Тайная история атомной бомбы

Декабрь 1938 — сентябрь 1939

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[4]. 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 U²³⁸). 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 Штрассмана, 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[5]. 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[6]. 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[7].

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[8]. 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[9], 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 самоподдерживающейся цепной реакции достаточно выделения в среднем двухчетырех свободных нейтронов при каждом делении уранового ядра. Растущие было опасения о возможности создания атомной[10]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 Палмеровской 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[11]. 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 ядерного 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 (U²³⁵), 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.

В изотопе U²³⁵ баланс между отталкивающей силой протонов в ядре атома и силой поверхностного натяжения, удерживающей ядро от распада, гораздо более хрупкий, чем в изотопе U²³⁸. Три дополнительных нейтрона урана-238 стабилизируют ядро и увеличивают энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы запустить реакцию распада. Следовательно, для расщепления такого ядра необходимы более быстрые нейтроны с большей энергией.

Вторым из упомянутых факторов стал непосредственно сложный состав ядра. Для него более благоприятно равное число протонов и нейтронов, что объясняется квантовой природой их субатомных составляющих. Приняв дополнительный нейтрон, U²³⁵ превращается в U²³⁶, в ядре которого 92 протона и 144 нейтрона, то есть четное число обоих нуклонов. Когда U²³⁸ принимает добавочный нейтрон, то образуется изотоп U²³⁹ с нечетным числом нейтронов в ядре. Уран-235 «ассимилирует» дополнительный нейтрон и вступает с ним в реакцию намного проще, чем уран-238.

Совокупность двух вышеописанных факторов в достаточной степени объясняет существенное различие в поведении двух изотопов урана. Для расщепления устойчивого ядра U²³⁸ требуются быстрые нейтроны, а гораздо менее стабильное ядро U²³⁵ разделить можно медленными. Таким образом, если изготовить бомбу, состоящую из смеси U²³⁵ и U²³⁸, действие которой будет основано на расщеплении урана-235 под воздействием медленных нейтронов, то и цепная реакция в ней будет происходить медленно. Затем она затухнет, а бомба так и не взорвется.

Теперь шансы на создание бомбы в ближайшем будущем хотя и не исчезли совсем, но значительно снизились. Конечно, нельзя забывать и о словах Бора, неоднократно повторяемых им в ходе дискуссий с коллегами в апреле 1939 года: тогда он заявил, что изготовить бомбу можно при условии, что она будет сделана на основе чистого урана-235. Однако U²³⁵ — редкий изотоп и его доля по отношению к природному урану составляет 1:140, то есть ничтожные 0,7 %. К тому же U²³⁵ и U²³⁸ по химическим свойствам идентичны, и поэтому с помощью химической реакции их разделить нельзя. Это возможно только с применением специальных физических методов, позволяющих отделить изотопы друг от друга, используя практически незаметную разницу в их массе. При этом подобные работы в масштабах, необходимых для создания атомной бомбы, требовали неоправданно больших усилий — на тогдашнем уровне разработок для нее требовалось несколько тонн урана-235.

«Да, бомбу создать мы, конечно, сможем, — сказал тогда Бор, — но нам потребуется помощь всей страны».

Венгерский заговор

Новый источник энергии — атом — и невероятную силу, которую можно высвободить при его расщеплении, окончательно признали. При любых обстоятельствах интерес к подобному открытию начали бы проявлять не только ученые, но еще и военные, а также представители деловых кругов. В нашем случае обстоятельства были весьма серьезными. Прошло всего несколько месяцев с того дня, когда Фриш и Мейтнер, сидя на бревне в лесу около Кунгэльва и записывая на клочке бумаги свои поспешные вычисления, сделали прославившее их открытие. Однако этого времени было достаточно для появления новой отрасли физики, которая развивалась одновременно с подготовкой к началу войны в Европе, становившейся все более очевидной.

19 марта французские исследователи Фредерик Жолио-Кюри, Ханс фон Хальбан и Лев Коварски[12]опубликовали в журнале Nature обобщающую статью, в которой привели все материалы, доказывающие возможность цепной реакции ядер урана. В том же издании 22 апреля они опубликовали свой следующий материал, в котором сообщалось о точном числе свободных нейтронов, выделяемых на каждом этапе цепной реакции[13]. Эти две публикации вызвали множество отзывов в массовой прессе, испуганно заголосившей о «супербомбе», которая будет вот-вот создана. В правительственных кругах также начала прослеживаться лихорадочная активность.

На созванной в спешном порядке конференции, состоявшейся 29 апреля 1939 года, Абрахам Эзау, глава Имперского бюро стандартов и руководитель Специального отдела физики Имперского исследовательского совета, выступил с рекомендацией создать под его началом исследовательскую организацию, которая будет заниматься накоплением знаний об использовании урана. Он собрал группу из ведущих немецких специалистов-ядерщиков, назвав ее Uranverein (с немецкого — «Урановое общество»). Главной целью ее создания Эзау объявил раскрытие всего потенциала энергии атома и потребовал передать в распоряжение группы все имеющиеся на территории Германии запасы урана, а также категорически запретить его вывоз из страны.

