Текст книги "Гейзенберг. Принцип неопределенности. Существует ли мир, если на него никто не смотрит?"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 10 страниц)
Наверное, мы, люди, когда-нибудь осознаем, что можем полностью уничтожить Землю, стать творцами «последнего дня» или чего-то очень похожего.
Гейзенберг в письме к историку Герману Хаймпелю, октябрь 1941 года
Гейзенберг изучал возможные проекты «машины», позволявшие уловить максимально возможное число нейтронов и обеспечить поддержание цепной реакции.
Прототипы содержали чередующиеся слои металлического урана и замедлителя, которые имели форму сферы или цилиндра. Изучив результаты измерений, полученные Вальтером Боте, Гейзенберг отказался от использования графита в качестве замедлителя и предложил заменить его тяжелой водой, в которой вместо атомов водорода содержатся атомы его изотопа, дейтерия.
Союзники пошли по другому пути, так как получить графит, даже высокой степени очистки, проще, чем тяжелую воду. Единственная в мире фабрика по ее производству находилась в норвежском городе Веморк. Месячная норма выпуска составляла примерно 300 литров. Немцы получили доступ к тяжелой воде лишь после оккупации Норвегии в апреле 1940 года, однако производство прерывалось в результате атак норвежского Сопротивления и бомбардировок союзников. В 1943 году фабрика была полностью разрушена. Вскоре после подготовки доклада Гейзенберг возглавил работу над прототипом, которая велась в Лейпциге, а также был привлечен в качестве консультанта к постройке прототипа в Берлине.
С самого начала стало понятно, что обогащение урана U235 – крайне трудная задача. Требовалось отделить изотопы U238 и U235 на основе очень малой разницы масс, для чего применялся метод газовой диффузии, ультрацентрифуга или масс-спектрограф. Однако количество изотопа U235, полученное в ходе лабораторных опытов, было в тысячи и даже миллионы раз меньше, чем требовалось. По оценкам Гейзенберга, критическая масса U235 составляла от 20 кг («размером с ананас») до нескольких тонн.
Вскоре немецкие и американские физики одновременно обнаружили альтернативу U235. Когда неустойчивый изотоп U238 захватывает нейтрон, то превращается в изотоп U239. При распаде этого изотопа образуется элемент с Z = 93 – сегодня он называется нептуний-239 (Np239). Карл Фридрих фон Вайцзеккер подготовил секретный доклад, в котором указал, что этот элемент также можно использовать для изготовления бомбы. Важное отличие Np239 от U235 заключалось в том, что нептуний можно было получить химическими методами. Np239 распадается за несколько дней, а результатом распада является элемент с Z = 94, известный сегодня как плутоний Pu239. Он также нестабилен, однако его период полураспада составляет примерно 25 000 лет, так что получение и хранение элемента не представляет особых трудностей и позволяет при необходимости применять в военных целях гражданские атомные реакторы. В конце августа 1941 года немецкие ученые увидели, что перед ними, как позднее вспоминал Гейзенберг, «открылся путь, ведущий к атомной бомбе». Но чтобы следовать этим путем, требовался работающий ядерный реактор, а построить его никак не удавалось.
В декабре 1941 года произошли два события, которые повлияли на планы немецких военных: в войну вступили Соединенные Штаты Америки, а продвижение немецких войск на Восточном фронте замедлилось. План блицкрига провалился, и теперь победа зависела от имевшихся промышленных и трудовых ресурсов. С декабря 1941 по июнь 1942 года руководители немецкой ядерной программы провели несколько совещаний с властями, чтобы принять окончательное решение о создании бомбы. Гейзенберг участвовал во всех совещаниях и неизменно заявлял одно и то же: для создания нового оружия требуется несколько лет. В числе основных препятствий он называл технические сложности, связанные с необходимостью постройки реактора и выделением обогащенного урана U235. На последней встрече министр вооружений Альберт Шпеер пришел к выводу, что до окончания войны в лучшем случае удастся построить реакторы для кораблей и подводных лодок, поэтому решил уделить основное внимание проектам Вернера фон Брауна по созданию крылатых ракет. Круг работ в рамках ядерной программы был ограничен созданием реактора. Немалую роль в принятии решения сыграла также убежденность немецких ученых и военных в том, что Германия опережает союзников в исследованиях, посвященных делению ядра, так что атомная бомба не должна оказать определяющего влияния на исход войны.
