Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Манхэттенский проект завершился так, как и предлагали его организаторы: оба вида бомб были протестированы в военных условиях. Жертвы среди гражданского населения были неизбежным «побочным эффектом». Однако ученые переживали эти события иначе. Те из них, кто принимал активное участие в проекте, 19 марта 1946 года в Чикаго получили от генерала Гровса медаль за заслуги. Ферми был в их числе. В дипломе, который ему вручили вместе с медалью, говорилось, что он «внес основополагающий вклад в успех создания атомной бомбы».

Ученый стал героем войны, но его мучила совесть. Годы спустя он высказывался за исключительно гражданское применение ядерной энергии. Нравственные страдания, вызванные его участием в разработке самого жуткого оружия массового поражения в истории, не покинули Ферми до самой смерти.

Благодаря космической радиации были получены сведения, позволившие открыть новые частицы. Ферми принял участие в развитии информатики, ставшей необходимой для работы с огромными массивами данных. Изучение космоса привело человечество к неизбежному вопросу: «Одни ли мы во Вселенной?»

И тогда ученый сформулировал свой знаменитый вопрос: «Почему нет никаких доказательств существования инопланетян, если, согласно статистике, должно быть множество других планет с разумной жизнью?»

Но Ферми также мучил и еще один вопрос, скорее нравственного толка: как он мог утверждать, что человечество должно найти способы мирного использования ядерной энергии, и в то же время участвовать в создании водородной бомбы?

Семья Ферми покинула Лос-Аламос 31 декабря 1945 года. Ученый вернулся в Чикаго, чтобы возобновить исследования по применению ядерной энергии в мирных целях и продолжить преподавательскую работу, которую он так любил. В январе следующего года Комптону удалось выделить средства на ускоритель частиц (бетатрон) мощностью 100 МэВ. Помимо этого Ферми ждали в Аргоннской лаборатории для работы над «Чикагской поленницей — 3» и другими проектами, а ему не нравилось бросать дела незавершенными. Ученый на десяток лет опередил развитие ядерной инженерии и думал над конструкцией ядерных реакторов, которые производили бы больше делимого материала, чем потребляли, так как количество плутония, производимого во время реакции, могло превышать количество используемого урана-235. Ферми настаивал на том, чтобы сконцентрироваться на мирном использовании ядерной энергии, в частности в сфере электроэнергетики; этому было посвящено его выступление на симпозиуме в мае 1946 года.

Ученый не стал ждать рассекречивания документов и в 1947 году опубликовал в журнале Science статью Elementary Theory of the Chain-reacting Pile («Элементарная теория котлов с цепными ядерными реакциями»). Это помогло ему подтвердить свой авторитет в области гражданских научных исследований. В то время Ферми входил в состав научного комитета, возглавляемого Оппенгеймером, который консультировал Комиссию по атомной энергии США (Atomic Energy Commission, АЕС). Это положение позволяло ученому свободно публиковать научные работы с одним условием: они не должны содержать подробностей, которые скрывались от коммунистов. Вместе с Леоной Маршалл Ферми начал эксперименты с «Чикагской поленницей — 3» и приступил к изучению интерференции нейтронов и электронов и распределения кварков. В 1940-е годы науку занимали вопросы: существует ли электрическое взаимодействие электрона с нейтроном? появятся ли при столкновении электронов и нейтронов новые частицы?

Хотя, как мы знаем на данный момент, нейтроны являются нейтральными частицами, они состоят из d-кварка и и-кварка и, следовательно, имеют локальный заряд.

Известно, что в центре нейтрона на участке длиной примерно 0,3 фемтометра (1 фемтометр (фм) = 10 15м) имеется положительный заряд, который компенсируется отрицательным зарядом оболочки, расположенной примерно между 0,3 и 2 фм.

Такую единицу измерения, как фемтометр, или ферми, часто используют в изучении атомной вселенной. Таким образом, между электронами и нейтронами может возникать электрическое взаимодействие: электроны с определенной долей вероятности могут приближаться к нейтронам, но это не дестабилизирует ядра атомов, так как протоны и нейтроны ядра удерживаются вместе сильным взаимодействием.

Разумеется, Ферми и Маршалл не знали о существовании кварков, но догадывались, что нейтрон имеет свою структуру и заряд, благодаря которому взаимодействует с такими заряженными частицами, как электрон. С другой стороны, могло ли взаимодействие Ферми, которое хорошо объясняло бета-распад, объяснить и предполагаемое взаимодействие электронов и нейтронов? К сожалению, Ферми и Маршалл не добились удовлетворительных результатов: они получили только слегка превышающую ноль долю заряда в центре нейтрона. Тем не менее Ферми благодаря прекрасной интуиции предвосхитил результаты экспериментов, которые были проведены позже и в ходе которых были открыты кварки. Ученый продолжал получать награды за свою работу от правительства США: в 1947 году ему вручили медаль Франклина за вклад в науку.

В феврале 1946 года широкой публике была представлена электронная вычислительная машина общего пользования ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданная Джоном Мокли и Преспером Экертом из университета Пенсильвании. Компьютер обладал внушительными размерами: его площадь была равна 167 м 2, а вес — более 27 тонн. ENIAC мог производить примерно 5000 операций сложения и 300 операций умножения за секунду. Первые шаги к созданию этой машины были сделаны в 1943 году в рамках РХ — одного из военных проектов Второй мировой, изначально направленного на совершенствование баллистических вычислений. Благодаря работе фон Неймана первым тестом ENIAC стали расчеты для взрыва атомной бомбы в Лос-Аламосе. Именно тогда Ферми написал большую часть алгоритмов для этого необычного устройства. Он понимал, что в будущем физикам придется поручить трудоемкое вычисление машинам. Сам ученый обычно работал с калькулятором фирмы Marchant, который больше был похож на кассовый аппарат, чем на компьютер.

В 1947 году ENIAC перевезли в Лабораторию баллистических исследований в Мэриленде, и ученые временно оказались без компьютера. Тогда Ферми спроектировал аналоговый компьютер с легким управлением, в шутку названный в его честь FERMIAC. С помощью этого изобретения ученый исследовал рассеяние нейтронов в различных делящихся материалах. FERMIAC был основан на методе Монте-Карло и идее, которую Ферми развил совместно с фон Нейманом и Уламом. Изобретательность Ферми не знала границ. Он был поражен возможностями ENIAC, но в то же время его размеры приводили ученого в замешательство. Ферми подумал, что комбинируя некоторые аналоговые элементы, можно облегчить конструкцию. Машины будущего должны быть маленькими и простыми в обращении. Метод Монте-Карло — это группа численных методов, позволяющая приблизительно решить задачи, которые не могут быть решены точно ввиду их сложности. Метод был создан в Лос-Аламосе Джоном фон Нейманом, Станиславом Уламом и Николасом Метрополисом, хотя Ферми использовал этот же подход еще в Италии — ничего не публикуя — при анализе рассеяния нейтронов, незадолго до получения Нобелевской премии. Фон Нейман был поражен тем, как хорошо Ферми владел этим методом, который они только оформляли.