Помоги проекту - поделись книгой:
По делу Ю. Роберта Оппенгеймера565
Хронология589
Об авторе
Джим Бэггот — писатель, рассказывающий о науке простым и доступным языком. Лауреат нескольких премий. В прошлом ученый, занимавшийся академическими исследованиями, в настоящем — независимый консультант по коммерческим вопросам. Основной круг его интересов — естественные науки, история и философия. Именно к этим отраслям знаний имеют непосредственное отношение его книги, написанием которых в свободное время он продолжает заниматься и по сей день. Все предыдущие работы Бэггота получили широкую известность. В их числе1: A Beginner's Guide to Reality, 2005 («Реальность. Пособие для начинающих»), Beyond Measure: Modem Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory, 2004 («За пределами: современные физика, философия и трактовка квантовой теории»), Perfect Symmetry: The Accidental Discovery of Buckminsterfullerene, 1994 («Идеальная симметрия: как был случайно открыт бак- минстерфуллерен»).
1 Книги не переведены на русский язык. — Примеч. пер.
10
Предисловие
Атомное оружие начало вызывать у людей страх уже с того самого момента, когда теоретически была доказана возможность его создания. Именно боязнь того, что гитлеровская Германия создаст атомную бомбу первой, подстегивала исследования англо-американских ученых в период Второй мировой. А затем, в эпоху холодной войны, Советский Союз был вынужден развивать собственную ядерную программу в страхе, что Америка вот-вот нанесет превентивный удар с использованием нового оружия массового поражения.
Я родился в 1957 году и рос, окруженный постоянной тревогой, которую усугубляли мрачная риторика холодной войны и постоянное упоминание «доктрины взаимного гарантированного уничтожения». Мне было всего 5 лет, когда в октябре 1962-го разразился Карибский кризис — Стратегическое командование ВВС США привело тогда в боевую готовность ракеты с термоядерными зарядами, мощности которых хватило бы на пятьсот тысяч Хиросим. Начальник штаба ВВС Кертис Лемэй настойчиво убеждал президента Кеннеди немедленно обрушить на Советский Союз весь ядерный арсенал США — и весь мир, затаив дыхание, ждал исхода этой драмы.
Но как вообще стала возможной подобная ситуация? Как в человеческий разум могла прийти сама идея создания такого жуткого оружия? Мы ведь знаем, что ядерная бомба фактически была создана руками величайших ученых-физиков тех времен, многие из них были на тот момент нобелевскими лауреатами или стали ими впоследствии. Всего несколькими годами ранее эти же ученые сделали революционные открытия в теории науки, которые основательно изменили наше восприятие физической картины мира. И как получилось, что эти люди стали стратегическими ресурсами в войне, добавившей новые грани понятию «жестокость» и заставившей нас не раз употребить по отношению к ней слово «бесчеловечная»?
Почему эти постоянно витающие в облаках «яйцеголовые» оказались в самом центре большой драмы, все перипетии которой непросто описать в серьезной книге: в списке ее событий героические поступки чередуются с заказными убийствами, диверсиями, шпионажем и контршпионажем? Как они вообще, говоря словами Роберта Оппенгеймера, «познали грех»?
«Эти люди» — это Нильс Бор, Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми, Ричард Фейнман, Отто Фриш, Клаус Фукс, Вернер Гейзенберг, Юлий Харитон, Игорь Курчатов, Роберт Оппенгеймер, Эдвард Теллер и многие-многие другие. Оторванные от привычной жизни величайшим военным конфликтом в истории, они были брошены в пучину громаднейшей драмы — подобной трагедии человечество еще не знало. Не терпящим возражений тоном перед учеными была поставлена четкая задача, и они приступили к проекту по созданию самого жуткого в мире оружия, которое в те времена, когда над миром нависла зловещая тень, называли «оружием победителей».
Знакомство с историческими фактами рождает только новые вопросы. Если разрушительная сила ядерного оружия была известна физикам с самого начала, то почему они тогда продолжали, не раздумывая, работать над ним? Почему немецкие ученые, к началу Второй мировой войны значительно обогнавшие другие страны в области ядерной физики, так и не смогли создать атомную бомбу? Неужели участники антигитлеровской коалиции действительно планировали похищение или убийство Гейзенберга? Почему Запад решил без предупреждения использовать ядерное оружие против Японии, если к тому моменту уже стало ясно, что нацисты ничем подобным не располагают? В какой степени успех ядерной программы СССР зависел от сведений, предоставленных агентами советской разведки: Клаусом Фуксом, Теодором Холлом, Дэвидом Гринглассом и супругами Розенберг? Мог ли Советский Союз без этих сведений создать атомную бомбу? И какая часть информации по Манхэттенскому проекту успела просочиться за железный занавес?
Какова роль ученых-физиков во всех этих событиях? Кем они были — простыми пешками в игре политиков, ставка в которой — господство в послевоенном мире, или же полноправными участниками всех событий, сознательно ускорявшими гонку вооружений? Можем ли мы извлечь какие-нибудь уроки из этого страшного прошлого для того, чтобы в будущем крайне осторожно обращаться с атомной энергией, а в настоящем — воспрепятствовать распространению оружия массового поражения?
