Атомы у нас дома - Лаура Ферми

Если Корбино что-то задумывал, он уже не отступал от этого. Его мечты должны были претвориться в действительность. Первый шаг к созданию настоящей школы — это подобрать нужных людей. Корбино уже давно подумывал перетащить Ферми в Рим и устроить его на штатную должность. В учебный период 1923/24 года Ферми читал курс математики в Римском университете для химиков и естественников. Этот курс, обычно читают физики с физического факультета. В 1926 году Корбино решил заполучить Ферми в Рим на постоянную работу.

Ферми в то время преподавал во Флоренции математику и механику в качестве «пикарикато», то есть внештатного преподавателя, не имеющего ни профессорского звания, ни постоянного оклада. За год до этого он пытался получить кафедру математической физики в университете города Кальяри в Сардинии. По итальянским законам университет для замещения вакантной кафедры должен объявить конкурс. Это, конечно, никакой не экзамен. Просто назначается совет профессоров из нескольких университетов, и они отбирают претендентов, исходя из представленных данных и списков научных трудов. Обычно отбираются три достойнейших кандидата, и тот, кто первым проходит по конкурсу, получает кафедру, а второму и третьему предоставляется право занять кафедру в любом университете, где только откроется вакансия.

Кальяри — небольшой и довольно захолустный город. Сардиния располагает превосходным материалом для студентов, изучающих фольклор, но в смысле культуры она довольно сильно отстала, и в ней нет тех удобств, которые имеются в других местах. На университет в Кальяри обычно смотрят как на переходную ступень, откуда можно перебраться куда-нибудь получше.

Когда университет Кальяри объявил конкурс, Ферми решил принять в нем участие. Он послал свои документы в полной уверенности, что пройдет: хотя он был самым младшим из кандидатов, у него была уже вполне установившаяся репутация в ученых кругах, и не только в Италии, но и за границей. Он уже напечатал примерно тридцать статей, некоторые из них были результатом его экспериментальных исследований, а большую часть составляли теоретические работы, главным образом по теории относительности. Но, на его несчастье, итальянские математики в то время делились на две непримиримые группы: на тех, кто овладел теорией Эйнштейна и признал ее, и на тех, кто в нее «не верил».

В совете по конкурсу в Кальяри произошло такое же деление: на одной стороне оказалось трое антиэйнштейнианцев, а сторонников Эйнштейна было только двое — профессор Леви-Чивитта и профессор Вольтерра; оба эти ученые пользовались мировой известностью, оба — профессора Римского университета, люди широких взглядов и действительно интересующиеся развитием современной науки. Они не раз встречали Ферми и могли оценить его трезвый и ясный ум, его способность сразу подойти к самой сути, раскрыть задачу и выделить в ней основное. Они поддерживали кандидатуру Ферми.

Три остальных экзаменатора выдвинули другого кандидата, Джованни Джорджи, довольно пожилого инженера, который получил диплом за восемь лет до того, как Ферми появился на белый свет. Он приобрел известность, создав свою систему единиц М.К.С. Выбор основных физических единиц в этой системе имел определенные практические преимущества. Сторонники этой кандидатуры подчеркивали «зрелость кандидата», практическое значение ого изобретения, «спекулятивный и философский ум». Он прошел первым и получил кафедру в Кальяри.

Другой вакантной кафедры по математической физике не было, и Ферми пришлось остаться во Флоренции. В 1926 году, когда Корбино решил перетащить его в Рим, Ферми все еще не имел прочного положения, хотя теперь у него было еще больше оснований претендовать на него, так как за этот год имя его приобрело широкую известность. Он опубликовал свою статистическую теорию «О квантовании идеального одноатомного газа»; эта работа заняла видное место среди многих заслуживающих внимания работ, способствовавших развитию теоретической физики.

Ферми уже несколько лет интересовался некоторыми статистическими проблемами — поведением молекул, атомов и электронов, а также распределением энергии при радиоактивном излучении. Он много занимался вопросом поведения гипотетического идеального газа. Ему никак не удавалось установить законы, которым подчиняется такой газ. По-видимому, он что-то упускал из виду, без чего нельзя было прийти к решению, и он никак не мог додуматься, что бы это такое могло быть.

Научные проблемы редко бывают обособлены, решение какой-нибудь одной задачи обычно связано с решением целого ряда других. Уже свыше десяти лет теоретические изыскания были посвящены подробному изучению атома и законов, которым он подчиняется, ибо, только установив это, можно было внести порядок и ясность в нагромождение разноречивых экспериментальных данных. Это было время, когда все кричали об атомной физике и новые теории, новые принципы и точки зрения, освещающие по-новому старые понятия, появлялись на страницах печати и с необычайной быстротой сменялись другими.

В 1925 году физик Вольфганг Паули, уроженец Австрии, изучая энергию атомных электронов, вращающихся вокруг ядра, открыл свой принцип запрета[7], который, если говорить не очень точно научным языком, гласит следующее: на каждой из орбит, расположенных вокруг ядра, может находиться только один электрон. Ферми тотчас же применил этот принцип к идеальному газу.

В тот период у Ферми оставалось много времени для размышлений. Физические лаборатории Флорентийского университета были расположены в Арчетри, на том знаменитом холме, где проходили последние годы Галилея и где он скончался. Ферми, поступив внештатным преподавателем во Флорентийский университет, поселился в Арчетри. Вместе со своим другом Разетти он охотился на гекко — маленьких, совсем безобидных ящериц, о которых в Италии существует поверье, будто в них вселяются злые духи. Ферми и Разетти, наловив ящериц, предвкушали, с каким удовольствием выпустят они их в столовой и какой поднимется переполох среди прислуживающих девушек.

Они по целым часам, не произнося ни слова, лежали ничком на траве, вооружившись длинными стеклянными палочками с маленькой шелковой петлей на конце. Погрузившись в терпеливое ожидание, Разетти наблюдал крохотный мир, раскинувшийся перед его глазами: тонкий стебелек пробивающейся травы, муравья, хлопотливо волочащего соломинку, зажатую в челюстях, луч света, проскользнувший по стеклянной палочке. Но Ферми не был естественником, и его не интересовал этот микроскопический мирок. Уставясь глазами в землю и держа наготове лассо, чтобы успеть накинуть его, едва покажется гекко, он сосредоточенно думал. Какой-то почти подсознательный процесс мысли позволил ему нащупать связь между принципом Паули и теорией идеального газа. И вот откуда-то из недр подсознания внезапно вынырнуло то недостающее звено, которое так долго ускользало от Ферми: два атома газа не могут двигаться с совершенно одинаковой скоростью, или, на языке физиков, в каждом из квантовых состояний, возможных для атомов идеального одноатомного газа, может находиться только один атом. Этот принцип позволил Ферми разработать метод для вычисления поведения газов, получивший название «статистика Ферми». А эти результаты в свою очередь были потом использованы и другими физиками для объяснения целого ряда явлений, связанных с теплопроводностью и электропроводностью металлов.