Расшифровка Рождение ядерной физики

Как Нобелевская академия ошиблась с лауреатом и почему генералам не была нужна атомная бомба

Автор Алексей Кожевников

Мы начнем лекцию с 1932 года, который условно считается годом рождения ядерной физики. На самом деле ядерная физика в каком-то смысле суще­ствовала и до 1932 го­да: за 20 лет до того уже было известно, что внутри атома имеется ядро, что есть радио­актив­ные излучения — альфа-, бета- и гамма-частицы, что происходят ядерные реакции и что в ходе этих ядерных реакций одни атомы могут превращаться в другие.

До 1932 года ядерная физика все-таки была относительно маргинальной, но не самой важной из областей физики. Главной обла­стью на тот момент были атомная физика, где изучали не ядро, а уровень электронов в атоме, и квантовая механика. Ядерная физика была немножко в стороне. Она была более непонятной, потому что еще с самого открытия радиоактивности не было ясно, что же является источни­ком энергии, которая выходила из ато­ма в виде радио­актив­ных излучений. По атомным масшта­бам это была очень большая энергия, но откуда она возникает и почему может поддержи­ваться такое долгое время, практически не убывая, тоже было совершенно непонятно.

1932 год изменил статус ядерной физики. Связано это было с целым рядом экспери­ментальных открытий, среди которых самым важным было открытие нейтрона. В Кембриджской лаборатории Джеймс Чедвик объявил о том, что в числе радио­актив­ных излучений, которые испускают различ­ные радио­ак­тивные атомы, было излучение, состоявшее из массивной, но электрически нейтральной частицы. Он назвал эту частицу нейтроном.

Появился ряд других открытий, связанных с нейтроном, например три­тий — тяжелая вода. Весь этот набор экспериментальных открытий сразу выдвинул ядерную физику на первое место среди самых важных, актив­но развивающихся и продуктивных областей физики, и начиная с 1932 года она остается такой на протяжении примерно 15–20 лет. 

Обнаружение нейтрона открыло перед экспе­риментаторами очень большие перспективы. До этого существовала возможность произ­водить ядерные реакции, направляя на ядра атомов быстро двигающиеся частицы, такие как протон или альфа-частицы. Если протон, быстрый протон или альфа-частица попа­дали в ядро, оно могло расколоться или в нем могли произойти другие ядерные реакции, приводящие к возникновению новых элементов. 

Но сложность состояла в том, что и протоны, и альфа-частицы электрически заряжены и ими трудно было попасть в то же позитив­но электрически заря­женное ядро атома. Нейтрон же был частицей нейтральной, и он сразу дал возможность производить огромное количество новых реакций. 

Группой ученых, которые наиболее успешно занималась этой деятельностью начиная с 1934 года, была римская группа во главе с Энрико Ферми. Они прак­тически поста­вили дело на конвейер. Буквально любой химический элемент периодической таблицы Менделеева был использован ими как мишень для потока нейтронов. Не то чтобы целью, но, может быть, главным призом всей этой активности была надежда открыть трансурановые элементы.

Одна из наиболее важных ядерных реакций, которая могла происходить с атомом, — это поглощение нейтрона атомом. Потом атом испускал электрон, или бета-частицу. При такой реакции заряд атома увеличи­вался на один, и из одного атома можно было получить другой атом следующей клеточки периодической таблицы Менде­леева. Перебирая элементы таким образом, можно было дойти до самого последнего атома в таблице на тот момент — это был уран, о новых атомах за которым ничего известно не было. Они не могут существо­вать в естественном виде в природе, потому что сильно радиоактивны и быстро распадаются. Одной из надежд группы Ферми была как раз попытка, облучая нейтронами уран, вызвать такую реакцию, чтобы в итоге получился следующий, еще не откры­тый и не существующий в природе элемент. 

Открытие любого нового химического элемента по меркам того времени практи­чески гарантировало Нобелевскую премию. И в начале 1938 года Ферми смог объявить положительный результат. В числе получен­ных продуктов разных атомных реакций были какие-то новые типы излучений, новые вариан­ты атомного распада, которые они не могли отождествить ни с каким из близ­ких к урану атомов. Это позволило им заклю­чить, что в числе продуктов реак­ции появля­ется что-то новое — доселе неизвестный атом, который вполне естественно было считать первым трансурановым элементом.