В этой книге я попытался дать понятный и доступный ответ на эти и многие другие вопросы, рассказав о гонке за обладание ядерным оружием. Главное внимание при этом я старался уделить судьбам отдельных ученых-физиков, непосредственно причастных к рассматриваемым событиям. Хронологически книга охватывает 10 лет, имевших огромное историческое значение, — начиная с открытия явления ядер- ного распада в начале 1939 года и заканчивая событиями, последовавшими за испытаниями «Джо-1»[1] — первой советской атомной бомбы, — проведенными в августе 1949 года.
Сегодня практически все события тех времен уже достаточно хорошо известны. Однако некоторые детали стали достоянием общественности всего лишь лет десять назад или около того. Это главным образом подробности германской и советской ядерных программ, а также получение Советским Союзом доступа к Манхэттенскому проекту через своих агентов. Новые факты позволяют изложить в одной книге полную историю англо-американской, германской и советской работы над созданием атомной бомбы в доступном для читателя виде.
Всего в данном издании четыре части.
В части I рассказывается о мобилизации специалистов- ядерщиков во всех странах после начала войны в сентябре 1939 года, а также о ранних исследованиях процессов, происходящих в ядерном реакторе и шагах к созданию атомной бомбы.
Часть II повествует о первых успехах и первых разочарованиях при проектировании и разработке нового оружия, а также при работе непосредственно с ядерными реакторами в Германии, Великобритании и США. В этой же части книги рассказывается про блестящую диверсионную операцию спецподразделения норвежских вооруженных сил на заводе по производству тяжелой воды в Веморке, а также про планирование советской разведывательной операции с кодовым названием «Энормоз».
В части III рассказывается о прямом участии специалистов из стран антигитлеровской коалиции в розыске своих немецких коллег, начавшемся в раздираемой войной Европе сразу после высадки союзных войск в Нормандии; об успешных испытаниях бомбы «Тринити» в Аламогордо, штат Нью- Мексико; о бомбардировке Хиросимы и Нагасаки; о реакции захваченных немецких ученых на достижения физиков вражеского лагеря в разработке атомного оружия.
И, наконец, часть IV рассказывает, как началась холодная война, как форсировалась советская ядерная программа, совершенствовались технологии атомного оружия; повествуется также о проекте «Венона», разоблачении агентов советской разведки и о первом успешном испытании атомной бомбы в Советском Союзе в августе 1949 года.
Заканчивается книга большим послесловием, в котором сделана попытка связать воедино многие неясные моменты, относящиеся к созданию водородных бомб на территории США и СССР, а также к Карибскому кризису, поставившему мир на грань катастрофы.
Для меня эта книга стала завершающим этапом большого путешествия. Я прекрасно помню весь проделанный мной путь — он начался с изучения квантовой механики в английском Манчестере мокрой и холодной зимой 1975–1976 годов. Я был тогда еще старшекурсником и не все еще понимал, но мне было ужасно интересно. Квантовая механика бросает вызов математическим способностям, она раздражающе нелогична и в то же время прекрасна до умопомрачения. Все, кто хорошо знаком с терминологией и методологией классической физики, конечно, согласятся со мной. Лично я всю жизнь пытаюсь разобраться в этой теории.
Изучая квантовую механику, то и дело сталкиваешься с ее авторами — ведь они сформулировали новые законы, открыли физические постоянные и физические модели, оставили после себя множество новых методов. Неизбежно тут и там спотыкаешься об их имена. Поэтому, взявшись за квантовую механику, начинаешь узнавать многое и про ученых, ставших ее авторами. Многие из них сыграли и важнейшие роли в создании первых атомных бомб. Такое странное соседство никогда не давало мне покоя. Чтобы лучше понять этих людей, совершенно необходимо изучить их участие в разработке атомного оружия, выяснить, что же ими двигало, узнать, чего же они боялись.
Значительную часть информации, вошедшую в эту книгу, я почерпнул из опубликованных работ известных ученых; источниками служили также документы тех времен, которые легко найти в Интернете. Особую благодарность я хочу выразить Каю Берду и Мартину Шервину, написавшим книгу American Prometheus: the Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer («Американский Прометей: триумф и трагедия Роберта Оп- пенгеймера»), Маргарет Гоуинг, автору работ Britain and Atomic Energy («Британия и атомная энергия») и Independence and Deterrence: Britain and Atomic Energy, 1945–1952 («Для независимости, для устрашения: Британия и атомная энергия. 1945–1952»), Дэвиду Холлоуэю, автору книги «Сталин и бомба» (Stalin and the Bomb)[2], Ричарду Родесу, написавшему Dark Sun («Черное солнце») и (The Making of the Atomic Bomb («Как создавалась атомная бомба»), а также Марку Уолкеру за его работы German National Socialism and the Quest for Nuclear Power, 1939–1949 («Германский национал-социализм и гонка за ядерным оружием, 1939–1949») и Nazi Science: Myth, Truth and the German Atomic Bomb («Нацистская наука: миф, правда и германская атомная бомба»). Я рад, что могу опереться на их глубокие знания в данном вопросе.
