Энрико Ферми

Энрико Ферми — итальянский и американский физик, один из основоположников современной квантовой физики и ядерной энергетики. Наиболее известен созданием первого в мире ядерного реактора (Чикагская поленница-1), разработкой теории бета-распада, статистики Ферми — Дирака для частиц с полуцелым спином (фермионов) и введением понятия слабого взаимодействия. Лауреат Нобелевской премии по физике (1938). Сыграл ключевую роль в реализации Манхэттенского проекта.

Биография

Ранние годы и образование

Энрико Ферми родился 29 сентября 1901 года в Риме, в семье железнодорожного служащего Альберто Ферми и учительницы Иды де Гаттис. Интерес к науке проявил рано: самостоятельно изучал математику и физику по книгам, найденным на рынке во Флоренции. В 1918 году поступил в Пизанский университет (Высшая нормальная школа), который окончил в 1922 году, защитив диссертацию по рентгеновским лучам.

Научная карьера в Италии

В 1923—1924 годах стажировался в Гёттингене (у Макса Борна) и Лейдене (у Пауля Эренфеста). С 1926 года — профессор теоретической физики в Римском университете Ла Сапиенца. В Риме сформировал научную школу, известную как «ребята с улицы Панисперна» (Эдоардо Амальди, Франко Разетти, Эмилио Сегре, Бруно Понтекорво). В 1934 году впервые в мире осуществил искусственную радиоактивность, облучая нейтронами химические элементы. Обнаружил, что замедленные нейтроны вызывают ядерные реакции гораздо эффективнее быстрых — этот эффект (замедление нейтронов) стал основой для конструирования ядерных реакторов.

В 1938 году за демонстрацию существования новых радиоактивных элементов (хотя некоторые из них оказались продуктами деления урана) и открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами, получил Нобелевскую премию по физике. В том же году, опасаясь фашистского режима и антиеврейских законов (жена Ферми, Лаура Капон, была еврейкой), навсегда покинул Италию.

Работа в США и Манхэттенский проект

После вручения Нобелевской премии в Стокгольме Ферми с семьёй переехал в США. В 1939—1942 годах — профессор физики в Колумбийском университете. В 1942 году переведён в Чикагский университет, где возглавил секретную лабораторию. 2 декабря 1942 года под его руководством запущен первый в мире искусственный ядерный реактор — «Чикагская поленница-1» (Chicago Pile-1). Это событие считается началом ядерной эры.

С 1944 года работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории (штат Нью-Мексико) в составе Манхэттенского проекта. Руководил теоретическими расчётами, участвовал в испытаниях первой атомной бомбы «Тринити» (16 июля 1945 года). Присутствовал на запуске цепной реакции первого реактора и был свидетелем взрыва с расстояния около 10 км. Позже работал над созданием водородной бомбы, но в 1946 году выступил против её применения, войдя в состав Комитета генеральных консультантов.

Послевоенная деятельность

В 1945—1953 годах — профессор Чикагского университета и директор Института ядерных исследований (ныне Институт имени Ферми). Занимался исследованиями в области физики элементарных частиц, пионов, мезонов, нейтронной физики и астрофизики. Сыграл ключевую роль в открытии первых нуклон-нуклонных резонансов. Написал учебники по ядерной и квантовой физике («Лекции по ядерной физике», 1950; «Лекции по квантовой механике», 1955). Умер 28 ноября 1954 года в Чикаго от рака желудка.

Научные достижения и теории

Квантовая статистика. Фермионы

В 1926 году, независимо от Поля Дирака, разработал квантовую статистику для частиц с полуцелым спином. Эти частицы получили название фермионы. Статистика Ферми — Дирака описывает поведение электронов в атомах и твердых телах, лежит в основе теории металлов, полупроводников, звездного коллапса (белые карлики, нейтронные звезды).