Авторитет Ферми тогда был очень высок: он уже сделал очень много важных откры­тий — и за это открытие в конце 1938 года ему была присуждена Нобе­левская премия. По иронии судьбы, это была одна из тех Нобелевских премий, которая практически сразу была опровергнута, и другие исследо­ватели пока­зали, что премию присудили неправильно. 

Но это было не совсем так: доказали, что те продукты реакции, которые Ферми получил в результате, были вовсе не трансура­новым элементом, а уже более-менее известными и существовавшими изотопами. Теми, кто указал на эту ошибку и объяснил, в чем дело, была конкурирую­щая группа ученых, рабо­тавшая в Берлине. Ее главными представителями были химик Отто Хан и радиофизик Лиза Мейтнер.

Они изучали ядерные реакции примерно в том же ключе, что и Ферми, но результат Ферми с самого начала вызвал у них некие подозрения. Ученым казалось, что что-то происхо­дит не так, и к концу года Отто Хан смог сделать другое заключение — это произошло буквально в течение месяца после прису­ждения Нобелев­ской премии Ферми. Хан пришел к выводу, что среди продук­тов распада находится не трансурановый элемент, а элемент барий, ничем не приме­ча­тельный элемент в середине таблицы Менделе­ева. При этом было не совсем понятно, откуда он взялся.

Правильную аргументацию довольно быстро дала Мейтнер, но к тому времени ее положе­ние оказалось довольно сложным. Группа в течение многих лет рабо­тала в Берлине; Хан был немцем, а Лиза Мейтнер происхо­дила из еврейской семьи и родилась в Вене. Она работала в Германии уже довольно давно, но ее положение сильно осложнилось в 1933 году, после прихода к власти нацист­ского правительства. В 1938 году коллеги поторопились вывезти ее из страны. Отто Хан сумел вывезти Мейтнер в Голландию, откуда она переправилась в нейтральную Швецию. Там она смогла выжить во время войны как беженец, имея временную научную работу.

К тому моменту, когда в конце 1938 года Хан и другой его сотрудник, Фриц Штрассман, пришли к заключе­нию, что в среде продук­тов распада ядерной реакции был барий, Лиза Мейтнер жила в Швеции и не могла принимать непосредствен­ное участие в этой работе. Поэтому она не упомина­ется в каче­стве автора знаменитой работы, известной как открытие реакции деления урана нейтро­нами, — формальными авторами были двое ее немецких коллег. В итоге в 1945 году Отто Хану за это открытие была присуждена Нобелевская премия, а Лизу Мейтнер Нобе­лев­ский комитет решил обойти вниманием. За свою историю Нобелевский комитет вынес много несправедливых решений, но это, пожалуй, было одним из самых несправедливых.

Тем не менее Мейтнер сделала очень важный вклад в понимание реакции деле­ния, потому что именно ей принад­лежит формулировка деления ядра. Она была одной из первых, кто узнал о том, что Хан написал в своей работе как химик, и в соавторстве со своим племян­­ником Отто Фишем она отдель­но опубли­ковала работу, где как физик объяснила, что реакция, которая происхо­дит в итоге попадания нейтрона в уран, вызывает раскол ядра урана на две примерно равные половин­ки. Тем самым объяснялось, почему в резуль­тате появляется барий — атом примерно из середины таблицы Менделеева. Для опи­сания реакции использовали термин «деление», взятый из биологии, где деление — это размножение клеток, которое происхо­дит у биологических организмов.

Буквально с первых дней 1939 года реакция деления урана стала сенсацией для физиков всего мира и практически сразу вызвала не только огромный интерес, но и большую тревогу. Нельзя даже сказать, чья конкретно это была идея. Почти сразу во многих голо­вах возникло понимание, что из этой реак­ции деления теоретически можно получить атомную энергию: возмож­но — как источник энергии, а возможно — как взрывное устройство, похожее на бомбу или еще что-то очень опасное.

До открытия деления урана можно было спекулировать на тему атомной энергии. Были известны ядерные реакции, в которых выделялась достаточно большая по масшта­бам атома энергия. Но для каждой атомной реакции необ­ходимо было затратить намного большее количество энергии и мате­риалов просто для того, чтобы создать условия для реакции.

