В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
Шрифт:
Схема устройства для измерения атомных спектров.
Фотографическая пластина идет в комплекте с камерами переменного тока, подключенными к компьютеру. Наблюдаемые спектральные линии говорят составе вещества, его атомной и молекулярной структуре.
v = RH(1/n2 – 1/n'2),
где RH — постоянная Ридберга для водорода, на сегодняшний день равная RH = 10967 758,341 ± 0,001 м– 1 (в то время это значение было гораздо менее точным). Американский физик Теодор Лайман (1874-1954) открыл новые линии в ультрафиолетовой зоне, а позднее Пашен, Браккет и Пфунд выявили новые линии в инфракрасной. Даже Бор, создавая в 1913 году свою атомную модель, предусмотрел, чтобы она
Формула боровской модели
E = 13,6eV/n2
точно предсказывала переходы атомов водорода. Ферми очень интересовался атомной физикой. В 1928 году он опубликовал «Введение в атомную физику», в котором, помимо прочего, продемонстрировал свои незаурядные педагогические способности. Ферми был убежден: если кто-то действительно что-то понял, он должен быть в состоянии это объяснить. В последующие годы он много занимался популяризаторской работой. В 1928 году вышел учебник Ферми по физике для учеников старших классов, в 1929-м — серия статей для широкого круга читателей, например «Экспериментальное обоснование новых физических теорий» или «Современные задачи физики», а в 1930-м — «Современная физика», «Атомы и звезды» и «О квантовой электродинамике». Ферми считал, что ученые обязаны рассказывать обществу о своих открытиях, хотя в то время Италии только предстояло пройти долгий путь к всеобщей грамотности, а физика еще не до конца восприняла теории квантов и относительности. Разетти же, со своей стороны, был прекрасным экспериментатором и брал на себя большую часть работы по постановке опытов, оставляя на долю Ферми их продумывание и теоретическую интерпретацию результатов.
Энергетические уровни водорода с квантовым числом л на каждом уровне и приблизительное изображение некоторых переходов, которые появляются в спектре (серия Лаймана в ультрафиолетовом, Балмера в видимом и Пашена в инфракрасном). Шкала длины волны и частоты не линеарна. Энергия измеряется в электрон вольтах (эВ), длина волны — в ангстремах
(1А = 10– 10 м), а частота — в герцах (Гц).
Ферми всегда стремился выйти за рамки простой констатации результатов, его интуиция подсказывала ему саму суть проблемы, а полученные данные ученый анализировал с большим математическим изяществом. Вместе с Разетти они дали хорошую техническую подготовку Сегре и Амальди, которые впоследствии сделали в спектроскопии большие открытия, имевшие огромное значение для развития итальянской физики.
Вслед за Сегре в 1928 году физикой решил заняться Этторе Майорана, обладавший уникальными вычислительными способностями и привлеченный успехами рабочей группы Ферми. Вместе с Джованни Джентиле, еще одним молодым профессором с улицы Панисперна, он начал заниматься квантовыми исследованиями в области спектроскопии, применением модели Томаса — Ферми к квантовым состояниям электронов, находящихся на нижних уровнях урана и гадолиния, а также изучением тонкой структуры цезия.
В первых атомных моделях, например в боровской, спектральные линии были соотнесены с переходами между квантовыми уровнями, основанными на квантовом числе n. Однако Уилсон и Зоммерфельд разработали правила квантования, объясняющие так называемую тонкую структуру, или расщепление спектральных линий на несколько составляющих. Оно наблюдается во всех спектрах при наличии достаточно точных спектрометров и обусловлено спин-орбитальным взаимодействием, которое в конце 20-х годов еще было окутано тайной. Разетти и Ферми изучали тонкую структуру из-за ее способности точно предсказать структуру атомных уровней.
