Текст книги "В делении сила. Ферми. Ядерная энергия."

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)

Antonio Hernandez-Fernandez
Наука. Величайшие теории: выпуск 24: В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Наука. Величайшие теории Выпуск № 24, 2015 Еженедельное издание

© Antonio Hernandez-Fernandez, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012 © ООО “Де Агостини", 2014-2015

ISSN 2409-0069

Пер. с итал. – М: Де Агостини, 2015.– 168 с.

Энрико Ферми, один из главных ученых XX века, произвел революцию в физике первой половины столетия, внеся вклад в развитие таких дисциплин, как статистическая механика, теория квантов и ядерная физика. Ученый принял активное участие в создании первого ядерного реактора, что спустя несколько лет привело к появлению атомной бомбы, навсегда изменившей ход истории. Он был необыкновенным физиком, опередившим свое время, прообразом современного ученого, который вместо того, чтобы замыкаться в своей гениальности, окружал себя лучшими из лучших и работал в команде. Он запомнился своему поколению не только как великий исследователь, но и как превосходный педагог, взрастивший нескольких будущих лауреатов Нобелевской премии.

Введение

Энрико Ферми был одним из ученых, совершивших переворот в физике первой половины XX века. Он занимался самыми разными областями науки, в том числе изучал частицы квантовой вселенной: созданием большей части известных сегодня ядерных технологий мы обязаны способности Ферми исследовать материю. Также он стоял у истоков атомной эры. Благодаря усилиям ученого атомная энергия со всей ее невероятной мощью и связанными с ней этическими проблемами стала неотъемлемой частью нашей жизни.

Вместе с Лео Силардом Ферми сыграл ключевую роль в создании первого ядерного реактора, встав во главе исследовательской группы, которая 2 декабря 1942 года в Чикагском университете запустила «Чикагскую поленницу – 1». Ученый принял самое активное участие в Манхэттенском проекте, в рамках которого была создана атомная бомба. Она изменила ход истории и положила конец Второй мировой войне, затмив остальные достижения Ферми.

К сожалению, этот итальянский ученый не приобрел широкой известности – его, как и многих других выдающихся ученых того времени, заслонила тень гениального Альберта Эйнштейна. Тем не менее Ферми был одним из самых универсальных физиков в истории. Он прекрасно совмещал теоретические разработки с экспериментальной физикой, а в последние годы жизни заложил основы имитационного моделирования – третьего метода эмпирического познания. Ферми одним из первых осознал, что будущее науки зависит от развития компьютеров.

На страницах этой книги мы постараемся описать огромные масштабы его работы, которая выходит далеко за рамки сборки ядерного реактора или Манхэттенского проекта. Вся увлекательная жизнь Ферми была символом перехода человека от незнания о квантовой структуре мира к просеиванию элементарных частиц, составляющих материю. Его плодотворная работа имела важнейшее значение для понимания ядерных сил, а также для осознания и контроля огромной энергии, таящейся в атоме. Как и многие другие первооткрыватели в области радиоактивности, ученый рано умер от рака, всего лишь в возрасте 53 лет.

Ферми также был великолепным педагогом и умело совмещал исследовательскую работу с преподаванием, что удавалось немногим великим ученым. Он взрастил будущих лауреатов Нобелевской премии Эмилио Сегре, Джека Стейнбергера и Оуэна Чемберлена, которые из учеников превратились в его сотрудников. Сегре завязал с Ферми тесную дружбу еще со времен Рима, когда оба они входили в группу «ребят с улицы Панисперна». Под руководством Ферми эта исследовательская команда развивала ядерную физику в Италии. Исследователь написал несколько учебников по разным областям физики: термодинамике, атомной, квантовой физике и так далее. Страсть Ферми к науке была так велика, что он хотел передать ее другим, заразить их вирусом интеллектуального любопытства.

В то время не было принято разрабатывать теоретическую базу какой-либо дисциплины и одновременно изучать применение новых технологий. Однако одной из целей Ферми стала именно разработка технологий в современном понимании. Он даже зарегистрировал несколько патентов, в частности связанных с нейтронными реакторами или получением радиоактивного материала. Можно сказать, что Ферми опередил свое время. Его интеллектуальный гений соединялся с потрясающе открытым умом, ученый сумел окружить себя прекрасными единомышленниками и увлеченными студентами, создав условия для плодотворного сотрудничества, без которого невозможна современная наука. Таким образом, Энрико Ферми порвал с парадигмой одинокого гения, свойственной XIX веку: большую часть своей работы он проделал в команде. Возможно, этому способствовал и южный характер ученого. Он соединил исследовательскую работу с преподаванием и начал новую эру, в которой наука и развитие технологий оказались тесно связаны. Ферми был настоящим ученым XX века.

