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. 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, 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 атомнойбомбы, 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. 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 (U), 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 U баланс между отталкивающей силой протонов в ядре атома и силой поверхностного натяжения, удерживающей ядро от распада, гораздо более хрупкий, чем в изотопе U. 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, U превращается в U, в ядре которого 92 протона и 144 нейтрона, то есть четное число обоих нуклонов. Когда U принимает добавочный нейтрон, то образуется изотоп U 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 U требуются быстрые нейтроны, а гораздо менее стабильное ядро U разделить можно медленными. Таким образом, если изготовить бомбу, состоящую из смеси U и U, 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 U - редкий изотоп и его доля по отношению к природному урану составляет 1:140, то есть ничтожные 0,7 %. К тому же U и U 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 Коварскиопубликовали 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. 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:
Мы хотели бы привлечь ваше внимание к недавним событиям в ядерной физике, которые, по нашему мнению, делают возможным создание нового взрывчатого вещества, многократно превосходящего обычную взрывчатку по своим разрушительным свойствам… Страна, первой поставившая себе на службу могучую энергию атома, обретет невероятное превосходство над любым соперником.
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 U. 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, 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. 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.