Текст книги "История атомной бомбы"

Автор книги: Хуберт Мания

Жанры:

Физика

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 23 страниц)

Роберт Оппенгеймер уже владеет латынью, греческим, французским, испанским и немецким. Теперь он изучает итальянский, чтобы читать Данте в подлиннике, причем все это не в ущерб его работе в институте. Его постоянно подстегивает честолюбие, он должен блистать во всех областях. Этот докторант Борна не ограничивает свои разговоры в кафе и за кружкой пива скоростями электронов, ядерными колебаниями и аномалиями спектральных линий. Он чувствует себя в хорошей форме лишь тогда, когда во время размашистых прогулок по центру Гёттингена может прочитать своим запыхавшимся спутникам лекцию о кругах ада, ярусах греха и наказаниях за содомию из дантевской «Божественной комедии». Или цитирует ошеломленным немцам по памяти целые строфы из Гёльдерлина – со своим американским акцентом. Или с особой психологической жестокостью шокирует слушателей мрачными намеками на взгляды Марселя Пруста. Или изображает архетипическую коллизию между матерью и сыном как неотвратимую дилемму человеческой души. Его ровесник, немецкий физик Вальтер Гейтлер сам видел, как Оппенгеймер, сидевший в кафе со знакомыми супружескими парами, внезапно полез под стол и принялся там лаять.

Любовь к дискуссиям у этого отъявленного сноба иной раз принимает неприличные размеры. Из чувства собственного превосходства он взял себе в привычку необоснованно резко критиковать своих сокурсников на семинарах и лекциях Борна. Стоит кому-то сделать у доски ошибку, он без спросу встает, берет кусок мела и поправляет отвечающего. Даже если никакой ошибки нет, этот мучитель Оппенгеймер наверняка знает лучший метод решения. В конце концов студенты написали письменный протест и пригрозили бойкотом мероприятий, если этот «вундеркинд» не уймется. У Борна не хватает решимости открыто приструнить любимого ученика. И тогда он приглашает его к себе в кабинет для разговора о диссертации, оставляет петицию студентов на видном месте и под каким-то предлогом выходит из комнаты. Вернувшись, он находит бледного, молчаливого Оппенгеймера, который отныне больше никогда не выступает в роли ментора.

Насколько красноречивым и многословным бывает Оппенгеймер, если речь заходит о литературе, философии или о его частной коллекции картин, настолько же лаконично и компактно он пишет свои работы по специальности. К концу его девятимесячного пребывания в Гёттингене у него опубликовано семь статей. Для их общей с Борном статьи Оппенгеймер отсылает пять страниц, что на вкус соавтора все же маловато. В статье речь идет о применении квантовой механики на молекулярном уровне – тема, вдохновленная подсказкой Гейзенберга. Макс Борн, обозначенный как первый автор, дополняет трактат, впоследствии ставший известным как «Приближение Борна – Оппенгеймера», собственными замечаниями и теоремой так, что из него получается тридцать страниц. Оппенгеймер втайне считает это декоративными излишествами и разжижением его, оппенгеймерского, концентрата. На разработку диссертации о фотоэлектрическом эффекте в водороде и в рентгеновских лучах у него уходит ровно три недели. На одиннадцатое мая 1927 года назначен экзамен на степень доктора, который он выдерживает с высшей оценкой. Один из экзаменаторов – свежеиспеченный лауреат Нобелевской премии Джеймс Франк, сухо замечает: «Хорошо, что я вовремя вышел. А то он уже начал экзаменовать меня».

В конце 1927 года Вернер Гейзенберг обустраивает себе скромную служебную квартиру в Институте теоретической физики Лейпцигского университета. Адрес – Линнештрассе 5, «на полдороге между кладбищем и психушкой». Наконец-то он принял профессуру, после того как его пытались заманить к себе Колумбийский университет в Нью-Йорке и Государственная высшая техническая школа в Цюрихе. Однако возможность работать в Германии была для него приоритетной. Первым же его «служебным актом» стал сквозняк: он распахивает настежь все двери и окна затхлых помещений института, покупает постельное белье и распоряжается основательно отремонтировать свое будущее жилище. Для полного счастья ему недостает фортепьяно и стола для настольного тенниса, но то и другое можно организовать.

