Совместно с издательством «Манн, Иванов и Фербер» публикуем главы из книги Джеймса Глика «Гений» о жизни и работе нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана. Перевод с английского Ю. Змеевой, Е. Кротовой.

Цепная реакция

У Ферми в брикете урана и графита, выпиленном и собранном профессиональными краснодеревщиками на корте Чикагского университета 2 декабря 1942 года, находилась первая в мире критическая масса радиоактивного вещества. Между его черными графитовыми стержнями первая в мире искусственно вызванная цепная реакция длилась около получаса. Но это была медленная реакция, для бомбы же требовалась быстрая, протекающая менее чем за миллисекунды. Естественный эволюционный переход от чикагского, высотой в два этажа, эллипсоида к сферической урановой бомбе размером с бейсбольный мяч, которая была взорвана на проекте «Тринити», был невозможен. Для подобного перехода от большого реактора с медленно протекающей реакцией к бомбе, где реакция протекает быстро, необходим заметный скачок. Могло быть несколько различных промежуточных этапов.

И все же еще одно из возможных решений пришло в голову Фейнмана в апреле 1943 года, когда он находился в машине у ворот пропускного пункта Лос-Аламоса. Атомы водорода замедляли нейтроны. Это открытие Ферми сделал много лет назад. Вода же была дешевым веществом, в состав которого входил водород. Раствор урана в воде мог бы стать мощным компактным реактором. Фейнман ждал, пока охранник устранит ошибку, вкравшуюся в его пропуск. Справа и слева от ворот было протянуто ограждение из колючей проволоки. За ним находились не лаборатории, там располагалось лишь несколько одноэтажных зданий и незавершенных построек, поднявшихся словно из грязи в конце этой зимы. Строго говоря, такие постройки, которые в армии называли мобилизационными, представляли собой наспех возведенные на бетонном фундаменте деревянные каркасные дома, обитые простым сайдингом, с битумными крышами. Возвращаясь из Санта-Фе, расположенного более чем в пятидесяти километрах отсюда, надо было проезжать по укатанной грунтовой дороге, врезавшейся прямиком в отвесные скалы. Фейнман был не единственным из физиков, никогда не уезжавшим западнее Чикаго.

Ученых предупредили, что на время работы, по требованию армейских руководителей проекта, потребуется полная изоляция, но никто до конца не осознавал, что именно имеется в виду. Поначалу единственным средством связи с внешним миром была телефонная линия, проложенная лесничеством. Чтобы позвонить куда-то, приходилось крутить ручку, расположенную сбоку.

Рекомендуем по этой теме:
56462
5 книг о теоретической физике

Дожидаясь, пока военная полиция одобрит его пропуск, Фейнман провел в уме некоторые расчеты для гипотетического промежуточного реактора, который можно было назвать водяным бойлером. Вместо урановых и графитовых стержней в нем можно было бы использовать растворенный в воде уран с большим содержанием изотопа 235. Водород, присутствующий в воде, позволял увеличить эффективность во много раз. Ричард попытался сообразить, сколько понадобится урана. На протяжении нескольких недель он продолжал обдумывать эту задачу, то откладывая идею, то снова возвращаясь к ней. Он детально продумывал геометрию столкновений нейтронов с водородом и наконец пришел к неожиданной мысли. Возможно, в идеальном варианте потребуется меньше урана, чем предполагалось ранее.

Ричард преобразовал уравнения таким образом, чтобы можно было бы свести решение к использованию минимального принципа, его любимого способа в тот период. Он разработал теорему для пространственного распределения расщепляемого вещества и обнаружил, что его неоднородность распределения не будет иметь принципиального значения при использовании реактора столь небольшого размера. Когда обогащенный уран наконец начал поступать в Лос-Аламос, был изготовлен вариант бойлера в виде тридцатисантиметровой сферы, расположенной внутри изготовленного из черного оксида бериллия куба, размеры граней которого составляли порядка метра. Куб был установлен на столе, огороженном тяжелой бетонной стеной на дне укрытого соснами каньона Омега. И все это сооружение находилось на расстоянии нескольких километров от основного объекта. Это был первый крупномасштабный экспериментальный источник нейтронов, и впервые угроза взрыва была вполне реальна. Для всех теоретиков, принимавших участие в проекте, именно элементы первой проблемы стали лейтмотивом их вре мен ной работы: траектории нейтронов, смеси малоизученных металлов, радиация, тепло, вероятность.

