В январе 1940 года Тернер изучил всю доступную литературу по расщеплению ядра урана. Всеобщее внимание в то время было обращено на изотоп уран-235, но Тернер упрямо развивал идею получения атомной энергии из стабильного и гораздо более распространенного урана-238. Захват нейтронов ядром урана-238 рассматривался как досадная помеха, ликвидировать которую можно при использовании подходящего замедлителя. Дальше Льюис Тернер размышлял следующим образом. Захват нейтрона ядром урана-238 должен создавать нестабильный изотоп уран-239, при распаде которого выделится элемент с порядковым номером 93. Исходя из известных теоретических принципов, можно сделать вывод о том, что элемент-93 нестабилен и довольно быстро претерпит распад, образовав элемент с атомным номером 94. Получение очередного элемента таблицы Менделеева открывало большие перспективы. Его ядро должно состоять из 94 протонов и 145 нейтронов, то есть всего из 239 нуклонов. Похожее соотношение количества нуклонов наблюдается у урана-235 (92 протона, 143 нейтрона). Простейшие вычисления подсказывали, что новый элемент будет расщепляться даже проще, чем уран-235. Получить его можно будет из распространенного повсюду урана-238, а учитывая тот факт, что это самостоятельный элемент, то отделить его от исходного урана химическим методом не составит особого труда. Льюис Тернер предположил, что элемент-94 – потенциально новое ядерное топливо, пригодное для поддержания цепной реакции.
Ученый набросал статью для публикации в "Физикал ревью", а к Лео Силарду обратился за советом: безопасно ли размещать ее в печати? "На первый взгляд это почти сумасшедшая гипотеза, – писал он, – и поэтому публикация вряд ли кому-то повредит. Но хотелось бы услышать чье-то еще мнение". Конечно, выводы Тернера были умозрительными, но Силард умел разглядеть ясную перспективу там, где остальные видели лишь туман. Он был потрясен заключениями, проистекавшими из того, что было изложено его коллегой. "Когда я понял выводы Тернера, – признался Силард впоследствии, – то перед моими глазами ясно предстало будущее атомной энергии". Он понял, что с применением элемента-94 осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, а значит, и создать атомную бомбу станет намного проще, чем раньше. В итоге Силард порекомендовал Тернеру отложить публикацию статьи "на неопределенный срок".
Несмотря на новые революционные открытия, Консультативный комитет по урану топтался на месте. Лео Силарду пришлось опять обратиться к Эйнштейну. 7 марта 1940 года знаменитый физик направил президенту Рузвельту второе письмо, в котором, в честности, сообщалось:
С начала войны в Германии усилился интерес к урану. Сейчас я узнал, что в Германии в обстановке большой секретности проводятся исследовательские работы, в частности в Физическом институте, одном из филиалов Общества имени кайзера Вильгельма. Этот институт передан в ведение правительства, и в настоящее время группа физиков под руководством К. Ф. фон Вайцзеккера работает там над проблемами урана в сотрудничестве с Химическим институтом. Бывший директор института отстранен от руководства, очевидно, до окончания войны.
Второе общее заседание Консультативного комитета состоялось 28 апреля. На нем был поставлен вопрос о более энергичной поддержке работ и лучшей их организации. Резолюция, принятая на втором заседании, эффекта не возымела.
Впрочем, на горизонте наконец-то замаячили некие перемены. Еще летом 1939 года Ванневар Буш оставил пост вице-президента Массачусетского технологического института и перешел на должность президента Научного института Эндрю Карнеги в Вашингтоне. Электротехник по образованию, с годами он становился все более практичным управленцем. Возглавив Институт Карнеги, Буш начал оказывать на законодателей давление: он хотел учредить государственную организацию, которая должна была заниматься поддержанием взаимного сотрудничества между учеными и военными. 12 июня 1940 года он представил свои аргументы Франклину Рузвельту. Благодаря его инициативе и поддержке президента был сформирован Национальный комитет по оборонным исследованиям (НКОИ).
Одним из первых действий Национального комитета стало взятие под надзор Консультативного комитета по урану. Незамедлительно было принято решение ввести строгий контроль над информацией: все документы по исследованиям расщепления ядра урана объявили совершенно секретными. На посту председателя комитета оставили Лаймана Бриггса. Однако он должен был регулярно отчитываться перед Джеймсом Конентом – президентом Гарвардского университета, вступившим в комитет по приглашению Буша. Теперь финансирование уранового проекта в гораздо меньшей степени зависело от военных советников с их вечным скептицизмом.
