В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
Шрифт:
Так появилась физика высоких энергий, и ученые всего мира стали грезить ускорителями частиц. Ферми не был исключением. Постепенно, по мере того как увеличивались возможности экспериментов с квантовым миром, рос и список частиц.
ВЗГЛЯД В КОСМОС
Изучая космическую радиацию, Ферми был обязан опять обратить свой взгляд на небо. Космос хотел быть прочитанным. Эксперименты Пауэлла, Латтеса и Оккиалини вдохновили ученых на то, чтобы создавать в ускорителях положительные, отрицательные и нейтральные пионы и исследовать их взаимодействие с материей. Какие из этих взаимодействий были сильными, а какие — слабыми? Какие частицы были элементарными, то есть основой, из которой можно получить все остальные? Началась гонка за открытием целой вселенной новых частиц. В 1948
«Когда была выдвинута теория Юкавы (согласно которой сильное ядерное взаимодействие соответствует обмену я-мезонами между нуклонами), было вполне оправданно предположить, что задействованные частицы — протоны, нейтроны (нуклоны) и я-мезоны — могут считаться элементарными. Эта уверенность постепенно таяла, так как очень быстро исследователи стали открывать новые частицы».
Ученые исследовали поток частиц, происходящих от космической радиации и способных при взаимодействии с магнитным полем Земли порождать такие удивительные явления, как полярное сияние. Они поднимались в горы и даже совершали полеты на воздушных шарах с детекторами и фотопленкой в надежде поймать новые кванты из космоса. В 1947 году были открыты новые космические частицы, вначале К-мезон (или каон), затем — гипероны (, ,, ). Долгое время о свойствах гиперонов ничего не было известно, их начали изучать годы спустя.
Таким образом, например, распад каона К+ на два пиона
К+ – > + + + + –
был первым примером нового типа слабого взаимодействия, при котором не испускались электроны и в котором также наблюдалось сильное взаимодействие. Впоследствии были открыты другие типы распада каона. Ферми всегда смотрел в корень проблемы. Столкнувшись с каскадом новых частиц, обнаруженных в космических лучах, он сформулировал простой вопрос: откуда берутся эти космические лучи? Ученый вновь продемонстрировал свои выдающиеся навыки обобщения в статье On the Origin of Cosmic Radiation («О происхождении космического излучения»), опубликованной в 1949 году. В ней он выдвинул теорию о том, что космические лучи — это продукт ядерных реакций на звездах: они ускоряются в космосе под воздействием сильных электромагнитных полей звезд и галактик, которые должны быть похожи, на те, что ученые воссоздают в циклотронах, но имеют при этом гораздо большую интенсивность. В теории Ферми были и темные пятна, поскольку она не объясняла до конца поведение тяжелых ядер, обнаруженных в космических лучах.
Летом 1949 года, через 11 лет после отъезда, Ферми вернулся в Италию, чтобы представить свою работу о происхождении космической радиации на международной конференции по космическим лучам, организованной в Комо. На родине его ждал теплый прием. Ученый был взволнован и растроган, встречая старых друзей. Он прочитал несколько лекций, воодушевив новое поколение итальянских физиков, для которых он был настоящей легендой.
Вернувшись в Италию, Ферми вместе со своим новым учеником Чжэньнином Янгом опубликовал революционную статью Are Mesons Elementary Particles? («Являются ли мезоны элементарными частицами?»), в которой соавторы утверждали, что -мезоны могут быть результатом объединения нуклона и антинуклона. Янг и Ферми хорошо описали свою модель, объяснив сильное взаимодействие между л-мезонами. Их теорию в 1956 году дополнил Сёити Саката. Янг и Ферми приблизились к современной модели, в которой мезоны считаются результатом объединения кварка и антикварка. Интуиция подсказала Ферми, что строение мезонов заслуживает более глубокого изучения и что они состоят из частицы и античастицы. Но поскольку о существовании кварков еще не было известно, это важное открытие вплоть до 1960-х годов считалось второстепенным.
Изучение неба стало предметом не только астрономии, но и других областей физики. Обычные люди также испытывали к этой теме большой интерес.
Парадокс Ферми был сформулирован летом 1950 года во время неформальной беседы на обеде в Лос-Аламосе, на которой присутствовали Ферми, Теллер, а также Эмиль Конопинский и Герберт Йорк. Ученые рассматривали опубликованную в The New Yorker Magazine иллюстрацию Алана Дюнна, изображавшую вторжение инопланетян, и обсуждали свидетельства людей об НЛО. Вдоволь насмеявшись — обеды в Лос-Аламосе обычно проходили в неформальной обстановке, — Ферми вдруг посерьезнел и начал делать быстрые вычисления. Эти подсчеты предвосхитили ставшее позже известным уравнение Дрейка.
Если инопланетяне существуют, то где же они?
Энрико Ферми
По мнению Ферми, если Солнце — молодая звезда (а в нашей галактике существуют миллиарды звезд в миллиарды раз старше ее) и Земля — типичная планета, то на других древнейших планетах тоже должна быть разумная жизнь. И если на них существуют цивилизации, способные осуществлять межзвездные путешествия, то эти инопланетяне должны были посетить и Землю и даже могли колонизировать ее. Но где же они?! Говорят, именно эти слова воскликнул Ферми в заключение своих рассуждений. Ученый также утверждал, что во Вселенной, помимо нашей, существует миллион галактик. Вот и парадокс: по предположениям Ферми, вероятность того, что к нам прилетали инопланетяне, очень велика, но, тем не менее, этому нет ни одного доказательства.
Существование инопланетной жизни, безусловно, было и остается задачей Ферми. Данные, которыми мы обладаем, ничтожны; были проведены некоторые вычисления вероятности существования жизни, и на этом почти все. Расчеты Ферми в течение следующих лет подробно изучались, и правительство США даже решило создать специальный проект — Search for ExtraTerrestrial Intelligence (SETI). Но пока ученые смотрели в небо, над Землей распростерлась тень угрозы ядерной войны. Возможно, это и было ответом на парадокс Ферми: быть может, технологически развитые цивилизации всегда создают оружие для самоуничтожения?
Фрэнк Дрейк (р. 1930) — американский радиоастроном и почетный президент программы по исследованиям инопланетной жизни SETI. В1961 году он предложил свое знаменитое уравнение, позволявшее подсчитать количество цивилизаций, которые могли бы войти в контакте землянами. Это количество (N) цивилизаций определяется как произведение
N = R·fp·ne·fv·fi·fc·L,
где:
R — количество звезд, образующихся в год в нашей галактике;
fp — доля звезд, обладающих планетами;
ne — среднее количество планет с подходящими условиями для зарождения жизни;
fv — доля планет, на которых зародилась жизнь;