НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В РИМЕ
НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В РИМЕ
Кипучая теоретическая деятельность Ферми, со времени опубликования работы по статистике (1926) до конца 1933 г, когда он начал работать в области ядерной физики, шла по трем главным направлениям.
Во-первых, Ферми в течение нескольких лет осваивал квантовую механику (а затем квантовую электродинамику) и успешно объяснял и страстно пропагандировал ее в научных кругах. Его «проповеди» пользовались громадным успехом у молодежи и ничтожным – у ученых старшего поколения (в частности, у группы выдающихся римских математиков), которые не сумели принять революционного духа новой теории. Эту его деятельность в период с 1926 по 1930 г. лучше охарактеризовать словами ее очевидца Э. Сегре.
«Первыми были поняты статьи Шредингера, которые вызвали большой интерес и энтузиазм. Ферми быстро объяснил их сверим друзьям, позже – Корбино, который оставался скептиком некоторое время еще позже он выступил на эту тему на математическом семинаре, где профессиональные математики старшего поколения, и не очень хорошо знакомые с экспериментальными основами физики, выдвинули несколько остроумных возражений против общепринятой интерпретации квантовой механики.
В частности, профессор Кастельнуово поднял многочисленные вопросы. Ферми был склонен к нетерпимости по отношению к людям, не принимавшим нового развития квантовой механики, но конечно он относился по-разному к некомпетентным возражениям которых было много и к действительным настоящим трудностям вроде тех на которые было указано Кастельнуово.
Нередко он сожалел, что даже те люди, к которым он испытывал уважение и которыми восхищался, такие, как Корбино, иногда проявляли скептицизм по отношению к квантовой механике и ее интерпретации, что являлось, как он думал результатом недостаточного понимания. (Следует сказать, однако, что в последние годы своей жизни Ферми был менее убежден в том, что обычная интерпретация квантовой механики является последним словом.) Сопротивление квантовой теории оказывало в основном старшее поколение физиков, поскольку молодые физики либо поняли новую теорию и поверили в нее, либо научились использовать эту теорию» даже не полностью разобравшись в ней.
Приход квантовой механики, по мнению Ферми, а также Корбино, означал завершение атомной физики. Фундаментальные вопросы были решены, будущее находилось в области ядерной физики и в исследовании сложных биологических структур».
Я хотел бы несколько дополнить последние слова Сегре. Когда я приехал в Рим в 1931 г., Ферми часто утверждал (полусерьезно), что физика идет к концу (как и география) в том смысле, что скоро все будет ясно. Он думал, что будущее принадлежит генетике. При этом сам читал с большим интересом и рекомендовал сотрудникам книгу «Наука о жизни» Уэллса и Хаксли. Как ни странно, эти идеи о бесперспективности физики были у Ферми в 1931-1932 гг. на заре невиданного скачка современной физики, которому он сам значительно способствовал.
К деятельности Ферми в выяснении основ новой физики следует особенно отнести его переформулировку квантовой электродинамики, которая представляет собой блестящий (и типичный для Ферми) пример ясной трактовки трудного вопроса.
Второе важное направление теоретической деятельности данного периода состояло в продолжении его работ по статистической механике. В 1928 г. он (независимо от Томаса) применил свою статистику к определению среднего электрического потенциала в атоме (метод Томаса-Ферми).
Наконец, своими теоретическими работами Ферми внес неоценимый вклад в учение о структуре атомов и молекул. Особо следует упомянуть о совокупности теоретических работ по структуре молекул, в которых Ферми дает количественное объяснение различных экспериментальных наблюдений (книга «Молекулы и кристаллы»). Эти проблемы, интересовавшие Ферми в 1931-1933 гг., были связаны с основными экспериментальными исследованиями института, который по традиции и особенно благодаря Разетти в основном был первоклассной спектроскопической лабораторией.
Ферми разработал также количественную теорию сверхтонкой структуры спектральных линий, оставив и в этой области физики неизгладимый след. Кстати, уже тогда в течение нескольких лет Ферми был того мнения, что институт должен заняться ядерной физикой. Исследование сверхтонкой структуры спектральных линий, обусловленной, согласно Паули, взаимодействием орбитального движения электрона е магнитным моментом ядра, явилось естественным «мостом» при переходе интересов Ферми и лаборатории в целом от атомных проблем к ядерным.
