Если Вселенная изобилует инопланетянами… Где все? - Уэбб Стивен - Страница 6

Ферми родился в Риме 29 сентября 1901 года, он был третьим ребенком Альберто Ферми, государственного служащего, и Иды ДеГаттис, школьной учительницы. Он рано проявил способности к математике[4], и будучи студентом-физиком в Высшей нормальной школе в Пизе, он быстро превзошел своих учителей.[5]

Его первым крупным вкладом в физику был анализ поведения определенных фундаментальных частиц, составляющих материю. Эти частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, теперь в его честь называются фермионами. Ферми показал, как при сжатии материи, когда одинаковые фермионы сближаются, возникает сила отталкивания, которая сопротивляется дальнейшему сжатию. Это фермионное отталкивание играет важную роль в нашем понимании таких разнообразных явлений, как теплопроводность металлов и стабильность белых карликов. Вскоре после этого теория бета-распада Ферми (тип радиоактивности, при котором массивное ядро испускает электрон) укрепила его международную репутацию. Теория требовала, чтобы вместе с электроном испускалась призрачная частица, которую он назвал нейтрино — «маленький нейтральный». Не все верили в существование этого гипотетического фермиона, но Ферми оказался прав. Физики наконец обнаружили нейтрино в 1956 году. Хотя нейтрино остается довольно неуловимым из-за его нежелания взаимодействовать с обычной материей, его свойства играют глубокую роль в современных астрономических и космологических теориях.

В 1938 году Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике, отчасти в знак признания разработанной им методики исследования атомного ядра. Его методика привела его к открытию новых радиоактивных элементов; бомбардируя природные элементы нейтронами, он получил более 40 искусственных радиоизотопов. Награда также была признанием его открытия способа замедления нейтронов. Это может показаться незначительным моментом, но он имеет глубокие практические применения, поскольку медленные нейтроны более эффективны, чем быстрые, в индуцировании радиоактивности. (Медленный нейтрон проводит больше времени в окрестности ядра-мишени и, следовательно, с большей вероятностью взаимодействует с ядром. Аналогично, хорошо нацеленный мяч для гольфа с большей вероятностью попадет в лунку, если он движется медленно: быстрый удар может прокатиться мимо.) Этот принцип используется при работе ядерных реакторов.

Рис. 2.1 Эта фотография Энрико Ферми, читающего лекцию по атомной теории, изображена на марке, выпущенной Почтовой службой США 29 сентября 2001 года в ознаменование столетия со дня рождения Ферми. (Источник: Американский институт физики, Визуальные архивы Эмилио Сегре)

Новости о награде омрачались ухудшением политической ситуации в Италии. Муссолини, все больше подпадая под влияние Гитлера, начал антисемитскую кампанию. Фашистское правительство Италии приняло законы, скопированные непосредственно с нацистских Нюрнбергских эдиктов. Законы напрямую не затрагивали Ферми или его двоих детей, которые считались арийцами, но жена Ферми, Лаура, была еврейкой. Они решили покинуть Италию, и Ферми принял предложение о работе в Америке.

Через две недели после прибытия в Нью-Йорк до Ферми дошли новости о том, что немецкие и австрийские ученые продемонстрировали ядерное деление. Эйнштейн, после некоторых уговоров, написал свое историческое письмо Рузвельту, предупредив президента о возможных последствиях ядерного деления. Ссылаясь на работу Ферми и его коллег, Эйнштейн предупредил, что в большой массе урана может быть запущена ядерная цепная реакция — реакция, которая может привести к высвобождению огромного количества энергии. Рузвельт был достаточно обеспокоен, чтобы профинансировать программу исследований оборонных возможностей. Ферми был глубоко вовлечен в эту программу.

