О героях и антигероях ядерной физики. Часть 2. Рождение ядерной физики и первая атомная бомба

Опубликовано: 21 апреля 2017 г.
Рубрики:

Энрико Ферми, Лиза Мейтнер, Нильс Бор, Роберт Оппенгеймер

 

Мы продолжим наши рассуждения о прогрессе и судьбе человечества чуть позже, а нам надо двигаться вперёд, дорогой читатель, если мы хотим вспомнить,что было потом в истории покорения, а лучше сказать, использования ядра. Эстафета любознательности, начатая в Сорбонне и перешедшая в Кембридж не остановилась, её подхватили снова французы и итальянцы. Сперва супружеская пара из династии Кюри Ирэн (дочь Марии Кюри) и Фредерик Жолио-Кюри открывают зимой 1934 года так называемую искусственную радиоактивность, бомбардируя альфа-частицами (ядрами гелия) некоторые элементы таблицы Менделеева.

Как только весть об этом открытии достигла Рима, молодой и энергичный профессор физики Энрико Ферми со своей группой таких же молодых сотрудников решили проверить результаты французских учёных, но уже бомбардируя ядра различных элементов не альфа-частицами, а нейтронами. В то время эти частицы экспериментаторы считали совершенно неподходящими для ядерных реакций, но интуиция итальянского физика привела к сенсационному открытию.

Самый молодой из группы Ферми 21-летний Бруно Понтекорво (тот самый, кто будучи итальянским коммунистом и добровольно сотрудничавший с советской разведкой в конце концов скрылся за «железным занавесом» в октябре 1950 года), помогая в этих опытах, первым заметил, что радиоактивность облученного нейтронами серебра зависит от среды, в которую помещался образец (это был небольшой серебряный цилиндрик). Не поняв, что происходит, он сразу же обратился к Ферми.

Это было утром 21 октября 1934 года. Вся группа начала экспериментировать с нейтронными лучами, подставляя на их пути разные предметы. На следующее утро Ферми предложил попробовать нафталин, состоящий из «легких» молекул (в нём много водорода). Результат был потрясающий: парафин увеличивал радиоактивность серебра в сто раз! Исследователям это казалось чёрной магией,чем-то немыслимым, но в голове «папы» Ферми уже зрело обьяснение. Ядра водорода (протоны), находящиеся в изобилии в парафине задерживали нейтронные лучи, сбавляя их скорость.

Причина - в медленных нейтронах, проникающих в ядра серебра, ведь у них есть достаточно времени для взаимодействия с последними, что и создаёт радиоактивность. Пока что это была только гипотеза, и, чтобы убедиться в её достоверности, Ферми решил проделать те же опыты в воде, состоящей, как известно, из водорода и кислорода. Ему нужно было много воды. К счастью, не надо было далеко ходить, позади лаборатории находился небольшой бассейн с фонтаном и золотыми рыбками, и на следующий день Ферми с сотрудниками провели те же опыты в воде. Эффект повторился. Было сделано открытие, приблизившее к освобождению ядерной энергии, хотя эта идея ещё не приходила им в голову.

В 1938 году Ферми была присуждена Нобелевская премия за «...открытие ядерных реакций под действием медленных нейтронов». Получив в Стокгольме премию, Ферми с семьёй направляется в Америку, убегая от фашистского режима Муссолини (жена Ферми, Лаура, была еврейкой, и ей неминуемо грозил арест). Начинается новый период в жизни учёного, признанного к этому времени самым компетентным специалистом в области ядерной физики.

 Но мы должны, дорогой читатель, вернуться в Германию. В этом же 1938 году, в августе, произошло событие, открывшее путь к использованию ядерной энергии на нашей планете и созданию атомной бомбы. Дело в том,что и сам Ферми в Италии, и Ирэн Жолио-Кюри с сотрудниками во Франции бомбардировали медленными нейтронами ядра урана, но только в Германии в институте кайзера Вильгельма двум химикам Отто Гану и Фрицу Штрассману и физику Лизе Мейтнер удалось окончательно установить, что в действительности происходит: расщепление, деление, если хотите, ядра урана на два осколка с вылетом дочерних нейтронов и выделением громадной энергии. Лиза Мейтнер была первой, кто объяснила и предсказала цепную реакцию. Всё это происходило на фоне жестоких преследований со стороны фашистского режима. Ей, еврейке, удалось с помощью друзей и коллег и не без опасных приключений бежать в Голландию, затем в Данию, Швецию и Англию, но она продолжала вместе со своим племянником Отто Фришем, таким же беженцем, работать над своей теорией расщепления урана. Имя этой замечательной женщины (она прожила долгую жизнь и умерла в Англии в возрасте 90 лет в 1968 году) и выдающегося учёного увековечено в названии 109-го элемента таблицы Менделеева.

