Ферми. Ядерная энергия - Antonio Hernandez-Fernandez

И тогда ученый сформулировал свой знаменитый вопрос: «Почему нет никаких доказательств существования инопланетян, если, согласно статистике, должно быть множество других планет с разумной жизнью?»

Но Ферми также мучил и еще один вопрос, скорее нравственного толка: как он мог утверждать, что человечество должно найти способы мирного использования ядерной энергии, и в то же время участвовать в создании водородной бомбы?

Семья Ферми покинула Лос-Аламос 31 декабря 1945 года. Ученый вернулся в Чикаго, чтобы возобновить исследования по применению ядерной энергии в мирных целях и продолжить преподавательскую работу, которую он так любил. В январе следующего года Комптону удалось выделить средства на ускоритель частиц (бетатрон) мощностью 100 МэВ. Помимо этого Ферми ждали в Аргоннской лаборатории для работы над «Чикагской поленницей — 3» и другими проектами, а ему не нравилось бросать дела незавершенными. Ученый на десяток лет опередил развитие ядерной инженерии и думал над конструкцией ядерных реакторов, которые производили бы больше делимого материала, чем потребляли, так как количество плутония, производимого во время реакции, могло превышать количество используемого урана-235. Ферми настаивал на том, чтобы сконцентрироваться на мирном использовании ядерной энергии, в частности в сфере электроэнергетики; этому было посвящено его выступление на симпозиуме в мае 1946 года.

Ученый не стал ждать рассекречивания документов и в 1947 году опубликовал в журнале Science статью Elementary Theory of the Chain-reacting Pile («Элементарная теория котлов с цепными ядерными реакциями»). Это помогло ему подтвердить свой авторитет в области гражданских научных исследований. В то время Ферми входил в состав научного комитета, возглавляемого Оппенгеймером, который консультировал Комиссию по атомной энергии США (Atomic Energy Commission, АЕС). Это положение позволяло ученому свободно публиковать научные работы с одним условием: они не должны содержать подробностей, которые скрывались от коммунистов. Вместе с Леоной Маршалл Ферми начал эксперименты с «Чикагской поленницей — 3» и приступил к изучению интерференции нейтронов и электронов и распределения кварков. В 1940-е годы науку занимали вопросы: существует ли электрическое взаимодействие электрона с нейтроном? появятся ли при столкновении электронов и нейтронов новые частицы?

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ НЕЙТРОНАМИ И ЭЛЕКТРОНАМИ

Хотя, как мы знаем на данный момент, нейтроны являются нейтральными частицами, они состоят из d-кварка и и-кварка и, следовательно, имеют локальный заряд.

Известно, что в центре нейтрона на участке длиной примерно 0,3 фемтометра (1 фемтометр (фм) = 1015 м) имеется положительный заряд, который компенсируется отрицательным зарядом оболочки, расположенной примерно между 0,3 и 2 фм.

Такую единицу измерения, как фемтометр, или ферми, часто используют в изучении атомной вселенной. Таким образом, между электронами и нейтронами может возникать электрическое взаимодействие: электроны с определенной долей вероятности могут приближаться к нейтронам, но это не дестабилизирует ядра атомов, так как протоны и нейтроны ядра удерживаются вместе сильным взаимодействием.

Разумеется, Ферми и Маршалл не знали о существовании кварков, но догадывались, что нейтрон имеет свою структуру и заряд, благодаря которому взаимодействует с такими заряженными частицами, как электрон. С другой стороны, могло ли взаимодействие Ферми, которое хорошо объясняло бета-распад, объяснить и предполагаемое взаимодействие электронов и нейтронов? К сожалению, Ферми и Маршалл не добились удовлетворительных результатов: они получили только слегка превышающую ноль долю заряда в центре нейтрона. Тем не менее Ферми благодаря прекрасной интуиции предвосхитил результаты экспериментов, которые были проведены позже и в ходе которых были открыты кварки. Ученый продолжал получать награды за свою работу от правительства США: в 1947 году ему вручили медаль Франклина за вклад в науку.

МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО И FERMIAC

В феврале 1946 года широкой публике была представлена электронная вычислительная машина общего пользования ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданная Джоном Мокли и Преспером Экертом из университета Пенсильвании. Компьютер обладал внушительными размерами: его площадь была равна 167 м2, а вес — более 27 тонн. ENIAC мог производить примерно 5000 операций сложения и 300 операций умножения за секунду. Первые шаги к созданию этой машины были сделаны в 1943 году в рамках РХ — одного из военных проектов Второй мировой, изначально направленного на совершенствование баллистических вычислений. Благодаря работе фон Неймана первым тестом ENIAC стали расчеты для взрыва атомной бомбы в Лос-Аламосе. Именно тогда Ферми написал большую часть алгоритмов для этого необычного устройства. Он понимал, что в будущем физикам придется поручить трудоемкое вычисление машинам. Сам ученый обычно работал с калькулятором фирмы Marchant, который больше был похож на кассовый аппарат, чем на компьютер.

В 1947 году ENIAC перевезли в Лабораторию баллистических исследований в Мэриленде, и ученые временно оказались без компьютера. Тогда Ферми спроектировал аналоговый компьютер с легким управлением, в шутку названный в его честь FERMIAC. С помощью этого изобретения ученый исследовал рассеяние нейтронов в различных делящихся материалах. FERMIAC был основан на методе Монте-Карло и идее, которую Ферми развил совместно с фон Нейманом и Уламом. Изобретательность Ферми не знала границ. Он был поражен возможностями ENIAC, но в то же время его размеры приводили ученого в замешательство. Ферми подумал, что комбинируя некоторые аналоговые элементы, можно облегчить конструкцию. Машины будущего должны быть маленькими и простыми в обращении. Метод Монте-Карло — это группа численных методов, позволяющая приблизительно решить задачи, которые не могут быть решены точно ввиду их сложности. Метод был создан в Лос-Аламосе Джоном фон Нейманом, Станиславом Уламом и Николасом Метрополисом, хотя Ферми использовал этот же подход еще в Италии — ничего не публикуя — при анализе рассеяния нейтронов, незадолго до получения Нобелевской премии. Фон Нейман был поражен тем, как хорошо Ферми владел этим методом, который они только оформляли.

Иногда бывает довольно трудно получить результаты без детального рассмотрения действительного поведения.

Ферми во введении к своей «Термодинамике»

Обычно в методе Монте-Карло сначала обрисовывается область чисел, которые могут быть решениями рассматриваемой задачи. Затем случайным образом предлагаются решения — с определенной долей вероятности, а в конце каждое из этих решений обрабатывается статистически, рассматриваются полученные результаты и выбирается наиболее подходящий. Один из недостатков этого метода состоит в том, что для него требуются хорошие способности к рандомизации. Благодаря высоким вычислительным способностям современных компьютеров сегодня метод Монте-Карло широко используется для решения научных и инженерных задач.