Позади у него остался очень бурный год. На двух важных физических конгрессах – в итальянском Комо и в Брюсселе – верх одержала копенгагенская трактовка квантовой механики. Она зиждется на соотношении неопределённостей Гейзенберга и на принципе дополнительности Бора. Бор утверждает, что при всяком атомарном эксперименте следует рассматривать электрон одновременно и как частицу, и как волновую функцию. В процессе измерения экспериментатор сам делает выбор либо в пользу волны, либо в пользу частицы. При этом, по его мнению, «необходимое решение экспериментатора в пользу одного или другого представления вызывает нарушение, которое и приводит затем к неопределённостям». И они устанавливаются между двумя парами измеренных величин: местоположение—скорость и энергия—время. Ненаблюдаемый сам по себе электрон остается по этому принципу неопределенным.

Но тревожные последствия этой неопределенности механических величин в атомарном мире простираются глубже. Ведь ею серьезно поколеблен священный принцип причинно-следственной связи, который считается необходимым условием научного подхода. Тем самым «закон причинности становится некоторым образом недействительным», – делает вывод Гейзенберг. Если до сих пор можно было, зная настоящее, вычислить будущее – например, рассчитать следующее солнечное затмение, зная траектории движения Земли и Луны вокруг Солнца, – то теперь закон причинности разбивается о границу точности в квантовой механике. Ибо, если недостаточно точно знаешь начальные условия, то и будущие процессы атомарной системы уже непредсказуемы.

Наблюдающий физик неотвратимо вмешивается в атомарные события и изменяет их своими измерениями. Это революционное представление об активной роли наблюдателя и принципиальной невозможности безупречного измерения ставит с ног на голову прежнюю философию физики. С этим соглашаются, конечно, далеко не все исследователи. Противники копенгагенской школы настаивают на физике, которая может предсказать результат эксперимента – независимо от ученого, проводящего эксперимент. Оттого на шестидневном Сольвеевском конгрессе в Брюсселе в октябре 1927 года дело и выливается в дискуссионный марафон между копенгагенцами и Альбертом Эйнштейном. По коридорам отеля, в котором поселились участники конгресса, курсируют разные версии эйнштейновской мантры «Бог не играет в кости». Он просто не хочет признать, что на уровне атома можно исследовать лишь возможности и вероятности. Уже за завтраком он преподносит Бору и Гейзенбергу мысленный эксперимент, который однозначно должен довести соотношение неопределённостей до абсурда. В течение дня его доводы анализируются, и уже во время совместного ужина Бор может опровергнуть аргументы Эйнштейна. Гейзенберг вспоминает: «Тогда Эйнштейн становился несколько обеспокоенным, однако уже к следующему утру у него был готов новый мысленный эксперимент, сложнее предыдущего, и уж этот точно должен был опровергнуть соотношение неопределённостей. С этой попыткой, конечно, вечером было то же, что и с предыдущей».

Профессор Вернер Гейзенберг в Институте физики Лейпцигского университета пользуется между тем мировой славой. Его принцип неопределенности одержал верх в физическом сообществе как копенгагенская трактовка квантовой механики, тогда как запутанный принцип дополнительности Бора большинство коллег предпочло бы оставить для философских семинаров. На курс Гейзенберга и на его лекции стремятся попасть многие студенты. Как шахматист он в своем институте непобедим. Кроме того, он стремится стать превосходным игроком в настольный теннис. А пока что проигрывает то один, то другой матч, и это, конечно, не дает ему покоя. Ведь и на зеленом столе он должен быть лучшим. В марте 1929 года он отправляется в мировое турне на восемь месяцев, чтобы читать доклады в США, Японии и Индии. Из-за этого ему впервые приходится отказаться от совместного отпуска с его «бойскаутами» в Баварских Альпах. Несмотря на сжатую программу докладов, которая ведет его из Чикаго в Калифорнию и обратно, он находит время, чтобы плавать, ходить под парусом и играть в настольный теннис. Вершиной его спортивных достижений становится альпинистская вылазка в Скалистых горах, о которой он еще долго с восторгом вспоминал.

