Стремительное развитие физики в первые десятилетия ХХ века дарило ученым одно потрясающее открытие за другим. Престиж научного знания был так высок, что о собственных кафедрах теоретической физики думали даже там, где эта дисциплина сильно отставала от передового европейского уровня. Так случилось в Италии, и вскоре именно итальянский ученый совершил открытие, благодаря которому начались опыты с делением ядер урана. Даже когда стало ясно, что этот процесс сопровождается выделением огромной энергии, далеко не сразу в головы ученых пришла мысль использовать ее как оружие. Лишь страх перед надвигавшейся войной с немецкими нацистами и итальянскими фашистами заставил физиков взглянуть на возможности урана по-новому. К лету 1939 года атомная бомба была создана — в головах всего нескольких человек на Земле.

Пранкер во главе кафедры

Вал экспериментальных открытий, о которых мы рассказывали в предыдущем материале, нуждался в теоретическом объяснении. В 1928 году во время стажировки в Геттингене 24-летний советский физик Георгий Гамов смог построить теорию альфа-распада на основе квантовой механики (об открытии квантовой механики мы писали здесь и здесь; более подробно об истории физики в СССР мы расскажем в одной из следующих статей). За теорию бета-распада взялся молодой профессор теоретической физики Римского университета Энрико Ферми.

Физика в современном понимании возникла в Италии в конце XVI века, и открытия Галилео Галилея, Эванжелиста Торричелли и Алессандро Вольты до сих пор входят в школьные учебники. Тем не менее, к началу XX века итальянская физика заметно отставала от немецкой, английской и французской. Особенно это касалось теории.

Ситуацию взялся переломить Орсо Марио Корбино, профессор экспериментальной физики, директор Института физики в Римском университете La Sapienza, сенатор и министр в одном из ранних правительств Бенито Муссолини. В 1926 году Корбино добился организации трех первых профессорских позиций по теоретической физике в Италии, и одну из них, в Риме, занял Энрико Ферми.

Ферми всерьез увлекся математикой и физикой еще в школе и изучал их по книгам в свободное от уроков время. В значительной мере самостоятельно он продолжил образование и в Высшей нормальной школе в Пизе. Студенческая жизнь, правда, не ограничивалась исключительно занятиями. Вместе с однокурсниками Ферми забавлялся тем, что мы сейчас назвали бы пранками.

Например, в то время в итальянских городах были распространены уличные писсуары (их также называли vespasiano в память о древнеримском императоре Тите Флавии Веспасиане, который в I веке нашей эры ввел налог на общественные туалеты), и Ферми с товарищами, незаметно подкрадываясь из-за спины того, кто ими пользовался, бросали в воду кусочки металлического натрия и затем с безопасного расстояния наблюдали за тем, как натрий загорался и взрывался.

«На физическом факультете я постепенно становлюсь самым большим авторитетом. Так, на днях я прочитаю (в присутствии ряда корифеев) лекцию по квантовой теории, которую я всегда с энтузиазмом пропагандирую», — сообщал Ферми в письме другу детства, будучи 18-летним студентом 3 курса.

К 24 годам он опубликовал несколько важных статей по теории относительности и квантовой механике, и когда в Италии, наконец, появилась кафедра теоретической физики, было очевидно, кто должен ее возглавить.

В 1933 году Ферми отправил в журнал Nature статью с изложением теории бета-распада. Ответ редактора был обескураживающим: статью отказались публиковать, поскольку она была «слишком далека от физической реальности, чтобы быть интересной читателям».

Действительно, статья итальянского физика была довольно революционной. Раньше считалось, что распад нейтрона на протон и электрон (и антинейтрино) свидетельствует о том, что он состоит из этих частиц. Ферми же предположил, что квантовые частицы могут рождаться и уничтожаться в процессе взаимодействия — подобно тому, как фотоны могут возникать (испускаться) и пропадать (поглощаться), когда электрон переходит с одного атомного уровня на другой.

Эта идея, впервые сформулированная английским физиком Полем Дираком как раз для описания испускания и поглощения света, оказалась чрезвычайно плодотворной, и сейчас является базовой в физике элементарных частиц.

Впоследствии Nature признал этот эпизод одной из главных своих редакционных ошибок в истории, тем не менее, Ферми пришлось опубликовать свою статью в итальянском журнале. Вероятно, эта неудача заставила его на время оставить теорию и заняться экспериментами.