В, качестве дебюта в области чисто ядерной физики Ферми опубликовал в 1934 г. свою известную теорию бета-распада классическую работу, основанную на гипотезе Паули, о том, что в бета-процессе одновременно с электроном испускается нейтрино. Имеющая сама по себе большое значение, эта работа явилась и прототипом современных теорий взаимодействий элементарных частиц. Ферми направил эту работу в английский журнал «Nature» для срочного опубликования в отделе «Письма в редакцию». Это означало, что он сам вполне осознавал значение данной теории, в создании которой ему очень помогло близкое знакомство с дираковской теорией излучения. Однако редакция «Nature» отказала ему в опубликовании работы на том основании, что она слишком абстрактна и не представляет интереса для читателей. Это была действительно самая абстрактная из теоретических работ Ферми, но не приходится сомневаться в том, что редактор всю жизнь сожалел о своем «диагнозе». В настоящее время считают, что найденное Ферми взаимодействие между нуклонным полем и полем пары электрон-нейтрино представляет собой частный случай более общего взаимодействия между любыми четырьмя фермионами – так называемое универсальное фермиевское взаимодействие, крайне малая интенсивность которого определяется малым значением «константы Ферми».
Несмотря на то, что исследовательская деятельность Ферми до 1934 г. носила почти исключительно теоретический характер, скрытый экспериментатор изредка пробуждался в нем. Был, например, такой случай. Ферми получил корректуру своей книги «Молекулы и кристаллы». Один из снимков, на котором было изображено чередование интенсивностей в молекулярном спектре азота, не удовлетворил автора книги. Ферми немедленно нашел подходящий свободный спектрограф и сам изготовил хороший снимок.
Первые крупные экспериментальные работы Ферми выполнил в области ядерной физики (1934 г.). Этим работам, за которые Ферми получил Нобелевскую премию, предшествовали два события: поездка Разетти в Германию с целью изучения экспериментальных методик ядерной физики и обсуждение на семинаре института под руководством Ферми классической книги Резерфорда по радиоактивности.
Сразу же после открытия Фредериком и Ирен Жолио-Кюри явления искусственной радиоактивности Ферми пришел к выводу, что нейтроны, поскольку они не имеют заряда, должны быть особенно эффективным орудием получения радиоэлементов, и со свойственной ему энергией начал систематически облучать нейтронами почти все существующие элементы. Нет необходимости напоминать здесь о всех поразительных результатах экспериментов Ферми: получение более 60 радиоактивных изотопов; открытие замедления нейтронов и большой вероятности их захвата в таких элементах, как кадмий и бор; открытие «групп» нейтронов и т. д. Все эти блестящие и совершенно неожиданные открытия были опубликованы в виде коротких сообщений в итальянском журнале «Ricerca scietifica», превратившемся благодаря Ферми из совершенно неизвестного издания в журнал международного значения. Только за год лаборатория спектроскопии выроста в первоклассную, хотя и маленькую лабораторию ядерной физики.
Римская лаборатория была действительно маленькой. Общее число научных сотрудников и механиков, работавших с Ферми, едва достигало десяти. Ежегодно с дипломом физика университет оканчивали один-два студента, несмотря на то, что на физико-математическом факультете профессорами были Ферми, Разетти, Вольтерра, Леви-Чивита… Малое число дипломантов объяснялось незавидными перспективами, открывавшимися тогда перед молодыми физиками в Италии.
Что касается средств, необходимых для исследовательских работ, то фашистское правительство, так щедро помогавшее крупным промышленникам, оказалось довольно скупым, когда речь шла о финансировании науки. Однажды с целью экономии средств Ферми решил, что стандартные электрические вилки следует изготовлять в лабораторной мастерской: он провел два дня с механиком, стараясь найти удобный способ их изготовления, но после этого ему пришлось оставить свое предложение, как… неэкономичное!
Кстати, затраты на нейтронные исследования Ферми и сотрудников в Риме были удивительно мелкими. Кроме зарплаты физиков и ничтожной официальной дотации институт на оборудование и материалы для всех нейтронных работ, была получена субсидия (около 1000 долларов) от Национального совета по исследованиям.
Участие Ферми в качестве исполнителя в экспериментальных работах было всегда непосредственным; он не только руководил, но и любил работать своими собственными руками. В частности, Ферми был неплохим стеклодувом. Непосредственное и повседневное участие Ферми в работе, руководимой им, было возможно только потому, что он упорно отказывался занимать административные должности. Немногие знают, что он никогда не был во главе лабораторий, в которых работал.
