Роберт Оппенгеймер
Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями
Плодотворный визит
Именно с этого момента я активно включился в работу над этой проблемой. Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы: ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным.
Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.
Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм. Я рассказал о наших соображениях Плачеку, находившемуся в Копенгагене, прежде чем решил ставить эксперимент. Сначала Плачек не верил, что эти тяжелые ядра, которые, как известно, испускают α-частицы, могут быть подвержены еще одному типу распада. «Это звучит, – сказал он, – примерно так: человек попал под машину, а при вскрытии оказывается, что пострадавший и без того скончался бы через несколько дней, так как у него злокачественная опухоль». Затем он сказал: «Почему бы вам не провести контрольные эксперименты, используя камеру Вильсона?» У меня не было подходящей камеры Вильсона, а найти ее каким бы то ни было образом было трудно. Но я приспособил ионизационную камеру, с помощью которой можно было без труда экспериментально наблюдать большие импульсы, возникающие от ионизации, производимой осколками деления.
Я не считаю, что хронологическая последовательность событий играет существенную роль; кроме того, я не хочу приписать себе особые умственные способности или же оригинальность мышления. Мне просто посчастливилось быть вместе с Лизе Мейтнер, когда она получила сообщение об открытии Гана и Штрассмана. Потребовалось некоторое напоминание извне для того, чтобы я провел решающий эксперимент 13 января. К этому времени наша совместная работа была почти написана. Я продержал ее еще три дня, дописал другую статью и отправил их вместе в «Nature» 16 января; они были опубликованы неделей позже. В первой статье я употребил слово «деление», предложенное мне американским биологом Уильямом А. Арнольдом, у которого я спросил, как размножаются клетки.
Во второй статье содержалось предложение Лизе Мейтнер о том, что осколки деления, возникающие в результате облучения уранового образца, могут быть сосредоточены у его поверхности, а их активность можно измерить. Независимо эту же мысль высказал Жолио, который успешно провел эксперимент по проверке этой идеи 26 января. Приблизительно в то же время эти новости стали известны в США. К каким следствиям это привело, видно из статьи Уилера.
Завершающий этап поисков
Вернемся к моему первому вопросу: «Почему так долго не могли обнаружить деление?». Почему не был открыт раньше нейтрон? Резерфорд думал над тем, что такая частица может существовать. Он предсказывал некоторые ее свойства еще в своей Бейкерианской лекции, прочитанной в 1920 г. Однако Жолио не читал ее, считая, что в популярной лекции не может содержаться ничего нового. Когда Жолио и Кюри нашли, что при облучении парафина «бериллиевой радиацией» испускаются протоны, они приписали это некой разновидности комптон-эффекта очень жестких γ-лучей (с энергией около 50 МэВ), не считаясь с возражениями физиков-теоретиков. В конце концов нейтрон был открыт в Кембридже, где предполагали наличие такой частицы и искали ее.
В 1932 г., когда был открыт нейтрон, с помощью импульсных усилителей и ионизационных камер можно было легко определить импульсы от осколков деления. Но это был бы слишком большой скачок в развитии наших представлений. Капельная модель ядра родилась позже. Бор предложил модель компаунд-ядра только в конце 1936 г. Надо было быть гением, чтобы тогда же предсказать деление, однако никто не смог этого сделать.
Открытие искусственной радиоактивности в 1934 г. было опять-таки случайным, никто не искал его, за исключением Резерфорда, который тщетно искал α-распад. Группа в Беркли просто закрыла глаза на «странное поведение» счетчиков. После открытия искусственной радиоактивности физики, как стадо овец, бросились повторять опыт с абсолютно очевидными вариациями (я сам также входил в это стадо). Только у Ферми хватило ума выбрать оригинальное и на редкость плодотворное направление.
Но затем Ферми пошел по неправильному пути: он был уверен, что уран, подобно остальным тяжелым ядрам, покорно поглотит и замедлит нейтрон, падающий на него. Он сделал предположение, что образующиеся радиоактивные вещества будут отличаться от любого из известных элементов, расположенных близко к урану. Немецкий химик Ида Ноддак совершенно правильно указала, что они могут быть более легкими элементами. Однако ее замечания (опубликованные в журнале, который читают далеко не все химики и едва ли хоть кто-нибудь из физиков) были расценены как совершенно несущественные. Она не указала, как могут образоваться такие легкие элементы. Возможно, ее статья не оказала никакого влияния на более поздние работы.
