Стремительное развитие физики в первые десятилетия ХХ века дарило ученым одно потрясающее открытие за другим. Престиж научного знания был так высок, что о собственных кафедрах теоретической физики думали даже там, где эта дисциплина сильно отставала от передового европейского уровня. Так случилось в Италии, и вскоре именно итальянский ученый совершил открытие, благодаря которому начались опыты с делением ядер урана. Даже когда стало ясно, что этот процесс сопровождается выделением огромной энергии, далеко не сразу в головы ученых пришла мысль использовать ее как оружие. Лишь страх перед надвигавшейся войной с немецкими нацистами и итальянскими фашистами заставил физиков взглянуть на возможности урана по-новому. К лету 1939 года атомная бомба была создана — в головах всего нескольких человек на Земле.
Пранкер во главе кафедры
Вал экспериментальных открытий, о которых мы рассказывали в предыдущем материале, нуждался в теоретическом объяснении. В 1928 году во время стажировки в Геттингене 24-летний советский физик Георгий Гамов смог построить теорию альфа-распада на основе квантовой механики (об открытии квантовой механики мы писали здесь и здесь; более подробно об истории физики в СССР мы расскажем в одной из следующих статей). За теорию бета-распада взялся молодой профессор теоретической физики Римского университета Энрико Ферми.
Физика в современном понимании возникла в Италии в конце XVI века, и открытия Галилео Галилея, Эванжелиста Торричелли и Алессандро Вольты до сих пор входят в школьные учебники. Тем не менее, к началу XX века итальянская физика заметно отставала от немецкой, английской и французской. Особенно это касалось теории.
Ситуацию взялся переломить Орсо Марио Корбино, профессор экспериментальной физики, директор Института физики в Римском университете La Sapienza, сенатор и министр в одном из ранних правительств Бенито Муссолини. В 1926 году Корбино добился организации трех первых профессорских позиций по теоретической физике в Италии, и одну из них, в Риме, занял Энрико Ферми.
Ферми всерьез увлекся математикой и физикой еще в школе и изучал их по книгам в свободное от уроков время. В значительной мере самостоятельно он продолжил образование и в Высшей нормальной школе в Пизе. Студенческая жизнь, правда, не ограничивалась исключительно занятиями. Вместе с однокурсниками Ферми забавлялся тем, что мы сейчас назвали бы пранками.
Например, в то время в итальянских городах были распространены уличные писсуары (их также называли в память о древнеримском императоре Тите Флавии Веспасиане, который в I веке нашей эры ввел налог на общественные туалеты), и Ферми с товарищами, незаметно подкрадываясь из-за спины того, кто ими пользовался, бросали в воду кусочки металлического натрия и затем с безопасного расстояния наблюдали за тем, как натрий загорался и взрывался.
«На физическом факультете я постепенно становлюсь самым большим авторитетом. Так, на днях я прочитаю (в присутствии ряда корифеев) лекцию по квантовой теории, которую я всегда с энтузиазмом пропагандирую», — сообщал Ферми в письме другу детства, будучи 18-летним студентом 3 курса.
К 24 годам он опубликовал несколько важных статей по теории относительности и квантовой механике, и когда в Италии, наконец, появилась кафедра теоретической физики, было очевидно, кто должен ее возглавить.
В 1933 году Ферми отправил в журнал статью с изложением теории бета-распада. Ответ редактора был обескураживающим: статью отказались публиковать, поскольку она была «слишком далека от физической реальности, чтобы быть интересной читателям».
Действительно, статья итальянского физика была довольно революционной. Раньше считалось, что распад нейтрона на протон и электрон (и антинейтрино) свидетельствует о том, что он из этих частиц. Ферми же предположил, что квантовые частицы могут рождаться и уничтожаться в процессе взаимодействия — подобно тому, как фотоны могут возникать (испускаться) и пропадать (поглощаться), когда электрон переходит с одного атомного уровня на другой.
Эта идея, впервые сформулированная английским физиком Полем Дираком как раз для описания испускания и поглощения света, оказалась чрезвычайно плодотворной, и сейчас является базовой в физике элементарных частиц.
Впоследствии признал этот эпизод одной из главных своих редакционных ошибок в истории, тем не менее, Ферми пришлось опубликовать свою статью в итальянском журнале. Вероятно, эта неудача заставила его на время оставить теорию и заняться экспериментами.
