Стрімкий розвиток фізики в перші десятиліття ХХ століття дарував вченим одне приголомшливе відкриття за іншим. Престиж наукового знання був такий високий, що про власні кафедри теоретичної фізики думали навіть там, де ця дисципліна сильно відставала від передового європейського рівня. Так сталося в Італії, і незабаром саме італійський вчений зробив відкриття, завдяки якому почалися досліди з поділом ядер урану. Навіть коли стало ясно, що цей процес супроводжується виділенням величезної енергії, далеко не відразу в голови вчених прийшла думка використовувати її як зброю. Лише страх перед війною з німецькими нацистами та італійськими фашистами змусив фізиків поглянути на можливості урану по-новому. До літа 1939 року атомна бомба була створена - в головах всього декількох людей на Землі.
Пранкер на чолі кафедри
Вал експериментальних відкриттів, про які ми розповідали в попередньому матеріалі, потребував теоретичного пояснення. У 1928 році під час стажування в Геттінгені 24-річний радянський фізик Георгій Гамов зміг побудувати теорію альфа-розпаду на основі квантової механіки (про відкриття квантової механіки ми писали тут і тут; більш детально про історію фізики в СРСР ми розповімо в одній з наступних статей). За теорію бета-розпаду взявся молодий професор теоретичної фізики Римського університету Енріко Фермі.
Фізика в сучасному розумінні виникла в Італії наприкінці XVI століття, і відкриття Галілео Галілея, Еванжеліста Торрічеллі і Алессандро Вольти досі входять у шкільні підручники. Проте до початку XX століття італійська фізика помітно відставала від німецької, англійської та французької. Особливо це стосувалося теорії.
Ситуацію взявся переломити Орсо Маріо Корбіно, професор експериментальної фізики, директор Інституту фізики в Римському університеті La Sapienza, сенатор і міністр в одному з ранніх урядів Беніто Муссоліні. У 1926 році Корбіно домігся організації трьох перших професорських позицій з теоретичної фізики в Італії, і одну з них, в Римі, зайняв Енріко Фермі.
Фермі серйозно захопився математикою і фізикою ще в школі і вивчав їх за книгами у вільний від уроків час. Значною мірою самостійно він продовжив освіту і у Вищій нормальній школі в Пізі. Студентське життя, щоправда, не обмежувалося виключно заняттями. Разом з однокурсниками Фермі забавлявся тим, що ми зараз назвали б пранками.
Наприклад, в той час в італійських містах були поширені вуличні пісуари (їх також називали в пам'ять про давньоримського імператора Тіта Флавія Веспасіана, який у I столітті нашої ери ввів податок на громадські туалети), і Фермі з товаришами, непомітно підкрадаючись з-за спини того, хто ними користувався, кидали у воду шматочки металевого натрію і потім з безпечної відстані спостерігали за тим, як натрій загорявся і вибухав.
"На фізичному факультеті я поступово стаю найбільшим авторитетом. Так, днями я прочитаю (в присутності ряду корифеїв) лекцію з квантової теорії, яку я завжди з ентузіазмом пропагую ", - повідомляв Фермі в листі другові дитинства, будучи 18-річним студентом 3 курсу.
До 24 років він опублікував кілька важливих статей з теорії відносності і квантової механіки, і коли в Італії, нарешті, з'явилася кафедра теоретичної фізики, було очевидно, хто повинен її очолити.
У 1933 році Фермі відправив до журналу статтю з викладом теорії бета-розпаду. Відповідь редактора була бентежною: статтю відмовилися публікувати, оскільки вона була «занадто далека від фізичної реальності, щоб бути цікавою читачам».
Дійсно, стаття італійського фізика була досить революційною. Раніше вважалося, що розпад нейтрона на протон і електрон (і антинейтрино) свідчить про те, що він з цих частинок. Фермі ж припустив, що квантові частинки можуть народжуватися і знищуватися в процесі взаємодії - подібно до того, як фотони можуть виникати (випускатися) і пропадати (поглинатися), коли електрон переходить з одного атомного рівня на інший.
Ця ідея, вперше сформульована англійським фізиком Полем Діраком якраз для опису випускання і поглинання світла, виявилася надзвичайно плідною, і зараз є базовою у фізиці елементарних частинок.
Згодом визнав цей епізод однією з головних своїх редакційних помилок в історії, проте Фермі довелося опублікувати свою статтю в італійському журналі. Ймовірно, ця невдача змусила його на час залишити теорію і зайнятися експериментами.
