Сьогодні світ відзначає 125 років від дня народження Енріко Фермі. Він керував запуском першого у світі ядерного реактора і поставив питання про інші цивілізації, на яке досі немає відповіді.
Фізик теорії та експерименту
Атоми будь-якої речовини, зокрема й вашого тіла, складаються з електронів, протонів і нейтронів. Фізика відносить ці частинки до ферміонів, групи, названої на честь італійця Енріко Фермі, який народився 29 вересня 1901 року, тобто рівно 125 років тому.
Енріко Фермі належав до рідкісних науковців, яким однаково добре вдавалися і теорія, й експеримент. Спершу він на папері пояснив один зі способів, яким хімічні елементи самі собою перетворюються на інші, а згодом керував запуском першого у світі ядерного реактора.
Нобелівська премія з фізики
Докторський ступінь Енріко Фермі здобув у 20 років, а в 26 уже став наймолодшим професором фізики в Італії. Наприкінці 1933 року він побудував теорію бета-розпаду, того самого перетворення, під час якого з центру атома вилітає електрон. Частина енергії при цьому ніби зникала, й австрійський фізик Вольфганг Паулі припустив, що її забирає частинка без заряду, яку тодішні прилади не могли зареєструвати. Енріко Фермі включив її до своєї теорії й дав назву «нейтрино», тобто щось на кшталт «маленький нейтральний».
Експериментально нову частинку зареєстрували лише 1956 року. Тепер відомо, що щосекунди крізь кожен квадратний сантиметр земної поверхні пролітають десятки мільярдів нейтрино, що утворюються в надрах Сонця. Ми їх не відчуваємо, бо ці частинки майже не взаємодіють зі звичною речовиною і вільно проходять навіть крізь усю планету. Щоб зареєструвати хоча б кілька з них, у світі збудували величезні детектори глибоко під землею, під водою та в антарктичному льоді, зокрема японський «Супер-Каміоканде» і IceCube на Південному полюсі.
Магазин від Universe Space Tech
Комплект журналів Сонце, Місяць та Марс
До товару
У 1934 році його група в Римі взялася за досліди з нейтронами. Ними науковці опромінювали різні речовини. Коли потік пропускали крізь шар парафіну, він сповільнювався, і тоді ядра атомів захоплювали нейтрони значно частіше, бо ті довше перебували поблизу. За ці досліди 1938 року Енріко Фермі присудили Нобелівську премію з формулюванням «за доведення існування нових радіоактивних елементів, утворених опроміненням нейтронами, й за пов’язане із цим відкриття ядерних реакцій, спричинених повільними нейтронами».
Церемонія вручення у Стокгольмі стала для родини науковця приводом виїхати з Італії. У країні щойно ухвалили антисемітські закони, а його дружина Лаура була єврейкою. До Італії вони вже не повернулися і згодом оселилися у Сполучених Штатах.
Від дослідів з частинками до атомної бомби
Невдовзі після переїзду, на початку 1939 року, до США дійшла новина з Європи. Німецькі хіміки наприкінці 1938-го виявили, що ядро урану під дією нейтронів здатне поділитися на дві частини, а фізики незабаром пояснили цей процес. З’ясувалося, що в римських дослідах 1934 року це вже відбувалося, але тоді результат прийняли за нові елементи, важчі за будь-які відомі на той час.
Під час такого поділу вивільняється енергія і вилітає кілька нових нейтронів. Кожен із них здатен розщепити ще одне ядро, і тоді процес підтримує себе сам, не потребуючи підживлення ззовні. Це і є ланцюгова реакція. Вперше у світі штучно її запустили в Чикаго 2 грудня 1942 року. Установку Chicago Pile-1 під керівництвом Енріко Фермі зібрали просто під трибунами університетського стадіону.
