Энрико Ферми

Итальянский физик Энрико Ферми - уникальное явление в естествознании XX века: он был глубоким теоретиком и выдающимся экспериментатором. Велик вклад Ферми в современную физику: квантовая статистика Ферми - Дирака; теория бета-распада, получившая развитие в современной теории слабого взаимодействия, эффект замедления нейтронов и исследования по нейтронной физике, создание первого атомного реактора и получение атомной энергии, исследование частиц высоких энергий... Каждая из этих работ - шедевр физической науки.

Энрико Ферми родился в Риме 29 сентября 1901 года в семье инспектора Министерства железных дорог. Доход семьи был весьма скромным, и Энрико с детства приучился к бережливости, сохранившейся у него на всю жизнь. С ранних лет Энрико со своим старшим братом Эдуардо увлекся техникой, конструируя модели разных двигателей. Неожиданная и ранняя смерть Эдуардо потрясла Энрико и на некоторое время сделала его замкнутым и печальным. Страсть к точным наукам, особенно к математике и физике, пробудились у него с десяти лет.

Большую роль в жизни Ферми сыграло знакомство с инженером Амидеем - сослуживцем его отца, который первым заметил необыкновенные способности школьника.

С тех пор Амидей руководил самообразованием Ферми, и занятия приняли систематический и направленный характер. С общей физикой, например, мальчик знакомится по фундаментальному курсу замечательного русского физика-педагога Ореста Даниловича Хвольсона. Он с увлечением и довольно легко овладевает проективной геометрией, высшей математикой, теоретической механикой, изучает электродинамику и теорию относительности. Ферми окончательно избирает физику делом своей жизни, и после учебы в лицее поступает в Нормальную школу в Пизе - единственное высшее учебное заведение Италии, где обучение было бесплатным.

Принятые в эту школу одновременно зачислялись студентами в Пизанский университет, а по окончании учебы получали два диплома, что открывало дорогу к научной карьере. У Ферми с его исключительной памятью и подготовкой обязательные занятия в университете не отнимали много времени, и он продолжал самостоятельно пополнять свои знания по математике и физике. К этому времени относятся его первые теоретические работы, связанные с изучением электродинамики, общей теории относительности и квантовой теории.

Его сокурсником был Франко Разетти, обладавший большим талантом экспериментатора. Оба юноши прекрасно дополняли друг друга, их оживленные беседы и споры по самым сложным вопросам современной физики были серьезным стимулом для самостоятельных занятий. В лаборатории университета они ставили опыты с рентгеновскими лучами, и результаты этих исследований легли в основу дипломной работы Ферми. Дело в том, что теоретическая физика не преподавалась тогда в университетах Италии. Но для получения диплома в Нормальной школе Ферми представил работу по теории вероятности, в которой с помощью статистики исследовал влияние Юпитера на орбиты комет.

После успешного окончания университета в июле 1922 года Ферми возвратился в Рим. Перед молодым физиком встала трудная проблема устройства на работу по специальности. Вскоре ему повезло: он познакомился с профессором Орсо Марио Корбино - физиком-экспериментатором, работавшим в области магнитооптики и электротехники. Академик Корбино был влиятельным человеком, занимал посты директора Физического института Римского университета, сенатора, министра, одного из руководителей электротехнической промышленности Италии. После нескольких встреч с Ферми Корбино по достоинству оценил способности многообещающего молодого физика, и с этих пор Ферми пользовался неизменной поддержкой влиятельного и умного человека.

Около года проводит Ферми за границей: сначала у Макса Борна в Гёттингене, а затем в Лейдене у Пауля Эренфеста. Среди будущих "звезд" современной физики, таких, как В. Гейзенберг, В. Паули, П. Иордан, прошедших блестящую школу М. Борна и А. Зоммерфельда, Э. Ферми чувствует себя неуверенно. Стиль мышления этих физиков кажется ему излишне абстрактным. Надо учитывать, что в силу состояния итальянской науки тех лет Ферми в теоретической физике был самоучкой. В результате он выработал собственный подход, отличающийся конкретностью и связью с экспериментом. Обрести себя и поверить в большие возможности своего подхода к современной физике помог ему Пауль Эренфест, замечательный физик-теоретик, оказавший большое влияние на развитие физической науки не столько своим собственным вкладом, сколько критическим анализом и советами, стимулирующими исследования многих выдающихся ученых: Эйнштейна, Бора, Паули и других.

Флорентийский период творчества Ферми (начавшийся после заграничной поездки и длившийся около двух лет), в течение которого он читал лекции по теоретической механике и математической физике в университете, оказался чрезвычайно плодотворным в творческой судьбе ученого. В мае 1926 года он опубликовал статью "О квантовании идеального газа", в которой была изложена новая квантовая статистика, позволявшая построить с учетом принципа запрета Паули непротиворечивую и удовлетворяющую термодинамическому принципу Нернста теорию идеального газа для низких температур.