Энергия, высвобождаемая при делении ядра
Во время химической реакции происходит обмен слабо связанными электронами между атомами и молекулами. Энергия обычно измеряется в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт определяется как энергия, получаемая электроном при разности потенциалов в 1 В, и равен 1,6 • 10-19 Дж. На практике эти величины выражаются в кДж/моль (килоджоулях на моль). Напомним, что 1 моль вещества содержит 6 • 1023 атомов или молекул (так называемое число Авогадро). К примеру, при сжигании метана выделяется в среднем 800 кДж/моль энергии, что соответствует примерно 8 эВ на молекулу. Энергия, высвобождаемая при ядерных реакциях, измеряется в МэВ, то есть в миллионы раз превышает энергию, которая выделяется при химических реакциях. Используем знаменитое уравнение Эйнштейна Е = m • с² , которое выражает эквивалентность массы и энергии, и вычислим энергию, высвобождаемую при делении ядра: U236 -› Ba141 + Kr92 + 3n. В атомных единицах массы (а. е. м.) масса исходного ядра U236 равна 236,0456 а.е. м., сумма масс продуктов реакции равна 140,9144 (Ba141)+91,9262 (Kr92)+3 • 1,0087 (3 нейтрона)=235,8667 а.е. м.
Определив разность масс 236,0456-235,8667 = 0,1789 а.е.м., получим энергию, высвобождаемую в ходе реакции. Чтобы получить значение этой энергии в джоулях, нужно использовать следующие значения: 1 а.е.м. = 1,66•10-27 кг, с = 3•108 м/с. Следовательно, высвобождаемая энергия равна 2,7 • 10-11 Дж. Это значение соответствует одному из вариантов деления ядра. Если учесть все возможные варианты, получим среднее значение в 3,2 • 10-11 Дж, что эквивалентно 200 МэВ. Эта величина крайне мала (кинетическая энергия ползущей улитки в миллион раз больше), но не будем забывать, что такая энергия выделяется при делении одного ядра атома U236. Если мы умножим эту величину на число Авогадро, то получим, что при делении 236 граммов U236 выделяется примерно 2•1013 Дж энергии. Для сравнения, при взрыве тонны тротила высвобождается 4 •109 Дж энергии, то есть примерно в 5000 раз меньше.
Первая управляемая цепная реакция
Первый экспериментальный реактор был построен под руководством Энрико Ферми в 1942 году под футбольным стадионом Чикагского университета. Авторство рисунка принадлежит Мелвину Миллеру, одному из участников эксперимента. Реактор состоял из блоков металлического урана и оксида урана, выложенных в форме куба и заключенных в графит, который играл роль замедлителя нейтронов. Снаружи реактор был обложен кирпичами. Источник нейтронов, расположенный в центре реактора, вызывал деление первых ядер урана. Нейтроны, высвобожденные при делении, регистрировались счетчиками, расположенными в разных точках реактора. Датчики производили звуковые сигналы, которые передавались оператору за пультом управления (не показан на рисунке). Растущая интенсивность звуковых сигналов указывала начало самоподдерживающейся цепной реакции. Скорость реакции можно было изменять с помощью кадмиевых стержней, которые исполняли роль поглотителя нейтронов и вставлялись в реактор через отверстия, изображенные на рисунке. Для этого оператор должен был взобраться по лестнице и поместить в реактор деревянные бруски, обернутые кадмиевой пленкой.
В глазах людей ученый стал подобен волшебнику, которому подчиняются силы природы. Однако эта волшебная сила может привести к чему-то хорошему только в случае, если ученый будет одновременно и священником и будет действовать только так, как ему указывают Бог или судьба.
Из рукописи Гейзенберга 1942 года, опубликованной в 1984 году под названием «ORDNUNG DER WlRKLICHKEIT» («ПОРЯДОК ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ»)
Проект реактора Гейзенберга, в котором чередовались слои урана и тяжелой воды, был малоэффективным. Курту Дибнеру удалось создать намного более эффективный реактор, в котором пустотелые кубы из металлического урана были погружены в тяжелую воду. С увеличением площади соприкосновения урановых кубов и тяжелой воды замедление нейтронов было более эффективным, следовательно, вероятность деления атомных ядер повышалась. Однако несогласованность действий различных групп и упрямство Гейзенберга, который настаивал на использовании своего проекта, привели к тому, что внедрение прототипа Дибнера шло медленно. Бомбардировки союзников вынудили перевести лаборатории, где велись работы над ядерным проектом, на юг Германии. Эксперименты не прекращались до последних дней войны. Может показаться удивительным подобное упорство ученых, которые продолжали работу несмотря на неизбежное поражение. Однако немецкие физики были убеждены в своем превосходстве над союзниками и считали, что наличие работающего реактора даст им преимущество во время послевоенных переговоров. Они не знали, что в конце 1942 года Энрико Ферми в Чикагском университете успешно провел первую управляемую цепную реакцию.
