В делении сила. Ферми. Ядерная энергия. - Antonio Hernandez-Fernandez

Последующее экспериментальное открытие нейтрино и его новых типов, часть которых имела космическое происхождение, произвело революцию в физике элементарных частиц и помогло связать ее с астрофизикой, как это и предвидел Ферми в последние годы своей научной деятельности. В этот период он сформулировал знаменитый парадокс Ферми, в котором выявлял противоречие между высокой вероятностью существования инопланетян и отсутствием каких-либо эмпирических доказательств этого. Однако настоящим парадоксом в жизни Ферми стала его работа в лаборатории Лос-Аламоса над использованием ядерной физики в военных целях, хотя публично ученый выступал против расширения видов вооружения.

Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронами, или же бомбардировка нейтронами атомных ядер, привела Ферми и его «ребят с улицы Панисперна» к открытию множества радиоактивных изотопов. Ученый отшлифовал технику бомбардировки медленными нейтронами, которая позже сыграла важнейшую роль при создании ядерного реактора, первой ядерной самоподдерживающейся цепной реакции и смертоносной атомной бомбы в Лос-Аламосе. Любопытно, что еще в 1934 году в Риме, наблюдая в ходе эксперимента по бомбардировке урана нейтронами большую радиоактивность по сравнению с ожидаемой, Ферми не подумал, что речь идет о делении ядра — процессе, о котором в том же году говорила немецкий физик Ида Новак. Как признавал сам ученый, это была его «большая ошибка». После того как стал понятен механизм деления ядра, разработка атомной бомбы продолжилась в Лос-Аламосской лаборатории. Новое оружие должно было положить конец Второй мировой войне.

Таким образом, Ферми стал первым ядерным инженером в истории. Любовь ученого к исследовательской деятельности наряду с прагматизмом позволили ему использовать квантовую революцию и понимание атомной вселенной для создания первых ядерных реакторов и внести решающий вклад в появление ядерного оружия. Ядерный парадокс очевиден: с одной стороны, часть потребляемого нами электричества происходит от ядерной энергии, и атомные реакторы могут сыграть ключевую роль в будущем исследовании космоса. С другой стороны, современный ядерный арсенал таит огромную опасность и способен уничтожить все человечество; к тому же наши реакторы не могут противостоять природным катастрофам (как случилось в Фукусиме в Японии в 2011 году) и человеческому фактору (как это было в Чернобыле в 1986-м). Должны ли мы отказаться от ядерной энергии из-за тех рисков, которые она несет в себе? Сможем ли мы контролировать развитие ядерного оружия, избежав угрозы массового уничтожения? Ферми тоже задавался этими вопросами. Он считал, что разработав такую технологию, как ядерная, человечество не может дать задний ход. Напротив, если человек — часть природы, то атомная бомба — это одна из возможных природных катастроф.

Интересно, что нейтрино, получивший свое название от Ферми, сейчас стал одним из главных объектов исследований, которые подводят нас к пределу понимания Вселенной. Мы знаем, что Солнце испускает нейтрино как продукт реакций деления, происходящих внутри него, те же процессы протекают и в звездах, например в сверхновых. Даже наше тело и вся материя испускают нейтрино. После того как было открыто, что нейтрино обладают массой, пусть и очень маленькой, удалось также доказать ошибочность эксперимент OPERA, в ходе которого якобы было установлено, что скорость нейтрино превышает скорость света.

Дух Ферми продолжает жить в Фермилабе — одном из крупнейших ускорителей частиц в мире, который расширяет наши знания о нейтрино и мире субатомных частиц.

1901 29 сентября в Риме рождается Энрико Ферми.

1914 Ферми знакомится с инженером Адольфо Амидеи, другом своего отца. Амидеи становится первым учителем и наставником мальчика. Год спустя умирает брат Ферми, Джулио.

1921 Еще до окончания учебы в Высшей нормальной школе Пизы публикует свою первую научную статью «О динамике системы жестко связанных электрических зарядов, движущейся поступательно».

1923 Во время учебы у Макса Борна в Геттингене знакомится с Вернером Гейзенбергом и Паскуалем Йорданом и их теориями.

1924 Стажируется в Лейдене у Пауля Эренфеста. По возвращении в Рим публикует работу «О вероятности квантовых состояний».

1926 Получает первую кафедру по физике в римском университете Ла Сапиенца. Публикует работу «О квантовании идеального одноатомного газа». В ней излагает теорию, лежащую в основе поведения большинства частиц Вселенной — фермионов.

1927 В статье 4 Статистический метод определения некоторых свойств атома» предлагает статистическую модель атома, или модель Томаса — Ферми.