В Дании Мейтнер с Фришем встретились с Нильсом Бором (об этом великом физике и человеке мы поговорим позднее), отъезжающим в Америку, и обсудили все подробности теории ядерного деления, а также наметили будущие эксперименты, позволяющие подсчитать точное количество энергии, выделяющееся при расщеплении урана. По прибытии в Нью-Йорк в начале 1939 года Бор получил телеграмму от Мейтнер и Фриша о полном подтверждении всех их расчётов. Датский физик приехал в Америку не с пустыми руками! И это не только результаты работ Мейтнер и Фриша, но и угнетающая новость, которую поведал ему его ученик, гениальный немецкий физик, создатель квантовой механики, Вернер Гейзенберг. Намёками он дал понять, что Гитлер приказал создать атомное оружие как можно скорее, используя результаты исследований в лаборатории Гана и Штрассмана. Сам Гейзенберг был привлечён к этому проекту в качестве руководителя. В Германии была прекращена публикация статей в научных журналах по атомной тематике. Любая информация о работе в этой области была засекречена.

 Пришло время дать небольшую справку о Нильсе Боре. Прежде всего, сообщу, что мать учёного Эллен Адлер - из богатой еврейской семьи, была дочерью финансиста и активного политического деятеля, неоднократно избиравшегося в парламент Дании. Отец Нильса - Христиан Бор - известный учёный-физиолог, профессор Копенгагенского универститета. В 1885 году, 7 октября, у них родился сын Нильс Хендрик Давид – будущий физик. В 1913 году Нильсу Бору удалось разгадать поведение электрона внутри атома водорода- первого и легчайшего элемента периодической таблицы Менделеева. Это был первый шаг на пути создания квантовой механики. Значение Бора в развитии современной физики огромно. Подобно Резерфорду, создавшему целую школу выдающихся экспериментаторов, Бор на протяжении нескольких десятилетий руководил институтом теретической физики в Копенгагене, куда съезжались для работы физики- теоретики со всего мира. В институте Бора родились и развивались квантовая механика и по сути все направления современной физики. Трудно назвать хотя бы одного выдающегося учёного-теоретика в первой половине ХХ века, который не участвовал бы в семинарах знаменитого института. Макс Борн, Вернер Гейзенберг, Энрико Ферми, Луи де Бройль, Эрвин Шредингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Лев Ландау... Все они - классики физической науки, и большинство из них вышло из школы Бора. Дискуссии гениального одиночки Эйнштейна с Бором и его школой по интерпретации квантовой механики повлияли на дальнейшее развитие не только физики, но и философии науки и культуры в целом.

 Теперь мы надолго переместимся в Америку, где, по сути дела, ядерная физика получила первое практическое применение. Учёные и инженеры, отложив в сторону прежние свои исследования, начали по собственной иницитиве искать контакт с правительством и военными кругами, чтобы внести свою лепту в разгром фашистской Германии. Многие из них были беженцами из стран Европы, для которых Соединённые Штаты стали второй родиной. И большинство из этих многих были евреями. Что касается атомной бомбы, то у учёных в начале 1939 года не было уверенности в возможности ее создать, но была надежда. Их подхлёстывало сообщение, которое привёз Нильс Бор: Германия приступила к созданию ядерного оружия. Уже через два месяца после высадки Бора 16 января 1939 года на американскую землю небольшая кучка физиков из нескольких американских универститетов, включая Ферми и Лео Сцилларда из Колумбийского университета, экспериментально подтвердили возможность непрерывной и самоподдерживающейся цепной реакции.

Теперь можно было обращаться к официальным лицам. 2 августа 1939 года на даче в Лонг-Айленде Эйнштейн подписал письмо президенту Рузвельту. Письмо было коротким и начиналось так:

« Сэр!

