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

• Название: В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
• Автор: Antonio Hernandez-Fernandez
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Физика
• Год: 2015

Энрико Ферми, один из главных ученых XX века, произвел революцию в физике первой половины столетия, внеся вклад в развитие таких дисциплин, как статистическая механика, теория квантов и ядерная физика. Ученый принял активное участие в создании первого ядерного реактора, что спустя несколько лет привело к появлению атомной бомбы, навсегда изменившей ход истории. Он был необыкновенным физиком, опередившим свое время, прообразом современного ученого, который вместо того, чтобы замыкаться в своей гениальности, окружал себя лучшими из лучших и работал в команде. Он запомнился своему поколению не только как великий исследователь, но и как превосходный педагог, взрастивший нескольких будущих лауреатов Нобелевской премии.

---

Несмотря на замкнутый и молчаливый характер, он любил играть в футбол, плавать и гулять по горам и часто брал с собой брата Джулио. Также Энрике пылал духом соперничества: ему нравилось побеждать и становиться во всем первым. Возможно, это была своего рода компенсация: в семье мальчик был самым младшим и страдал от комплекса неполноценности по отношению к брату и сестре. С Джулио он делил все: игры, желание познать устройство Вселенной, страсть к науке и новым технологиям, которые уже начинали менять мир. Братья были неразлучны. Они вместе сконструировали несколько маленьких моторов и игрушек.

Люди слишком часто отказываются понять суть вещей.

Высказывание молодого Ферми, в котором заключено его кредо

Тогда это и случилось. У Джулио началось воспаление горла 12 января 1915 года. В результате операции, которая поначалу казалась довольно простой, он погиб. Эта смерть повергла семью в отчаяние. Ида впала в тяжелую депрессию, разом постарев на несколько лет. Она была особенно привязана к Джулио и так никогда и не оправилась от этой потери. Энрико же лишился товарища по приключениям, старшего брата, с которым он играл в футбол, гулял по горам, друга, помогавшего ему сблизиться с другими людьми. Он еще больше замкнулся и нашел прибежище в учебе, окончив среднюю школу с превосходными результатами и на год раньше срока. Затем Энрико поступил в римский лицей имени Умберто I.

ДВА ЭНРИКО

Поскольку Энрико поступил в лицей на год раньше, то оказался среди мальчиков, которые были старше его — как раз как его погибший брат. Там Ферми познакомился с Энрико Персико, бывшим другом Джулио. Вскоре выяснилось, что оба Энрико одинаково любили физику. В лице Персико Ферми нашел больше чем друга — практически родную душу. Уроки в лицее были не в состоянии утолить их жажду знаний, и по средам они оба ходили на рынок на площади Кампо-деи-Фиори, где за несколько лир покупали подержанные книги.

Одной из таких книг оказался трактат, написанный Андреа Караффой (1789-1845), членом ордена иезуитов, физиком и математиком. Эта работа, опубликованная на латыни в 1840 году, называлась Elementorum physicae mathematicae («Начала физики и математики»). Наконец-то Энрике пригодились уроки древних языков, и очень скоро он поделился с Персико этим гениальным сочинением. В работе Караффы, состоящей из более чем 900 страниц, были разделы по математике, классической механике, оптике, астрономии и акустике. С горячностью, свойственной молодости, Энрико восхищался этим трактатом. Анализируя движение юлы, с которой Ферми и Персико играли, как и другие дети, друзья углубились в изучение механики твердых тел и вышли за пределы трактата. Ребята даже изготовили самодельные гироскопы — инструмент, созданный в 1852 году Фуко для того, чтобы лучше понять движение Земли (после того как он доказал ее вращение с помощью знаменитого маятника). В начале XX века гироскоп еще оставался удивительным механизмом, способным поразить молодой ум.

В то время Ферми уже продемонстрировал уникальные способности к абстрагированию и всегда с максимальной ясностью излагал свои идеи и гипотезы, стремясь найти наиболее точный экспериментальный способ доказать их. Персико следовал за другом, понимая, что имеет дело с гением, которому почти нет равных. Годы спустя, в 1936-м, оба друга возглавили первые две кафедры по теоретической физике в Италии.

ИНЖЕНЕР АМИДЕИ

После смерти Джулио Альберто Ферми еще больше сблизился со своими детьми. Энрико завел привычку после уроков заходить к отцу на работу, и они вместе шли домой. Часто их провожал коллега Альберто, Адольфо Амидеи, инженер железнодорожной компании. Амидеи сразу распознал удивительные способности Энрико. Видя его энтузиазм, он вскоре начал давать мальчику задачи, пробуждающие в нем еще больший интерес. Специально для Энрико Амидеи составил курс математики и физики, давал ему читать свои книги, объяснял ему все, что знал сам, распределяя темы по времени и уровню сложности.

