Жизнь науки - С. Капица

ФЕРМИ

Энрико Ферми родился в Риме в семье служащего. Он окончил Пизанский университет и затем продолжил образование, полученное в значительной степени путем самостоятельных занятий, в Геттингене у Борна и в Лейдене у Эренфеста. С 1926 г. Ферми — профессор университета в Риме. Там в течение 12 лет он создал итальянскую школу современной физики; к этому времени относятся его теоретические работы по приложению квантовой механики к разнообразным явлениям атомной, молекулярной и ядерной физики. Мысль Паули о нейтрино привела в работах Ферми к созданию теории {5-распада.

После открытия нейтрона Чадвиком и искусственной радиоактивности Жолио Кюри и Ирэн Кюри Ферми вместе со своими учениками занялся изучением этих явлений, где им были достигнуты замечательные результаты, увенчанные в 1938 г. Нобелевской премией. Отправившись вместе с семьей в Стокгольм получить Нобелевскую премию, Ферми решил не возвращаться в Италию, где фашистский режим создал невыносимые условия для творческой работы. Ферми эмигрировал в СШД став профессором Колумбийского университета.

В 1938 г. Хан и Штрассман открыли деление урана, и уже через 4 года Ферми построил в Чикаго атомный реактор, в котором впервые происходила управляемая самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Именно с этих работ начался атомный век — век атомной энергетики и ядерного оружия. Годы войны Ферми провел в секретных лабораториях Лос-Аламоса, участвуя вместе с крупнейшими физиками мира в создании атомной бомбы.

Однако после 1945 г. Ферми оставил нейтронную физику, область, которую он по существу создал; он утверждал, что ученый должен менять область своих занятий. Ферми обратился к физике элементарных частиц — к исследованию мезонов на первых ускорителях частиц высокой энергии.

Ферми был замечательным лектором. Конспекты его лекций и ныне представляют большой интерес, свидетельствуя об исключительной ясности и точности его ума; его образные и прозрачные решения давали четкую картину сложных явлений, лишенную какой-либо нарочитой общности или абстрактности. Его сильная и независимая личность привлекала многих, несмотря на сложный, а иногда, по мнению некоторых, малодоступный характер: недаром еще в Италии ученики называли его Папой — за непогрешимость и авторитет!

Мы приводим предисловие к одной из последних книг Ферми «Элементарные частицы» (1951).

Предисловие

Пожалуй, наиболее важной проблемой теоретической физики в течение последних двадцати лет было описание элементарных частиц и взаимодействия между ними. Теория излучения Дирака и последующее развитие квантовой электродинамики заложили основу современного понимания электромагнитного поля и связанных с ним частиц — фотонов. В частности, эта теория может объяснить процессы рождения фотонов при испускании света и процессы исчезновения фотонов при поглощении света. Полевые теории других элементарных частиц построены по образцу теории фотонов. В основу их положено предположение, что каждому сорту элементарных частиц соответствует поле, квантами которого эти частицы являются. Таким образом, кроме электромагнитного поля, вводится еще электронно-позитронное поле, нуклонное поле, несколько типов мезонных нолей и т.д.

Уравнения Максвелла, описывающие макроскопическое поведение электромагнитного поля, хорошо и давно известны. Поэтому естественно думать, что именно эти уравнения нужно проквантовать, чтобы ностроить квантовую электродинамику. Это и было проделано с определенным успехом. За последние два или три года остающиеся трудности, связанные с бесконечным значением электромагнитной массы и так называемой поляризацией вакуума, были в значительной мере преодолены в работах Бете, Швингера, Томонага, Фейнмана и др. Эти работы смогли удовлетворительно объяснить лэмбовский сдвиг уровней в тонкой структуре атома водорода и аномальный магнитный момент электрона как результат взаимодействия с полем излучения.

После фотонов частицами, лучше всего известными из эксперимента и лучше других описываемыми теорией, являются электроны и позитроны. В полевой теории электронов и позитронов за уравнения электронно-позитронного поля берутся релятивистские уравнения Дирака. Метод квантования в этом случае должен быть таким, чтобы удовлетворялся принцип Паули для электронов и позитронов, в отличие от фотонного поля, где приложима статистика Бозе — Эйнштейна.

Менее убедительными являются попытки описания полей, о которых мы имеем гораздо более скудные экспериментальные данные.

Протоны и нейтроны, которые, подобно электронам, подчиняются принципу* Паули и обладают спином 1/г, обычно также описываются уравнением Дирака. Однако такая трактовка выходит за рамки наших теперешних экспериментальных данных, так как до спх пор не найдено-отрицательных протонов (аналогов позитронам). Не найдено также антинейтронов. Последняя предполагаемая частица является «двойником» нейтрона, подобно тому как позитрон является «двойником» электрона. Антинейтрон отличается от нейтрона тем, что его магнитный момент* направлен параллельно спиновому (а не антипараллельно, как у обычного нейтрона). Затруднения теории связаны также с тем, что, согласно-теории Дирака, магнитный момент протона следует предполагать равным одному ядерному магнетону, а магнитный момент нейтрона — равным нулю. Тот факт, что нейтрон в действительности имеет момент, равный—1,9103, а протон — момент, равный +2,7896 ядерного магнетона, объясняется действием мезонного поля, окружающего нуклоны. Если это объяснение справедливо, мы должны прийти к выводу, что протон и нейтрон — гораздо более сложны, чем это выглядит, когда их описывают уравнением Дирака.

До сих пор мы говорили о частицах, основные свойства которых мы знаем довольно обстоятельно. Но есть и другие частицы, существование которых известно или подразумевается. О свойствах таких частиц в: некоторых случаях можно только высказать предположения.

Предположение о существовании нейтрино было сделано Паули, чтобы избежать нарушения закона сохранения энергии при |5-распаде. Это — нейтральная частица. Масса нейтрино или равна нулю, или крайне мала (в энергетических единицах меньше нескольких кэв). Сшш нейтрино считается равным 7г; магнитный момент или равен нулю,, или очень мал. В теории (3-распада нейтрино обычно описывается уравнением Дирака, что дает два типа нейтрино (собственно нейтрино и антинейтрино), связанных друг с другом, подобно электрону и позитрону-

Однако это не есть единственный возможный способ описания нейтрино. Другой способ описания, в котором нет антинейтрино, был предложен Майораной. Показано, что в приложении к распаду теория Майораны дает обычно те же результаты, что и теория Дирака. Исключение составляет рассмотренный недавно весьма маловероятный случай двойного Р-распада. Теория p-распада, основанная на гипотезе о существовании нейтрино, достигла некоторых успехов в объяснении общих свойств явления. В частности, удалось объяснить распределение по энергиям электронов распада. Но, с другой стороны, до сих пор не найдено вполне удовлетворительной формы этой теории. Вместо одной удовлетворительной теории Р-распада имеется несколько теорий, не вполне приемлемых.

Многое было сделано в полевой теории мезонов, впервые выдвинутой Юкавой в попытке объяснить ядерные силы. Мезон Юкавы следует отож-дэствить с л-мезоном. ц-Мезон, являющийся продуктом распада зт-ме-зона, слабо связан с нуклонами и поэтому не считается носителем ядерных сил. Теория Юкавы оказалась очень ценным ориентиром в экспериментальных исследованиях и, вероятно, содержит немало верных путей к будущей теории. В частности, мезонной теории мы частично обязаны открытием рождения мезонов при столкновениях быстрых нуклонов. С другой стороны, попытки математической формулировки мезонной теории имели весьма скромный успех. Часто бывает, что результаты, полученные в теории с помощью сложного математического аппарата, оказываются не лучше, чем прикидочная оценка порядка величины. Это неудовлетворительное положение будет, вероятно, исправлено только тогда, когда большее количество экспериментальных данных укажет нам путь к правильному пониманию.

Мы не пытаемся здесь обсуждать математический аппарат полевых теорий. Наша цель — проиллюстрировать на простых примерах полуко-личественные методы, которые могут оказаться полезными при интерпретации экспериментов. В некоторых случаях более строгое математическое рассмотрение не приводит к более точным результатам, ибо нет еще совершенной теории. В других случаях качественные соображения, приведенные в книге, могут служить введением к более полному изучению проблемы.