1928 Женится на Лауре Капон. В этом браке родится двое детей.

1933 Благодаря открытию Паули нейтрино объясняет бета-распад.

1938 Муссолини публикует Итальянский расовый манифест. Ферми получает Нобелевскую премию по физике и пользуется поездкой в Стокгольм, чтобы эмигрировать в США.

1942 Переезжает в Чикаго и начинает работу, в результате которой возглавляет Манхэттенский проект, связанный с разработкой первого ядерного реактора в истории.

1945 Участвует в разработке первых атомных бомб в Лос-Аламосе.

1946 Возвращается в Чикаго и основывает Институт ядерных исследований. Начинается период блестящих открытий Ферми в области ядерной физики. Также ученый ведет преподавательскую деятельность в Чикагском университете.

1951 В Чикагском университете создает синхроциклотрон, открывающий новую эру в физике высоких энергий.

1953 Назначен президентом Американского физического общества.

1954 Ферми выступает как свидетель на процессе Оппенгеймера. Прочитав в Варение (город на берегу озера Комо) последние лекции, возвращается в Чикаго. Там ученому ставят диагноз «рак желудка», от которого он умирает 28 ноября.

ГЛАВА 1

Рождение фотона

В начале XX века человечество стало понимать, как устроены материя и свет.

Был открыт электрон, и началось изучение мира атомов. Волновая теория света и уравнения Максвелла объясняли большинство оптических явлений, пока Эйнштейн не сформулировал теорию фотоэлектрического эффекта, основанную на квантовании, предложенном Планком. Подготавливались основы квантовой механики. Юный Ферми прикоснулся ко всем этим источникам знаний, что впоследствии помогло ему стать пионером ядерных технологий.

Отец Энрико, Альберто Ферми, был служащим новых железных дорог, и эти пути сообщения в то время составляли нервную систему молодой итальянской нации, появившейся в 1861 году. Альберто родился в Боргонуре, недалеко от Пьяченцы, 3 апреля 1857 года. Его отцу, Стефано (первому из рода Ферми, кто не работал в поле), удалось устроить Альберто в железнодорожную компанию Alta Italia в 1882 году. Благодаря своим способностям и старанию Альберто очень скоро сделал карьеру в администрации и в 1898 году получил место инспектора. Он совершал много рабочих поездок, но в конце концов осел в Риме. В том же году Альберто женился на Иде де Гаттис, учительнице из Бари, которая была на 14 лет моложе его. У них родилось трое детей: старшая дочь Мария — в 1899 году, сын Джулио — в 1900-м, и наконец, Энрико появился на свет 29 сентября 1901 года.

Ида была очень умной женщиной и воспитывала детей в строгости. С самых ранних лет она прививала им усердие, упорство и любовь к знаниям. Поскольку она не могла кормить всех трех детей с такой маленькой разницей в возрасте, то Энрико и Джулио провели первые годы жизни у кормилицы в деревне — это была обычная практика для зажиточных семей того времени. Когда мальчику исполнилось два с половиной года, он заболел и вернулся в Рим. Энрико рано научился читать и писать и демонстрировал прекрасную память, зачитывая наизусть длинные отрывки из «Неистового Роланда» Лудовико Ариосто.

Когда в шесть лет он пошел в школу, то проявил способности и к математике. Говорят, что в возрасте десяти лет, когда дети только переходили из начальной школы в среднюю, Энрико уже решал абстрактные задачи. Например, уравнение окружности х² + у² = r² — один из его первых алгебраических вызовов. В детстве он предпочитал познавать мир самостоятельно, не прибегая к помощи брата и сестры, но со временем стал более общительным и научился делиться переживаниями, особенно с Джулио. Любознательность и удовольствие от решения интеллектуальных задач стали верными спутниками Энрико на протяжении всей жизни.

Обучение в средней школе длилось пять лет, в лицее — три года, за это время учащихся готовили к университету и преподавали им преимущественно гуманитарные дисциплины, в частности итальянский, латынь, греческий, французский, философию, историю, географию, а также математику, физику и естественные науки, которые тогда назывались «естественной историей». Энрико был первым учеником в классе. Благодаря живому уму он интересовался всеми предметами, но особую склонность чувствовал к дисциплинам, которые вели увлеченные своим делом педагоги. Например, учитель по итальянскому Джованни Федерцони вдохновил мальчика на изучение «Божественной комедии» Данте. Во взрослом возрасте Энрико Ферми, к тому времени уже забывший отрывки из «Неистового Роланда», читал Данте наизусть с потрясающей точностью.