Прежде чем я пришел сюда, я был в замешательстве по этому поводу. Послушав вашу лекцию, я все еще в замешательстве. Но на более высоком уровне.
Enrico Fermi был итальянским, позже получившим американское гражданство физиком и создателем первого в мире ядерного реактора Chicago Pile-1. Его называли "архитектором ядерного века" и "архитектором атомной бомбы". Он был одним из немногих физиков, преуспевших как в теоретической, так и в экспериментальной физике. Fermi получил Нобелевскую премию по физике в 1938 году за работы по индуцированной радиоактивности при бомбардировке нейтронами и за открытие трансуранических элементов. Вместе со своими коллегами Fermi подал несколько патентов, связанных с использованием ядерной энергии, все они были переданы правительством США. Он внес значительный вклад в развитие статистической механики, квантовой теории, ядерной и физики элементарных частиц.
Первый крупный вклад Fermi был в области статистической механики. После того как Wolfgang Pauli сформулировал свой принцип исключения в 1925 году, Fermi последовал с работой, в которой он применил этот принцип к идеальному газу, используя статистическую формулировку, ныне известную как статистика Ферми–Дирака. Сегодня частицы, подчиняющиеся принципу исключения, называются "фермионами". Pauli позже постулировал существование незаряженной невидимой частицы, испускаемой вместе с электроном при бета-распаде, чтобы удовлетворить закону сохранения энергии. Fermi воспринял эту идею, разработав модель, которая включала постулируемую частицу, которую он назвал "нейтрино". Его теория, позже названная взаимодействием Fermi и теперь называемая слабым взаимодействием, описала одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. Через эксперименты по индуцированию радиоактивности с недавно открытым нейтроном, Fermi обнаружил, что медленные нейтроны легче захватываются атомными ядрами, чем быстрые, и он разработал уравнение возраста Fermi для описания этого. После бомбардировки тория и урана медленными нейтронами он пришел к выводу, что создал новые элементы. Хотя ему была присуждена Нобелевская премия за это открытие, новые элементы позже оказались продуктами ядерного деления.
Fermi покинул Италию в 1938 году, чтобы избежать новых итальянских расовых законов, которые повлияли на его еврейскую жену Laura Capon. Он эмигрировал в Соединенные Штаты, где работал над Manhattan Project во время Второй мировой войны. Fermi возглавлял команду, которая спроектировала и построила Chicago Pile-1, который стал критическим 2 декабря 1942 года, продемонстрировав первую созданную человеком самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Он присутствовал, когда X-10 Graphite Reactor в Oak Ridge, Tennessee, стал критическим в 1943 году, и когда B Reactor на Hanford Site это произошло в следующем году. В Los Alamos он возглавлял F Division, часть которой работала над термоядерной бомбой "Super" Edward Teller. Он присутствовал на испытании Trinity 16 июля 1945 года, где использовал свой метод Fermi для оценки мощности бомбы.
После войны Fermi служил под руководством J. Robert Oppenheimer в Генеральном консультативном комитете, который консультировал Комиссию по атомной энергии по ядерным вопросам. После детонации первой советской расщепляющейся бомбы в августе 1949 года он решительно выступал против разработки водородной бомбы как на моральных, так и на технических основаниях. Он был одним из ученых, которые дали показания в поддержку Oppenheimer на слушании 1954 года, которое привело к отказу в допуске Oppenheimer к секретной информации. Fermi проделал важную работу в физике элементарных частиц, особенно в отношении пионов и мюонов, и предположил, что космические лучи возникают, когда материал ускоряется магнитными полями в межзвездном пространстве. Множество наград, концепций и учреждений названы в честь Fermi, включая Enrico Fermi Award, Enrico Fermi Institute, Fermi National Accelerator Laboratory Fermilab, Fermi Gamma-ray Space Telescope, Enrico Fermi Nuclear Generating Station и синтетический элемент фермий, что делает его одним из 16 ученых, в честь которых названы элементы.
Великий и любимый учитель, Fermi обучал или непосредственно влиял на не менее 8 молодых исследователей, которые пошли на получение Нобелевских премий.