Он родился в 1901 году в Риме, с самых ранних лет интересовался наукой и через всю жизнь пронес наивную детскую страсть ко всякого рода поделкам. Жадную любознательность Ферми разделял и его старший брат Джулио, однако он трагически погиб в возрасте 15 лет, и Энрико с головой ушел в учебу. Эта трагедия наложила отпечаток на всю жизнь ученого. Его жаждущая знаний личность была сформирована классическим образованием и книгами, которые Ферми читал в отрочестве. Довершили работу сами обстоятельства той эпохи.

Ферми не оставил автобиографий, но, к счастью, его супруга Лаура Капон (впоследствии она по американской традиции взяла фамилию мужа), с которой ученый, связав себя узами брака в 1928 году, прожил до самой смерти, написала подробнейший рассказ об их совместной жизни. После смерти Ферми Эмилио Сегре собрал воедино все его работы и переписку.

У Лауры и Энрико было двое детей: старшая дочь Нелла и сын Джулио, названный в честь погибшего брата. Как и некоторые римские сотрудники Ферми, Лаура была еврейкой, и это вынудило ученого со всей семьей бежать из фашистской Италии, от режима Муссолини. Сам дуче очень высоко оценивал передовые исследования Ферми в атомной физике и его значение для « итальянской расы». Хотя в молодости ученому удавалось оставаться вне политики и движения чернорубашечников, в 1929 году ему пришлось вступить в Национальную фашистскую партию, поскольку сам Муссолини назначил его членом Королевской академии Италии.

Тем не менее по мере ужесточения фашизма и сближения Муссолини с Гитлером положение Ферми становилось все более шатким. Летом 1938 года дуче распространил несколько манифестов в защиту итальянской расы, в которых в полную силу зазвучали антисемитские ноты. В этом же году Этторе Майорана, один из учеников и ближайших сотрудников Ферми, исчез при неизвестных обстоятельствах. К счастью, 10 ноября 1938 года Энрико получил известие от Шведской Королевской академии: ему присудили Нобелевскую премию по физике. И это, возможно, был единственный шанс сбежать с семьей из фашистской Италии. Очень редко Нобелевская премия имела для кого-либо такое огромное значение; вероятно, понимала это и сама академия. После церемонии вручения Ферми с семьей уехал в Нью-Йорк.

Исследования, проделанные Ферми в Италии, привели к потрясающим результатам. Благодаря таким открытиям, как принцип исключения Паули, согласно которому некоторые частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, Ферми разработал статистику, объясняющую поведение атомов и частиц, изучение которых только начиналось,– электронов, протонов и нейтронов. В его честь эти частицы, образующие большую часть известного нам мира, вместе с другими, которые были открыты позже и подчиняются тем же принципам, были названы фермионами.

Общее видение научной картины помогло Ферми понять, что для изучения мира атомов необходима статистическая физика – область, занимающаяся огромными совокупностями элементов и позволяющая делать макроскопические прогнозы. Благодаря своей знаменитой научной интуиции Ферми смог объяснить бета-распад и поведение радиоактивных элементов. Он прославился способностью находить решение задач на основании небольшого количества данных (так называемые задачи Ферми). Также ученый доказал, что частица, постулированная Паули в 1930 году, – не нейтрон, а что-то другое, с меньшей массой. Ферми назвал ее нейтрино (это слово имеет очевидное итальянское происхождение: нейтрино – нечто нейтральное и маленькое). Предположения Ферми очень часто подтверждались опытным путем и интегрировались в существующие модели, включая новые частицы, например позитрон, гипотезу о котором выдвинул Дирак, или квантовую механику Вернера Гейзенберга. Однако статья Ферми не нашла одобрения в редакции журнала Nature, так как была «слишком далека от реальности»: еще одно доказательство того, что редакторы научных журналов не всегда дотягивают до высоты гениальных авторов-ученых.

