Kolesnikov.net
Kolesnikov.net

Задачи Ферми

Энрико Ферми (1901-1954) итальянский физик, лауреат Нобелевской премии 1938г., в 1939г. эмигрировал в США. Иностранный член-корреспондент АН СССР с 1929г. Один из основных разработчиков "Проекта Манхэттен» (Manhattan Project)по созданию первой атомной бомбы.

Fermi's ID badge photo from Los Alamos

Фотография Энрико Ферми с пропуска в Лос-Аламосе.
Другие красивые фотографии Э.Ферми, в том числе и эту, можно найти в Википедии по адресу:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Ферми,_Энрико,
а также в английской и итальянской версиях. Там же можно найти образец подписи Э.Ферми.

Русский термин "задачи Ферми" имеет несколько похожих переводов на английский язык: Fermi problem, Fermi quiz, Fermi question, Fermi estimate,order estimation или back-of-the-envelope calculation. Еще есть парадокс Ферми (это про инопланетян) и множество физических понятий, связанных с именем Ферми (уровень Ферми, энергия Ферми и т.д.). Это надо иметь в виду, когда вы набираете имя Ферми в поисковой строке Google.

История про клочки бумаги, бросаемые при прохождении ударной волны, стала визитной карточкой Ферми. Ниже вы можете увидеть кадр из фильма "Бесконечность" (Infinity, другое название на русском: "Бесконечная любовь". Реж. Мэттью Бродерик. 1996г. 119 мин.) Вообще-то фильм про Р.Фейнмана.

Ферми работает со своими листочками во время первого атомного взрыва.

Друг Э.Ферми Э.Сегре, который на испытаниях был рядом с ним, пишет:

«Ферми встал и начал сыпать маленькие обрывки бумаги. Он подготовил простой эксперимент для измерения энергии взрыва: в спокойном воздухе обрывки бы упали к его ногам, а когда через несколько секунд после взрыва придет фронт ударной волны, они упадут несколькими сантиметрами (метрами?) дальше в направлении распространения ударной волны. По расстоянию до точки взрыва и смещению воздуха под воздействием ударной волны можно вычислить энергию взрыва. Эти вычисления Ферми проделал заранее, подготовив таблицу, по которой он мог сразу же определить энергию в результате такого грубого, но простого измерения… Этот случай настолько характерен для Ферми… Не менее характерно, что его ответ оказался очень близким к результату аккуратно проведенных официальных измерений. Но последний появился через несколько дней изучения записей, а Ферми получил свой через несколько секунд…» [Сегре1973,с.194]

Перед первый испытанием атомной бомбы 16 июня 1945г. на полигоне Тринити (штат Нью-Мексико) оценки ее мощности вырьировались от 0 (если бомба не сработает) до 1500 тонн ТНТ.

Ферми пишет в своем отчете [Fermi1945] (Фотокопия отчета приведена ниже):

Утром 16 июля я занял позицию в базовом лагере на расстоянии около 10 миль от места взрыва. Взрыв был произведен около 5:30...
Примерно через сорок секунд после взрыва взрывная волна настигла меня. Я попытался оценить мощность взрыва, бросая маленькие кусочки бумаги с высоты 6 футов до, во время и после прохождения взрывной волны. Так как в этот момент не было ветра, я смог четко измерить действительное перемещение кусочков бумаги во время их падения под действием взрывной волны. Их смещение составило около 2.5 метров, что должно было быть при взрыве по моей оценке 10 тысяч тонн тринитротолуола (ТНТ).

Расчеты с использованием более сложного оборудования, проведенные коллегами Ферми в течении нескольких дней, оценили мощность взрыва в 18.6 килотонн.

Остается вопрос: Как все-таки Ферми определил мощность взрыва? В общем, требуется оценить, какой метод использовал сам Ферми =:)

Известен ряд задач (вопросов) Ферми, которые он задавал своим студентам. Самым известным является задание:

Сколько настройщиков пианино в Чикаго?

Несмотря на то, что, кажется, данных о задаче совсем нет, это не так. Известна численность населения Чикаго во времена Ферми - это три миллиона человек. Известно среднее число человек в семье - это два или три человека. (Имеем миллион семей) Процент семей, имеющих пианино и пользующихся услугами настройщиков - от 3 до 10. Это самые тонкие и сложно определяемые цифры.  Возьмем 5%. (50000 настроек) Дальше - проще: берется частота настройки, скажем, раз в год, количество настроек в день и число рабочих дней в году. Настройка четырех инструментов в день при 250 рабочих днях в году (всего 365 минус 52 воскресенья, 52 субботы, несколько дней праздников) даст 1000 настроек в год и необходимость наличия 50 настройщиков. Что Ферми и проверял по "Желтым страницам" (или их аналогу). Конечно, количество пианино, требующих настройки (процент семей), определено очень приблизительно и, если подставлять границы интервала, результат получит большой разброс (от 30 до 100). Но это лучше, чем ничего, и позволит оценить порядок величины количества настройщиков.