Открытие на мраморном столе

В начале 1930-х в Физическом институте Римского университета La Sapienza Корбино собрал вокруг Ферми группу чрезвычайно талантливых молодых физиков. Их называли парни с Виа Панисперна — по названию улицы, на которой находилось здание физического института.

После того как Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри объявили об открытии искусственной радиоактивности при облучении нерадиоактивных веществ альфа-частицами, Ферми решил исследовать, что будет, если вместо альфа-частиц использовать нейтроны.

Недостаток альфа-частицы для таких экспериментов заключается в том, что она, как и ядро облучаемого элемента, заряжена положительно. Они отталкиваются, и поэтому альфа-частицу необходимо сильно разогнать, чтобы она могла подлететь к ядру достаточно близко, чтобы вступить в ядерную реакцию. С незаряженным нейтроном такой проблемы не возникает, поэтому Эрнест Резефорд так настаивал на поиске нейтронов (об этом мы тоже уже писали).

Парни с Виа Панисперна приступили к экспериментам с нейтронами в марте 1934 года. Они действительно вызывали искусственную радиоактивность, но довольно быстро выяснилось кое-что гораздо более поразительное. Оказалось, что если эксперимент проводили на деревянном столе, то эффект был заметно сильнее по сравнению с экспериментом на мраморном столе!

Эта мистическая зависимость сводила всех с ума. Наконец, Ферми нашел объяснение: в дереве много атомов водорода, при столкновении с которыми нейтроны замедляются. Он предположил, что медленные нейтроны более эффективно участвуют в ядерных реакциях, потому что больше времени проводят вблизи ядра, тогда как быстрые могут пролететь мимо, не успев вступить во взаимодействие.

Это помогло Ферми описать новое фундаментальное взаимодействие — слабое. Вместе с открытым через год сильным ядерным взаимодействием, а также более привычными электромагнитным и гравитационным оно объясняет все физические процессы в наблюдаемой Вселенной. Неудивительно, кстати, что это открытие было совершено именно в Италии, где из мрамора делают даже лабораторные столы.

«С другом до конца»

В 1922 году власть в Италии захватил лидер Национальной фашистской партии Бенито Муссолини. В течение нескольких лет после этого были запрещены все остальные партии, ограничена свобода слова и собраний. Противники фашистов подверглись политическим репрессиям, включая внесудебные убийства и тюремное заключение.

Тем не менее, размах репрессий был заметно ниже, чем в Германии после прихода к власти нацистов, они касались, прежде всего, политических противников фашистов и не имели расистской основы. Чтобы укрепить свой авторитет среди интеллектуалов, Муссолини решил создать новую Королевскую академию наук Италии в противовес старой Академии деи Линчеи, в лояльности которой он сомневался.

В 1929 Ферми одним из первых получил приглашение в Королевскую академию, место в которой, помимо почета, обеспечивало дополнительное жалование 3000 лир в месяц (тогда как средняя зарплата в Италии была 3079 лир в год). Как и все члены новой академии, он принес клятву верности королю и фашистской партии.

Укрепив власть внутри страны, Муссолини, грезивший о возрождении Римской империи, занялся внешней экспансией. Первой целью стала Эфиопия, в которую итальянские войска вторглись в 1935 году. Война в Эфиопии, где Италия использовала запрещенное десятилетием ранее химическое оружие, стала причиной санкций со стороны Лиги наций.

Это привело к охлаждению отношений с Великобританией и Францией, бывшими союзниками Рима по Первой мировой войне, и сближению с Германией, совместно с которой Италия поддерживала генерала Франко в гражданской войне в Испании. В 1937 году Муссолини принял приглашение Гитлера посетить Берлин и, выступая на митинге, заявил: «Итальянский фашизм обрел, наконец, друга, и он пойдет со своим другом до конца».

В ноябре 1938 года фашистское правительство по примеру Германии приняло расовые законы, поразившие евреев в правах (в частности, евреи потеряли право работать на государственной службе и получать высшее образование). Большинство крупнейших итальянских математиков и парней с виа Панисперна вынуждены были искать работу за пределами Италии.

В том же 1938 году Энрико Ферми получил Нобелевскую премию за открытие ядерных реакций с медленными нейтронами. После церемонии награждения в Стокгольме он, не возвращаясь в Италию, эмигрировал в США. Сам Ферми был итальянцем из католической семьи, но его жена была еврейкой.