В статье выводилось уравнение состояния и давался расчет внутренней энергии идеального газа, подсчитывалось абсолютное значение энтропии, совпавшее с вычислениями по так называемой формуле Штерна - Тетроде для абсолютной энтропии в пределах низких плотностей и высоких температур. Созданная двумя годами раньше статистика Бозе - Эйнштейна, описавшая излучение абсолютно черного тела на основе модели фотонного газа, не могла быть использована при решении задач, поставленных в статье Ферми. Поль Дирак независимо от Ферми получил статистику подобного типа на основе квантовой механики, представив свою статью Лондонскому королевскому обществу в августе того же года. К этой статистике пришел в 1926 году и Гейзенберг. Дираку первому удалось также связать обе квантовые статистики с симметричностью или антисимметричностью волновых функций относительно обмена координатами двух тождественных частиц.

В настоящее время круг вопросов, решаемых с помощью статистики Ферми - Дирака, значительно увеличился, о чем говорит множество терминов, встречающихся в физической и астрофизической литературе: "газ Ферми", "ферми-жидкость", "поверхность Ферми", "метод Томаса - Ферми", "фермиевские импульсы нуклона в ядре" и другие.

В этом же 1926 году Ферми достигает вершины своей научной карьеры, став профессором Римского университета. Корбино удалось специально для Ферми создать первую в Италии кафедру теоретической физики. Вокруг молодого, но уже всемирно известного ученого сплачивается группа таких же молодых физиков, образовавших ядро итальянской школы современной физики. Среди них Ф. Разетти, Э. Сегре, Э. Амальди, Э. Персико, Б. Росси, Э. Майорана, Дж. Вик, Б. Понтекорво и многие другие, ставшие в дальнейшем известными учеными. Семинары Ферми, носившие непринужденный и часто импровизированный характер, на которых обсуждались актуальные вопросы теоретической и экспериментальной физики, стали привлекать и многих зарубежных ученых. В Риме обсуждали свои работы X. Бете, Ф. Блох, X. Дж. Баба, Ф. Лондон, Р. Пайерлс, Э. Теллер, Дж. Уленбек и другие. Бескорыстие, стремление отдать всю свою жизнь без остатка любимой науке, честность и принципиальность - эти черты передавались от учителя к ученикам.

Ферми был талантливым педагогом, его лекции отличались простотой и предельной ясностью, по его многочисленным книгам овладевали и овладевают физикой в настоящее время студенты и молодые ученые во всем мире. Вместе со своей женой Лаурой Ферми он пишет двухтомный школьный учебник по физике, публикует многочисленные статьи в Итальянской энциклопедии, редактором физического отдела которой был несколько лет. Все в жизни Ферми было подчинено работе. Трудовой день ученого начинался рано: с шести до восьми часов утра он регулярно обдумывал и писал свои теоретические статьи, затем до позднего вечера работал в университете и лаборатории, отвлекаясь лишь для обеда и двухчасового дневного отдыха. Ничто не могло его заставить, как пишет Лаура Ферми в своей замечательной книге "Атомы у нас дома", лечь позже десяти часов вечера. Один из ближайших сотрудников Ферми Бруно Понтекорво, пишет: "В жизни Ферми все происходило так, как будто некие "гормоны" так управляли его чувствами и образом жизни, чтобы автоматически обеспечить оптимальные условия для научных исследований".

В начале тридцатых годов Ферми обращается к физике ядра. Под его руководством перестраивается для ядерных исследований спектроскопическая лаборатория Разетти. Ученики Ферми знакомятся с неизвестной им экспериментальной методикой в лучших ядерных лабораториях Европы и Америки: у Р. Милликена в Пасадене, О. Штерна в Гамбурге, П. Зеемана в Амстердаме, Л. Майтнер в Берлине, П. Дебая в Лейпциге, Ф. Жолио-Кюри в Париже.

В 1934 году появляется знаменитая теоретическая работа Ферми "К теории бета-лучей", в которой изложена теория бета-распада. Статья явилась блестящим завершением мучительных попыток многих ученых объяснить непрерывное испускание электронов ядрами некоторых элементов. После открытия нейтрона в 1932 году и выдвижения протонно-нейтронной модели ядра Д. Д. Иваненко и В. Гейзенбергом казалось, что бета-распад можно объяснить на основе квантовой механики, только "поплатившись" законом сохранения энергии. Такова была точка зрения Бора. Однако Паули, стремясь "спасти" законы сохранения энергии и импульса, еще в 1930 году выдвинул свою знаменитую гипотезу о необходимости существования некой нейтральной частицы с очень малой массой и спином 1/2, вылетающей из ядра вместе с электроном (с легкой руки Ферми эта частица получила название нейтрино), но до статьи Ферми это была гипотеза "ad hoc", придуманная специально для объяснения бета-распада.

