивер Буш, Джеймс Конант, Карл Комптон и Альфред Ли Лумис.

Четвертая годовщина запуска «Чикагской поленницы — 1» (2 декабря 1946 года). Слева направо, в заднем ряду: Норман Хилбери, Сэмюэл Аллисон, Томас Брилл, Роберт Ноблс, Уоррен Ниер и Марвин Вилкенинг.

В среднем ряду: Гарольд Агню, Вильям Штурм, Гарольд Лихтенбергер, Леона Вудс и Лео Силард. Впереди: Энрико Ферми, Вальтер Зиин, Альберт Ваттенберг и Херберт Андерсон.

В ночь с 1 на 2 декабря был уложен последний, 57-й, слой урана и графита. По расчетам Ферми, он должен был создать критическое состояние, учитывая компенсацию потерь нейтронов и все дополнительные системы безопасности. В то же утро Ферми созвал около 40 человек (большинство из них были учеными металлургической лаборатории) и запустил процесс, который должен был привести к критическому состоянию. Совершенно случайно в тот момент в металлургической лаборатории с рабочим визитом находилась группа представителей компании DuPont. Они принимали участие в Манхэттенском проекте, и генерал Гровс обсуждал с этой компанией возможность промышленного создания атомных реакторов, если чикагские эксперименты будут успешными. Гровса интересовали и производство плутония, и возможности будущих реакторов. Таким образом, на DuPont была возложена огромная ответственность, особенно принимая во внимание участие Америки в мировой войне. Учитывая все это, Комптон решился нарушить инструкции военных и отправил Кроуфорда Гринуолта, представителя компании, который позже стал ее президентом, на запуск реактора, хотя к этой зоне могли приближаться только ученые.

Меня не интересует, как выглядят стулья: разумеется, у них должны быть ножки.

Фраза Ферми, свидетельствующая о его прагматизме

По мере того как вынимались кадмиевые стержни, активность нейтронов росла и приближалась к критической. Когда Вейль достал последний стержень, Ферми улыбнулся и прервал всеобщее молчание: «Реакция поддерживается сама». Критическое состояние было достигнуто к 15:22. Ферми оставил реактор включенным в течение 28 минут на максимальной мощности всего в 0,5 Вт, после чего попросил Зинна ввести стержень Zip. Увы, при этом событии, состоявшемся 2 декабря 1942 года, не присутствовали фотографы, и никто не увековечил момент запуска первого реактора с самоподдерживающейся ядерной реакцией — все связанное с этим было военной тайной.

Юджин Вигнер открыл бутылку кьянти — что лучше итальянского вина могло воздать дань уважения Ферми! Все выпили молча и с облегчением: ничего не взорвалось. Лео Силард воскликнул: «Это счастливый день в истории человечества!» Так появилась «Чикагская поленница — 1» (СР-1), первый искусственный ядерный реактор в мире. Это был еще один шаг к созданию атомной бомбы. Только после окончания войны, на симпозиуме в Филадельфии, который состоялся 17 ноября 1945 года, Ферми описал этот поворотный момент в истории человечества в статье «Создание первого ядерного котла*. А в военном докладе «Экспериментальное осуществление расходящейся цепной реакции», сделанном в декабре 1942 года и обнародованном годы спустя, Ферми написал:

«Деятельность физического отделения в этом месяце была посвящена в основном экспериментальному созданию расходящейся цепной реакции. Структура для производства ядерной реакции была закончена 2 декабря и с этого момента работает удовлетворительно».

ГЕНРИ ФАРМЕР

В 1943 году генерал Гровс приставил телохранителей ко всем ведущим ученым, принимавшим участие в Манхэттенском проекте, а также к тем, кто, по его мнению, подвергался наибольшему риску. К Ферми был приставлен Джон Баудино — сын итальянских эмигрантов, который почти не говорил по- итальянски. Благодаря своему происхождению он стал тенью Ферми вплоть до конца войны. Гровс опасался, что за Ферми будут охотиться итальянские шпионы: работа ученого имела огромное значение для США, поэтому его необходимо было защищать и даже контролировать. «Чикагская поленница» проработала до февраля 1943 года. Потом ее разобрали и перевезли в Аргоннскую лабораторию, где она была перестроена с добавлением радиологической защиты и получила название «Чикагская поленница — 2» (СР-2). В марте 1943 года она уже работала и достигла критического состояния. Ферми делегировал задачи ядерной инженерии (эта дисциплина появилась вместе с созданием СР-1) компании DuPont и другим военным проектам, пришедшим на смену СР-1, целью которых было получение плутония и обогащение урана. Это были лаборатории Ок-Ридж, Хэнфордский комплекс и Лос-Аламосская лаборатория. Большая часть группы, которую Комптон собрал для работы над СР-1, была перераспределена между новыми военными проектами.

Таким образом, Ферми мог сосредоточиться на области, которая интересовала его больше всего,— на базовой физике. С 1943 по 1944 год он продолжал работать в Аргоннской лаборатории вместе с прежними коллегами: Андерсоном, с которым у него сложилось особое взаимопонимание, Джоном Маршаллом и Леоной Вудс (летом 1943 года она вышла замуж за Маршалла и взяла его фамилию). Ученые сдружились и часто проводили вместе то небольшое количество свободного времени, которым располагали. Также они совместно написали несколько статей о возможности замедления нейтронов с помощью графита.

[Чудо — это] любое явление с вероятностью ниже 20 %.

Ответ Ферми на вопрос о том, что он считает чудом

Технический прогресс позволил Ферми систематизировать анализ оптических свойств нейтронов, которому он посвятил несколько статей, написанных вместе с Зинном. Теперь он мог получить и правильно измерить коллимированные пучки нейтронов высокой интенсивности. Необходимо подчеркнуть, что открытие коллимированных пучков света, таких как лазер, произошло лишь 15 лет спустя, поэтому изучение свойств структуры материалов посредством коллимированных пучков нейтронов означало новую эру в физике твердых тел.

В июне 1944 года был закончен новый атомный реактор («Чикагская поленница — 3»), в котором вместо графита замедлителем выступала тяжелая вода. Вскоре Ферми использовал его для экспериментов с нейтронами и подробного анализа их свойств, таких как показатель преломления нейтронов в опытах по их рассеянию. Война обязывала заниматься определенными задачами, и от этого никто не мог уклониться. Без сомнения, Ферми обладал самым большим мировым авторитетом в своей области и периодически посещал «место X» в Ок-Ридже и Ханфорде, где компания DuPont конструировала реакторы, а также выступал главным консультантом Лос-Аламосской лаборатории по созданию реакторов.

В июле 1944 года Джулиус Роберт Оппенгеймер, руководивший проектом Y2 в Лос-Аламосе, несколько раз приезжал в Чикаго, чтобы убедить Ферми переехать в так называемое «место Y». У Оппенгеймера возникли различные сложности в ходе проектирования атомной бомбы, и на него начал оказывать давление сам президент. Он понимал, что сможет добиться успеха с помощью Ферми. Приказ был ясен: собрать в Лос-Аламосе как можно больше ученых и ускорить процесс создания атомной бомбы. У семьи Ферми не было выбора: им пришлось переезжать в Лос-Аламос. В конце августа Лаура с детьми отправились в «место Y», а Энрико задержался в Хэнфорде, помогая DuPont решить проблемы с новыми сборками. Прибыв в Лос-Аламос, Лаура обнаружила, что теперь стала женой Генри Фармера: в целях безопасности все ученые, занятые в проекте, и их родственники должны были сменить имя.

Всего за несколько недель до этого, 11 июля 1944 года, в Чикаго Лаура и Энрико поклялись в преданности Соединенным Штатам и получили американское гражданство. Произошло это через пять лет после их переезда в Америку. Когда новоиспеченный Генри Фармер приехал в Лос-Аламос, то увидел, что его семья живет в гораздо более скромных условиях, чем в Чикаго.

Общее руководство Манхэттенским проектом осуществлял Оппенгеймер, а Ферми был назначен одним из директоров. В частности, он отвечал за так называемый отдел F, названный так по первой букве его фамилии (и старой, и новой). Ум и всестороннее знание вопроса помогали ученому решать задачи, перед которыми пасовали работники остальных отделов. Именно в Лос-Аламосе Ферми впервые заинтересовался компьютерами. Для упрощения вычислений Николас Метрополис, Ричард Фейнман и особенно Джон фон Нейман занялись установкой и программированием новой электромеханической вычислительной машины, IBM. В ее задачи входило прогнозирование детонации бомб, и Ферми провел вместе с Андерсоном много часов, анализируя и испытывая новую технику.

АТОМНАЯ БОМБА

Идея, лежащая в основе атомной бомбы, была проста: надо было быстро собрать части вещества, способного к делению, так, чтобы при достаточной критической массе цепная реакция вышла из-под контроля и по достижении критического состояния высвободилось такое количество энергии за такое короткое время, чтобы произошел взрыв. Если энергия высвобождалась медленно, то взрыва не было: максимум получалась небольшая вспышка, которую словно бы испускает бракованная петарда. Если же, наоборот, цепная реакция начиналась раньше положенного времени, то бомба не достигала цели и могла поразить союзные войска.

