Ферми. Ядерная энергия

При высоких скоростях в циклотроне масса частицы испытывала эффект релятивистского запаздывания. Поскольку скорость была близка к скорости света, то масса увеличивалась. Для компенсации этого эффекта был создан синхроциклотрон, в котором частота переменного электромагнитного поля менялась. Она зависела от коэффициента, основанного на скорости света с и скорости частицы ν:

f = f_o √(1-(v/c)²)

Пучок ускоренных частиц мог прийти в столкновение с целью с большей точностью. Ферми использовал его для изучения столкновений между пионами и нуклонами.

Репродукция патента циклотрона Лоуренса (1934), принцип действия которого был улучшен в синхроциклотроне.

  

В то время как протоны и нейтроны имели изоспин 1/2 (или со знаком +, или со знаком -), у трех пионов (π°, π⁺, π^- ) изоспин был равен единице с соответствующими проекциями (0,1 и -1). Квантовое число изоспин не должно было меняться при взаимодействиях частиц, которые, как мы уже видели, были следующими:

n → p + π^- ; π^- + p → n

p → n + π⁺ ; π⁺ + n → p.

Изоспин объяснял также схожесть масс протона и нейтрона и тот факт, что все пионы обладали одинаковой массой, но разными зарядами и, следовательно, по-разному вели себя при столкновении с нуклонами.

В 1952 году Ферми обменялся по этому вопросу несколькими письмами с молодым физиком Ричардом Фейнманом, с которым познакомился в Лос-Аламосе. Теории Фейнмана казались правильными, но требовали экспериментального доказательства. Ферми смог привести такое доказательство, изучая дисперсию пионов в дейтерии и водороде, и написал на эту тему несколько статей для журнала The Physical Review. Исследования Ферми и Андерсона подготовили революцию в физике элементарных частиц: из их наблюдений за столкновениями пионов и нуклонов вытекало предположение о возможном существовании внутренней структуры протонов и нейтронов. В последующее десятилетие был открыт резонанс между пионами и нуклонами, что привело к неминуемому открытию кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Теоретическую гипотезу их существования предложили в 1964 году Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг.

Однако количество данных, собранных Ферми, было очень велико, и это сильно замедляло их обработку и анализ. Например, для каждой дисперсии пионов надо было решить более девяти уравнений. Специально созданные таблицы немного облегчали задачу, но физика элементарных частиц становилась все более сложной, ее развитие приближалось к своему пределу. Ферми был необходим компьютер. Старые механические вычислительные машины, которыми он и Андерсон пользовались уже давно, работали на пределе своих возможностей.

В 1952 году в Лос-Аламосской лаборатории завершилась сборка компьютера MANIAC (Mathematical Analyzer, Numerical Integrator and Computer). Тем летом Энрико Ферми привез в Лос-Аламос огромное количество данных для анализа. Вместе с Николасом Метрополисом он написал доклад, в котором объяснял принцип действия устройства и его результаты, и продолжил в сотрудничестве с ним, фон Нейманом и Уламом изучать применение в MANIAC метода Монте-Карло и других численных методов. Ферми был полон энтузиазма: казалось, что новый компьютер может решить трудности физиков, вызванные большим количеством данных. Как ученый заявил на Рочестерской конференции в 1952 году, компьютеры могли открыть науке новые горизонты:

«Поскольку на каждый подсчет тратится всего пять минут, мы можем изучить задачу с математической точки зрения, слегка изменяя изначальные условия».

Имитационное моделирование заявляло о себе как о третьем пути к познанию после теории и экспериментов. В конце концов, именно это и сделал Ферми со своим FERMIAC: он рисовал моделированные траектории на плоскости в реакторе. В 1950-е годы, при первой же возможности, ускорители частиц были компьютеризированы.

ФИЗИКА НЕУСТОЙЧИВОСТИ

Летом 1951 года в Лос-Аламосской лаборатории Ферми вместе с фон Нейманом изучал физику жидкостей, в частности неустойчивость границ между двумя жидкими средами, например между водой и воздухом, когда более легкое вещество ускоряет более плотное, в результате чего возникает неустойчивость Рэлея — Тейлора (см. рисунок). Это явление было важным для понимания динамики взрывной и водородной бомбы, которая уже разрабатывалась. Исследование неустойчивости жидкостей подвело Ферми к двум интереснейшим областям физики: физике нелинейных систем и астрофизике.