ФЕРМИ ЭНРИКО (1901 г. – 1954 г.)

ФЕРМИ ЭНРИКО

(1901 г. – 1954 г.)

Один из гениальнейших людей нашей эпохи американский физик Энрико Ферми родился 29 сентября 1901 года в Риме (Италия) в семье Альберте и Иды Ферми (урожденной де Гаттис).

Отец Энрико работал главным инспектором Министерства коммуникационных путей Италии (железнодорожным служащим), а мать была учительницей в школе. Кроме Энрико, родители воспитывали старшего сына и дочь.

Атмосфера в семье была очень дружной. Лучшим другом Энрико был его брат Джулио, который был старше на год. Уже в раннем возрасте братья Ферми интересовались техникой и физикой. Они сами сконструировали работающий электромотор.

Однако брат умер в возрасте 14 лет, и Энрико начал свой самостоятельный путь в науке и технике. Заметив дарования сына, родители не мешали его самостоятельным занятиям. Особенно молодого Ферми интересовали физика и математика.

Когда мальчику было тринадцать лет, ему на глаза попался учебник по геометрии. Энрико всего за три дня перерешал все 200 задач из учебника и проштудировал несколько трудных разделов по теоретической механике и математике.

Талантливый юноша прошел трехгодичный курс обучения в лицее за два года. Получив диплом выпускника летом 1918 года, Ферми стал решать вопрос дальнейшей учебы. Особенно будущему ученому нравился Пизанский университет, но чтобы добиться бесплатного обучения, следовало пройти конкурс в Высшую нормальную школу.

Осенью этого же года Ферми выдержал сложнейший вступительный экзамен и занял первое место в конкурсе. Он получил стипендию, которая давала право бесплатной учебы в Высшей нормальной школе в Пизе и знаменитом Пизанском университете. В этом университете Ферми проучился четыре года на физико-математическом факультете.

Впоследствии, в 1934 году гениальный физик сказал: «В то время, когда я поступил в университет, я знал классическую физику и теорию относительности так же, как и теперь».

В университете Ферми особенно интересовался работами в лабораториях университета. Лекционные занятия его мало привлекали, поскольку в различных областях физики Энрико ориентировался намного лучше, чем его учителя.

Особенно заинтересовала молодого физика квантовая теория, однако в то время она была еще малоизвестна в Италии, и не существовало никаких курсов и учебников. Тем не менее, в 1920 году Энрико Ферми в присутствии профессоров Пизанского университета прочитал лекцию по квантовой теории.

В 1922 году Ферми защитил свою диссертационную работу по дифракции рентгеновских лучей на изогнутых кристаллах. Хотя на защите работы присутствовали многие ученые, но, как позже оказалось, практически никто толком ничего не понял. В итоге преподаватели решили «перестраховаться», поставив будущему ученому высшую оценку и удостоив его докторской степени по физике.

Неудивительно, что в дальнейшем в своих докладах Ферми старался упрощать изложение материала, чтобы хоть кто-нибудь из ученых мог следить за ходом его мыслей.

Поскольку в Пизанском университете работы для гениального физика не нашлось, он вернулся в Рим, где познакомился с директором Физического института Римского королевского университета, сенатором и профессором Орсо Марио Корбино.

Корбино сыграл большую роль в дальнейшей жизни Ферми. Ученый позже называл его даже своим «вторым отцом». В Риме Корбино нашел для Энрико временную работу преподавателя математики для студентов-химиков Римского университета и пообещал по возможности сделать его постоянным сотрудником.

В конце 1922 года Энрико Ферми прошел нелегкий конкурс и стал обладателем единственной стипендии итальянского министерства просвещения для выпускников университетов в области естественных наук. Получение стипендии давало ему возможность пройти стажировку в Германии. И зимой 1923 года молодой ученый отправился в Геттинген с целью продолжить обучение физике у знаменитого профессора теоретической физики Макса Борна на его факультете в Геттингенском университете.

