Энрико Ферми ForMemRS ( итал. [enˈriːko ˈfermi] ; 29 сентября 1901 — 28 ноября 1954) — итальянский и натурализованный американский физик, известный тем, что создал первый в мире искусственный ядерный реактор , Chicago Pile-1 , и был участником Манхэттенского проекта . Его называли «архитектором ядерного века » [1] и «архитектором атомной бомбы». [2] Он был одним из немногих физиков, преуспевших как в теоретической, так и в экспериментальной физике . Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике 1938 года за свою работу по индуцированной радиоактивности нейтронной бомбардировкой и за открытие трансурановых элементов . Вместе со своими коллегами Ферми подал несколько патентов, связанных с использованием ядерной энергии, все из которых были переданы правительству США. Он внес значительный вклад в развитие статистической механики , квантовой теории , ядерной физики и физики элементарных частиц .
Первый крупный вклад Ферми касался области статистической механики. После того, как Вольфганг Паули сформулировал свой принцип исключения в 1925 году, Ферми опубликовал статью, в которой применил этот принцип к идеальному газу , используя статистическую формулировку, теперь известную как статистика Ферми–Дирака . Сегодня частицы, подчиняющиеся принципу исключения, называются « фермионами ». Позже Паули постулировал существование незаряженной невидимой частицы, испускаемой вместе с электроном во время бета-распада , чтобы удовлетворить закону сохранения энергии . Ферми подхватил эту идею, разработав модель, которая включала постулированную частицу, которую он назвал « нейтрино ». Его теория, позже названная взаимодействием Ферми , а теперь называемая слабым взаимодействием , описывала одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. С помощью экспериментов по индукции радиоактивности с недавно открытым нейтроном Ферми обнаружил, что медленные нейтроны легче захватываются атомными ядрами , чем быстрые, и он разработал уравнение возраста Ферми , чтобы описать это. После бомбардировки тория и урана медленными нейтронами он пришел к выводу, что создал новые элементы. Хотя за это открытие ему была присуждена Нобелевская премия, позже выяснилось, что новые элементы являются продуктами ядерного деления .
Ферми покинул Италию в 1938 году, чтобы избежать новых итальянских расовых законов , которые затронули его еврейскую жену Лору Капон . Он эмигрировал в Соединенные Штаты, где работал над Манхэттенским проектом во время Второй мировой войны. Ферми возглавлял команду в Чикагском университете , которая спроектировала и построила Чикагскую поленницу-1, которая вышла из строя 2 декабря 1942 года, продемонстрировав первую созданную человеком самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию . Он был рядом, когда графитовый реактор X-10 в Оук-Ридже, штат Теннесси, вышел из строя в 1943 году, и когда реактор B на площадке в Хэнфорде сделал то же самое в следующем году. В Лос-Аламосе он возглавлял Отделение F, часть которого работала над термоядерной бомбой Эдварда Теллера « Супер » . Он присутствовал на испытании Тринити 16 июля 1945 года, первом испытании полного взрыва ядерной бомбы, где он использовал свой метод Ферми для оценки мощности бомбы.
После войны он помог основать Институт ядерных исследований в Чикаго и входил в состав Генерального консультативного комитета под председательством Дж. Роберта Оппенгеймера , который консультировал Комиссию по атомной энергии по ядерным вопросам. После взрыва первой советской атомной бомбы в августе 1949 года он решительно выступил против разработки водородной бомбы как по моральным, так и по техническим соображениям. Он был среди ученых, которые свидетельствовали в пользу Оппенгеймера на слушаниях 1954 года , которые привели к отказу в допуске Оппенгеймера к секретной информации.
Ферми проделал важную работу в области физики элементарных частиц, особенно связанную с пионами и мюонами , и предположил, что космические лучи возникают, когда вещество ускоряется магнитными полями в межзвездном пространстве. Многие награды, концепции и учреждения названы в честь Ферми , включая Ферми 1 (реактор-размножитель), Ядерную генерирующую станцию имени Энрико Ферми , Премию Энрико Ферми , Институт Энрико Ферми , Национальную ускорительную лабораторию имени Ферми (Fermilab) , Космический гамма-телескоп Ферми , парадокс Ферми и синтетический элемент фермий , что делает его одним из 16 ученых, чьи элементы названы в их честь .
Энрико Ферми родился в Риме, Италия, 29 сентября 1901 года. [3] Он был третьим ребенком Альберто Ферми, начальника отдела в Министерстве путей сообщения, и Иды де Гаттис, учительницы начальной школы. [3] [4] [5] Его сестра Мария была на два года старше, его брат Джулио на год старше. После того, как двух мальчиков отправили в сельскую общину на воспитание , Энрико вернулся к своей семье в Риме, когда ему было два с половиной года. [6] Хотя он был крещен католиком в соответствии с желанием своих бабушки и дедушки, его семья не была особенно религиозной; Энрико был агностиком на протяжении всей своей взрослой жизни. [7] В детстве он разделял те же интересы, что и его брат Джулио, строя электродвигатели и играя с электрическими и механическими игрушками. [8] Джулио умер во время операции по удалению абсцесса горла в 1915 году [9] , а Мария погибла в авиакатастрофе недалеко от Милана в 1959 году [10].