Мне также хочется сказать отдельное спасибо Джереми Бернштайну, Джону Фрикеру, Мартину Шервину, Питеру Толлаку, Джону Терни и Марку Уолкеру, которые изучили мою первую черновую рукопись и снабдили ее множеством ценных комментариев. Так что я с радостью беру на себя ответственность за любые ошибки, которые могли остаться в тексте книги. Поблагодарить я обязан и Саймона Флинна, моего редактора из издательства Icon, который проявил ангельское терпение ко всем задержкам и все-таки согласился назвать последний раздел «Эпилог», хотя в сущности он едва ли является таковым.
Пролог Послание из Берлина
Это было что-то вроде семейной традиции: каждый год Отто Фриш отмечал Рождество в Берлине со своей тетей, Лизой Мейтнер. Но не в этом году, не в это Рождество.
Фриш уехал из Германии еще 5 лет назад, в октябре 1933 года. На тот момент молодой привлекательный физик, обладавший к тому же явным талантом, был сотрудником Гамбургского университета. Но он был еще и австрийским евреем и в силу происхождения стал одной из жертв закона «Об упорядочении национального состава управленческого аппарата», принятого правительством национал-социалистов в апреле 1933 года и ставшего первым из 400 подобных распоряжений. Опираясь на упомянутый закон, нацисты могли теперь абсолютно легально отстранить евреев от гражданской службы, включая университетские должности.
Подобно большинству ученых-теоретиков, до этого момента Фриш мало интересовался политикой. Его незначительный опыт в этой области ограничивался принадлежностью к студенческой организации в Вене, при том что даже там Отто был всего лишь членом комитета культуры и отдыха и занимался организацией танцевальных вечеров. В те времена ему порой приходилось принимать участие в обсуждении политических вопросов, но дискуссии подобного толка всегда казались Фришу нелепыми и жутко формализованными. Узнав в начале 1933 года о том, что новым рейхсканцлером назначен Гитлер, он лишь пожал плечами, считая, что тот вряд ли будет хуже своих предшественников.
Очень скоро он понял, что ошибся в оценке нового политика. Уже через несколько месяцев Фриш четко знал, что вот-вот лишится работы. Перед ним была незавидная судьба — пополнить быстро растущие ряды безработных физиков еврейского происхождения, число которых составило тогда примерно четверть от общего числа немецких физиков и среди которых были нобелевские лауреаты. Молодому специалисту оставалось только уповать на маленькое, но очень сплоченное сообщество людей из разных стран, членом которого он был и которое теперь прикладывало неимоверные усилия, чтобы раздобыть хоть какие-нибудь гранты или должности для жертв гитлеровского антисемитизма. Сначала Фриш перебрался из Гамбурга в Лондон, в колледж Беркбек, а затем, год спустя, в Копенгаген, куда его пригласил знаменитый датчанин, лауреат Нобелевской премии Нильс Бор.
Лиза Мейтнер в то время пользовалась покровительством Карла Боша, занимавшего пост директора гигантского химического синдиката IG Farben и являвшегося ведущим спонсором прославленного Института химии Общества кайзера Вильгельма, в котором она работала. Лиза смотрела на будущее с упрямым оптимизмом и продолжала работать в Берлине на протяжении еще пяти лет, прежде чем покорилась неизбежному. Тетя Фриша, этот «мрачный маленький властелин», была одним из первопроходцев в области изучения радиоактивных веществ и на протяжении почти всей своей научной деятельности неустанно боролась против предвзятого отношения к женщинам-ученым.
Будучи довольно замкнутой и застенчивой, она тем не менее смогла добиться широкого признания. В 1919 году Лиза Мейтнер возглавила отдел физических исследований в Институте химии Общества кайзера Вильгельма, где работала бок о бок с прославленным немецким химиком Отто Ганом на протяжении 30 лет. В 1926 году, в возрасте 48 лет, она получила звание профессора (приват-доцента) Берлинского университета, став в Германии первой женщиной-физиком, удостоенной этого звания. Альберт Эйнштейн как-то назвал ее «немецкой мадам Кюри».
Однако Мейтнер все же была не немкой, а австрийкой, как и ее племянник. Она родилась в Вене и была третьим ребенком в большой еврейской семье из восьмерых детей. Статус австрийского подданного на протяжении пяти лет оберегал Лизу Мейтнер от жестокостей нацистского режима, хотя ее общественное и служебное положение со временем становилось все более шатким.
Когда 12 марта 1938 года германские войска, реализуя план аншлюса, торжественно вступили на территорию Австрии, получив там радушный прием, Мейтнер стала простой немецкой еврейкой. Тот факт, что она еще в тридцать лет вышла из иудейской веры и приняла протестантство, никак не мог защитить ее от действия нацистских законов, основанных на понятии расовой чистоты. Борьба с очередным ущемлением прав, которому она снова подверглась, не имела ни малейшего шанса на успех. Уже на следующий день все ее коллеги-«арийцы» демонстративно отвернулись от Мейтнер, заявив о ее враждебных намерениях по отношению к деятельности Института.