И все же коренным образом ситуация не изменилась. Буш и Конент осознавали явную угрозу, которую может представлять созданная Германией атомная бомба. Но вместо того чтобы настаивать на увеличении финансирования американской ядерной программы, они предпочли направлять исследования на получение доказательств невозможности создания такой бомбы. Ведь если бы это действительно оказалось так, то от нацистов не стоило ожидать угрозы ее применения. В докладе от 1 июля 1940 года Лайман Бриггс сообщал о прогрессе, достигнутом на данный момент, и просил выделить 40 000 долларов на крайне важные исследования – определение ядерных свойств изучаемых материалов. Еще 100 000 требовались ему для крупномасштабных экспериментов над уран-графитовым реактором. Однако комитету выделили только 40 000.
Учреждение Национального комитета по оборонным исследованиям породило непредвиденную проблему. Поскольку эта организация была чисто американской и занималась секретными военными проектами, то ее сотрудниками могли быть только граждане США. В результате Ферми, Силарда, Теллера и Вигнера отстранили от работы. Невероятный абсурд! Финансист Александр Сакс изо всех сил защищал ученых, доказывая, что вся работа Консультативного комитета по урану напрямую зависит от достижений этих эмигрантов, которым теперь запретили продолжать исследования.
Военная контрразведка провела все возможные проверки. Результаты были парадоксальны. Например, в обобщенном донесении об Энрико Ферми говорилось, что он, "вне всякого сомнения, фашист". Далее следовала рекомендация не допускать его к засекреченным исследованиям. В разведданных, касающихся Лео Силарда, сообщалось, будто он настроен "крайне прогермански" и "неоднократно высказывал свое мнение о том, что победителем в войне будет именно Германия". Его также рекомендовали отстранить от любых работ, объявленных секретными. Оба донесения ссылались на "полностью достоверные источники". Ирония заключалась в том, что информацией, которую стоило в первую очередь засекречивать, владели как раз те ученые, коих власти хотели отстранить от работы.
Донесения контрразведки в августе 1940 года отправили Джону Гуверу с просьбой привлечь к дальнейшим проверкам Федеральное бюро расследований. Данные, полученные его ведомством, почти слово в слово повторяли то, что ранее сообщали военные. Но рекомендации из донесений в полной мере выполнены не были: аргументы Александра Сакса оказались сильнее. Всем четверым физикам-эмигрантам разрешили участвовать в проекте, правда не в качестве полноправных членов Национального комитета, а только как консультантам.
Хотя проект получил гораздо более высокий статус, работа продвигалась медленно. Объективности ради следует сказать, что все полученные на тот момент результаты выглядели обескураживающими. Стало точно известно, что под воздействием медленных нейтронов расщепляется только изотоп уран-235, однако отделить его от урана-238, по мнению ученых, было очень сложно. Первые данные, указывающие на возможность создания самоподдерживающегося уранового реактора, обнадеживали и разочаровывали одновременно. Предполагалось, что очищенный графит послужит неплохим замедлителем, однако до сих пор не было точно известно, возможна ли самоподдерживающаяся цепная реакция в урановом "котле", в котором количество урана-235 не увеличено (то есть он не обогащен). Если удастся построить и запустить реактор, то в нем при поглощении нейтронов ядрами урана-238 должен образоваться элемент-94 (плутоний), который выделить, судя по всему, гораздо проще. В свою очередь, этот элемент также мог быть расщепляемым. В довершение ко всему Эдвард Теллер произвел вычисления, результаты которых позволяли предположить, что масса урановой бомбы превышает 30 тонн. Даже если допустить, что подобное устройство все-таки получится привести в действие, доставить его к цели будет невозможно ни одним из известных способов.
Таким образом, целый год для американского уранового проекта был безвозвратно потерян. В сомнениях оставались и физики, и политики, и военные. Но именно в это время в Великобритании произошел настоящий прорыв в области теоретических предпосылок к созданию атомной бомбы.
Прямая и явная угроза
Британские физики по праву могли гордиться своими достижениями. Именно в Великобритании вскоре после окончания Первой мировой войны Эрнест Резерфорд "расщепил атом". Именно в Великобритании неуклонно развивалась Кавендишская лаборатория Кембриджского университета, слава о которой распространилась по всему миру. Логично предположить, что именно здесь в связи с угрозой военной опасности будет исследоваться возможность изготовления атомного оружия. Но поначалу дело обстояло не так: все силы были брошены на конструирование радара, который мог уберечь территорию Великобритании от неожиданных и сокрушительных налетов люфтваффе.