На местном рынке в Кампо деи Фиори Ферми нашел книгу по физике, Elementorum physicae mathematicae объемом 900 страниц . Написанная на латыни отцом -иезуитом Андреа Караффой , профессором Колледжо Романо , она представляла математику , классическую механику , астрономию , оптику и акустику , как они понимались на момент ее публикации в 1840 году. [11] [12] Вместе с другом, склонным к науке, Энрико Персико [13], Ферми занимался такими проектами, как создание гироскопов и измерение ускорения силы тяжести Земли . [14]
В 1914 году Ферми, который часто встречался с отцом перед офисом после работы, встретил коллегу своего отца по имени Адольфо Амидей, который часть пути домой проходил пешком с Альберто. Энрико узнал, что Адольфо интересуется математикой и физикой, и воспользовался возможностью задать Адольфо вопрос о геометрии. Адольфо понял, что молодой Ферми имел в виду проективную геометрию , а затем дал ему книгу на эту тему, написанную Теодором Рейе . Два месяца спустя Ферми вернул книгу, решив все задачи, предложенные в конце книги, некоторые из которых Адольфо посчитал сложными. Убедившись в этом, Адольфо почувствовал, что Ферми был «вундеркиндом, по крайней мере, в отношении геометрии», и стал наставлять мальчика, снабдив его еще книгами по физике и математике. Адольфо отметил, что у Ферми очень хорошая память, и поэтому он мог возвращать книги после прочтения, потому что он мог очень хорошо помнить их содержание. [15]
Ферми окончил среднюю школу в июле 1918 года, полностью пропустив третий год. По настоянию Амидея Ферми выучил немецкий язык , чтобы иметь возможность читать многочисленные научные работы, которые были опубликованы на этом языке в то время, и он подал заявление в Scuola Normale Superiore в Пизе . Амидей чувствовал, что Scuola предоставит лучшие условия для развития Ферми, чем Университет Ла Сапиенца в Риме в то время. Потеряв одного сына, родители Ферми с большой неохотой разрешили ему жить в школьных помещениях вдали от Рима в течение четырех лет. [16] [17] Ферми занял первое место на сложном вступительном экзамене, который включал эссе на тему «Особые характеристики звуков»; 17-летний Ферми решил использовать анализ Фурье, чтобы вывести и решить уравнение в частных производных для вибрирующего стержня, и после собеседования с Ферми экзаменатор заявил, что он станет выдающимся физиком. [16] [18]
В Scuola Normale Superiore Ферми подшучивал над своим однокурсником Франко Разетти ; они стали близкими друзьями и соратниками. Ферми получил совет от Луиджи Пуччианти , директора физической лаборатории, который сказал, что он мало чему может научить Ферми, и часто просил Ферми научить его чему-нибудь вместо этого. Знания Ферми в квантовой физике были таковы, что Пуччианти попросил его организовать семинары по этой теме. [19] В это время Ферми изучил тензорное исчисление , метод, являющийся ключом к общей теории относительности . [20] Ферми изначально выбрал математику в качестве своей специальности, но вскоре переключился на физику. Он оставался в значительной степени самоучкой, изучая общую теорию относительности, квантовую механику и атомную физику . [21]
В сентябре 1920 года Ферми был принят на физический факультет. Поскольку на факультете было всего три студента — Ферми, Разетти и Нелло Каррара — Пуччианти позволил им свободно использовать лабораторию для любых целей, которые они выберут. Ферми решил, что они должны исследовать рентгеновскую кристаллографию , и все трое работали над созданием фотографии Лауэ — рентгеновской фотографии кристалла. [22] В 1921 году, на третьем году обучения в университете, Ферми опубликовал свои первые научные работы в итальянском журнале Nuovo Cimento . Первая была озаглавлена «О динамике жесткой системы электрических зарядов в поступательном движении» ( Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio ). Знаком грядущих событий стало то, что масса была выражена в виде тензора — математической конструкции, обычно используемой для описания чего-либо движущегося и изменяющегося в трехмерном пространстве. В классической механике масса является скалярной величиной, но в теории относительности она изменяется со скоростью. Вторая работа называлась «Об электростатике однородного гравитационного поля электромагнитных зарядов и о весе электромагнитных зарядов» ( Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche ). Используя общую теорию относительности, Ферми показал, что заряд имеет вес, равный U/c 2 , где U — электростатическая энергия системы, а c — скорость света . [21]
Первая статья, казалось, указывала на противоречие между электродинамической и релятивистской теориями относительно расчета электромагнитных масс, поскольку первая предсказывала значение 4/3 U/c2 . Ферми обратился к этому вопросу в следующем году в статье «О противоречии между электродинамической и релятивистской теориями электромагнитной массы», в которой он показал, что кажущееся противоречие было следствием относительности. Эта статья была достаточно хорошо принята, чтобы быть переведенной на немецкий язык и опубликованной в немецком научном журнале Physikalische Zeitschrift в 1922 году. [23] В том же году Ферми представил свою статью «О явлениях, происходящих вблизи мировой линии » ( Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria ) в итальянский журнал I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei . В этой статье он рассмотрел принцип эквивалентности и ввел так называемые « координаты Ферми ». Он доказал, что на мировой линии, близкой к линии времени, пространство ведет себя так, как если бы оно было евклидовым пространством . [24] [25]
Ферми представил свою диссертацию «Теорема о вероятности и некоторые ее приложения» ( Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni ) в Высшую нормальную школу в июле 1922 года и получил laurea в необычно молодом возрасте 20 лет. Диссертация была посвящена рентгеновским дифракционным изображениям. Теоретическая физика еще не считалась дисциплиной в Италии, и единственной диссертацией, которая была бы принята, была экспериментальная физика . По этой причине итальянские физики не спешили принимать новые идеи, такие как теория относительности, пришедшие из Германии. Поскольку Ферми чувствовал себя как дома в лаборатории, занимаясь экспериментальной работой, это не представляло для него непреодолимых проблем. [25]
При написании приложения к итальянскому изданию книги « Основы теории относительности Эйнштейна» Августа Копфа в 1923 году Ферми был первым, кто указал на то, что внутри уравнения Эйнштейна ( E = mc2 ) скрыто огромное количество потенциальной ядерной энергии, которую можно было бы использовать. [26] «Кажется, что невозможно, по крайней мере в ближайшем будущем», — писал он, «найти способ высвободить эти ужасные количества энергии — что, конечно, к лучшему, поскольку первым эффектом взрыва такого ужасного количества энергии было бы разбивание вдребезги физика, который имел несчастье найти способ сделать это». [25]
В 1924 году Ферми был посвящён в масонскую ложу «Адриано Лемми» Великого Востока Италии . [27]