Примерно таким же методом как Ферми считал настройщиков пианино в Чикаго, Санджой Махаджан считал водителей такси в Бостоне [Mahajan2014,p.76]. И так же как Ферми проверял это количество: Ферми по Желтым страницам, а Махаджан по количеству медальонов, выданных властями Бостона. К этому вопросу близка задача из [Хаббард2009,с.11-12] по определению емкости рынка страховок. Он называет ее "Вопросы Ферми для нового предприятия".

На следующем сайте обсуждаются вопрос как раскрыть метод, которым пользовался Ферми при определении мощности первого атомного взрыва:

https://www.quora.com/How-did-Fermi-estimate-the-power-of-the-Trinity-bomb

Еще один подход предложен в [Weinstein2012,p.169-171]. Здесь мощность взрыва оценивается в 1-4 кт.

Оценка мощности исходя из работы взрыва против атмосферного давления приведена в [Исакович1972,с.108-109]. Результат оценки совпадает с реальными данными для бомб данного типа. Однако, надо отметить, что первоначальные данные Ферми несколько отличаются от американских источников. В частности, бумажки улетели на 2.5 метра, а не 1, и Ферми находился в 16 км от эпицентра, а не в 10. Пересчет в соответствии с новыми данными приводит к мощности в 100 кт, что не соответствует оценке Ферми.

Также можно предположить использование для сравнения экспериментального неядерного взрыва, проведенного несколько ранее.

100-Tonn Test

100-Tonn Test. Пробный взрыв, проведенный 7 мая 1945г. для исследования эффектов взрыва и настройки измерительных приборов. Состоял в подрыве 110 тонн ТНТ на башне высотой 20 футов. Разбрасывал ли Ферми свои листочки во время этого взрыва? И на каком расстоянии от эпицентра он при этом находился?
Высоту башни можно проверить по среднему росту людей, стоящих на площадке, или по высоте ступенек лестницы на первом плане.
http://www.lanl.gov/newsroom/picture-of-the-week/pic-week-16.php


Определение мощности ядерного боезапаса по времени свечения огненного шара

http://tutankanara.livejournal.com/404864.html
Встретился старый советский плакат по данной теме. Первый взрыв в Тринити имел слишком малую мощность и не попал в данную таблицу.

Geoffrey Ingram Taylor (1886-1975) оценил мощность взрыва в 17 кт, не имея данных об американских измерениях и обладая только фотографиями взрыва, опубликованными в 1947г. https://thatsmaths.com/2014/09/18/how-big-was-the-bomb/



Список источников для задач Ферми

http://ru.wikipedia.org/wiki/Ферми,_Энрико

Хаббард Д. Как измерить все, что угодно. Оценка стоимости нематериального в бизнесе.- Пер. с англ. Е.Пестеревой - М.: ЗАО "Олимп-Бизнес", 2009. с.9-11.
Hubbard, Douglas D.: How to measure anything: finding the value of intangibles in business. - Hoboken, New Jersey: John Wiley and Sons, 2014. Первое издание в 2007, второе - 2010. Русский перевод с первого издания.

Hans Christian von Baeyer: The Fermi Solutions. - New York: Random House, 1993. - 173p. (pp.3-12)

Паундстоун У. Действительно ли вы умны, чтобы работать в Google? Коварные вопросы, головоломки в стиле дэен, предельно сложные задачи и другие сбивающие с толку приемы, которые применяют на собеседованиях и которые очень полезно знать, если вы хотите получить работу и найти свое место в новой экономике. - Пер. с англ. В.Егорова. - М.: Карьера Пресс, 2013. - 400с. Библиогр. с.382-387. (Глава 8. Доктор Ферми и инопланетяне. с. 155-165)
Poundstone W.: Are You Smart Enough to Work at Google?: Trick Questions, Zen-like Riddles, Insanely Difficult Puzzles, and Other Devious Interviewing Techniques You Need to Know to Get a Job Anywhere in the New Economy. - New York, Boston, London: Little, Brown and Company, 2014. - 292p. (First edition 2012).

Aaron Santos: How many licks? Or, How to estimate Damn near anything. - Philadelphia, London, 2009. - 176p.

Sanjoy Mahajan(1969-): The art of insight in science and engineering. Mastering complexity. - Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 2014. - 390 p. Библиогр. p.359-361 (50 назв.)

Weinstein, Lawrence (1960-): Guesstimation 2.0: solving the today’s problems on the back of a napkin. - Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 2012. - 360 p. (Atomic bomb and confetti, p.169-171)

Guestimation 2.0 p.170.jpg

Hans Christian von Baeyer: The Fermi Solutions. - New York: Random House, 1993. - 173p. (1.The Fermi Solution,p.3-12)

Гровс Л. Теперь об этом можно рассказать. - Сокращенный перевод с английского О.П. Бегичева - М.: Атомиздат, 1964. - 304c. (Глава 21. Аламогордо)
Leslie R. Groves: NOW IT CAN BE TOLD. The story of Manhattan project. - New York: Harper & Brothers Publishers, 1963.

Взрыв произошел сразу же после отсчета "ноль" в 5 часов 30 минут 16 июля 1945 г. Моим первым впечатлением было ощущение очень яркого света, залившего все вокруг, а когда я обернулся, то увидел знакомую теперь многим картину огненного шара. Первой моей, а также Буша и Конэнта реакцией, пока мы еще сидели на земле, следя за этим зрелищем, был молчаливый обмен рукопожатиями. Вскоре, буквально через 50 секунд после взрыва, до нас дошла ударная волна. Я был удивлен ее сравнительной слабостью. На самом деле ударная волна была не такой уж слабой. Просто вспышка света была так сильна и так неожиданна, что реакция на нее снизила на время нашу восприимчивость.

Ферми в тайне от всех приготовил очень простое приспособление для измерения силы взрыва -- клочки бумаги. Когда подошла ударная волна, я видел, как он выпустил их из руки. У земли ветра не было, поэтому ударная волна подхватила и отбросила их. Ферми отпускал их с определенной высоты, которую он заранее измерил, поэтому ему нужно было теперь только знать, на каком расстоянии они упали на землю. Он еще раньше вычислил зависимость силы взрыва от расстояния до него. Теперь, смерив расстояние до места, где упали клочки бумаги, он тотчас объявил, Какова была мощность взрыва. Его расчет совпал с данными, Полученными позднее на основе показаний сложных приборов.

Накануне вечером я был несколько раздражен поведением Ферми, когда он вдруг предложил своим коллегам заключить пари -- подожжет ли бомба атмосферу или нет, и если подожжет, то будет ли при этом уничтожен только штат Нью-Мексико или весь мир. "Не так уже важно, -- говорил он, -- удастся взрыв или нет, все равно это интересный научный эксперимент, так как в случае неудачи будет установлено, что атомный взрыв невозможен".



Сегре Э. Энрико Ферми. Физик. - М.: Мир, 1973.- 328с.

Исакович М.А. Общая акустика. Учебное пособие.- М.: Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1973. - 496с. (с.108-109)

Исакович М.А. Общая акустика, с.108-109.

Fermi Е.: My Observations During the Explosion at Trinity on July 16, 1945// U.S. National Archives, Record Group 227, OSRD-S1 Committee, Box 82 folder 6, “Trinity.”

Fermi Observation

Deakin, Michael A.B. (2011) G.I. Taylor and the Trinity test, International Journal of Mathematical Education in Science and Technology, 42:8, 1069-1079, DOI: 10.1080/0020739X.2011.562324
http://dx.doi.org/10.1080/0020739X.2011.562324

G.I. Taylor, The formation of a blast wave by a very intense explosion: I. Theoretical discussion. Proc. Roy. Soc. A 201 (1950), pp. 159-74 [Reprinted in The Scientific Papers of Sir Geoffrey Ingram Taylor, Vol. 3, G.K. Batchelor, ed., Cambridge University Press, Cambridge, pp. 493–509].
http://www3.nd.edu/~powers/ame.90931/taylor.blast.wave.I.pdf

G.I. Taylor, The formation of a blast wave by a very intense explosion: II. The atomic explosion of 1945. Proceedings of the Royal Society A 201, 1950, pp. 175-86 [Reprinted in The scientific papers of Sir Geoffrey Ingram Taylor, G.K. Batchelor. ed., Vol. 3, Cambridge University Press, pp. 510–521].
http://www3.nd.edu/~powers/ame.90931/taylor.blast.wave.II.pdf

Итого: 16.8 тыс. тонн, не считая радиации.

Mack, J. E. 1947 Semi-popular motion picture record of the Trinity explosion. PlIDDC221. U.S. Atomic Energy Commission. 44 pages
https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015074121206;view=1up;seq=1

Эти фотографии использовал Тейлор, если судить по источникам в его статье.



06.07.2017 *** Главная страница

Более ранние редакции:
23.06.2017
30.05.2017
19.03.2017
04.03.2017
27.02.2017
27.07.2016