Энрико Ферми

Энрико Ферми (1901-1954) - итальянско-американский физик, создавший статистику Ферми-Дирака, открывший замедление нейтронов, получивший Нобелевскую премию по физике и построивший первый в мире работающий ядерный реактор. Его называют последним универсальным учёным: он в равной мере блистал в теоретической и экспериментальной физике, что в XX веке стало редкостью.

Детство в Риме

Энрико родился 29 сентября 1901 года в Риме в семье Альберто Ферми, начальника отдела в Министерстве железных дорог, и Иды де Гаттис, учительницы начальной школы из военной семьи. Он был третьим и младшим ребёнком: перед ним появились сестра Мария и брат Джулио.

После рождения мать отдала Энрико на вскармливание в деревенскую семью, и он вернулся к родителям в Рим лишь в два с половиной года. Братья были неразлучны: вместе мастерили электромоторы, проводили опыты с гироскопами и измеряли ускорение свободного падения. В 1915 году Джулио умер во время несложной операции на горле. Потеря брата оказалась для Энрико сокрушительным ударом. Он стал замкнутее и всё больше уходил в науку.

Переломный момент произошёл на городском рынке: подросток купил там 900-страничный учебник на латыни - «Elementorum physicae mathematicae» иезуита Андреа Каррафы, изданный в 1840 году. Ферми прочёл книгу от корки до корки и не нашёл в тексте ни одной ошибки. В 1914 году к его жизни вошёл Адольфо Амидеи, коллега отца и инженер. Заметив, что мальчик за три дня решил все 200 задач книги по проективной геометрии, Амидеи взял его под опеку: снабжал научной литературой и советовал учить немецкий язык, чтобы читать научные журналы в оригинале.

Образование и становление

В июле 1918 года Ферми окончил лицей, пропустив целый класс. По совету Амидеи он подал документы в Высшую нормальную школу при Пизанском университете и сдал вступительные испытания лучшим из всех кандидатов. Экзаменатор был настолько поражён его эссе о распределении звука в трубе (юноша использовал анализ Фурье и самостоятельно вывел уравнение в частных производных), что предрёк студенту выдающееся будущее.

В Пизе Ферми сдружился с Франко Разетти, будущим многолетним соратником. Его научный руководитель Луиджи Пуччанти признавал, что сам ничему не может научить юного гения, и просил Ферми вести семинары по квантовой физике. Теоретическую физику Ферми в итоге освоил самостоятельно: по книгам Зоммерфельда, Борна и Эйнштейна.

В 1921-1922 годах Ферми опубликовал первые научные работы в журнале «Nuovo Cimento»: в них он рассматривал электромагнитную массу и общую теорию относительности. В 1922 году он защитил докторскую диссертацию по дифракции рентгеновских лучей и получил степень в 20 лет. В 1923-1924 годах стажировался у Макса Борна в Гёттингене, где познакомился с Вернером Гейзенбергом и Паскуалем Йорданом; затем работал у Пауля Эренфеста в Лейдене по гранту Фонда Рокфеллера, встречаясь с Хендриком Лоренцем и Альбертом Эйнштейном.

Статистика Ферми-Дирака и начало карьеры профессора

В 1925-1926 годах Ферми преподавал математическую физику во Флорентийском университете. В 1925 году, вскоре после того как Вольфганг Паули сформулировал принцип запрета, Ферми применил его к идеальному газу из частиц с полуцелым спином. Он разработал статистическое описание их распределения по энергиям, независимо от Поля Дирака придя к тому же результату. Этот раздел квантовой статистики получил название «статистика Ферми-Дирака»: частицы, ей подчиняющиеся, называют фермионами. Открытие легло в основу понимания металлов, полупроводников и нейтронных звёзд.

