К тому времени, когда второе совещание Комитета все-таки состоялось, ученые Альфред Нир из университета Миннесоты и Джон Даннинг из Колумбийского университета получили экспериментальные доказательства того, что деление ядер урана под действием медленных нейтронов происходит именно благодаря изотопу U. Таким образом, гипотезы Бора и Уилера наконец подтвердились. В эксперименте использовались уран-235 и уран-238, добытые в крошечных пропорциях из урановых соединений хлора и брома. В результате своих опытов Нир и Даннинг пришли к выводу, что цепная реакция деления осуществима и без использования максимально очищенного урана-235.
Мнения членов Консультативного комитета теперь разделились. Бриггс начал открыто выражать сомнения в возможности цепной реакции при использовании одного лишь природного урана. Сакс настаивал на том, что в любом случае необходимо продолжать работать с реактором, в котором, по мнению Сциларда, уран должен сочетаться с графитом. Все в Комитете сходились только в одном - следует ждать результатов экспериментов по измерению коэффициента поглощения нейтронов ядрами графита.
Средства проекта были перечислены в Колумбийский университет и использованы на покупку большого количества очищенного графита. Сцилард очень тщательно подошел к выбору материала и проследил за тем, чтобы графит имел как можно меньше примесей. За завтраком с представителями "Национальной угольной компании" он пытался выяснить, какие посторонние вещества могут встречаться в графите, который есть в продаже на данный момент. Он намеренно заострял внимание на потенциальном наличии загрязняющих примесей: по его мнению, эти примеси также могли начать поглощать нейтроны, лишив тем самым ученых возможности подсчитать коэффициент их поглощения ядрами самого графита. Он даже поинтересовался полушутливым тоном: "Вы ведь не добавляете бор в ваш графит?"
Его собеседники смущенно замолкли и взглянули друг на друга. В основном графит использовали тогда в качестве материала для электродов, с помощью которых создавалась электрическая дуга. Технология изготовления электродов в обязательном порядке предусматривала использование бора. Поэтому весь реализуемый графит не был абсолютно чистым. Однако теперь, по согласованию со Сцилардом, представители компании обещали поставки большого количества материала, изготовленного по технологии, которая исключала использование бора.
Четыре тонны графита в тщательно упакованных брусках доставили в лабораторию Колумбийского университета точно в обещанный срок. После того все бруски распаковали и сложили их в аккуратный штабель, ученые стали походить на заправских шахтеров. К счастью, эксперименты по измерению коэффициента поглощения нейтронов ядрами графита дали однозначно положительные результаты, доказав, что этот материал вполне мог быть использован в качестве замедлителя. Таким образом, к появлению на свет ядерного реактора, в котором урановые элементы чередовались бы с графитовыми, был сделан очень важный шаг.
Сцилард призывал Ферми не обнародовать все результаты в печати. Отношения между ними и так оставляли желать лучшего, а теперь и вовсе дошли до точки. Эти два ученых были совсем разными людьми. Сцилард - одиночка, всегда готовый бросить вызов общепринятой точке зрения и устоявшимся манерам поведения, что порой носило чрезмерно бурный характер. Ферми же, наоборот, всегда оставался ученым до мозга костей, был гораздо более вежлив и легко соглашался сотрудничать. Мир, лежащий за пределами собственных научных интересов, мало интересовал Энрико. Жизненный опыт Сциларда, наоборот, приучил его очень внимательно следить за всем, что не относилось к науке, и, по его глубокому убеждению, ученые были просто обязаны нести ответственность за поступки, тем или иным образом изменявшие мир. "С того самого момента, как мы с Ферми начали работать вместе, у нас не было ни малейшего взаимопонимания в тех вопросах, которые касались не науки, а выбора правильной линии поведения перед лицом приближающейся войны", - писал он позже.
Сцилард к тому же своим поведением нередко выводил людей из себя. То же произошло и с Ферми. Он считал стремление своего коллеги держать все в секрете полнейшим абсурдом, но все же вынужден был подчиниться оказываемому давлению. Результаты исследований в печать не попали.
