В делении сила. Ферми. Ядерная энергия. - Antonio Hernandez-Fernandez

Изучение неба стало предметом не только астрономии, но и других областей физики. Обычные люди также испытывали к этой теме большой интерес. Научно-фантастические романы и начинавшие появляться фильмы способствовали распространению в американском обществе представления о том, что инопланетяне существуют и приходят из других миров, чаще всего — с Марса. В конце концов даже физики утверждали, что нашей планеты достигают космические лучи, несущие неизвестные частицы и электромагнитные волны, которые могут заключать в себе послания какой-нибудь далекой — и более развитой — цивилизации. Ферми, опираясь на возможность развития разумной жизни на какой-либо из мириад планет Вселенной, считал вполне вероятным, что инопланетяне посылают нам сигналы или даже могут прилететь с визитом. Так зародился парадокс Ферми: противоречие между высокой вероятностью существования разумных цивилизаций во Вселенной и отсутствием тому эмпирических доказательств.

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;

fi — доля планет, на которых есть жизнь в разумной форме;

fc — доля планет с разумной жизнью, обитатели которых пытаются установить контакт с другими цивилизациями;

L — время жизни цивилизации, которая ищет контакта.

В 1961 году Дрейк пришел к выводу, что могло существовать примерно N = 10 цивилизаций, которые мы могли бы обнаружить. Этот вопрос вызвал множество споров, и последние подсчеты дают гораздо меньшее значение N: N < 0,0000001.

Ферми и Раби, входившие в состав Общего совещательного комитета (General Advisory Commitee, GAC), выступили резко против расширения ядерного арсенала, считая, что это оружие представляет опасность для всего человечества. После Хиросимы и Нагасаки этика ученых, поставивших свой талант на службу войне и создавших оружие массового поражения, стала жестче. Ферми активно выступал за исключительно мирное применение ядерной энергии. Возможно, его убедили в этом ужасные последствия работы ученых в Лос-Аламосе: ядерная бомба убивала еще долгие годы после взрыва.

Тем не менее Гарри Трумэн сделал приоритетными исследования в области создания водородной бомбы. Когда Ферми, как обычно, летом приехал в Лос-Аламос, он опять принял участие в разработке проекта новой бомбы. Теллер и Улам придумали боеприпас, в котором сочетались деление и синтез, но он оказался слишком громоздким для перевозки в самолете. Ферми помогал им в подсчетах критичности новой системы, но транспортабельная водородная бомба была получена только в 1955 году.

Урановые и плутониевые бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки в 1945 году, были основаны на делении, в то время как водородная бомба была основана на синтезе ядер дейтерия и трития, образующих гелий.

В системе, созданной Теллером и Уламом, для синтеза требовалось большое количество тепловой энергии, которая была результатом процессов деления, поэтому водородную бомбу также называют термоядерной.

На атолле Эниветок, входящем в архипелаг Маршалловых островов, 1 ноября 1952 года в ходе операции «Айви» была взорвана первая водородная бомба, «Майк». Последствия взрыва были разрушительными: температура в миллионы градусов полностью уничтожила экосистему атолла и окружающего его водного пространства. В следующем году СССР также провел испытания первой водородной бомбы.

ГЛАВА 6

Создание Фермилаба

За короткий промежуток времени ускорители позволили лабораторным путем получить частицы, содержащиеся в космических лучах. Открытие новых составляющих квантового мира расширило карту элементарных частиц. Компьютеры упростили сложнейшие вычисления, появились новые области физики, изучающие нелинейные системы. Ферми принимал участие во всех главных открытиях, раздвигавших пределы физики. Сегодня этот прогресс поставил под вопрос даже теорию относительности Эйнштейна.

При помощи статистической физики Ферми смог исследовать, что происходит при столкновении ядер на большой скорости, во время чего образуется множество частиц. Он хотел выяснить, какие из этих частиц на самом деле элементарные. Этому вопросу ученый посвятил свои выступления на конференциях, организованных Стилманом в Йельском университете и самим Ферми в Италии. Оба цикла докладов были впоследствии собраны в его книге «Элементарные частицы*. Упрощенные модели Ферми по аналогии с FERMI АС фиксировали тенденции и позволяли рассчитать порядок главных переменных, задействованных в эксперименте, как, например, в случае с эффективным сечением или с вероятностью поглощения частиц. Ферми знал, что с этого момента без статистики не обходится ни один опыт в области физики частиц.

Весной 1951 года в Чикагском университете заработал новый синхроциклотрон. Ферми наконец-то мог провести опыты со столкновением нуклонов в 450 МэВ: вместе с Андерсоном он проанализировал взаимодействие между протонами и пионами л* и л', измерил их интенсивность и энергию, а также изучил передачу пионов через жидкий водород, что представляло для него особый интерес в связи с работой над водородной бомбой в Лос-Аламосе. Ученый упорно стремился улучшить синхроциклотрон и спроектировал систему с тележкой, получившую название тележки Ферми, при помощи которой цель столкновения могла перемещаться по периферии циклотрона. Тележка контролировалась посредством магнитного поля благодаря бобинам, связанным с колесами, и ей не требовалось ни электричество, ни топливо. Это изобретение Ферми прекрасно проработало в течение долгих лет.

С 17 по 22 сентября 1951 года ученый организовал в Чикаго международную конференцию по ядерной физике, в рамках которой торжественно представил публике новый синхроциклотрон. После окончания мероприятия он взял неделю отдыха, чтобы отпраздновать свое 50-летие. На конференции Ферми предложил список из 21 элементарной частицы, хотя предполагал, что некоторые из них могут быть исключены из этого перечня.