Ферми. Ядерная энергия

Введение

Энрико Ферми был одним из ученых, совершивших переворот в физике первой половины XX века. Он занимался самыми разными областями науки, в том числе изучал частицы квантовой вселенной: созданием большей части известных сегодня ядерных технологий мы обязаны способности Ферми исследовать материю. Также он стоял у истоков атомной эры. Благодаря усилиям ученого атомная энергия со всей ее невероятной мощью и связанными с ней этическими проблемами стала неотъемлемой частью нашей жизни.

Вместе с Лео Силардом Ферми сыграл ключевую роль в создании первого ядерного реактора, встав во главе исследовательской группы, которая 2 декабря 1942 года в Чикагском университете запустила «Чикагскую поленницу — 1». Ученый принял самое активное участие в Манхэттенском проекте, в рамках которого была создана атомная бомба. Она изменила ход истории и положила конец Второй мировой войне, затмив остальные достижения Ферми.

К сожалению, этот итальянский ученый не приобрел широкой известности — его, как и многих других выдающихся ученых того времени, заслонила тень гениального Альберта Эйнштейна. Тем не менее Ферми был одним из самых универсальных физиков в истории. Он прекрасно совмещал теоретические разработки с экспериментальной физикой, а в последние годы жизни заложил основы имитационного моделирования — третьего метода эмпирического познания. Ферми одним из первых осознал, что будущее науки зависит от развития компьютеров.

На страницах этой книги мы постараемся описать огромные масштабы его работы, которая выходит далеко за рамки сборки ядерного реактора или Манхэттенского проекта. Вся увлекательная жизнь Ферми была символом перехода человека от незнания о квантовой структуре мира к просеиванию элементарных частиц, составляющих материю. Его плодотворная работа имела важнейшее значение для понимания ядерных сил, а также для осознания и контроля огромной энергии, таящейся в атоме. Как и многие другие первооткрыватели в области радиоактивности, ученый рано умер от рака, всего лишь в возрасте 53 лет.

Ферми также был великолепным педагогом и умело совмещал исследовательскую работу с преподаванием, что удавалось немногим великим ученым. Он взрастил будущих лауреатов Нобелевской премии Эмилио Сегре, Джека Стейнбергера и Оуэна Чемберлена, которые из учеников превратились в его сотрудников. Сегре завязал с Ферми тесную дружбу еще со времен Рима, когда оба они входили в группу «ребят с улицы Панисперна». Под руководством Ферми эта исследовательская команда развивала ядерную физику в Италии. Исследователь написал несколько учебников по разным областям физики: термодинамике, атомной, квантовой физике и так далее. Страсть Ферми к науке была так велика, что он хотел передать ее другим, заразить их вирусом интеллектуального любопытства.

В то время не было принято разрабатывать теоретическую базу какой-либо дисциплины и одновременно изучать применение новых технологий. Однако одной из целей Ферми стала именно разработка технологий в современном понимании. Он даже зарегистрировал несколько патентов, в частности связанных с нейтронными реакторами или получением радиоактивного материала. Можно сказать, что Ферми опередил свое время. Его интеллектуальный гений соединялся с потрясающе открытым умом, ученый сумел окружить себя прекрасными единомышленниками и увлеченными студентами, создав условия для плодотворного сотрудничества, без которого невозможна современная наука. Таким образом, Энрико Ферми порвал с парадигмой одинокого гения, свойственной XIX веку: большую часть своей работы он проделал в команде. Возможно, этому способствовал и южный характер ученого. Он соединил исследовательскую работу с преподаванием и начал новую эру, в которой наука и развитие технологий оказались тесно связаны. Ферми был настоящим ученым XX века.

Он родился в 1901 году в Риме, с самых ранних лет интересовался наукой и через всю жизнь пронес наивную детскую страсть ко всякого рода поделкам. Жадную любознательность Ферми разделял и его старший брат Джулио, однако он трагически погиб в возрасте 15 лет, и Энрико с головой ушел в учебу. Эта трагедия наложила отпечаток на всю жизнь ученого. Его жаждущая знаний личность была сформирована классическим образованием и книгами, которые Ферми читал в отрочестве. Довершили работу сами обстоятельства той эпохи.

Ферми не оставил автобиографий, но, к счастью, его супруга Лаура Капон (впоследствии она по американской традиции взяла фамилию мужа), с которой ученый, связав себя узами брака в 1928 году, прожил до самой смерти, написала подробнейший рассказ об их совместной жизни. После смерти Ферми Эмилио Сегре собрал воедино все его работы и переписку.

У Лауры и Энрико было двое детей: старшая дочь Нелла и сын Джулио, названный в честь погибшего брата. Как и некоторые римские сотрудники Ферми, Лаура была еврейкой, и это вынудило ученого со всей семьей бежать из фашистской Италии, от режима Муссолини. Сам дуче очень высоко оценивал передовые исследования Ферми в атомной физике и его значение для « итальянской расы». Хотя в молодости ученому удавалось оставаться вне политики и движения чернорубашечников, в 1929 году ему пришлось вступить в Национальную фашистскую партию, поскольку сам Муссолини назначил его членом Королевской академии Италии.

Тем не менее по мере ужесточения фашизма и сближения Муссолини с Гитлером положение Ферми становилось все более шатким. Летом 1938 года дуче распространил несколько манифестов в защиту итальянской расы, в которых в полную силу зазвучали антисемитские ноты. В этом же году Этторе Майорана, один из учеников и ближайших сотрудников Ферми, исчез при неизвестных обстоятельствах. К счастью, 10 ноября 1938 года Энрико получил известие от Шведской Королевской академии: ему присудили Нобелевскую премию по физике. И это, возможно, был единственный шанс сбежать с семьей из фашистской Италии. Очень редко Нобелевская премия имела для кого-либо такое огромное значение; вероятно, понимала это и сама академия. После церемонии вручения Ферми с семьей уехал в Нью-Йорк.

Исследования, проделанные Ферми в Италии, привели к потрясающим результатам. Благодаря таким открытиям, как принцип исключения Паули, согласно которому некоторые частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, Ферми разработал статистику, объясняющую поведение атомов и частиц, изучение которых только начиналось,— электронов, протонов и нейтронов. В его честь эти частицы, образующие большую часть известного нам мира, вместе с другими, которые были открыты позже и подчиняются тем же принципам, были названы фермионами.

Общее видение научной картины помогло Ферми понять, что для изучения мира атомов необходима статистическая физика — область, занимающаяся огромными совокупностями элементов и позволяющая делать макроскопические прогнозы. Благодаря своей знаменитой научной интуиции Ферми смог объяснить бета-распад и поведение радиоактивных элементов. Он прославился способностью находить решение задач на основании небольшого количества данных (так называемые задачи Ферми). Также ученый доказал, что частица, постулированная Паули в 1930 году, — не нейтрон, а что-то другое, с меньшей массой. Ферми назвал ее нейтрино (это слово имеет очевидное итальянское происхождение: нейтрино — нечто нейтральное и маленькое). Предположения Ферми очень часто подтверждались опытным путем и интегрировались в существующие модели, включая новые частицы, например позитрон, гипотезу о котором выдвинул Дирак, или квантовую механику Вернера Гейзенберга. Однако статья Ферми не нашла одобрения в редакции журнала Nature, так как была «слишком далека от реальности»: еще одно доказательство того, что редакторы научных журналов не всегда дотягивают до высоты гениальных авторов-ученых.

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.