Суперциклотрон
Эрнест Лоуренс воистину стал провидцем. Вообще-то изобретатель циклотрона разрушал все шаблонные представления об ученом-физике. Светловолосый и голубоглазый выходец со Среднего Запада, имевший норвежские корни, он никогда не забывал о тех ценностях, которые были ему привиты вместе с лютеранским воспитанием. Эти же ценности он привносил и в науку, которой занимался. Любовь к модным костюмам и властные манеры делали Лоуренса похожим скорее на бизнесмена, чем на ученого. Однако, по правде говоря, руководство такой научной организацией, которую он старался создать на базе Беркли - радиационной лабораторией, - требовало как раз делового подхода. Подростком Лоуренсу приходилось приторговывать кухонной утварью, так что у него было достаточно опыта для проведения торговых сделок, да и про то, как собираются средства, он знал не совсем понаслышке.
Циклотрон был изобретен им в 1929 году. Чтобы заставить поток протонов двигаться по кругу, можно использовать магнит. Если затем воздействовать на протоны еще и переменным электрическим полем, то скорость движения частиц будет все возрастать. Как выяснил Лоуренс, именно так и должен работать аппарат, открывавший человеку путь к секретам атомного ядра. На постройку маленькой демонстрационной модели у него ушло всего 25 долларов. Диаметр устройства составлял чуть более 10 сантиметров. Снаружи оно было залито красным сургучом. Хотя модель пока не сообщала протонам той большой энергии, о которой говорил Лоуренс, ее работа уже в достаточной степени впечатлила его коллег и доказала, что устройство действительно эффективно. Только научное название аппарата - циклический резонансный ускоритель - было слишком неудобным и непонятным. Слово "циклотрон" звучало фантастически-загадочно, а значит, было гораздо более привлекательным для потенциальных спонсоров.
Лоуренс мыслил уже в глобальных масштабах, так что производство подобных аппаратов он поставил на поток.
Циклотрон с магнитом, полюсный наконечник которого имел диаметр около 28 сантиметров, придавал протонам энергию, равную более чем миллиону электрон-вольт. Затем диаметр увеличили до 68 сантиметров, а вскоре и до 94. Когда в январе 1939 года в Беркли узнали о расщеплении ядра урана, Лоуренс как раз планировал 152-сантиметровый циклотрон, который придавал протонам энергию, равную приблизительно 20 миллионам электрон-вольт. Вес магнита в подобном устройстве составлял 200 тонн.
Циклотрон диаметром 152 сантиметра едва только заработал в лаборатории Крокера, одном из структурных подразделений радиационной лаборатории, а Лоуренс уже трудился над новым устройством. Его очередным детищем должен был стать гигантский суперциклотрон диаметром более 300 сантиметров, магнит в котором весил уже 2000 тонн. По оценкам изобретателя, такое устройство давало протонам энергию в 100 миллионов электрон-вольт, что практически равнялось той, которая выделяется при ядерных реакциях. Лоуренс обратился в Фонд Рокфеллера с просьбой о материальной поддержке. Энтузиазм ученого вырос еще больше, когда 9 ноября, прямо во время игры в теннисном клубе Беркли, ему сообщили о только что присужденной Нобелевской премии по физике.
Воодушевление Лоуренса росло, и незадолго до Рождества он решил еще увеличить размеры будущего суперциклотрона. Теперь в нем должен был стоять 5000-тонный магнит с полюсным наконечником диаметром 467 сантиметра (максимальный размер имевшихся в продаже стальных пластин). По расчетам, аппарат должен был обойтись в полтора миллиона долларов.
В сентябре в Европе разразилась война, и Лоуренсу пришлось немало поволноваться - лишь после нескольких дней напряженного ожидания он узнал, что его брат, находившийся судне "Атения", потопленном 2 сентября немецкой подлодкой, не пострадал. Но в радиационной лаборатории все было как обычно. С помощью 152-сантиметрового циклотрона ставились интересные эксперименты с ураном, однако их проведение никак не было связано с началом войны. Пока никоим образом не ощущалось, что лаборатория вовлечена в военные исследования.
Сохранилась фотография тех времен, на которой запечатлены все сотрудники радиационной лаборатории, выстроившиеся в три ряда под 152-сантиметровым циклотроном. Лоуренс сидит в центре первого ряда, Оппенгеймер также в центре, но в последнем ряду. Крайние справа в первом и втором рядах - двое сотрудников, занимавшихся в тот момент исследованиями урана, - Эдвин Макмиллан и Филипп Абельсон.