В Лос-Аламосе было открыто, что для получения эффективной атомной бомбы нужно выстрелить тяжелым шаром урана-235 по ядру того же урана-235, чтобы детонация была достаточно быстрой, а цепная реакция не начиналась раньше времени, замедляя высвобождение энергии. Эта пушечная система впоследствии использовалась при создании ядерной бомбы для Хиросимы, но она работала недостаточно хорошо. Зато плутоний-239, производимый реакторами Хэнфорда, содержал нужное количество изотопов плутония-240, который распадался спонтанно, не вступая в цепную реакцию. Спонтанное деление плутония-240 приводило к преждевременной цепной реакции и вызывало дефективный взрыв. Проблема плутония-240 и его спонтанного деления так беспокоила Ферми, что Оппенгеймер начал сомневаться в том, что создать атомную бомбу вообще возможно. Ферми попробовал уменьшить количество плутония-240, производимого реакторами Хэнфорда, но результат оставался неудовлетворительным. В конце концов Сет Неддермейер понял, как создать плутониевую бомбу. Его идея состояла в том, чтобы получить сферический взрыв плутония. Для этого была важна концентрация материала, поскольку данный взрыв направлен внутрь. При помощи специалиста по взрывчатым веществам Георгия Кистяковского Неддермейер придумал, как добиться того, чтобы ударная волна конвенционального взрыва сжала плутониевый шар вдвое по сравнению с его обычным размером и быстрее, чем цепная реакция, вызванная пушечным методом (см. рисунок). Сжатая сфера плутония легко достигала надкритичности.

Общая схема бомб двух типов, разработанных в рамках Манхэттенского проекта: пушечная бомба на основе урана-235 и плутониевая бомба.

В феврале 1945 года правительство США запланировало взрыв первой атомной бомбы в истории: это был проект «Тринити». Президент Трумэн, сменивший Рузвельта, решительно хотел завершить войну и в мае 1945 года создал комиссию, которая должна была оценить целесообразность использования бомбы. Советские войска уже вошли в Берлин, Гитлер покончил с собой, а Германия 8 мая официально капитулировала. Однако японский фронт еще держался. Трумэн созвал научный комитет под руководством Оппенгеймера, Ферми, Лоуренса и Комптона, чтобы проконсультироваться о возможности применения ядерного оружия. Этот комитет отправил Трумэну 11 июня длинный документ, в котором рекомендовал не использовать атомную бомбу в военных целях или, самое большее, продемонстрировать японцам ее мощь на пустом пространстве. Члены комитета по-разному оценивали эффективность такой демонстрации. Если Ферми не верил в то, что она даст результат, то Силард предлагал организовать такой «показ» перед японскими учеными и военными. С другой стороны, бомбардировки уже привели к тысячам жертв среди мирного населения Японии. Военное командование оказывало на ученых все большее давление, так как число жертв росло, и американское общество хотело как можно быстрее положить конец конфликту. В своем докладе, составленном в конце июня, комитет писал:

«Запросили нашу точку зрения на первое использование нового оружия... Мнения наших коллег-ученых разделились и колеблются между простой технической демонстрацией и военным применением, которое скорее убедило бы японцев сдаться... Мы не в состоянии предложить техническую демонстрацию, которая положила бы конец войне; мы не видим другой приемлемой альтернативы, кроме как прямое использование в военных целях».

Месяц спустя, 16 июля 1945 года, в 5:29, в пустынной местности около Аламогордо, в южной части штата Нью-Мексико, была взорвана первая атомная бомба. Испытание «Тринити» было успешным и произвело ужасающее впечатление. В конце концов было решено использовать имплозивную плутониевую бомбу. Хэнфордские реакторы по указу генерала Гровса работали на полную мощность, чтобы произвести нужное количество плутония. Бомба была собрана. Сегодня мы сказали бы, что ее конструкция была избыточной, а структура — неоптимальной, но, тем не менее, она оказалась эффективной. Манхэттенский проект не мог позволить себе поражение.

Атомную бомбу можно считать одной из главных природных катастроф.

Энрико Ферми

Плутониевая бомба напоминала смертоносную луковицу. В ее центре находился инициатор — небольшой источник нейтронов полония и бериллия, который давал начало цепной реакции. Вокруг него — шар из плутония-239 весом 4,5 кг, окруженный природным ураном, который, в свою очередь, был окружен двумя тоннами взрывчатки. Его волны после детонации должны были вызвать сферический взрыв плутониевой сферы. Природный уран служил для того, чтобы направить нейтроны, участвующие в цепной реакции, к внешней стороне, а также задержать имплозию до необходимого момента. Ферми и другие ученые расположились примерно в 10 км от стальной башни, внутри которой находилась бомба, когда произошла детонация.

Следуя своему методу простого решения сложных задач, Ферми уронил на пол пачку бумажных листов ровно в тот момент, когда до него докатилась ударная волна. Затем он шагами измерил расстояние, на которое они отлетели, и смог примерно оценить мощь бомбы. Ко всеобщему удивлению, через несколько дней, когда были произведены более основательные подсчеты, его оценка подтвердилась. Ферми предположил, что энергия бомбы соответствовала 10 тысячам тонн тринитротолуола. Закончив вычисления, он вместе с остальными руководителями Манхэттенского проекта и представителями высшего военного командования сел в танк Sherman, покрытый свинцом, и подъехал к месту взрыва. Там образовался кратер радиусом 365 м, покрытый твердым стеклообразным слоем ярко-зеленого цвета — расплавленным и застывшим песком. Этот новый минерал назвали тринититом.

Бомбардировщик В-29 под названием Enola Gay сбросил 6 августа 1945 года на Хиросиму «Малыша» (Little Boy) — бомбу на основе урана-235, от которой погибли почти 100 тысяч человек. Плутониевая бомба «Толстяк» (Fat Man), сброшенная 9 августа с другого В-29, Bock’s Саг, стерла с лица Земли Нагасаки, уничтожив 40 тысяч человек. В следующие недели умерли тысячи раненых японцев. Смерти от лучевой болезни продолжались долгие годы, включая несколько последующих поколений. После этих двух величайших катастроф в истории человечества 14 августа Япония капитулировала.

Манхэттенский проект завершился так, как и предлагали его организаторы: оба вида бомб были протестированы в военных условиях. Жертвы среди гражданского населения были неизбежным «побочным эффектом». Однако ученые переживали эти события иначе. Те из них, кто принимал активное участие в проекте, 19 марта 1946 года в Чикаго получили от генерала Гровса медаль за заслуги. Ферми был в их числе. В дипломе, который ему вручили вместе с медалью, говорилось, что он «внес основополагающий вклад в успех создания атомной бомбы».

Ученый стал героем войны, но его мучила совесть. Годы спустя он высказывался за исключительно гражданское применение ядерной энергии. Нравственные страдания, вызванные его участием в разработке самого жуткого оружия массового поражения в истории, не покинули Ферми до самой смерти.

ГЛАВА 5

Парадокс Ферми

Благодаря космической радиации были получены сведения, позволившие открыть новые частицы. Ферми принял участие в развитии информатики, ставшей необходимой для работы с огромными массивами данных. Изучение космоса привело человечество к неизбежному вопросу: «Одни ли мы во Вселенной?»

И тогда ученый сформулировал свой знаменитый вопрос: «Почему нет никаких доказательств существования инопланетян, если, согласно статистике, должно быть множество других планет с разумной жизнью?»

Но Ферми также мучил и еще один вопрос, скорее нравственного толка: как он мог утверждать, что человечество должно найти способы мирного использования ядерной энергии, и в то же время участвовать в создании водородной бомбы?

Семья Ферми покинула Лос-Аламос 31 декабря 1945 года. Ученый вернулся в Чикаго, чтобы возобновить исследования по применению ядерной энергии в мирных целях и продолжить преподавательскую работу, которую он так любил. В январе следующего года Комптону удалось выделить средства на ускоритель частиц (бетатрон) мощностью 100 МэВ. Помимо этого Ферми ждали в Аргоннской лаборатории для работы над «Чикагской поленницей — 3» и другими проектами, а ему не нравилось бросать дела незавершенными. Ученый на десяток лет опередил развитие ядерной инженерии и думал над конструкцией ядерных реакторов, которые производили бы больше делимого материала, чем потребляли, так как количество плутония, производимого во время реакции, могло превышать количество используемого урана-235. Ферми настаивал на том, чтобы сконцентрироваться на мирном использовании ядерной энергии, в частности в сфере электроэнергетики; этому было посвящено его выступление на симпозиуме в мае 1946 года.

Ученый не стал ждать рассекречивания документов и в 1947 году опубликовал в журнале Science статью Elementary Theory of the Chain-reacting Pile («Элементарная теория котлов с цепными ядерными реакциями»). Это помогло ему подтвердить свой авторитет в области гражданских научных исследований. В то время Ферми входил в состав научного комитета, возглавляемого Оппенгеймером, который консультировал Комиссию по атомной энергии США (Atomic Energy Commission, АЕС). Это положение позволяло ученому свободно публиковать научные работы с одним условием: они не должны содержать подробностей, которые скрывались от коммунистов. Вместе с Леоной Маршалл Ферми начал эксперименты с «Чикагской поленницей — 3» и приступил к изучению интерференции нейтронов и электронов и распределения кварков. В 1940-е годы науку занимали вопросы: существует ли электрическое взаимодействие электрона с нейтроном? появятся ли при столкновении электронов и нейтронов новые частицы?

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ НЕЙТРОНАМИ И ЭЛЕКТРОНАМИ

Хотя, как мы знаем на данный момент, нейтроны являются нейтральными частицами, они состоят из d-кварка и и-кварка и, следовательно, имеют локальный заряд.

Известно, что в центре нейтрона на участке длиной примерно 0,3 фемтометра (1 фемтометр (фм) = 10^15 м) имеется положительный заряд, который компенсируется отрицательным зарядом оболочки, расположенной примерно между 0,3 и 2 фм.

Такую единицу измерения, как фемтометр, или ферми, часто используют в изучении атомной вселенной. Таким образом, между электронами и нейтронами может возникать электрическое взаимодействие: электроны с определенной долей вероятности могут приближаться к нейтронам, но это не дестабилизирует ядра атомов, так как протоны и нейтроны ядра удерживаются вместе сильным взаимодействием.