Вопросы Ферми Коллеги Ферми благоговели перед ним за его сверхъестественную способность видеть суть физической проблемы и описывать ее простыми словами. Его называли Папой, потому что он казался непогрешимым. Почти так же впечатляла его способность оценивать порядок величины ответа (часто выполняя сложные вычисления в уме). Ферми пытался привить эту способность своим студентам. Он без предупреждения требовал от них ответов на кажущиеся неразрешимыми вопросы. Сколько песчинок на пляжах мира? Как далеко может пролететь ворона без остановки? Сколько атомов из последнего вздоха Цезаря вы вдыхаете с каждым глотком воздуха? Такие «вопросы Ферми» (как их теперь называют) требовали от студентов опираться на свое понимание мира и повседневный опыт, делать грубые приближения, а не полагаться на книжные знания или имеющиеся сведения.

Архетипичный вопрос Ферми — тот, который он задал своим американским студентам: «Сколько настройщиков пианино в Чикаго?» Мы можем получить обоснованную оценку, в отличие от необоснованной догадки, рассуждая следующим образом.

Во-первых, предположим, что население Чикаго составляет 3 миллиона человек. (Я не проверял альманах, чтобы узнать, верно ли это; но делать явные оценки при отсутствии точных знаний — в этом вся суть упражнения. Чикаго — большой город, но не самый большой в Америке, поэтому мы можем быть уверены, что оценка вряд ли ошибочна более чем в 2 раза. Поскольку мы явно указали наше предположение, мы можем вернуться к расчету позже и пересмотреть ответ в свете уточненных данных.) Во-вторых, предположим, что пианино владеют семьи, а не отдельные лица, и проигнорируем пианино, принадлежащие учреждениям, таким как школы, университеты и оркестры. В-третьих, если мы предположим, что типичная семья состоит из 5 членов, то наша оценка — 600 000 семей в Чикаго. Мы знаем, что не каждая семья владеет пианино; наше четвертое предположение — что 1 семья из 20 владеет пианино. Таким образом, мы оцениваем, что в Чикаго 30 000 пианино. Теперь зададимся вопросом: сколько настроек потребуется 30 000 пианино за 1 год? Наше пятое предположение — что типичное пианино требует настройки раз в год — значит, в Чикаго ежегодно происходит 30 000 настроек пианино. Предположение шестое: настройщик пианино может настроить 2 пианино в день и работает 200 дней в году. Следовательно, один настройщик пианино настраивает 400 инструментов в год. Чтобы удовлетворить общее количество требуемых настроек, в Чикаго должно быть 30000/400=75 настройщиков пианино. Нам нужна оценка, а не точная цифра, поэтому, наконец, мы округляем это число до ровных 100.

Как мы увидим позже, способность Ферми улавливать суть проблемы проявилась, когда он задал вопрос: «Где все?»

Физикам нужно было ответить на множество вопросов, прежде чем они смогли создать бомбу, и именно Ферми ответил на многие из них. 2 декабря 1942 года в импровизированной лаборатории, построенной на корте для сквоша под Западными трибунами стадиона Чикагского университета, группа Ферми успешно осуществила первую самоподдерживающуюся ядерную реакцию. Реактор, или «котел», состоял из блоков очищенного урана — всего около 6 тонн, — расположенных в матрице из графита. Графит замедлял нейтроны, позволяя им вызывать дальнейшее деление и поддерживать цепную реакцию. Управляющие стержни из кадмия, который является сильным поглотителем нейтронов, контролировали скорость цепной реакции. Реактор достиг критичности[6] в 14:20, и первый тест длился 28 минут.

Ферми, с его непревзойденными знаниями в области ядерной физики, сыграл важную роль в Манхэттенском проекте. Он был там, в пустыне Аламогордо, 15 июля 1945 года, всего в 9 милях от эпицентра испытания «Тринити». Он лежал на земле лицом в направлении, противоположном бомбе. Увидев вспышку от мощного взрыва, он поднялся на ноги и бросил из руки маленькие кусочки бумаги. В неподвижном воздухе кусочки бумаги упали бы к его ногам, но когда через несколько секунд после вспышки пришла ударная волна, бумага сдвинулась горизонтально из-за смещения воздуха. Типичным для него образом он измерил смещение бумаги; поскольку он знал расстояние до источника, он смог немедленно оценить энергию взрыва.