Теорія Дірака
До середини 1920-х років революційні фізичні теорії - квантова механіка, що описує мікроскопічні частинки, і теорія відносності, необхідна для опису руху з великою швидкістю (ми розповідали про неї тут), більш-менш утвердилися в науковому співтоваристві. Наступним очевидним кроком було створення релятивістської квантової механіки, що об'єднує обидві теорії. Однак перша спроба виявилася невдалою. Нагадаємо, що в квантовій механіці зазвичай можна визначити лише ймовірність того, що фізична величина прийме при вимірі те чи інше значення. З'ясувалося, що рішення рівняння Шредінгера, узагальненого згідно з принципами теорії відносності, можуть призводити до негативних значень ймовірностей. У 1928 році англієць Поль Дірак придумав елегантне релятивістське квантове рівняння для опису електрону, що не призводить до негативних ймовірностей. З ним, правда, була інша проблема, на перший погляд нітрохи не краще негативних ймовірностей, - з нього випливало, що крім негативно заряджених електронів в природі повинні існувати також рівні їм по масі, але позитивно заряджені антиелектрони, або позитрони, в той час як єдиними відомими позитивною зарядженими частинками були ядра атомів, в тисячі разів більш важкі, ніж електрон. Дірак, тим не менш, був упевнений, що таке красиве рівняння (див. малюнок нижче) не може бути неправильним, і через чотири роки позитрони дійсно були відкриті в космічних променях. Найважливіше нововведення теорії Дірака: елементарні частинки (електрони, позитрони і фотони) не залишаються вічно незмінними, а можуть з'являтися, зникати і перетворюватися один в одного. Зокрема, електрони і позитрони можуть поглинати і випромінювати фотони, більш того, електромагнітна взаємодія між двома зарядженими частинками відбувається за рахунок того, що вони обмінюються фотонами. Крім того, при зіткненні електрону і позитрона може відбутися анігіляція - перетворення цих двох частинок на два фотони. Можливий і зворотний процес - народження електрон-позитронної пари при зіткненні фотонів.
Відкриття на мармуровому столі
На початку 1930-х у Фізичному інституті Римського університету La Sapienza Корбіно зібрав навколо Фермі групу надзвичайно талановитих молодих фізиків. Їх називали хлопці з Віа Панісперна - за назвою вулиці, на якій знаходилася будівля фізичного інституту.
Після того як Фредерік і Ірен Жоліо-Кюрі оголосили про відкриття штучної радіоактивності при опроміненні нерадіоактивних речовин альфа-частинками, Фермі вирішив дослідити, що буде, якщо замість альфа-частинок використовувати нейтрони.
Брак альфа-частинки для таких експериментів полягає в тому, що вона, як і ядро опромінюваного елемента, заряджена позитивно. Вони відштовхуються, і тому альфа-частинку необхідно сильно розігнати, щоб вона могла підлетіти до ядра досить близько, щоб вступити в ядерну реакцію. З незарядженим нейтроном такої проблеми не виникає, тому Ернест Резефорд так наполягав на пошуку нейтронів (про це ми теж вже писали).
Хлопці з Віа Панісперна приступили до експериментів з нейтронами в березні 1934 року. Вони дійсно викликали штучну радіоактивність, але досить швидко з'ясувалося дещо набагато більш вражаюче. Виявилося, що якщо експеримент проводили на дерев'яному столі, то ефект був помітно сильнішим порівняно з експериментом на мармуровому столі!
Ця містична залежність зводила всіх з розуму. Нарешті, Фермі знайшов пояснення: у дереві багато атомів водню, при зіткненні з якими нейтрони сповільнюються. Він припустив, що повільні нейтрони більш ефективно беруть участь у ядерних реакціях, тому що більше часу проводять поблизу ядра, тоді як швидкі можуть пролетіти повз, не встигнувши вступити у взаємодію.
Це допомогло Фермі описати нову фундаментальну взаємодію - слабку. Разом з відкритою через рік сильною ядерною взаємодією, а також більш звичними електромагнітним і гравітаційним воно пояснює всі фізичні процеси в спостережуваному Всесвіті. Не дивно, до речі, що це відкриття було скоєно саме в Італії, де з мармуру роблять навіть лабораторні столи.