Попытку продолжать эксперименты с атомным ядром предпринял лишь один ученый – Джордж П. Томсон, сын знаменитого Джозефа Томсона, который, как мы помним, придумал модель атома в виде "пудинга с изюмом". Томсон-младший знал о войне не понаслышке: в 1914 году он отказался от чтения лекций и вступил в армию. После войны он возвратился в Кембридж и выполнил в Кавендишской лаборатории экспериментальные исследования по аэродинамике, а в 1930 году был назначен профессором физики в Имперском колледже науки и техники. Именно здесь Томсон прочитал в журнале "Нейчур" о работах коллектива Жолио-Кюри в Париже. "Я начал думать о некоторых экспериментах с ураном, – рассказывал он позднее. – И то, о чем я думал, представляло нечто большее, чем чисто академические исследования, поскольку в основе моих раздумий лежали мысли о возможности создания оружия".
Для проведения экспериментов Джорджу Томсону потребовалось около тонны окиси урана. Его целью было получить ответ на вопрос: можно ли осуществить продолжительную цепную реакцию, используя окись урана и воду или парафин в качестве замедлителя? Интересно, что парафин Томсон и его сотрудники добывали из обычных елочных свечек. Главная проблема состояла в том, чтобы найти такие варианты комбинаций окиси и замедлителя, которые обеспечили бы желаемое размножение нейтронов. Проходило лето, и становилось все более очевидным, что получение цепной реакции в уране таким способом – дело сложное. И к концу августа 1939 года физикам стало казаться, что высвобождение атомной энергии – дело отдаленного будущего. Выход следовало искать в использовании тяжелой воды, но в Великобритании ее было очень мало.
Такие пессимистические, но хорошо обоснованные взгляды сказались на содержании письма, направленного в конце последнего предвоенного лета Уинстоном Черчиллем государственному секретарю по авиации Кингсли Вуду:
Несколько недель назад одна из воскресных газет поместила статью об огромных количествах энергии, которую можно выделить из урана с помощью недавно открытых цепных процессов, возникающих при расщеплении атома урана нейтронами. На первый взгляд могло показаться, что это предвещает появление новых взрывчатых веществ сокрушительной мощности. <…>
Возможно, что будут умышленно распускаться слухи (как делается всегда, когда усиливается международная напряженность) относительно использования этого процесса для производства какого-то ужасающего нового секретного взрывчатого вещества, способного смести Лондон с лица Земли. Несомненно, что "пятая колонна" попытается повлиять на нас и посредством этой угрозы посеять дух капитуляции. По этой причине категорически необходимо установить истинное положение дел.
Во-первых, самые лучшие авторитеты считают, что лишь небольшая составная часть урана эффективно участвует в этих процессах. Использование же их в крупных масштабах – дело многих лет. Во-вторых, цепная реакция возможна лишь в том случае, если уран собран в большую массу. По мере нарастания энергии масса будет взрываться с умеренной детонацией, до того как произойдут какие-либо сильные эффекты. Это может оказаться тем же, что и современные взрывчатые вещества, и маловероятно, чтобы могло произойти что-нибудь значительно более опасное. В-третьих, данные эксперименты не могут быть проведены в малом масштабе. Если бы они были успешно выполнены в большом масштабе (то есть с результатами, которые угрожали бы нам вне зависимости от шантажа), то это невозможно было удержать в секрете и мы бы узнали о них. В-четвертых, на территории Чехословакии, контролируемой Берлином, урана имеется сравнительно немного.
Поэтому боязнь того, что новое открытие обеспечит нацистов каким-то зловещим новым секретным взрывчатым веществом, с помощью которого они уничтожат своих противников, очевидно, не имеет оснований. Несомненно, будут делаться туманные намеки и непрестанно распускаться пугающие шепотки, но следует надеяться, что никто им не поддастся.
Многие замыслы об атомной бомбе, в сентябре 1939 года казавшиеся в какой-то степени реальными, в первые месяцы войны потеряли всякое значение. В научно-популярных журналах еще могла обсуждаться возможность такого оружия, однако физики имели другое мнение на этот счет. Они знали, что с помощью замедленных нейтронов можно изготовить "котел", но бомбу с разрушительной силой, оправдывающей затраченные на нее усилия, – едва ли. Что касается быстрых нейтронов, то они, казалось, никогда не смогут стать спусковым механизмом чудовищного взрыва.
Такое безнадежное положение дел обернулось реальным прорывом из-за двух обстоятельств. Одним из них стало подстегивающее действие страха при мысли, что кто-то в Германии найдет ключ к решению проблемы (чего совершенно не было в США, если исключить Лео Силарда с его богатым воображением). Другим была не потерянная еще уверенность, что небывалый взрыв все же можно получить, если изготовить блок из чистого урана, превосходящий "критическую массу". В таком блоке быстрые нейтроны могли быть достаточно эффективными, чтобы произвести взрыв, даже если большая часть их захватят ядра урана-238.