Теория Дирака
К середине 1920-х годов революционные физические теории — квантовая механика, описывающая микроскопические частицы, и теория относительности, необходимая для описания движения с большой скоростью (мы рассказывали о ней здесь), более или менее утвердились в научном сообществе. Следующим очевидным шагом было создание релятивистской квантовой механики, объединяющей обе теории. Однако первая попытка оказалась неудачной. Напомним, что в квантовой механике обычно можно определить лишь вероятность того, что физическая величина примет при измерении то или иное значение. Выяснилось, что решения уравнения Шрёдингера, обобщенного согласно принципам теории относительности, могут приводить к отрицательным значениям вероятностей. В 1928 году англичанин Поль Дирак придумал элегантное релятивистское квантовое уравнение для описания электрона, не приводящее к отрицательным вероятностям. С ним, правда, была другая проблема, на первый взгляд ничуть не лучше отрицательных вероятностей, — из него следовало, что помимо отрицательно заряженных электронов в природе должны существовать также равные им по массе, но положительно заряженные антиэлектроны, или позитроны, в то время как единственными известными положительной заряженными частицами были ядра атомов, в тысячи раз более тяжелые, чем электрон. Дирак, тем не менее, был уверен, что такое красивое уравнение (см. рисунок ниже) не может быть неправильным, и через четыре года позитроны действительно были открыты в космических лучах. Важнейшее новшество теории Дирака: элементарные частицы (электроны, позитроны и фотоны) не остаются вечно неизменными, а могут появляться, исчезать и превращаться друг в друга. В частности, электроны и позитроны могут поглощать и излучать фотоны, более того, электромагнитное взаимодействие между двумя заряженными частицами происходит за счет того, что они обмениваются фотонами. Кроме того, при столкновении электрона и позитрона может произойти аннигиляция — превращение этих двух частиц в два фотона. Возможен и обратный процесс — рождение электрон-позитронной пары при столкновении фотонов.
Открытие на мраморном столе
В начале 1930-х в Физическом институте Римского университета La Sapienza Корбино собрал вокруг Ферми группу чрезвычайно талантливых молодых физиков. Их называли парни с Виа Панисперна — по названию улицы, на которой находилось здание физического института.
После того как Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри объявили об открытии искусственной радиоактивности при облучении нерадиоактивных веществ альфа-частицами, Ферми решил исследовать, что будет, если вместо альфа-частиц использовать нейтроны.
Недостаток альфа-частицы для таких экспериментов заключается в том, что она, как и ядро облучаемого элемента, заряжена положительно. Они отталкиваются, и поэтому альфа-частицу необходимо сильно разогнать, чтобы она могла подлететь к ядру достаточно близко, чтобы вступить в ядерную реакцию. С незаряженным нейтроном такой проблемы не возникает, поэтому Эрнест Резефорд так настаивал на поиске нейтронов (об этом мы тоже уже писали).
Парни с Виа Панисперна приступили к экспериментам с нейтронами в марте 1934 года. Они действительно вызывали искусственную радиоактивность, но довольно быстро выяснилось кое-что гораздо более поразительное. Оказалось, что если эксперимент проводили на деревянном столе, то эффект был заметно сильнее по сравнению с экспериментом на мраморном столе!
Эта мистическая зависимость сводила всех с ума. Наконец, Ферми нашел объяснение: в дереве много атомов водорода, при столкновении с которыми нейтроны замедляются. Он предположил, что медленные нейтроны более эффективно участвуют в ядерных реакциях, потому что больше времени проводят вблизи ядра, тогда как быстрые могут пролететь мимо, не успев вступить во взаимодействие.
Это помогло Ферми описать новое фундаментальное взаимодействие — слабое. Вместе с открытым через год сильным ядерным взаимодействием, а также более привычными электромагнитным и гравитационным оно объясняет все физические процессы в наблюдаемой Вселенной. Неудивительно, кстати, что это открытие было совершено именно в Италии, где из мрамора делают даже лабораторные столы.