Реакция деления показала, что теоретически появилась возможность цепных реакций. При делении урана на две половинки среди продуктов также возни­кали нейтроны, и если их число было больше единицы — а в действительности иногда образовы­валось два или три новых нейтрона, — появлялась возмож­ность устроить цепную реакцию. Запустив эту реакцию, дальше физик теоре­тически мог сидеть и смотреть, как лавина развивается и как большое коли­чество ядерных реакций добавляет новую энергию в результат. В теории появ­лялась надежда, что из этого выйдет что-то практически значимое в смысле источника энергии.

Интересно, что на тот момент как раз это условие в каком-то смысле спасло ядерную физику в Советском Союзе. В СССР ядерная физика тоже довольно активно развивалась после 1932 года, и были лаборатории, в частности лаборатория Курчатова, которые занимались экспериментами, похожи­ми на эксперименты лаборатории Ферми. Это дело финансировалось Наркоматом тяжелой промышлен­ности, и ядерная физика становилась все более и более масштабной областью изучения.

Но Наркомат как экономическое министер­ство в какой-то момент начал задаваться вопросом, какой из этого будет выход. Для советских министерств было очень важно, чтобы ученые могли пообещать какой-то практический выход. И с 1939 года риск отмены финансирования ядерной физики в Совет­ском Союзе отпал: эта область исследования у советских ученых тоже стала одной из самых популярных и очень важных.

Во всех странах, где на тот момент развивалась ядерная физика, большое число ученых сразу переключилось на исследова­ния урана. Важный результат полу­чила лаборатория в Париже. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри первыми оценили критическую массу — то, какой минимальный запас урана должен быть, чтобы теорети­чески надеяться на цепную реакцию, которая не угасала бы, а продол­жала развиваться. По их оценкам, выходило десять тонн, что, в общем-то, показывало, что бомба практически нереальна. На тот момент никакой самолет не мог перевозить и исполь­зовать бомбы такого размера, но практически во всех странах были физики или инженеры, которые почти сразу же написали письма своим военным или экономическим начальникам, утверждая, что шанс сделать бомбу все-таки есть. С 1939–1940 годов в разных странах существовали группы, которые пытались выяснить, можно ли произвести из этого оружие.

Тут нужно пояснить: не каждая цепная реакция — это взрыв. Есть цепные реакции, которые происходят стабильно. Скажем, костер, в котором горят веточки и куда эти веточки подкладывают, — это тоже цепная реакция. Но ничего не взрывается — просто происходит постоянное и стабиль­ное выделение энергии. Эта энергия тоже может выйти из-под контроля, возникнет пожар, и тогда это будет цепная реакция, в которой выделение энергии развивается неконтро­лируемо, но пожар не является взрывной реакцией.

Следующим вариантом для сравнения может быть авария в Чернобыле. Иногда она называ­ется взрывом, хотя в реальности взрыв был сравнительно неболь­шой. Он уничтожил сам реактор и разрушил оболочку, стену здания, потому что ядерный реактор на стан­ции сильно перегрелся. Но это тоже взрыв, который для военных целей взрывом не считается, и по уровню он не сравним с бомбой, уничтожившей Хиросиму. В этом смысле можно сравнить взрыв в Хиросиме, который уничтожил город и привел к жертвам нескольких сотен тысяч человек, и локальный взрыв в Чернобыле, который только разрушил сам реактор, а близко существующий город от взрыва не пострадал.

И в этом смысле разницу между тем и другим взрывом скорее можно объяснить как скорость реакции. И в том, и в другом случае цепная реакция приводит к перегреву и выделению неконтролируемого количества энергии. Но в чернобыль­ской реакции, когда произошло это неконтролируемое выделение энергии, оно усиливалось настолько, пока сам реактор не был разрушен. После чего цепная реакция стала потихоньку затухать и сходить на нет.

В атомной бомбе реакция должна происхо­дить на несколько порядков быстрее, то есть до того момента, как сам объект, в котором происходит реакция, реактор или бомба, разру­шится, энергии должно выделиться настолько много, чтобы ее хватило на разру­шение целого города. Это означало, что выделение энергии должно было быть намного более быстрым.