В 1923–1924 годах Ферми провел семестр, обучаясь у Макса Борна в Геттингенском университете , где познакомился с Вернером Гейзенбергом и Паскуалем Йорданом . Затем Ферми учился в Лейдене у Пауля Эренфеста с сентября по декабрь 1924 года по стипендии от Фонда Рокфеллера, полученной благодаря посредничеству математика Вито Вольтерры . Здесь Ферми познакомился с Хендриком Лоренцом и Альбертом Эйнштейном , а также подружился с Сэмюэлем Гоудсмитом и Яном Тинбергеном . С января 1925 года по конец 1926 года Ферми преподавал математическую физику и теоретическую механику во Флорентийском университете , где он объединился с Разетти для проведения серии экспериментов по воздействию магнитных полей на пары ртути. Он также принимал участие в семинарах в Римском университете Ла Сапиенца, читая лекции по квантовой механике и физике твердого тела . [28] Читая лекции по новой квантовой механике, основанной на замечательной точности предсказаний уравнения Шредингера, Ферми часто говорил: «Нечего ему так хорошо соответствовать!» [29]
После того, как Вольфганг Паули объявил о своем принципе исключения в 1925 году, Ферми ответил статьей «О квантовании совершенного одноатомного газа» ( Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico ), в которой он применил принцип исключения к идеальному газу. Статья была особенно примечательна статистической формулировкой Ферми, которая описывает распределение частиц в системах многих идентичных частиц , подчиняющихся принципу исключения. Вскоре после этого ее независимо разработал британский физик Поль Дирак , который также показал, как она связана со статистикой Бозе-Эйнштейна . Соответственно, теперь она известна как статистика Ферми-Дирака . [30] После Дирака частицы, подчиняющиеся принципу исключения, сегодня называются « фермионами », а те, которые не подчиняются, называются « бозонами ». [31]
Профессорские должности в Италии предоставлялись по конкурсу ( concorso ) на вакантную кафедру, кандидаты оценивались по их публикациям комитетом профессоров. Ферми подал заявку на кафедру математической физики в Университете Кальяри на Сардинии , но его кандидатуру едва обошли в пользу Джованни Джорджи . [32] В 1926 году в возрасте 24 лет он подал заявку на профессорскую должность в Римском университете Ла Сапиенца. Это была новая кафедра, одна из первых трех по теоретической физике в Италии, которая была создана министром образования по настоянию профессора Орсо Марио Корбино , который был профессором экспериментальной физики университета, директором Института физики и членом кабинета Бенито Муссолини . Корбино, который также возглавлял отборочную комиссию, надеялся, что новая кафедра поднимет стандарт и репутацию физики в Италии. [33] Комитет выбрал Ферми вместо Энрико Персико и Альдо Понтремоли , [34] и Корбино помог Ферми набрать свою команду, к которой вскоре присоединились такие известные студенты, как Эдоардо Амальди , Бруно Понтекорво , Этторе Майорана и Эмилио Сегре , а также Франко Разетти, которого Ферми назначил своим помощником. [35] Вскоре их прозвали « мальчиками с Виа Панисперна » в честь улицы, где находился Институт физики. [36]
Ферми женился на Лауре Капон , студентке естественнонаучного факультета университета, 19 июля 1928 года. [37] У них было двое детей: Нелла, родившаяся в январе 1931 года, и Джулио, родившийся в феврале 1936 года. [38] 18 марта 1929 года Ферми был назначен членом Королевской академии Италии Муссолини, а 27 апреля он вступил в Фашистскую партию . Позже он выступил против фашизма, когда в 1938 году Муссолини обнародовал расовые законы , чтобы идеологически приблизить итальянский фашизм к немецкому нацизму . Эти законы угрожали Лауре, которая была еврейкой, и оставили без работы многих научных сотрудников Ферми. [39] [40] [41] [42] [43]
Во время своего пребывания в Риме Ферми и его группа внесли важный вклад во многие практические и теоретические аспекты физики. В 1928 году он опубликовал свое «Введение в атомную физику» ( Introduzione alla fisica atomica ), которое предоставило итальянским студентам университетов современный и доступный текст. Ферми также проводил публичные лекции и писал популярные статьи для ученых и преподавателей, чтобы как можно шире распространять знания о новой физике. [44] Частью его метода обучения было собирать своих коллег и аспирантов вместе в конце дня и обсуждать проблему, часто из его собственных исследований. [44] [45] Признаком успеха было то, что теперь в Италию начали приезжать иностранные студенты. Самым известным из них был немецкий физик Ганс Бете , [46] который приехал в Рим в качестве стипендиата Фонда Рокфеллера и сотрудничал с Ферми в работе 1932 года «О взаимодействии двух электронов» ( нем . Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen ). [47] [44]
В это время физики были озадачены бета-распадом , при котором электрон испускается из атомного ядра . Чтобы удовлетворить закону сохранения энергии , Паули постулировал существование невидимой частицы без заряда и с небольшой массой или без нее, которая также испускалась в то же время. Ферми взял эту идею на вооружение и развил ее в предварительной статье в 1933 году, а затем в более длинной статье в следующем году, включавшей постулированную частицу, которую Ферми назвал « нейтрино ». [48] [49] [50] Его теория, позже названная взаимодействием Ферми , а еще позже — теорией слабого взаимодействия , описывала одну из четырех фундаментальных сил природы . Нейтрино было обнаружено после его смерти, и его теория взаимодействия показала, почему его было так трудно обнаружить. Когда он представил свою статью в британский журнал Nature , редактор этого журнала отклонил ее, потому что она содержала предположения, которые были «слишком далеки от физической реальности, чтобы представлять интерес для читателей». [49] По словам биографа Ферми Дэвида Н. Шварца, по меньшей мере странно, что Ферми всерьез просил о публикации в журнале, поскольку в то время Nature публиковал только короткие заметки о статьях такого рода и не подходил для публикации даже новой физической теории. Более подходящими, если вообще подходили, были бы Труды Лондонского королевского общества . Он согласен с гипотезой некоторых ученых, согласно которой отказ от британского журнала убедил его молодых коллег (некоторые из них были евреями и левыми) отказаться от бойкота немецких научных журналов после прихода Гитлера к власти в январе 1933 года. [51] Таким образом, Ферми увидел, как теория была опубликована на итальянском и немецком языках, прежде чем она была опубликована на английском языке. [35]
Во введении к английскому переводу 1968 года физик Фред Л. Уилсон отметил, что:
Теория Ферми, помимо поддержки предложения Паули о нейтрино, имеет особое значение в истории современной физики. Следует помнить, что на момент предложения теории были известны только естественные β-излучатели. Позже, когда был открыт распад позитрона, этот процесс был легко включен в первоначальную структуру Ферми. На основе его теории был предсказан и в конечном итоге обнаружен захват орбитального электрона ядром. Со временем экспериментальные данные значительно накопились. Хотя особенности β-распада наблюдались много раз, теория Ферми всегда была на высоте.