Фундаментальные взаимодействия
Долгое время для описания всех возможных физических явлений наука обходилась всего двумя типами взаимодействий — гравитационным, возникающим между любыми массивными телами, и электромагнитным, с участием электрических зарядов. Все силы, которые мы обычно наблюдаем в природе, — силы тяжести, упругости, трения и так далее, являются проявлениями одного из этих двух взаимодействий. После открытия нейтрона Вернер Гейзенберг (мы рассказывали о нем здесь) и советский физик Дмитрий Иваненко выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Однако электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами должно было бы мгновенно разрушить такое ядро. Следовательно, должно существовать еще одно фундаментальное взаимодействие, обеспечивающее притяжение между протонами и нейтронами. Причем оно должно быть сильнее, чем электромагнитное (поэтому его так и назвали — сильное взаимодействие). В 1935 году японский теоретик Хидеки Юкава, основываясь на идеях Дирака и Ферми, построил теорию такого взаимодействия. Он предположил, что аналогично тому, как электрически заряженные частицы взаимодействуют, обмениваясь фотонами (как на рисунке 3), переносчиком сильного взаимодействия между протонами (и нейтронами) должна быть новая, пока не открытая элементарная частица. Он назвал ее мезоном (от греческого слова — «средний»), поскольку она должна быть тяжелее электрона, но легче протона с нейтроном. Из-за того что мезон Юкавы, в отличие от фотона, массивный, сильное взаимодействие проявляется только тогда, когда расстояние между частицами очень маленькое — порядка размера ядра (одна триллионная миллиметра). В 1948 году мезон Юкавы был зарегистрирован в космических лучах, а в 1949 году Юкаве была присуждена Нобелевская премия (кстати, частиц с массами между протоном и электроном довольно много, и, чтобы их различать, в название к слову мезон добавляется греческая буква; частицу, предсказанную Юкавой, в итоге назвали пи-мезоном, или пионом). Ни гравитация, ни электромагнитное, ни сильное взаимодействие не приводят к бета-распаду ядер. Из теории Ферми следовало существование еще одной силы (ее назвали слабой, поскольку она слабее электромагнетизма). Четыре фундаментальных взаимодействия полностью описывают все возможные физические процессы в природе. Эта схема прекрасно работает в физике элементарных частиц до сих пор, хотя в 70-е годы было показано, что электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия можно объединить в одно супервзаимодействие и рассматривать с единых позиций.
«С другом до конца»
В 1922 году власть в Италии захватил лидер Национальной фашистской партии Бенито Муссолини. В течение нескольких лет после этого были запрещены все остальные партии, ограничена свобода слова и собраний. Противники фашистов подверглись политическим репрессиям, включая внесудебные убийства и тюремное заключение.
Тем не менее, размах репрессий был заметно ниже, чем в Германии после прихода к власти нацистов, они касались, прежде всего, политических противников фашистов и не имели расистской основы. Чтобы укрепить свой авторитет среди интеллектуалов, Муссолини решил создать новую Королевскую академию наук Италии в противовес старой Академии деи Линчеи, в лояльности которой он сомневался.
В 1929 Ферми одним из первых получил приглашение в Королевскую академию, место в которой, помимо почета, обеспечивало дополнительное жалование 3000 лир в месяц (тогда как средняя зарплата в Италии была 3079 лир в год). Как и все члены новой академии, он принес клятву верности королю и фашистской партии.
Укрепив власть внутри страны, Муссолини, грезивший о возрождении Римской империи, занялся внешней экспансией. Первой целью стала Эфиопия, в которую итальянские войска вторглись в 1935 году. Война в Эфиопии, где Италия использовала запрещенное десятилетием ранее химическое оружие, стала причиной санкций со стороны Лиги наций.
Это привело к охлаждению отношений с Великобританией и Францией, бывшими союзниками Рима по Первой мировой войне, и сближению с Германией, совместно с которой Италия поддерживала генерала Франко в гражданской войне в Испании. В 1937 году Муссолини принял приглашение Гитлера посетить Берлин и, выступая на митинге, заявил: «Итальянский фашизм обрел, наконец, друга, и он пойдет со своим другом до конца».
В ноябре 1938 года фашистское правительство по примеру Германии приняло расовые законы, поразившие евреев в правах (в частности, евреи потеряли право работать на государственной службе и получать высшее образование). Большинство крупнейших итальянских математиков и парней с виа Панисперна вынуждены были искать работу за пределами Италии.
В том же 1938 году Энрико Ферми получил Нобелевскую премию за открытие ядерных реакций с медленными нейтронами. После церемонии награждения в Стокгольме он, не возвращаясь в Италию, эмигрировал в США. Сам Ферми был итальянцем из католической семьи, но его жена была еврейкой.
Нобелевская премия оказалась как нельзя кстати — она дала возможность, не вызывая подозрений, выехать из Италии всей семьей, а ее денежная часть позволяла не беспокоиться о том, как обустроиться в Америке.