Последующее экспериментальное открытие нейтрино и его новых типов, часть которых имела космическое происхождение, произвело революцию в физике элементарных частиц и помогло связать ее с астрофизикой, как это и предвидел Ферми в последние годы своей научной деятельности. В этот период он сформулировал знаменитый парадокс Ферми, в котором выявлял противоречие между высокой вероятностью существования инопланетян и отсутствием каких-либо эмпирических доказательств этого. Однако настоящим парадоксом в жизни Ферми стала его работа в лаборатории Лос-Аламоса над использованием ядерной физики в военных целях, хотя публично ученый выступал против расширения видов вооружения.

Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронами, или же бомбардировка нейтронами атомных ядер, привела Ферми и его «ребят с улицы Панисперна» к открытию множества радиоактивных изотопов. Ученый отшлифовал технику бомбардировки медленными нейтронами, которая позже сыграла важнейшую роль при создании ядерного реактора, первой ядерной самоподдерживающейся цепной реакции и смертоносной атомной бомбы в Лос-Аламосе. Любопытно, что еще в 1934 году в Риме, наблюдая в ходе эксперимента по бомбардировке урана нейтронами большую радиоактивность по сравнению с ожидаемой, Ферми не подумал, что речь идет о делении ядра – процессе, о котором в том же году говорила немецкий физик Ида Новак. Как признавал сам ученый, это была его «большая ошибка». После того как стал понятен механизм деления ядра, разработка атомной бомбы продолжилась в Лос-Аламосской лаборатории. Новое оружие должно было положить конец Второй мировой войне.

Таким образом, Ферми стал первым ядерным инженером в истории. Любовь ученого к исследовательской деятельности наряду с прагматизмом позволили ему использовать квантовую революцию и понимание атомной вселенной для создания первых ядерных реакторов и внести решающий вклад в появление ядерного оружия. Ядерный парадокс очевиден: с одной стороны, часть потребляемого нами электричества происходит от ядерной энергии, и атомные реакторы могут сыграть ключевую роль в будущем исследовании космоса. С другой стороны, современный ядерный арсенал таит огромную опасность и способен уничтожить все человечество; к тому же наши реакторы не могут противостоять природным катастрофам (как случилось в Фукусиме в Японии в 2011 году) и человеческому фактору (как это было в Чернобыле в 1986-м). Должны ли мы отказаться от ядерной энергии из-за тех рисков, которые она несет в себе? Сможем ли мы контролировать развитие ядерного оружия, избежав угрозы массового уничтожения? Ферми тоже задавался этими вопросами. Он считал, что разработав такую технологию, как ядерная, человечество не может дать задний ход. Напротив, если человек – часть природы, то атомная бомба – это одна из возможных природных катастроф.

Интересно, что нейтрино, получивший свое название от Ферми, сейчас стал одним из главных объектов исследований, которые подводят нас к пределу понимания Вселенной. Мы знаем, что Солнце испускает нейтрино как продукт реакций деления, происходящих внутри него, те же процессы протекают и в звездах, например в сверхновых. Даже наше тело и вся материя испускают нейтрино. После того как было открыто, что нейтрино обладают массой, пусть и очень маленькой, удалось также доказать ошибочность эксперимент OPERA, в ходе которого якобы было установлено, что скорость нейтрино превышает скорость света.

Дух Ферми продолжает жить в Фермилабе – одном из крупнейших ускорителей частиц в мире, который расширяет наши знания о нейтрино и мире субатомных частиц.

1901 29 сентября в Риме рождается Энрико Ферми.

1914 Ферми знакомится с инженером Адольфо Амидеи, другом своего отца. Амидеи становится первым учителем и наставником мальчика. Год спустя умирает брат Ферми, Джулио.

1921 Еще до окончания учебы в Высшей нормальной школе Пизы публикует свою первую научную статью «О динамике системы жестко связанных электрических зарядов, движущейся поступательно».

1923 Во время учебы у Макса Борна в Геттингене знакомится с Вернером Гейзенбергом и Паскуалем Йорданом и их теориями.

1924 Стажируется в Лейдене у Пауля Эренфеста. По возвращении в Рим публикует работу «О вероятности квантовых состояний».

1926 Получает первую кафедру по физике в римском университете Ла Сапиенца. Публикует работу «О квантовании идеального одноатомного газа». В ней излагает теорию, лежащую в основе поведения большинства частиц Вселенной – фермионов.