В конце концов все-таки химики нашли правильный путь. Ирэн Кюри и Павле Савич подошли очень близко в решению проблемы, и лишь наличие двух веществ, свойства которых, как нарочно, были почти одинаковыми, помешало им обнаружить деление урана прежде, чем Ган и Штрассман дали окончательный ответ на этот вопрос.
Кембриджский университет, Великобритания
Дж. Уилер
Механизм деления ядер
В первых числах января 1939 г. шведско-американский лайнер «Дротнингхольм» шел, пересекая бурное море, из Копенгагена в Нью-Йорк. На его борту находился Нильс Бор, который вез короткое сообщение, приведшее к тому, что центр ядерных исследований переместился из Европы, где в эти годы, совпавшие по времени с правлением Гитлера, были сделаны первые открытия в области ядерной физики, в США.
Хотя проведение этих исследований привело к роковым последствиям как для США, так и для остального мира, сам процесс передачи этого конкретного сообщения был прост: несколько слов, сказанных Отто Фришем Нильсу Бору на пристани в Копенгагене, и несколько слов, сказанных в нью-йоркском порту Энрико Ферми и мне Нильсом Бором.
На правах младшего участника всех событий, имевших место сразу же после этого и в последующие месяцы, я расскажу о той деятельности, которая привела к опубликованию в журнале «Physical Review» статьи, написанной Нильсом Бором и мной. В этой статье приводились некоторые мысли по поводу сообщения о делении ядер, была рассмотрена капельная модель ядра, которую Фриш применил для объяснения механизма деления и определения фактора упаковки, который учитывала Лизе Мейтнер, делая первые оценки энергии, освобождающейся при делении.
В то время никому не удалось при рассмотрении этого нового процесса использовать все свои знания ядерной физики и правильно интерпретировать это явление. К счастью, уже появились основные идеи, без которых нельзя было найти решение этой проблемы. Пожалуй, здесь уместно будет напомнить, как развивалась ядерная физика в предшествовавшие шесть лет.
Ключи к разгадке
1932 г. был плодотворным для многих физиков. В то время я только что получил докторскую степень. В этом году был открыт нейтрон и Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую статью, в которой предполагалось, что ядра состоят из нейтронов и протонов. Такие открытия позволяли надеяться, что скоро мы будем знать ядро так же хорошо, как атом. Эта воодушевляющая картина ободряла многих молодых людей и меня в их числе. 1933–1934 гг. я проработал у Грегори Брейта, который оказал на меня большое влияние. В эти дни как он, так и вся его группа интуитивно придерживались следующей модели ядра: нейтроны и протоны двигались в общем самосогласованном поле, аналогичном электрическому полю атома. Принятая нами модель была не только «недоработанной», она была во многом неясной. Ни один из нас, особенно Брейт с его осторожностью и проницательностью, не был ее догматическим приверженцем. Поэтому он всегда был готов считать, что в ядре могут находиться не только нейтроны и протоны, но и α-частицы. Такую точку зрения, казалась, можно было применить при рассмотрении некоторых реакций. Брейт уделял особое внимание расширению исследований, минимально зависящих от модельных представлений. Поэтому многие работы нашей группы были посвящены проникновению в ядро заряженных частиц и изучению зависимости сечений ядерных реакций от энергии. Большое внимание было уделено рассмотрению процессов рассеяния на основе фазового анализа.
По рекомендации Брейта я провел следующий год в Копенгагене в институте Нильса Бора. Здесь я приступил к изучению многих новых идей. По-моему, в ядерной физике в то время не было ничего более значительного, чем сообщение Мёллера, привезенное им весной 1935 г. после краткого визита в Рим на пасху. Он рассказывал об экспериментах Ферми с медленными нейтронами и об открытых им удивительных резонансах. Все проведенные ранее оценки показывали, что частица, проходящая через ядро, имеет чрезвычайно малую вероятность поглотиться ядром или потерять энергию на излучение, если считать верной принятую тогда модель ядра. Однако результаты опытов Ферми оказались диаметрально противоположными предсказаниям этой модели. Они установили наличие огромного сечения и резонансов, которые никак не удавалось объяснить.
Понадобилось несколько недель для того, чтобы проанализировать основные, наиболее важные результаты этого открытия. Оно произвело на всех большое впечатление, но никто не был так заинтересован, как Бор, который всюду устраивал обсуждения и был самым активным участником дискуссий.