Весной 1940 года произошло событие, которое довольно сильно повлияло на ход работ. Важным событием для возможности создания именно атомного оружия был короткий меморандум, написанный в Англии двумя физиками, которые были беженцами из нацистской Европы. Одним из них был Рудольф Пайерлс, а другой физик происходил из Австрии: это был племянник Лизы Мейтнер — Отто Фриш. Оба на тот момент работали в Англии.

На 1940 год Англия была в полной мере вовлечена в войну с нацистской Герма­нией и практически все ее собственные силы и кадры физиков были мобилизо­ваны для различного рода военных исследований, самым главным из кото­рых было исследо­вание противо­воздуш­ной обороны и радио­локации. К этим секретным исследованиям Фриш и Пайерлс допущены не были: в каком-то смысле они стали зани­маться проблемой урана именно потому, что их не до­пустили к более важным на тот момент военным работам и у них было время зани­маться, скажем так, теоретическими спекуляциями.

В начале 1940 года они написали короткую работу и сразу поняли, что публи­ковать ее нельзя. Они показали работу своим английским коллегам, которые сразу ее засекретили. Это стало началом первого в истории проекта по созда­нию атомной бомбы.

Фриш и Пайерлс попытались рассчи­тать, как будет происходить цепная реак­ция, если суметь отделить изотоп уран-235, который в естествен­ном уране существует в количе­стве мень­шем, чем 2 %, от урана-238, намного более распространенного в естествен­ном уране изотопа. К своему собствен­ному удивлению, они обнаружили, что в этом случае цепная реакция проис­ходит намного быстрее, чем в естествен­ном уране, который состоит из смеси изотопов.

После года работы, примерно к сере­дине 1941 года, англичане поняли, что они не смогут сделать атомную бомбу. Стало понятно, что, как и любая другая страна, которая находилась в состоянии войны и в которой вся экономика была подчинена нуждам идущей войны, они не могут решиться выделить огромное количество ресурсов и времени на непонятный проект с непонятным резуль­татом. Поэтому летом 1941 года англичане перебазировали часть своего проек­та в Канаду, подальше от театра боевых действий, — туда, где его по крайней мере не могли разбомбить. 

Также они решили поделиться секретом с американцами — как бы сейчас сказали, в качестве научного обмена. Делегация английских ученых, направ­ленная в Аме­рику, по сути, привела к созданию «Манхэттенского проекта», который изначально был сотрудни­чеством двух стран, но в конце стал больше американским. 

Нельзя сказать, что это было сознатель­ным обманом, но с точки зрения англи­чан, можно считать, что они готовы были рисковать незадействованными индустриальными ресурсами Америки и поделиться этим проектом с амери­канцами, чтобы использо­вать мощ­ность американской индустрии. В случае успеха они надеялись, что результат будет принадлежать двум странам, а если бы проект был неудач­ным, то основные ресурсы были бы потрачены именно американской, а не английской стороной, которая в тот момент направляла все свои ресурсы на войну.

Пожалуй, один из самых недооценен­ных участников этого проекта — это гене­рал Лесли Гровс, который командовал проектом как админи­стратор и мене­джер. В публич­ных историях его роль обычно прини­жается, потому что ученые его не любили. В каком-то смысле роль маршала Берии в советском проекте потом во многом будет похожа на роль генерала Гровса в «Манхэттенском».

Это был грубый, неотесанный человек, в каком-то смысле солдафон. Ученым казалось, что как администратор он превы­шает свои полномочия. Он действи­тельно их превышал — и не только по отношению к ученым, но и в том, что выбивал материа­лы для своего проекта, в том числе из других проектов, которые были намного более востребованы в войне. Будучи во главе «Ман­хэттенского проекта», Гровс столько раз выходил за рамки, что если бы он не достиг успеха и бомбар­ди­ровка Хиросимы в итоге не произо­шла бы, скорее всего, после окончания войны он пошел бы под суд: тогда начали бы задавать вопросы, сколько всего ресурсов было потрачено на бомбу, которая в итоге не была задействована.

Одной из главных стратегий риска, которые маршал Берия тоже потом будет применять в советском проекте, стала работа по всем возможным направлениям сразу. Были разные варианты разработок и разные технические, инженерные и научные возможности, и заранее не было понятно, какой вариант будет более эффективным и сработает. Поэтому вместо того, чтобы выяснить, делать плутониевую бомбу или урановую, делать атомный реактор на уране с графитом или атомный реактор на уране с тяжелой водой в качестве замедлителя, Гровс в качестве главного организационного принципа выбрал принцип делать сразу все. 

В этом смысле действительно очень показательно сравнивать Гровса с Берией, потому что Берия во многом организовывал советский проект по аналогичным принци­пам менеджмента. Для него главной пробле­мой тоже была минимиза­ция возможности ошибки: нужно попытаться сделать так, чтобы вероятность неудачи была как можно меньше. Сколько ресурсов при этом будет затрачено, его волновало мало — и советская бомба в итоге тоже будет создана с огром­ными жертвами, перезатратой усилий, средств, и материалов. А по времени работа займет примерно столько же, сколько и работа над американской атомной бомбой в «Манхэттенском проекте», то есть примерно четыре года.

Для Берии, как и для Гровса, фактор времени был одним из самых важных. Для Советского Союза проблема, которую создала монопо­лия американцев на атомное вооружение, была даже не столько военной. В первые несколько лет, до 1950 года, количество атомных бомб, которые находились в распоря­жении Соединенных Штатов, еще было относительно незначительным. Пока Советский Союз не обладал своей собствен­ной бомбой, вероятность атомной атаки со стороны Америки оценивалась как сравнительно низкая. И даже если бы она произошла, количества атомных бомб не хватало на то, чтобы это оружие действи­тельно стало решающим. Советский Союз уже знал, к каким уровням разрушения приводят современные войны, и по масшта­бам уже пережитых разрушений несколько атомных бомб не казались настолько уж опасными по крайней мере в ближайшее время.

Сейчас совершенно естественно считать, что ядерное оружие — это оружие массового поражения и, по сути, средство геноцида. Практи­чески нет военных объектов, которые могут стать целью атомного оружия. Единственное, для чего атомная бомба реально существует и может приме­няться, — это для уничтожения города с миллионным населением.

Поэтому было понятно, что в 1945 году, после первого использования атомного оружия, история войны и вооружения перешла на совершенно новый уровень, но с чисто военной точки зрения у этого явления есть определенная сложность. Военные генералы того времени не были сильно воодушевлены атомной бом­бой, и для них ее ценность была не настолько большой, как это представляется сейчас. 

Связано это было с тем, что к концу Второй мировой войны генералы научи­лись уничто­жать население настолько эффективно, что могли делать это и без атомного оружия. Так называемые стратегические бомбарди­ровки могли уничтожить город с миллион­ным населением — и уничтожали. Наиболее известна бомбардировка Дрездена в Германии в феврале 1945 года, где, по раз­ным оценкам, хотя в данных случаях они всегда приблизительные, количество жертв соотносилось с жертвами атомных бомбардировок Хиросимы и Нага­саки.

С точки зрения военных, циников и убийц, атомная бомба не давала им больше того, что уже было у них в руках. Разницу видели скорее в том, что без атомной бомбы надо было бы использовать несколько сотен бом­бар­дировщиков и тыся­чи обычных и зажи­гательных бомб и бомбить в течение целого дня, а количе­ство жертв среди пилотов и потерь бомбардировщиков тоже было бы замет­ным и значитель­ным. В случае атомной бомбардировки примерно такого же результата можно было добиться с помощью одного или двух бомбардиров­щиков и одного успешного бомбометания. В этом смысле нельзя сказать, что атомные бомбардировки очень сильно повысили бы крими­наль­ность того, что и так происходило на Земле в тот момент.

Но очень важно было символическое значе­ние атомного оружия. По крайней мере, в 1945 году главной проблемой для Совет­ского Союза было то, что амери­канцы будут использовать свою монополию на атомную бомбу в дипло-мати­ческих целях. Наличие атомного оружия у Америки довольно сильно повлияло на невозможность перего­воров после окончания Второй мировой и в этом смысле способствовало быстрому переходу к состоянию холодной войны.