Приехав в Пизу, молодой Ферми получил скромную, холодную, но собственную комнату, а предоставленная ему стипендия позволяла не заботиться о хлебе насущном. Меню студента не отличалось разнообразием, но гораздо больше его внимание привлекала обширная библиотека Нормальной школы. Энрико быстро выполнял учебные задания и продолжал свое образование, выходившее за рамки программы. Наставника Амидеи рядом не было, и Ферми самостоятельно выбирал себе литературу. В его записках того периода часто встречаются аккуратные списки прочитанных книг. В 1919 году Ферми начал изучать первые работы Нильса Бора (1885-1962) о спектре водорода, электронную теорию материи Оуэна Уилланса Ричардсона (1879-1959), тензорное исчисление Туллио Леви-Чивиты (1873-1941), труды по специальной теории относительности, работы Людвига Больцмана (1844-1906) по статистической физике и учебник Эрнеста Резерфорда (1871-1937) по радиоактивности.
Ферми проводил время не только за учебой. В Пизе он познакомился с Франко Разетти, тоже студентом-физиком первого курса, который, как и Ферми, увлекался не только естественными науками, но и горными прогулками. Энрико часто бывал у Разетти дома, где мама товарища готовила лакомства, вносившие разнообразие в однообразную диету юноши в Нормальной школе. Какое-то время друзья развлекались тем, что подшучивали над профессорами. Вместе с товарищами, среди которых был Нелло Каррара, они подвешивали ведра с водой над полузакрытыми дверями, устраивали маленькие взрывы в химической лаборатории и взрывали вонючие бомбочки в классе. К счастью для Ферми, их преподаватель по экспериментальной физике, Луиджи Пуччанти, был очень терпеливым человеком, на специально созванной комиссии он вступился за талантливых студентов и помог им избежать исключения из школы.
Более того, Пуччанти разрешил Ферми, Разетти и Карраре свободно пользоваться лабораториями. В его собственной лаборатории было оборудование для спектроскопии и работы с рентгеновскими лучами, которое имело огромную важность для первых экспериментальных работ Ферми и впоследствии для его докторской диссертации.
Люди должны смириться с тем, что невежество не может быть лучше знания.
Энрико Ферми
В 1920 году Ферми изучил труд немецкого физика Арнольда Зоммерфельда (1868-1951) Atombau und SpektraUinien («Строение атома и спектры»), который считался библией атомной физики. Зоммерфельд был известен как эксперт по теории Бора — Зоммерфельда. В атомной модели датского физика Нильса Бора электроны были распределены вокруг ядра равномерно. По его мнению, они двигались по круговым орбитам, или квантовым уровням (n). Энергия электрона зависела от орбиты, на которой он находился: чем дальше от ядра, тем энергия выше. Радиусы орбит и энергия электронов могли иметь всего несколько численных значений: в атоме водорода энергия электрона была бы примерно равна
E = -13,6 eV/n2
Электрон-вольт (эВ) — это единица, равная количеству энергии, которое нужно затратить, чтобы частицу с зарядом, равным заряду электрона, переместить в электрическом поле на разность потенциалов в один вольт. Это количество примерно равно 1,602-10-9 Джоуля.
Квантовая механика легла в основу физической научной революции начала XX века и лучше, чем классический подход, объясняла мир атомов. Она описывает поведение частиц и сил, управляющих Вселенной, посредством математических уравнений, определяющих квантовые состояния, в которых может находиться каждая частица или система. Квантовые состояния описываются квантовыми числами (см. таблицу ниже).
Название Обозначение Возможные значения Значение Главное число n 1 ≤ n n = 1, 2, 3... Обозначает расстояние между ядром и электроном в зависимости от энергетического уровня. Орбитальное число l 0 ≤ l ≤ n-1, следовательно n = 3: l = 0,1,2 (s, р. d) Определяет форму орбит и энергетический подуровень, на котором находится электрон. Магнитноечисло m1 -l ≤ m1 ≤ l, следовательно l = 2: m1 = - 2,-1, 0, 1, 2 Характеризует ориентацию орбитального энергетического подуровня в пространстве. Спиновое число ms Для электрона: -1/2, 1/2 Связанос предполагаемым вращением электрона вокруг своей оси.
