Два десятка Нобелевских премий
«Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света и был дружественно встречен туземцами», — отрапортовало «наверх» руководство Чикагского университета в декабре 1942 года. В США в то время как раз отмечали 450-летие открытия Колумбом Америки, но загадочное послание не было частью сценария праздничных мероприятий: так в обстановке строжайшей секретности в Вашингтон была передана триумфальная новость — о первой в истории человечества успешной цепной ядерной реакции, осуществленной земляком Колумба Энрико Ферми.
29 сентября исполняется 110 лет со дня рождения выдающегося итальянско-американского физика.
В свое время молодого Ферми поразила знаменитая формула Эйнштейна, связывающая энергию с массой. Он одним из первых озвучил мысль о том, как было бы здорово научиться эту энергию извлекать и использовать, и посвятил работе над этой трудной задачей всю свою жизнь.
Установку, запуск которой стал знаковым для атомной энергетики (сам Ферми называл ее ядерным котлом), создали вручную в маленькой металлургической лаборатории Чикагского университета, расположившейся под местным стадионом. Первый мини-реактор был собран в рекордные сроки – менее чем за три месяца, однако нес в себе результаты многолетней скрупулезной работы. В 1939 году Ферми обнаружил, что распад урана сопровождается вы-делением огромного количества энергии и, что еще более важно, быстрых нейтронов, без которых невозможно обеспечить протекание цепной реакции. Три последующих года ушли на эксперименты по измерению нейтронного потока и попытки управлять им; наконец, в июне 1942 года был получен коэффициент размножения нейтронов больше единицы – то есть выделялось их при распаде больше, чем поглощалось. Казалось, до успеха рукой подать.
Но все оказалось сложнее: выяснилось, что данный тип распада свойственен только легкому изотопу, урану-235, тогда как его тяжелый собрат, уран-238, наоборот, поглощал нейтроны деления, чем рубил процесс на корню. Сначала физики пошли по пути разделения изотопов, но вскоре сдались – слишком уж трудоемким и дорогим удовольствием было обогащать сырье, в котором содержание легкого урана не превышало долей процента. Ферми, вместо того чтобы отделять тяжелый изотоп, решил его нейтрализовать — создать условия, в которых тот не будет поглощать нейтроны и тормозить цепную реакцию. Для этого требовалось ни много ни мало — превратить нейтроны из быстрых, каковыми они рождались при делении легкого урана, в медленные (с такими тяжелый уран не взаимодействует). После долгих поисков физикам удалось найти заветный материал — им оказался графит, и он, в отличие от тяжелого урана, не поглощает нейтроны, а только их замедляет. Именно такая уран-графитовая система, соотношение компонентов в которой Ферми так долго рассчитывал, 2 декабря 1942 года и выдала «на-гора» первую в мире порцию атомной энергии, полученной в управляемой цепной ядерной реакции. Помещалась установка в гигантской палатке, сшитой из газонепроницаемой ткани для аэростатов: в ней поддерживался нужный состав воздуха – Ферми опасался, что все его усилия погубит атмосферный азот, обладающий способностью поглощать нейтроны.
Ядерный реактор справедливо считается главным детищем Ферми, созданным в американский период. Однако ключевая идея — стимулировать распад ядра путем его бомбардировки нейтронами — родилась у ученого гораздо раньше (это за нее он в 1938 году удостоен Нобелевской премии). Наивысшая научная награда стала переломным моментом в жизни Ферми и одновременно связала итальянский и американский периоды его творчества. Поехав с семьей в Стокгольм на церемонию награждения, ученый больше не вернулся на родину, поскольку там его ждал набиравший силу режим Муссолини, совсем не расположенный к науке. Многие его ученики уже покинули страну, лаборатория распалась. А вот в Штатах Ферми предложили место профессора сразу пять университетов. Он выбрал Колумбийский. Проработав там до 1942 года, перебрался затем в Чикаго, где воплотил в жизнь результаты своих изысканий. Здесь он и осел – в Институте ядерных исследований, который сегодня носит имя Ферми.
Есть в науке и еще одна незыблемая дань памяти великому физику: его имя носит химический элемент (в периодической системе Менделеева — под номером 100) и популярная среди ядерщиков единица расстояния — 10–15 м.
Как и многие гениальные ученые, Ферми оставил заметный след в разных областях науки. Например, ранние работы ученого, написанные еще в бытность студентом Пизанского университета, относятся к теории относительности: в них юный Энрико поднимает вопросы электромагнитной природы массы и свойств пространства вблизи линии времени. После окончания института 24-летний Ферми независимо от Поля Дирака разработал статистику частиц с полуцелым спином, подчиняющихся принципу Паули. Это дало возможность рассчитывать вероятность занятия частицей того или иного энергетического уровня. Сегодня такие частицы известны как фермионы, а найденная зависимость — как статистика Ферми—Дирака.
В возрасте 50 лет Ферми неожиданно переключился на астрофизику и физику частиц с высокой энергией: создал теорию происхождения космических лучей, выявил статистические закономерности множественного рождения мезонов, открыл адронный резонанс… Возможно, его тянуло все неизведанное, кажущееся на первый взгляд понятным; в конце жизни он начал собирать материал для необычной книги — в нее должны были войти вопросы, о которых принято говорить «как хорошо известно». Написать ее он, к сожалению, не успел: в 1954 году Энрико Ферми умер от рака.
Оценивая его вклад в науку, один из учеников, Бруно Понтекорво (в 1950 году он эмигрировал в Советский Союз и стоял у истоков Института ядерных проблем АН СССР в Дубне), сказал: «Он достоин 6—8 Нобелевских премий». Эту цифру можно утроить: сам Ферми в конце жизни признался, что сделал лишь треть намеченного.