Однако работа с Борном и его гениальными учениками не принесла Ферми особой пользы. Во-первых, он, как и в университете, остался самоучкой, а во-вторых, у него тогда еще отсутствовала уверенность в своих силах.

Значительно больше ему дала работа в конце 1924 года в Лейденском университете у Пауля Эренфеста, который привил Ферми необходимое ему чувство уверенности. Возможность поработать в Голландии дала стипендия Рокфеллера.

После возвращения из Лейдена в 1924 году Ферми стал временным профессором Флорентийского университета. Молодой гений читал лекции по математической физике и механике.

В это время он активно интересуется общей теорией относительности Эйнштейна, статистической механикой, квантовой теорией и теорией электронов в твердом теле. Особенно молодого ученого привлекли исследования по статистической механике и спектроскопии, которые заинтересовали его еще в Лейдене.

Он печатает в эти годы ряд знаменитых научных статей по этим областям физики. Так, в 1923 году Энрико Ферми опубликовал на итальянском и немецком языках эссе «Масса в теории относительности», в котором рассматривал возможность высвобождения ядерной энергии.

Также еще во время преподавания во Флоренции в 1926 году Ферми опубликовал работу, ставшую теперь классической, о статистической механике частиц, подчиняющихся принципу запрета Паули. В этой работе ученый заложил основы статистики Ферми – Дирака, которая позволяла описать поведение в металлах электронов, а затем протонов и нейтронов. Кроме того, работа Ферми нашла применение и в других областях физики, позволила построить более точную модель атома. Эта работа принесла молодому итальянцу огромную популярность.

Когда осенью 1926 года в Римском университете была учреждена первая кафедра теоретической физики, то Ферми уверенно выиграл конкурс и стал ее штатным профессором.

В Риме Ферми начал систематически проводить семинары для молодых физиков. Он основал первую в Италии школу современной физики, которая вскоре обрела популярность в Европе. За свои лекции и отсутствие ошибок в физике другие итальянские физики прозвали Ферми Папой, подобно Папе Римскому.

В 1933 году гениальный итальянец был приглашен на седьмой Сольвеевский конгресс физиков, проводившийся в Брюсселе. После конгресса Энрико Ферми написал свою знаменитую статью по теории бета-распада. Его теория объясняла, как ядро испускает электроны, а также значение нейтрино-частиц, лишенных электрического заряда и не поддававшихся тогда экспериментальному обнаружению. Работа основывалась на предположении Паули о том, что в бета-процессе нейтрино испускается одновременно с электроном.

По сути, данная работа стала прототипом современных теорий взаимодействий элементарных частиц. Согласно Ферми, существовали некие новые силы, которые действуют между протонами и нейтронами в ядре и обусловливают бета-распад. Опираясь на данную теорию, талантливый японский физик Хидеки Юкава в 1935 году предсказал существование новой элементарной частицы, названной пи-мезоном или мезоном.

В 1934 году ученый начал свои первые экспериментальные работы в области ядерной физики. Он заинтересовался работами Фредерика и Ирен Жолио-Кюри, которые открыли искусственную радиоактивность. Французские ученые бомбардировали ядра бора и алюминия альфа-частицами, в результате чего получили новые радиоактивные изотопы уже известных элементов.

Энрико решил повторить опыты супругов Жолио-Кюри, однако заменил альфа-частицы, выступающие в роли «бомб», на нейтроны, которые тогда считались непригодными для расщепления атомов. Знаменитый ученый предположил – если нейтроны не имеют заряда, то они должны особенно эффективно образовывать радиоактивные элементы.

Вместе со своими сотрудниками Ферми бомбардировал едва ли не каждый из известных элементов периодической таблицы. Источником нейтронов выступала стеклянная трубка с порошком бериллия и газообразным радоном. Ее ученые помещали внутрь цилиндрических образцов из исследуемых веществ, которые после облучения быстро переносили к счетчику Гейгера и регистрировали излучение.