Ферми сам дополнял эти полезнейшие сведения случайными книгами, которые находил по средам на рынке Кампо-деи-Фиори, и делился с Персико своими достижениями.

Я с усердием занимаюсь математикой, потому что считаю ее необходимой для изучения физики, которой хочу всецело себя посвятить.

Ответ Энрико Ферми на вопрос Адольфо Амидеи о его предпочтениях в учебе

Адольфо Амидеи был поражен успехами молодого Ферми.

В 1918 году он сказал его отцу, что вместо римского университета Ла Сапиенца для Энрико было бы лучше попробовать получить стипендию на учебу в престижной Высшей нормальной школе Пизы. Поначалу Ида и Альберто не оценили эту идею.

Ла Сапиенца считался хорошим университетом, к тому же он находился рядом с домом. С момента смерти Джулио прошло слишком мало времени, и родители не хотели расставаться со вторым сыном, хотя Пиза тоже была не так уж далеко. Однако настойчивость Амидеи и самого Энрико в конце концов преодолела их сопротивление. Амидеи посоветовал Ферми учить немецкий, который в то время был языком физики.

На одном из вступительных испытаний 14 ноября 1918 года Ферми поразил экзаменаторов, в частности профессора математики Римского университета Джузеппе Питарелли, подробным докладом о свойствах звука и вибрации струн под названием «Характер и причины звуков», в котором демонстрировал прекрасное владение методами решения дифференциальных уравнений и анализом Фурье. Питарелли никогда в жизни не видел ничего подобного. Знания Ферми были на уровне выпускника, а не ученика старшей школы. В его лице Пизанский университет приобретал гениального студента.

ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ?

Вопрос о том, какую природу имеет свет — волновую или корпускулярную, решался в учебнике Караффы неправильно. Исаак Ньютон (1643-1727) в своем трактате об оптике 1704 года уже использовал корпускулярную модель для объяснения отражения и преломления света. По теории Ньютона, в воде и в стекле свет перемещается с большей скоростью, чем в воздухе, что было неправильным предположением, как и то, что свет перемещается практически мгновенно, а его лучи распространяются только по прямой. Эти взгляды ученого подверглись жесткой критике со стороны современников, особенно англичанина Роберта Гука (1635-1703) и голландца Христиана Гюйгенса (1629-1695). Описывая феномен преломления, они предполагали, что свет достигает максимальной скорости в воздухе, и отстаивали его волновую природу. Французский физик Огюстен Френель (1788-1827) провел множество опытов по интерференции и дифракции и заложил математические основы волновой теории света — единственной, которая могла объяснить его дифракцию. При дифракции волны искривляются, наталкиваясь на препятствие или проходя через отверстие.

В 1801 году английский ученый Томас Юнг (1773-1829) доказал правильность волновой теории с помощью своего знаменитого опыта с двойными прорезями. Эксперимент заключался в следующем: на две узкие прорези, расположенные одна рядом с другой, направлялся луч света. Таким образом получалось два пучка света, и на проекционном экране была видна интерференция, то есть светлые и темные полосы (рисунок 1). Это, бесспорно, доказывало волновую природу света: если бы свет состоял из частиц, то интерференции не наблюдалось бы и частицы, достигшие экрана, сконцентрировались бы перед прорезями, создав две освещенные области (рисунок 2).

РИС. 1

РИС. 2

Когда в 1860 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) опубликовал свою математическую теорию электромагнетизма, казалось, что волновая теория победила окончательно. В ее рамках были разработаны уравнения, которые предсказывали существование волн, подтверждавших ее истинность. Максвелл воспользовался разработками других ученых, таких как Гаусс, Фарадей, Ленц и Ампер. Его заслуга заключалась в том, что он объединил разрозненные исследования на тему магнетизма и доказал, что скорость света в вакууме (с) равна приблизительно 300000 км/с и что свет является формой электромагнитного излучения, описывающейся уравнением

c = 1/√(ε0μ0),

где ε0 — электрическая постоянная, или, как тогда ее называли, электрическая проницаемость вакуума (8,854-10-12 Ф/м), а μ0 — магнитная постоянная, или магнитная проницаемость вакуума (4π-107 Гн/м). Электрическая проницаемость материала — это значение, которое показывает, как он ведет себя в присутствии электрического поля, а магнитная проницаемость характеризует способность материала пропускать через себя магнитные поля. Большим достижением Максвелла было то, что он объяснил природу света, связав ее с электромагнитными свойствами материалов, через которые свет проходит. Молодой Ферми был очарован универсальными постоянными — эти числа, справедливые для всей Вселенной, словно ждали, пока их откроют.