В середине августа он встречается с Полем Дираком в Сан-Франциско, чтобы вместе с ним сесть на корабль до Иокогамы. Английский физик слывет неразговорчивым и замкнутым даже с коллегами. Тот, кто не разбирается в физике, вообще не имеет шансов с ним познакомиться. Лишь с детьми до десяти лет он легко находит общий язык. В зимний семестр 1926—1927 годов он живет в Гёттингене, на той же самой вилле, что и Оппенгеймер. Чье увлечение Достоевским и Данте ему совсем не по душе. А когда он видит, что Оппенгеймер и сам пишет по-настоящему изысканные стихи, это выводит его из себя. Он не понимает, как можно изучать физику и вместе с тем скользить по тонкому льду поэзии, и брюзжит на Оппенгеймера: «В физике мы стараемся донести до людей неведомое так, чтобы им стало понятно. В поэзии же все как раз наоборот». Когда Оппенгеймер позднее рекомендует своему соседу по вилле несколько книг для прочтения, тот отклоняет их вежливо, но со всей определенностью. Чтение книг, по его словам, разжижает мозги.

В Японии Гейзенберг и Дирак должны вместе ввести новую поросль физиков в курс современного состояния квантовой механики. По пути в Иокогаму через океан, как вспоминает впоследствии Дирак, его спутник, будучи фанатом подвижности, постоянно сдвигал столы к стенкам каюты, чтобы тренироваться в настольный теннис, а вечерами еще предавался танцам на палубе – времяпрепровождение, которое закоренелый затворник и чудак Дирак не мог понять и потому спросил коллегу о его мотивах. «Танцы доставляют огромное удовольствие, если девушки хороши», – отвечает Гейзенберг. После короткого молчания Дирак спрашивает: «Как вы можете знать заранее, что они хороши?». Когда в Японии они проходят однажды мимо впечатляющей пагоды, Поль Дирак становится свидетелем акробатических способностей Гейзенберга. Ему пришлось, замерев, наблюдать, как альпинист, «не проронив ни слова, осторожно взбирался к верхушке пагоды и в триумфальном пренебрежении опасностью разбиться насмерть балансировал на одной ноге на самом острие здания при сильном, порывистом ветре». По возвращении в Лейпциг Гейзенберг уже непобедим и в настольном теннисе.

Тогда как в 1920-е годы одно путеводное открытие квантовой механики следует за другим, а мнимый антагонизм волны и частицы переплавляется под руководством Бора в единство, требующее всего лишь привычки, в лабораториях ядерных физиков-экспериментаторов царит гнетущий застой. Эрнест Резерфорд, первооткрыватель атомного ядра и со времени этого светоносного деяния неутомимый исследователь атомарной пустоты, летом 1920 года вводит в игру новое умозрительное рассуждение о строении атома. За несколько месяцев до того ему удалось первое в истории науки превращение элементов. Целенаправленной атакой на атомное ядро он превратил азот в кислород и при этом открыл протон как универсальный кирпичик ядра. Теперь он уже не склонен рассматривать электрически положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, которые взаимно притягиваются, как единственные кирпичики, а предполагает существование третьей частицы, не имеющей электрического заряда и потому способной двигаться сквозь материю более свободно.

С его помощью Резерфорд хочет объяснить очевидные расхождения между числом массивных протонов в атомном ядре и реальным весом атома. Так, например, у железа 26 протонов, а атомный вес 55. Чем можно объяснить 29 недостающих единиц массы? Самый тяжелый элемент уран содержит 92 протона при атомном весе 235. И такая ошибка по массе есть у каждого из известных элементов. За разницу в 29 у железа и 143 у урана теперь можно сделать ответственными эти гипотетические частицы, предлагает Резерфорд. При условии, что их масса сопоставима с массой протона. Из-за электрической нейтральности этой сомнительной частицы 29 дополнительных таких частиц в ядре атома железа не нарушают электрическую стабильность между 26 положительно заряженными протонами и 26 отрицательно заряженными электронами, но удовлетворительно объясняют атомный вес 55.

Резерфорд пустил по следу нейтральной частицы своего заместителя по руководству лабораторией Джеймса Чедвика, попытки которого изловить эту беглую штучку в Кавендишской лаборатории Кембриджа до сих пор, правда, оставались безуспешными. Но основные свои старания директор и его заместитель вкладывают – воодушевленные успехом превращения азота в кислород – в попытки превратить и другие элементы путем обстрела альфа-частицами. Они верят, что уже близки к прорыву с бериллием, редким легким металлом. Поэтому зимой 1925 года Чедвик прибегает к помощи ассистента Дж. Дж. Томсона, который занимается исследованиями в том же кампусе. Роберт Оппенгеймер в лаборатории Томсона наносит бериллий тончайшим слоем на клейкую пленку, которая затем снова должна быть тщательно удалена. Для всей лаборатории остается тайной, почему гостю из США, обычно тяготящемуся экспериментальной работой, не докучает эта исключительно кропотливая возня с пленкой. Сила Оппенгеймера явно в теории. Но Чедвику в его экспериментах нужен препарат бериллия. И приходится Оппенгеймеру поставлять правой руке Резерфорда эти специальные тончайшие слои.

О застенчивости Чедвика ходят легенды. Вообще-то он хотел изучать математику в Манчестерском университете. Но на собеседование при поступлении он попадает по какой-то бюрократической ошибке не к тому доценту. Увидев, что тот спрашивает его по физике, Чедвик не осмеливается прервать его, исправно отвечает на вопросы и в конце концов безропотно подписывает бумагу о зачислении на курс физики. Так тихий студент-физик поневоле знакомится с полтергейстом по имени Эрнест Резерфорд. После экзамена он отправляется в Берлин к Гансу Гейгеру в физическое имперское учреждение и, по своему обыкновению, ни словом не перечит, когда тот представляет ему Лизу Мейтнер, Отто Гана и Альберта Эйнштейна. Когда начинается мировая война, он не успевает своевременно вернуться в Англию. Вместе с четырьмя тысячами земляков, которым не повезло, будучи гражданами Британии, оказаться не в том месте не в то время, он на всю войну попадает в лагерь для интернированных в Рулебене, предместье Берлина. Лишенные всякой личной жизни «гражданские военнопленные» размещены в переполненных конюшнях на краю ипподрома. Более ста преподавателей – художники, философы, физики, математики и литераторы – сообща создают Лагерный университет и преподают своим сокамерникам – в том числе и под открытым небом. Они ставят спектакли по пьесам Шекспира, читают немецких классиков и дискутируют под профессиональным руководством о Шопенгауэре и Ницше. Горстка высококлассных игроков в гольф пытается сохранить форму, воспользовавшись овальным полем в центре ипподрома, и посвящает желающих в тайны спорта. Джеймс Чедвик тоже регулярно проводит в одной из конюшен курс по электромагнетизму и радиоактивности. Аппаратуру и материалы для него организует Лиза Мейтнер. Поскольку в аптеках Германии продается радиоактивная зубная паста, он уговаривает лагерных охранников купить ее для его экспериментов. Отощавший, с разрушенным здоровьем, он возвращается в 1918 году в Манчестер, и Резерфорд с радостью снова принимает его к себе.

В Парижском институте радия Марии Кюри постоянно скапливаются в больших количествах пустые ампулы. Они были наполнены радоном, который все еще используется для лечения рака. Из-за короткого периода полураспада радона ампулы уже через несколько дней после наполнения не годятся для лечебного применения. Но вот оставшийся в ампулах продукт распада радона – полоний-210 – желанный источник излучения для ядерных исследований. Поскольку гамма-излучение у полония в 100 000 раз меньше, чем у радия, этот чрезвычайно редкий элемент превосходно подходит в качестве источника альфа-лучей для обстрела тех материалов, у которых необходимо исследовать гамма-излучение. Это позволяет провести измерение источника и мишени чисто. Врачи со всего мира посылают Марии Кюри свои ампулы, содержащие полоний, в качестве некоей дани ученой, открывшей полоний. Поэтому Ирен Жолио-Кюри, пошедшая по стопам матери, располагает к началу 1930-х годов самым большим в мире количеством полония.

Мария Кюри и в шестьдесят три года работает в лаборатории по двенадцать—четырнадцать часов в день. Дважды лауреатка Нобелевской премии жалуется на постоянную усталость, борется с катарактой на обоих глазах, и ее постоянно мучает звон в ушах. Облученные руки болят одинаково – что в сухом, что в гнойном состоянии. Она регулярно засиживается за полночь на полу, обложившись книгами, журналами и расстелив диаграммы. За столом ей со всем этим тесно. На коленях у нее лежит блокнот, и когда она делает расчеты, то числительные бормочет по-польски.

В 1931 году супруги Жолио повторяют эксперимент немецких физиков Вальтера Боте и Герберта Беккера. Те год назад обстреливали некоторые легкие элементы – такие, как магний и бериллий, – альфа-лучами из полониевого источника, чтобы изучить гамма-излучение этих элементов. И пришли к странному результату, что излучение, вызванное в ядрах бериллия, оказалось существенно сильнее, чем у полониевого источника. Боте и Беккер истолковали этот неожиданный феномен как гамма-излучение, однако некоторое сомнение в этом оставалось. Теперь супруги Жолио намереваются разрешить эту загадку. Из своих полониевых сокровищ они изготовили к этому времени самую сильную в мире альфа-лучевую пушку. Французы подтверждают открытие немцев, но еще немного расширяют экспериментальную установку Боте и Беккера. Позади полониевого орудия и бериллиевой мишени они размещают и другие материалы – например, парафин. Так они обнаруживают, что таинственное «излучение бериллия» выбивает из парафина протоны, которые отлетают с огромной необъяснимой скоростью. Однако нового толкования эксперимента из Парижа так и не поступает. Жолио удивляются этому курьезу, но так и остаются перед ним в растерянности. Поэтому они присоединяются к мнению Боте и Беккера и приписывают гамма-излучению из ядер бериллия всю ответственность за выброс протонов из парафина.

Когда Джеймс Чедвик в январе 1932 года читает статью французов, он предугадывает решение этой загадки. Гамма-лучи, правда, могут выбивать из орбит легкие электроны, но протоны оказывают гораздо большее сопротивление, поскольку они почти в 2000 раз тяжелее. Если наблюдение Жолио верно, то картина похожа на то, как если бы метнуть бильярдный шар в гранитный валун и ждать, что валун отлетит по воздуху на двадцать метров. Чедвик знает: лишь одна частица, по массе близкая протону, в состоянии выбить из парафина протон и отбросить его. Тут действительно могла вступить в игру электрически нейтральная частица, которую Эрнест Резерфорд предсказал почти двенадцать лет назад и масса которой сопоставима с массой протона. Супругам Жолио, как видно, неизвестно, что теза Резерфорда как влитая могла бы встать в пробел интерпретации. И вот Чедвик врывается – с журналом Comptes Rendusв руке – в кабинет Резерфорда и сообщает ему новость из Парижа. По свидетельству Чедвика, он впервые за двадцать лет видел своего ментора действительно потерявшим на мгновение дар речи.