Визит в Копенгаген
В странах, оккупированных нацистами, в пропагандистских целях была создана сеть институтов немецкой культуры, которые подчинялись отцу фон Вайцзеккера – секретарю Министерства иностранных дел с 1938 по 1943 год. В начале лета 1941 года фон Вайцзеккер посетил Копенгаген для подготовки ряда выступлений в Институте немецкой культуры. Бор не хотел участвовать в этом мероприятии и посчитал визит фон Вайцзеккера, как и его требования о содействии, оскорблением.
15 сентября 1941 года, когда Европа склонилась под властью нацистов, Гейзенберг прибыл в Копенгаген для участия в этих конференциях. Он не понимал, что для датчан, включая друзей, был прежде всего оккупантом. Супруга Бора, Маргарет, всегда считала визит Гейзенберга проявлением враждебности. Сам Бор, хотя и поддерживал с Гейзенбергом самые теплые отношения, считал точно так же. В те несколько дней, которые Гейзенберг провел в Копенгагене, они несколько раз встречались публично и еще один раз – без свидетелей. Бор и Гейзенберг опасались слежки гестапо, поэтому их беседа с глазу на глаз прошла в парке возле института, как в былые годы. Достоверных сведений о содержании этой беседы не сохранилось, а версии самих участников разговора расходились. Нет никаких сомнений в том, что Бор очень рассердился на Гейзенберга и никогда не простил ему этого визита. После войны ученые сохранили дружеские отношения, но они были уже не такими, как раньше.
Матрица рассеяния
В 1942-1945 годах Гейзенберг описал так называемую матрицу рассеяния, позволявшую изучать столкновения элементарных частиц. В расчетах, выполняемых согласно правилам квантовой теории поля, фигурируют бесконечно большие величины, которые препятствуют применению этих расчетов на практике. Гейзенберг предложил способ, позволяющий описать наблюдаемые в лаборатории явления без выполнения подробных расчетов. Его основная идея в чем-то была схожа с той, что легла в основу квантовой механики. При рассмотрении атомов наблюдаемыми величинами являются частоты, соответствующие стационарным состояниям. Гейзенберг построил матрицу, в которой указывались частоты атомных переходов. Теперь при столкновении двух частиц можно было определить их импульсы задолго до столкновения и после него, когда частицы находятся вдали от области взаимодействия. Матрица рассеяния, или S-матрица, описывает изменения импульсов частиц в результате столкновения. Во время поездки в Голландию Гейзенбергу удалось обсудить свою модель с Крамерсом, который подбросил ему превосходную идею. Значения элементов матрицы рассеяния нельзя определить, не располагая полной теорией, однако можно применить чисто математический подход и описать их аналитической функцией на комплексной плоскости. Переменными этой функции будут импульсы частиц.
Гейзенберг смог получить важный результат: значения переменных, при которых элементы матрицы обращаются в ноль, связаны со стационарными состояниями элементарных частиц. Он настойчиво предлагал Крамерсу написать совместную статью, посвященную полученным результатам, но тот всякий раз вежливо отказывался. Гейзенберг не понимал, что эта совместная статья сделала бы Крамерса коллаборационистом в глазах соотечественников. Матрица рассеяния была забыта на несколько лет. О ней вновь вспомнили в 1960-е, так как она представляла собой часть феноменологической теории, позволявшей изучить столкновения элементарных частиц высоких энергий в отсутствие квантовой теории поля.
Хендрик Антони Крамере в городе Энн-Арбор, штат Мичиган, около 1928 года.
В сентябре 1941 года мы увидели, что перед нами открылся путь, который вел к атомной бомбе.