Вона мала вигляд сплющеної кулі завширшки близько 7,6 метра, складеної з графітових блоків, серед яких чергувалися суцільні та з вкладеними шматками урану. Графіт сповільнював нейтрони так само, як парафін у римських дослідах, а пригальмовані частинки значно частіше розщеплювали ядра. Електрики установка не виробляла. Під час першого запуску вона працювала близько 4,5 хвилини з потужністю приблизно 0,5 Вт, але головний результат був іншим. Науковці довели, що цей процес можна розпочати, утримувати й зупинити, коли потрібно. На цьому досвіді згодом збудували промислові реактори, у яких виробляли плутоній для зброї, а після війни — й промислові ядерні електростанції. Запуск реактора відзначили однією пляшкою к’янті, яку розпили з паперових стаканчиків.
Уміння керувати ланцюговою реакцією знадобилося і в Лос-Аламосі, де створювали першу атомну бомбу. Енріко Фермі переїхав туди 1944 року і став одним із заступників директора лабораторії. Після війни він повернувся до Чикаго, де викладав в університеті. Коли 1949 року постало питання про створення ще потужнішої водневої бомби, італієць виступив проти й разом із колегами підписав різке застереження до звіту урядових консультантів. Президент США Гаррі Трумен наказав розробляти її попри це.
Парадокс Фермі
Влітку 1950 року Енріко Фермі приїхав до Лос-Аламоса вже як гість і пішов обідати з колегами. Дорогою говорили про повідомлення щодо літаючих тарілок і про те, чи можливі взагалі подорожі між зорями. Коли про тарілки вже забули й перейшли до інших тем, італієць раптом кинув фразу: «А де ж усі?».
З цієї репліки згодом виросла ідея, яку сьогодні знають як парадокс Фермі. У нашій Галактиці мільярди зір, чимало з них старші за Сонце, тож ми давно мали б помітити чиєсь розумне життя, але жодних його слідів немає. Проте сам Енріко Фермі такого аргументу не висував і парадоксом свою репліку не називав. Цю ідею 1975 року сформулював астроном Майкл Гарт, а італієць, імовірно, не сумнівався, що інші цивілізації існують. Його бентежило інше: чи здатен хтось узагалі долетіти до нас крізь космічні відстані.
На честь італійця назвали хімічний елемент фермій і космічний телескоп NASA Fermi. За його допомогою з 2008 року спостерігають гамма-випромінювання, світло з найбільшою енергією, зокрема від потужних вибухів у далеких галактиках. Назву обрали не випадково. Ще 1949 року Енріко Фермі першим пояснив, як заряджені частинки в космосі набирають величезних енергій. Вони раз у раз відбиваються від рухомих хмар намагніченого газу і з кожним зіткненням прискорюються, а вже в такому стані за певних умов породжують гамма-випромінювання.
Задачі Фермі
Серед колег Енріко Фермі славився вмінням швидко оцінити майже будь-яку величину, маючи мінімум вихідних даних. Своїм студентам у Чикаго італієць любив ставити запитання на кшталт: «Скільки в місті налаштувальників піаніно?». Сьогодні такі вправи називають задачами Фермі. Точних даних ніхто не мав, тож треба було прикинути, скільки там живе людей, у скількох родинах є інструмент, як часто його налаштовують і скільки викликів майстер може прийняти за рік. Помилки в окремих оцінках частково гасили одна одну, а відповідь непогано збігалася з кількістю налаштувальників, записаних у міському телефонному довіднику.
Найвідоміша така швидка оцінка з’явилася трохи раніше, 16 липня 1945 року, під час першого випробування атомної бомби в пустелі штату Нью-Мексико. Приблизно через 40 секунд після спалаху до спостерігачів дійшла ударна хвиля, й Енріко Фермі впустив жменю паперових клаптиків із висоти близько 2 м. За відстанню, на яку хвиля їх відкинула, він визначив потужність вибуху як еквівалент приблизно 10 тис. тонн тротилу. Прилади згодом показали близько 21 тис. тонн, тож результат, отриманий за допомогою жмені паперу, відрізнявся від реального вдвічі.
Метод Енріко Фермі астрономи використовують і досі, наприклад, щоб оцінити, наскільки ймовірне розумне життя в інших куточках нашої Галактики. Для цього враховують низку грубих припущень, зокрема про кількість планет із придатними умовами.