Фундаментальні взаємодії
Довгий час для опису всіх можливих фізичних явищ наука обходилася всього двома типами взаємодій - гравітаційним, що виникає між будь-якими масивними тілами, і електромагнітним, за участю електричних зарядів. Всі сили, які ми зазвичай спостерігаємо в природі, - сили тяжкості, пружності, тертя і так далі, є проявами однієї з цих двох взаємодій. Після відкриття нейтрона Вернер Гейзенберг (ми розповідали про нього тут) і радянський фізик Дмитро Іваненко висунули гіпотезу про те, що атомне ядро складається з протонів і нейтронів. Однак електричне відштовхування між позитивно зарядженими протонами мало б миттєво зруйнувати таке ядро. Отже, має існувати ще одна фундаментальна взаємодія, що забезпечує тяжіння між протонами і нейтронами. Причому воно має бути сильнішим, ніж електромагнітна (тому його так і назвали - сильна взаємодія). У 1935 році японський теоретик Хідекі Юкава, ґрунтуючись на ідеях Дірака і Фермі, побудував теорію такої взаємодії. Він припустив, що аналогічно тому, як електрично заряджені частинки взаємодіють, обмінюючись фотонами (як на малюнку 3), переносником сильної взаємодії між протонами (і нейтронами) повинна бути нова, поки не відкрита елементарна частинка. Він назвав її мезоном (від грецького слова - «середній»), оскільки вона повинна бути важче електрону, але легше протона з нейтроном. Через те що мезон Юкави, на відміну від фотона, масивний, сильна взаємодія проявляється тільки тоді, коли відстань між частинками дуже маленька - порядку розміру ядра (одна трильйонна міліметра). У 1948 році мезон Юкави був зареєстрований в космічних променях, а в 1949 році Юкаві була присуджена Нобелівська премія (до речі, частинок з масами між протоном і електроном досить багато, і, щоб їх розрізняти, в назву до слова мезон додається грецька буква; частинку, передбачену Юкавою, в результаті назвали пі-мезоном, або піоном). Ні гравітація, ні електромагнітна, ні сильна взаємодія не призводять до бета-розпаду ядер. З теорії Фермі випливало існування ще однієї сили (її назвали слабкою, оскільки вона слабша за електромагнетизм). Чотири фундаментальні взаємодії повністю описують всі можливі фізичні процеси в природі. Ця схема прекрасно працює у фізиці елементарних частинок досі, хоча в 70-ті роки було показано, що електромагнітну, сильну і слабку взаємодії можна об'єднати в одну супервзаимодействие і розглядати з єдиних позицій.
«З другом до кінця»
У 1922 році владу в Італії захопив лідер Національної фашистської партії Беніто Муссоліні. Протягом декількох років після цього були заборонені всі інші партії, обмежена свобода слова і зборів. Противники фашистів зазнали політичних репресій, включаючи позасудові вбивства і тюремне ув'язнення.
Проте розмах репресій був помітно нижчим, ніж у Німеччині після приходу до влади нацистів, вони стосувалися, насамперед, політичних супротивників фашистів і не мали расистської основи. Щоб зміцнити свій авторитет серед інтелектуалів, Муссоліні вирішив створити нову Королівську академію наук Італії на противагу старій Академії деї Лінчеї, в лояльності якої він сумнівався.
У 1929 Фермі одним з перших отримав запрошення до Королівської академії, місце в якій, крім пошани, забезпечувало додаткову платню 3000 лір на місяць (тоді як середня зарплата в Італії була 3079 лір на рік). Як і всі члени нової академії, він приніс клятву вірності королю і фашистській партії.
Зміцнивши владу всередині країни, Муссоліні, який мріяв про відродження Римської імперії, зайнявся зовнішньою експансією. Першою метою стала Ефіопія, в яку італійські війська вторглися в 1935 році. Війна в Ефіопії, де Італія використовувала заборонену десятиліттям раніше хімічну зброю, стала причиною санкцій з боку Ліги націй.
Це призвело до охолодження відносин з Великобританією і Францією, колишніми союзниками Риму з Першої світової війни, і зближення з Німеччиною, спільно з якою Італія підтримувала генерала Франко в громадянській війні в Іспанії. У 1937 році Муссоліні прийняв запрошення Гітлера відвідати Берлін і, виступаючи на мітингу, заявив: «Італійський фашизм знайшов, нарешті, друга, і він піде зі своїм другом до кінця».
У листопаді 1938 року фашистський уряд за прикладом Німеччини ухвалив расові закони, що вразили євреїв у правах (зокрема, євреї втратили право працювати на державній службі і здобувати вищу освіту). Більшість найбільших італійських математиків і хлопців з віа Панісперна змушені були шукати роботу за межами Італії.
Того ж 1938 року Енріко Фермі отримав Нобелівську премію за відкриття ядерних реакцій з повільними нейтронами. Після церемонії нагородження в Стокгольмі він, не повертаючись до Італії, емігрував до США. Сам Фермі був італійцем з католицької родини, але його дружина була єврейкою.
Нобелівська премія виявилася як не можна до речі - вона дала можливість, не викликаючи підозр, виїхати з Італії всією сім'єю, а її грошова частина дозволяла не турбуватися про те, як облаштуватися в Америці.