Фано, Уго

Уго Фано родился в Турине в богатой еврейской семье. Он был назван в честь деда, который сражался на войне за объединение Италии в армии Джузеппе Гарибальди. Отец, Джино Фано, был профессором геометрии Туринского университета. Мать, Роза Кассин (Rosa Cassin), происходила из семьи инженеров и была талантливой художницей и музыкантом. Брат Уго, Роберт Фано, впоследствии также стал известным учёным, специалистом в области теории информации. Уго был болезненным ребёнком и первые три класса учился дома. В двенадцатилетнем возрасте он увлёкся ездой на велосипеде, что позволило ему укрепить здоровье. Позже он активно занимался туризмом и альпинизмом, много времени проводил в горах вблизи виллы (Villa Fano), купленной дедом много лет назад в окрестностях Вероны. С четвёртого класса Уго учился в школе, где многие преподаватели были священниками. Семейная обстановка способствовала интересу к науке и технике; например, в 12 лет он узнал от отца о боровской модели атома[1]. Среди школьных друзей Уго был Сальвадор Лурия, будущий знаменитый микробиолог и нобелевский лауреат[2].

Когда Фано учился в Туринском университете, его старший кузен Джулио Рака убедил его заняться физикой и познакомил с Энрико Персико[2], под руководством которого в 1934 году Уго защитил докторскую диссертацию по математике. После этого Персико устроил его на работу в группу Энрико Ферми, и Фано переехал в Рим, где его непосредственным наставником стал Эдоардо Амальди. В следующем году Фано посетил Гёттинген и Копенгаген, где познакомился с такими крупными учёными, как Нильс Бор, Арнольд Зоммерфельд, Эдвард Теллер и Георгий Гамов. В 1936 году молодой физик отправился на два года в Лейпцигский университет, где работал под руководством Вернера Гейзенберга над некоторыми вопросами теории атомного ядра. По возвращении он некоторое время трудился в Риме преподавателем, однако активизировавшиеся в Италии гонения против евреев вынудили Уго и его невесту Камиллу (Лиллу) Латтес (Lilla Lattes) принять решение об эмиграции. В феврале 1939 года они спешно приняли крещение и были обвенчаны католическим священником, после чего Лилла отправилась в Аргентину, тогда как Уго сначала заехал в Париж, а затем присоединился к ней. Там они смогли получить американские визы и в июне 1939 года прибыли в Нью-Йорк[3][2].

В США Фано поначалу работал в Вашингтонском институте биофизики, а вскоре переехал в лабораторию Института Карнеги, расположенную в Колд-Спринг-Харбор. Уго вошёл в группу Милислава Демереца и занимался в основном радиобиологией. Его интерес к вопросам биофизики и генетики восходил к семинару Паскуаля Йордана, прошедшему в Риме в 1938 году. Фано также много общался с Максом Дельбрюком и, в частности, познакомил того с Сальвадором Лурией (они впоследствии разделили Нобелевскую премию)[4][2]. Вступление Соединенных Штатов во Вторую мировую войну внесло новые изменения в жизнь учёного. Поскольку его жена была беременна, он был освобождён от призыва, однако затем перешёл на работу в Баллистическую лабораторию, расположенную на Абердинском испытательном полигоне в штате Мэриленд. Здесь Фано занимался проблемами эффективности вооружений и составлял инструкции для ВВС по выбору лучшего оружия для конкретных целей. Вскоре жена с новорожденной дочерью Мэри присоединилась к нему в Абердине[5]. В 1945 году учёный получил американское гражданство[6].

После окончания войны Фано на год покинул Колд-Спринг-Харбор, чтобы поработать в Колумбийском университете над физическими основами биологических эффектов радиации, однако в процессе работы глубоко заинтересовался природой самих элементарных процессов, протекающих при воздействии излучения на атомы и молекулы. В 1946 году он принял предложение перейти в Национальное бюро стандартов в Вашингтоне, где продолжал работать до 1966 года. Через несколько месяцев после переезда у него родилась вторая дочь, Вирджиния. В 1948 году Фано и его жена впервые вернулись в Италию, впоследствии они регулярно посещали на родину. В 1950-е годы вышло две книги его авторства: первая, написанная совместно с женой Лиллой, также физиком по образованию и учителем по профессии, была посвящена педагогически правильному изложению основ атомной физики; в другой, написанной с Джулио Рака, излагалась теория групп для углового момента и методы её использования в физике атомных и ядерных столкновений. Эта монография стала, в свою очередь, основой для книги, вышедшей в 1996 году за авторством Фано и его ученика Рави Рау (Ravi Rau) и посвящённой симметрии в квантовой физике[7].

