Какими соображениями руководствовался Э. Ферми, предлагая свою теорию? Прежде всего, соображениями аналогии. Ученый допустил, что к эффекту, обнаруженному Ф. Разетти, можно применить понятия резонанса и взаимодействия основных тонов тела с его обертонами. Именно эта аналогия позволила ему постулировать, что открытый эффект - результат взаимодействия продольной моды с обертоном поперечной моды колебаний молекулы.
Природу обертонов (акустических обертонов) изучал еще Г. Гельмгольц, посвятивший этому вопросу свой доклад "О физиологических основах музыкальной гармонии", с которым он выступил в Бонне в 1857 г. А.В. Лебединский и его соавторы в книге "Гельмгольц" [10] пишут об этом выступлении немецкого физика и физиолога: "Акустические проблемы интересовали Гельмгольца с точки зрения физиологии, физики и музыки. Понимая единство всех этих трех аспектов изучения звуков, он в своей речи изложил вопросы о физической природе звука, о распространении звука, о сложном составе и разложении звука, об обертонах и тембре, об устройстве слухового аппарата человека, о роли звукового резонанса в музыкальных инструментах, о причинах музыкальной гармонии..." [10, с.88].
Примечательно, что работа Э. Ферми (1931), в которой он дал квантово - механическое объяснение эффекта, открытого Ф. Разетти, натолкнула (опять же по аналогии) Л.И. Мандельштама на мысль о том, что должен существовать классический эквивалент данного эффекта - качающийся пружинный маятник. Эту мысль экспериментально подтвердили сотрудники Л.И. Мандельштама - А.А. Витт и Г.С. Горелик, описавшие опыт, в котором наблюдается периодическая перекачка энергии вертикальных колебаний маятника в горизонтальные. Данный опыт нашел отражение в статье А.А. Витта и Г.С. Горелика "Колебания упругого маятника как пример колебаний двух параметрически связанных линейных систем" (1933).
В.В. Кудрявцев в докторской диссертации "Научные школы в отечественной радиофизике: зарождение, развитие, творческое наследие" [11] пишет об этой статье Г.С. Горелика и А.А. Витта: "Авторами были исследованы параметрически связанные колебательные системы. Примечательно, что при этом было впервые введено само понятие параметрической связи, примененное затем Г.С. Гореликом к изучению акустических волн. Работа А.А. Витта и Г.С. Горелика возникла в результате изучения эффекта расщепления линий в спектре комбинационного рассеяния на молекуле CO2. Г.С. Горелик рассказывал, как однажды Л.И. Мандельштам, находясь в лаборатории колебаний, поделился с сотрудниками впечатлениями о только что опубликованной работе Э. Ферми. В ней было представлено квантово-механическое объяснение данного эффекта. Л.И. Мандельштам предположил, что он (эффект - Н.Н. Б.) не относится к квантовым эффектам, и предложил проверить эту гипотезу на модели пружинного маятника" [11, с.352]. "А.А. Витт и Г.С. Горелик, - продолжает автор, - рассмотрели пружинный маятник как систему, состоящую из двух параметрически (нелинейно) связанных линейных систем. Данную систему можно описать с помощью двух нелинейных дифференциальных уравнений. Изучение энергетических превращений системы на фазовой плоскости позволило установить следующий факт. Как бы ни была мала связь между парциальными системами, при соотношении частот 2:1 в системе происходит полная перекачка энергии угловых колебаний в энергию вертикальных колебаний и обратно. Быстрота и глубина перекачки энергии из одной парциальной системы в другую зависят от начальных условий" [11, с.352].
Стимулирующее влияние теории Э. Ферми на исследования Л.И. Мандельштама, сопровождавшиеся введением понятия параметрической связи (А.А. Витт, Г.С. Горелик), рассматривается также в публикациях [12],
[13] . Отметим, что взаимодействие разных мод колебаний, открытое Э. Ферми в молекуле углекислого газа, позднее получило название "резонанса Ферми", и именно ему посвящена книга М.П. Лисицы и А.М. Яремко "Резонанс Ферми"
Аналогия четвертая: мысль о возможности получить новые радиоактивные атомы путем их обстрела нейтронами
В марте 1934 г. Э. Ферми и Ф. Разетти, используя полоний-бериллиевый источник нейтронов, начали эксперименты по обстрелу легких элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева нейтронами - элементарными частицами, открытыми Джеймсом Чедвиком (1932), учеником Э. Резерфорда. Бомбардировка нейтронами таких элементов, как водород, литий, бериллий, бор, углерод и азот, оказалась безуспешной. Имевшиеся приборы (счетчики Гейгера-Мюллера) не регистрировали какую-либо радиоактивность, наведенную нейтронами, образование новых радиоактивных изотопов при этом не наблюдалось. Это обескуражило Э. Ферми, но он решил продолжать опыты. Заменив полоний-бериллиевый источник нейтронов на гораздо более сильный радон-бериллиевый, ученый приступил к обстрелу атомов фтора и сразу же получил положительный результат. Даже кратковременная нейтронная бомбардировка делала фтор радиоактивным. Затем Э. Ферми совместно с Э. Амальди и Э. Сегре обнаружили искусственную радиоактивность, вызванную нейтронами, еще у двадцати элементов. Среди них железо, кремний, фосфор, хлор, ванадий, медь, мышьяк, серебро и т.д.