 Последняя работа Э.Ферми и Л.Сцилларда, с которой я ознакомился в рукописи, позволяет надеяться, что элемент уран в ближайшем будущем может быть превращён в новый важный источник энергии...

...Это новое явление позволит также производить бомбы и, возможно, хотя ещё далеко не совсем достоверно, что таким образом удастся соорудить бомбы нового типа исключительной мощности!...». 11 октября того же года Рузвельт прочёл письмо Эйнштейна и немедленно утвердил Консультативный комитет по урану.

Но бесконечные совещания, бюрократические проволочки не позволили сразу же начать работу по атомной тематике и , в частности, по созданию атомной бомбы.

Несмотря на это, группа Ферми (наряду со Сциллардом, там были ещё двое молодых людей: Герберт Андерсон - аспирант Ферми, впоследствии возглавивший институт ядерных исследований имени Энрико Ферми, и канадец Уолтер Цинн, преподававший тогда физику в Сити Колледже) решила строить «атомный котёл» в Колумбийском унивеситете своими силами. В процессе работы Сциллард предложил использовать в качестве замедлителя чистый графит, им же было рассчитана критическая масса урана (минимальное количество урана-235, чтобы запустить и поддерживать цепную реакцию). Не хватало урана, графита, оборудования. Сциллард и Андерсон взяли на себя переговоры с поставщиками необходимых материалов, доставали деньги, отправлялись на добычу урана и графита на предприятия и заводы. Пришла первая помощь: военные ведомости передали Колумбийскому университету для покупки материалов шесть тысяч долларов. Вся группа своими руками складывала пласты графита, чередуя их с блоками урана. Работа шла медленно, и, хотя выложенный котел вырос до потолка, этого не хватало для реакции. Первый пробный, названный группой « «малый котёл», так и не был завершён.

Наконец, 6 декабря 1941 года правительством было принято решение направить все усилия на скорейшее осуществление атомного проекта. Этот проект получил секретное название «Метлаб» (Металлургическая Лаборатория). Директором Метлаба был назначен Артур Комптон, профессор Чикагского университета, известный американский физик, лауреат Нобелевской премии за 1927 год. По приказу Комптона, вся группа Ферми переехала в Чикаго, где немедленно было начато строительство атомного реактора. Он строился на крытом теннисном корте под западными трибунами Чикагского университета. Выбранное Комптоном место было крошечным (по сравнению с современным атомным реактором): длиной 18 метров, шириной вдвое меньше и высотой около восьми метров. Можно было бы написать увлекательную повесть с описанием приключений, самозабвенного труда и настоящего героизма в течение нескольких месяцев 1942 года. Наступило 2-е декабря. Ферми дал команду вытащить из «котла» последний кадмиевый стержень, поглощающий нейтроны. Первый в мире атомный реактор заработал! Эксперимент проводился в строжайшей секретности в присутствии небольшого числа учёных, проводивших эксперимент, представителей военного ведомства и фирмы Дюпона, намеревавшейся наладить строительство атомных реакторов. Хотя теоретические расчёты показывали безопасность работы, были предприняты все меры предосторожности. Реактор работал с точностью швейцарских часов! В свой книге “Атомы у нас дома” Лаура Ферми вспоминает о конце этого рабочего дня: « ... Артур Комптон позвонил по международному телефону в Гарвард мистеру Конанту, председателю Информационного бюро научных исследований и открытий.

- Итальянский мореплаватель добрался до Нового света! - сказал Комптон как только Конант поднял трубку.

- Ну, и как же его встретили туземцы?

- Очень дружественно.

Сегодня каждый может прочитать надпись на мемориальной доске, установленной на наружной стене теннисного корта Чикагского университета: «Здесь 2 декабря 1942 года человек впервые осуществил цепную реакцию и этим положил начало овладению освобождённой ядерной энергией».

Вскоре началось строительство новых, более мощных реакторов, в которых получали недавно открытый в Беркли (1938) искусственный радиоактивный элемент-плутоний, ставший сырьём для производства атомных бомб и атомных электростанций. И сегодня, когда мы читаем в газетах, что в Иране «обогащают» уран, надо понимать, что на их реакторах по той же технологии, что и в 1942 году в Америке, «плохой», слабо расщепляемый уран, изотоп-238 ( основная часть урановой руды, добываемая в шахтах), превращают в радиоактивный плутоний. Но не будем отклоняться от нашей темы.