Капельная модель ядра
История создания капельной модели и модели составного ядра хорошо известна. Но менее ясно и далеко не очевидно, чем в то время эти идеи отличались друг от друга; основным содержанием модели составного ядра было предположение, что судьба составного ядра не зависит от механизма, приведшего к его образованию; капельная модель является, так сказать, частным случаем модели составного ядра, подтверждающим целесообразность такой модели. Бор предположил, что средняя длина свободного пробега нуклона мала по сравнению с размерами ядра, тогда как, согласно всем предыдущим оценкам, она должна была быть больше. Эта новая идея сделала капельную модель ядра чрезвычайно привлекательной. Никто, оглядываясь назад, не может даже с теперешней выигрышной позиции не выразить удивления по поводу «самой большой случайности в ядерной физике» – того обстоятельства, что средняя длина свободного пробега частиц в ядре оказалась ни чрезвычайно малой по сравнению с размерами ядра (предположение модели составного ядра), ни чрезмерно большой (как предполагалось в ранних моделях), а занимает промежуточное положение. Более того, все удивительные свойства физики ядра очень сильно зависят от величины этого параметра. Не так давно Оге Бор и Бен Моттельсон показали, что даже сколь угодно точное знание этого параметра не дает возможности определить тот из многих альтернативных режимов, по которому пойдет реакция. Только наблюдения могут ответить на этот вопрос.
Имея так мало сведений об этих определяющих параметрах, как это было в 1935 г., и почти не подозревая об их высокой критичности, не оставалось ничего другого, как использование «на всю мощь» предположения о малости длины свободного пробега.
В трудах Фрица Калькара и Нильса Бора 1935–1937 гг. капельная модель получила свое дальнейшее развитие. Они использовали ее для расчета целого ряда процессов. В этом случае основным является предположение о составном ядре, т. е. концепция о двух совершенно независимых стадиях ядерной реакции. На первой стадии частица, попавшая в ядро, переводит его в возбужденное состояние; затем ядро возвращается в основное состояние, испустив γ-квант, нейтрон, α-частицу или при помощи какого-нибудь другого конкурирующего процесса.
Бор привозит новости
Сообщение Фриша, полученное Бором перед отъездом из Копенгагена, открыло перед ним новую область применения модели составного ядра. Ко времени своего приезда в Нью-Йорк Бор уже знал, что деление ядер является еще одним конкурирующим процессом наряду с переизлучением нейтрона и испусканием γ-лучей. Через четыре дня после приезда Бор с Розенфельдом окончили статью, в которой содержалась общая картина деления, для объяснения которого использовались понятия об образовании и распаде составного ядра. В течение нескольких месяцев Розенфельд совместно с Бором работал в Принстоне над проблемой измерений в квантовой электродинамике. За это время Бор прочел по этому вопросу не больше шести лекций. Тем не менее эта и многие другие проблемы отнимали у него много времени. Перед входом в его кабинет был вывешен длинный перечень неотложных дел и список лиц, с которыми надо что-то обсудить. При такой занятости легко понять радость Бора, когда он заходил в мой кабинет, чтобы поговорить о выполнявшейся в данное время работе. Мы пытались детально разобраться в механизме деления и для начала проанализировать потенциальный барьер, препятствующий делению, и выяснить, чем определяется его высота.
Прежде всего нами было выдвинуто предположение о наличии порога или барьера. Как можно было согласовать существование барьера с моделью капли?
Разве идеальная жидкость не может быть разделена на сколь угодно мелкие капли? Может ли энергия возбуждения, необходимая для того, чтобы ядро, находящееся в исходном состоянии, распалось на две части, быть произвольно малой? Ответить на эти вопросы нам помогло вариационное исчисление, теория максимумов, минимумов и критических точек. Достижения этой отрасли математики мы «осмотически» поглотили из окружающей нас среды, которая была наполнена в течение ряда лет идеями и результатами Мастона Морса. Стало ясно, что нами найдено конфигурационное пространство, совокупность точек которого описывает деформацию ядра. В этом конфигурационном пространстве можно определить различные траектории, идущие от основного состояния, когда ядро по своей форме близко к сфере, проходящие через барьер и приводящие к распавшемуся ядру. На каждой из этих траекторий энергия деформации достигает своего максимального значения. Величина максимума неодинакова для разных траекторий, образующих в этом пространстве особую точку типа «седла». Наименьший из этих максимумов определяет высоту седловой точки, т. е. порог деления или энергию активации при делении ядра.