В этих же экспериментах команда Э. Ферми открыла важный физический эффект, который впоследствии лег в основу разработки первых атомных реакторов, - эффект замедления нейтронов. В частности, выяснилось, что нейтроны, прошедшие сквозь свинец или парафин, вызывают в железе больше ядерных превращений, чем нейтроны, на пути которых не размещались эти вещества. Э. Ферми правильно объяснил, что, проходя через парафин, нейтроны замедляются и без труда проникают в ядро атома железа, инициируя образование радиоактивных изотопов. Эти открытия принесли ученому Нобелевскую премию по физике, которой он был награжден в 1938 г.
Разумеется, истоком этих достижений послужила первоначальная идея Э. Ферми о возможности вызвать искусственную радиоактивность путем обстрела разных элементов нейтронами. Как же возникла эта идея? По аналогии с экспериментами Фредерика Жолио и его супруги Ирен Кюри (1934), которые открыли искусственную радиоактивность, облучая атомы бора и алюминия альфа-частицами, т.е. ионизованными атомами гелия. Как только Э. Ферми ознакомился с этими опытами супругов Жолио -Кюри, он предположил, что тех же результатов можно достичь, если использовать частицы, открытые Дж. Чедвиком. Казалось бы, перед нами простая аналогия: принципиальная схема экспериментов Жолио-Кюри сохраняется, в ней лишь производится замена используемых для обстрела частиц - ионов гелия на нейтроны. Однако именно эта простая аналогия в дальнейшем привела к разработке первого ядерного реактора и атомного оружия, основанных на цепной реакции деления урана под действием нейтронов.
Карло Бернардини в статье "Ребята с улицы Панисперна. К 100-летию Энрико Ферми" [15] повествует о научной группе Ферми: "Группа уже действует, когда из Парижа приходят первые результаты супругов Фредерика Жолио и Ирен Кюри: они получили новые радиоактивные ядра путем бомбардировки стабильных ядер а-частицами. Наступает март 1934 г. Ферми консультируется с Разетти, и они вместе решают, что стоит попытаться получить те же результаты, используя нейтроны вместо а-частиц. Нейтроны обещают быть намного более эффективными по причине их электрической нейтральности, что позволяет им сталкиваться с ядрами на более близких расстояниях, не испытывая электростатического отталкивания, какое имеет место в случае а-частиц" [15, с.26].
Об этом же сообщает сам Э. Ферми в книге "Лекции по атомной физике" [16]: "Примерно в 1934 г. супруги Жолио -Кюри сделали весьма важное открытие: бомбардируя некоторые вещества альфа-частицами, они открыли, что после бомбардировки в веществах возникает искусственная радиоактивность, т.е. вещества становятся радиоактивными. Это было исключительно важное открытие: радиоактивность перестала подчиняться кажущемуся закону независимости от внешних воздействий, "не позволявшему" воспроизвести ее; только после открытия Жолио -Кюри ее удалось создать искусственно. Начало наших занятий нейтронами относится к периоду открытия Жолио-Кюри. Довольно естественна была мысль, что искусственную радиоактивность могут создавать не только альфа-частицы, но, вероятно, и нейтроны: можно было предположить, а дальнейший эксперимент это подтвердил, что нейтроны имеют известные преимущества перед альфа-частицами, так как они электрически нейтральны и могут приблизиться к положительному ядру, не отталкиваясь" [16, с.102].
Ф. Кедров в книге "Эрнест Резерфорд" [17], понимая, что эксперименты супругов Жолио-Кюри были одновременно и ключевым стимулом для работ Э. Ферми, и важным звеном в овладении атомной энергией, пишет: "Дочь Марии Кюри - Ирен Кюри и ее муж Фредерик Жолио -Кюри в 1933 году установили, что при облучении а-частицами алюминиевой мишени происходит ядерная реакция с образованием фосфора, оказавшегося в отличие от обычного фосфора радиоактивным. Супруги Жолио-Кюри получили таким же способом радиоактивный азот и радиоактивный кремний. Открытие искусственной радиоактивности положило начало обширной области науки и техники - искусственных радиоактивных изотопов. Открытие супругов Жолио-Кюри было важным звеном в овладении атомной энергией и вызвало к жизни знаменитые опыты Энрико Ферми по бомбардировке элементов нейтронами" [17].