Последствия теории Ферми огромны. Например, β-спектроскопия была утверждена как мощный инструмент для изучения ядерной структуры. Но, возможно, наиболее влиятельным аспектом этой работы Ферми является то, что его особая форма β-взаимодействия установила закономерность, которая оказалась подходящей для изучения других типов взаимодействий. Это была первая успешная теория создания и уничтожения материальных частиц. Ранее было известно, что создаются и уничтожаются только фотоны. [50]
В январе 1934 года Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио объявили, что они бомбардировали элементы альфа-частицами и вызывали в них радиоактивность . [52] [53] К марту помощник Ферми Джан-Карло Вик дал теоретическое объяснение, используя теорию бета-распада Ферми. Ферми решил перейти к экспериментальной физике, используя нейтрон , который Джеймс Чедвик открыл в 1932 году . [54] В марте 1934 года Ферми хотел проверить, сможет ли он вызвать радиоактивность с помощью полоний - бериллиевого источника нейтронов Разетти . Нейтроны не имели электрического заряда, и поэтому не отклонялись положительно заряженным ядром. Это означало, что им требовалось гораздо меньше энергии для проникновения в ядро, чем заряженным частицам, и поэтому им не требовался ускоритель частиц , которого у мальчиков с Виа Панисперна не было. [55] [56]
У Ферми возникла идея заменить полоний-бериллиевый источник нейтронов на радон -бериллиевый, который он создал, заполнив стеклянную колбу порошком бериллия, откачав воздух, а затем добавив 50 м Ки радонового газа, предоставленного Джулио Чезаре Трабакки . [57] [58] Это создало гораздо более сильный источник нейтронов, эффективность которого снижалась с периодом полураспада радона 3,8 дня. Он знал, что этот источник также будет испускать гамма-лучи , но, основываясь на своей теории, он считал, что это не повлияет на результаты эксперимента. Он начал с бомбардировки платины , элемента с высоким атомным номером , который был легко доступен, но безуспешно. Он обратился к алюминию , который испускал альфа-частицу и производил натрий , который затем распадался на магний путем испускания бета-частицы. Он попробовал свинец , но безуспешно, а затем фтор в форме фторида кальция , который испускал альфа-частицу и производил азот , распадающийся на кислород посредством испускания бета-частицы. Всего он вызвал радиоактивность в 22 различных элементах. [59] Ферми быстро сообщил об открытии нейтронно-индуцированной радиоактивности в итальянском журнале La Ricerca Scientifica 25 марта 1934 года. [58] [60] [61]
Естественная радиоактивность тория и урана затрудняла определение того, что происходило, когда эти элементы бомбардировались нейтронами, но после правильного исключения присутствия элементов легче урана, но тяжелее свинца, Ферми пришел к выводу, что они создали новые элементы, которые он назвал аузений и гесперий . [62] [56] Химик Ида Ноддак предположила, что некоторые из экспериментов могли производить более легкие элементы, чем свинец, а не новые, более тяжелые элементы. Ее предложение не было воспринято всерьез в то время, потому что ее команда не проводила никаких экспериментов с ураном и не построила теоретическую основу для этой возможности. В то время деление считалось маловероятным, если не невозможным по теоретическим соображениям. В то время как физики ожидали, что элементы с более высокими атомными номерами будут образовываться в результате бомбардировки нейтронами более легких элементов, никто не ожидал, что нейтроны будут иметь достаточно энергии, чтобы разделить более тяжелый атом на два фрагмента легких элементов так, как предполагал Ноддак. [63] [62]
Мальчики с Виа Панисперна также заметили некоторые необъяснимые эффекты. Эксперимент, казалось, работал лучше на деревянном столе, чем на мраморной столешнице. Ферми вспомнил, что Жолио-Кюри и Чедвик заметили, что парафиновый воск эффективен в замедлении нейтронов, поэтому он решил попробовать это. Когда нейтроны пропускались через парафиновый воск, они вызывали в сто раз больше радиоактивности в серебре по сравнению с тем, когда его бомбардировали без парафина. Ферми предположил, что это было связано с атомами водорода в парафине. Атомы в дереве аналогичным образом объясняли разницу между деревянными и мраморными столешницами. Это было подтверждено повторением эффекта с водой. Он пришел к выводу, что столкновения с атомами водорода замедляют нейтроны. [64] [56] Чем ниже атомный номер ядра, с которым он сталкивается, тем больше энергии теряет нейтрон за столкновение, и, следовательно, тем меньше столкновений требуется для замедления нейтрона на заданную величину. [65] Ферми понял, что это вызвало большую радиоактивность, потому что медленные нейтроны были более легко захвачены, чем быстрые. Он разработал уравнение диффузии , чтобы описать это, которое стало известно как уравнение возраста Ферми . [64] [56]
В 1938 году Ферми получил Нобелевскую премию по физике в возрасте 37 лет за «демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, полученных путем нейтронного облучения, и за связанное с этим открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами». [66] После того, как Ферми получил премию в Стокгольме , он не вернулся домой в Италию, а вместо этого продолжил жить в Нью-Йорке со своей семьей в декабре 1938 года, где они подали заявление на постоянное место жительства. Решение переехать в Америку и стать гражданами США было обусловлено в первую очередь расовыми законами в Италии. [39] [67]
Ферми прибыл в Нью-Йорк 2 января 1939 года. [68] Ему сразу же предложили должности в пяти университетах, и он принял одну в Колумбийском университете , [69] где он уже читал летние лекции в 1936 году. [70] Он получил известие, что в декабре 1938 года немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили элемент барий после бомбардировки урана нейтронами, [71] что Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Фриш правильно интерпретировали как результат ядерного деления . Фриш подтвердил это экспериментально 13 января 1939 года. [72] [73] Новость о том, что Мейтнер и Фриш интерпретировали открытие Гана и Штрассмана, пересекла Атлантику с Нильсом Бором , который должен был читать лекции в Принстонском университете . Исидор Айзек Раби и Уиллис Лэмб , два физика из Колумбийского университета, работающие в Принстоне, узнали об этом и привезли это обратно в Колумбию. Раби сказал, что рассказал Энрико Ферми, но Ферми позже отдал должное Лэмбу: [74]