Гейзенберг в интервью Джону Ирвингу, 1965 год
Бор и Гейзенберг несколько раз обсуждали свою встречу после войны. Их полемика стала широко известной в 1956 году, с публикацией книги Роберта Юнга об атомной бомбе, в которой немецкие физики изображались практически оппозиционерами нацизма. По всей видимости, идейным вдохновителем этой версии был Карл Фридрих фон Вайцзеккер. Юнг пишет, что Гейзенберг делал все возможное, чтобы Гитлер не заполучил атомную бомбу, и попытался передать сообщение союзникам через Бора, однако тот его неправильно понял. Гейзенберг написал Юнгу письмо, в котором указал, что Бор действительно его не понял, так как они говорили намеками, боясь быть услышанными. Гейзенберг спросил Бора, считает ли он, что физикам в военное время уместно вести исследования урана. Бор, в свою очередь, спросил его, можно ли использовать атомную энергию во время войны. Гейзенберг ответил положительно и добавил, что знает, как это можно сделать. Бор понял, что немецкая ядерная программа продвинулась далеко вперед. В этот момент Гейзенберг предположил, что физики с обеих сторон могут прийти к соглашению и прекратить работу над атомной бомбой. Позднее ученый объяснял Юнгу, что немецкая физика с 1933 года сильно пострадала, в то время как американская физика, напротив, переживала период расцвета, поэтому его слова можно было расценить как уступку Гитлеру. Он писал: «Разумеется, я не знаю, какое влияние эти слова оказали на Бора».
Будет уместно сделать два комментария. Во-первых, удивительно, что Гейзенбергу пришлось поехать в Копенгаген, чтобы обсудить с Бором этическую дилемму, о которой всегда можно было поговорить с Планком или Лауэ, особенно если учесть, что речь шла о военной тайне. Во-вторых, в письме Гейзенберг упоминал о прогрессе американских физиков (на тот момент США еще не вступили в войну), о котором стало известно лишь после войны. До 1945 года немецкие ученые были убеждены в своем огромном превосходстве над союзниками во всем, что касалось деления ядра. Прочитав книгу Юнга, Бор очень обиделся. Он написал несколько черновиков письма к Гейзенбергу, но по неизвестной причине это письмо так и не было отправлено, а сами черновики были опубликованы в 2002 году. В одном из последних черновиков Бор признавал попытки Гейзенберга по возможности помочь ему и разобраться в истинном положении вещей. Бор упрекал коллегу в том, что тот не понимал, насколько сложно было для датских физиков во время войны сотрудничать с ним и фон Вайцзеккером, работавшими на победу Германии. И это при том, что сам Гейзенберг был убежден, что именно созданное им ядерное оружие может определить исход войны. После этого разговора коллеги по институту рассказывали, что, по словам фон Вайцзеккера, немецкая наука в результате победы в войне заняла бы очень удачное положение и немалая заслуга в этом отводилась бы Гейзенбергу.
Насколько искренними были Бор и Гейзенберг? Возможно, некоторую ясность внесут новые свидетельства, если они будут найдены. Пока же свет на версию Гейзенберга проливают только протоколы послевоенных допросов его и других ученых.
Фарм-холл
В сентябре 1943 года в США начала работу миссия «Алсос», целью которой было получение информации о немецкой ядерной программе. Научным руководителем операции стал Сэмюэл Абрахам Гаудсмит, о котором мы уже упоминали, когда говорили о спине электрона. Участники операции следовали за союзными войсками в Европе, реквизировали все материалы и задерживали ученых и инженеров, имевших отношение к ядерной программе. Другие союзные войска получили аналогичные приказы. В ноябре 1944 года, изучив архив и бумаги фон Вайцзеккера в Страсбурге, Гаудсмит понял, что немцы не создали атомной бомбы и даже не смогли воспроизвести управляемую цепную реакцию. Когда Гейзенберг был задержан в мае 1945 года, он предложил союзникам всю имевшуюся у него информацию о делении ядра. К его удивлению, Гаудсмит проигнорировал предложение.
Англичане захватили десятерых немецких ученых: Вальтера Герлаха, Курта Дибнера, Пауля Хартека, Эриха Багге, Карла Вирца, Хорста Коршинга, Вернера Гейзенберга, Карла Фридриха фон Вайцзеккера, Отто Гана и Макса фон Лауэ. Двое последних не имели непосредственного отношения к созданию реактора, а часть других ученых была захвачена советскими войсками. В начале июля ученые были перевезены в поместье Фарм-холл близ Кембриджа, где они оставались практически в полной изоляции от внешнего мира до конца 1945 года. Задержанные не знали, что здание прослушивалось и все разговоры, имевшие отношение к ядерной программе, записывались. Расшифровки записей были опубликованы с комментариями Джереми Бернштейна в 1996 году. По мнению Бернштейна, . Гейзенберг не разбирался во многих важных вопросах, касавшихся как ядерных реакторов, так и атомных бомб, а знания его коллег были еще хуже. Из книги Бернштейна можно понять, как именно эти ученые противодействовали нацизму и какое участие они принимали в немецкой ядерной программе.