Аналогия пятая: разработка теории радиоактивного распада атомов (теории бета-распада)
В 1896 г. французский физик Анри Беккерель, изучая свойства солей урана, случайно открыл радиоактивный распад атомов. С тех пор ученые предпринимали многочисленные попытки разобраться в тонкостях этого распада и построить теорию, адекватно описывающую физическое явление. В какой-то момент стало ясно, что радиоактивный распад, названный бета - распадом, - это процесс, в котором нейтрон превращается в протон и электрон. Однако суммарная энергия, выделяющаяся при в -распаде, превышала энергию, уносимую из атома этими частицами. Кроме того, измерение собственных моментов ядер - их спинов - показало, что они при в-распаде меняются на целое число (в единицах постоянной Планка), в то время как спин электрона равен % [18]. Эти обстоятельства подтолкнули Нильса Бора к гипотезе о том, что в бета-распаде нарушается закон сохранения энергии, и, вероятно, данный закон соблюдается в атомных процессах лишь статистически. В. Паули, автор принципа запрета, был категорически не согласен с этой гипотезой Н.Бора и в одном из писем просил датского ученого не третировать (оставить в покое) закон, часто называемый "первым началом термодинамики". Чтобы спасти принцип сохранения энергии, В. Паули направил участникам научной конференции, проводимой в немецком городе Тюбингене (1930), письмо, в котором предсказал существование новой частицы, названной "нейтрино". В. Паули постулировал, что данная частица, покидающая атомное ядро вместе с электроном, не имеет электрического заряда, плохо взаимодействует с веществом, содержится в ядре в готовом виде.
В 1934 г., используя гипотезу В. Паули о существовании нейтрино, Э. Ферми, наконец, разработал теорию бета -распада атомных ядер. В этой теории итальянский ученый отказался от предположения В. Паули о том, что нейтрино содержится в атомном ядре в готовом виде. Была сформулирована идея, согласно которой нейтрино появляется лишь в момент радиоактивного распада атома, а до этого момента упомянутой частицы просто не существует физически. Каким образом Э. Ферми пришел к этим результатам, которые составили, по существу, первую теорию слабого взаимодействия? По аналогии с теорией электромагнитного излучения, предложенной П.Дираком. В этой теории квант света, испускаемый атомом при переходе электрона с одной орбиты на другую, также рождается лишь в момент указанного перехода, а до этого события его не существует "в природе". Э. Ферми ввел в свою концепцию бета-распада операторы рождения и уничтожения частиц по аналогии с использованием этих операторов в квантовой механике (уже созданной в то время).
Эта аналогия Э. Ферми описывается во многих источниках. Я.Г. Дорфман во втором томе "Всемирной истории физики" [19] пишет: "Между тем Э. Ферми создал свою известную теорию бета-распада. Теория основана на предположении, что в ядре происходит превращение нейтрона в протон с одновременным испусканием электрона и нейтрино... Имеется значительное сходство между бета-распадом и явлением испускания фотона при переходе электрически заряженной частицы с более высокого на более низкий квантовый уровень. Подобно тому, как фотон не существует в атоме, а возникает при квантовом переходе, так и легкие частицы электрон и нейтрино возникают при переходе нуклона из квантового состояния, в котором он является нейтроном, в состояние, при котором он является протоном" [19, с.268].
Э. Сегре в книге "Энрико Ферми" [20] отмечает: "Аналогия с испусканием электромагнитного излучения и вдохновила Ферми на знаменитую статью с объяснением бета-распада. Статья Ферми превратила качественную гипотезу Паули в количественную подробную теорию большого эвристического значения" [20, с.99-100].
Этот же факт рассматривают А.И. Ахиезер и М.П. Рекало в книге "Биография элементарных частиц" [21]: "Когда в 1934 г. Ферми постулировал существование слабого взаимодействия, он исходил из аналогии с квантовой электродинамикой. Нейтрино (антинейтрино), которые возникают в процессе в-распада, не содержатся внутри ядра или нейтрона, а образуются в самом процессе распада. В этом отношении образование нейтрино аналогично испусканию фотона, который не содержится в атоме, а возникает в процессе излучения. На этом основании процесс в -распада n ^ p + e- + и можно описывать аналогично процессу излучения в квантовой электродинамике" [21, с.99].
Наконец, Б. Понтекорво в статье "Страницы развития нейтринной физики" [22] считает необходимым в очередной раз напомнить об этой аналогии: "Таким образом, Ферми возвел свое столь совершенное строение лишь на основе нескольких экспериментальных результатов по бета-распаду тяжелых ядер и аналогии с дираковской теорией электромагнитного излучения" [22, с.688].
Интересно отметить, что статья Э. Ферми по бета -распаду, направленная в 1934 г. в журнал "Nature", была отклонена редактором журнала, который расценил ее как слишком абстрактную и не представляющую интереса для читателей. Теперь можно лишь сожалеть о недальновидности этого редактора.
Аналогия шестая: идея о том, что слабое взаимодействие - это векторный ток
При разработке теории бета-распада Э. Ферми должен был определить, чем является слабое ядерное взаимодействие, обнаруживающее себя в бета- распаде, какую форму оно имеет. Э. Ферми пришел к выводу, что слабое взаимодействие - это векторный ток (V), то есть оно имеет векторную форму (V). Как знаменитый физик склонился к этому заключению? Опять же по аналогии с теорией электромагнитного излучения (квантовой электродинамикой).