 Путь к созданию атомной бомбы вёл дальше в самое секретное место Соединённых Штатов с осени 1942 по осень 1945: Участок Игрек, что в Нью-Мексико, в уединённой горной долине неподалеко от каньона Лос-Аламос. В августе 1942 года все работы, связанные с атомной тематикой, перешли в ведение военного министерства Соединенных Штатов. Начальником проекта по созданию атомной бомбы был назначен бригадный генерал Лесли Гроувз, а сам проект в целях конспирации был назван «Манхэттенским округом». Научным руководителем всех лабораторий в Лос-Аламосе стал американский учёный, профессор теоретической физики из Калифорнийского университета Юлиус Роберт Оппенгеймер. Его помощником и директором теоретического отдела был назначен Энрико Ферми. Работа по созданию атомной бомбы велась напряжённо, с настоящим американским размахом, в неё было вложены громадные денежные и материальные ресурсы. За два года на месте никому не известной деревушки был выстроен целый город с громадными корпусами для исследовательской работы и множеством коттеджей, где жили семьи учёных, инженеров, рабочих и военных.

Город Лос–Аламос отсутствовал на карте, были продуманы все меры предосторожности, всё было сверхсекретным. Известные всему миру учёные имели вымышленные имена, даже такие слова, как реактор, бомба, плутоний, не произносились вслух и имели кодовые названия. Город жил совершенно изолированно, и даже жители близлежащих деревень не могли догадываться, что происходит за густой проволокой, приближаться к которой было строжайшим образом запрещено. Здесь работали выдающиеся учёные из многих стран мира, люди различных политических взглядов, объединённые в громадный коллектив, целью которого было опередить немцев в создании атомного оружия, и тем самым, выиграть войну с фашизмом.

Атомная эра началась ровно в 5:30 утра по местному времени 16 июля 1945 года в южной части Нью-Мексико, примерно в 100 километрах от местечка Аламогордо

(из-за секретности это место получило название Тринити). За несколько минут до восхода солнца здесь была взорвана первая атомная бомба. Вот как описывал этот взрыв заместитель начальника проекта генерал Фарелл, находившийся в контрольном центре – на расстоянии не более 10 километров от Zero - кодового названия места взрыва: «Вся окрестность озарилась ослепительным светом, сила которого во много раз превосходила силу полуденного солнца. Свет был золотой, пурпурный, лиловый, серый и синий. Он осветил каждую вершину, ущелье и гребень близлежайшего горного хребта с такой ясностью и красотой, которых нельзя описать, а надо видеть, чтобы их себе представить... Спустя тридцать секунд после взрыва воздушная волна с силой ударила по людям и предметам; почти непосредственно за этим последовал сильный, раскатистый, чудовищный рёв, словно трубный глас Судного дня...».

За взрывом наблюдали несколько сотен человек, включая создателей бомбы - учёных и инженеров, военных, технический персонал и одного представителя прессы. Им был научный репортёр газеты «Нью-Йорк Таймс» Вильям Лоуренс, единственный журналист, допущенный в «Манхеттенский Округ» и участвующий позже в полёте самолёта, сбросившего атомную бомбу на Нагасаки. Его первый репортаж «Атомная бомбёжка Нагасаки, описанная членом экипажа самолёта» появился в «Нью-Йорк Таймс» 9 сентября 1945 года, через 3 дня после трагедии Хиросимы. Впоследствии он - свидетель того, как начиналась атомная эра- объединил все свои 10 газетных статей в небольшую книгу под названием «История атомной бомбы». В статье «Драматическая история атомной бомбы достигла кульминации 16 июля», опубликованной 26 сентября, Лоуренс подробно описывает минуту за минутой, что происходило на полигоне Тринити в тот день, передаёт переживания и сомнения его участников и зрителей, их экстаз, радость и гордость за успешно завершённую четырёхлетнюю работу.

