Энрико Ферми

Физик, одинаково сильный в теории и в эксперименте, — редкость. Энрико Ферми принадлежал к этой редкой породе: он создал теорию бета-распада и статистику частиц, а затем собрал под трибунами чикагского стадиона установку, в которой впервые пошла самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Он родился 29 сентября 1901 года в Риме, в семье железнодорожного служащего Альберто Ферми и учительницы Иды де Гаттис. Умер 28 ноября 1954 года в Чикаго. Между этими датами — Нобелевская премия, работа в Риме, Колумбийском и Чикагском университетах, участие в Манхэттенском проекте и репутация одного из «отцов атомной бомбы» наряду с Робертом Оппенгеймером.

Мальчик с латинским учебником

В детстве Ферми мастерил с братом Джулио электромоторы и ставил физические опыты. В 1915 году Джулио умер во время операции по удалению абсцесса в гортани — после этого характер Энрико стал замкнутым, а свободное время он отдал книгам по физике и математике. На базаре на площади Кампо деи Фиори ему попался 900-страничный латинский учебник Андреа Караффо «Elementorum physicae mathematicae» 1840 года, где разбирались математика, астрономия, классическая механика, оптика и акустика.

Коллега отца Адольфо Амидеи заметил интерес юноши к науке и стал помогать ему с выбором литературы. С другом Энрико Персико Ферми проводил опыты, среди прочего пытаясь определить точную плотность питьевой воды.

В ноябре 1918 года он поступил в Высшую нормальную школу в Пизе, а в 1922 году окончил её и получил степень в Пизанском университете за эксперименты с рентгеновскими лучами. Штатных мест для физиков в Италии не было, и Ферми уехал на стажировку к Максу Борну в Гёттингенский университет. Вернувшись, он участвовал в конкурсах на профессорскую должность в Пизанском и Флорентийском университетах и выиграл второй. До начала работы во Флоренции принял приглашение Пауля Эренфеста, переданное Георгом Уленбеком, и стажировался в Лейденском университете; Эренфест высоко оценил его способности, и это заставило Ферми поверить в свои силы.

Фермионы, бета-распад и нейтроны

В декабре 1925 года Ферми независимо от Поля Дирака разработал статистику частиц с полуцелым спином, подчиняющихся принципу Паули, — их позднее назвали фермионами. В 1926 году его назначили профессором Римского университета; начался плодотворный период. В 1928 году он развил предложенный Л. Томасом метод определения основных состояний многоэлектронных атомов — теорию Томаса — Ферми. В 1929—1930 годах внёс вклад в становление квантовой электродинамики, разработав канонические правила квантования электромагнитного поля, отличавшиеся от подхода Гейзенберга — Паули. В 1931 году объяснил явление резонанса, возникающего в колебательном спектре, когда двум колебательным состояниям в гармоническом приближении отвечают одинаковые или почти одинаковые энергии.

После 1932 года он сосредоточился на ядерной физике. В 1934 году создал первую количественную теорию бета-распада — четырёхфермионную теорию слабого взаимодействия: при бета-распаде в одной точке взаимодействуют четыре фермиона — протон, нейтрон, электрон и нейтрино. Теория стала прототипом современной теории слабых взаимодействий, хотя предположение о непосредственном взаимодействии четырёх частиц оказалось ошибочным. Имя Ферми в этой области носят константа Ферми, функция Ферми, правила отбора Ферми; единица длины в ядерной физике называется ферми.

Тогда же, в 1934 году, он выполнил первые крупные экспериментальные работы по облучению элементов нейтронами. Сразу после открытия Ф. Жолио-Кюри искусственной радиоактивности Ферми заключил, что нейтроны — не имеющие заряда и не отталкиваемые ядрами — должны быть самым эффективным орудием для получения радиоактивных элементов, в том числе трансурановых. Было получено более 60 новых радиоактивных изотопов, открыто замедление нейтронов, а в 1936 году — селективное поглощение нейтронов.

Распорядок дня он соблюдал строго: вставал в половине шестого утра и два часа до завтрака работал дома, обедал в час дня, в три возобновлял работу после отдыха, ужинал в восемь и ложился в половине десятого.

Стокгольм в одну сторону

В 1938 году Ферми стал лауреатом Нобелевской премии по физике — «за доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». Работа его группы получила высокую оценку в научном мире и положила начало нейтронной физике, а эффект Ферми — замедление нейтронов веществами из лёгких атомов — оказался востребован в атомной технике.

В 1939 году он выехал за премией в Стокгольм вместе с семьёй и в Италию не вернулся: итальянские власти приняли законы, существенно ужесточившие положение евреев. Жена Ферми Лаура Капон, на которой он женился 19 июля 1928 года, происходила из известной еврейской семьи — её отец Аугусто Капон был адмиралом итальянского флота. У них было двое детей: дочь Нелла и сын Джулио.

Пять университетов США предложили ему место профессора физики, он выбрал Колумбийский в Нью-Йорке и работал там с 1939 по 1942 год. В 1939 году разработал теорию потерь энергии заряженными частицами на ионизацию вещества с учётом его поляризации.

Задолго до этого, в 1929 году, 27-летнего Ферми избрали членом Королевской академии Италии, организованной Муссолини; академия требовала клятвы в верности фашизму и Италии, и 27 апреля 1929 года Ферми, как и многие итальянские учёные того времени, вступил в фашистскую партию. Против фашизма он выступил, когда в 1938 году Муссолини обнародовал расовые законы, угрожавшие Лауре и оставившие без работы многих научных сотрудников Ферми.