Макмиллан - уроженец Калифорнии - уже много лет работал с циклотронами Лоуренса. Когда стало известно о том, что атомное ядро расщепляемо, он решил провести простые эксперименты - только чтобы подтвердить данный феномен. Но теперь он уже испытывал немалый интерес к отдельным свойствам недавно открытого процесса. В результате бомбардировки нейтронами ядра урана образовалось радиоактивное вещество, период распада которого равнялся приблизительно 23 минутам. Подобно Гану, Штрассману и Мейтнер, Макмиллан посчитал его ураном-239, полученным после резонансного захвата нейтрона преобладающим изотопом - U. Однако выделено было еще одно вещество с периодом распада примерно в два дня.
Макмиллан считал, что это некий новый элемент, образующийся при испускании ураном-239 бета-частицы - в ходе превращения нейтрона в протон. Подобно размышлявшему в берлинской подземке Вайцзеккеру, американский ученый пришел к выводу, что данное вещество - элемент с атомным номером 93, - возможно, первый в ряду трансурановых элементов. И точно так же, как это сделал Ган, Макмиллан посчитал, что новый элемент по своим свойствам должен походить на рений.
При помощи одного из научных сотрудников Беркли, а именно Эмилио Сегре, работавшего ранее в Риме вместе с Ферми, Эдвин попытался собрать экспериментальные доказательства того, что химические свойства элемента близки к тем, которыми обладает рений. Эксперименты, однако, не дали никакого заметного результата. Казалось, трансурановые элементы так и будут оставаться неизученными. Результаты исследований Сегре опубликовал в Physical Review с комментарием: "Поиск трансурановых элементов не увенчался успехом".
Макмиллан тем временем уточнил данные о периоде распада таинственного вещества за номером 2. Согласно последним измерениям, он составлял 2,3 дня. Ученый твердо намеревался распознать этот элемент. Весной 1940 года для дальнейших исследований он использовал 152-сантиметровый циклотрон. Теперь ему помогал еще и Абельсон, который к тому времени уже перебрался в Вашингтон, в Институт Карнеги, но в апреле вернулся в Беркли, находясь в рабочем отпуске. Поскольку он занимался еще и химией, то полностью сфокусировался на распознании химических свойств неизвестного вещества.
Как оказалось, по свойствам оно не так уж сильно отличалось от урана. Известно, что еще раньше Бор высказал предположение о том, что если трансурановые элементы существуют, то их химические свойства будут схожи с теми, которыми обладает и сам уран. Дальнейшие исследования совершенно точно показали, что вещество с периодом распада в 2,3 дня образовалось напрямую из урана-239, период распада которого составляет 23 минуты. Таким образом, напрашивался единственный вывод: это таинственное вещество - тот самый "элемент-93".
Макмиллан уже придумал имя новому элементу - нептуний, - но решил до поры до времени не распространяться об этом. Новый элемент стоял в периодической таблице следом за ураном, точно так же, как планета Нептун в Солнечной системе находится сразу за Ураном - отсюда и название. Не видя особых причин скрывать свое открытие, 27 мая Макмиллан и Абельсон отослали в американский журнал Physical Review статью, в которой рассказывали обо всех результатах своей работы. 15 июля она была опубликована. Когда журнал получили в Берлине - уже в июле, - ее с огромным интересом начал изучать Вайцзеккер.
Новое открытие логичным образом породило очередной вопрос. Если элемент-93 радиоактивен, имеет период распада, равный 2,3 дня, то во что он превращается в результате этого распада? У Макмиллана уже имелись мысли на сей счет. Он считал, что элемент-93 распадается, возможно, также с испусканием бета-частицы и превращением в протон еще одного нейтрона. Таким образом, образуется элемент-94. С целью доказать это ученый немедленно взялся за исследования.
Почти сумасшедшая гипотеза
По всей видимости, Сцилард ничего не знал о готовящейся статье Макмиллана и Абельсона до того момента, когда она была опубликована. У них даже и мысли не было о том, чтобы спросить его совета, безопасно ли размещать материалы своих исследований в открытой печати. Однако, по чистому совпадению, в тот же самый день, когда Макмиллан и Абельсон отправили статью в редакцию журнала, Сцилард получил от Льюиса Тернера из Принстона, занимавшегося теоретической физикой, рукопись с материалами по тому же самому вопросу.