Первый успех к Ферми пришел после бомбардировки фтора. Всего ученый подверг бомбардировке 63 элемента и для 37 из них обнаружил явление искусственной радиоактивности. Всего «команда» Ферми обнаружила сотни новых радиоактивных изотопов.

При бомбардировке урана ученые получили целый ряд радиоактивных элементов. С помощью химического анализа им не удалось обнаружить среди них изотопов урана. Ферми предположил, что они получили новый искусственный элемент с атомным номером 93. Однако он ошибся. Это была его самая известная ошибка за всю его научную жизнь. Впоследствии было установлено, что в действительности элементы оказались продуктами деления урана, открытого в 1938 году Отто Ганом, Лизой Мейтнер и Фритцем Штрассманом.

Орсо Марио Корбино не дождался контрольных анализов и опубликовал статью об успешном синтезе элемента номер 93. Хотя неудача не остановила исследования Ферми, но он глубоко переживал опубликование неверной статьи.

В следующем году Энрико Ферми сделал уникальное открытие, важнейшее для ядерной энергетики. Он обнаружил, что в том случае, если облучаемый элемент был окружен парафином, водой или другим водородосодержащим веществом, сквозь которое должны пролететь бомбардирующие образец нейтроны, эффект искусственной радиоактивности усиливался. Замедление нейтронов было обусловлено их столкновениями с протонами, которые находились в больших количествах в перечисленных средах. Эффект столкновения нейтронов и протонов с передачей энергии нейтронов напоминал столкновение двух бильярдных шаров.

В сентябре 1938 года фашистская диктатура Муссолини ввела антисемитские гражданские законы. Поскольку жена Ферми, Лаура, была еврейкой, супруги решили эмигрировать в США, где Ферми ранее неоднократно читал лекции и был хорошо известен. Ученый обратился в четыре престижных американских университета и из всех получил положительный ответ. В результате, он решил принять должность профессора Колумбийского университета. Итальянским властям ученый сообщил, что уезжает в США всего на полгода.

В 1938 году Энрико Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». В своей презентационной речи 10 декабря 1938 года профессор Ханс Плейель, председатель Нобелевского комитета по физике Шведской королевской академии наук, отметил, что наряду с выдающимися открытиями профессора Ферми можно отметить его мастерство экспериментатора, его феноменальную изобретательность и интуицию.

12 декабря 1938 года Энрико Ферми прочитал свою знаменитую нобелевскую лекцию «Искусственная радиоактивность, полученная нейтронным бомбардированием». Во время церемонии награждения ученый обменялся дружественным рукопожатием с королем Швеции, вместо того чтобы приветствовать его величество фашистским салютом. Этот поступок Ферми был сильно раскритикован в итальянских газетах, но ученый об этом еще не знал – сразу после торжества он отправился вместе с семьей в Соединенные Штаты Америки.

В 1939 году гениальный ученый представил количественную теорию ионизационных потерь энергии заряженными частицами, учитывавшую поляризацию вещества, через которое проходили эти заряженные частицы. Из теории Ферми следовало, что тормозящая способность веществ зависела от степени их конденсации.

В конце 1938 года немецким физикам О. Гану и Ф. Штрассману удалось установить, что при облучении урана нейтронами образуется барий. Своим открытием физики поделились со специалистом по ядерной физике Лизой Мейтнер. Ученые предположили, что образование бария при облучении урана нейтронами свидетельствует о делении ядра урана на две части. 11 февраля 1939 года журнал «Природа» напечатал их статью «Деление урана с помощью нейтронов: новый тип ядерной реакции».

Знаменитый Нильс Бор, который прибыл в США после этого открытия, на заседании Американского физического общества в Вашингтоне сообщил о делении урана Ферми и другим американским физикам.