Я очень хорошо помню первый месяц, январь 1939 года, когда я начал работать в Pupin Laboratories, потому что все стало происходить очень быстро. В тот период Нильс Бор был на лекционном мероприятии в Принстонском университете, и я помню, как однажды днем Уиллис Лэмб вернулся очень взволнованным и сказал, что Бор выдал замечательную новость. Замечательная новость, которая выдала, была открытием деления и, по крайней мере, наброском его интерпретации. Затем, несколько позже в том же месяце, в Вашингтоне состоялась встреча, на которой впервые в полушутливой серьезности обсуждалась возможная важность недавно открытого явления деления как возможного источника ядерной энергии . [75]
В конце концов, Ноддак оказался прав. Ферми отверг возможность деления на основе своих расчетов, но он не учел энергию связи , которая появится, когда нуклид с нечетным числом нейтронов поглотит дополнительный нейтрон. [63] Для Ферми эта новость стала глубоким смущением, поскольку трансурановые элементы , за открытие которых он частично был удостоен Нобелевской премии, были вовсе не трансурановыми элементами, а продуктами деления . Он добавил сноску по этому поводу в свою речь при получении Нобелевской премии. [74] [76]
Ученые в Колумбии решили, что им следует попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при ядерном делении урана при бомбардировке нейтронами. 25 января 1939 года в подвале Pupin Hall в Колумбии экспериментальная группа, включавшая Ферми, провела первый эксперимент по ядерному делению в Соединенных Штатах. Другими членами группы были Герберт Л. Андерсон , Юджин Т. Бут , Джон Р. Даннинг , Г. Норрис Глэсо и Фрэнсис Г. Слэк . [77] На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия, началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Института Карнеги в Вашингтоне . Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, способствуя проведению многих других экспериментальных демонстраций. [78]
Французские ученые Ганс фон Хальбан , Лев Коварски и Фредерик Жолио-Кюри продемонстрировали, что уран, бомбардируемый нейтронами, испускает больше нейтронов, чем поглощает, что предполагает возможность цепной реакции. [79] Ферми и Андерсон сделали то же самое несколько недель спустя. [80] [81] Лео Силард получил 200 килограммов (440 фунтов) оксида урана от канадского производителя радия Eldorado Gold Mines Limited , что позволило Ферми и Андерсону проводить эксперименты с делением в гораздо больших масштабах. [82] Ферми и Силард сотрудничали в разработке устройства для достижения самоподдерживающейся ядерной реакции — ядерного реактора . Из-за скорости поглощения нейтронов водородом в воде было маловероятно, что самоподдерживающаяся реакция может быть достигнута с природным ураном и водой в качестве замедлителя нейтронов . Ферми предположил, основываясь на своей работе с нейтронами, что реакция может быть достигнута с блоками оксида урана и графитом в качестве замедлителя вместо воды. Это уменьшило бы скорость захвата нейтронов и в теории сделало бы возможной самоподдерживающуюся цепную реакцию. Сцилард придумал работоспособную конструкцию: кучу блоков оксида урана, перемежающихся графитовыми кирпичами. [83] Сцилард, Андерсон и Ферми опубликовали статью на тему «Производство нейтронов в уране». [82] Но их рабочие привычки и личности были разными, и у Ферми возникли трудности с работой с Сцилардом. [84]
Ферми был одним из первых, кто предупредил военных лидеров о потенциальном влиянии ядерной энергии, прочитав лекцию на эту тему в Военно-морском департаменте 18 марта 1939 года. Ответ оказался не таким, на какой он надеялся, хотя ВМС согласились выделить 1500 долларов на дальнейшие исследования в Колумбии. [85] Позже в том же году Силард, Юджин Вигнер и Эдвард Теллер отправили президенту США Франклину Д. Рузвельту письмо, подписанное Эйнштейном , в котором предупреждали, что нацистская Германия , вероятно, создаст атомную бомбу . В ответ Рузвельт сформировал Консультативный комитет по урану для расследования этого вопроса. [86]
Консультативный комитет по урану предоставил Ферми деньги на покупку графита, [87] и он построил кучу графитовых кирпичей на седьмом этаже лаборатории Пупин-Холла. [88] К августу 1941 года у него было шесть тонн оксида урана и тридцать тонн графита, которые он использовал для строительства еще большей кучи в Шермерхорн-Холле в Колумбийском университете. [89]
Секция S-1 Управления научных исследований и разработок , как теперь назывался Консультативный комитет по урану, собралась 18 декабря 1941 года, когда США были заняты Второй мировой войной , что делало его работу срочной. Большая часть усилий, спонсируемых комитетом, была направлена на производство обогащенного урана , но член комитета Артур Комптон определил, что приемлемой альтернативой является плутоний , который можно было бы массово производить в ядерных реакторах к концу 1944 года. [90] Он решил сосредоточить работу по плутонию в Чикагском университете . Ферми неохотно переехал, и его команда стала частью новой Металлургической лаборатории там. [91]
Возможные результаты самоподдерживающейся ядерной реакции были неизвестны, поэтому казалось нецелесообразным строить первый ядерный реактор в кампусе Чикагского университета в центре города. Комптон нашел место в лесном заповеднике Аргоннские леса, примерно в 20 милях (32 км) от Чикаго. Компания Stone & Webster получила контракт на разработку площадки, но работа была остановлена промышленным спором. Затем Ферми убедил Комптона, что он может построить реактор на корте для сквоша под трибунами стадиона Stagg Field Чикагского университета . Строительство котла началось 6 ноября 1942 года, а Чикагский котлован-1 достиг критического состояния 2 декабря. [92] Форма котла должна была быть примерно сферической, но по мере продолжения работ Ферми подсчитал, что критичности можно было достичь и без завершения всего котла, как планировалось. [93]
Этот эксперимент стал важной вехой в поисках энергии, и он был типичен для подхода Ферми. Каждый шаг был тщательно спланирован, и каждый расчет был выполнен дотошно. [92] Когда была получена первая самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция, Комптон сделал закодированный телефонный звонок Джеймсу Б. Конанту , председателю Национального комитета по оборонным исследованиям .