Разумеется, Ферми и Маршалл не знали о существовании кварков, но догадывались, что нейтрон имеет свою структуру и заряд, благодаря которому взаимодействует с такими заряженными частицами, как электрон. С другой стороны, могло ли взаимодействие Ферми, которое хорошо объясняло бета-распад, объяснить и предполагаемое взаимодействие электронов и нейтронов? К сожалению, Ферми и Маршалл не добились удовлетворительных результатов: они получили только слегка превышающую ноль долю заряда в центре нейтрона. Тем не менее Ферми благодаря прекрасной интуиции предвосхитил результаты экспериментов, которые были проведены позже и в ходе которых были открыты кварки. Ученый продолжал получать награды за свою работу от правительства США: в 1947 году ему вручили медаль Франклина за вклад в науку.

МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО И FERMIAC

В феврале 1946 года широкой публике была представлена электронная вычислительная машина общего пользования ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданная Джоном Мокли и Преспером Экертом из университета Пенсильвании. Компьютер обладал внушительными размерами: его площадь была равна 167 м^2, а вес — более 27 тонн. ENIAC мог производить примерно 5000 операций сложения и 300 операций умножения за секунду. Первые шаги к созданию этой машины были сделаны в 1943 году в рамках РХ — одного из военных проектов Второй мировой, изначально направленного на совершенствование баллистических вычислений. Благодаря работе фон Неймана первым тестом ENIAC стали расчеты для взрыва атомной бомбы в Лос-Аламосе. Именно тогда Ферми написал большую часть алгоритмов для этого необычного устройства. Он понимал, что в будущем физикам придется поручить трудоемкое вычисление машинам. Сам ученый обычно работал с калькулятором фирмы Marchant, который больше был похож на кассовый аппарат, чем на компьютер.

В 1947 году ENIAC перевезли в Лабораторию баллистических исследований в Мэриленде, и ученые временно оказались без компьютера. Тогда Ферми спроектировал аналоговый компьютер с легким управлением, в шутку названный в его честь FERMIAC. С помощью этого изобретения ученый исследовал рассеяние нейтронов в различных делящихся материалах. FERMIAC был основан на методе Монте-Карло и идее, которую Ферми развил совместно с фон Нейманом и Уламом. Изобретательность Ферми не знала границ. Он был поражен возможностями ENIAC, но в то же время его размеры приводили ученого в замешательство. Ферми подумал, что комбинируя некоторые аналоговые элементы, можно облегчить конструкцию. Машины будущего должны быть маленькими и простыми в обращении. Метод Монте-Карло — это группа численных методов, позволяющая приблизительно решить задачи, которые не могут быть решены точно ввиду их сложности. Метод был создан в Лос-Аламосе Джоном фон Нейманом, Станиславом Уламом и Николасом Метрополисом, хотя Ферми использовал этот же подход еще в Италии — ничего не публикуя — при анализе рассеяния нейтронов, незадолго до получения Нобелевской премии. Фон Нейман был поражен тем, как хорошо Ферми владел этим методом, который они только оформляли.

Иногда бывает довольно трудно получить результаты без детального рассмотрения действительного поведения.

Ферми во введении к своей «Термодинамике»

Обычно в методе Монте-Карло сначала обрисовывается область чисел, которые могут быть решениями рассматриваемой задачи. Затем случайным образом предлагаются решения — с определенной долей вероятности, а в конце каждое из этих решений обрабатывается статистически, рассматриваются полученные результаты и выбирается наиболее подходящий. Один из недостатков этого метода состоит в том, что для него требуются хорошие способности к рандомизации. Благодаря высоким вычислительным способностям современных компьютеров сегодня метод Монте-Карло широко используется для решения научных и инженерных задач.

В марте 1947 года Джон Фон Нейман при помощи этого метода предложил решение задачи рассеяния нейтронов в материалах деления. Ферми сразу проявил интерес к этому процессу.

Снимок компьютера FERMIAC из музея Брэдбери в Лос-Аламосе, Нью-Мексико. Аналоговый прибор, созданный Ферми, сделал возможным исследование перемещения нейтронов.

Станислав Улам держит в руках FERMIAC в Лос- Аламосской лаборатории. Этот математик австро- венгерского происхождения также принимал участие в разработке устройства.

Решение позволяло составлять генеалогию каждого нейтрона, участвующего в цепной реакции, и применив метод тысячи раз для других нейтронов, можно было получить статистически верную диаграмму рассеяния нейтронов.

Ферми решил сконструировать простой прибор, который реализовывал бы решение, предложенное фон Нейманом. Он убедил Перси Кинга собрать FERMIAC — небольшой механизм, задуманный как аналоговый вычислительный инструмент и способный представить генеалогию нейтронов, автоматически выдавая место следующего столкновения. FERMIAC позволял сделать предварительную выборку быстрых или медленных нейтронов, направление их движения, расстояние от следующего столкновения и задать базовые геометрические и физические характеристики материала, в котором происходило рассеяние. Прибор был оснащен шестеренками, с помощью которых крепился к лестнице на ядерном реакторе, и позволял получить траекторию движения частиц. FERMIAC успешно использовался на протяжении двух лет для изучения поведения нейтронов в различных ядерных устройствах.

Ферми продолжал ездить в Лос-Аламос (обычно летом) и после окончания войны, главным образом для того, чтобы следить за развитием там информатики и численных методов: ученый прекрасно понимал, что они будут играть важную роль в современной физике.

ФЕРМИ-ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

FERMIAC стал переходным звеном от аналогового декартового мира к цифровой эре ENIAC. Это была простая машина, которая могла делать сложные прогнозы и позволяла сэкономить сотни часов работы. С ее помощью Ферми быстро получал довольно точные результаты и больше не должен был тратить время на сложные длительные расчеты, особенно если решение требовалось найти в условиях недостатка информации. В честь ученого метод стали называть методом Ферми, а задачи, решаемые таким способом, — задачами Ферми. Сам Ферми утверждал, что часто ключ к решению той или иной задачи кроется в том, чтобы по-новому сформулировать ее и таким образом сделать возможным прямой и простой подход к решению.

К тому же Ферми был прекрасным инженером, и если ему для достижения поставленной цели требовались какие-то новые приборы, он просто создавал их.

Вскоре принципов чикагской педагогической школы стали придерживаться профессора физики из других университетов. Ферми стал примером того, как надо преподавать будущим ученым. Во время работы в Чикаго он взрастил таких исследователей, как Чемберлен, Чу, Гарвин, Гольдбергер, Ли, Орир, Розенфельд, Розенблют, Стейнбергер, Трейман, Вольфенштейн и Янг. Его ученики, среди которых были будущие нобелевские лауреаты, оказали большое влияние на развитие физики в XX веке, а педагогические методы Ферми стали примером университетского преподавания физики в середине прошлого столетия.

Компьютеры станут ключом для решения задач.

Энрико Ферми

Чикагские студенты Ферми собрали конспекты его лекций и семинаров и издали несколько книг, которые стали широко известны и долгие годы использовались для изучения физики: «Ядерная физика» (1949), «Элементарные частицы» (1951), «Термодинамика» (1958), «Лекции по квантовой механике» (1961). Последние два издания были опубликованы Чикагским университетом уже после смерти Ферми. В главе 10 своего знаменитого учебника по ядерной физике Ферми давал превосходное описание космических лучей, показав глобальное видение физики и сделав первые шаги в только что открытой области, соединявшей физику и астрономию.

ПРОБЛЕМА МЕЗОНА

После окончания войны стали публиковаться результаты исследований итальянских научных групп, которые годами ставили опыты по распаду мезонов и их ядерному поглощению и наблюдали поведение, отличное от ожидаемого. В январе 1946 года, как только стало возможно отправлять письма в Италию, не вызывая подозрений, Ферми возобновил переписку с Амальди, который еще оставался в Риме. В конце года Амальди приехал на три месяца в Вашингтон и рассказал Ферми об опыте, проделанном Марчелло Конверси, Этторе Панчини и Оресте Пиччоне. Они собирались опубликовать его и произвести революцию в физике частиц. Интерес Ферми к мезонам разгорелся с новой силой.

Юкава и его коллега Окаяма пришли к выводу, что электромагнитное поле ядра должно влиять и на захват, и на распад мезона. Таким образом, мезоны с положительным зарядом должны распадаться до того, как их поглотит атомное ядро (тоже положительно заряженное), отталкивающее их, в то время как отрицательно заряженные мезоны, скорее всего, не распадались, а поглощались атомными ядрами. Если р — протон, а n — нейтрон, то реакции, которые Юкава выявил для π — мезонов с положительным и отрицательным зарядом, влияющих на ядра, были следующими:

n → p + π ; π + р → n

р → n + π' ; π' + n → р.

Отношение между нейтронами и протонами, которые обменивались пионами (пион — это л) в модели Юкавы, объясняло, почему атомное ядро остается целым. Однако эксперименты Конверси, Панчини и Пиччони поразили научное сообщество, показав, что в теории Юкавы было несоответствие: мю-мезотроны казались скорее разновидностью тяжелых электронов, чем мезонами. При столкновении отрицательных мю-мезотронов с ядрами железа поглощение происходило до распада, но когда опыт повторялся и мю-мезотроны сталкивались с графитом, то и отрицательные, и положительные мезотроны распадались и испускали электрон и позитрон соответственно. Почему отрицательно заряженные мезотроны не были захвачены любым атомным ядром, положительным по определению? Почему предсказанное Юкавой поведение мезонов настолько отличалось от поведения мю-мезотронов в космической радиации?

Как было доказано несколько лет спустя, после того как Коуэн и Рейнес обнаружили нейтрино, мюоны космической радиации могли быть захвачены ядром, испуская при этом нейтрино, как правило

μ + А → В + ν,

или могли распадаться на электрон и два нейтрино:

μ' →е- + νˉ + V.

Таким образом, поведение мюонов и мезонов в присутствии ядер было совершенно разным. Сегодня нам известно, что мюоны являются лептонами, а не мезонами.