В январе 1940 года Тернер изучил всю доступную литературу по расщеплению ядра урана и опубликовал ее обзор в журнале Reviews of Modem Physics. Проделанная работа дала немало пищи для размышлений. Несмотря на то что всеобщее внимание было обращено на изотоп U, Тернер начал упрямо развивать идею получения атомной энергии из стабильного, но гораздо более распространенного урана-238. Резонансный захват нейтронов ядром урана-238 рассматривался как досадная помеха, ликвидировать которую можно было в реакторе, используя подходящий замедлитель. Дальше Тернер размышлял примерно так же, как Вайцзеккер, Макмиллан и Абельсон.
Захват нейтрона ядром урана-238 должен был создавать нестабильный изотоп уран-239, при распаде которого выделялся бы элемент с атомным номером 93. В своих мыслях Тернер пошел еще дальше. Исходя из известных ему теоретических принципов, он сделал вывод о том, что элемент-93 будет довольно нестабильным и довольно быстро претерпит распад, образовав элемент с атомным номером 94.
Получение этого элемента открывало неизвестные ранее перспективы. Его ядро должно было состоять из 94 протонов и 145 нейтронов, то есть всего из 239 нуклонов. Похожее соотношение количества нуклонов наблюдается и у урана-235 (92 протона, 143 нейтрона). Самые простые вычисления подсказывали, что новый элемент будет расщепляться еще проще, чем уран-235. Получить его можно из распространенного повсюду U, а учитывая тот факт, что это самостоятельный элемент, то отделить его от исходного урана химическим методом не составит особого труда. По мнению Тернера, элемент-94 - потенциально новое ядерное топливо, которое можно использовать для поддержания цепной реакции.
Тернер набросал статью для публикации в Physical Review и теперь хотел узнать мнение Сциларда, безопасно ли размещать ее в печати. "На первый взгляд это почти сумасшедшая гипотеза, и поэтому публикация вряд ли кому-то навредит, но хотелось бы услышать и чье-то еще мнение", - с этими словами он обратился к венгерскому ученому.
В сущности, выводы Тернера были умозрительными, но Сцилард всегда видел за лесом отдельные деревья. Он был потрясен заключениями, проистекавшими из того, что было изложено его коллегой. "Когда я понял выводы Тернера, - скажет Сцилард впоследствии, - то перед моими глазами ясно предстало будущее атомной энергии". Он начал опасаться того, что с применением элемента-94 осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, а значит, и создать бомбу станет намного проще, чем раньше.
В итоге Сцилард рекомендовал Тернеру отложить публикацию статьи "на неопределенный срок".
"Вне всякого сомнения, фашист"
Несмотря на все новые и новые открытия, действия Консультативного комитета по вопросам использования урана продолжали напоминать движения черепахи. По всей видимости, осмотрительность была у Бриггса в крови. Двигался вперед он всегда только с одной скоростью - ужасающе медленно.
Однако на горизонте наконец замаячили перемены. Летом 1939 года Ванневар Буш оставил пост вице-президента Массачусетского технологического института и перешел на должность президента Института Карнеги в Вашингтоне. Электротехник по образованию, с годами он становился все более практичным управленцем. Во время Первой мировой войны он работал над магнитным устройством для обнаружения подводных лодок. Хотя прибор и работал достаточно хорошо, но применять его так и не начали. Полученного тогда опыта Бушу было достаточно, чтобы понять одно: занимаясь во время войны разработкой оружия, необходимо должным образом организовать связь между военными и гражданскими исследованиями.
Став президентом Института Карнеги, Буш начал оказывать на законодателей давление: он хотел учредить государственную организацию, которая и должна была заниматься поддержанием подобной связи. 12 июня 1940 года он представил свои аргументы самому Рузвельту, кратко сформулировав их в четырех маленьких абзацах. Благоприятную почву уже подготовили заранее - это сделал помощник Рузвельта Гарри Гопкинс. Таким образом, появление Национального комитета по оборонным исследованиям (НКОИ) было уже решенным делом. Основной целью организация обозначила руководство любыми исследованиями, проводящимися для военных нужд.
Одним из первых действий Национального комитета стало взятие под надзор Консультативного комитета по вопросам использования урана. Незамедлительно было принято решение ввести строгий контроль над информацией: все документы по исследованиям расщепления ядра урана объявили совершенно секретными. На посту председателя Комитета оставили Бриггса. Однако он должен был регулярно отчитываться перед Джеймсом Брайентом Конэнтом - президентом Гарвардского университета, вступившим в НКОИ по приглашению Буша. Теперь финансирование Комитета в гораздо меньшей степени зависело от военных советников с их извечным скептицизмом.