Елена Кочемировская - 10 гениев, изменивших мир

Ферми всегда стремился к конкретности во всем, к упрощению, выделению главного. В условиях научной изоляции, о которой мы говорили раньше, конкретность была необходима, поскольку оценить важность своей работы молодой физик мог только с помощью результатов не слишком отвлеченного характера. Его теории почти без исключения созданы для того, чтобы объяснить, скажем, поведение определенной экспериментальной кривой, «странности» данного экспериментального факта и т. д. Не исключено, что черты, присущие Ферми (неприятие малейшей неясности, исключительный здравый смысл), помогая ему в создании многих фундаментальных теорий, в этих условиях помешали прийти к таким теориям и принципам, как квантовая механика, соотношение неопределенностей или принцип Паули.

Может возникнуть подозрение, что прохладное отношение Ферми к абстрактным и вообще формалистическим работам было вызвано его недостаточным знакомством с математическим аппаратом. Во всех его работах математический аппарат вполне адекватен решаемой задаче, при этом ученый всегда избегал излишнего формализма, но, если это требовалось, был готов использовать самые абстрактные методы.

Ради простоты Ферми часто удовлетворялся достаточно грубым приближением. Хорошим примером этого служит его оценка граничных условий при диффузии тепловых нейтронов. Ферми показал, что полученная на основе решения одномерной задачи простая оценка может после небольшой модификации дать достаточно точный результат и для реального случая трехмерной диффузии нейтронов. А поскольку этот вопрос имел большое значение в период создания атомной техники, то на точном его решении были сконцентрированы усилия больших научных коллективов. И что же? Мало того, что точное решение оказалось довольно сложным математически – в практически важных случаях оно очень мало отличалось от результата Ферми!

В январе 1925 года, вернувшись из Лейдена, двадцатитрехлетнего ученого назначили «временным» (нештатным) профессором Флорентийского университета, и он приступил к чтению лекций по математической физике и механике.

Флорентийский период (январь 1925 – сентябрь 1926 года) был очень важным в жизни Ферми. Задачи, которые тогда увлекали его, стали вскоре научной классикой.

В декабре 1925-го молодой физик, независимо от англичанина Поля Дирака, разработал новую разновидность статистической механики для частиц с полуцелым спином (эти частицы получили характерное название «фермионы»). Статистика, впоследствии названная статистикой Ферми – Дирака, позволяла успешно описывать поведение электронов, а позднее была применена к протонам и нейтронам. Она стала одной из основ физики элементарных частиц, дала возможность лучше понять электропроводность металлов и привела к построению более эффективной модели атома.

Основное значение статистики Ферми – Дирака заключается в том, что она стала ключом к пониманию свойств электронов в металлах. Но и другие применения статистики ученого весьма многочисленны, что иллюстрируется большим количеством терминов, вошедших в физическую и астрофизическую литературу, таких как «газ Ферми», «Ферми-жидкость», «поверхность Ферми», «метод Томаса – Ферми», «фермиевские импульсы» нуклона в ядре и т. д. Талантливый физик развивал эффективный приближенный метод расчетов многоэлектронных атомов (в квантовой, как и в классической, механике задачи многих тел физики умеют решать лишь приближенно).

В отличие от Дирака, Ферми пришел к новой статистике независимо от квантовой механики. Он давно вынашивал предпосылки этого творения, но ему не хватало принципа запрета Вольфганга Паули. Кстати, Ферми заметно переживал то, что он не сумел сформулировать принцип Паули, к которому, по его словам, он очень близко подошел.

Итогом этих трудов стала одна из наиболее важных работ Ферми – статья «О квантовании идеального одноатомного газа». Представив 7 марта 1926 года на заседании Академии дей Линчей сокращенную версию этой работы, ученый уже 26 марта отправил полную ее версию в редакцию немецкого журнала «Zeitschrift für Physik». Кстати, Дирак представил свою работу на заседании Королевского общества только через пять месяцев – 26 августа.

Первым статистику Ферми – Дирака использовал в 1927 году Вольфганг Паули для описания поведения электронного газа в металлах, а в 1928-м советский физик Я. И. Френкель, получив с ее помощью выражения для давления вырожденного электронного газа, применил эту теорию в описании белых карликов.