В этом отношении особенно интересны записи от 6 и 7 августа 1945 года, когда задержанные услышали по радио о том, что США сбросили атомную бомбу на Японию. Сперва они сочли новость фальшивкой, так как были убеждены в том, что союзникам не удалось достичь успеха в своих исследованиях. Однако в результате ученым пришлось признать, что они переоценили собственные достижения. Ган несколько раз сказал, что его коллеги проиграли, и ему никто не возражал. Это может служить неявным подтверждением того, что целью немецкой ядерной программы действительно было создание бомбы.
Участники миссии «Алсос» осматривают немецкий экспериментальный ядерный реактор в Хайгерлохе. Апрель 1945 года.
Члены миссии «Алсос» просматривают документы, конфискованные у немецких ученых.
Когда ученые попытались объяснить свое отставание, были озвучены трудности, с которыми им пришлось столкнуться, в частности сильный дух соперничества и несогласованность действий.
Новость стала ударом для задержанных. Особенно болезненными для них оказались уничижительные комментарии о достижениях немецких ученых в британской прессе. Задержанные столкнулись с дилеммой. Перед лицом соотечественников они не могли признать свой непрофессионализм, в котором их обвинял Отто Ган. Не могли они назвать себя и предателями, саботировавшими ядерную программу, что подозревали Вальтер Герлах и другие. Также они не могли заявить союзникам, что вели серьезную работу над атомной бомбой. Совместными усилиями ученые разработали благоприятную для себя версию событий, которой и придерживались в последующие годы. Разговор начал фон Вайцзеккер: «История запомнит, что американцы и англичане сделали бомбу, а немцы при гитлеровском режиме создали работающую машину». Однако он ошибался, так как немцам не удалось создать работающий реактор. Кроме того, фон Вайцзеккер не упоминает о том, что в своих секретных докладах от 1940 года он говорил исключительно о создании бомбы. Удивительно, что немецкие физики столкнулись с моральным выбором лишь в Фарм-холле. Ранее эта тема никогда не всплывала в их разговорах, однако впоследствии они начали вспоминать, что не раз обсуждали этическую сторону своих исследований. Несколько дней спустя англичане передали задержанным официальный документ, который содержал некоторые подробности, касавшиеся американских бомб. Ученые поняли, что физическая часть задачи была проще, чем они думали, но для ее решения требовались огромные промышленные мощности, которыми Германия не располагала. Немецкие физики также увидели, что союзники использовали в качестве замедлителя графит, от которого они сами отказались.
После долгих споров задержанные составили меморандум со своей версией событий. Ученые опасались, что в руки победителей попали неуничтоженные бумаги, имевшие отношение к проекту, поэтому выражались крайне осторожно и совместными усилиями изложили наиболее благоприятную для себя версию событий, в которой истина сочеталась с полуправдой, ложью и недомолвками. Макс фон Лауэ, хотя и подписал меморандум, понимал истинное положение дел. В 1959 году он рассказал одному из друзей о том, что произошло в те дни, и написал такие строки:
«Позднее, после еды, мы разработали версию, по которой немецкие физики-ядерщики на самом деле не хотели создать атомную бомбу – то ли потому, что ее невозможно было построить до конца войны, то ли потому, что они вовсе не хотели этого делать. Главную роль в этих беседах играл фон Вайцзеккер. Я не слышал, чтобы он упоминал о каких-либо этических вопросах. Гейзенберг почти всегда молчал».
Согласно версии, изложенной на основании меморандума, Гейзенберг и фон Вайцзеккер изначально стремились взять проект под свой контроль и направить работы в сторону создания ядерного реактора. Однако это не соответствует действительности: проект контролировали военные, так что Гейзенберг и фон Вайцзеккер мало что могли сделать. Кроме того, в проекте были задействованы и другие группы ученых, с которыми они практически не общались. После того как военное министерство отказалось от создания бомбы, основное внимание действительно стало уделяться работе над реактором. Однако в принятии этого решения Гейзенберг и фон Вайцзеккер не сыграли никакой роли – они лишь рассказали о технических трудностях и указали, что создать бомбу в заданный срок невозможно.
Другие ядерные программы
Хотя США в сентябре 1939 года объявили себя нейтральной страной, они обменивались с Великобританией всей информацией, касавшейся исследований, проводимых в военных целях, в частности посвященных работе над радаром и делением ядра. В июне 1942 года были начаты работы по Манхэттенскому проекту, который возглавил генерал Лесли Гровс.