В 1926 году в Риме открылась одна из первых в Италии кафедр теоретической физики. Двадцатичетырёхлетний Ферми победил в конкурсе и стал профессором Римского университета Ла Сапиенца. Там он собрал команду талантливых студентов и сотрудников: Эдоардо Амальди, Эмилио Сегре (будущий нобелевский лауреат), Бруно Понтекорво, Этторе Майорана и Франко Разетти. Институт располагался на улице Виа Панисперна, и молодёжь прозвали «мальчиками с Виа Панисперна». В 1928 году Ферми опубликовал учебник «Введение в атомную физику», ставший главным пособием для итальянских студентов эпохи. В том же году, 29 марта 1929 года, Муссолини избрал Ферми членом Королевской академии Италии.

Нейтрино, бета-распад и медленные нейтроны

В 1933-1934 годах Ферми создал первую количественную теорию бета-распада. Он ввёл понятие «нейтрино» для гипотетической частицы, предложенной Паули, и построил математическое описание слабого взаимодействия, объясняющее, почему при распаде нейтрона в ядре испускается электрон и эта самая частица. Работу отверг британский журнал Nature, сочтя её «слишком далёкой от физической реальности». Ферми напечатал статью по-итальянски и по-немецки; на английском она вышла лишь годы спустя. Теория оказалась фундаментальной: она описывала один из четырёх фундаментальных взаимодействий природы.

В начале 1934 года Жолио-Кюри объявили об искусственной радиоактивности. Ферми немедленно переключился на эксперименты: нейтроны, не имеющие заряда, должны были проникать в ядра эффективнее, чем заряженные альфа-частицы. Он изготовил источник нейтронов из стеклянного шара с порошком бериллия и 50 миллику-ри радона и стал облучать один элемент за другим. К марту 1934 года группа вызвала радиоактивность у 22 элементов и опубликовала результаты в журнале «La Ricerca Scientifica».

Открытие замедленных нейтронов произошло случайно в октябре 1934 года. Ферми заметил: серебро, которое облучали на деревянном столе, становилось активнее, чем то, которое лежало на мраморном. Вспомнив, что парафин тормозит нейтроны, он вставил парафиновый клин перед образцом. Активность выросла в сто раз. Вывод: медленные нейтроны захватываются ядрами гораздо эффективнее быстрых. Это открытие стало ключом к будущему ядерному реактору.

Нобелевская премия и бегство из Италии

В 1938 году Шведская академия присудила Ферми Нобелевскую премию по физике «за доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и за связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». Ему было 37 лет.

Получить премию в Стокгольм Ферми выехал вместе с женой Лаурой Капон (они поженились 19 июля 1928 года; у них было двое детей: дочь Нелла, родившаяся в январе 1931 года, и сын Джулио, февраль 1936 года). Лаура происходила из еврейской семьи. В ноябре 1938 года Муссолини обнародовал расовые законы по образцу нацистской Германии, лишив евреев гражданских прав и должностей. Возвращение в Италию означало угрозу семье и коллегам. Из Стокгольма Ферми повёз семью прямо в Нью-Йорк.

На церемонии награждения произошёл ещё один удар по научному самолюбию: в декабре 1938 года немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили барий в продуктах облучения урана нейтронами. Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили это делением ядра, а не синтезом нового элемента. Значит, «трансурановые элементы», за которые в том числе давали премию, на самом деле были осколками деления. Ферми внёс в нобелевскую речь поправочную сноску.

Первый ядерный реактор

2 января 1939 года Ферми прибыл в Нью-Йорк и принял должность в Колумбийском университете. Уже 25 января его группа провела первый в США эксперимент по делению ядра урана в подвале лаборатории Пупин. К 1941 году совместные опыты с Лео Силардом показали, что коэффициент размножения нейтронов можно сделать больше единицы, то есть реакция в принципе самоподдерживающаяся.

