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.
Переход к эксперименту оказался полезен Ферми. Четыре года спустя, в 1938 г., в возрасте тридцати семи лет он был удостоен Нобелевской премии за открытие искусственной радиоактивности и создание новых радиоактивных элементов при помощи нейтронной бомбардировки. Однако к 1938 г. нацисты уже начали устанавливать в Германии свои расовые законы, их примеру последовала и Италия; жена Ферми Лаура – еврейка по национальности – оказалась в опасности. Поэтому после получения премии в Стокгольме Ферми с семьей не стал возвращаться в Италию, а уехал в Нью-Йорк, где занял пост в Колумбийском университете.
Узнав в 1939 г. в Нью-Йорке новость о ядерном распаде, а затем прослушав лекцию Нильса Бора в Принстоне, Ферми откорректировал уже прочитанную им нобелевскую лекцию, исправив допущенную ранее ошибку, и без промедления повторил немецкие результаты. Очень скоро и он, и его коллеги поняли, что новые данные говорят о возможности цепной реакции. Нейтроны могут бомбардировать уран, заставляя его распадаться с выделением энергии; при этом испускается еще больше нейтронов, которые, в свою очередь, могут бомбардировать больше атомов урана, и т. д.
Вскоре после этого Ферми прочел лекцию для представителей Военно-морских сил США, в которой предупредил о потенциальном значении этих данных, но мало кто в тот момент воспринял его предупреждение серьезно. Позже, в том же году, на стол президенту Рузвельту легло знаменитое письмо Эйнштейна, которое изменило ход истории.
Ферми давно задумывался о потенциальных опасностях, связанных с высвобождением энергии атомного ядра. Через год после получения докторской степени, в 1923 г., он написал послесловие к одной книге по теории относительности, где упомянул о потенциале соотношения E = mc2; еще тогда он писал: «Не представляется возможным, по крайней мере в ближайшем будущем, найти способ высвобождения этого чудовищного количества энергии – и это к лучшему, поскольку первым делом взрыв такого чудовищного количества энергии разнес бы в клочья того физика, который имел бы несчастье найти такой способ».
Должно быть, эта мысль владела им в 1941 г., когда, участвуя в недавно начатом Манхэттенском проекте, Ферми получил задание реализовать контролируемую цепную реакцию, то есть создать ядерный реактор. Если руководители проекта оправданно опасались делать это в городской черте, то Ферми был достаточно уверен в безопасности проекта, чтобы убедить руководство разрешить строительство реактора при Чикагском университете. 2 декабря 1942 г. реактор достиг критичности
[9], но Чикаго при этом уцелел.