1927 В статье 4 Статистический метод определения некоторых свойств атома» предлагает статистическую модель атома, или модель Томаса – Ферми.

1928 Женится на Лауре Капон. В этом браке родится двое детей.

1933 Благодаря открытию Паули нейтрино объясняет бета-распад.

1938 Муссолини публикует Итальянский расовый манифест. Ферми получает Нобелевскую премию по физике и пользуется поездкой в Стокгольм, чтобы эмигрировать в США.

1942 Переезжает в Чикаго и начинает работу, в результате которой возглавляет Манхэттенский проект, связанный с разработкой первого ядерного реактора в истории.

1945 Участвует в разработке первых атомных бомб в Лос-Аламосе.

1946 Возвращается в Чикаго и основывает Институт ядерных исследований. Начинается период блестящих открытий Ферми в области ядерной физики. Также ученый ведет преподавательскую деятельность в Чикагском университете.

1951 В Чикагском университете создает синхроциклотрон, открывающий новую эру в физике высоких энергий.

1953 Назначен президентом Американского физического общества.

1954 Ферми выступает как свидетель на процессе Оппенгеймера. Прочитав в Варение (город на берегу озера Комо) последние лекции, возвращается в Чикаго. Там ученому ставят диагноз «рак желудка», от которого он умирает 28 ноября.

ГЛАВА 1
Рождение фотона

В начале XX века человечество стало понимать, как устроены материя и свет.

Был открыт электрон, и началось изучение мира атомов. Волновая теория света и уравнения Максвелла объясняли большинство оптических явлений, пока Эйнштейн не сформулировал теорию фотоэлектрического эффекта, основанную на квантовании, предложенном Планком. Подготавливались основы квантовой механики. Юный Ферми прикоснулся ко всем этим источникам знаний, что впоследствии помогло ему стать пионером ядерных технологий.

Отец Энрико, Альберто Ферми, был служащим новых железных дорог, и эти пути сообщения в то время составляли нервную систему молодой итальянской нации, появившейся в 1861 году. Альберто родился в Боргонуре, недалеко от Пьяченцы, 3 апреля 1857 года. Его отцу, Стефано (первому из рода Ферми, кто не работал в поле), удалось устроить Альберто в железнодорожную компанию Alta Italia в 1882 году. Благодаря своим способностям и старанию Альберто очень скоро сделал карьеру в администрации и в 1898 году получил место инспектора. Он совершал много рабочих поездок, но в конце концов осел в Риме. В том же году Альберто женился на Иде де Гаттис, учительнице из Бари, которая была на 14 лет моложе его. У них родилось трое детей: старшая дочь Мария – в 1899 году, сын Джулио – в 1900-м, и наконец, Энрико появился на свет 29 сентября 1901 года.

Ида была очень умной женщиной и воспитывала детей в строгости. С самых ранних лет она прививала им усердие, упорство и любовь к знаниям. Поскольку она не могла кормить всех трех детей с такой маленькой разницей в возрасте, то Энрико и Джулио провели первые годы жизни у кормилицы в деревне – это была обычная практика для зажиточных семей того времени. Когда мальчику исполнилось два с половиной года, он заболел и вернулся в Рим. Энрико рано научился читать и писать и демонстрировал прекрасную память, зачитывая наизусть длинные отрывки из «Неистового Роланда» Лудовико Ариосто.

Когда в шесть лет он пошел в школу, то проявил способности и к математике. Говорят, что в возрасте десяти лет, когда дети только переходили из начальной школы в среднюю, Энрико уже решал абстрактные задачи. Например, уравнение окружности х² + у² = r² – один из его первых алгебраических вызовов. В детстве он предпочитал познавать мир самостоятельно, не прибегая к помощи брата и сестры, но со временем стал более общительным и научился делиться переживаниями, особенно с Джулио. Любознательность и удовольствие от решения интеллектуальных задач стали верными спутниками Энрико на протяжении всей жизни.