Нобелевская премия оказалась как нельзя кстати — она дала возможность, не вызывая подозрений, выехать из Италии всей семьей, а ее денежная часть позволяла не беспокоиться о том, как обустроиться в Америке.

Деление урана

Вслед за Ферми экспериментами с медленными нейтронами занялся Отто Ган, директор института химии Общества кайзера Вильгельма в Берлине. Ган, начинавший научную карьеру под руководством Эрнеста Резерфорда, был ведущим специалистом по химии радиоактивных элементов и первооткрывателем множества изотопов. Постоянным соавтором и другом Отто Гана была Лиза Мейтнер, глава физического отдела в Институте химии и первая женщина, получившая профессорскую позицию в Германии.

Лиза Мейтнер была австрийской еврейкой, и, как это ни удивительно, иностранное гражданство позволяло ей продолжать работать в Германии, в то время как немецкие евреи были уволены из университетов и институтов Общества Кайзера Вильгельма после принятия закона о Восстановлении профессиональной гражданской службы (мы писали об этом здесь).

Ситуация резко изменилась после аншлюса Австрии 12 марта 1938 года, когда все австрийские граждане были объявлены гражданами Германского рейха. Мейтнер пришлось спешно бежать за границу. При себе у нее были лишь 10 марок и алмазное кольцо матери Отто Гана, которое тот отдал ей на случай, если потребуется подкупить пограничников.

«Годы гитлеровского режима были, конечно, очень мрачными, — писала Лиза Мейтнер в конце жизни. — Однако работа была хорошим другом, и я часто думала, как прекрасно, что работа может подарить передышку и позволить забыть о гнетущих политических условиях».

Целью экспериментов, так сильно поглотивших Лизу Мейтнер, изначально было получение новых химических элементов. Считалось, что ядерная реакция между нейтронами и ядром урана может привести к образованию еще не известных науке элементов, стоящих дальше урана в таблице Менделеева.

После того как Мейтнер пришлось бежать из Германии, Ган продолжил эксперименты со своим ассистентом Фрицем Штрассманом. Результаты, правда, казались явно ошибочными — в продуктах реакции урана с нейтроном они неизменно обнаруживали барий, элемент, примерно вдвое более легкий, чем уран.

Получалось, что ядро урана при взаимодействии с медленным нейтроном делится примерно пополам, в то время как во всех предыдущих экспериментах фиксировались гораздо более мелкие осколки — альфа-частицы, протоны, нейтроны и электроны.

Отто Ган послал эти результаты Лизе Мейтнер: «Вдруг ты сможешь предложить какое-нибудь фантастическое объяснение? Мы понимаем, что бария там быть не может… Тем не менее, мы уверены, что ошибки нет».

Мейтнер получила это письмо 21 декабря, за 3 дня до Рождества. На рождественские каникулы она уехала в шведский городок Кунгельв, чтобы провести время, гуляя на природе вместе со своим племянником Отто Фришем — тоже физиком, вынужденным бежать из Германии.

Лиза Мейтнер, однако, не могла думать ни о чем, кроме странных результатов экспериментов Гана. Прямо во время одной из прогулок им с Отто Фришем удалось найти теоретическое объяснение распада урана и оценить гигантскую энергию, выделяющуюся при этом распаде. Она примерно в 10 миллионов раз больше (на единицу массы вещества), чем энергия, выделяющаяся при горении угля или взрыве тротила.

Источник этой энергии становится понятен, если вспомнить формулу Эйнштейна E=mc², — сумма масс осколков примерно на 0,1 процента меньше, чем масса исходного ядра урана, и эта разница (с учетом большого значения скорости света c = 300 000 000 метров в секунду) переходит в энергию.

В начале января Фриш набросал черновик статьи и передал копию Нильсу Бору, отправлявшемуся в США, чтобы принять участие в конференции по теоретической физике в Вашингтоне. Новости о результатах Гана, Штрассмана, Мейтнер и Фриша страшно заинтересовали американских физиков, включая только что переехавшего в США Ферми. Некоторые прямо после доклада Бора отправились в лабораторию, чтобы воспроизвести эксперимент.

Фантастическое оружие

Открытие распада урана, несомненно, имело большое фундаментальное значение, и Отто Ган получил за него Нобелевскую премию по химии в 1944 году. Однако особенно сильное впечатление оно произвело на Лео Силарда, талантливого физика, родившегося в Венгрии, который сразу осознал огромные возможности практического применения открытия Гана.