В 1966 году было принято решение о переводе Национального бюро стандартов в Гейтерсберг (штат Мэриленд), однако Фано не пожелал туда переезжать и принял приглашение Чикагского университета, где работал до 2000 года. В 1972—1974 годах он возглавлял физический факультет, а в 1982 году получил звание почётного профессора (Professor Emeritus). В университете он руководил большим числом студентов и аспирантов, со многими из которых продолжал сотрудничество и после их перехода в другие организации. Фано активно занимался общественной деятельностью: работал консультантом Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям и Национального совета по радиационной защите и измерениям, привлекал внимание научного сообщества к радиационной биологии, необходимости строительства источников синхротронного излучения и повышения качества научной коммуникации. В 1990—1995 годах он выполнял обязанности помощника редактора журнала Reviews of Modern Physics[8]. Уго Фано скончался в Чикаго в результате осложнений, связанных с болезнью Альцгеймера[2].

Первая важная работа Фано, выполненная под руководством Ферми в 1935 году, касалась интерпретации формы некоторых спектральных линий благородных газов, наблюдавшихся в спектральном континууме Гансом Бойтлером (Hans Beutler) и называемых сейчас линиями Бойтлера — Фано (похожие идеи ещё в 1931 году высказывал Этторе Майорана, который рассмотрел процесс безызлучательного распада двухэлектронного возбуждения, приводящий к ионизации атома). В 1961 году Фано вернулся к общей проблеме формы линий, соответствующих возбуждению высокоэнергетических состояний, и ввёл параметр асимметрии линии. Эта идея была использована им два года спустя для объяснения странных спектральных линий гелия, наблюдавшихся при его облучении синхротронным излучением, за счёт возбуждения сразу двух электронов в квазидискретные состояния, лежащие в континууме. Идея асимметричного резонанса Фано, возникающего за счёт интерференции континуума и дискретного состояния, оказалась чрезвычайно плодотворной не только в атомной физике, но и в физике конденсированного состояния, физике квантовых точек, оптике; аналогичное явление «резонанса формы» (shape resonance) известно в ядерной физике[9][10][11].

Изучение дважды возбуждённых состояний привело Фано к идее коллективных квантовых чисел и координат (например, гиперсферических), которые оказываются более адекватными для описания систем скоррелированных частиц, чем координаты и квантовые числа отдельных электронов. Развитие этого подхода оказалось очень своевременным, поскольку именно в 1960-е годы стала активно исследоваться наименее изученная область между ближним ультрафиолетом и рентгеновскими частотами, куда попадают спектры многократно возбуждённых атомов и молекул, а процессы одновременного возбуждения нескольких электронов дают качественно иную картину, нежели возбуждение лишь одного электрона[12]. Позже эта методика применялась Фано и его сотрудниками к анализу воздействия электрического и магнитного полей на сильно возбуждённые ридберговские состояния атомов[13].

В 1947 году Фано ввёл показатель, известный как фактор Фано, определяющий отклонения от средней эффективности ионизации, которая вызывается в среде излучением, а в 1954 году совместно с Л. Спенсером (L. Spencer) проанализировал энергетический спектр при замедлении быстрых электронов в среде. Он также установил теорему Фано о том, что поток вторичных частиц не зависит от вариаций плотности в объёме, заполненном первичным излучением. Этот факт играет важную роль в дозиметрии и использовался в Национальном бюро стандартов для расчёта параметров торможения частиц в различных средах[14].