Я поднял трубку и позвонил Конанту. Его дозвонили в офис президента в Гарвардском университете . «Джим», сказал я, «тебе будет интересно узнать, что итальянский мореплаватель только что высадился в новом свете». Затем, наполовину извиняясь, поскольку я заставил Комитет СЛ поверить, что пройдет еще неделя или больше, прежде чем куча будет достроена, я добавил: «Земля оказалась не такой большой, как он предполагал, и он прибыл в новый свет раньше, чем ожидал».
«Это так?» — был взволнованный ответ Конанта. «Аборигены были дружелюбны?»
«Все приземлились в целости и сохранности». [94]
Чтобы продолжить исследования там, где они не представляли бы опасности для здоровья населения, реактор был разобран и перенесен в Аргоннский лес. Там Ферми руководил экспериментами по ядерным реакциям, наслаждаясь возможностями, предоставляемыми обильным производством реактором свободных нейтронов. [95] Вскоре лаборатория перешла от физики и инженерии к использованию реактора для биологических и медицинских исследований. Первоначально Аргонн управлялся Ферми как часть Чикагского университета, но в мае 1944 года он стал отдельным образованием, а Ферми стал его директором. [96]
Когда 4 ноября 1943 года в Оук-Ридже графитовый реактор X-10 с воздушным охлаждением вышел на критический уровень, Ферми был рядом на всякий случай, если что-то пойдет не так. Техники разбудили его пораньше, чтобы он мог увидеть, как это произойдет. [97] Ввод X-10 в эксплуатацию стал еще одной вехой в плутониевом проекте. Он предоставил данные о конструкции реактора, обучении персонала DuPont эксплуатации реактора и произвел первые небольшие количества плутония, выращенного в реакторе. [98] Ферми стал гражданином США в июле 1944 года, в самую раннюю дату, разрешенную законом. [99]
В сентябре 1944 года Ферми вставил первую заготовку уранового топлива в реактор B на площадке в Хэнфорде , производственный реактор, предназначенный для производства плутония в больших количествах. Как и X-10, он был разработан командой Ферми в Металлургической лаборатории и построен компанией DuPont, но был намного больше и имел водяное охлаждение. В течение следующих нескольких дней было загружено 838 труб, и реактор вышел на критический уровень. Вскоре после полуночи 27 сентября операторы начали извлекать стержни управления , чтобы начать производство. Сначала все казалось хорошо, но около 03:00 уровень мощности начал падать, и к 06:30 реактор полностью остановился. Армия и DuPont обратились за ответами к команде Ферми. Охлаждающая вода была исследована на предмет утечки или загрязнения. На следующий день реактор внезапно снова запустился, но через несколько часов снова остановился. Проблема была связана с отравлением нейтронами ксенона -135 или Xe-135, продукта деления с периодом полураспада от 9,1 до 9,4 часов. Ферми и Джон Уилер оба пришли к выводу, что Xe-135 был ответственен за поглощение нейтронов в реакторе, тем самым саботируя процесс деления. Коллега Эмилио Сегре порекомендовал Ферми обратиться к Цзянь-Шюн У , поскольку она готовила печатный проект по этой теме для публикации в Physical Review . [100] Прочитав проект, Ферми и ученые подтвердили свои подозрения: Xe-135 действительно поглощал нейтроны, на самом деле он имел огромное нейтронное сечение. [101] [102] [103] DuPont отклонился от первоначального проекта Металлургической лаборатории, в котором реактор имел 1500 трубок, расположенных по кругу, и добавил 504 трубки, чтобы заполнить углы. Первоначально ученые считали, что это чрезмерное проектирование — пустая трата времени и денег, но Ферми понял, что если загрузить все 2004 трубки, реактор сможет достичь необходимого уровня мощности и эффективно производить плутоний. [104] [105]
В апреле 1943 года Ферми поднял вопрос с Робертом Оппенгеймером о возможности использования радиоактивных побочных продуктов обогащения для заражения немецкого продовольствия. Причиной послужили опасения, что немецкий проект атомной бомбы уже находился на продвинутой стадии, и Ферми также скептически относился к тому, что атомная бомба может быть разработана достаточно быстро. Оппенгеймер обсудил «многообещающее» предложение с Эдвардом Теллером, который предложил использовать стронций-90 . Джеймс Б. Конант и Лесли Гроувс также были проинформированы, но Оппенгеймер хотел приступить к реализации плана только в том случае, если достаточное количество продуктов питания будет заражено оружием, чтобы убить полмиллиона человек. [106]
В середине 1944 года Оппенгеймер убедил Ферми присоединиться к его проекту Y в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико . [107] Прибыв в сентябре, Ферми был назначен заместителем директора лаборатории, с широкой ответственностью за ядерную и теоретическую физику, и был поставлен во главе отдела F, который был назван в его честь. Отдел F имел четыре отделения: F-1 Super и Общая теория под руководством Теллера, который исследовал «супер» (термоядерную) бомбу ; F-2 Water Boiler под руководством Л. Д. П. Кинга, который следил за водным гомогенным исследовательским реактором «водяной котел» ; F-3 Super Experimentation под руководством Эгона Бретшера ; и F-4 Fission Studies под руководством Андерсона. [108] Ферми наблюдал за испытанием Trinity 16 июля 1945 года и провел эксперимент по оценке мощности бомбы, бросая полоски бумаги во взрывную волну. Он измерил расстояние, на которое их унесло взрывом, и рассчитал мощность в десять килотонн тротила; фактическая мощность составила около 18,6 килотонн. [109]
