История с яблоком, побудившим Исаака Ньютона к открытию закона всемирного тяготения, повторялась, повторяется и будет повторяться. В любой из научных сфер, в любую эпоху падают свои яблоки. Главное «яблоко» в нашей истории заслуживает особого внимания, так что мы рассмотрим его пристально и обстоятельно.
К своему полувековому юбилею немецкий физик Отто Ган успел сделать многое: получил первый в истории изотоп[64], открыл несколько новых радиоактивных веществ и явление ядерной изомерии, заложил основу прикладной радиохимии[65]… Его кандидатуру дважды выдвигали на Нобелевскую премию по физике, но оба раза награда пролетала мимо. Судьба словно бы намекала Гану на то, что главное открытие ждет его впереди.
Атомы химических элементов состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра. Порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева равен количеству протонов в его ядре. Электроны вращаются вокруг атомного ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца.
В 1934 году итальянский физик Энрико Ферми начал обстреливать ядра химических элементов нейтронами. Целью было посмотреть, что из этого выйдет. Превращение атома одного химического элемента в другой было открыто в 1919 году Эрнестом Резерфордом, который превратил азот в кислород, обстреливая его альфа-частицами – положительно заряженными частицами, образованными двумя протонами и двумя нейтронами. Атом азота поглощал частицу (принимал два протона) и испускал один протон, превращаясь тем самым в кислород, находящийся в следующей ячейке периодической таблицы Менделеева. Ничем особенным этот процесс не сопровождался и был интересен только как первый в истории науки пример «алхимии» – искусственного превращения одного вещества в другое.
В 1932 году, в тот самый год чудес, Кокрофт и Уолтон, обстреливая ядро атома лития протонами, расщепили его на два атома гелия. Ядро лития, состоявшее из семи протонов, принимало один протон и распадалось на два ядра по четыре протона. Так был проведено первое в истории расщепление атома, но… эксперимент имел только научно-теоретическое значение, без какой-либо практической пользы. При распаде «утяжеленного» ядра атома азота надвое не происходило выделения колоссального количества энергии.
В своих экспериментах Ферми получал одно и то же. Захватывая нейтрон, ядро атома становилось нестабильным радиоактивным изотопом, который распадался и превращался в химический элемент, находящийся в следующей ячейке периодической таблицы. Не будем вдаваться в подробности, а просто запомним, что при обстреле нейтронами вещество превращалось в вещество более высокого порядка.
Дойдя до урана, последнего на то время элемента в таблице с номером девяносто два, Ферми ожидал получить новое вещество с номером девяносто три, но потерпел неудачу. С обстрелянным ядром урана происходило что-то непонятное.
17 декабря 1938 года Отто Ган и его ассистент Фриц Штрассман повторили эксперимент по обстреливанию урана и получили невероятный результат – «девяносто второй» уран превращался в «пятьдесят шестой» барий. Никакого другого вещества в пробирке не обнаруживалось. Удивление ученых можно сравнить с удивлением человека, который положил в кошелек девяносто два доллара, а после нашел там всего пятьдесят шесть. Куда исчезли тридцать шесть долларов? Даже если предположить, что ядро атома урана распалось надвое, то как мог получиться барий, имеющий в ядре пятьдесят шесть протонов?
Когда физики-экспериментаторы получают результаты, кажущиеся абсурдными, они начинают сводить не сходящиеся концы с помощью теории. Волшебства в природе не существует. Есть только то, что кажется нам волшебством по причине отсутствия нужных знаний. Отто Ган сообщил о проблеме Лизе Мейтнер, которая работала вместе с ним с 1907 года, но в 1938 году из-за своего еврейского происхождения была вынуждена эмигрировать в Швецию. Мейтнер и ее племянник Отто Фриш, молодой физик, работавший прежде в Копенгагене у Нильса Бора, предположили, что Гану удалось расщепить ядро атома урана на меньшее по размерам ядро бария и энергию, много-много энергии. У человека, далекого от ядерной физики, может возникнуть вопрос: почему Берлин не был разрушен в результате эксперимента Гана? Все дело в количествах. Ган экспериментировал с ничтожным количеством вещества, а для получения такого эффекта, как в Хиросиме или Нагасаки, его нужно много.
Когда Фриш рассказал об эксперименте Гана Бору, тот стукнул себя кулаком по лбу и воскликнул: «Какими же мы были идиотами, что не видели этого раньше!». Ничего странного, просто «яблоко», брошенное Ганом, должно было упасть рядом с Мейтнер и Фришем.
По формуле E = mc², где E – энергия объекта, m – его масса, а c – скорость света в вакууме, выходило, что «расщепление Гана» высвобождает огромные количества энергии, причем весьма дешевым способом. Практическая выгода была налицо, осталось только придумать, как ее извлечь.
На следующий день после разговора с Фришем Бор отбыл в Соединенные Штаты. Он пообещал Фришу хранить открытие в тайне до тех пор, пока тот не отправит в журнал сообщение. Фриш собирался провести несколько экспериментов, чтобы подтвердить свои выводы на практике. 16 января 1939 года Бор ступил на американскую землю и в тот же день получил известие о том, что Фриш отправил две статьи в британский журнал Nature. Теперь уже было можно рассказывать новости коллегам, что Бор и сделал. Таким образом, в Соединенных Штатах стало известно о ядерном распаде еще до официального извещения о нем. Экспериментаторы пробовали повторить то, что сделали Ган и Штрассман, а теоретики, как им и положено, сомневались: уж правда ли это? Их скептицизм был обоснованным, поскольку на одно реальное открытие обычно приходится не менее трех «дутых».
Что же касается Роберта Оппенгеймера, то он сказал, что подобное деление невозможно, и привел в подтверждение своего мнения несколько доводов. Но после того как работавший в Калифорнийском университете физик Луис Альварес продемонстрировал Оппенгеймеру эксперимент, практика возобладала над теорией, и наш герой признал возможность ядерного деления. В отличие от упоминавшегося выше Вернера Гейзенберга, Оппенгеймер умел признавать свои ошибки и никогда не «упорствовал ради самого упорства». «Было удивительно наблюдать за тем, как быстро работал его мозг и как быстро он пришел к правильным выводам», – писал Альварес. Оппенгеймер не только быстро пришел к правильным выводам, но и сразу же оценил практическую пользу открытого явления, сказав, что теперь можно будет делать бомбы и получать энергию «всего за пару минут».
Пока большинство теоретиков сокрушались по поводу того, что не додумались до деления ядра, Оппенгеймер увлеченно пропагандировал открытие в научной среде, выдвигая на первое место возможность создания оружия невиданной мощности. Не нужно считать нашего героя кровожадным монстром, похожим на Гитлера или Гиммлера. Во-первых, он был ученым, который не мог отказаться от перспективной идеи, а во-вторых, в Европе уже шла развязанная нацистами война, и все здравомыслящие люди понимали, что Соединенные Штаты неизбежно ввяжутся в драку (правда, для этого потребовалась атака на Перл-Харбор[66]).
В середине 1939 года Нильс Бор и американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер, работавший в Принстонском университете, опубликовали в американском журнале Physical Review статью «Механизм деления ядер», в которой изложили свою теорию деления атомного ядра. Эта теория вошла в историю как «теория Бора – Уилера». Но справедливо было бы добавить в название и имя нашего героя, поскольку в то время, пока Бор с Уилером работали над статьей, Оппенгеймер прочел в Беркли несколько лекций, в которых содержались его собственные выводы, практически полностью совпадавшие с еще не опубликованной теорией. Однако слишком углубляться в проблему Оппенгеймер тогда не стал: обдумал ее, сделал выводы и отложил в сторону.
В марте 1939 года работавший в Колумбийском университете физик Лео Силард (венгерский еврей, бежавший от нацистов в Великобританию, а затем перебравшийся в Соединенные Штаты) установил опытным путем возможность цепной реакции деления. В отличие от Бора, выступавшего за полную открытость в науке, Силард не спешил обнародовать свое открытие, поскольку хорошо понимал его военную ценность. К сожалению, первая попытка заинтересовать военное ведомство оказалась неудачной. Энрико Ферми, делегированный физиками на встречу с контр-адмиралом Стэнфордом Колдуэллом Хупером, техническим советником главнокомандующего военно-морскими силами, не смог произвести нужного впечатления на своего собеседника. Как и положено ученому, Ферми начал излагать адмиралу научные аспекты, а нужно было рубить сплеча – можно построить бомбу, которая будет мощнее тысячи самых мощных современных бомб. Короче говоря, собеседники говорили на разных языках, и потому ничего путного из их встречи не вышло.
В Германии все складывалось иначе: то ли генералы Гитлера были дальновиднее, то ли немецкие ученые лучше умели разъяснять перспективы. 24 апреля 1939 года директор Института физической химии при Гамбургском университете и советник Управления вооружений сухопутных сил рейха Пауль Хартек представил Верховному командованию вермахта письмо, в котором говорилось о возможности создания принципиально новой разновидности сверхмощного взрывчатого вещества. «Страна, первой сумевшая реализовать на практике достижения ядерной физики, получит абсолютное превосходство над другими странами», – говорилось в письме, которое также подписал доктор Вильгельм Грот, работавший под началом Хартека. Уже 29 апреля (немцы не любят откладывать дела «на потом») Имперское министерство науки, воспитания и народного образования провело совещание, на котором были обсуждены открывшиеся перспективы. Было решено создать при Управлении вооружений сухопутных сил, которое отвечало за разработку всех новых видов вооружения, специальную группу под руководством физика Курта Дибнера, работавшего на военное ведомство с 1934 года. На полигоне Куммерсдорф под Берлином нацисты начали строить ядерный реактор, а заодно запретили экспорт урана.