Пока мы оценивали высоту барьера и освобождавшуюся энергию для различных типов деления, приближался день открытия пятой ежегодной конференции по теоретической физике, которая должна была начаться в Вашингтоне 26 января. Бор чувствовал свою ответственность перед Фришем и Мейтнер и, как принято в научном мире, считал, что нельзя в настоящее время ни словом обмолвиться об их предположениях и успехах до тех пор, пока им самим не представится удобный случай для публикации. Несмотря на это, Розенфельд вначале не оценил всех затруднений и сложностей в позиции Бора. В день прибытия Бора в США Розенфельд выехал поездом в Принстон. (У Бора в этот день были некоторые дела в Нью-Йорке.) Сообщение о новом открытии, сделанное Розенфельдом в клубе журналистов (открытый по понедельникам вечерний клуб), вызвало всеобщее возбуждение. Исидор И. Раби, присутствовавший там, привез эти новости к себе в штат Колумбию, где Джон Даннинг решил немедленно поставить эксперимент. Тем не менее даже 26 января Бор не хотел говорить об открытии Фриша и Мейтнер до тех пор, пока не получил сообщение о том, что эти результаты уже опубликованы. К счастью, днем ему передали выпуск «Naturwissenschaften», в котором была работа Гана и Фрица Штрассмана; теперь он мог об этом говорить. Сразу же начались новые опыты. Сообщение о первом прямом доказательстве существования деления ядер появилось в газетах 29 января.
Создание теории
В основе анализа деления лежала капельная модель, которая возвращала Бора к его излюбленной теме. Первая студенческая работа Бора была посвящена экспериментальному исследованию неустойчивости водяной струи при дроблении ее на мелкие капли. Ему была хорошо известна работа Джона У. Стрэтта, третьего лорда Рэлея. Эта работа являлась отправной точкой для нашего анализа. Однако у нас получились члены более высокого порядка, чем в вычислениях Рэлея, поскольку мы не ограничивались чисто параболической частью ядерного потенциала, т. е. той частью, которая квадратично растет с увеличением деформации. Мы рассмотрели члены третьего порядка с целью определить точку максимума у потенциала. Это дало нам возможность оценить высоту потенциального барьера по крайней мере для тех ядер, заряд которых был достаточно близок к критическому значению, соответствующему немедленному делению.
При этом нами было установлено, что вся проблема сводится к определению зависимости функции f от одной безразмерной переменной х. Этот «параметр делимости» определяется отношением квадрата заряда ядра к его массе. Величина этого параметра равна единице для неустойчивых ядер сферической формы. Для значений, близких к единице, пользуются разложением в степенной ряд около x = 1, что позволяет оценить высоту барьера. Действительно, вычисление первых двух членов разложения по степеням (1 − x) дает высоту барьера. Можно проанализировать и противоположный предельный случай. В этом пределе заряд ядра так мал, что высота барьера почти целиком определяется силами поверхностного натяжения. Ролью кулоновских сил при распаде можно пренебречь. Эти два случая (разложение в степенной ряд около точек x = 0 и x = 1) весьма сильно отличаются друг от друга. Мы понимали, что потребуется очень большая работа для того, чтобы определить свойства потенциального барьера в промежуточной области. Поэтому мы просто ограничились интерполяцией между этими двумя предельными случаями. В течение последующих 28 лет во многих работах было проведено весьма большое число вычислений, определяющих топографию энергии деформации в конфигурационном пространстве. Мы пока еще далеки от завершения этого анализа.
Здесь особенно интересно отметить ту осторожность, с которой Бор воспринял эту формулу. Он заходил к нам чуть ли не каждый день, и мы сидели, быть может, до полудня, пытаясь подойти к этому вопросу то с одной стороны, то с другой. Но его чрезвычайная осторожность проявилась особенно ярко, когда мы хотели определить число уровней в промежуточном состоянии. В наши дни эта величина носит название «числа каналов», и мы использовали ее в формуле для скорости деления, полученной с помощью теории многоканальных реакций. Кроме того, мы применили аналогичные соображения для описания других ядерных реакций. Но в то время мысль о том, что каждый отдельный канал может быть в принципе экспериментально наблюдаем, не казалась нам достаточно убедительной. Еще более сомнительным мы считали то, что каждый канал может характеризоваться своим отличным от других угловым распределением, из которого удастся определения ядер были весьма полезны. И только более поздние работы Бора помогли нам разобраться в этом вопросе. Процитируем фразу, в которой мы осторожно говорим о числе каналов: «Следует заметить, что специфические квантовомеханические эффекты, которые начинаются при энергии, меньшей или равной критической энергии деления, могут даже оказать свое влияние при энергиях, несколько бóльших критической, и вызвать слабые осцилляции в начале кривой выхода, что, возможно, допускает прямое определение числа каналов». Теперь-то мы знаем, что позже, в 50-х годах, эти отклонения были найдены Ламфером и Грином, а также другими авторами, и это привело к непосредственному измерению числа каналов.