В 1939 году Ферми уже изучал аномальное поглощение космических лучей в воздухе. В 1947 году он опубликовал в журнале The Physical Review две статьи на эту тему. Первая была написана в сотрудничестве с Теллером и Вайскопфом, которые в Массачусетском технологическом институте пришли к такому же выводу, а вторая — только с Теллером. Ферми анализировал взаимодействие р-мезотронов с графитом и констатировал, что время захвата мезотрона в самой нижней орбитали углерода не меньше времени спонтанного распада (порядка 10-6 с), хотя это и противоречило ожиданиям (примерно 10-13 с). Таким образом, он доказал, что взаимодействие р-мезотронов с атомными ядрами намного меньше, чем можно было ожидать от μ-мезонов Юкавы, или пионов, переносчиков сильного взаимодействия. Ферми выявил, что р-мезотроны космической радиации ведут себя не так, как мезоны Юкавы. Вскоре после этого Бете и Маршак выступили в пользу гипотезы о том, что это два разных мезона, как и предполагал Ферми.

АДРОНЫ: БАРИОНЫ И МЕЗОНЫ

В стандартной модели физики частиц адронами называются частицы, состоящие из кварков, соединяющихся посредством сильного взаимодействия. Они делятся на две основные группы (хотя сейчас ученые ищут и другие комбинации):

— барионы, состоящие из трех кварков, как нейтроны и протоны;

— мезоны, состоящие из одного кварка и одного антикварка, как пионы (или мезоны) и каоны (или К-мезоны).

Кваркам присвоено барионное число В = 1/3, а антикваркам — В = = -1/3, поэтому у барионов В = 1, а у мезонов — В = 0. Список адронов значительно расширился, когда стали возможны эксперименты в ускорителях частиц с большими энергиями. Обычно они располагаются в зависимости от их квантового числа изоспин.

Схема новых мезонов с нулевым спином: пионы (π0, π+, π-), каоны (К°, К+, К), его античастица (K°) и эта-мезоны (η, η’). S обозначает странность, Q —заряд.

Несколько месяцев спустя Сесил Пауэлл, Сезар Латтес и Джузеппе Оккиалини, изучая космические лучи при помощи техники фотоэмульсии, смогли идентифицировать первый настоящий мезон — π-мезон, или пион: его распад приводил к появлению μ-мезотрона космической радиации, который оказался новым лептоном с массой, очень близкой к массе мезона.

Ферми назвал его просто мюоном. Позже было доказано, что в результате этого распада пиона получаются мюон и его мюонное нейтрино:

π+→μ+ + νμ.

Так появилась физика высоких энергий, и ученые всего мира стали грезить ускорителями частиц. Ферми не был исключением. Постепенно, по мере того как увеличивались возможности экспериментов с квантовым миром, рос и список частиц.

ВЗГЛЯД В КОСМОС

Изучая космическую радиацию, Ферми был обязан опять обратить свой взгляд на небо. Космос хотел быть прочитанным. Эксперименты Пауэлла, Латтеса и Оккиалини вдохновили ученых на то, чтобы создавать в ускорителях положительные, отрицательные и нейтральные пионы и исследовать их взаимодействие с материей. Какие из этих взаимодействий были сильными, а какие — слабыми? Какие частицы были элементарными, то есть основой, из которой можно получить все остальные? Началась гонка за открытием целой вселенной новых частиц. В 1948 году Ферми встретился в Калифорнийском университете с Юкавой, Виком и Сегре и обсудил с ними свое видение мезонов. Сам Ферми говорил так:

«Когда была выдвинута теория Юкавы (согласно которой сильное ядерное взаимодействие соответствует обмену я-мезонами между нуклонами), было вполне оправданно предположить, что задействованные частицы — протоны, нейтроны (нуклоны) и я-мезоны — могут считаться элементарными. Эта уверенность постепенно таяла, так как очень быстро исследователи стали открывать новые частицы».

Ученые исследовали поток частиц, происходящих от космической радиации и способных при взаимодействии с магнитным полем Земли порождать такие удивительные явления, как полярное сияние. Они поднимались в горы и даже совершали полеты на воздушных шарах с детекторами и фотопленкой в надежде поймать новые кванты из космоса. В 1947 году были открыты новые космические частицы, вначале К-мезон (или каон), затем — гипероны (Δ, Ξ,Σ, Ω). Долгое время о свойствах гиперонов ничего не было известно, их начали изучать годы спустя.

Таким образом, например, распад каона К+ на два пиона

К+ → π+ + π+ + π-

был первым примером нового типа слабого взаимодействия, при котором не испускались электроны и в котором также наблюдалось сильное взаимодействие. Впоследствии были открыты другие типы распада каона. Ферми всегда смотрел в корень проблемы. Столкнувшись с каскадом новых частиц, обнаруженных в космических лучах, он сформулировал простой вопрос: откуда берутся эти космические лучи? Ученый вновь продемонстрировал свои выдающиеся навыки обобщения в статье On the Origin of Cosmic Radiation («О происхождении космического излучения»), опубликованной в 1949 году. В ней он выдвинул теорию о том, что космические лучи — это продукт ядерных реакций на звездах: они ускоряются в космосе под воздействием сильных электромагнитных полей звезд и галактик, которые должны быть похожи, на те, что ученые воссоздают в циклотронах, но имеют при этом гораздо большую интенсивность. В теории Ферми были и темные пятна, поскольку она не объясняла до конца поведение тяжелых ядер, обнаруженных в космических лучах.

Летом 1949 года, через 11 лет после отъезда, Ферми вернулся в Италию, чтобы представить свою работу о происхождении космической радиации на международной конференции по космическим лучам, организованной в Комо. На родине его ждал теплый прием. Ученый был взволнован и растроган, встречая старых друзей. Он прочитал несколько лекций, воодушевив новое поколение итальянских физиков, для которых он был настоящей легендой.

Вернувшись в Италию, Ферми вместе со своим новым учеником Чжэньнином Янгом опубликовал революционную статью Are Mesons Elementary Particles? («Являются ли мезоны элементарными частицами?»), в которой соавторы утверждали, что π-мезоны могут быть результатом объединения нуклона и антинуклона. Янг и Ферми хорошо описали свою модель, объяснив сильное взаимодействие между л-мезонами. Их теорию в 1956 году дополнил Сёити Саката. Янг и Ферми приблизились к современной модели, в которой мезоны считаются результатом объединения кварка и антикварка. Интуиция подсказала Ферми, что строение мезонов заслуживает более глубокого изучения и что они состоят из частицы и античастицы. Но поскольку о существовании кварков еще не было известно, это важное открытие вплоть до 1960-х годов считалось второстепенным.

ПАРАДОКС ФЕРМИ: ЕСТЬ ТАМ КТО-НИБУДЬ?

Изучение неба стало предметом не только астрономии, но и других областей физики. Обычные люди также испытывали к этой теме большой интерес. Научно-фантастические романы и начинавшие появляться фильмы способствовали распространению в американском обществе представления о том, что инопланетяне существуют и приходят из других миров, чаще всего — с Марса. В конце концов даже физики утверждали, что нашей планеты достигают космические лучи, несущие неизвестные частицы и электромагнитные волны, которые могут заключать в себе послания какой-нибудь далекой — и более развитой — цивилизации. Ферми, опираясь на возможность развития разумной жизни на какой-либо из мириад планет Вселенной, считал вполне вероятным, что инопланетяне посылают нам сигналы или даже могут прилететь с визитом. Так зародился парадокс Ферми: противоречие между высокой вероятностью существования разумных цивилизаций во Вселенной и отсутствием тому эмпирических доказательств.

Парадокс Ферми был сформулирован летом 1950 года во время неформальной беседы на обеде в Лос-Аламосе, на которой присутствовали Ферми, Теллер, а также Эмиль Конопинский и Герберт Йорк. Ученые рассматривали опубликованную в The New Yorker Magazine иллюстрацию Алана Дюнна, изображавшую вторжение инопланетян, и обсуждали свидетельства людей об НЛО. Вдоволь насмеявшись — обеды в Лос-Аламосе обычно проходили в неформальной обстановке, — Ферми вдруг посерьезнел и начал делать быстрые вычисления. Эти подсчеты предвосхитили ставшее позже известным уравнение Дрейка.

Если инопланетяне существуют, то где же они?

Энрико Ферми

По мнению Ферми, если Солнце — молодая звезда (а в нашей галактике существуют миллиарды звезд в миллиарды раз старше ее) и Земля — типичная планета, то на других древнейших планетах тоже должна быть разумная жизнь. И если на них существуют цивилизации, способные осуществлять межзвездные путешествия, то эти инопланетяне должны были посетить и Землю и даже могли колонизировать ее. Но где же они?! Говорят, именно эти слова воскликнул Ферми в заключение своих рассуждений. Ученый также утверждал, что во Вселенной, помимо нашей, существует миллион галактик. Вот и парадокс: по предположениям Ферми, вероятность того, что к нам прилетали инопланетяне, очень велика, но, тем не менее, этому нет ни одного доказательства.

Существование инопланетной жизни, безусловно, было и остается задачей Ферми. Данные, которыми мы обладаем, ничтожны; были проведены некоторые вычисления вероятности существования жизни, и на этом почти все. Расчеты Ферми в течение следующих лет подробно изучались, и правительство США даже решило создать специальный проект — Search for ExtraTerrestrial Intelligence (SETI). Но пока ученые смотрели в небо, над Землей распростерлась тень угрозы ядерной войны. Возможно, это и было ответом на парадокс Ферми: быть может, технологически развитые цивилизации всегда создают оружие для самоуничтожения?

