10 гениев, изменивших мир

Что могло послужить тому причиной? Пожалуй, отсутствие тогда в Италии крупной теоретической школы. Вокруг Ферми просто не было физиков, с которыми он мог бы общаться на равных и с которыми, по его словам, мог бы сравнивать себя. У молодого ученого возникла привычка работать, полагаясь только на себя, используя лишь книги и научные работы для консультации.

В августе 1923 года Ферми возвращается из Геттингена в Рим, где Корбино предоставляет ему временную работу на химическом факультете Римского университета и обещает при первой же возможности сделать его постоянным сотрудником. В течении года Энрико читает для химиков и естественников курс математики. В том же, 1923 году он пишет статью по теории атомных столкновений – эссе «Масса в теории относительности», где среди прочего рассматривалась возможность высвобождения ядерной энергии. Статья была опубликована на итальянском и немецком языках.

В августе 1924 года Ферми получил из фонда Рокфеллера трехмесячную стипендию для поездки в Голландию, в Лейденский университет. Туда его пригласил выдающийся физик-теоретик Пауль Эренфест (1879–1933), обратив внимание на публикации ученого. Исследования по статистической механике и спектроскопии, проводившиеся в Лейдене, были очень близки интересам Ферми. С сентября по декабрь 1924 года он стажировался у Эренфеста. Именно тогда Энрико, по собственным словам, обрел наконец столь необходимую уверенность в себе. Впоследствии Ферми рассказывал своим сотрудникам, что Эренфест оказал огромное влияние на развитие современной физики не столько своими классическими работами, сколько педагогической в широком смысле слова деятельностью, то есть научным воздействием на коллег. Эренфест был хорошо знаком и дружил со всеми крупнейшими физиками – от Нильса Бора, Альберта Эйнштейна, Хендрика Лоренца и Макса Планка до Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули. И вот, обнаружив у Ферми дар крупного физика, выдающийся ученый не замедлил сказать ему об этом.

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 f"ur 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.

После открытия статистики Ферми – Дирака авторитет Энрико Ферми в научном мире начал стремительно расти. Рим, прежде пребывавший на задворках академических естественнонаучных исследований, трудами талантливого ученого стал превращаться в один из европейских центров теоретической физики.

В сентябре 1926 года в Римском университете была создана кафедра теоретической физики. Ферми вновь вернулся в Рим, выиграл конкурс на замещение должности штатного профессора кафедры, а в 1927-м по инициативе Корбино возглавил ее. Должность эта для Ферми означала способ спокойно продолжать научную работу, но не более. Он никогда не искал ни важных административных постов, ни почета, ни наград. Естественно, признанием своих заслуг был доволен, но честолюбие было ему чуждо.

После пребывания в Лейдене Ферми почувствовал, что миссия исследователя и наставника ему по силам. В сравнении с этим все остальное имело для ученого второстепенное значение. Именно в тот период при поддержке Орсо Корбино он создал итальянскую школу теоретической физики, получившую в дальнейшем мировую известность. Как вспоминали впоследствии бывшие ученики Энрико Ферми, это происходило как бы исподволь. По свидетельству студентов того времени, «скорость формирования молодого физика в этой школе была невероятной».

Ферми не просто преподавал определенную дисциплину: собственным примером «он учил страстно любить физику, равно как и понимать дух и этику этой науки». Он предпочитал не предлагать тем для дипломных работ, справедливо считая, что во всех отношениях полезнее, если студент сам выберет интересную для себя проблематику исследований.

Вот как Эмилио Сегре описывает занятия, не связанные с университетскими курсами, которые Ферми проводил с ними: «Они были совершенно импровизированными и неофициальными. Поздно вечером мы собирались в кабинете Ферми, и часто предмет разговора становился темой лекции. Например, мы спрашивали: «Что известно о капиллярности?», и Ферми экспромтом читал красивую лекцию о теории капиллярности. Таким образом, мы занимались рядом предметов на «промежуточном» уровне. Однако иногда уровень становился более высоким, и Ферми объяснял нам статью, которую сам только что прочел: так мы познакомились со знаменитой работой Шредингера по волновой механике.

В то время много раз нам представлялся случай быть свидетелями зарождения и выполнения нового и оригинального исследования. Конечно, невозможно было сказать, какая предварительная работа уже была выполнена Ферми сознательно или подсознательно. Наверняка, у него не было ничего написанного. Мы присутствовали при развитии теории, которое происходило не слишком быстро, но практически без ошибок или изменения направления мысли. Ферми как будто читал лекцию, хотя более медленно. Любопытная характеристика фермиевского способа работы состояла в постоянстве скорости, с которой он продвигался вперед. Если переходы были легкими, он все-таки продвигался медленно, и рядовой наблюдатель мог бы задать вопрос: почему он теряет так много времени на такую простую алгебру? Однако, когда возникали такие трудности, которые остановили бы человека меньших способностей бог знает на сколько времени, Ферми решал их с той же скоростью. У нас создалось впечатление, что Ферми – каток, двигающийся медленно, но не знающий препятствий. Окончательные результаты были всегда ясными, и часто мы задавались вопросом: «Почему это не было найдено давно, раз все так просто и ясно?» Ферми навсегда сохранял в памяти один раз использованный им метод и применял его к задачам, совершенно отличающимся от той, которая породила физическую идею и математическую технику…»