После того как Ферми узнал об этом открытии, он указал, что в ходе данной реакции должны также возникать нейтроны и выделяться очень большое количество энергии. Таким образом, возможно применение цепной реакции деления урана – при расщеплении атома урана нейтроном испускаются новые нейтроны, которые, в свою очередь, расщепляют другие атомы урана и порождают новые нейтроны и т. д. Поскольку при каждом делении атома урана выделяется большое количество энергии, то при цепной реакции становится возможным получить сильнейший взрыв.

В этом же году в переговорах с Управлением ВМФ США ученый впервые высказал мысль о возможном создании атомного оружия на основе цепной реакции. В результате он получил федеральное финансирование на свои исследования.

В 1939 году Лео Сциллард и Альберт Эйнштейн написали письмо Франклину Д. Рузвельту, в котором предупредили о том, что нацистская Германия активно ведет работы по созданию атомной бомбы. Ответом на это стало создание правительством США знаменитого «Манхэттенского проекта» – так называлась группа ученых, работавших над созданием американской ядерной бомбы. Энрико Ферми был назначен ответственным за исследование цепной реакции и получение плутония.

В 1941 году ученый впервые зарегистрировал нейтроны, испускаемые при спонтанном делении ядер. В результате серии опытов по замедлению нейтронов в графите Энрико Ферми разработал метод определения критических размеров реакционной среды.

Вместе со своим учеником, итальянским физиком Эмилио Сегре, Энрико установил и разработал способ расщепления и получения плутония в урановом реакторе при захвате нейтрона ураном-238.

Весной 1942 года исследования были перенесены из Колумбийского в Чикагский университет, где группа ученых продолжила исследования цепных ядерных реакций. Ферми лично возглавил сооружение первого в мире ядерного реактора, который строился на площадке для игры в сквош под трибунами университетского футбольного стадиона Стэгг-Филд. В декабре 1942 года его группе удалось получить в этом реакторе самоподдерживающуюся реакцию. Таким образом, создание бомбы стало вопросом времени.

В 1944 году Ферми и его жена стали гражданами США. В этом же году ученый был назначен руководителем отдела современной физики в новой лаборатории в строго засекреченном местечке Лос-Аламос (штат Нью-Мексико).

16 июля 1945 года Ферми присутствовал при испытаниях первой атомной бомбы вблизи Аламогордо (штат Нью-Мексико). В августе 1945 года атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки.

В послевоенное время Ферми вернулся в Чикагский университет на должность профессора физики и начал заниматься физикой высоких энергий. Кроме того, до конца жизни он был сотрудником Института ядерных исследований при Чикагском университете. Одновременно в период с 1947 по 1950 год ученый состоял членом Генерального консультативного комитета Комиссии по атомной энергии США.

В последние годы жизни Ферми представил гипотезу о происхождении космических лучей высоких энергий. В 1950 году он разработал статистическую теорию множественного образования мезонов, а за два года до смерти открыл первый адронный резонанс. В 1953 году Ферми представил работу о рассеянии положительных и отрицательных пи-мезонов разных энергий протонами, которая стала новой страницей в книге экспериментальной и теоретической физики.

Ученый вел педантичную и размеренную жизнь и никогда не изменял своим привычкам. Даже во время важнейших исследований обед и сон по графику были для него законом. Поговаривают, что когда в 1942 году первый ядерный реактор приближался к критическим условиям и все ученые и военные, затаив дыхание, ждали результата, Ферми невозмутимо сказал: «Время обеда», – и действительно пошел обедать.

В свободное время ученый любил отдыхать в Альпах, а если для таких поездок недоставало времени, то с удовольствием играл в теннис. Очень любил Ферми зимние виды спорта.

Энрико Ферми прожил, к сожалению, очень короткую (он умер 28 ноября 1954 года, не дожив и до 54 лет), но невероятно плодотворную жизнь. Говорят, что заслуги Ферми перед наукой достойны не одной, а как минимум, пяти Нобелевских премий. Учитывая, что большинство открытий, сделанных великим ученым, относятся к числу эпохальных, это утверждение отнюдь не кажется преувеличенным…

Данный текст является ознакомительным фрагментом.