Итак, обстоятельства складываются в пользу того, чтобы наконец доказать существование нейтральной частицы. В Кавендишскую лабораторию как раз поступила большая партия использованных радоновых ампул из американского университета Джона Хопкинса. И после того как Чедвику удалось не вполне безопасное выделение полония, он может сам исследовать это пресловутое «излучение бериллия», уже имея в голове убедительную гипотезу, припасенную до поры до времени. Альфа-частицы из его полониевого источника вызывают в бериллии, как и ожидалось, сильное излучение. Чедвик тестирует, однако, не только их действие на парафин, но выставляет позади препарата бериллия еще добрую дюжину других элементов – таких, как углерод, азот и кислород. Даже свинцовый слой толщиной в два сантиметра не представляет собой препятствия для лучей. Выясняется, что независимо от структуры материала из элемента выбивается одно и то же число протонов. Эти столкновения настолько энергичны, что гамма-лучи никак не могут рассматриваться в качестве их причины. Чедвик убежден: то, что коллеги трактовали как таинственное излучение бериллия, на самом деле является потоком частиц. Эти выбитые из бериллия частицы сталкиваются с протонами стоящих позади него мишеней. Из измеренных характеристик этих столкновений Чедвик вычисляет массу неизвестной частицы. Она почти идентична массе протона.

Чедвик может подтвердить и второе предсказание Резерфорда. Новооткрытые частицы без труда проникают сквозь различные материалы. Они не отклоняются электрическими зарядами атомного ядра и электронов. А это означает: они, должно быть, электрически нейтральны. Так Джеймс Чедвик в феврале 1932 года, после десяти лет тщетных поисков, осуществил стремительный финишный рывок и открыл мифическую нейтральную частицу. Он называет ее «нейтрон». В полном изнеможении и уже слегка подвыпивший, он оповещает взволнованно сбежавшихся сотрудников Кавендишской лаборатории о своем значительном открытии. Английский физик и писатель Ч. П. Сноу был свидетелем этой речи. В конце Чедвик якобы сказал: «А сейчас бы мне уснуть под хлороформом и недели две не просыпаться». Однако желание отдохнуть так и осталось несбыточным, поскольку открытие Чедвика – сенсация, великий прорыв, который бурно обсуждается по всему миру. Физики-экспериментаторы надеются, что этот новый проницающий материю снаряд поможет им глубже проникнуть в ядро, поскольку электрические барьеры в атоме бессильны перед ним и не могут его остановить. Как знать, что там еще скрывается в ядре.

На Пасху 1932 года в копенгагенском институте Нильса Бора собирается на весеннюю конференцию избранное общество. Немецкие гости находятся под впечатлением столетия со дня смерти Гёте. По этому поводу пара расшалившихся любителей сцены разыгрывает в качестве пародии несколько пассажей из «Фауста». Вряд ли еще какая профессиональная группа лучше физиков-атомщиков подошла бы для интерпретации девиза Фауста: «Узнать бы мне, что скрепляет мир изнутри» [2]2
В переводе Б. Пастернака: «А понял бы, уединясь, Вселенной внутреннюю связь». (Примеч. перев.)

[Закрыть]. Физики Макс Дельбрюк и Феликс Блох переиначивают классический текст. Среди участников также венгр Эдвард Теллер, который в 1930 году защищался у Гейзенберга, и девятнадцатилетний Карл Фридрих фон Вайцзеккер, который еще юным «астрономиком» наловчился вгонять слова в рифму.

Конферансье объявляет «квантово-теоретическую Вальпургиеву ночь», для которой первым делом необходимо ввести новый временной параметр, чтобы отграничить ее от классической Вальпургиевой ночи. Но тогда Фаусту приходит в голову, что одно лишь наблюдающее вмешательство публики элегантно устранит классическую версию шабаша ведьм, так что можно сразу начинать с квантово-теоретического варианта. Обыгрываются в пьесе и персональные разногласия, и выдохшиеся гипотезы. Так, новая теория поля Эйнштейна в качестве блохи третьего поколения вливается посредством какао в ухо великого ученого. Добродушно вышучиваются слабости характера коллег и эксцентричные формы поведения, к действующим лицам кокетливо подкрадывается «противоположный знак», и гетевские «Четыре Серых Бабы» из пятого акта зовутся в Копенгагене так: «Эталонный вариант», «Константа тонкой структуры», «Негативная энергия» и «Единичный случай». Такой спрессованной вещественной женственности физики страшатся больше всего. И под занавес «мистический хор» славит Джеймса Чедвика и его нейтрон: