Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
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.
В марте 1947 года Джон Фон Нейман при помощи этого метода предложил решение задачи рассеяния нейтронов в материалах деления. Ферми сразу проявил интерес к этому процессу.
Снимок компьютера FERMIAC из музея Брэдбери в Лос-Аламосе, Нью-Мексико. Аналоговый прибор, созданный Ферми, сделал возможным исследование перемещения нейтронов.
Станислав Улам держит в руках FERMIAC в Лос- Аламосской лаборатории. Этот математик австро- венгерского происхождения также принимал участие в разработке устройства.
Решение позволяло составлять генеалогию каждого нейтрона, участвующего в цепной реакции, и применив метод тысячи раз для других нейтронов, можно было получить статистически верную диаграмму рассеяния нейтронов.
Ферми решил сконструировать простой прибор, который реализовывал бы решение, предложенное фон Нейманом. Он убедил Перси Кинга собрать FERMIAC — небольшой механизм, задуманный как аналоговый вычислительный инструмент и способный представить генеалогию нейтронов, автоматически выдавая место следующего столкновения. FERMIAC позволял сделать предварительную выборку быстрых или медленных нейтронов, направление их движения, расстояние от следующего столкновения и задать базовые геометрические и физические характеристики материала, в котором происходило рассеяние. Прибор был оснащен шестеренками, с помощью которых крепился к лестнице на ядерном реакторе, и позволял получить траекторию движения частиц. FERMIAC успешно использовался на протяжении двух лет для изучения поведения нейтронов в различных ядерных устройствах.
Ферми продолжал ездить в Лос-Аламос (обычно летом) и после окончания войны, главным образом для того, чтобы следить за развитием там информатики и численных методов: ученый прекрасно понимал, что они будут играть важную роль в современной физике.
ФЕРМИ-ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
FERMIAC стал переходным звеном от аналогового декартового мира к цифровой эре ENIAC. Это была простая машина, которая могла делать сложные прогнозы и позволяла сэкономить сотни часов работы. С ее помощью Ферми быстро получал довольно точные результаты и больше не должен был тратить время на сложные длительные расчеты, особенно если решение требовалось найти в условиях недостатка информации. В честь ученого метод стали называть методом Ферми, а задачи, решаемые таким способом, — задачами Ферми. Сам Ферми утверждал, что часто ключ к решению той или иной задачи кроется в том, чтобы по-новому сформулировать ее и таким образом сделать возможным прямой и простой подход к решению.
К тому же Ферми был прекрасным инженером, и если ему для достижения поставленной цели требовались какие-то новые приборы, он просто создавал их.
Вскоре принципов чикагской педагогической школы стали придерживаться профессора физики из других университетов. Ферми стал примером того, как надо преподавать будущим ученым. Во время работы в Чикаго он взрастил таких исследователей, как Чемберлен, Чу, Гарвин, Гольдбергер, Ли, Орир, Розенфельд, Розенблют, Стейнбергер, Трейман, Вольфенштейн и Янг. Его ученики, среди которых были будущие нобелевские лауреаты, оказали большое влияние на развитие физики в XX веке, а педагогические методы Ферми стали примером университетского преподавания физики в середине прошлого столетия.
Компьютеры станут ключом для решения задач.
Энрико Ферми
Чикагские студенты Ферми собрали конспекты его лекций и семинаров и издали несколько книг, которые стали широко известны и долгие годы использовались для изучения физики: «Ядерная физика» (1949), «Элементарные частицы» (1951), «Термодинамика» (1958), «Лекции по квантовой механике» (1961). Последние два издания были опубликованы Чикагским университетом уже после смерти Ферми. В главе 10 своего знаменитого учебника по ядерной физике Ферми давал превосходное описание космических лучей, показав глобальное видение физики и сделав первые шаги в только что открытой области, соединявшей физику и астрономию.