Ранняя жизнь
Enrico Fermi родился в Rome, Италия, 29 сентября 1901 года. Он был третьим ребенком Alberto Fermi, начальника отдела в министерстве железных дорог, и Ida de Gattis, учительницы начальной школы. Его сестра Maria была на два года старше, его брат Giulio на год старше. После того как оба мальчика были отправлены в сельскую общину на воспитание кормилице, Enrico вернулся к своей семье в Rome, когда ему было два с половиной года. Хотя он был крещен как католик согласно пожеланиям своих дедушки и бабушки, его семья не была особенно религиозной; Enrico был агностиком на протяжении всей своей взрослой жизни. В детстве он делился теми же интересами, что и его брат Giulio, строя электрические моторы и играя с электрическими и механическими игрушками. Giulio умер во время операции на гнойном абсцессе горла в 1915 году, а Maria погибла в авиакатастрофе близ Milan в 1959 году.
На местном рынке Fermi нашел книгу по физике, 900-страничный Elementorum physicae mathematicae. Написанный на латыни иезуитским отцом Andrea Caraffa, профессором Collegio Romano, он представлял математику, классическую механику, астрономию, оптику и акустику в том виде, в котором они понимались во время его публикации в 1840 году. С научно ориентированным другом Enrico Persico, Fermi занимался проектами такими как строительство гироскопов и измерение ускорения земной гравитации. Коллега отца Fermi дал ему книги по физике и математике, которые он быстро усвоил.
Scuola Normale Superiore в Pisa
Fermi закончил среднюю школу в июле 1918 года и по настоянию Amidei подал заявление в Scuola Normale Superiore в Pisa. Потеряв одного сына, его родители неохотно позволили ему жить в школьных общежитиях в течение четырех лет. Fermi занял первое место на сложном вступительном экзамене, который включал эссе на тему "Характерные особенности звуков"; 17-летний Fermi решил использовать анализ Fourier для вывода и решения уравнения в частных производных для вибрирующего стержня, и после беседы с Fermi экзаменатор заявил, что он станет выдающимся физиком.
В Scuola Normale Superiore Fermi играл шутки с однокурсником Franco Rasetti; оба стали близкими друзьями и соавторами. Fermi консультировался у Luigi Puccianti, директора физической лаборатории, который сказал, что ему мало что можно научить Fermi и часто просил Fermi научить его что-нибудь. Знание Fermi квантовой физики было таким, что Puccianti попросил его организовать семинары по этой теме. В это время Fermi изучил тензорное исчисление, метод ключевой для общей теории относительности. Fermi первоначально выбрал математику в качестве специальности, но скоро переключился на физику. Он оставался в основном самоучкой, изучая общую теорию относительности, квантовую механику и атомную физику.
В сентябре 1920 года Fermi был принят на кафедру физики. Так как в отделении было всего три студента—Fermi, Rasetti и Nello Carrara—Puccianti позволил им свободно использовать лабораторию в любых целях по их выбору. Fermi решил, что они должны исследовать рентгеновскую кристаллографию, и трое работали над созданием фотографии Laue—рентгеновского снимка кристалла. В течение 1921 года, его третьего года в университете, Fermi опубликовал свои первые научные работы в итальянском журнале Nuovo Cimento. Первая называлась "On the dynamics of a rigid system of electrical charges in translational motion" Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio. Признаком грядущего было то, что масса была выражена как тензор—математическая конструкция, обычно используемая для описания чего-то движущегося и изменяющегося в трехмерном пространстве. В классической механике масса является скалярной величиной, но в теории относительности она изменяется с изменением скорости. Вторая работа называлась "On the electrostatics of a uniform gravitational field of electromagnetic charges and on the weight of electromagnetic charges" Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche. Используя общую теорию относительности, Fermi показал, что заряд имеет вес, равный U/c2, где U была электростатической энергией системы, а c—скорость света.
