Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Народившись 1901 року, Фермі помер у віці п’ятдесяти трьох років від раку, не виключено, спричиненого його роботою з радіоактивністю. Коли 1954-го він помер, він був на дев’ять років молодший, ніж я зараз, коли пишу ці рядки. Проте за своє коротке життя він розсунув межі як експериментальної, так і теоретичної фізики так, як відтоді не вдавалося нікому й навряд чи вдасться коли-небудь. На сьогодні складність і арсеналу теоретичних інструментів, що використовують нині для розробки фізичних моделей, і устаткування, яке нині застосовують для їх перевірки, завеликі для того, щоб якась одна людина, хоч би яка обдарована вона не була, змогла б залишатися на передньому краї обох цих напрямів на рівні, що його свого часу досягнув Фермі.

1918 року, коли Фермі закінчив середню школу в Римі, відкриті блискучому юному науковому розуму можливості були значно менш обмежені. Квантова механіка лише щойно народилася, нові ідеї були всюди, а сувора математика, необхідна для роботи з цими ідеями, ще не була розроблена чи застосована. Експериментальна фізика ще тільки збиралася увійти до володінь «великої науки»; експерименти могли проводити поодинокі дослідники в імпровізованих лабораторіях, і їх можна було здійснити за тижні, а не за місяці.

Фермі подався вступати до престижної Вищої нормальної школи в Пізі, де частиною вступного екзамену було написання есе. Того року темою були специфічні характеристики звуків. Фермі подав «есей», що містив розв’язання диференційних рівнянь із частинними похідними для вібруючої палички із застосуванням методу під назвою «аналіз Фур’є». Навіть сьогодні ці математичні методи зазвичай не викладають раніше десь третього року бакалаврату, а деякі студенти стикаються з ними лише в магістеріумі. Проте Фермі, будучи 17-річним, настільки вразив екзаменаторів, що посів за результатами іспиту перше місце.

В університеті Фермі спершу спеціалізувався на математиці, проте згодом переключився на фізику й в основному самостійно опанував загальну теорію відносності, – яку Ейнштейн розробив лише кілька років тому, – а також квантову механіку й атомну фізику – сфери досліджень, які на той час тільки зароджувалися. 21-річним, через чотири роки після початку навчання в університеті, він здобув докторський ступінь за дисертацію, у якій дослідив принципи застосування теорії ймовірності до дифракції рентгенівських променів. У ті часи в Італії дисертації із суто теоретичних питань не годилися для здобуття докторського ступеня з фізики, що спонукало Фермі навчитися впевнено почуватися не лише з пером і папером, а й у лабораторії.

Фермі переїхав до Німеччини, яка була центром зародження досліджень із квантової механіки, а тоді – до Лейдена, у Голландію, де зустрів найвідоміших фізиків того часу, зокрема Борна, Гайзенберга, Паулі, Лоренца та Ейнштейна, а тоді повернувся до Італії викладати. 1925 року Вольфганг Паулі запропонував «принцип виключення», який доводив, що два електрони не можуть одночасно й в одному місці перебувати в тому самому квантовому стані, і заклав підвалини всієї атомної фізики. Уже за рік Фермі застосував цю ідею до систем із багатьох таких ідентичних частинок, які подібно до електронів могли мати два можливі значення спіну, тобто кутового імпульсу, які ми називаємо верхнім та нижнім спінами. Таким чином, він затвердив сучасну форму галузі, яка називається статистичною механікою і є основою майже всього матеріалознавства, фізики напівпровідників та всіх галузей фізики, що привели до створення сучасних електронних компонентів на кшталт комп’ютерів.

Вище я підкреслював, що інтуїтивного способу зобразити точкову частинку такою, що обертається навколо деякої осі, не існує. Це всього-на-всього один зі способів, яким квантова фізика обходить наші уявлення про здоровий глузд. Електронами називають частинки зі спіном 1/2, оскільки величина кутового імпульсу їх обертання становить лише половину від найменшого значення кутового імпульсу, пов’язаного з орбітальним рухом електронів в атомах. Усі частинки зі спіном ½, такі як електрони, називаються ферміонами на честь Фермі.

У ніжному віці 26 років Фермі було обрано на посаду очільника нової кафедри теоретичної фізики в Римському університеті, де він керував енергійною групою студентів, деякі з яких пізніше стали Нобелівськими лауреатами, що досліджували атомну, а потім і ядерну фізику.

1933 року Фермі зацікавився іншою гіпотезою Паулі, тією самою, про нову частинку, що виникає в результаті розпаду нейтронів, яку Фермі позначив як нейтрино. Проте придумування назви для нової частинки було лише дрібницею. Фермі мав значно амбітнішу мету й розробив теорію нейтронного розпаду, яка виявила можливість існування нової фундаментальної сили природи, першої нової сили, що стала відома науці після електромагнетизму та гравітації і яка по-своєму була інспірована розмірковуваннями про світло. Хоча на той час це не було очевидним, ця сила стала першою з двох нових сил, пов’язаних з атомними ядрами, які разом з електромагнетизмом і гравітацією становлять множину всіх відомих нам сил, що діють у природі від найменших субатомних масштабів до масштабів руху галактик.