Реактор под стадионом

В январе 1939 года Ферми высказал мысль, что при делении ядра урана следует ожидать испускания быстрых нейтронов, и если число вылетевших нейтронов превысит число поглощённых, путь к цепной реакции будет открыт. Эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов, хотя их число на один акт деления осталось недостаточно определённым.

Он начал работать над теорией цепной реакции в уран-графитовой системе. К весне 1941 года теория разрабатывалась, летом началась серия экспериментов с главной задачей — измерением нейтронного потока. Совместно с Г. Андерсоном поставили около тридцати опытов, и в июне 1942 года получили коэффициент размножения нейтронов больше единицы. Это означало возможность цепной реакции в достаточно большой решётке из урана и графита и послужило началом разработки конструкции реактора. Ферми внёс поправку в полученное значение коэффициента размножения, учёл её в размерах планируемого котла и разработал метод определения критических размеров системы. Опасаясь, что атмосферный азот будет хорошо поглощать нейтроны, он настоял на том, чтобы всё устройство поместили в гигантскую палатку из материи для оболочек аэростатов, — так можно было поддерживать нужный состав окружающей атмосферы.

Постройка реактора началась в Металлургической лаборатории Чикагского университета в октябре и закончилась 2 декабря 1942 года. В самодельной лаборатории под стадионом Stagg Field был проведён эксперимент, продемонстрировавший первую самоподдерживающуюся цепную реакцию. Работы лаборатории инициировало правительство США, собиравшееся использовать результаты в военных целях; поиском материалов занимался Артур Комптон, он же пригласил Ферми в проект. Следующие два года Ферми продолжал эксперименты с реактором и разрабатывал новый реактор для Аргоннской национальной лаборатории под Чикаго.

В 1944 году Ферми с женой приняли американское гражданство. Некоторое время он работал над разработкой плутония с компанией DuPont, а в августе 1944 года начал работать в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, став одним из руководителей Манхэттенского проекта. Он наблюдал за многими экспериментами проекта, в частности за первым испытанием бомбы в Аламогордо, и был одним из научных консультантов президента Трумэна по вопросам использования бомбы в военных целях.

Треть работы

В 1946 году Ферми вернулся в Чикаго и занял должность профессора в Институте ядерных исследований, который сейчас носит его имя. Для помощи в исследованиях перемещения нейтронов он разработал FERMIAC — специализированный аналоговый компьютер, названный в честь Ферми по аналогии с ENIAC. С 1950 года был одним из первых членов Комитета советников при Комиссии по атомной энергии.

В возрасте 50 лет, имея большой запас знаний в области ядерной энергетики, он изменил направление работы и занялся физикой частиц высоких энергий и астрофизикой. Здесь он создал теорию происхождения космических лучей и раскрыл механизм ускорения частиц в них (1949), разработал статистическую теорию множественного рождения мезонов (1950), открыл изотопический квадруплет, ставший первым адронным резонансом (1952), изучал взаимодействие протонов с пи-мезонами. Совместная работа с Ч. Янгом по составным моделям элементарных частиц, где в качестве основных частиц рассматривались нуклоны и антинуклоны, при появлении удивила многих физиков-теоретиков «бессодержательностью», но на её основе возникли новые модельные схемы, включая модель кварков.

В 1946 году Ферми сказал, что сделал лишь одну треть всей своей работы. По словам Понтекорво, «одна треть», которую он успел сделать из намеченного плана, достойна 6—8 Нобелевских премий.

Лето 1954 года он провёл в Европе, уже на последней стадии рака желудка: читал лекции во Франции, Германии и Италии, встречался со старыми друзьями. По возвращении в Чикаго два месяца посещал медицинские процедуры. Он умер во сне 28 ноября 1954 года в возрасте 53 лет и был похоронен на кладбище Oak Woods в Чикаго.

Ученики и память

Ферми создал крупную научную школу. Среди его учеников времён работы в Римском университете — Э. Амальди, Ф. Разетти, Э. Сегре, Б. Понтекорво, Э. Майорана и другие; в 1940—1950-е годы в Чикаго его учениками были Г. Андерсон, М. Гелл-Манн, Ц. Ли, Ч. Янг, О. Чемберлен, Дж. Штейнбергер и другие.

Незадолго до смерти Ферми Комиссия по атомной энергии учредила специальную премию для учёного; в 1956 году она стала носить имя Премия Энрико Ферми и вручаться регулярно. В его честь назван 100-й химический элемент фермий. Его имя носят Чикагский институт ядерных исследований, Национальная ускорительная лаборатория (Фермилаб) и космический телескоп, улицы во многих итальянских городах. На сайте Аргоннской национальной лаборатории он назван «последним универсальным учёным». Имя Энрико Ферми присвоено кратеру на обратной стороне Луны.

В его честь названы также распределение Ферми — Дирака, модель Томаса — Ферми, энергия Ферми, парадокс Ферми и задачи Ферми — специальный класс задач с минимально известным количеством исходных данных.

Частые вопросы

За что Ферми получил Нобелевскую премию?

В 1938 году — «за доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».

Правда ли, что он уехал из Италии навсегда, поехав за премией?

Да. В 1939 году он выехал в Стокгольм с семьёй и в Италию не вернулся: принятые итальянскими властями законы существенно ужесточили положение евреев, а его жена Лаура была еврейкой.

Что именно он построил в Чикаго?

Реактор, собранный в Металлургической лаборатории Чикагского университета; 2 декабря 1942 года под стадионом Stagg Field на нём провели эксперимент, продемонстрировавший первую самоподдерживающуюся цепную реакцию.

Почему его называют «последним универсальным учёным»?

Так он назван на сайте Аргоннской национальной лаборатории: Ферми преуспел и в теоретической, и в экспериментальной физике, а в последние годы сменил направление и занялся физикой высоких энергий и астрофизикой.