24 апреля, за несколько дней до начала конференции, молодой физик из Гамбурга Пауль Гартек и его ассистент Вильгельм Грот обратились с письмом в Имперское военное министерство, призывая его руководство обратить внимание на последние открытия в области ядерной физики. В письме говорилось следующее:

Письмо было передано в Управление армейского вооружения, которое немедленно инициировало собственный альтернативный проект по изучению свойств урана под руководством физика Курта Дибнера.

Член британской Палаты общин Уинстон Черчилль не мог скрывать свою обеспокоенность недавними известиями о возможном появлении «супербомбы», которыми запестрили летом заголовки газет. Наибольшую тревогу вызывала у него отнюдь не вероятность того, что ученые рейха могут первыми создать атомное оружие, а скорее угроза его использования против Англии, с помощью которой Гитлер легко мог заставить премьер-министра Невилла Чемберлена пойти на любые уступки.

Черчилль обратился за советом к своему другу, физику из Оксфорда Фредерику Линдеману, мнением которого как ученого он очень дорожил и звал его не иначе как «профессор». В 1931–1934 годах Линдеман часто гостил в поместье Чартуэлл у своего друга-политика, где тот жил со своей семьей. Это был период жизни Черчилля, называемый «годами, проведенными в глуши» («wilderness years»).

Следуя рекомендациям, полученным от Линдемана, 5 августа 1939 года Черчилль обратился с письмом к Кингсли Вуду, министру военно-воздушных сил Великобритании, уведомив его, что в течение нескольких ближайших лет создание атомного оружия будет оставаться невозможным.

В Советском Союзе исследования в области ядерной физики проводились главным образом на базе созданного в начале 1930-х Ленинградского физико-технического института, или попросту физтеха (хотя часть научных разработок велась и в других учреждениях). Отдел, работавший над изучением атомных ядер, возглавлял физик Игорь Курчатов, энергичный и эмоциональный человек.

В стране всегда было немало очень талантливых ученых, однако в то время любые исследования, которые напрямую не были связаны с курсом на быструю индустриализацию, становились все более затруднительными. И в частности в ядерной физике верхи на тот момент не видели никакой существенной практической пользы. Кроме того, ситуация в данной отрасли вскоре еще ухудшилась: сначала проведенная Сталиным в 1937–1938 годах «великая чистка» оторвала от исследований около сотни советских физиков, репрессированных вместе с остальными семью или восемью миллионами жителей страны, затем, в ходе все большей изоляции политического режима, практически все контакты с западными учеными-ядерщиками были запрещены.

Советским физикам оставалось только следить за работой своих зарубежных коллег по журнальным статьям, которые те публиковали в европейских и американских изданиях. Когда в СССР стало известно (из тех же журналов) об открытии деления ядра, все исследования, проведенные на Западе, тут же были подробно воспроизведены и даже расширены. Курчатов поручил своим коллегам Георгию Флерову и Льву Русинову заняться подсчетом числа свободных нейтронов, выделяемых при расщеплении ядра урана. К 10 апреля они подтвердили, что количество нейтронов составляет от двух до четырех, тем самым самостоятельно доказав возможность цепной реакции с участием атомных ядер. К июню Флеров и Русинов дали косвенное подтверждение теории Бора о прямой взаимосвязи между расщеплением ядра атома урана и изотопом U²³⁵. На данном этапе исследований советские физики пока еще не успели понять необходимости информировать о своих последних открытиях военных и верховные органы власти и предупредить их о возможной атомной угрозе с Запада.

Когда в январе 1930 года было объявлено о назначении Гитлера рейхсканцлером Германии, Лео Сцилард[14], физик, приехавший из Венгрии, немедленно упаковал свои вещи в два чемодана и приготовился покинуть Берлин сразу, как только «станет совсем уж туго». «Совсем туго» стало через несколько месяцев. Сцилард уехал сначала в Вену, а затем перебрался в Лондон, где помогал Линдеману основать специальный фонд, целью которого было предоставление ученым-эмигрантам убежища на территории Великобритании. Несколько лет он провел в Лондоне и Оксфорде и еще до переезда в США, состоявшегося в начале 1938 года, успел предвосхитить открытие расщепления ядра, теорию цепной реакции и последующее создание атомного оружия[15]. Узнав в январе 1939 года о первых успешных опытах по расщеплению ядра урана, Сцилард взял в долг у одного преуспевающего американца две тысячи долларов и убедил декана факультета физики Колумбийского университета предоставить в его распоряжение необходимую лабораторную базу. К этому времени работать в университете начал уже и Ферми.

