Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Ферми родился в 1901 г. и умер в возрасте пятидесяти трех лет от рака, который, возможно, развился у него в результате работы по исследованию радиоактивности. На момент смерти в 1954 г. он был на девять лет моложе меня сегодняшнего. Но за свою короткую жизнь он сумел продвинуть передний край физики, как экспериментальной, так и теоретической, настолько, насколько никому с тех пор не удавалось и вряд ли кому удастся. Сложность всей совокупности теоретических инструментов, используемых в настоящее время для создания физических моделей, и сложность систем, применяемых для их проверки, даже по отдельности слишком высока, чтобы один человек, каким бы талантливым он ни был, мог оставаться в авангарде обоих направлений на том уровне, которого достиг в свое время Ферми.

В 1918 г., когда Ферми окончил школу в Риме, перед блестящим молодым научным дарованием открывались куда более широкие перспективы. Квантовая механика только что зародилась, новые идеи буквально витали в воздухе, а строгие математические методы, необходимые для работы с этими новыми идеями, еще не были созданы и, соответственно, не применялись. Экспериментальной физике еще только предстояло вступить в эпоху «большой науки»; эксперименты были еще достаточно просты, чтобы их могли проводить отдельные исследователи в импровизированных лабораториях, и времени они требовали куда меньше – недели, а не месяцы.

Ферми подал документы в престижную Высшую нормальную школу в Пизе, где частью вступительных испытаний было написание эссе. Темой работы в том году были «специфические характеристики звуков». Ферми представил «эссе», содержавшее в себе решение уравнений в частных производных для колеблющегося стержня и применение метода, известного как Фурье-анализ. Даже сегодня эти математические методы, как правило, не включаются в программу обучения до, скажем, третьего курса бакалавриата, а для некоторых студентов и до четвертого. Понятно, что семнадцатилетний Ферми произвел на экзаменаторов достаточно сильное впечатление и занял первую строчку в рейтинге результатов экзамена.

В университете Ферми сначала специализировался на математике, но быстро переключился на физику и практически самостоятельно освоил общую теорию относительности – Эйнштейн разработал ее всего за несколько лет до того, – а также квантовую механику и атомную физику, которые были тогда еще только формирующейся областью исследований. Менее чем через три года после поступления в университет он опубликовал в крупных физических журналах несколько теоретических статей на разные темы, от общей теории относительности до электромагнетизма. В двадцать один год, через четыре года после начала университетских занятий, он получил докторскую степень за диссертацию, посвященную исследованию применения теории вероятностей к дифракции рентгеновских лучей. В то время в Италии на степень доктора наук по физике не принимались диссертации на чисто теоретические темы, поэтому Ферми волей-неволей пришлось доказывать свою компетентность не только в работе с бумагой и ручкой, но и в лаборатории.

Ферми отправился в Германию – центр разворачивающихся исследований в области квантовой механики, а затем в голландский Лейден, где встретился с известнейшими физиками тех дней – достаточно назвать хотя бы Борна, Гейзенберга, Паули, Лоренца и Эйнштейна; через некоторое время он вернулся в Италию и занялся преподаванием. В 1925 г. Вольфганг Паули сформулировал «принцип запрета», объявив, что два электрона не могут занимать в точности одинаковое квантовое состояние одновременно и в одном и том же месте; этот принцип лежит в фундаменте всей современной атомной физики. Меньше чем через год Ферми применил эту идею к системам многих других однотипных частиц, которые, подобно электронам, могут иметь два возможных значения спина (момента импульса), который, как мы знаем, может быть направлен либо вверх, либо вниз. Так Ферми придал современный вид области исследований, известной как статистическая механика, лежащей в основе почти всего материаловедения, полупроводниковой техники и тех областей физики, на базе которых создаются современные электронные компоненты и компьютеры.

Как я подчеркивал ранее, невозможно интуитивно представить себе, как точечная частица может вращаться вокруг какой бы то ни было оси. Это просто один из способов, при помощи которых квантовая механика обходит наши обыденные представления и избегает конфликтов со здравым смыслом. Электроны называют частицами с полуцелым спином, поскольку величина их момента импульса – спина – оказывается вдвое меньше минимальной величины момента импульса, связанного с орбитальным движением электронов в атомах. Любая частица с полуцелым, как у электрона, спином в честь Энрико Ферми называется фермионом.

В возрасте всего двадцати шести лет Ферми был избран на вновь образованную кафедру теоретической физики в Римском университете; там он руководил группой талантливых студентов, в которую входили несколько будущих нобелевских лауреатов, и вместе с ними занимался атомной, а затем и ядерной физикой.

В 1933 г. Ферми заинтересовался еще одной гипотезой Паули – гипотезой о неизвестной частице, возникающей при распаде нейтронов; Ферми назвал эту гипотетическую частицу нейтрино. Но мало было дать новой частице название. Цель Ферми была гораздо амбициознее: он выдвинул теорию нейтронного распада, из которой вытекала возможность существования в природе еще одного, неизвестного пока, фундаментального взаимодействия – первого нового взаимодействия, ставшего известным науке после электромагнетизма и гравитации; к его открытию нас, можно сказать, тоже подтолкнули размышления о природе света. Хотя в тот момент это не было очевидно, предложенное Ферми взаимодействие было одним из двух новых типов взаимодействия, связанных с атомным ядром; вместе с электромагнетизмом и гравитацией эти силы, насколько нам известно, составляют полный список фундаментальных сил, управляющих в природе всем – от мельчайших субатомных масштабов до движения галактик.

Когда Ферми направил свою гипотезу в журнал Nature , редактор отверг статью, поскольку она была «слишком далека от физической реальности, чтобы представлять интерес для читателей». Многим из нас, чьи статьи получали в этом журнале отказ от столь же высокомерных редакторов, приятно сознавать, что статья Ферми, излагавшая одну из важнейших гипотез в физике XX столетия, тоже не прошла отбор.

Этот несправедливый отказ, несомненно, обидел Ферми, но при этом, как ни странно, произвел и полезное побочное действие. Ферми решил вместо этого вернуться к экспериментальной физике и вскоре начал экспериментировать с нейтронами, которые за два года до этого открыл Чедвик. Всего за несколько месяцев он создал мощный радиоактивный источник нейтронов и обнаружил, что даже стабильные в обычных условиях атомы можно заставить распадаться, если бомбардировать их нейтронами. Бомбардируя нейтронами уран и торий, Ферми также наблюдал ядерный распад и считал, что получает при этом новые элементы. На самом деле ему удалось заставить ядра атомов расщепляться, или делиться, с образованием более легких ядер, и при этом, как было обнаружено позже, испускается больше нейтронов, чем поглощается в процессе деления, – это обнаружили другие ученые в 1939 г.