БОЛЬШАЯ УТРАТА

Обучение в средней школе длилось пять лет, в лицее – три года, за это время учащихся готовили к университету и преподавали им преимущественно гуманитарные дисциплины, в частности итальянский, латынь, греческий, французский, философию, историю, географию, а также математику, физику и естественные науки, которые тогда назывались «естественной историей». Энрико был первым учеником в классе. Благодаря живому уму он интересовался всеми предметами, но особую склонность чувствовал к дисциплинам, которые вели увлеченные своим делом педагоги. Например, учитель по итальянскому Джованни Федерцони вдохновил мальчика на изучение «Божественной комедии» Данте. Во взрослом возрасте Энрико Ферми, к тому времени уже забывший отрывки из «Неистового Роланда», читал Данте наизусть с потрясающей точностью.

Несмотря на замкнутый и молчаливый характер, он любил играть в футбол, плавать и гулять по горам и часто брал с собой брата Джулио. Также Энрике пылал духом соперничества: ему нравилось побеждать и становиться во всем первым. Возможно, это была своего рода компенсация: в семье мальчик был самым младшим и страдал от комплекса неполноценности по отношению к брату и сестре. С Джулио он делил все: игры, желание познать устройство Вселенной, страсть к науке и новым технологиям, которые уже начинали менять мир. Братья были неразлучны. Они вместе сконструировали несколько маленьких моторов и игрушек.

Люди слишком часто отказываются понять суть вещей.

Высказывание молодого Ферми, в котором заключено его кредо

Тогда это и случилось. У Джулио началось воспаление горла 12 января 1915 года. В результате операции, которая поначалу казалась довольно простой, он погиб. Эта смерть повергла семью в отчаяние. Ида впала в тяжелую депрессию, разом постарев на несколько лет. Она была особенно привязана к Джулио и так никогда и не оправилась от этой потери. Энрико же лишился товарища по приключениям, старшего брата, с которым он играл в футбол, гулял по горам, друга, помогавшего ему сблизиться с другими людьми. Он еще больше замкнулся и нашел прибежище в учебе, окончив среднюю школу с превосходными результатами и на год раньше срока. Затем Энрико поступил в римский лицей имени Умберто I.

ДВА ЭНРИКО

Поскольку Энрико поступил в лицей на год раньше, то оказался среди мальчиков, которые были старше его – как раз как его погибший брат. Там Ферми познакомился с Энрико Персико, бывшим другом Джулио. Вскоре выяснилось, что оба Энрико одинаково любили физику. В лице Персико Ферми нашел больше чем друга – практически родную душу. Уроки в лицее были не в состоянии утолить их жажду знаний, и по средам они оба ходили на рынок на площади Кампо-деи-Фиори, где за несколько лир покупали подержанные книги.

Одной из таких книг оказался трактат, написанный Андреа Караффой (1789-1845), членом ордена иезуитов, физиком и математиком. Эта работа, опубликованная на латыни в 1840 году, называлась Elementorum physicae mathematicae («Начала физики и математики»). Наконец-то Энрике пригодились уроки древних языков, и очень скоро он поделился с Персико этим гениальным сочинением. В работе Караффы, состоящей из более чем 900 страниц, были разделы по математике, классической механике, оптике, астрономии и акустике. С горячностью, свойственной молодости, Энрико восхищался этим трактатом. Анализируя движение юлы, с которой Ферми и Персико играли, как и другие дети, друзья углубились в изучение механики твердых тел и вышли за пределы трактата. Ребята даже изготовили самодельные гироскопы – инструмент, созданный в 1852 году Фуко для того, чтобы лучше понять движение Земли (после того как он доказал ее вращение с помощью знаменитого маятника). В начале XX века гироскоп еще оставался удивительным механизмом, способным поразить молодой ум.

В то время Ферми уже продемонстрировал уникальные способности к абстрагированию и всегда с максимальной ясностью излагал свои идеи и гипотезы, стремясь найти наиболее точный экспериментальный способ доказать их. Персико следовал за другом, понимая, что имеет дело с гением, которому почти нет равных. Годы спустя, в 1936-м, оба друга возглавили первые две кафедры по теоретической физике в Италии.

ИНЖЕНЕР АМИДЕИ

После смерти Джулио Альберто Ферми еще больше сблизился со своими детьми. Энрико завел привычку после уроков заходить к отцу на работу, и они вместе шли домой. Часто их провожал коллега Альберто, Адольфо Амидеи, инженер железнодорожной компании. Амидеи сразу распознал удивительные способности Энрико. Видя его энтузиазм, он вскоре начал давать мальчику задачи, пробуждающие в нем еще больший интерес. Специально для Энрико Амидеи составил курс математики и физики, давал ему читать свои книги, объяснял ему все, что знал сам, распределяя темы по времени и уровню сложности.