Ферми в лаборатории всегда сохранял неизменное спокойствие. Говорили, что в 1942 г., когда первый ядерньш реактор, построенный им, приближался к критическим условиям, Ферми прервал общее напряжение известной фразой: «Пойдем обедать». Почти за десять лет до этого случая, когда в Римском институте физики случайно, хотя и не без фермиевской интуиции, было обнаружено, что водородсодержащие вещества вызывают увеличение уровня активации при облучении нейтронами, Ферми охладил пыл своих сотрудников той же фразой: «Пойдем обедать». К концу обеда Ферми уже объяснил открытие (эффект Ферми) как явление замедления нейтронов и заметил: «Как глупо, что мы не предсказали этого раньше». Примерно через год основы той области физики, которая сегодня носит название «нейтронной», были так ясно сформулированы Ферми, что некоторые его статьи, в частности работы «Поглощение и диффузия медленных нейтронов» и «О движении нейтронов в средах, содержащих водород» сегодня, 30 лет спустя после опубликования, являются лучшим введением в этот раздел физики, одинаково интересующий как физиков, так и инженеров.
В период с 1934 по 1936 г. Ферми целиком посвятил себя нейтронным исследованиям. Вследствие этого в жизни Института физики, естественно, произошли заметные изменения-Ферми был вынужден прекратить свою неофициальную педагогическую деятельность с подающими надежды студентами. Крайняя занятость Ферми в экспериментальной работе привела к тому, что зарубежные физики почти перестали приезжать к нему учиться. Забегая вперед, отмечу, что в последние годы жизни Ферми вернулся к старому обычаю римского периода – « к специальным занятиям с молодежью; сегодня его учениками считают себя Андерсон, Вольфенштейн, Гарвин, Гелл-Манн, Гольбергер, Ли, Маршал, Орир, Розенфельд, Штейнбергер, Уаттенберг, Чемберлен, Чу, Янг и многие другие.
В опытах, выполненных в Риме в 1934-1935 гг., бомбардировка урана нейтронами вызвала образование ряда радиоактивных элементов, среди которых, по мнению Ферми, был и элемент с атомным номером 93. Как стало ясно впоследствии, эти элементы в действительности оказались продуктами деления, и, хотя при бомбардировке урана образуются трансурановые элементы, сообщение Ферми об элементе 93 было неверно единственная ошибка в течение его долгой и блестящей исследовательской деятельности. Это, надо отметить, не затормозило развития исследований, которые привели к открытию деления. Однако Ферми очень переживал опубликование работы по элементу 93, точнее, шумное обнародование (против его воли) результатов этой работы в газетах.
В Римском институте физики Ферми получил прозвище «папы», с которым обращались к нему все его сотрудники и друзья не только в Риме, но и во всем мире. Прозвище это означало, что Ферми (в области физики) непогрешим так же, как считается непогрешимым в вопросах религии глава католической церкви – папа римский. Ферми, конечно, остался «папой» даже после случая с элементом 93.
Что же особенно выделяло Ферми среди других известных экспериментаторов? Его не отличало какое-либо особое искусство конструирования сложной аппаратуры и постановки «акробатических» экспериментов (впрочем, он быстро овладел и этим искусством, когда в том появилась необходимость). Конечно, Ферми был в высшей степени энергичным, работоспособным, терпеливым и упорным; но этими качествами обладали, вероятно, все великие естествоиспытатели. По-видимому, уникальная черта Ферми, ученого XX века, заключалась в объединении экспериментального подхода с теоретическим – черта, которая была свойственна великим физикам прошлого века. Он сам часто говорил, что разделение физики на теоретическую и экспериментальную – это вредная вещь. Именно благодаря этой его черте он всегда умел ставить самые существенные вопросы и затем быстро отвечать на них с помощью самых простых, но адекватных для решения поставленной задачи экспериментов.
«Аппаратурной эстетикой» он совершенно не увлекался. Единственное, что он требовал от своих экспериментальных установок, это то, чтобы они действовали так, как он наметил. В связи с этим мне вспоминается один эпизод. Однажды Разетти критиковал Ферми за то, что он изготовил некрасивую установку. «Но она работает», – заметил Ферми. Теперь уже рассерженный Разетти наступал: «Энрико, в экспериментальной работе ты способен на недостойные поступки. Посмотри на этот электрометр Эдельмана (Разетти имел в виду блестящий, хромированный, нарядный и прекрасный прибор, бывший в наших глазах символом технического совершенства); если бы ты считал, что для получения некоторых сведений его следует смазать «куриной кровью» (на нашем жаргоне мы так именовали широко использовавшуюся в лаборатории красноватую и неаппетитно выглядевшую мастику), ты бы сделал это. А я не способен на такой поступок даже если бы был уверен, что это даст мне Нобелевскую премию. Признайся, Энрико, что ты бы так сделал». И Ферми, который высоко ценил экспериментальный талант Разегти, спокойно ответил: «Конечно, я выкупал бы все наши электрометры в куриной крови, если бы это помогло узнать что-нибудь существенное».