Вместе с Оппенгеймером, Комптоном и Эрнестом Лоуренсом Ферми входил в состав научной группы, которая консультировала Временный комитет по выбору целей. Группа согласилась с комитетом, что атомные бомбы будут использоваться без предупреждения против промышленной цели. [110] Как и другие в Лос-Аламосской лаборатории, Ферми узнал об атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки из системы оповещения в технической зоне. Ферми не верил, что атомные бомбы удержат страны от развязывания войн, и не считал, что настало время для мирового правительства . Поэтому он не вступил в Ассоциацию ученых Лос-Аламоса . [111]
Ферми стал почетным профессором физики имени Чарльза Г. Свифта в Чикагском университете 1 июля 1945 года [112] , хотя он не покидал Лос-Аламосскую лабораторию со своей семьей до 31 декабря 1945 года. [113] Он был избран членом Национальной академии наук США в 1945 году. [114] Металлургическая лаборатория стала Аргоннской национальной лабораторией 1 июля 1946 года, первой из национальных лабораторий, созданных Манхэттенским проектом. [115] Небольшое расстояние между Чикаго и Аргоном позволило Ферми работать в обоих местах. В Аргонне он продолжил экспериментальную физику, исследуя рассеяние нейтронов с Леоной Маршалл . [116] Он также обсуждал теоретическую физику с Марией Майер , помогая ей развивать понимание спин-орбитальной связи , что привело к получению ею Нобелевской премии. [117]
Манхэттенский проект был заменен Комиссией по атомной энергии (AEC) 1 января 1947 года. [118] Ферми работал в Генеральном консультативном комитете AEC, влиятельном научном комитете под председательством Роберта Оппенгеймера. [119] Он также любил проводить несколько недель каждый год в Лос-Аламосской национальной лаборатории, [120] где он сотрудничал с Николасом Метрополисом , [121] и с Джоном фон Нейманом по неустойчивости Рэлея-Тейлора , науке о том, что происходит на границе между двумя жидкостями разной плотности. [122]
После взрыва первой советской атомной бомбы в августе 1949 года Ферми вместе с Исидором Раби написали для комитета отчет, составленный в жестких выражениях, в котором выступили против разработки водородной бомбы по моральным и техническим соображениям. [123] Тем не менее, Ферми продолжал участвовать в работе над водородной бомбой в Лос-Аламосе в качестве консультанта. Вместе со Станиславом Уламом он подсчитал, что не только количество трития, необходимое для модели термоядерного оружия Теллера, будет непомерно большим, но и реакция синтеза все равно не сможет распространяться даже при таком большом количестве трития. [124] Ферми был среди ученых, которые свидетельствовали в пользу Оппенгеймера на слушаниях по делу Оппенгеймера в 1954 году, которые привели к отказу в допуске Оппенгеймера к секретной информации. [125]
В последние годы своей жизни Ферми продолжал преподавать в Чикагском университете, где он был основателем того, что позже стало Институтом Энрико Ферми . Среди его аспирантов в послевоенный период были Оуэн Чемберлен , Джеффри Чу , Джером Фридман , Марвин Голдбергер , Цунг-Дао Ли , Артур Розенфельд и Сэм Трейман . [126] [76] Джек Стейнбергер был аспирантом, а Милдред Дрессельхаус находилась под сильным влиянием Ферми в течение года, когда она пересекалась с ним в качестве аспиранта. [127] [128] Ферми провел важные исследования в области физики элементарных частиц, особенно связанные с пионами и мюонами . Он сделал первые предсказания пион- нуклонного резонанса, [121] полагаясь на статистические методы , поскольку он рассуждал, что точные ответы не требуются, когда теория в любом случае неверна. [129] В статье, написанной в соавторстве с Чэнь Нин Яном , он предположил, что пионы на самом деле могут быть составными частицами. [130] Идея была разработана Шоичи Сакатой . С тех пор она была вытеснена кварковой моделью , в которой пион состоит из кварков, что дополнило модель Ферми и подтвердило его подход. [131]
Ферми написал статью «О происхождении космической радиации », в которой он предположил, что космические лучи возникают из-за ускорения материи магнитными полями в межзвездном пространстве, что привело к разногласиям с Теллером. [129] Ферми исследовал вопросы, связанные с магнитными полями в рукавах спиральной галактики . [132] Он размышлял о том, что сейчас называют « парадоксом Ферми »: противоречии между предполагаемой вероятностью существования внеземной жизни и тем фактом, что контакт не был установлен. [133]
К концу своей жизни Ферми усомнился в своей вере в общество в целом, чтобы сделать мудрый выбор в отношении ядерных технологий. Он сказал:
Некоторые из вас могут спросить, какой смысл так усердно работать, чтобы просто собрать несколько фактов, которые не принесут удовольствия никому, кроме нескольких длинноволосых профессоров, которые любят собирать такие вещи, и не принесут пользы никому, потому что только немногие специалисты в лучшем случае смогут их понять? В ответ на такой вопрос(ы) я могу рискнуть сделать довольно безопасное предсказание.