В ходе исследований, проведенных им совместно с Ферми, Сцилард автономно обнаружил образование свободных нейтронов и возможность цепной реакции, подтвердив тем самым и свои наихудшие опасения. На протяжении уже многих лет он размышлял о возможностях применения освобожденной энергии атома и теперь испытал настоящий ужас при мысли о том, что фашистская Германия может первой создать ядерное оружие. Сцилард попытался убедить коллег не размещать открыто результаты своих исследований в научной литературе. Жолио-Кюри отказался.

Сцилард озвучил свои опасения двум землякам-эмигрантам — венграм Юджину Вигнеру и Эдварду Теллеру. Вигнер переехал из Берлина в Принстон в октябре 1930 года и сначала был приглашенным лектором, а в 1935 году получил и постоянное место преподавателя. Затем он несколько лет провел в университете штата Висконсин и вернулся в Принстон в июне 1938 года. Теллер из германского Геттингена перебрался сперва в Копенгаген, затем в Университетский колледж Лондона, а оттуда со своей недавно обретенной супругой Мици в августе 1935 года он переехал в столицу США, где начал работать в университете Джорджа Вашингтона.

Участники «венгерского заговора» успели ощутить на себе все «прелести» фашистского режима и составить четкое представление обо всем, что можно от него ожидать. Последние новости из Европы не оставляли сомнений: жертвой германского экспансионизма вполне может стать Бельгия — ведь на территории ее африканской колонии находились богатые урановые рудники. Вигнер предложил поставить в известность бельгийское правительство.

Сцилард вспомнил, что Альберт Эйнштейн, с которым ему раньше приходилось работать, лично знал Елизавету, мать короля Бельгии, и мог поговорить с ней от их имени. Прошло совсем немного времени, и 16 июля Сцилард и Вигнер навестили Эйнштейна в его загородном доме в Лонг-Айленде. Знаменитый ученый тогда впервые услышал о том, что цепная ядерная реакция вполне осуществима, поэтому с готовностью согласился помочь коллегам и продиктовал им письмо на немецком.

Заручившись поддержкой Эйнштейна, Сцилард вскоре отыскал еще один способ достучаться до власть имущих с известием о надвигающейся угрозе. Он связался с советником американского президента Франклина Рузвельта по вопросам экономики Александром Саксом. Тот внимательно выслушал все опасения ученого, решая, стоит ли сообщать о них президенту лично, и в итоге пообещал это сделать.

Теллер и Сцилард еще раз встретились с Эйнштейном 30 июля. Теллер позже скажет, что «вошел в историю как шофер Сциларда» (тот не умел водить и никогда в жизни не имел автомобиля). Эйнштейн согласился внести изменения в их первоначальный план, и физики-заговорщики вместе набросали черновик письма. Его окончательный вариант, датированный 2 августа 1939 года, был передан Саксу 15 августа, однако он смог сообщить о нем Рузвельту лишь в октябре.

Авторы письма предупреждали о появлении «бомб нового типа, обладающих невероятной разрушительной силой». Они также ставили президента в известность о том, что Германия запретила экспорт урана, добываемого в шахтах на территории недавно присоединенной Чехословакии, и в данный момент усиленно работает над освоением результатов исследований по расщеплению ядра атома урана, проведенных в Америке.

Начало войны

1 сентября 1939 года в 4 часа 40 минут утра самолеты люфтваффе совершили налет на польский город Велюнь и практически уничтожили его. Число жертв составило 1200 человек, большая часть из них — мирное население. Это было первое из серии событий, ставших репетицией будущего вторжения Германии в Европу.

3 сентября Германии объявили войну союзные Польше Великобритания и Франция.

Немецкое Управление армейского вооружения в спешном порядке объединило обе группы, занимавшиеся исследованиями свойств урана, и призвало на военную службу физиков-ядерщиков. 16 сентября ученых, в числе которых были Дибнер, Гартек и Ган, собрали на секретную конференцию для ознакомления с новым, общим для всех проектом и обсуждения возможных, с их точки зрения, сложностей в его реализации.

Статья Бора и Уилера, посвященная теории деления ядра и роли урана-235 в этом процессе, была недавно опубликована в американском журнале Physical Review. Немецкие ученые проявили к ней живой интерес, изучив подробнейшим образом. Один из них, Эрих Багге, предложил включить в число участников «Уранового общества» своего преподавателя из Лейпцигского университета, который смог бы помочь с дальнейшей разработкой теории цепной реакции в ядре атома урана. Этим преподавателем был нобелевский лауреат Вернер Гейзенберг, ведущий немецкий специалист в области физической теории, хорошо известный своим открытием принципа неопределенности. 25 сентября Багге лично сообщил своему бывшему учителю о том, что теперь тот является военнослужащим и работает на армию.

Так начиналась первая война между физиками.