Защищать бывшую коллегу поначалу пытался Отто Ган, но в конце концов и он сдался, чтобы не усугублять собственное положение. К тому же он никогда особо не сомневался в законности нового режима, пускай, по мнению коллег, он и не принадлежал к числу воинствующих нацистов или ярых сторонников партии национал- социалистов. В 1933 году, находясь в Торонто, он заявил журналисту одной из газет, что считает тех, кого нацисты посадили за решетку в первые же месяцы своего пребывания у власти, идейными коммунистами, к тому же еврейского происхождения. Как и многие другие представители немецкого среднего класса, Ган постепенно осознал, что даже пассивное одобрение может обойтись ему весьма дорого. 20 марта он заявил Мейтнер, что в Институте ей больше не место. Она была потрясена: Ган собственноручно вышвырнул ее с работы.
Положение Мейтнер ухудшалось с каждым днем. Поначалу профессорам еврейского происхождения еще разрешалось уезжать из Германии вместе с семьями и имуществом. Однако правительство принимало все новые и новые законы, так что число способов покинуть страну уменьшалось с каждым днем. В мае 1938 года Лиза попыталась выехать в Копенгаген, чтобы присоединиться к команде Бора, в которой трудился и ее племянник, однако посольство Дании объявило ее австрийский паспорт недействительным и отказало в выдаче визы. В июне недействительным признали и немецкий паспорт. Рейхсфюрер СС Генрих Гиммлер заявил, что выезд известных ученых еврейского происхождения за рубеж крайне нежелателен. Мейтнер оказалась перед опасностью навсегда остаться на территории гитлеровской Германии.
Чтобы помочь ей, Бор использовал все свои связи в научных кругах. Лиза провела не одну неделю в томительном ожидании, пока 13 июля 1938 года ей не представилась возможность выехать в соседнюю Голландию. На вокзал ее доставил отнюдь не одобрявший нацистский режим земляк — австриец Пауль Розбауд, редактор научного журнала Die Naturwissenschaften, выходившего в Германии. Ган помог своей бывшей коллеге собрать вещи и подарил дорогое кольцо с бриллиантом, которое она легко могла продать в случае финансовых затруднений.
Мейтнер удалось успешно пересечь голландскую границу. Из Гронингена она отправилась сначала в Копенгаген, а затем в Стокгольм, где ее ожидало место приглашенного научного сотрудника в группе шведского физика Манне Сигбана. Лиза Мейтнер, профессор престижных Института химии Общества кайзера Вильгельма и Берлинского университета стала рядовым научным сотрудником, зарплаты которого едва хватало на жизнь. Незначительным утешением был для нее лишь тот факт, что она могла продолжать работать с Ганом, общаясь по переписке.
В ноябре 1938 года они ненадолго встретились у Бора в копенгагенском Институте теоретической физики, однако ничего радостного эта встреча не принесла. Ган привез тревожные новости: в Вене арестовали отца Фриша, зятя Лизы. Впоследствии ей удалось выяснить, что его перевели в концлагерь Дахау, расположенный в Баварии.
Приближалось Рождество 1938 года. Фриш твердо решил доказать, что семейным традициям есть место всегда и везде. Тетя была одинока и постоянно находилась в подавленном настроении. Она никак не могла достигнуть взаимопонимания с Сигбаном, поэтому работа в Стокгольме особого удовольствия ей не приносила. Внимание любящего племянника было ей просто необходимо. Фриш отложил на время всю работу, которую выполнял под руководством Бора, и приехал в крошечный поселок под названием Кунгэльв, что в переводе означает «королевская река», расположенный на берегу моря неподалеку от Гетеборга. Там его уже ждала Лиза: ее пригласили сюда немногочисленные шведские друзья, чтобы отпраздновать Рождество всем вместе.
Фриш впоследствии скажет: «Эта поездка стала самым важным событием в моей жизни».
Тайны атома
Первые десятилетия двадцатого века ознаменовались значительными изменениями в восприятии физического строения вещества. Теория неделимости и неразрушимости атома, пришедшая из древнегреческой философии, уступила место новой модели этой частицы, показавшей, что атом имеет дискретную внутреннюю структуру. Теперь его рассматривали в качестве положительно заряженного ядра, окруженного загадочными «корпускулярно-волновыми частицами» — электронами, имеющими отрицательный заряд.
Основное внимание, естественно, привлекло к себе именно атомное ядро. После открытия нейтронов в 1932 году перед учеными возникла четкая картина ядра, образованного положительно заряженными протонами и нейтрально заряженными нейтронами. Согласно данной модели, число образующих ядро протонов определяет природу данного химического элемента. Разные элементы — водород, кислород, сера, железо, уран и так далее — имеют разное число протонов в атомном ядре. Атомы, ядро которых имеет одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами. По химическим свойствам они идентичны и различаются только своим относительным атомным весом и стабильностью.