Испытание атомной бомбы, а затем и разрушение Хиросимы и Нагасаки у многих вызвали совсем другие эмоции и действия. Ещё в марте 1945 года Лео Сциллард, один из главных инициаторов атомного проекта, обратился с меморандумом к президенту Рузвельту, в котором учёный настаивал на установлении международного контроля над атомной энергией и подробно описывал, как это осуществить. По-видимому, президент не успел ознакомиться с этим документом. После смерти Рузвельта Сциллард снова передал меморандум одному из высокопоставленных чиновников, окружавших только что избранного президента Трумэна, и снова безрезультатно. К этому времени капитулировала фашисткая Германия и дни милитаристской Японии были сочтены. Внутри самой Металлургической Лаборатории всё чаще раздавались голоса о сворачивании работы по испытанию и применению атомной бомбы в военных целях. Другие придерживались мнения, что «существование атомной бомбы следует сохранить в тайне». Учёные, военные и политики стояли перед выбором: использовать или не использовать атомное оружие против Японии. Решением президента Трумэна был создан временный комитет, куда вошли высшие военные чины, представители власти и специалисты. Комитет должен был выработать концепцию использования атомной энергии во время продолжающейся войны и в послевоенное время, а также окончательно решить вопрос об использовании атомной бомбы против Японии.

В комитет на правах консультантов вошли и четыре учёных - руководители атомного проекта: Роберт Оппенгеймер, Артур Комптон, Энрико Ферми и Эрнест Лоуренс. Комитет пришёл к единогласному решению - и атомные бомбы были сброшены на Хиросиму и Нагасаки. Согласно отчёту, опубликованному штабом оккупационных американских войск в Японии, от взрыва атомной бомбы город Хиросима в одно мгновение превратился в груду камней, около 100 тысяч человек было убито и пропало без вести, ещё столько же получили ожоги и необратимые заболевания от радиационного облучения. Весь мир содрогнулся, узнав о чудовищных результатах этих бомбардировок. Тысячи пацифистов и простых людей по всему миру, Римский папа и главы ряда стран осудили эти действия «американской военщины». Прошло 65 лет. Хиросима восстала из руин и пепла, превратившись в один из красивейших и современных городов Японии. Мне посчастливилось увидеть его в 2010 году. В центре города построен парк- мемориал и музей на фоне обломков бывшего здания мэрии. В музее вы можете поставить свою подпись под Декларацией Мира, где изложена инициатива города Хиросимы организовать всемирное движение за ликвидацию ядерного оружия повсеместно к 2020 году. В музее я узнал неожиданную и - на фоне бесконечной печали - жизнерадостную информацию: большинство детей города не пострадало от атомной бомбардировки. Город Хиросима возник незадолго до войны, объединив несколько близлежавших сельских поселений. Здесь по решению японского правительства начали строить в тридцатых годах заводы и фабрики, обеспечивающие армию оружием, одеждой и боевой техникой. Американцам это было известно (в значительной степени этим определялся и выбор Хиросимы для первого атомного удара), и власти города, чтобы обезопасить жизнь детей от предполагаемых бомбёжек (но, конечно, не атомных), вывезли их из города. В Хиросиме оставалось лишь взрослое население, работающее на военных объектах. Меня приятно удивило и отношение японцев к тому, что происходило во времена Второй Мировой войны. Большое количество экспонатов, фотографий и рассекреченной информации в музее обнажают правду о чудовищных преступлениях японской военщины по отношению к населению захваченных стран. Десятки тысяч мирных граждан, включая женщин и детей в Маньчжурии, Китае, Бирме, Вьетнаме, Корее, Индонезии, Филлипинах, Сингапуре безжалостно истреблялись самыми жестокими средневековыми способами. Любому, кто сейчас посещает Японию, трудно поверить, что среди таких миролюбивых, доброжелательных, поразительно вежливых, богобоязненных и уважительных в отношении друг к другу людей в недавнем прошлом было большое число «существ», которые совершали такое зверство. Японцы сегодня скорбят не только по убитым родственникам, но и по их жертвам и просят прощения. К сожалению, на такое способны не все народы и страны.

Если теперь прибавить обстоятельства, сложившиеся в мире в 1945 году, когда милитаристская Япония отказывалась признать свою капитуляцию, и было очевидно, что потребуются громадные усилия и новые людские потери для достижения цели, правительство США приняло решение покончить с войной одним разом. Так и произошло. После бомбардировки Нагасаки 9 августа Япония сдалась, и тем самым были спасены тысячи (если не десятки и сотни тысяч) американских, японских и советских солдат, мирное население самой Японии, а Китай, Корея и другие страны Азии были освобождены от японской оккупации. Это вовсе не было местью за Перл-Харбор, как можно было прочитать в учебниках истории в Советском Союзе.