Как и многие молодые люди, интересовавшиеся наукой в 20-е годы, Силард решил получить высшее образование в Германии. После окончания Берлинского университета, где он учился, в частности, у Планка и Эйнштейна, он начал работать в Институте теоретической физики.

Силард был евреем, и поэтому в 1933 году после прихода к власти Гитлера он эмигрировал в Англию, где участвовал в создании Совета академической взаимопомощи — организации, помогавшей ученым еврейского происхождения из Германии находить работу в Великобритании.

В начале 1938 года, предчувствуя неминуемое начало войны в Европе, он переехал в США, твердо намереваясь посвятить свои исследования тому, чтобы помочь пока еще свободному миру в борьбе с гитлеровской агрессией.

В 1932 году, еще в Германии, Силард прочитал роман Герберта Уэллса «Освобожденный мир», впервые опубликованный в 1914 году, еще до начала Первой мировой войны. Уэллс удивительным образом описал освобождение атомной энергии, ее применение в промышленности и мировую войну, в которой атомные бомбы уничтожали большие города (правда, война по прогнозу фантаста должна была начаться в 1956 году).

Через год, оказавшись в Англии, Силард прочитал в «Таймс» заявление Эрнеста Резерфорда, сделанное после первой успешной рукотворной ядерной реакции в его лаборатории. Резерфорд писал, что ядерные реакции нельзя всерьез рассматривать как источник энергии и всякий, кто возьмется это исследовать, зря потратит время.

Утверждения в духе «это невозможно» всегда выводили Силарда из себя, и молодой физик отправился бродить по Лондону, размышляя о том, как можно было бы опровергнуть Резерфорда и воплотить в жизнь визионерские идеи Уэллса. Внезапно, ожидая зеленый сигнал светофора на одном из перекрестков неподалеку от Британского музея, Силард осознал, как должно быть устроено получение ядерной энергии в промышленном масштабе — нужна цепная ядерная реакция.

Все научные группы (Резерфорд в Англии, Кюри во Франции, Ферми в Италии, Ган и Мейтнер в Германии) получали ядерные реакции, облучая мишень внешним источником естественного радиоактивного излучения или быстрыми частицами с ускорителей. Интенсивность природных источников мала, энергозатраты на ускорение велики, поэтому Резерфорд не видел возможности промышленного использования энергии, запасенной в ядре.

Идея, пришедшая в голову Силарду, заключалась в следующем: если в результате ядерной реакции образуется несколько осколков, которые также могут вступать в реакции со следующими ядрами, то через короткое время значительная часть ядер вступит в реакцию, выделив гигантское количество энергии.

В 1933 году цепная ядерная реакция была лишь отвлеченной идеей — не было известно, какой элемент и как именно мог бы в ней участвовать. После открытия Гана и Мейтнер Силард немедленно понял, что если при распаде урана образуется два или больше нейтронов, то атомная бомба огромной разрушительной силы, предсказанная Гербертом Уэллсом, перестает быть исключительно объектом научной фантастики.

Более того, обладание этим оружием может решить исход надвигающейся войны.

Силард и Ферми провели эксперименты и убедились, что в результате распада урана образуется больше одного нейтрона, то есть цепная реакция в принципе возможна. Тем не менее, продолжение экспериментов требовало больших ресурсов, которыми Силард, не имевший даже постоянного места работы в Америке, не располагал.

Очень обеспокоенный тем, что немцы тоже могут взяться за создание атомного оружия, Силард обратился к Альберту Эйнштейну, с которым они когда-то работали в Берлине. Летом 1939 года они вместе написали письмо президенту США Франклину Рузвельту. Рузвельт согласился, что ситуация требует действий, и поручил организовать Консультативный комитет по урану для поддержки ядерных исследований.

На первом заседании речь зашла о деньгах, и подполковник Адамсон, представитель вооруженных сил США, заявил, что смысла финансировать ядерное оружие нет, так как на войне побеждает не оружие, а моральный дух солдат. В ответ на это один из присутствовавших физиков заметил, что, возможно, оружие все-таки имеет какое-то значение, раз армия получает такое большое финансирование.

Более того, продолжал ученый, в свете открывшихся обстоятельств объем этого финансирования следует пересмотреть. Адамсон неохотно согласился выделить Силарду и Ферми 6000 долларов — примерно одну трехсоттысячную часть суммы, которую США в итоге потратили на создание ядерного оружия.

Евгений Гельфер