Новые открытия следовали одно за другим. Ученые выяснили, что, используя мощные магниты и электростатическое поле, можно ускорить заряженные частицы, например протоны, придав им скорость, а значит, и энергию, достаточную для разрушения ядра. Эрнест Лоуренс, работавший в Калифорнийском университете в Беркли (географически Беркли находится в области залива Сан-Франциско), изобрел циклотрон — новый вид ускорителя частиц[3]. С помощью этого устройства впоследствии была доказана возможность искусственной ядерной реакции.
Открытие нейтронов не только помогло физикам подробно изучить структуру ядра, но и дало им новый инструмент, позволивший раскрыть другие секреты атома. Дело в том, что, поскольку нейтроны — нейтрально заряженные субатомные частицы, с их помощью можно обстреливать ядро, имеющее положительный заряд, без угрозы искажения их траектории силой электростатического отталкивания.
Итальянский физик Энрико Ферми вместе со своей исследовательской группой занялся в Риме систематическим изучением, как влияет на ядро бомбардировка нейтронами. Начав с самых легких элементов, ученые поднимались все выше по периодической таблице. Приступив в 1934 году к бомбардировке нейтронами ядра наиболее тяжелого элемента — урана, физики обнаружили, что им удалось создать элементы с большей атомной массой, чем у него. Подобные элементы, отсутствующие в природе, получили название трансурановых. Новость об открытии, названном триумфом итальянской науки, обошла первые полосы многих газет и журналов.
Ган, находившийся тогда в Берлине, обратил на это открытие пристальное внимание и в тесном сотрудничестве с Мейтнер провел химические исследования, повторив опыты Ферми и поставив другие, более детальные, эксперименты.
Все ученые, причастные к данным исследованиям, в равной степени обратили внимание на то, что хотя бомбардировка нейтронами и изменяла химические элементы, но изменения эти были не очень значительны и носили поэтапный характер. Поглощение нейтронов, по расчетам исследователей, изменяло состав ядра-мишени лишь на один-два протона или нейтрона. Другими словами, все элементы, которые могли быть получены экспериментальным путем, в периодической таблице должны были располагаться лишь на одну-две позиции выше или ниже исходного.
Ган и его ассистент Фриц Штрассман раз за разом аккуратно повторяли эксперимент по бомбардировке нейтронами ядра урана. Немецкие физики с самого начала были твердо уверены, что работают над получением высокорадиоактивного элемента радия, атомная масса которого немного ниже массы урана. Получить трансурановые элементы им никак не удавалось.
Обычный изотоп урана, наиболее устойчивый, содержит 92 протона и 146 нейтронов, таким образом, его атомная масса составляет 238 (изотоп обозначается как 238U). В ядре радия 88 протонов; этот элемент имеет большое количество радиоактивных изотопов, различающихся числом нейтронов. Так, наиболее распространенный изотоп радия имеет 138 нейтронов, то есть всего в его ядре 226 «нуклонов». Превращение урана в радий — а именно этим, по мнению Гана и Штрассма- на, они и занимались — представляет собой очень значительный скачок в изменении массы элемента, поскольку разница в положении исходного и конечного продуктов эксперимента в периодической таблице составляет четыре позиции. Столь значительная трансформация намного превосходила результаты, полученные при бомбардировке нейтронами, при которой были зафиксированы лишь небольшие и носившие поэтапный характер изменения.
В конце 1938 года Ган отправил своей коллеге, которая к тому моменту совершенно пала духом, письмо с сообщением об итогах экспериментов, и Мейтнер призвала его быть крайне острожным. Беспрецедентные результаты, полученные в ходе опытов Гана и Штрассмана, попросту не находили объяснения в рамках тогдашней теории атомного ядра.
Переход массы в энергию
Выйдя утром из номера, Фриш застал тетю уже за завтраком. В Кунгэльве он провел пока только одну ночь. Тем временем наступил канун Рождества 1938 года. Наконец представился подходящий случай приглушить мрачные мысли о событиях в Германии и переживания за судьбу отца. Ему хотелось хоть немного поговорить о физике, рассказать тете о новом эксперименте, над которым он работал. Но, как оказалось, ей было совсем не до племянника. Она жадно вчитывалась в новое письмо от Гана, датированное 19 сентября. В письме были последние новости о результатах его работы, и иначе, чем ошеломляющими, назвать их было нельзя.
Ган и Штрассман провели повторные эксперименты и пришли к выводу, что полученный ими элемент был вовсе не радием. На самом деле им удалось создать атомы бария! Самый распространенный изотоп бария имеет всего 56 протонов и 82 нейтрона, что в сумме дает 138. Эти цифры как раз и являли собой самый удивительный факт. Использован был, как обычно, тот же самый уран, но полученный элемент стоял ни на одну-две или даже четыре позиции ниже в периодической таблице, как было после первых экспериментов, а на целых 36! В результате бомбардировки нейтронами ядро урана разделилось практически надвое.
«Это абсолютно невозможно, — авторитетно заявил Фриш. — Они наверняка допустили ошибку в расчетах». Но Мейтнер была непоколебима. Она утверждала, что Ган не может допустить столь фундаментальной ошибки. У него достаточно опыта, чтобы исключить из работы подобные оплошности.