С помощью безупречного и изящного математического аппарата Ферми сумел полностью описать бета-распад на основе квантовой механики, обосновав справедливость гипотезы Паули. Экспериментально существование нейтрино было надежно подтверждено лишь в шестидесятых годах, но ученые после работы Ферми уже не сомневались в существовании этой частицы. Теория Ферми позднее была обобщена его американскими учениками Р. Фейнманом и М. Гелл-Манном в теории универсального фермиевского взаимодействия, описывающей все процессы слабого взаимодействия, включая поведение "странных" частиц.

Непосредственным стимулом к экспериментальным ядерным исследованиям группой Ферми послужило замечательное открытие Ирен и Фредерика Жолио-Кюри искусственной радиоактивности в январе 1934 года. В отличие от этих исследователей, использовавших в качестве снарядов альфа-частицы, Ферми подверг все известные химические элементы нейтронной бомбардировке. Работы начались в марте, а 22 октября 1934 года было сделано эпохальное открытие, ознаменовавшее начало атомной эпохи.

Необычайная интуиция Ферми подсказала поставить на пути пучка нейтронов парафиновый "поглотитель", и в результате активность искусственного радиоактивного вещества неожиданно для исследователей резко возросла. Так был открыт эффект замедления нейтронов водородсодержащими веществами (опыты делались также с водой в маленьком бассейне с рыбками во дворе университета). Медленными нейтронами облучался и уран, однако установить реакцию деления Ферми не смог, ошибочно приняв продукты деления ядра урана за трансурановый элемент "93". Это, пожалуй, единственная ошибка в многолетних исследованиях ученого. Вплоть до 1936 года Ферми и его ученики продолжали нейтронные исследования. В 1938 году за эти исследования ему присудили Нобелевскую премию. Еще раньше, в 1929 году, Ферми был избран в Королевскую академию Италии, и в этом же году Академия наук СССР, одно из первых зарубежных научных обществ, делает Ферми своим почетным членом.

Будучи аполитичным, Ферми все же вскоре почувствовал удушающую обстановку фашистской Италии. Боясь за судьбу жены, еврейки по происхождению, он принял решение покинуть родину. Случай представился, когда он вместе с семьей поехал в Стокгольм, где в торжественной обстановке ему была вручена Нобелевская премия. Прямо из Стокгольма семья Ферми приезжает в Нью-Йорк, где он получает место профессора Колумбийского университета. Начинается новый, американский, период в жизни и творчестве итальянского ученого.

Вскоре Ферми включился в работу по осуществлению цепной реакции и получению атомной энергии. В 1939 году независимо от Ф. Жолио-Кюри он открыл явление испускания вторичных нейтронов в процессе ядерного деления урана, а 2 декабря 1942 года ядерный реактор, составленный из блоков урана и графита, заработал. Впервые на нашей планете был зажжен атомный огонь, высвобождая под контролем человека ядерную энергию. Руководил этим проектом под кодовым названием "Чикагская металлургическая лаборатория" Энрико Ферми. После "столба Вольта" это был новый скачок в развитии энергетики и всей человеческой цивилизации.

Ферми принимал самое активное участие в качестве научного консультанта и в сверхсекретном проекте создания атомной бомбы в Лос-Аламосе. К сожалению, он не поддержал призыва участников проекта Н. Бора, Дж. Франка, Л. Сцилларда и некоторых других физиков отказаться от применения атомного оружия в военных целях и был среди тех, кто одобрил бомбардировку Хиросимы и Нагасаки. После войны во вновь созданном Институте ядерных проблем в Чикаго, носящем в настоящее время его имя, Ферми решает заняться новой для него областью исследований - физикой частиц высоких энергий. Теоретические и экспериментальные исследования Ферми, такие, как рассеяние пи-мезонов на протонах, объяснение механизма первичных космических лучей и теория множественного образования мезонов, имели первостепенное значение для развития физики космических лучей, астрофизики и физики плазмы.

Не занимая, как и прежде, никаких административных постов, Ферми направлял исследовательскую работу громадного коллектива института, создав новую, уже американскую, школу физиков-элементарщиков. Его считают своим учителем крупнейшие американские физики Г. Андерсон, М. Гелл-Манн, Р. Фейнман, Т.-Д. Ли, Ч. Янг, Д. Орир, А. Розенфельд и другие. 29 ноября 1954 года, в расцвете творческих сил, Энрико Ферми умер.

Человечество увековечило память о великом физике XX века, назвав сотый элемент периодической таблицы его именем.