В делении сила. Ферми. Ядерная энергия - [39]
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.
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.
Модель неустойчивости Рэлея — Тейлора между двумя жидкостями, более плотная из которых изначально находится сверху и падает под действием силы тяжести.
В Лос-Аламосе Улам и Ферми обсуждали, для решения каких задач лучше использовать MANIAC. Оба решили, что начать следует с анализа задач нелинейной физики, поскольку в них уравнения не могли быть решены напрямую. Для упрощения расчетов большинство существующих моделей обычно сводились к линейным, хотя природа все же была нелинейной. В то время молодой американский метеоролог Эдвард Лоренц (1917-2008) уже открыл, что атмосферные явления нельзя описать с помощью линейных моделей, хотя только в 1963 году он написал свою знаменитую статью Deterministic Nonperiodic Flow («Детерминированное непериодическое движение»), которая легла в основу современной теории детерминированного хаоса. Согласно этой теории, даже зная уравнения системы, никогда нельзя предсказать результат эксперимента. Сначала Улам и Ферми запрограммировали экспериментальную симуляцию статистической физики и открыли основы поведения различных нелинейных систем. Некоторые из них были простейшими, например движение точек в пространстве. Они выявили требования для получения устойчивых систем, пребывающих в равновесии, и пришли к выводу, который в 1969 году Лоренц назовет эффектом бабочки: незначительное изменение исходных условий системы влечет существенные изменения результата процесса. Улам и Ферми не сформулировали этот вывод в виде принципа, поскольку посчитали, что он объясняется недостаточной точностью программы. Так зарождалась наука о хаосе.
В некоторых приблизительно линейных задачах можно предположить существование квази-состояний.
Ферми о догадках в теории хаоса, неустойчивости и хаотических системах
Также Ферми пристально следил за развитием астрофизики, особенно в том, что касалось космических лучей, а после изучения жидкостей заинтересовался и динамикой газов в космосе. Почему галактики имеют определенную форму? Как электромагнитные и гравитационные поля влияют на галактические и звездные газы? Ферми стал сотрудничать с индийским астрофизиком и математиком Субраманьяном Чандрасекаром. Они были знакомы со времен Манхэттенского проекта: Чандрасекар работал в Чикагском университете с 1937 года. В 1953 году ученые опубликовали в AstrophysicalJournal несколько совместно написанных статей, в которых анализировали магнитное поле в спиральных галактиках и гравитационную нестабильность в присутствии сильных электромагнитных полей звезд. Ферми доказал, что равновесие межзвездного газа напрямую связано с магнитным полем галактики, а также является причиной космического излучения, над которой он столько думал.
По рекомендации Чандрасекара 28 августа 1953 года Ферми стал первым неастрономом, выступившим на заседании Американского астрономического общества. Из-за большого интереса, который он питал к астрофизике, ученые, не колеблясь, назвали космический гамма-телескоп, запущенный на орбиту в 2008 году, телескопом Ферми.