За несколько дней до этого Лиза оправила Гану ответ на его первое письмо, в котором назвала полученные им результаты «просто потрясающими», но дальше написала: «Однако в ядерной физике мы уже не раз получали разного характера сюрпризы, поэтому ни о чем нельзя говорить с уверенностью, будто бы это невозможно».
Оживленный спор, вспыхнувший между Фришем и Мейтнер, продолжился и после завтрака. Они вышли из гостиницы и направились через пойму реки в сторону редкого леса. Фриш шел по льду на лыжах, тетя семенила рядом. Спор не утихал ни на секунду. Как мог какой-то нейтрон вызвать в ядре урана столь значительные изменения? Но ведь в сущности никто и не знал, как должно это ядро реагировать на подобное воздействие. В такой ситуации оставалось только строить предположения-аналогии с более известными физическими явлениями и надеяться хоть в чем-то оказаться правым.
Одно из подобных предположений по аналогии было сделано десять лет назад физиком украинского происхождения Георгием Гамовым и впоследствии использовано Бором при описании ядерных реакций. Мейтнер вспомнила эту теорию. В ней говорилось, что силы, удерживающие вместе составные части ядра атома, по своей сути схожи с силой поверхностного натяжения, удерживающей каплю жидкости от разделения на отдельные молекулы. Модель ядра строилась на подобной аналогии, при этом говорилось, что своей устойчивостью оно, с одной стороны, обязано силе поверхностного натяжения, удерживающей элементы ядра вместе, а с другой — отталкивающей силе, с которой положительно заряженные протоны действуют друг на друга, оказывая давление на ядро изнутри.
Величина каждой из этих сил возрастает вместе с увеличением ядра, однако отталкивающая сила растет быстрее и в итоге, когда число протонов достигает примерно ста, преодолевает силу поверхностного натяжения[4]. Возможно, как раз в ядре урана, насчитывающем 92 протона, баланс двух сил очень хрупок. Не исключено, что для распада ядра достаточно добавить в него всего один нейтрон и тогда ядро вытянется и разделится где-то посередине, образовав две маленькие «капли».
Тетя с племянником присели на бревно, судорожно обыскивая карманы в поисках любых клочков бумаги, на которых можно было бы нарисовать примерную схему и набросать приблизительные вычисления. Достаточно быстро они пришли к выводу о том, что суммарный положительный заряд ядра урана вполне достаточен для того, чтобы нейтрализовать силу поверхностного натяжения. В уме сама собой нарисовалась картина «нестабильной капли, вся поверхность которой находится в постоянном движении. Самое незначительное вмешательство, как, например, удар одного- единственного нейтрона, может привести к ее разделению на несколько более мелких капель».
Но при распаде ядра каждая из его составных частей должна нести в себе значительный запас энергии. По подсчетам Мейтнер, ее объем в каждой из частиц мог доходить до 200 миллионов электрон-вольт[5]. Фрагменты ядра должны разлететься под действием отталкивающей силы своих положительных зарядов. Энергия при этом сохраняется, что подтверждает неоспоримый закон, один из фундаментальных в физике, и он не может быть нарушен. Все логические построения не имели бы смысла, не будь непоколебимой уверенности в сохранении заряженными частицами этой энергии.
Но откуда могла взяться энергия? Мейтнер вспомнила свою первую встречу с Альбертом Эйнштейном в 1909 году. Она была на его лекции по теории вероятности и внимательно следила за тем, как он выводит свою знаменитую формулу Е = тс2. Глубочайшее впечатление на нее произвела сама идея того, что масса может превращаться в энергию. Лиза помнила также и о том, что общая масса фрагментов, полученных при расщеплении ядра урана, не должна равняться массе неразделенного ядра. Разница должна составлять около одной пятой массы протона, то есть массы, теряемой при ядерной реакции.
Все цифры совпали. Расчеты оказались верны. Под воздействием нейтрона ядро урана делится пополам, превращая при этом крайне незначительную массу в энергию[6].
Деление ядра
Фриш вернулся в Копенгаген 3 января 1939 года. Прибыв в институт, он сразу помчался докладывать Бору об открытии, сделанном им вместе с Мейтнер. Услышав их теорию, Бор мгновенно понял, что в сущности она абсолютно верна. Он воскликнул: «Ну какие же мы все идиоты! Идея ведь просто поразительная! Именно так ведь все в сущности и есть». Бор потребовал, чтобы Фриш немедленно опубликовал свое с тетей открытие. И обещал держать все в секрете до тех пор, пока за ними не будет установлено право первооткрывателей.
Новый для физики процесс необходимо было назвать. Фриш узрел параллели между изменением формы ядра урана, «нестабильной капли, вся поверхность которой находится в постоянном движении», и делением живой клетки. По совету биолога Фриш позаимствовал биологический термин деление, и в статье, которую они с Мейтнер составляли в спешном порядке, данным термином он и описал деление ядра урана. Бор высказывал серьезные сомнения относительно целесообразности использования этого слова, однако его опасения оказались напрасны и оно прижилось.
