Создание атомной бомбы - Ричард Роудс
НАДЕЖДА НА ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛЮБЫХ АТОМОВ
Каковы же, – спросил в заключение лорд Резерфорд, – перспективы на ближайшие 20 или 30 лет?
Для ускорения бомбардирующих частиц, вероятно, не потребуется высоких напряжений порядка миллионов вольт. Преобразования могут быть получены при 30 или 70 тысячах вольт… Он полагает, что в конце концов мы сможем преобразовывать все химические элементы.
В этих процессах мы, возможно, получим гораздо больше энергии, чем дает протон, но в среднем мы не можем рассчитывать на такой способ получения энергии. Этот метод производства энергии чрезвычайно неудобен и непроизводителен, и всякий, кто ищет в превращениях атомов источник энергии, гоняется за лунными миражами.
Понимал ли Сцилард, что именно Резерфорд подразумевает под погоней за лунными миражами – «пустые или фантастические разговоры»? Не пришлось ли ему обратиться за справкой к швейцару, прежде чем он отбросил газету и выбежал на улицу? «Как сообщалось, лорд Резерфорд заявил, что любой, кто говорит о высвобождении атомной энергии в промышленных масштабах, гоняется за лунными миражами. Меня всегда раздражали заявления специалистов о том, что чего-то никак нельзя сделать»[87].
«Это в некотором роде навело меня на размышления во время моей прогулки по Лондону, и, помнится, остановившись на светофоре на углу Саутгемптон-роу[88]… я раздумывал, нельзя ли доказать, что лорд Резерфорд был не прав»[89].
«Мне пришло в голову, что нейтроны – в отличие от альфа-частиц – не ионизируют вещество, через которое они проходят [то есть не вступают с ним в электрическое взаимодействие].
Следовательно, нейтрон может не останавливаться, пока не попадет в ядро, с которым он сможет провзаимодействовать»[90].
То, что нейтрон может проникнуть за электрический барьер ядра, Сцилард понял не первым; другим физикам тоже приходила в голову эта идея. Но он первым придумал механизм, по которому при бомбардировке ядра нейтроном может быть высвобождено больше энергии, чем несет сам этот нейтрон.
Похожий процесс был известен в химии – его изучал Полани[91]. Сравнительно небольшое количество активных частиц – например атомов кислорода, – введенных в химически неустойчивую систему, действует наподобие закваски, которая запускает химическую реакцию при температурах гораздо более низких, чем данная реакция требует в нормальных условиях. Этот процесс называется цепной реакцией. Один центр химической реакции производит тысячи молекул конечного продукта. Иногда один из таких центров удачно встречается с реагентом и образует не один новый центр, а два или более, каждый из которых, в свою очередь, может обеспечить дальнейшее распространение цепочки реакции.
Химические цепные реакции самоограниченны[92]. Если бы такого ограничения не было, они развивались бы в геометрической прогрессии: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16 384, 32 768, 65 536, 131 072, 262 144, 524 288, 1 048 576, 2 097 152, 4 194 304, 8 388 608, 16 777 216, 33 554 432, 67 108 868, 134 217 736…
«Когда зажегся зеленый свет и я стал переходить через дорогу, – вспоминает Сцилард, – я… неожиданно понял, что если бы мы смогли найти элемент, расщепляемый нейтронами и испускающий два нейтрона при поглощении одного, то такой элемент, если собрать достаточно большую его массу, смог бы поддерживать ядерную цепную реакцию»[93].
«В тот момент я не понимал, как именно следует искать такой элемент или какие эксперименты нужно будет провести, но эта идея меня уже не покидала. В некоторых условиях может существовать возможность запуска ядерной цепной реакции, высвобождения энергии в промышленных масштабах и создания атомных бомб»[94].
Лео Сцилард поднялся на тротуар. За его спиной снова загорелся красный свет.
2
Атомы и пустота
Для атомной энергии нужен атом. До начала XX века никаких реальных атомов в физике не было. Идея же атома – как невидимого слоя вечной, основополагающей материи, скрытой под кажущимся миром, в котором все объединяется, кишит, растворяется и разлагается, – существует с глубокой древности. Эту концепцию выдвинул Левкипп, греческий философ V века до н. э., имя которого сохранилось благодаря упоминанию у Аристотеля; развил ее Демокрит, состоятельный и более известный фракиец того же времени. «Ибо лишь в общем мнении существует цвет, – цитирует одну из семидесяти двух утраченных книг Демокрита греческий врач Гален, – в мнении – сладкое, в мнении – горькое, в действительности же – атомы и пустота»[95][96]. Начиная с XVII века физики постулировали атомную модель мира всюду, где казалось, что это требуется для развития физической теории. Однако вопрос о том, существуют ли атомы на самом деле, оставался спорным.
Постепенно споры на эту тему свелись к обсуждению того, какие именно атомы необходимы и возможны. Исаак Ньютон представлял себе нечто вроде миниатюрных бильярдных шаров, которые соответствовали бы его механической вселенной движущихся масс. «Мне кажется вероятным, – писал он в 1704 году, – что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их»[97][98]. Шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл, которому мы обязаны созданием Кавендишской лаборатории, опубликовал в 1873 году основополагающий «Трактат об электричестве и магнетизме» (Treatise on Electricity and Magnetism), который изменил чисто механическую вселенную Ньютона с частицами, соударяющимися в пустоте, введя в нее концепцию электромагнитного поля. Это поле пронизывает пустоту; электрическая и магнитная энергия распространяется в ней со скоростью света; самый свет, как показал Максвелл, есть одна из форм электромагнитного излучения. Однако, несмотря на внесенные им же изменения, Максвелл – не в меньшей степени, чем Ньютон, – оставался приверженцем жестких, механических атомов:
Но если случались и вновь могут случиться катастрофы, если старые системы могут разрушаться и на их развалинах могут возникать новые системы, то [атомы], из которых эти системы построены, неразрушимы и неизменны – это краеугольные камни материальной Вселенной. Сейчас [они] так же неизменны по своему числу, по своим размерам и по весу, как и в то время, когда они были сотворены[99][100].
Макс Планк придерживался другого мнения. Он, как и многие его коллеги, сомневался, что атомы вообще существуют, – корпускулярная теория материи была изобретением скорее английским, чем континентальным, и ее несколько британский аромат был отвратителен носам немецких ксенофобов, – но,