Первая работа, казалось, указывала на противоречие между электродинамической и релятивистской теориями в отношении расчета электромагнитных масс, так как первая предсказывала значение 4/3 U/c2. Fermi обратился к этому в следующем году в работе "Concerning a contradiction between electrodynamic and the relativistic theory of electromagnetic mass", в которой он показал, что явное противоречие было следствием теории относительности. Эта работа была настолько хорошо воспринята, что была переведена на немецкий и опубликована в немецком научном журнале Physikalische Zeitschrift в 1922 году. В этом году Fermi подал свою статью "On the phenomena occurring near a world line" Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria в итальянский журнал I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei. В этой статье он исследовал принцип эквивалентности и ввел так называемые "координаты Fermi". Он доказал, что на мировой линии, близкой к временной линии, пространство ведет себя так, как если бы оно было евклидовым пространством.
Fermi подал свою диссертацию "A theorem on probability and some of its applications" Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni в Scuola Normale Superiore в июле 1922 года и получил laurea в необычно молодом возрасте 20 лет. Диссертация была о рентгеновских изображениях дифракции. Теоретическая физика еще не считалась дисциплиной в Италии, и единственной диссертацией, которая была бы принята, была диссертация по экспериментальной физике. По этой причине итальянские физики медленно воспринимали новые идеи, такие как теория относительности, приходившие из Germany. Так как Fermi был весьма уютно себя чувствовал в лаборатории, выполняя экспериментальную работу, это не создавало непреодолимых проблем для него.
Во время написания приложения к итальянскому изданию книги Fundamentals of Einstein Relativity авторства August Kopff в 1923 году, Fermi был первым, кто указал на то, что скрытой внутри знаменитого уравнения Einstein E = mc2 было огромное количество ядерной потенциальной энергии, которую можно было использовать. "Не кажется возможным, по крайней мере в ближайшем будущем", написал он, "найти способ высвободить эти страшные количества энергии—что всё к лучшему, потому что первый эффект взрыва такого страшного количества энергии был бы разнести в щепки физика, который имел несчастье найти способ это сделать."
В 1924 году Fermi был посвящен в масонскую ложу "Adriano Lemmi" Grand Orient of Italy.
Fermi провел семестр, обучаясь под руководством Max Born в Геттингенском университете, где он встретил Werner Heisenberg и Pascual Jordan. Затем Fermi учился в Leiden с Paul Ehrenfest с сентября по декабрь 1924 года по стипендии Rockefeller Foundation, полученной через посредничество математика Vito Volterra. Здесь Fermi встретил Hendrik Lorentz и Albert Einstein и подружился с Samuel Goudsmit и Jan Tinbergen. С января 1925 года по конец 1926 года Fermi преподавал математическую физику и теоретическую механику в Флорентийском университете, где он сотрудничал с Rasetti в проведении серии экспериментов по влиянию магнитных полей на пары ртути. Он также участвовал в семинарах в Sapienza University of Rome, читая лекции по квантовой механике и физике твердого тела. Во время чтения лекций о новой квантовой механике, основанной на замечательной точности предсказаний уравнения Schrödinger, Fermi часто говорил: "Ему не нужно было так хорошо подходить!"
После того как Wolfgang Pauli объявил о своем принципе исключения в 1925 году, Fermi ответил статьей "On the quantization of the perfect monoatomic gas" Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, в которой он применил принцип исключения к идеальному газу. Статья была особенно замечательна статистической формулировкой Fermi, которая описывает распределение частиц в системах многих идентичных частиц, подчиняющихся принципу исключения. Это было независимо разработано вскоре после того, как британский физик Paul Dirac, который также показал, как это было связано со статистикой Bose–Einstein. Соответственно, теперь известна как статистика Fermi–Dirac. После Dirac, частицы, подчиняющиеся принципу исключения, сегодня называются "фермионами", тогда как те, которые не подчиняются, называются "бозонами".
Профессор в Rome
Профессорства в Италии были присуждены по конкурсу concorso на вакантную должность, при этом соискатели оценивались по их публикациям комитетом профессоров. Fermi подал заявление на должность профессора математической физики в University of Cagliari на Sardinia, но был узко не принят в пользу Giovanni Giorgi. В 1926 году, в возрасте 24 лет, он подал заявление на должность профессора в Sapienza University of Rome. Это была новая кафедра, одна из первых трех по теоретической физике в Италии, созданная министром образования по настоянию профессора