УРАВНЕНИЕ ДРЕЙКА

Фрэнк Дрейк (р. 1930) — американский радиоастроном и почетный президент программы по исследованиям инопланетной жизни SETI. В1961 году он предложил свое знаменитое уравнение, позволявшее подсчитать количество цивилизаций, которые могли бы войти в контакте землянами. Это количество (N) цивилизаций определяется как произведение

N = R·fp·ne·fv·fi·fc·L,

где:

R — количество звезд, образующихся в год в нашей галактике;

fp — доля звезд, обладающих планетами;

ne — среднее количество планет с подходящими условиями для зарождения жизни;

fv — доля планет, на которых зародилась жизнь;

fi — доля планет, на которых есть жизнь в разумной форме;

fc — доля планет с разумной жизнью, обитатели которых пытаются установить контакт с другими цивилизациями;

L — время жизни цивилизации, которая ищет контакта.

В 1961 году Дрейк пришел к выводу, что могло существовать примерно N = 10 цивилизаций, которые мы могли бы обнаружить. Этот вопрос вызвал множество споров, и последние подсчеты дают гораздо меньшее значение N: N < 0,0000001.

Ферми и Раби, входившие в состав Общего совещательного комитета (General Advisory Commitee, GAC), выступили резко против расширения ядерного арсенала, считая, что это оружие представляет опасность для всего человечества. После Хиросимы и Нагасаки этика ученых, поставивших свой талант на службу войне и создавших оружие массового поражения, стала жестче. Ферми активно выступал за исключительно мирное применение ядерной энергии. Возможно, его убедили в этом ужасные последствия работы ученых в Лос-Аламосе: ядерная бомба убивала еще долгие годы после взрыва.

Тем не менее Гарри Трумэн сделал приоритетными исследования в области создания водородной бомбы. Когда Ферми, как обычно, летом приехал в Лос-Аламос, он опять принял участие в разработке проекта новой бомбы. Теллер и Улам придумали боеприпас, в котором сочетались деление и синтез, но он оказался слишком громоздким для перевозки в самолете. Ферми помогал им в подсчетах критичности новой системы, но транспортабельная водородная бомба была получена только в 1955 году.

ВОДОРОДНАЯ БОМБА

Урановые и плутониевые бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки в 1945 году, были основаны на делении, в то время как водородная бомба была основана на синтезе ядер дейтерия и трития, образующих гелий.

В системе, созданной Теллером и Уламом, для синтеза требовалось большое количество тепловой энергии, которая была результатом процессов деления, поэтому водородную бомбу также называют термоядерной.

На атолле Эниветок, входящем в архипелаг Маршалловых островов, 1 ноября 1952 года в ходе операции «Айви» была взорвана первая водородная бомба, «Майк». Последствия взрыва были разрушительными: температура в миллионы градусов полностью уничтожила экосистему атолла и окружающего его водного пространства. В следующем году СССР также провел испытания первой водородной бомбы.

ГЛАВА 6

Создание Фермилаба

За короткий промежуток времени ускорители позволили лабораторным путем получить частицы, содержащиеся в космических лучах. Открытие новых составляющих квантового мира расширило карту элементарных частиц. Компьютеры упростили сложнейшие вычисления, появились новые области физики, изучающие нелинейные системы. Ферми принимал участие во всех главных открытиях, раздвигавших пределы физики. Сегодня этот прогресс поставил под вопрос даже теорию относительности Эйнштейна.

При помощи статистической физики Ферми смог исследовать, что происходит при столкновении ядер на большой скорости, во время чего образуется множество частиц. Он хотел выяснить, какие из этих частиц на самом деле элементарные. Этому вопросу ученый посвятил свои выступления на конференциях, организованных Стилманом в Йельском университете и самим Ферми в Италии. Оба цикла докладов были впоследствии собраны в его книге «Элементарные частицы*. Упрощенные модели Ферми по аналогии с FERMI АС фиксировали тенденции и позволяли рассчитать порядок главных переменных, задействованных в эксперименте, как, например, в случае с эффективным сечением или с вероятностью поглощения частиц. Ферми знал, что с этого момента без статистики не обходится ни один опыт в области физики частиц.

ЧИКАГСКИЙ СИНХРОЦИКЛОТРОН

Весной 1951 года в Чикагском университете заработал новый синхроциклотрон. Ферми наконец-то мог провести опыты со столкновением нуклонов в 450 МэВ: вместе с Андерсоном он проанализировал взаимодействие между протонами и пионами л* и л', измерил их интенсивность и энергию, а также изучил передачу пионов через жидкий водород, что представляло для него особый интерес в связи с работой над водородной бомбой в Лос-Аламосе. Ученый упорно стремился улучшить синхроциклотрон и спроектировал систему с тележкой, получившую название тележки Ферми, при помощи которой цель столкновения могла перемещаться по периферии циклотрона. Тележка контролировалась посредством магнитного поля благодаря бобинам, связанным с колесами, и ей не требовалось ни электричество, ни топливо. Это изобретение Ферми прекрасно проработало в течение долгих лет.

С 17 по 22 сентября 1951 года ученый организовал в Чикаго международную конференцию по ядерной физике, в рамках которой торжественно представил публике новый синхроциклотрон. После окончания мероприятия он взял неделю отдыха, чтобы отпраздновать свое 50-летие. На конференции Ферми предложил список из 21 элементарной частицы, хотя предполагал, что некоторые из них могут быть исключены из этого перечня.

Чикагский синхроциклотрон, или синхронизированный циклотрон, представлял собой улучшенный вариант циклотрона, созданного Лоуренсом в Калифорнийском университете. У него был тот же принцип действия: движущиеся частицы с электрическим зарядом отклонялись магнитным полем. Синхроциклотрон обладал большей точностью по сравнению с циклотроном, так как исправлял некоторые побочные эффекты, проявляющиеся при высоких энергиях.

Ферми сосредоточился на анализе взаимодействия пионов с нуклонами и атомами водорода, измеряя, в частности, эффективное сечение столкновений и угловое распределение дисперсии пионов. Он доказал, что поперечное сечение с увеличением энергии быстро увеличивается (чего и следовало ожидать от сильного взаимодействия), но в случае с положительными π+ пионами больше, чем с отрицательными π-. Его эксперименты заставили вернуться к идее Гейзенберга (предложенной в далеком 1932 году) назначать частицам квантовое число изоспин (или изотопический спин), связанный с сильным взаимодействием. Сила этого взаимодействия между любой парой нуклонов одинакова, независимо от того, ведут они себя как протоны или нейтроны.

ЧАСТОТА СИНХРОЦИКЛОТРОНА

В циклотроне, в области магнитного поля В, ускоряется частица с массой m и зарядом q с частотой резонанса fo так, что

fo = qB/2πm.

При высоких скоростях в циклотроне масса частицы испытывала эффект релятивистского запаздывания. Поскольку скорость была близка к скорости света, то масса увеличивалась. Для компенсации этого эффекта был создан синхроциклотрон, в котором частота переменного электромагнитного поля менялась. Она зависела от коэффициента, основанного на скорости света с и скорости частицы ν:

f = fo √(1-(v/c)2)

Пучок ускоренных частиц мог прийти в столкновение с целью с большей точностью. Ферми использовал его для изучения столкновений между пионами и нуклонами.

Репродукция патента циклотрона Лоуренса (1934), принцип действия которого был улучшен в синхроциклотроне.

В то время как протоны и нейтроны имели изоспин 1/2 (или со знаком +, или со знаком -), у трех пионов (π°, π+, π- ) изоспин был равен единице с соответствующими проекциями (0,1 и -1). Квантовое число изоспин не должно было меняться при взаимодействиях частиц, которые, как мы уже видели, были следующими:

n → p + π- ; π- + p → n

p → n + π+ ; π+ + n → p.

Изоспин объяснял также схожесть масс протона и нейтрона и тот факт, что все пионы обладали одинаковой массой, но разными зарядами и, следовательно, по-разному вели себя при столкновении с нуклонами.

В 1952 году Ферми обменялся по этому вопросу несколькими письмами с молодым физиком Ричардом Фейнманом, с которым познакомился в Лос-Аламосе. Теории Фейнмана казались правильными, но требовали экспериментального доказательства. Ферми смог привести такое доказательство, изучая дисперсию пионов в дейтерии и водороде, и написал на эту тему несколько статей для журнала The Physical Review. Исследования Ферми и Андерсона подготовили революцию в физике элементарных частиц: из их наблюдений за столкновениями пионов и нуклонов вытекало предположение о возможном существовании внутренней структуры протонов и нейтронов. В последующее десятилетие был открыт резонанс между пионами и нуклонами, что привело к неминуемому открытию кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Теоретическую гипотезу их существования предложили в 1964 году Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг.

Однако количество данных, собранных Ферми, было очень велико, и это сильно замедляло их обработку и анализ. Например, для каждой дисперсии пионов надо было решить более девяти уравнений. Специально созданные таблицы немного облегчали задачу, но физика элементарных частиц становилась все более сложной, ее развитие приближалось к своему пределу. Ферми был необходим компьютер. Старые механические вычислительные машины, которыми он и Андерсон пользовались уже давно, работали на пределе своих возможностей.

В 1952 году в Лос-Аламосской лаборатории завершилась сборка компьютера MANIAC (Mathematical Analyzer, Numerical Integrator and Computer). Тем летом Энрико Ферми привез в Лос-Аламос огромное количество данных для анализа. Вместе с Николасом Метрополисом он написал доклад, в котором объяснял принцип действия устройства и его результаты, и продолжил в сотрудничестве с ним, фон Нейманом и Уламом изучать применение в MANIAC метода Монте-Карло и других численных методов. Ферми был полон энтузиазма: казалось, что новый компьютер может решить трудности физиков, вызванные большим количеством данных. Как ученый заявил на Рочестерской конференции в 1952 году, компьютеры могли открыть науке новые горизонты:

«Поскольку на каждый подсчет тратится всего пять минут, мы можем изучить задачу с математической точки зрения, слегка изменяя изначальные условия».

Имитационное моделирование заявляло о себе как о третьем пути к познанию после теории и экспериментов. В конце концов, именно это и сделал Ферми со своим FERMIAC: он рисовал моделированные траектории на плоскости в реакторе. В 1950-е годы, при первой же возможности, ускорители частиц были компьютеризированы.