Слабое взаимодействие и теория бета-распада

В 1933—1934 годах создал теорию бета-распада — превращения нейтрона в протон с испусканием электрона и нейтрино. Для описания этого процесса ввёл понятие слабого ядерного взаимодействия — четвёртого фундаментального взаимодействия природы (наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным). Это была первая теория, предсказавшая существование нейтрино.

Нейтронная физика

В 1934 году начал систематическое облучение элементов нейтронами. Обнаружил, что замедление нейтронов в водородсодержащих средах (парафин, вода) резко увеличивает вероятность их захвата ядрами. Это открытие названо эффектом Ферми. Привело к созданию ядерных реакторов и технологий замедления нейтронов.

Создание ядерного реактора

Ферми спроектировал и построил первый в мире ядерный реактор — «Чикагскую поленницу-1» (CP-1). Реактор представлял собой графитовый куб массой около 400 тонн, внутри которого размещались 40 тонн урана и уранового концентрата. Достижение критичности 2 декабря 1942 года продемонстрировало возможность управляемой цепной реакции деления урана, что впоследствии легло в основу атомной энергетики и ядерного оружия.

Признание и память

• Нобелевская премия по физике (1938).
• Медаль Макса Планка (1945).
• Медаль Генри Дрейпера (1945).
• Премия имени Г. А. Лоренца (1948).
• Премия Румфорда (1953).
• Именем Энрико Ферми названы:
• Фермилаб (Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми) — крупнейший научно-исследовательский центр в области физики высоких энергий.
• 100-й элемент периодической таблицы — фермий (Fm).
• Единица длины в атомной и ядерной физике — ферми (1 фм = 10⁻¹⁵ м).
• Кратер на Луне.
• Премия имени Энрико Ферми — награда Министерства энергетики США.
• Парадокс Ферми — противоречие между высокой оценкой вероятности существования внеземных цивилизаций и отсутствием наблюдаемых следов их деятельности.

Парадокс Ферми

В 1950 году Ферми в неформальной беседе задал вопрос: «Где все?» (имея в виду разумные внеземные цивилизации). Эта реплика породила целую область научных и философских дискуссий, известную как парадокс Ферми. Суть парадокса: при колоссальном числе звёзд и вероятности возникновения жизни, человечество не наблюдает никаких достоверных сигналов внеземного разума.

Исследования космических лучей и «парадокс Ферми» в астрофизике

Помимо известного парадокса, Ферми занимался ускорением космических лучей. В 1949 году предложил механизм их ускорения ударными волнами (механизм Ферми), объяснив, как частицы могут приобретать огромные энергии при взаимодействии с магнитными полями в межзвёздной среде.

Интересные факты

• Энрико Ферми был не только гениальным теоретиком, но и блестящим экспериментатором. Он сам сконструировал множество приборов для своих опытов.
• В школе он обогнал учителей по математике к 12 годам.
• Получив Нобелевскую премию в 1938 году, он использовал поездку в Стокгольм как возможность бежать из фашистской Италии с женой-еврейкой.
• Во время испытаний «Тринити» Ферми оценил мощность взрыва, подбрасывая вверх обрывки бумаги и измеряя, насколько далеко их снесло ударной волной. Его оценка оказалась близка к показаниям приборов.
• Ферми активно участвовал в создании первой атомной бомбы, но после войны выступал за международный контроль над ядерным оружием.
• В его честь назван Институт физики имени Энрико Ферми при Чикагском университете, где хранятся его архивы и рабочие записи.

Источники

• Ферми Э. Лекции по ядерной физике. — М.: Издательство иностранной литературы, 1952.
• Ферми Э. Лекции по квантовой механике. — М.: Мир, 1965.
• Сегре Э. Энрико Ферми: физик. — М.: Издательство Московского университета, 1973.
• Лаура Ферми. Атомы у нас дома. — М.: Атомиздат, 1971.
• Либби У. Ф. Энрико Ферми и ядерная энергия. — Успехи физических наук, 1955.
• Dictio Community / Энрико Ферми — биография, открытия и достижения.
• Научная школа Энрико Ферми: «ребята с улицы Панисперна».