Ферми сам дополнял эти полезнейшие сведения случайными книгами, которые находил по средам на рынке Кампо-деи-Фиори, и делился с Персико своими достижениями.

Я с усердием занимаюсь математикой, потому что считаю ее необходимой для изучения физики, которой хочу всецело себя посвятить.

Ответ Энрико Ферми на вопрос Адольфо Амидеи о его предпочтениях в учебе

Адольфо Амидеи был поражен успехами молодого Ферми.

В 1918 году он сказал его отцу, что вместо римского университета Ла Сапиенца для Энрико было бы лучше попробовать получить стипендию на учебу в престижной Высшей нормальной школе Пизы. Поначалу Ида и Альберто не оценили эту идею.

Ла Сапиенца считался хорошим университетом, к тому же он находился рядом с домом. С момента смерти Джулио прошло слишком мало времени, и родители не хотели расставаться со вторым сыном, хотя Пиза тоже была не так уж далеко. Однако настойчивость Амидеи и самого Энрико в конце концов преодолела их сопротивление. Амидеи посоветовал Ферми учить немецкий, который в то время был языком физики.

На одном из вступительных испытаний 14 ноября 1918 года Ферми поразил экзаменаторов, в частности профессора математики Римского университета Джузеппе Питарелли, подробным докладом о свойствах звука и вибрации струн под названием «Характер и причины звуков», в котором демонстрировал прекрасное владение методами решения дифференциальных уравнений и анализом Фурье. Питарелли никогда в жизни не видел ничего подобного. Знания Ферми были на уровне выпускника, а не ученика старшей школы. В его лице Пизанский университет приобретал гениального студента.

ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ?

Вопрос о том, какую природу имеет свет – волновую или корпускулярную, решался в учебнике Караффы неправильно. Исаак Ньютон (1643-1727) в своем трактате об оптике 1704 года уже использовал корпускулярную модель для объяснения отражения и преломления света. По теории Ньютона, в воде и в стекле свет перемещается с большей скоростью, чем в воздухе, что было неправильным предположением, как и то, что свет перемещается практически мгновенно, а его лучи распространяются только по прямой. Эти взгляды ученого подверглись жесткой критике со стороны современников, особенно англичанина Роберта Гука (1635-1703) и голландца Христиана Гюйгенса (1629-1695). Описывая феномен преломления, они предполагали, что свет достигает максимальной скорости в воздухе, и отстаивали его волновую природу. Французский физик Огюстен Френель (1788-1827) провел множество опытов по интерференции и дифракции и заложил математические основы волновой теории света – единственной, которая могла объяснить его дифракцию. При дифракции волны искривляются, наталкиваясь на препятствие или проходя через отверстие.

В 1801 году английский ученый Томас Юнг (1773-1829) доказал правильность волновой теории с помощью своего знаменитого опыта с двойными прорезями. Эксперимент заключался в следующем: на две узкие прорези, расположенные одна рядом с другой, направлялся луч света. Таким образом получалось два пучка света, и на проекционном экране была видна интерференция, то есть светлые и темные полосы (рисунок 1). Это, бесспорно, доказывало волновую природу света: если бы свет состоял из частиц, то интерференции не наблюдалось бы и частицы, достигшие экрана, сконцентрировались бы перед прорезями, создав две освещенные области (рисунок 2).

РИС. 1

РИС. 2

Когда в 1860 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) опубликовал свою математическую теорию электромагнетизма, казалось, что волновая теория победила окончательно. В ее рамках были разработаны уравнения, которые предсказывали существование волн, подтверждавших ее истинность. Максвелл воспользовался разработками других ученых, таких как Гаусс, Фарадей, Ленц и Ампер. Его заслуга заключалась в том, что он объединил разрозненные исследования на тему магнетизма и доказал, что скорость света в вакууме (с) равна приблизительно 300000 км/с и что свет является формой электромагнитного излучения, описывающейся уравнением

c = 1/√(ε₀μ₀),

где ε₀ – электрическая постоянная, или, как тогда ее называли, электрическая проницаемость вакуума (8,854-10^-12 Ф/м), а μ₀ – магнитная постоянная, или магнитная проницаемость вакуума (4π-10⁷ Гн/м). Электрическая проницаемость материала – это значение, которое показывает, как он ведет себя в присутствии электрического поля, а магнитная проницаемость характеризует способность материала пропускать через себя магнитные поля. Большим достижением Максвелла было то, что он объяснил природу света, связав ее с электромагнитными свойствами материалов, через которые свет проходит. Молодой Ферми был очарован универсальными постоянными – эти числа, справедливые для всей Вселенной, словно ждали, пока их откроют.

