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.

---

В 1926 году Ферми подал запрос на кафедру физики университета Кальяри. После работы в этом учебном заведении он смог бы рассчитывать на более престижные должности. Однако комиссия сочла блестящего ученого слишком молодым и предпочла ему Джованни Джорджи, имевшего более солидное резюме: он написал докторскую диссертацию на восемь лет раньше Ферми и был уже известен благодаря разработке системы МКС (в которой основными единицами измерения являются метр, килограмм и секунда). Тогда Орсо Марио Корбино, директор физического отделения Римского университета, решил создать новую кафедру теоретической физики в Риме. Корбино хотел собрать группу физиков-новаторов, а для этого ему нужны были талантливые молодые ученые, желающие произвести революцию в итальянской науке. Корбино организовал конкурс, в котором Ферми занял первое место, а Персико — второе. Так эти два давних друга начали тесное сотрудничество в научных исследованиях.

Когда Ферми вернулся в Италию, Лаура Капон была студенткой второго курса Римского университета. Она посещала лекции Корбино по электричеству, проходившие в здании на улице Панисперна, в бывшем монастыре, который в 1870 году был отдан университету под отделение физики. В другом бывшем монастыре, расположенном на той же улице, проходили занятия по химии, на которые в основном и ходила Лаура. В целом список предметов, которые она выбрала для изучения, был очень разносторонним, на стыке различных дисциплин, как лекции Корбино.

Сам Корбино хорошо представлял себе, чего хочет. Он пригласил Разетти из Флоренции в Рим на место, для которого не требовалось участвовать в государственном конкурсе (ученый знал, что Разетти отлично сойдется в работе с Ферми), и убедил некоторых блестящих студентов инженерного факультета заняться физикой. Среди них был Эдоардо Амальди, друг Лауры Капон, который вместе с ней ходил на лекции Корбино по электричеству. Вскоре к ним присоединились Эмилио Сегре, Бруно Понтекорво, замкнутый, но талантливый Этторе Майорана и другие. Корбино удалось создать вокруг Энрико Ферми рабочую группу, известную нам как «ребята с улицы Панисперна».

Изучение теплоты можно рассматривать как специальную отрасль механики.

Ферми во введении в свою «Термодинамику»

Ферми подталкивал группу соратников к выходу за рамки традиционных университетских курсов, как он сам делал это во время учебы. Молодость самого Ферми и поддержка со стороны Разетти способствовали его сближению с молодыми студентами, которыми он руководил. Обычно, отталкиваясь от одной задачи, Ферми соединял физическую теорию с необходимыми для ее решения математическими инструментами и объяснял ее эмпирические последствия. Ученый демонстрировал энциклопедические знания, говоря об излучении черного тела, теории относительности Эйнштейна, термодинамике, электродинамике или статистической механике и показывая связи между ними. Он всегда стремился дойти до сути проблемы и найти способ ее экспериментального решения, которое должно было предоставить необходимые данные, «основу объяснений».

По субботам во второй половине дня у профессора Кастельнуово обычно собирались семьи и студенты, так или иначе имевшие отношение к Римскому университету. На этих вечерах студенты и молодые профессора не только обсуждали научные вопросы, но и завязывали дружеские отношения. Там Лаура Капон и Энрико Ферми встретились вновь.

ТАЙНА АТОМА И МОДЕЛЬ ТОМАСА — ФЕРМИ

Когда Ферми опубликовал свою работу «О квантовании идеального одноатомного газа», ученые еще не имели ни малейшего представления о той вселенной элементарных частиц, которую мы кратко описали в конце предыдущей главы. Атом оставался совершенной загадкой. В 1920 году Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании нейтрона (которая еще не была доказана эмпирически) и в том же году назвал ядро атома водорода протоном, который он обнаружил в ходе эксперимента в 1919 году.

Благодаря своей теории статистики Ферми начинал приобретать международную известность: в одном из писем Лоренцу в июне 1926 года Эйнштейн советовал коллеге пригласить на пятый Сольвеевский конгресс, который должен был состояться в октябре 1927 года, Ферми или Ланжевена, лучших ораторов и знатоков квантовой статистики. В результате туда поехал Ланжевен, и именно он запечатлен на одной из самых знаменитых фотографий в истории науки. Месяцем раньше, в сентябре 1927 года, в Комо прошла еще одна международная конференция по физике, посвященная 100-летию со дня смерти Алессандро Вольты. Корбино удалось собрать на ней, кроме своих «ребят с улицы Панисперна», большинство тех, кто должен был участвовать и в Сольвеевском конгрессе: приехали Планк, Паули, Гейзенберг, Резерфорд, Лоренц и Бор.

В Комо Бор изложил свой знаменитый принцип дополнительности квантовой механики, который постулировал, что для понимания мира квантов согласно копенгагенской интерпретации классическая физика должна дополняться волновой и корпускулярной теориями. Он переиначил принцип неопределенности Гейзенберга, выдвинутый последним в марте того же года, и предположил, что независимо от того, являются ли частицы объектом наблюдения, наблюдатель взаимодействует с квантовыми системами таким образом, что эта система не может считаться независимой. Другими словами, квантовая наука оформлялась как вероятностная, она положила конец классическому подходу Ньютона. Эпистемологические выводы, следующие из копенгагенской интерпретации, занимали философов на протяжении всего XX века: реальность — это физика вероятностей? В мире атомов все казалось другим и непонятным. В макроскопическом же мире, напротив, вероятности событий становятся настолько высокими, что статистика придает нам уверенность.

Английские астрономы могут стать американскими сенаторами, но реками — никогда.

Энрико Ферми о своем эпистемологическом видении

Ферми был очарован успехами статистической физики в объяснении квантового мира. Поэтому он решил использовать тот же метод, который он применил для статистики одноатомного газа, для подсчета эффективного потенциала, действующего на электроны. Он рассмотрел частицы как газ из фермионов при абсолютном нуле, которые поддерживают вокруг ядра электрическое притяжение.

В статье «Статистический метод определения некоторых свойств атома» Ферми изложил модель, известную сегодня как атомная модель Томаса — Ферми, поскольку Люэлин Хиллет Томас предложил похожую модель годом раньше, хотя Ферми ничего не знал о его работе. Согласно модели Томаса — Ферми облако электронов не падает на ядро, что должно было бы произойти из-за электромагнитного притяжения с протонами, имеющими противоположный заряд, потому что принцип исключения Паули ограничивает количество электронов на разных уровнях. Электроны ведут себя как идеальный газ Ферми, то есть как совокупность фермионов, не притягивающихся друг к другу и подчиняющихся принципу исключения. Эта простая модель хорошо работала для свободных электронов в металлах. Например, она объясняла их хорошую электрическую проводимость, а также, как продемонстрировал в 1930 году индийский физик Чандрасекар, поведение белых карликов, которые не коллапсируют, если их масса не превышает определенного верхнего предела.

Совокупность энергии Ферми-газа при абсолютном нуле больше суммы энергий фундаментальных состояний отдельных частиц. Это объясняется тем, что принцип Паули действует как давление, удерживающее фермионы отдельно друг от друга и в движении. Поэтому давление Ферми-газа ничтожно и при абсолютном нуле: давлением Ферми, или давлением вырождения, называют давление, которое стабилизирует звезды, и только в том случае, если звезда обладает достаточной массой для преодоления давления Ферми, она может провалиться в гравитационную сингулярность, или в черную дыру.

Наконец, модель Томаса — Ферми дала хорошее описание атомной плотности и объяснила, почему размеры каждого материального элемента являются следствием равновесия между внешними силами (электромагнитными или гравитационными, в зависимости от того, рассматриваются квантовые или астрономические явления) и давлением Ферми. В XX веке атомно-статистические теории Ферми успешно применялись также в науке о материалах.

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ МЕТАЛЛА

В Ферми-газе как системе свободных фермионов частицы не взаимодействуют друг с другом, в отличие от Ферми-жидкости. В зависимости от того, как протоны и электроны описаны статистикой Ферми, можно сделать первые приблизительные выводы с помощью этой модели газа Ферми. Нельзя забывать, что когда была предложена модель Томаса — Ферми, нейтрон еще не был открыт, так что точность расчетов Ферми вызывает удивление.