В конце 1941 года Ферми перебрался в Чикаго, где под руководством Артура Комптона в рамках засекреченной «Металлургической лаборатории» Чикагского университета строился первый реактор. Площадку выбирали долго: после бюрократических задержек Ферми убедил Комптона использовать сквош-корт под трибунами стадиона Стэгг Филд. Строительство начали 6 ноября 1942 года; 400 тонн графита и 46 тонн оксида урана укладывались слоями вручную. 2 декабря 1942 года в 14:00 наблюдатели у реактора получили команду медленно извлекать кадмиевые регулирующие стержни. В 15:25 контрольные приборы зафиксировали: цепная реакция самоподдерживается. Мощность реактора составила 200 ватт, что уже было достаточно для доказательства принципа.

Артур Комптон позвонил Джеймсу Конанту в Вашингтон и сообщил условным языком: «Итальянский мореплаватель только что добрался до Нового Света». Конант переспросил о «туземцах» и получил ответ: «Очень дружелюбны». В честь этого события коллеги откупорили бутылку кьянти.

Манхэттенский проект

После запуска Чикагского реактора работа Ферми включилась в более широкую программу создания ядерного оружия. В конце 1943 года он присутствовал при пуске графитового реактора X-10 в Ок-Ридже, Теннесси. В сентябре 1944 года он лично загрузил первый урановый стержень в промышленный реактор B на Хэнфордском полигоне в штате Вашингтон, предназначенный для нарабатывания плутония. Реактор неожиданно заглох через несколько часов: Ферми и Джон Уилер вычислили, что виновен ксенон-135, отравляющий нейтронное поле. Инженеры DuPont предусмотрительно заложили в конструкцию избыток трубок, и это решение, ранее казавшееся излишним, спасло производство.

В сентябре 1944 года Роберт Оппенгеймер пригласил Ферми в Лос-Аламос в качестве заместителя директора лаборатории. Ферми возглавил отдел F (F Division), занимавшийся термоядерными расчётами и делением. 16 июля 1945 года он наблюдал за испытанием «Тринити» в пустыне Аламогордо: во время взрыва Ферми подбрасывал в воздух листы бумаги и по дальности их разлёта оценил мощность взрыва примерно в 10 килотонн (реальное значение составило около 18,6 килотонны). В 1944 году вместе с семьёй Ферми принял американское гражданство.

Послевоенные годы и смерть

После войны Ферми занял кафедру в Чикагском университете и стал одним из основателей Института ядерных исследований. Он продолжал исследования в физике элементарных частиц: предсказал пион-нуклонный резонанс, разработал статистическую теорию множественного рождения мезонов и вместе с Чэнь Нин Яном написал работу о составной структуре пионов. В 1949 году опубликовал теорию происхождения космических лучей в магнитных полях межзвёздного пространства. В 1952 году открыл изотопический квадруплет адронных резонансов. В своей аудитории он сформировал новое поколение физиков: среди его учеников были Оуэн Чемберлен, Цзун-Дао Ли и Чэнь Нин Ян (все трое впоследствии стали нобелевскими лауреатами), а также Мюррей Гелл-Манн.

Осенью 1954 года Ферми почувствовал слабость и похудел. Обследование в больнице Биллингс выявило неоперабельный рак желудка. Он умер 28 ноября 1954 года в Чикаго в возрасте 53 лет и был похоронен на кладбище Оук Вудс. Двое его аспирантов, работавших рядом с реактором, также умерли от онкологических заболеваний.

Наследие

В 1955 году в честь Ферми назван 100-й элемент таблицы Менделеева, фермий (Fm), синтетический трансурановый металл. Фермилаб под Чикаго, один из крупнейших ускорительных центров мира, носит его имя с 1974 года. Космический гамма-телескоп, запущенный в 2008 году, назван «Телескоп Ферми». Кратер на обратной стороне Луны, присвоение имени в 1970 году, также увековечил память учёного. С 1956 года вручается премия Энрико Ферми за вклад в развитие ядерной энергетики. Его коллега Эмилио Сегре подсчитал, что треть из намеченных Ферми исследований «тянет на 6-8 Нобелевских премий». Аргоннская национальная лаборатория назвала его «последним универсальным учёным».