В тот момент Бора главным образом занимала подготовка к поездке в США. Там, в Принстонском университете он намеревался продолжить с Эйнштейном спор по поводу интерпретации квантовой теории, начавшийся еще в 1927 году. Это были одни из самых серьезных дебатов в двадцатом веке, а возможно, и за все время существования науки как таковой. Спор шел вокруг роли изменчивости и относительности в поведении элементарных субатомных частиц, по отношению к которым Эйнштейн упрямо отказывался применять свое утверждение: «Бог не играет в кости». На кон была поставлена способность человеческого разума постичь саму природу физической реальности.
В поездке Бора сопровождали его сын Эрик и молодой протеже Леон Розенфельд, которого Бор нередко использовал в качестве «живого звукоотражателя», наблюдая за тем, как Розенфельд реагирует на его идеи, — так Бору было проще понять, что же в них не так. 7 января они отплыли в Гетеборг, где пересели на теплоход «Дроттнингхольм», направлявшийся в Нью-Йорк. Темой для обсуждения в каюте Бора, в которой для него была приготовлена даже доска, неожиданно стала не квантовая теория, как изначально планировалось, а деление ядра.
В то время как Бор пересекал Атлантику, Фриш неустанно трудился в Копенгагене. Деление ядра урана было открыто благодаря кропотливой работе по установлению природы образовавшихся после него химических веществ. Ученые прекрасно знали, какие вещества были в их распоряжении изначально и какие вещества были получены в конечном итоге. Причиной всех трансформаций становился исключительно процесс деления. Эмоции ученых были примерно такими же, какие испытывает читатель, внимательно изучивший первые страницы шекспировского «Гамлета» и потом перепрыгнувший в самый конец, когда сцена уже завалена трупами. И что за действия происходили между известными началом и развязкой, остается только догадываться.
Чешский коллега Фриша Георг Плачек был настроен весьма скептически. Если следовать теории Фриша и Мейтнер, то, получается, реакция деления ядра должна сопровождаться выбросом энергии, и этот выброс, конечно, поддается физическому обнаружению. Фриш об этом раньше даже и не думал. Несколько дней он не выходил из лаборатории, пока не разработал и не провел довольно простой эксперимент, подтвердивший наличие того, что он искал. Выделение энергии при реакции действительно происходило, и его можно было обнаружить.
Однако своего часа ожидало еще множество неотвеченных вопросов. Ядра наиболее легких элементов периодической таблицы состояли примерно из одинакового количества протонов и нейтронов. Но ведь чем выше в ядре число протонов, тем мощнее их взаимная отталкивающая сила. Таким образом, для более тяжелого ядра необходимо, чтобы число нейтронов превышало число протонов для создания достаточного поверхностного натяжения и, следовательно, для сохранения устойчивости. И если уран расщепляется, образуя более легкие элементы, то, возможно, в ядре этих элементов число нейтронов выше, чем должно быть в обычных условиях.
Датский коллега Фриша Кристиан Меллер первым выдвинул предположение о том, что если новообразованные фрагменты делящегося ядра в свою очередь высвободят один или два лишних нейтрона (впоследствии названных свободными нейтронами), то эти нейтроны могут вызвать дальнейшее разделение ядра, при котором выделится большее количество энергии, а также появятся новые нейтроны — и реакция будет продолжаться и продолжаться. Итогом станет каскадная, или цепная, реакция, при которой ядерная энергия будет выделяться в больших объемах. Если поставить эту реакция под контроль, то можно получить ядерный «реактор».
Однако неконтролируемая цепная реакция будет подобна взрыву бомбы чудовищной разрушительной силы.
Подтверждение
Бор и два его спутника сошли на берег в гудзонском порту 16 января 1939 года. Их встретил молодой физик из Принстонского университета Джон Уилер, работавший вместе с Бором в Копенгагене в 1934 и 1935 годах и теперь с удовольствием ухватившийся за возможность провести несколько месяцев с бывшим коллегой.
В порту к Уилеру также присоединился Энрико Ферми со своей женой Лаурой. 10 декабря 1938 года Ферми вручили Нобелевскую премию за работы, связанные с бомбардировкой нейтронами атомных ядер, а потом, на обратном пути из Стокгольма, супруги Ферми вдруг «потерялись». На самом деле Энрико в то время искал способ спасти жену от фашистского режима Муссолини, принявшего собственные антисемитские законы за несколько месяцев до описываемых событий[7]. Поэтому он с радостью принял предложение занять пост профессора в Колумбийском университете и был в Нью-Йорке уже 2 января.
Бор, всегда свято чтивший необходимость сохранения за своими коллегами всех должных прав при любом важном открытии, ни словом не обмолвился Ферми и Уилеру о делении ядра. Но в первый же день его отсутствия — Бор с Ферми обсуждали ряд вопросов с глазу на глаз — Розенфельд, не знавший о причинах молчания своего старшего товарища, охотно поведал Уилеру обо всех последних событиях. Новость об открытии Фриша и Мейтнер мгновенно распространилась среди американских физиков, в числе которых к этому времени было немало эмигрантов из Европы.