ВОПРОС О СВЕТЕ
В 1924 году французский физик Луи Виктор де Бройль (1892— 1987) в своей докторской диссертации изложил теорию корпускулярно-волнового дуализма и положил конец дискуссии, длившейся несколько веков. Де Бройль доказал, что в таких явлениях, как дифракция, интерференция или преломление, свет ведет себя как волна, а при фотоэлектрическом эффекте, или эффекте Комптона — как частица. Ученый отметил, что так же двойственно ведет себя и материя: у всех частиц длина ассоциированной волны, λ, равна соотношению между постоянной Планка, h, и линейным моментом, p (произведению массы m на скорость v):
ЭФФЕКТ КОМПТОНА
В 1923 году американский физик Артур Холли Комптон (1892-1962) привел еще одно доказательство теории фотоэлектрического эффекта Эйнштейна. Комптон измерил рассеивание рентгеновских лучей с точки зрения свободных электронов, то есть обнаружил, что когда лучи сталкиваются со свободными электронами и теряют при этом часть своей энергии, длина их волны увеличивается. Этот феномен, названный в честь своего первооткрывателя эффектом Комптона, нельзя было объяснить, основываясь на волновой теории света. Комптону удалось интерпретировать результаты с позиций теорий Планка и Эйнштейна. Он заметил, что конечная длина волны излучения зависит только от угла направления рассеяния. Разница между начальной длиной волны (λ) и конечной (λ) пропорциональна постоянной Планка и обратно пропорциональна массе электрона в покое (m0) и скорости света (с), коэффициент пропорциональности зависит от угла рассеяния (θ).
Комптон вывел уравнения импульса электрона и фотона после рассеяния на основе закона сохранения линейного импульса, применимого к любому столкновению.
λ = h/p = h/mv
С точки зрения квантовой механики волны и частицы имеют одинаковую двойственную природу. Теория де Бройля подтвердилась, когда британец Джордж Паджет Томсон и американец Клинтон Джозеф Дэвиссон доказали, что электроны способны дифрагировать. За это открытие ученые в 1937 году получили Нобелевскую премию по физике.
ПЕРВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ
Ферми писал 30 января 1920 года своему другу Персико, с которым поддерживал связь и после отъезда в Пизу:
«В Институте физики мой авторитет постепенно растет. На днях я даже должен буду выступать перед разными светилами с лекцией о теории квантов, которую я всегда пропагандирую».
На тот момент Энрико едва исполнилось 18 лет. К этому времени он значительно продвинулся в изучении немецкого и смог прочесть работу Германа Вейля «Пространство. Время. Материя», углубить методы вариационного исчисления в математической физике, усовершенствовать познания в квантовой механике и теории относительности.
Между 1921 и 1926 годами, когда квантовая революция только зарождалась, Ферми заинтересовался общей теорией относительности и с энтузиазмом начал работать над электромагнетизмом и интерпретацией опытов и моделей, которые формировались в ядерной физике. В1921 году, на третьем курсе Пизанской Нормальной школы, юноша опубликовал свои первые работы по электромагнетизму в журнале Nuovo cimento. В первой — «0 динамике системы жестко связанных электрических зарядов, движущейся поступательно» — он противопоставил принцип эквивалентности массы и энергии Эйнштейна
(знаменитое уравнение E = mc2) вычислению массы по теории Лоренца, придя к видимому противоречию, которое он решил год спустя в статье, опубликованной в авторитетном немецком журнале Physikalische Zeitschrift.
Самое известное уравнение в истории — E = mc2 — устанавливает тесную связь между массой и энергией. Согласно ему, материя Вселенной имеет огромный запас энергии (E), эквивалентной произведению массы (m) на квадрат скорости света в вакууме (с ≈ 3 • 108 м/с). Уравнение было предложено Альбертом Эйнштейном и стало одним из символов науки.
В своей следующей публикации в Nuovo cimento — «Об электростатике однородного гравитационного поля и о весе электромагнитной массы» — Ферми, опираясь на общую теорию относительности, писал об эффекте однородного и статичного гравитационного поля в системе электрических зарядов, доказывая: электромагнитная масса зарядов равна их материальной массе, то есть m = U/c2> где U — электростатическая энергия системы, а с — скорость света в вакууме.