ФИЗИКА НЕУСТОЙЧИВОСТИ

Летом 1951 года в Лос-Аламосской лаборатории Ферми вместе с фон Нейманом изучал физику жидкостей, в частности неустойчивость границ между двумя жидкими средами, например между водой и воздухом, когда более легкое вещество ускоряет более плотное, в результате чего возникает неустойчивость Рэлея — Тейлора (см. рисунок). Это явление было важным для понимания динамики взрывной и водородной бомбы, которая уже разрабатывалась. Исследование неустойчивости жидкостей подвело Ферми к двум интереснейшим областям физики: физике нелинейных систем и астрофизике.

Модель неустойчивости Рэлея — Тейлора между двумя жидкостями, более плотная из которых изначально находится сверху и падает под действием силы тяжести.

В Лос-Аламосе Улам и Ферми обсуждали, для решения каких задач лучше использовать MANIAC. Оба решили, что начать следует с анализа задач нелинейной физики, поскольку в них уравнения не могли быть решены напрямую. Для упрощения расчетов большинство существующих моделей обычно сводились к линейным, хотя природа все же была нелинейной. В то время молодой американский метеоролог Эдвард Лоренц (1917-2008) уже открыл, что атмосферные явления нельзя описать с помощью линейных моделей, хотя только в 1963 году он написал свою знаменитую статью Deterministic Nonperiodic Flow («Детерминированное непериодическое движение»), которая легла в основу современной теории детерминированного хаоса. Согласно этой теории, даже зная уравнения системы, никогда нельзя предсказать результат эксперимента. Сначала Улам и Ферми запрограммировали экспериментальную симуляцию статистической физики и открыли основы поведения различных нелинейных систем. Некоторые из них были простейшими, например движение точек в пространстве. Они выявили требования для получения устойчивых систем, пребывающих в равновесии, и пришли к выводу, который в 1969 году Лоренц назовет эффектом бабочки: незначительное изменение исходных условий системы влечет существенные изменения результата процесса. Улам и Ферми не сформулировали этот вывод в виде принципа, поскольку посчитали, что он объясняется недостаточной точностью программы. Так зарождалась наука о хаосе.

В некоторых приблизительно линейных задачах можно предположить существование квази-состояний.

Ферми о догадках в теории хаоса, неустойчивости и хаотических системах

Также Ферми пристально следил за развитием астрофизики, особенно в том, что касалось космических лучей, а после изучения жидкостей заинтересовался и динамикой газов в космосе. Почему галактики имеют определенную форму? Как электромагнитные и гравитационные поля влияют на галактические и звездные газы? Ферми стал сотрудничать с индийским астрофизиком и математиком Субраманьяном Чандрасекаром. Они были знакомы со времен Манхэттенского проекта: Чандрасекар работал в Чикагском университете с 1937 года. В 1953 году ученые опубликовали в AstrophysicalJournal несколько совместно написанных статей, в которых анализировали магнитное поле в спиральных галактиках и гравитационную нестабильность в присутствии сильных электромагнитных полей звезд. Ферми доказал, что равновесие межзвездного газа напрямую связано с магнитным полем галактики, а также является причиной космического излучения, над которой он столько думал.

По рекомендации Чандрасекара 28 августа 1953 года Ферми стал первым неастрономом, выступившим на заседании Американского астрономического общества. Из-за большого интереса, который он питал к астрофизике, ученые, не колеблясь, назвали космический гамма-телескоп, запущенный на орбиту в 2008 году, телескопом Ферми.

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ

В начале 1953 года Ферми был избран президентом Американского физического общества. У него был огромный авторитет, на его лекциях собиралось все больше и больше слушателей, на его курсы в Чикагском университете ходило множество студентов, которых он восхищал своими ораторскими способностями; его авторитет ученого был велик во всем мире. Но в конце того же года глава ФБР Эдгар Гувер с подачи Уильяма Бордена, члена комитета американского конгресса по атомной энергии, обвинил Оппенгеймера в том, что тот угрожает безопасности страны. Президент Эйзенхауэр потребовал, чтобы ученый подал в отставку, на что тот ответил отказом и потребовал официального расследования. Деятельность Оппенгеймера была приостановлена. Процесс начался 13 апреля 1954 года. Неделю спустя Ферми выступил как свидетель в защиту Оппенгеймера. Одним из обвинений в адрес ученого было то, что он не поддерживал расширение арсенала ядерного оружия, и заявление Ферми очень помогло ему:

«На тот момент я считал, что нужно запретить супербомбу до того, как она будет создана. Я подумал, что с помощью международного договора будет проще запретить то, что еще не существует».

Процесс был очень неприятен и для Ферми, и для всех ученых Лос-Аламосской лаборатории. Теллер резко выступил против Оппенгеймера, а остальные пытались хранить нейтралитет, хотя на самом деле большинство поддерживало ученого и также осознавало опасность ядерного оружия. В итоге был вынесен вердикт, согласно которому Оппенгеймер угрожал безопасности США, и ученый был освобожден от всех занимаемых должностей. Ферми и другие коллеги выступили против этого решения: они считали Оппенгеймера свободным мыслителем, а не опасным коммунистом. Но таковы были общественные настроения и политическая обстановка в Штатах в тот период: даже Ферми с его безупречным поведением в свое время вызвал подозрение из-за итальянского происхождения. Ферми вернулся к сотрудничеству с Сегре и изучению взаимодействий между пионами и нуклонами. Он создал новый Брукхевенский космотрон, то есть синхротрон, ускоряющий частицы до очень высоких энергий, превышающих два миллиарда эВ, а Сегре продолжил заниматься протонами. При помощи беватрона, запущенного в Беркли в 1954 году, Сегре вместе с Оуэном Чемберленом в 1955 году открыли антипротон, за что в 1959 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Летом 1954 года Ферми приехал в Италию на открытие Международной школы физики в Варение, рядом с озером Комо, которая сейчас носит его имя. На своих последних лекциях он рассказал о главных достижениях физики элементарных частиц, обратив особое внимание на важность изучения взаимодействия пионов и нуклонов в ускорителях и на использование компьютеров для решения физических задач. Конверси и Сальвини, работавшие тогда в Пизанском университете, прислушались к словам Ферми и вскоре создали один из первых электронных калькуляторов в Италии. Во время этого путешествия ученый почувствовал недомогание, а по возвращении в Чикаго ему поставили диагноз: рак желудка в неоперабельной стадии. Последние дни Ферми посвятил работе над книгой по ядерной физике, проводил время вместе с Лаурой, семьей и самыми близкими друзьями. Умер Энрико Ферми 28 ноября 1954 года, пополнив список ученых-пионеров, исследовавших радиоактивность и скончавшихся от опухоли. Вне всякого сомнения, это был один из самых выдающихся мыслителей в истории человечества.

Ряд распада от фермия-257 до нелтуния-237.

ЭЙНШТЕЙНИЙ И ФЕРМИЙ

Взрыв водородной бомбы «Майк» на атолле Эниветок 1 ноября 1952 года повлек за собой не только разрушения. Хоть это и сохранялось в тайне до 1955 года, уже в декабре 1952-го анализы остатков, проведенные в лаборатории Беркли, показали, что водородная бомба добавила в периодическую таблицу два новых элемента. Они имели атомные номера 99 и 100 и были названы эйнштейнием и фермием соответственно.

Ферми не дожил до того момента, когда элемент с номером 100 был назван его именем, но его существование он предсказывал еще в 1934 году, говоря о трансурановых элементах. Фермий и эйнштейний относятся к семейству актиноидов, и многие его члены не встречаются в природе. Среднее время жизни эйнштейния немногим превышает 20 дней, а фермия — 100, оба эти элемента радиоактивные. Облучение урана-238 огромным потоком нейтронов водородной бомбы привело к появлению тяжелейших изотопов, таких как уран-253 и уран-255, которые в результате бета-распада дали соответственно эйнштейний-253 и фермий-255. Длинные ряды распадов новых элементов, эйнштейния и фермия, были подробно изучены в последующие годы (см. рисунок). Пока работы, ведущиеся в Беркли, были еще совершенно секретными, в мае 1954 года исследовательская группа из Нобелевского института в Стокгольме независимо получила изотоп фермия-250 путем бомбардировки урана-238 изотопами кислорода-16. После смерти Ферми и Эйнштейна и после публикации группой Беркли некоторых результатов международное научное сообщество единогласно решило назвать элемент 99 эйнштейнием, а элемент 100 — фермием.

БОЛЬШИЕ СОВРЕМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Через год после смерти Ферми американский физик Сэмюэл Аллисон, также работавший над Манхэттенским проектом, решил переименовать Чикагский институт ядерных исследований в Институт Энрико Ферми. Сегодня он остается одним из передовых центров изучения физики и вместе с другими организациями является частью холдинга, который использует Фермилаб — бывшую Национальную ускорительную лабораторию, названную так в честь Ферми в 1974 году. В Фермилабе находится второй по величине ускоритель частиц после большого адронного коллайдера (или БАК) Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве. Этот ускоритель — одно из важнейших достижений человеческого разума. Он стал продолжением беватрона Беркли и Брукхевенского космотрона, созданного Ферми.

Если беватрон был назван так потому, что в нем можно было получить энергию в миллиарды электронвольт (эВ), то в тэватроне Фермилаба достигаются тераэлектронвольты (ТэВ), то есть 1012 эВ. Благодаря этой невероятной мощи ускорителей сегодня мы можем обнаружить пучки таких маленьких частиц, как нейтрино, с ничтожной массой, примерно в 5 эВ, и разглядеть квантовую структуру материи.