По мере того как ученые продвигались в изучении света, стали проявляться свойства недавно открытых катодных лучей. Немецкий физик и математик Юлиус Плюккер (1801-1868) в 1858 году обнаружил разряды в некоторых газах, запаянных в стеклянные трубки, откуда предварительно был откачан воздух. В 1897 году в Кавендишской лаборатории в Кембридже британский ученый Джозеф Джон Томсон (1856-1940) измерил соотношение между разрядом и массой электрона (е/m).

ОПЫТ ТОМСОНА

В опыте Томсона (см. рисунок) катод С испускает электроны со скоростью v', их большая часть доходит до анода А, но некоторые проходят через отверстие в аноде. Через второй анод, А’, проходит еще меньшее количество электродов, на которые затем воздействует электромагнитное поле, создающееся между параллельными пластинами шириной а.

С – катод, испускающий электроны;

А, А' – перфорированные аноды с высоким положительным потенциалом;

Р, Р' – отклоняющие пластины, создающие электрическое поле, более или менее равномерное на всем расстоянии L;

S – флюоресцентная пластина, на которой остается след от столкновения с электроном.

Электрическое поле Е отклоняет электроны на величину (y_ε). Магнитное поле В отклоняет их на величину y_M. Отклонения y_ε, y_M, ширину пластин и длину L между концом пластин и экраном S можно измерить напрямую, макроскопически.

y_ε = eEa/mv²(L + a/2)

Схема и формула измерения отклонения y_ε вызванного электрическим полем (E^→).

y_M = eBa/mv(L + a/2)

Схема и формула измерения отклонения вызванного магнитным полем (B^→).

Изменив электрическое поле Е и магнитное поле В так, чтобы пучок не отклонялся от прямой, мы можем приравнять оба отклонения: y_ε = y_M. Измерив их, мы получим соотношение между зарядом и массой электрона (е/m) в зависимости от расстояний а и L с помощью формулы

e/m = y_Ev²/Ea · 1/(L + a/2) ≃ y_Ev²/EaL = (y_E · E)/B²aL.

Таким образом можно получить достаточно точное соотношение между зарядом и массой электрона.

Для этого он использовал специальный прибор: в стеклянную трубку, внутри которой создавался вакуум (давление меньше 0,01 мм рт. ст.), помещали несколько металлических электродов, а затем через них пропускали пучок катодных лучей Плюкера. Так Томсон опытным путем доказал, что катодные лучи имеют корпускулярную природу и отрицательный заряд, то есть открыл электрон. В результате этих исследований появилась простая атомная модель, в которой атом состоял из электронов, находящихся в составе массы с положительным зарядом, как изюм в пудинге (см. рисунок на следующей странице).

В 1909 году американские физики Роберт Милликен (1868-1953) и Харви Флетчер (1884-1981) провели опыт, вызвавший впоследствии большую критику, поскольку в нем было допущено несколько ошибок, и измерили заряд электрона. Он оказался приблизительно равен e ≈ -1,6 · 10^-19 Кл. До открытия кварков заряд электрона считался самым маленьким зарядом, встречающимся в природе.

РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Квантовая физика родилась 14 декабря 1900 года, когда немецкий физик Макс Планк (1858-1957) на заседании Немецкого физического общества прочел свою работу «К теории распределения энергии излучения нормального спектра».

В ней Планк высказывался в поддержку дискретных состояний энергии, а не непрерывных, как утверждалось в классической теории, согласно которой частицы могут иметь энергию, равную любому численному значению.

Дискретизация подразумевала, что обмен энергией между системами постоянный. Закон Планка связывает энергию излучения с ее частотой (v) так, что E = hv, где постоянная h – постоянная Планка – приблизительно равна h ≈ 6,626 х 10^-34 Дж с. Планк заключал, что при переходе с одного уровня на другой энергия организовывается в кванты, то есть в минимальные порции энергии, которые можно вычислить с помощью уравнения.