Ган сообщил Паулю Розбауду о результатах самых последних экспериментов 22 декабря 1938 года, и тот поспешил опубликовать их. 6 января 1939 года в новом выпуске Die Naturwissenschaften вышла статья Отто Гана и Фрица Штрассмана об экспериментах по бомбардировке нейтронами ядра атома урана. Фактически в состав группы, работавшей над данными исследованиями, входила еще и Мейтнер: она продолжала сотрудничать с немецкими коллегами и после вынужденного переезда в Швецию. Но назвать ее имя в числе участников успешного проекта было бы для Гана крайне необдуманным шагом, принимая во внимание ситуацию в стране. В свою очередь, Лиза умалчивала о своей с племянником интерпретации результатов, полученных Ганом и Штрассманом.
Статья Фриша и Мейтнер о делении ядра урана появилась 11 февраля в британском научном журнале Nature. Неделю спустя, 18 февраля, там же была опубликована новая статья Фриша, в которой он сообщил о результатах простого эксперимента, проведенного им для подтверждения деления ядра. Бор также написал краткую статью об этом открытии, подтвердив авторство Лизы Мейтнер и ее племенника. Его публикация вышла в Nature 25 февраля.
К этому времени за океаном уже полным ходом проводились эксперименты, повторявшие эксперименты европейских ученых и подтверждавшие их. Американцы уже давно обо всем знали: сначала секрет выдал несдержанный Розенфельд, а затем на конференции в университете Джорджа Вашингтона Бор был вынужден официально подтвердить эту информацию.
Двадцатисемилетний физик Луис Альварес, житель Западного побережья Соединенных Штатов, узнал об экспериментах по расщеплению ядра из незаметной статейки в San Francisco Chronicle. Он мгновенно вскочил из парикмахерского кресла, в котором сидел, читая газету, и, недостриженный, сломя голову бросился в Беркли. Там, в радиационной лаборатории[8], должны узнать обо всем как можно скорее! Первым Луис встретил своего аспиранта Филиппа Абельсона, которому до самостоятельного открытия деления ядра оставалась всего неделя. Тот поспешно подтвердил все результаты.
Альварес сообщил новость еще одному молодому преподавателю Беркли, которого многие считали вундеркиндом Западного побережья в теоретической физике. Этот молодой профессор «тут же заявил, что подобная реакция невозможна, и представил всем, находящимся в комнате, математическое обоснование того, что кто-то, по всей видимости, сделал ошибку». Однако в считанные минуты его удалось переубедить с помощью экспериментального доказательства. И уже всего через несколько дней на доске в его кабинете появились первые наброски атомной бомбы. Звали этого молодого человека Роберт Оппенгеймер.
Деление ядра атома было теперь уже не просто признанным научным фактом. Оно уже практически получило статус новой научной дисциплины.
Уран-235
К марту 1939 года группы ученых, работавших во Франции и в Америке, доказали, что для самоподдерживающей- ся цепной реакции достаточно выделения в среднем двухчетырех свободных нейтронов при каждом делении уранового ядра. Растущие было опасения о возможности создания атомной[9] бомбы, однако, быстро развеялись.
Бор решил не терять времени. Физика деления, как и любое другое новое направление в науке, несомненно, предоставляла неохватное поле для деятельности. И, поскольку в Принстоне работать можно было с не меньшим успехом, чем в Копенгагене, Бор обратился к Уилеру с предложением сотрудничества. Они занялись дальнейшей разработкой теории деления ядер, опираясь на новые экспериментальные данные. Эксперименты они проводили с аппаратом, собранным на скорую руку тут же, в Принстоне, на чердаке Палме- ровской лаборатории. Полученные результаты были поначалу весьма озадачивающими.
Упомянутый выше аппарат нужен был, чтобы изучить изменения в интенсивности деления ядра урана под воздействием нейтронов, несущих каждый раз различные объемы энергии[10]. Было установлено, что чем больше эта энергия, тем интенсивнее происходит деление, а с ее уменьшением интенсивность деления, соответственно, также снижается. Такие данные были вполне ожидаемы. Однако вскоре выяснилось, что при достаточном уменьшении энергии нейтронов интенсивность деления ядра снова возрастает.
Плачек, который ранее заставил работавшего в Копенгагене Фриша искать достоверное подтверждение ядерно- го расщепления, весьма неожиданно оказался в Принстоне. «Что это еще за чертовщина: почему отклик одинаковый и на быстрое и на медленное воздействие?!» — возмущался он, сидя за завтраком вместе с Розенфельдом и Бором.
Возвращаясь вскоре в свой кабинет, Нильс Бор уже знал ответ на этот вопрос. Судя по всему, причина высокой интенсивности деления ядра при малой энергии воздействующих нейтронов — редкий изотоп уран-235 (235U), который составляет ничтожно малый процент от общего количества этого элемента, встречающегося в природе. Бор и Уилер приступили теперь к детальной разработке данной гипотезы. И в новой теории были установлены два основополагающих фактора.
Поделиться книгой: