Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
Шрифт:
После успешного запуска первого реактора вопрос создания ядерного оружия стал в практическую плоскость. Был организован так называемый Манхэттенский проект. Его возглавил 46-летний полковник Лесли Р. Гровс, профессиональный военный, который характеризовал ученых, работавших над созданием атомной бомбы, как «дорогостоящее сборище чокнутых». Научным руководителем проекта был назначен Роберт Оппенгеймер (1904–1967), известный американский физик-теоретик, стажировавшийся в свое время у Э. Резерфорда и М. Борна. Оппенгеймер организовал основную лабораторию вдали от населенных пунктов, в пустынном местечке Лос-Аламос (штат Нью-Мексико). Сюда перешла из Чикаго группа Ферми,
31
А. Эйнштейн не был привлечен к этой работе уже потому, что его отъезд из Принстона был бы сразу замечен и интерпретирован как участие в каком-то секретном проекте. Н. Бор как-то привлекался для экспертизы, но и тут были осложнения с соблюдением секретности — слишком уж заметными были их фигуры.
Основным теоретическим отделом проекта заведовал Ганс Бете, бежавший в 1933 г. из Германии и в 1941 г., незадолго до того как США вступили во вторую мировую войну, ставший американским гражданином. Его глубокие знания в области ядерной физики, ударных волн и электромагнитной теории сыграли существенную роль в успехе программы: он отвечал за расчеты возможного поведения атомной бомбы.
Энрико Ферми впервые упомянул о возможности создания атомного оружия на основе цепной реакции еще на переговорах с Управлением военно-морского флота в 1939 г. В ходе своей работы Ферми и итальянский физик Эмилио Сегре, бывший его студент и будущий Нобелевский лауреат, установили, что в качестве «взрывчатки» для атомной бомбы можно использовать тогда еще не открытый элемент плутоний (Рu, порядковый номер 94). И хотя он еще не был получен, оба ученых были убеждены в том, что его изотоп с массовым числом 239 должен возникать в урановом реакторе при захвате нейтрона ураном-238 и затем быстро распадаться.
Настояв на свободном обмене информацией между учеными, которым строго-настрого запрещалось покидать пределы центра, Оппенгеймер создал атмосферу доверия и взаимного уважения, что способствовало удивительным успехам в работе. В этой группе было больше десятка тогдашних или будущих Нобелевских лауреатов, но большинство из них считали, что львиная доля заслуг в успехе проекта принадлежит Оппенгеймеру.
Интересно отметить тогдашние опасения, что взрыв может, в принципе, привести к глобальной цепной реакции, которая охватит всю Землю, т. е. вызовет всеобщую катастрофу. За консультацией обратились к Грегори Брейту (1899–1981), известному теоретику-ядерщику, не участвовавшему в Манхэттенском проекте. Брейт независимо пересчитал все экспериментальные данные и показал, что опасения эти необоснованны.
Поэтому в Лос-Аламосе исследования шли одновременно в двух направлениях: планировались бомбы на уране-235 и на плутонии-239. Одна из бомб, «Малыш», собиралась по такой схеме: в ней имелись два куска активного вещества, масса каждого несколько больше половины критической массы — при включении детонатора они должны стремительно сблизиться, и, как только масса достигнет критического уровня, в них должна сама собой, от любого случайного нейтрона, начаться цепная реакция. Главная опасность состояла в том, что если цепная реакция начнется преждевременно, то активное вещество расплавится и растечется, не успев взорваться.
Второй тип бомбы, названный за ее выпуклую форму «Толстяком», был сконструирован иначе: вся масса активного вещества, несколько меньшая критической, находится вместе, она окружена оболочкой из бериллия, хорошо отражающего нейтроны. Радиус оболочки много больше радиуса активной начинки и потому вылетающие из нее и отражающиеся от бериллия нейтроны обратно практически
Испытание первой в мире атомной бомбы типа «Толстяк» было проведено 16 июля 1945 г. в штате Нью-Мексико. Ее прикрепили к стальной вышке, установленной в пустынной местности. Ровно в 5.30 утра детонатор с дистанционным управлением привел бомбу в действие. С отдающимся эхом грохотом на участке диаметром в 1,6 км в небо взметнулся гигантский фиолетово-зелено-оранжевый огненный шар. Земля содрогнулась от взрыва, вышка исчезла. К небу стремительно поднялся белый столб дыма и стал постепенно расширяться, принимая на высоте около 11 км устрашающую форму гриба.
Ядерный взрыв поразил ученых и военных наблюдателей, находившихся рядом с местом испытания, и вскружил им головы. Но Оппенгеймеру, любителю санскрита и староиндийской поэзии, вспомнились строки из эпической поэмы «Бхагавадгита»: «Я стану Смертью, истребителем миров», — а сам взрыв напомнил строки о конце света: «Ярче тысячи звезд». До конца его жизни к удовлетворению от научных успехов всегда примешивалось чувство ответственности за их последствия.
6 августа 1945 г. атомная бомба «Малыш» была взорвана над городом Хиросима, а через три дня точная копия первого «Толстяка» была сброшена на город Нагасаки. 15 августа Япония, чья решимость была окончательно сломлена этим новым оружием, подписала акт о безоговорочной капитуляции.
С тех пор конструкция атомных бомб претерпела много изменений: можно использовать иные типы ядерной взрывчатки с гораздо меньшей критической массой (созданы ядерные мины, даже артиллерийские снаряды), которые не приводят к такому разлету радиоактивных веществ, заражающих местность, как первые бомбы, и т. д. Но все это относится уже к ядерной технологии и нас здесь не интересует.
Глава 3
Термоядерные реакции
Астрономия, древнейшая из естественных наук, многие века ограничивалась чисто описательным подходом: наблюдались звезды и планеты, описывались их взаимоположение и законы движения (небесная механика). Гелиоцентрическая система Коперника предполагала, что планеты Солнечной системы должны быть схожи с Землей, и поэтому иногда высказывались предположения об истории их происхождения. Но звезды и Солнце могут состоять из какого-то особого, звездного вещества, о котором ничего не было известно, а потому наука не могла заниматься строением звезд или выяснением причин их свечения.
Но с открытием спектральных линий в излучении Солнца, а потом и других звезд появляется возможность взглянуть на эти небесные тела более пристально: такие линии уже говорят об их химическом составе, о том, что они, возможно, содержат те же элементы, что и Земля, и можно предположить, что никакого специфического «звездного вещества» вообще нет. Следовательно, появляется возможность думать о процессах внутри звезд или, по крайней мере, на их поверхности.
Так начала формироваться астрофизика, и так возникли ее главные проблемы: каковы состав и структура звезд, каковы источники их излучения, как они меняются в ходе своей эволюции. И тут астрофизика уже переплетается с исследованием строения Вселенной и ее историей, с космологией и космогонией (названия от греческого «космос» — это одновременно и высший порядок, и Вселенная), но эти более общие теории мы пока отложим.