Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

років Фермі було обрано на посаду очільника нової кафедри теоретичної фізики в Римському університеті, де він керував енергійною групою студентів, деякі з яких пізніше стали Нобелівськими лауреатами, що досліджували атомну, а потім і ядерну фізику.

1933 року Фермі зацікавився іншою гіпотезою Паулі, тією самою, про нову частинку, що виникає в результаті розпаду нейтронів, яку Фермі позначив як нейтрино. Проте придумування назви для нової частинки було лише дрібницею. Фермі мав значно амбітнішу мету й розробив теорію нейтронного розпаду, яка виявила можливість існування нової фундаментальної сили природи, першої нової сили, що стала відома науці після електромагнетизму та гравітації і яка по-своєму була інспірована розмірковуваннями про світло. Хоча на той час це не було очевидним, ця сила стала першою з двох нових сил, пов’язаних з атомними ядрами, які разом з електромагнетизмом і гравітацією становлять множину всіх відомих нам сил, що діють у природі від найменших субатомних масштабів до масштабів руху галактик.

Коли Фермі подав статтю до часопису «Nature», редактор відхилив її, оскільки вона була «задалекою від фізичної реальності, щоб представляти інтерес для читачів». Для багатьох із нас, чиї статті також відхиляли свавільні редактори цього часопису, приємно знати, що стаття Фермі, одна з найважливіших статей в історії фізики ХХ століття, також не пройшла відбір.

Ця незаслужена відмова, без сумніву, роздратувала Фермі, проте вона мала корисний побічний ефект. Фермі натомість вирішив повернутися до експериментальної фізики й уже незабаром почав експериментувати з нейтронами, що їх відкрив Чедвік двома роками раніше. Уже за кілька місяців Фермі розробив потужне радіоактивне джерело нейтронів і виявив, що може індукувати радіоактивні розпади в стабільних за інших умов атомах, бомбардуючи їх нейтронами. Бомбардуючи нейтронами уран і торій, він також став свідком ядерних розпадів і вирішив, що створив нові елементи. Насправді він змусив ядра розпастися, або поділитися, на легші ядра, які, як пізніше, 1939 року, з’ясували інші науковці, випускають більше нейтронів, ніж вони поглинули їх у ході процесу.

Перехід Фермі до експериментів виявився напрочуд корисним для нього. Чотири роки по тому, 1938-го, у 37-річному віці він отримав Нобелівську премію за відкриття штучної радіоактивності й створення шляхом нейтронного бомбардування нових радіоактивних елементів. Проте станом на 1938 рік нацисти вже почали запроваджувати в Німеччині расові закони, і їхній приклад почала наслідувати Італія, тож дружина Фермі Лаура, єврейка, була в небезпеці. Отже, отримавши в Стокгольмі премію, Фермі та його родина не повернулися в Італію, а переїхали до Нью-Йорка, де він обійняв посаду в Колумбійському університеті.

Коли 1939 року в Нью-Йорку Фермі після лекції в Принстоні, яку прочитав Нільс Бор, дізнався новини про ядерний розпад, він відкоригував свою попередню, написану для церемонії вручення Нобелівської премії промову, виправивши помилку, і дуже скоро відтворив німецькі результати. Дуже швидко він та його колеги збагнули, що це давало можливість запуску ланцюгової реакції. Нейтрони могли бомбардувати уран, змушуючи той ділитися, вивільняти енергію й випускати ще більше нейтронів, які бомбардували ще більше атомів урану й так далі.

Невдовзі Фермі прочитав лекцію для ВМС США, у якій попереджав про значення цього результату, проте мало хто сприйняв його серйозно. Пізніше того ж року до президента Рузвельта дістався знаменитий лист Ейнштейна, змінивши хід історії.

Фермі розгледів потенційні загрози, що криються у вивільненні енергії атомного ядра, іще раніше. Через рік після здобуття докторського ступеня, 1923 року, він написав додаток до книги з теорії відносності, де розмірковував над потенціалом формули E = mc2, написавши, зокрема: «Видається неможливим принаймні в найближчому майбутньому знайти спосіб вивільнити ці здатні жахнути обсяги енергії, що дуже навіть добре, оскільки першим наслідком вибуху такого жахливого обсягу енергію буде розірвання на шматочки фізика, якому не пощастить знайти спосіб це зробити».

Ця ідея напевно не полишала Фермі 1941 року, коли в рамках започаткованого Мангеттенського проекту йому доручили завдання створити контрольовану ланцюгову реакцію, себто створити ядерний реактор. Хоча керівництво зі зрозумілих причин непокоїлося щодо здійснення цього в міській місцевості, Фермі був достатньо упевнений, щоб переконати очільника проекту дозволити йому збудувати реактор у Чиказькому університеті. 2 грудня 1942 року реактор досяг критичної маси, і Чикаго це пережило.

Два з половиною роки по тому Фермі був особисто присутній на полігоні в штаті Нью-Мексико, де спостерігав перший ядерний вибух – випробування «Трініті». Доки інші заклякли в благоговінні й жаху, Фермі в типовій для себе манері провів імпровізований експеримент для оцінки потужності бомби: дочекавшись, коли до них дійде ударна хвиля, він кинув кілька паперових смужок, щоб подивитися, як далеко їх віднесе.

Невпинний експериментальний підхід Фермі до фізики є однією з причин, чому я настільки шаную його пам’ять. Він завжди знаходив простий і легкий шлях досягнення правильної відповіді. Хоча Фермі мав величезну математичну майстерність, він не любив ускладнень і розумів, що може швидко дістати приблизну відповідь, яка буде «достатньо гарною», тоді як на одержання точної відповіді можуть піти місяці чи роки. Він удосконалив власні вміння та допоміг це зробити своїм учням, винайшовши те, що ми нині звемо «задачами Фермі», які, за розповідями, він щодня в обід задавав команді, яка працювала на нього. Моя улюблена задача, яку я завжди задаю слухачам мого вступного курсу до фізики, звучить так: «Скільки в Чикаго нараховується настроювачів фортепіано?» Спробуйте відповісти самі. Якщо матимете відповідь між сотнею й п’ятьмастами, ви молодець.

За свою експериментальну роботу Фермі отримав Нобелівську премію, проте не виключено, що його теоретичний спадок у фізиці значно видатніший. Як і належить, «теорія», яку він запропонував у своїй славетно відхиленій статті на тему нейтронного розпаду, була напрочуд простою, проте робила свою справу. Це зовсім не була вичерпна теорія, і на той час розробляти таку було б передчасно. Натомість він зробив найпростіше припущення з можливих. Він уявив собі деякий новий різновид взаємодії між частинками, яка відбувалася в одній точці. Чотирма частинками-учасницями були нейтрон, протон, електрон і нова частинка, яку Паулі й Фермі нарекли нейтрино.

Відправна точка міркувань Фермі стосувалася світла, як і майже вся сучасна фізика, а в цьому випадку – сучасна квантова теорія взаємодії світла з матерією. Пригадаймо, що Фейнман, коли доводив необхідність існування антиматерії, розробив графічну композицію для