О такой возможности физики знали давно, и в начале 1939 года она служила темой для шуток, которые можно было слышать в студенческих аудиториях Кембриджа. Говорили, что физики в состоянии легко разрешить "проблему Гитлера". Достаточно сотрудникам дюжины лабораторий упаковать в виде посылок имеющийся у них уран, адресовать их фюреру и высылать почтой по заранее составленному расписанию. Посылки стали бы прибывать в различное время дня и попадать к Гитлеру на письменный стол. Наконец прибудет последняя "критическая" посылка. Самая тщательная проверка ничего не даст: посылка будет выглядеть совершенно безобидно до тех пор, пока ее не положат на стол рядом с остальными. И в тот же момент фюрер исчезнет в пламени атомного взрыва.
Как бы ни шутили, оставалось препятствие, кажущееся непреодолимым: вопрос о размере критической массы. Хотя точных чисел назвать никто не мог, а вычисления были весьма сложными, ученые представляли себе, что критическая масса, если она вообще существует, должна значительно превосходить все количество чистого урана, добытого за год. Высказывались предположения, что если бы даже и удалось ее получить, то взрыв атомной бомбы был бы эквивалентен взрыву нескольких тонн тринитротолуола или аналогичного ему химического взрывчатого вещества – и не больше.
В Великобритании разрешением этого вопроса занимался берлинец Рудольф Пайерлс, эмигрировавший сначала в Цюрих, а затем перебравшийся в Кембридж. Пайерлс, подобно многим другим эмигрантам, испытавшим на себе давление нацистского режима, постоянно находился в тревоге из-за слухов о том, что в Германии может появиться оружие, с помощью которого Гитлер поработит весь мир. Летом 1939 года профессор Пайерлс решил определить критическую массу блока из чистого урана. Вопрос и ответ, приведенные в статье, полученной Кембриджским физическим обществом 14 июня, носили вроде бы чисто академический характер. Пайерлс писал, что цепная реакция, вызываемая размножением нейтронов, по-видимому, осуществима в чистом уране. Он добавлял, что "размножение нейтронов возможно только в том случае, если путь, пройденный каждым нейтроном внутри тела, достаточен, чтобы произошло столкновение". Далее он предлагал серии уравнений, в которые было необходимо лишь подставить ядерные константы, чтобы получить критическую массу урана (то есть размер возможной бомбы). Позднее он рассказывал, что его проверочный расчет давал массу в несколько тонн и огромные размеры, поэтому он с легкой душой отправил статью в печать, полагая, что такую "махину" никогда и никто построить не сможет. Статья под заголовком "Критические условия процесса размножения нейтронов" была опубликована в октябрьском выпуске "Трудов Кембриджского физического общества" – через несколько недель после начала войны.
Тут эстафету подхватил Джеймс Чедвик – тот самый английский физик, который в 1932 году открыл нейтрон. Через три года после своего выдающегося открытия Чедвик перебрался из Кембриджа в Ливерпуль, где занялся сооружением первого британского циклотрона. К началу 1939 года на циклотроне было проведено немало работ, и Чедвику удалось сколотить неплохой коллектив экспериментаторов. Среди них был талантливый молодой поляк Джозеф Ротблат, первым осуществивший в Варшаве эксперименты по ядерному делению.
Мысль о том, что цепная реакция деления урана может послужить основой для создания бомбы, возникла у Джеймса Чедвика поздней осенью 1939 года. Как он думал, реакция, распространяемая медленными нейтронами (единственный вариант, рассматривавшийся в то время), способна вызвать эффект, лишь ненамного отличавшийся от того, который дает сильно взрывчатое химическое вещество. Поэтому, чтобы изготовить новый вид оружия, нужно получить цепную реакцию, инициируемую быстрыми нейтронами. Такая реакция казалась невозможной в природном уране, хотя бы и в большом объеме. Чедвик решил исследовать уран-235, установив раз и навсегда его эффективное поперечное сечение на быстрых нейтронах.
Серию экспериментов на циклотроне он начал в январе 1940 года. Непосредственной работой занимался Джозеф Ротблат. После запуска циклотрона записывающие приборы показали ежеминутное возникновение нескольких перемежающихся всплесков на кривой. Затем настала очередь урана-235. Разница в результатах оказалась громадной: аппаратура записала очень высокую активность. Атомы урана-235 расщеплялись со скоростью, которая в 10 000 раз и более превосходила скорость деления атомов урана-238. Теперь оставалось определить, какая критическая масса урана-235 потребуется для того, чтобы вызвать атомный взрыв.