В 1957 году Фано внёс значительный вклад в популяризацию концепции матриц плотности и операторных представлений (уравнение Лиувилля) в атомной и молекулярной физике, продемонстрировав мощь этих подходов[15]. В 1965 году совместно с У. Лихтеном (W. Lichten) он дал объяснение процессам перехода кинетической энергии сталкивающихся атомов в энергию возбуждения электронов (механизм Фано — Лихтена). Этот механизм имеет большое значение для теории химических превращений[16]. В 1969 году Фано предсказал спиновую поляризацию электронов, испускаемых атомами под действием света с круговой поляризацией. Это явление, получившее название эффекта Фано, используется при исследовании структуры различных материалов с помощью поляризованных электронов[13]. Среди тех направлений, которыми Фано с учениками занимался во время работы в Чикаго, выделяются теория квантового дефекта, ставшая в результате их деятельности мощным подходом к анализу сложных спектров, и теория углового распределения электронов, рассеиваемых на различных объектах[17].

Работая в группе Демереца, Фано изучал воздействие рентгеновского излучения на яйца мух-дрозофил. Под влиянием работ Дельбрюка с бактериофагами, он также занялся этой темой, итогом чего стало открытие устойчивых к вирусам мутантов кишечной палочки. Опыт работы в области радиобиологии привёл Фано к осознанию недостаточности чисто статистической теории мишеней (target theory) для описания воздействия радиации на биологические объекты и необходимости заняться детальным изучением атомно-молекулярных процессов, происходящих при попадании энергичной заряженной частицы в среду. Среди результатов, полученных учёным в этом направлении, выяснение причин, по которым некоторые вещества способны увеличивать или уменьшать радиационные повреждения, и определение времени, необходимого клетке для восстановления после повреждения[18].

• Премия Рокфеллера за общественную деятельность (Rockefeller Public Service Award, 1956)[6]
• Золотая медаль Министерства торговли США (Gold Medal of the Department of Commerce for Exceptional Service, 1957)[6]
• Премия Стрэттона Национального бюро стандартов (Stratton Award, 1963)[6]
• Премия Дэвиссона и Джермера (Davisson-Germer Prize, 1976)[6]
• Премия Энрико Ферми (1995)[6]
• Почётный доктор наук Университета Квинс в Белфасте (1978) и Университета Пьера и Марии Кюри в Париже (1979)[6]
• Иностранный член Национальной академии деи Линчеи (1993) и Лондонского королевского общества (1995), член Американского физического общества (1940) и Американской академии искусств и наук (1976)[6]

• Храмов Ю. А. Фано Уго (Fano Ugo) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука, 1983. — С. 271. — 400 с. — 200 000 экз.
• Rau A.R.P. Ugo Fano's Scientific Life, Including a Curriculam Vitae and a List of His Publications // Physics Essays. — 2000. — Vol. 13. — P. 158—175.
• Fano U. The Memories of an Atomic Physicist for My Children and Grandchildren // Physics Essays. — 2000. — Vol. 13. — P. 176—197.
• Clark C.W. Obituary: Ugo Fano (1912–2001) // Nature. — 2001. — Vol. 410. — P. 164.
• Berry R.S., Inokuti M. Ugo Fano (Obituary) // Physics Today. — 2001. — Vol. 54 (9). — P. 73—74.
• Bianconi A. Ugo Fano and shape resonances // AIP Conference Proceedings. — 2003. — Vol. 652. — P. 13—18. — arXiv:cond-mat/0211452.
• Inokuti M., Rau A.R.P. Ugo Fano (1912–2001) // Physica Scripta. — 2003. — Vol. 68. — P. C96—103.
• Vittorini-Orgeas A., Bianconi A. From Majorana Theory of Atomic Autoionization to Feshbach Resonances in High Temperature Superconductors // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. — 2009. — Vol. 22. — P. 215—221. — arXiv:0812.1551.
• Berry R.S., Inokuti M., Rau A.R.P. Ugo Fano // Biographical Memoirs of the National Academy of Sciences. — 2009. — P. 1—22.
• Berry R.S., Inokuti M., Rau A.R.P. Ugo Fano. 28 July 1912 — 13 February 2001 // Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. — 2012. — Vol. 58. — P. 55—66.