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.
Через два с половиной года Ферми был в штате Нью-Мексико и наблюдал первый ядерный взрыв – операцию под кодовым названием «Тринити». Что характерно для Ферми, пока остальные просто стояли, с восторгом и ужасом наблюдая за происходящим, он провел импровизированный эксперимент по оценке мощности взрыва; при подходе ударной волны он бросил в воздух несколько полосок бумаги, чтобы посмотреть, как далеко их унесет.
Стремление Ферми при любой возможности ставить физические эксперименты – одна из причин, по которым я чту его память. Он всегда находил простой, легко реализуемый способ найти верный ответ. Хотя Ферми прекрасно владел математическими методами, он не любил сложностей и понимал, что если приближенный, «достаточно хороший» ответ можно получить за короткое время, то на получение точного ответа могут уйти месяцы и даже годы. Он оттачивал свои способности и помогал в этом студентам, придумывая то, что мы сегодня называем «задачами Ферми»; говорят, он задавал их своим сотрудникам каждый день во время ланча. Моя любимая задача, которую я всегда задаю своим новым студентам-физикам, звучит так: «Сколько в Чикаго настройщиков роялей?» Попробуйте решить ее. Если вы получите ответ в диапазоне от ста до пятисот, вы неплохо справились.
Ферми получил Нобелевскую премию за экспериментальную работу, но его теоретическое наследие может быть куда более ценным. По обыкновению, «теория», предложенная им в знаменитой отвергнутой статье о распаде нейтрона, была замечательно простой, но при этом выполняла поставленную задачу. Конечно, это вовсе не было полноценной теорией, но в то время даже пытаться разрабатывать такую теорию было бы преждевременно. Вместо этого он сделал простейшее возможное допущение – представил себе некий новый тип взаимодействия между частицами, действующий в одной точке. Частиц предполагалось четыре – нейтрон, протон, электрон и та новая частица, которую Паули и Ферми назвали нейтрино.
Рассуждения Ферми, как и почти вся современная физика, начинается с упоминания света; в данном случае речь шла о современной квантовой теории взаимодействия света с веществом. Вспомните, что Фейнман, доказывая существование антивещества, придумал графический метод анализа фундаментальных процессов в пространстве и времени. Здесь воспроизведена пространственно-временная картина электрона, испускающего фотон, но с заменой электрона на протон p.
Ферми представил распад нейтрона аналогичным образом, но вместо нейтрона, испускающего фотон и остающегося при этом собой, то есть всё тем же нейтроном, нейтрон n у него испускал пару частиц – электрон e и нейтрино n – и превращался в протон p.
В электромагнетизме сила взаимодействия между заряженными частицами и фотонами (определяющая вероятность излучения фотона в точке, показанной на первом рисунке) пропорциональна заряду частицы. Поскольку именно заряд позволяет частицам взаимодействовать с электромагнитным полем, мы называем величину фундаментального кванта заряда – заряд единичного электрона или протона – постоянной взаимодействия электромагнетизма.
Во взаимодействии, которое рассматривал Ферми, вероятность превращения нейтрона в протон определяется численной величиной, которая проявляется в момент взаимодействия, изображенный на рисунке, когда и происходит превращение. Значение этой величины определяется экспериментально, и сегодня мы называем ее постоянной Ферми. По отношению к электромагнетизму численное значение этой величины мало, потому что нейтрон не спешит распадаться, сравнительно, например, со скоростью электромагнитных переходов в атоме. В результате взаимодействие Ферми, описывающее новую фундаментальную силу, стало известно как слабое взаимодействие.
Один из моментов, делавших гипотезу Ферми столь замечательной, состоял в том, что впервые в физике кто-то предположил, что в квантовом мире могут спонтанно возникать не только фотоны, но и какие-то другие частицы. (В данном случае в момент превращения нейтрона в