УСКОРИТЕЛЬ ФЕРМИЛАБА

Первым ускорителем Фермилаба был генератор Кокрофта — Уолтона, который трансформировал переменную электрическую энергию в постоянную, вырабатывая ионы водорода Н-. На их основе с помощью магнетрона создается плазма, или ионизированный газ с низким давлением. Затем посредством электрического поля в 750 КэВ ионы ускоряются до линейного ускорителя (LINAC, Linear Accelerator), который увеличивает энергию частиц до 400 МэВ, после чего они попадают в угольный фильтр, трансформирующий ионы Н- в протоны Н+ и в промежуточное кольцо (бустер) диаметром в 468 м. В нем протоны вращаются со скоростью примерно 20 тысяч раз за 33 миллисекунды и благодаря эффекту циклотрона приобретают на каждом круге энергию, пока не достигнут 8 ГэВ. Следующий этап — главный инжектор, который ускоряет протоны, разделяет протоны для получения антипротонов и затем ускоряет антипротоны. Таким образом, в главном инжекторе находятся два отдельных пучка: протоны и антипротоны, которые двигаются в противоположном направлении и попадают в последний ускоритель, мощный Тэватрон. В нем скорость частиц почти равна скорости света. Они сталкиваются в центре детекторов DZER0 и CDF с энергиями почти 2 ТэВ, что позволяет получить пучки разных элементарных частиц. Сегодня в Фермилабе проводятся эксперименты по обнаружению бозона Хиггса, которые должны подтвердить эксперименты ЦЕРН и изменить наше представление о квантовой вселенной.

Не так давно в ускорителях были проведены два эксперимента, которые имели огромное значение для теоретической физики и потрясли научное сообщество: связаны они были с возможным открытием нейтрино, чья скорость превышает скорость света, и обнаружением бозона Хиггса. Эти предполагаемые нейтрино движутся со скоростью, превышающей скорость света. Если это так, то теория относительности Эйнштейна нуждается в переработке: ведь нейтрино обладают массой, пусть и очень маленькой, и согласно этому открытию, скорость света больше не является предельной для материальных частиц. Нейтрино — это фермионы, окружающие нас, хотя мы не можем воспринимать их органами чувств. Наше тело производит примерно 4000 нейтрино в секунду, миллионы миллиардов нейтрино попадают на Землю из космоса и проходят через нас, при этом не взаимодействуя с нами. Они не относятся ни к одному атому или ядру, мы словно погружены в бульон из частиц. Существуют электронные, мюонные и таонные нейтрино — результат распада электрона, мюона или таона. Нейтрино — единственные лептоны, которые не подвержены сильному взаимодействию и не имеют заряда.

Итак, в эксперименте OPERA от ускорителя ЦЕРН в Женеве под землей (чтобы минимизировать интерференцию) был пущен пучок нейтрино до итальянской лаборатории в Гран Сассо, на расстояние 732 км. Сначала казалось, что нейтрино двигаются со скоростью, превышающей скорость света, но в феврале 2012 года в измерениях были обнаружены две ошибки, из-за которых результаты эксперимента были признаны недействительными. Стоит упомянуть, что в таких случаях требуется точность до миллионной доли секунды и используются системы типа GPS. Пока идет опыт, Земля вращается, хоть и совсем немного, поэтому чрезвычайно важно идеально синхронизировать системы измерений в лабораториях. Тем не менее вероятность того, что скорость нейтрино может превышать скорость света, изучается.

После еще одного эксперимента, взволновавшего научный мир и общественное мнение, 4 июля 2012 года ЦЕРН обнародовала официальный доклад, в котором говорилось, что в ходе экспериментов CMS и ATLAS с высокой долей вероятности была найдена частица, похожая на бозон Хиггса стандартной модели, массой примерно 125 гэВ.

Бозон Хиггса — это частица, существование которой в 1964 году предположил британский физик Питер Хиггс (р. 1929) и названная в его честь. Считается, что она поможет нам объяснить, почему материя обладает массой. Эта частица связана с полем Хиггса, в которое — теоретически — погружена вся наша Вселенная. Таким образом, частицы, не обладающие массой, как фотоны, не взаимодействуют с ним, а частицы с массой — взаимодействуют, и чем сильнее их взаимодействие с полем Хиггса, тем больше их масса. Но есть и другие версии этого механизма, объясняющие обладание массой, в которых говорится о целых семьях частиц, а не только об одном бозоне Хиггса, поэтому для окончательного ответа ученые должны получить больше данных. На данный момент с помощью статистических методов они приблизились к промежутку, в котором точно (с вероятностью 95 %) нет бозона Хиггса или какой-либо другой частицы, связанной с полем Хиггса (считается, что надо отбросить промежуток энергий между 110-112,5 гэВ и 127- 600 гэВ). Это отбрасывание возможных результатов задачи так привлекало Ферми: если бозон Хиггса существует, то он окружен, если существует другая похожая на него частица — она тоже окружена. Бозон Хиггса стал своего рода легендой, особенно после того, как в 1993 году американский физик Леон Ледерман (р. 1922) выпустил научно-популярную книгу, в которой назвал его «частицей Бога». Если существование бозона будет подтверждено, то список элементарных частиц стандартной модели будет полным — именно об этом мечтал Ферми, когда начинал составлять карту нашей квантовой вселенной.

НАСЛЕДИЕ ФЕРМИ

Без сомнения, Ферми сделал огромный вклад в развитие ядерной инженерии и ядерного оружия, поэтому после его смерти АЕС учредило премию Ферми, которая вручается ученым, внесшим «особенно ценный вклад в развитие, использование или контроль ядерной энергии». Международное сообщество следит за расширением и развитием ядерного арсенала в странах, у которых пока нет атомной бомбы.

Второго декабря 1952 года в Чикагском университете отпраздновали десятую годовщину атомной эпохи. На фото: Энрико Ферми (первый слева)кладет руку на модель первого ядерного реактора.

Вид сверху на Фермилаб, примерно в 50 км от Чикаго. Кольцо на первом плане — главный инжектор, за ним — Тэватрон.

Существуют также технологии, связанные с мирным применением ядерной энергии. Сегодня никто не сомневается в важности ядерной физики и радиоактивности в медицине: их возможные риски строго контролируются, а польза чрезвычайно высока. Тем не менее со времен Чернобыльской катастрофы (Украина) в 1986 году и особенно после аварии на Фукусиме (Япония) в 2011 году современные атомные электростанции вызывают опасение в обществе. Возможно, урок Фукусимы заключается в том, что какие бы меры предосторожности мы ни принимали, природа, в данном случае Цунами, может разрушить любую систему безопасности. Ферми догадывался об этом риске и мечтал о мире, в котором были бы решены все проблемы, связанные с ядерной энергией и радиоактивными отходами. В своих последних выступлениях Ферми надеялся, что человечество осознает: наступление атомной эры требует объединения усилий всех стран, все нации должны нести одинаковую ответственность. Ученый предлагал серьезно подумать об этой технологии, от которой уже нельзя отказаться.

Ферми опередил свое время, угадав, какие вопросы будут занимать нас, и начал искать на них ответы. Какие частицы действительно являются элементарными? Как они ведут себя? Почему Вселенная такая, какая есть? Цельное видение физики помогло Ферми объединить области, считавшиеся далекими друг от друга, такие как астрофизика и физика элементарных частиц. Он также развил инженерию и математику, необходимые для его исследований. Ферми был провидцем, который не сдавался перед вызовами, брошенными новыми технологиями. Он прекрасно работал с первыми детекторами, ускорителями частиц, компьютерами и создал ядерную инженерию. Энрико Ферми был невероятно разносторонним физиком, теоретиком, экспериментатором. Он был уникальным ученым.

Список рекомендуемой литературы

Aczel, A., Las guerras del uranio, Barcelona, RBA, 2012.

Born, M.; Born, H., Ciencia у conciencia en la era atomica, Madrid, Alianza, 1971.

Ferrer Soria, A., Ftsica nuclear у de parttculas, Valencia, Publicaciones de la Universidad de Valencia, 2008.

Gamow, G., Biografta de la ftsica, Madrid, Alianza, 2007.

Glasstone, S. y Sesonske, A., Ingenieria de los reactores nucleares, Barcelona, Reverte, 2007.

Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.

Hawking, S., Los suenos de los que esta hecha la materia, Barcelona, Critica, 2011.

Hooft, G., Parttculas elementales, Barcelona, Drakontos, 2008.

Kragh, H., Generaciones cuanticas: una historia de la ftsica en el siglo xx, Madrid, Akal, 2007.

Preston, D., Antes de Hiroshima. De Marie Curie a la bomba atomica, Barcelona, Tusquets, 2008.

Sanchez Ron, J.M., Historia de la ftsica cudntica, Barcelona, Critica, 2001.

Teresi D. y Lederman L, La parttcula divina, Barcelona, Drakontos, 2007.

Yndurain, F.J., Electrones, neutrinos у quarks: la ftsica de parttculas ante el nuevo milenio, Barcelona, Booket, 2006.