В 1929 году Корбино перед Итальянским Обществом научного прогресса заявил: «Единственная существующая сегодня возможность сделать великие открытия в физике появится, когда кому-нибудь удастся изменить ядро атома». Переход к ядерной физике был неизбежен, и стажировки за рубежом были хорошей возможностью познакомить Италию с открытиями других ученых. Так, период с 1928 по 1929 год Разетти провел в Калифорнийском технологическом институте, где изучал эффект Рамана с американским физиком Робертом Эндрюсом Милликеном, а затем — год в Берлине, работая с австрийским физиком Лизой Мейтнер и овладевая техниками наблюдения в ядерной физике. В это же время Сегре поехал в Гамбург учиться у Отто Гана, а потом — в Амстердам, к Питеру Зееману, чтобы улучшить свои знания спектроскопии; Амальди изучал дифракцию рентгеновских лучей в жидкостях вместе с Дебаем в Лейпциге, а вернувшись в Рим, вместе с Ферми сконструировал первую в Италии туманную камеру (или камеру Вильсона). В 1933 году, как раз когда к власти в Германии пришли нацисты, Майорана тоже уехал в Лейпциг, чтобы работать с Гейзенбергом над новой ядерной теорией. Бруно Понтекорво в 1936 году уехал в Париж, где работал вместе с Ирен Кюри и Фредериком Жолио, открывшими в 1934 году эмпирическим путем нейтрон и искусственную радиацию. Будучи евреем, он больше не вернулся в Италию, где ужесточался
Группа, которую Корбино удалось собрать вокруг Ферми, состояла из разносторонне одаренных исследователей. За годы своего существования она приобрела международный авторитет в физике и продолжала бы двигать вперед итальянскую науку, если бы Муссолини не спровоцировал побег ученых, ставший прелюдией ко Второй мировой войне. Дуче понял, что эксперименты, над которыми работали «ребята с улицы Панисперна», могли прославить Италию. Эти молодые ученые исследовали структуру материи и секреты атома, который очень скоро стал проявлять свои волшебные и даже пугающие свойства. В марте 1929 года Ферми вступил в Королевскую академию Италии, созданную Муссолини в 1926 году для пропаганды новых национальных ценностей. Помимо этого, Ферми, который всегда был вне фашизма в частности и вне политики вообще, пришлось вступить в Национальную фашистскую партию: это была единственная возможность гарантировать финансирование его исследовательской группы.
Ферми стал изучать квантовую теорию излучения летом 1929 года, познакомившись с работами Дирака. Он сконцентрировался на взаимодействии между электронами и электромагнитными полями, а также на процессах излучения и поглощения фотонов в области, названной квантовой электродинамикой. Она объясняет взаимодействия между фотонами и заряженными фермионами, теорию квантовых электромагнитных полей, создание и разрушение частиц. В серии статей, опубликованных между 1929 и 1932 годами, Ферми сформулировал описание заряженных частиц в магнитных полях с позиций теории относительности, представив частицы с точки зрения уравнения Шрёдингера и не прибегая к квантовому формализму Гейзенберга или Паули. В своей «Интерпретации принципа причинности в квантовой механике» (1930) Ферми трактовал с позиций квантовой механики тот факт, что будущие события не полностью детерминированы. Он подчеркнул, что в перспективе важнее неуверенность в определении физических состояний, чем узкий взгляд на временное развитие пространства событий. В его рассуждениях прослеживался интеллектуальный переход от классической физики к современной.
На схеме представлены основные типы элементарных частиц, составляющие материю (слева) и являющиеся носителями взаимодействий (справа). Элементарные частицы и их взаимодействие управляют Вселенной. Под названием частиц — носительниц взаимодействий указаны области физики, их изучающие. Гравитоны еще не классифицированы.
В природе существует четыре основных вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое. Гравитационное взаимодействие происходит между частицами, обладающими массой, оно было описано Ньютоном. Электромагнетизм — взаимодействие между частицами с электрическим зарядом посредством электромагнитного поля. Сильное взаимодействие (или сильное ядерное взаимодействие) позволяет кваркам соединяться и образовывать адроны, то есть ядра атомов. Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие) — причина изменений «ароматов» кварков и лептонов; другими словами, оно отвечает за трансформацию кварков и лептонов в более легкие частицы и бета-распад, как объяснил Ферми. Электромагнитное взаимодействие, сильное и слабое, сегодня изучают в рамках так называемой стандартной модели. Целью теоретической физики является описание этих четырех взаимодействий как аспектов единой силы, но для этого необходимо экспериментально доказать существование гравитона.
Действительно, в своей первой работе «О квантовой электродинамике» (1929) он отталкивался от классической электродинамики, а потом сделал резкий переход к теории квантов. В последующих работах Ферми пытался сформулировать теорию электромагнитного излучения, которая не противоречила бы квантовой механике. В 1932 году он опубликовал блестящую статью «Современная физика. Новая антология», в которой заложил основы современной квантовой электродинамики, с поразительной простотой объясняя сложнейшую область науки. Ричард Фейнман всегда говорил об этой работе как об одном из столпов, на котором он построил современную квантовую электродинамику.
Когда американский физик немецкого происхождения Ханс Бете (1906-2005) приехал в Рим по стипендии Фонда Рокфеллера (престиж группы Ферми был так велик, что он начал принимать студентов), то был поражен способностью Ферми анализировать сложнейшие задачи, а затем решать их точными математическими методами. В 1932 году Бете и Ферми написали совместную работу «О взаимодействии двух электронов», в которой рассказывали о поведении фермионов в зависимости от обмена фотонами.
В начале 1929 года наиболее распространенная атомная модель представляла ядро с протонами А и электронами A-Z. То есть в ней были представлены электроны на орбиталях вокруг ядра и электроны в самом ядре вместе с протонами. Необходимо было выяснить, какой статистике подчинялось ядро: Бозе — Эйнштейна или Ферми — Дирака.