История науки и техники последовательно учила нас, что научные достижения в базовом понимании рано или поздно приводили к техническим и промышленным приложениям, которые революционизировали наш образ жизни. Мне кажется невероятным, что эта попытка добраться до структуры материи должна быть исключением из этого правила. Менее определенно, и на что мы все горячо надеемся, так это то, что человек вскоре станет достаточно взрослым, чтобы хорошо использовать власть, которую он приобретает над природой. [134]
Ферми перенес так называемую « исследовательскую » операцию в госпитале Billings Memorial Hospital в октябре 1954 года, после чего вернулся домой. Пятьдесят дней спустя он умер от неоперабельного рака желудка у себя дома в Чикаго. Ему было 53 года. [2] Ферми подозревал, что работа вблизи ядерного реактора сопряжена с большим риском, но он продолжал, потому что чувствовал, что выгоды перевешивают риски для его личной безопасности. Двое его аспирантов-ассистентов, работавших вблизи реактора, также умерли от рака. [135]
Поминальная служба прошла в часовне Чикагского университета , где коллеги Сэмюэл К. Эллисон , Эмилио Сегре и Герберт Л. Андерсон выступили с речью, чтобы почтить память одного из «самых блестящих и продуктивных физиков мира». [136] Его тело было похоронено на кладбище Оук-Вудс , где состоялась частная погребальная служба для ближайших родственников под председательством лютеранского капеллана. [137]
Ферми получил множество наград в знак признания его достижений, включая медаль Маттеуччи в 1926 году, Нобелевскую премию по физике в 1938 году, медаль Хьюза в 1942 году, медаль Франклина в 1947 году и премию Рамфорда в 1953 году. В 1946 году он был награжден медалью «За заслуги» за вклад в Манхэттенский проект. [138] Ферми был избран членом Американского философского общества в 1939 году и иностранным членом Королевского общества (FRS) в 1950 году . [139] [140] В базилике Санта-Кроче во Флоренции , известной как Храм итальянской славы из-за многочисленных могил художников, ученых и выдающихся деятелей итальянской истории, установлена мемориальная доска в честь Ферми. [141] В 1999 году журнал Time включил Ферми в свой список 100 лучших людей двадцатого века. [142] Ферми широко рассматривался как необычный случай физика 20-го века, который преуспел как в теории, так и в эксперименте. Химик и романист Ч. П. Сноу писал: «Если бы Ферми родился на несколько лет раньше, можно было бы представить, как он открыл атомное ядро Резерфорда, а затем разработал теорию атома водорода Бора . Если это звучит как гипербола, то все, что касается Ферми, вероятно, будет звучать как гипербола». [143]
Ферми был известен как вдохновляющий учитель и был отмечен за его внимание к деталям, простоту и тщательную подготовку своих лекций. [144] Позже его лекции были переписаны в книги. [145] Его статьи и тетради сегодня находятся в Чикагском университете. [146] Виктор Вайскопф отметил, что Ферми «всегда удавалось найти самый простой и прямой подход, с минимумом усложнений и изощрений». [147] Он не любил сложные теории, и хотя у него были большие математические способности, он никогда не использовал их, когда работу можно было сделать гораздо проще. Он был известен тем, что получал быстрые и точные ответы на проблемы, которые ставили в тупик других людей. Позже его метод получения приблизительных и быстрых ответов с помощью вычислений на обороте конверта стал неофициально известен как « метод Ферми » и широко преподается. [148]
Ферми любил отмечать, что когда Алессандро Вольта работал в его лаборатории, Вольта понятия не имел, куда приведет изучение электричества. [149] Ферми обычно помнят за его работу над ядерной энергетикой и ядерным оружием, особенно за создание первого ядерного реактора и разработку первых атомных и водородных бомб. Его научная работа выдержала испытание временем. Сюда входит его теория бета-распада, его работа с нелинейными системами, его открытие эффектов медленных нейтронов, его исследование столкновений пион-нуклон и его статистика Ферми-Дирака. Его предположение о том, что пион не является фундаментальной частицей, указало путь к изучению кварков и лептонов . [150]
Как человек, Ферми казался самой простотой. Он был необычайно энергичен и любил игры и спорт. В таких случаях его амбициозная натура становилась очевидной. Он играл в теннис с большой яростью, а когда поднимался в горы, выступал скорее в роли проводника. Его можно было бы назвать великодушным диктатором. Я помню, как однажды на вершине горы Ферми встал и сказал: «Ну, уже без двух два, давайте все выйдем в два часа»; и, конечно, все встали преданно и послушно. Это лидерство и самоуверенность дали Ферми прозвище «Папы», чьи высказывания были непогрешимы в физике. Однажды он сказал: «Я могу вычислить что угодно в физике с точностью до множителя 2 на нескольких листах; чтобы получить правильный множитель перед формулой, физику может потребоваться год для вычислений, но меня это не интересует». Его лидерство могло зайти так далеко, что это было опасно для независимости человека, работающего с ним. Я помню, как однажды на вечеринке у него дома, когда моя жена резала хлеб, Ферми пришел и сказал, что у него другая философия по поводу резки хлеба, взял нож из руки моей жены и продолжил работу, потому что был убежден, что его собственный метод лучше. Но все это нисколько не оскорбило, а скорее очаровало всех, заставив полюбить Ферми. У него было очень мало интересов вне физики, и когда он однажды услышал, как я играю на пианино Теллера, он признался, что его интерес к музыке ограничивался простыми мелодиями.
— Эгон Бретшер [140]
Имя Ферми носят многие вещи. К ним относятся ускоритель частиц Fermilab и физическая лаборатория в Батавии, штат Иллинойс , которая была переименована в его честь в 1974 году, [151] и космический гамма-телескоп Fermi , который был назван в его честь в 2008 году в знак признания его работы по космическим лучам. [152] В его честь были названы три ядерные реакторные установки: атомные электростанции Fermi 1 и Fermi 2 в Ньюпорте, штат Мичиган , атомная электростанция Enrico Fermi в Трино-Верчеллезе в Италии, [153] и исследовательский реактор RA-1 Enrico Fermi в Аргентине . [154] Синтетический элемент, выделенный из обломков ядерного испытания Ivy Mike 1952 года, был назван фермием в честь вклада Ферми в научное сообщество. [155] [156] Это делает его одним из 16 ученых, чьи элементы были названы в их честь . [157]
С 1956 года Комиссия по атомной энергии США назвала свою высшую награду — Премию Ферми — в его честь. Среди лауреатов премии были Отто Ган, Роберт Оппенгеймер, Эдвард Теллер и Ганс Бете. [158]
Полный список его работ см. на страницах 75–78 в [140] .
Медиа из Commons
Цитаты из Викицитатника
Тексты из Викиресурса
