Розділ без назви (21)

Розділ 10. Звідси й до нескінченності: проливаючи світло на Сонце

Я змагався добрим змагом, свій біг закінчив, віру зберіг.

2 Тимофію 4:7

Фізика Енріко Фермі практично широкий загал не оспівує, проте все одно лишається одним із найвидатніших учених ХХ століття. Вони з Річардом Фейнманом вплинули на мої власні установки й підходи до цієї царини, а також на моє власне її розуміння більше за будь-які інші визначні постаті. Шкода, що я не настільки обдарований, як вони.

Народившись 1901 року, Фермі помер у віці п’ятдесяти трьох років від раку, не виключено, спричиненого його роботою з радіоактивністю. Коли 1954-го він помер, він був на дев’ять років молодший, ніж я зараз, коли пишу ці рядки. Проте за своє коротке життя він розсунув межі як експериментальної, так і теоретичної фізики так, як відтоді не вдавалося нікому й навряд чи вдасться коли-небудь. На сьогодні складність і арсеналу теоретичних інструментів, що використовують нині для розробки фізичних моделей, і устаткування, яке нині застосовують для їх перевірки, завеликі для того, щоб якась одна людина, хоч би яка обдарована вона не була, змогла б залишатися на передньому краї обох цих напрямів на рівні, що його свого часу досягнув Фермі.

1918 року, коли Фермі закінчив середню школу в Римі, відкриті блискучому юному науковому розуму можливості були значно менш обмежені. Квантова механіка лише щойно народилася, нові ідеї були всюди, а сувора математика, необхідна для роботи з цими ідеями, ще не була розроблена чи застосована. Експериментальна фізика ще тільки збиралася увійти до володінь «великої науки»; експерименти могли проводити поодинокі дослідники в імпровізованих лабораторіях, і їх можна було здійснити за тижні, а не за місяці.

Фермі подався вступати до престижної Вищої нормальної школи в Пізі, де частиною вступного екзамену було написання есе. Того року темою були специфічні характеристики звуків. Фермі подав «есей», що містив розв’язання диференційних рівнянь із частинними похідними для вібруючої палички із застосуванням методу під назвою «аналіз Фур’є». Навіть сьогодні ці математичні методи зазвичай не викладають раніше десь третього року бакалаврату, а деякі студенти стикаються з ними лише в магістеріумі. Проте Фермі, будучи 17-річним, настільки вразив екзаменаторів, що посів за результатами іспиту перше місце.

В університеті Фермі спершу спеціалізувався на математиці, проте згодом переключився на фізику й в основному самостійно опанував загальну теорію відносності, — яку Ейнштейн розробив лише кілька років тому, — а також квантову механіку й атомну фізику — сфери досліджень, які на той час тільки зароджувалися. 21-річним, через чотири роки після початку навчання в університеті, він здобув докторський ступінь за дисертацію, у якій дослідив принципи застосування теорії ймовірності до дифракції рентгенівських променів. У ті часи в Італії дисертації із суто теоретичних питань не годилися для здобуття докторського ступеня з фізики, що спонукало Фермі навчитися впевнено почуватися не лише з пером і папером, а й у лабораторії.

Фермі переїхав до Німеччини, яка була центром зародження досліджень із квантової механіки, а тоді — до Лейдена, у Голландію, де зустрів найвідоміших фізиків того часу, зокрема Борна, Гайзенберга, Паулі, Лоренца та Ейнштейна, а тоді повернувся до Італії викладати. 1925 року Вольфганг Паулі запропонував «принцип виключення», який доводив, що два електрони не можуть одночасно й в одному місці перебувати в тому самому квантовому стані, і заклав підвалини всієї атомної фізики. Уже за рік Фермі застосував цю ідею до систем із багатьох таких ідентичних частинок, які подібно до електронів могли мати два можливі значення спіну, тобто кутового імпульсу, які ми називаємо верхнім та нижнім спінами. Таким чином, він затвердив сучасну форму галузі, яка називається статистичною механікою і є основою майже всього матеріалознавства, фізики напівпровідників та всіх галузей фізики, що привели до створення сучасних електронних компонентів на кшталт комп’ютерів.

Вище я підкреслював, що інтуїтивного способу зобразити точкову частинку такою, що обертається навколо деякої осі, не існує. Це всього-на-всього один зі способів, яким квантова фізика обходить наші уявлення про здоровий глузд. Електронами називають частинки зі спіном 1/2, оскільки величина кутового імпульсу їх обертання становить лише половину від найменшого значення кутового імпульсу, пов’язаного з орбітальним рухом електронів в атомах. Усі частинки зі спіном ½, такі як електрони, називаються ферміонами на честь Фермі.

У ніжному віці 26 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.