Указатель

ENIAC 129, 130, 132

FERMI АС 129-132, 147, 151

LHC 48, 157

MANIAC, 151, 152

аварийные стержни 95, 112, 114, 116

адроны 65, 136, 157

Аллисон, Сэмюэл 115, 157

Амальди, Эдоардо 52, 58, 59, 62, 63, 73, 78, 81, 83, 86, 90, 134

Американское физическое общество 13, 99

Амидеи, Адольфо 13, 20, 21, 33

Андерсон, Герберт 93, 94, 96, 101, 112, ИЗ, 115, 118, 120, 147, 150

Андерсон, Карл 48, 68, 99

антинейтрино 73, 74

атомная модель 67, 72

Бора 34, 43, 61

Резерфорда 28

Томаса — Ферми 53

Томсона 25, 28

Бете, Ханс 66, 135

бозон 46, 65, 74

Хиггса 31, 48, 157-160

бомба

атомная 7, 11, 12, 81, 87, 91, 96, 98, 104, 105, 113, 115, 117, 119, 120, 122-124, 129, 141, 142, 162

водородная 125, 143, 142, 143, 148, 155, 156

Бор, Нильс 33, 34, 42, 53, 61, 63, 72, 73, 86, 92-94, 96-99

Борн, Макс 13, 41

Буш, Вэнивер 105, 112, 115

Вейль, Джордж 116

Вигнер, Юджин 96, 98, 117

время жизни 70, 71, 83

время Ферми 83

Высшая нормальная школа Пизы 13, 21, 27, 33

Гамов, Георгий 72

Ган, Отто 63, 93, 94, 103

Гаттис, Идаде 17

Гейгер, Ханс 28, 75

Гейзенберг, Вернер 11, 13, 41, 54, 63, 64, 86, 99, 148

Гровс, Лесли (генерал) 113, 114, 116, 117, 123, 124

давление Ферми 55, 57

Д’Агостино, Оскар 59, 78, 81, 82, 90

де Бройль, Луи Виктор 35, 37, 73

деление 7, 11, 49, 78, 85, 87, 92-98, 101, 103, 104, 108- 109, 120, 143

диаграммы Сегре 82, 83

Фейнмана 67, 74

Дирак, Поль 11, 46, 47, 57, 64, 67, 68, 73

дуализм корпускулярно-волновой 31, 35

Жолио, Фредерик 63, 76, 77, 78, 82, 90, 144

задача Ферми 133, 141

закон Планка 26, 29

замедлители 95, 98, 99, 101, 105, 109, 111, 118

Зинн, Вальтер 94, 96, 113-116, 118

Зоммерфельд, Арнольд 34, 43, 46, 57, 63

излучение черного тела 45, 52

испытание OPERA 12, 159

Йордан, Паскуаль 13, 41

капельная модель 97

Комптон, Артур 36, 108, 111, 113-118, 122, 127

Конант, Джеймс 105, 115

координаты Ферми — Уолкера 38-40

Корбино, Орсо Марио 41, 51-53, 59, 63, 64, 72, 78, 79, 81.84.90

коэффициент 108-110, 112, ИЗ

критическая масса 110, 114, 120

Кюри, Ирен 64, 76-78, 82, 90, 144

Кюри, Мария 69, 76, 77

Лоренц, Хендрик Антон 38, 42, 53

Лоуренс, Эрнест 67, 82, 90, 106-108, 115, 122, 148, 149

лучи катодные 24-25, 94

Майорана, Этторе 10, 52, 62,

63.68.85.86.90

Максвелл, Джеймс Кларк 15, 23

Маршалл, Леона (урожденная Леона Вудс) 118, 128, 129

мезон 65, 76, 99, 100, 134, 135— 139, 158

Мейтнер, Лиза 63, 69, 93, 94, 103

метод

Монте-Карло 129, 130, 151

радиоуглеродного анализа 70, 71

Метрополис, Николас 120, 130, 151

Милликен, Роберт Эндрюс 26, 63, 82

Нагасаки 124, 142, 143

Национальный совет по оборонным исследованиям (NDRC) 103-105

Неддермейер, Сет 48, 99, 121

Нейман, Джон фон 120, 129, 130, 132, 151

нейтрино 10-13, 47-48, 68, 69, 72-74, 100, 135, 137, 158, 159

нейтроны медленные 11, 79-81, 83, 86, 92-95, 101, 128

нептуний 101, 103, 104, 156

неустойчивость Рэлея — Тейлора 151, 152

Нир, Альфред 99 Ноддак, Ида 11, 81

Ньютон, Исаак 22, 65

обогащение урана 99, 106, 108, 118

Оппенгеймер, Джулиус Роберт 13, 119-120, 122, 127, 154

орбиталь 35, 44, 57, 135

парадокс Ферми 11, 125, 139-141

Паули, Вольфганг 10, 13, 42- 48, 53-55, 57, 66, 68, 72, 74

Пеграм, Джордж 92, 94, 96, 111

Персико, Энрико 19, 20, 21, 27, 37, 39, 51, 58

Планк, Макс 15, 26, 29, 36, 48, 53, 69

плутоний 101, 104-108, 111, 116, 118, 120, 124, 127, 143

поверхность Ферми 56

полураспад 71, 82

Понтекорво, Бруно 52, 63, 79-82, 90, 144, 155

постоянная Планка 26, 36, 37, 56, 100

постоянная Ферми 74

принцип

исключения Паули 10, 42-47, 54, 55, 57

соответствия Бора 73

эквивалентности Эйнштейна 37, 38

проект Манхэттенский 7, 8,13, 87, 113, 116, 117, 119, 121, 123, 124, 144, 153, 157

радиация космическая 68, 76, 99, 125, 135, 137-139, 153

радиоактивность 11, 33, 49, 64, 69, 75-77, 79-81, 92, 155, 162

радиоактивный ряд 102

Разетти, Франко 33, 34, 44, 52, 58, 59, 61-63, 69, 72, 77-82, 90

распад 68, 69, 70-72, 74, 103, 134, 135, 137, 138, 156, 159

альфа 69, 70, 72, 77, 102, 156

бета 10, 13, 49, 69, 70, 72, 73, 74, 128, 156

гамма 69, 70

распределение и статистика Ферми — Дирака 45, 57, 66

реактор ядерный 7, 12, 13, 87, 103, 105, 111, 112, 114, 117, 127, 132

Резерфорд, Эрнест 28, 33, 53, 67, 69, 73

Ридберг, Йоханнес 60

Сегре, Эмилио 8, 9,52, 58, 62, 63, 77, 79, 81-83, 86, 90, 101, 104, 137, 155

Силард, Лео 7, 94, 96, 98, 103, 104, 111, 113, 115, 117, 122

синхроциклотрон 13, 147-149

скорость

света 22, 23, 36, 38, 39, 100, 149, 157, 158, 159

Ферми 56

спектральные линии 60, 63

спектроскопия 34, 60-63

спин 35, 39, 42-45, 47, 63, 68, 136, 148

статистика Ферми 10, 31, 42, 46, 47, 53, 55

счетчик Гейгера 75-77, 79, 80

Теллер, Эдвард 135, 140, 143, 154

температура Ферми 46, 57

Томсон, Джозеф, Джон 24, 25, 28, 37, 48

«Тринити», проект 122

Улам, Станислав 130, 131, 143, 151, 152

Уолкер, Артур Джефри 40

уравнение Дрейка 140, 141

уран 11, 62, 76, 78, 81, 85, 87, 93-96, 98, 111, 113, 114, 117, 123, 143, 144, 156

уран-235 85, 95, 98, 99, ЮЗ- 109, 120, 121, 124, 127

уран-238 99, 101-103, 107, 109, 156, 157

уран-239 99, 101, 103

уровень Ферми 56, 58

ускоритель

беватрон 155

линейный протонов 113

частиц 12, 82, 84, 127, 136, 137, 145, 147, 148, 151, 155, 157-159, 162

электростатический 67

Фейнман, Ричард 66, 67, 74, 120, 150

Ферми Альберт 17, 20, 21

Джулио (брат) 9, 13, 17-21, 27, 58, 83

Джулио (сын) 9, 17, 58, 86, 89, 91, 92

Лаура (Лаура Капон) 9, 13, 42, 52, 53, 58-60, 83-86, 89-91, 111, 119, 155

Мария 17, 27

Нелла 9, 58, 84, 86, 89, 91, 92

фермий 155-157

Фермилаб 12, 48, 145, 157, 158, 161

фермионы 10, 13, 31, 46, 47, 54-57, 64, 66, 67, 159

Фриш, Отто 93, 105

Фукс, Клаус 142

Хиросима 120, 124, 142, 143

циклотрон 67, 94, 101, 104, 107, 138, 148, 149, 158

Чандрасекар, Субраманьян 55, 153

частицы элементарные 8, 31, 65, 67, 68, 85, 133, 139, 145, 147, 148, 158, 160

Чедвик, Джеймс 28, 67, 72, 86

«Чикагская поленница» 7, 87, 117

Эйнштейн, Альберт 7, 15, 26, 29, 36, 38-40, 42, 45, 47, 48, 53, 67, 69, 72, 92, 96-98, 100, 145, 157, 159

эйнштейний 155-157

эквивалентность массы и энергии 38, 72

эксперимент Томсона 24, 25

Юнга 22

энергия Ферми 46, 56, 57

Эренфест, Пауль 13, 41, 42

эффект

бабочки 153

Комптона 36, 37

фотоэлектрический 15, 26, 29, 36, 37

Юкава, Хидэки 76, 99, 100, 134, 135, 137

Юнг, Томас 22

Юри, Гарольд 68, 106-108

ядерный реактор 8, 11, 108, 112, 113, 116, 118, 120, 161

Янг, Чжэньнин 133, 139

Энрико Ферми, один из главных ученых XX века, произвел революцию в физике первой половины столетия, внеся вклад в развитие таких дисциплин, как статистическая механика, теория квантов и ядерная физика. Ученый принял активное участие в создании первого ядерного реактора, что спустя несколько лет привело к появлению атомной бомбы, навсегда изменившей ход истории. Он был необыкновенным физиком, опередившим свое время, прообразом современного ученого, который вместо того, чтобы замыкаться в своей гениальности, окружал себя лучшими из лучших и работал в команде. Он запомнился своему поколению не только как великий исследователь, но и как превосходный педагог, взрастивший нескольких будущих лауреатов Нобелевской премии.

Content

Hernandez-Fernandez Antonio В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Antonio Hernandez-Fernandez Наука. Величайшие теории: выпуск 24: В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Введение

ГЛАВА 1 Рождение фотона

ГЛАВА 2 Мир фермионов

ГЛАВА 3 Нейтрино и бета-распад

ГЛАВА 4 Манхэттенский проект

ГЛАВА 5 Парадокс Ферми

ГЛАВА 6 Создание Фермилаба

Список рекомендуемой литературы