Пока тянулся слякотный апрель, ученые продолжали прибывать в Лос-Аламос, и их количество уже достигло тридцати. Они приезжали во временный офис в Санта-Фе, а затем исчезали в пустынной местности, окружающей этот городок. Если бы они посмотрели на место своего назначения с воздуха, то увидели бы, что комплекс, в который они направляются, расположен на плоском выступе, образованном застывшей лавой, извергнутой из кратера спящего вулкана. Но пока они знали лишь номер абонентского ящика для писем — P. O. Box 1663, и в их водительских правах появилась специальная отметка «В». Но не все меры, предпринятые, чтобы обеспечить безопасность, могли сдерживать интерес и развеять подозрения местного населения.

Любой местный полицейский, остановивший Ричарда Фейнмана на дороге к северу от Санта-Фе, увидел бы удостоверение некоего инженера, в котором вместо имени указывался только номер 185, занесенный в специальный список «В», и подпись которого не требовалась. Само название Лос-Аламос едва ли что-то значило. Каньон? Школа для мальчиков? Подъезжая к объекту, ученые чаще всего могли видеть бывшего университетского преподавателя, забрасывающего назойливыми инструкциями бригаду военных строителей. Если Оппенгеймер оказывался рядом и мог поприветствовать вновь прибывших лично, из-под полей его уже тогда знаменитой шляпы раздавалось: «Добро пожаловать в Лос-Аламос, но, черт возьми, кто вы такой?» Первым знакомым человеком, которого встретил Фейнман, был его товарищ по Принстону Пол Олум: тот стоял прямо на дороге с папкойпланшетом и отмечал каждый прибывший грузовик. Первое время Ричарду приходилось спать на одной из составленных рядком кроватей на балконе здания школы. Еду доставляли из Санта-Фе в коробках для ланча.

Вокруг царила суматоха. Стройка была в самом разгаре: цемент застывал на открытом воздухе, отовсюду раздавались звуки циркулярной пилы, и только теоретики имели все необходимое для работы — одну грифельную доску на колесиках. Официальная церемония «закладки первого камня» состоялась 15 апреля. Оппенгеймер пригласил всех теоретиков, а также некоторых физиков-экспериментаторов и химиков, чтобы официально объявить о том, на что раньше только намекали. Им предстояло создать бомбу, оружие, работающее устройство, механизм, способный сконцентрировать потоки нейтронов, необходимых для ядерной реакции, в небольшом объеме пространства в течение малого интервала времени для того, чтобы спровоцировать взрыв.

В начале выступления Фейнман осторожно записал в своем блокноте: «Не обязательно говорить о том, что мы должны обсудить, скорее, стоит обсудить то, над чем мы работаем». Командам из Беркли и Чикаго было известно значительно больше. По крайней мере, складывалось такое впечатление. Для расщепления атома обычного урана требовалось, чтобы он столкнулся с быстрым, обладающим большой энергией нейтроном. Каждый атом сам по себе был маленькой бомбой: он распадался с выделением энергии и высвобождением новых нейтронов, которые, в свою очередь, ударяли соседние атомы урана. Нейтроны же, как правило, замедлялись, и их скорость становилась ниже порогового значения, необходимого, чтобы вызвать расщепление других атомных ядер. Цепная реакция в этом случае сама себя не поддерживала.

А вот более редкий изотоп урана-235 был способен распадаться при столкновении с медленными нейтронами. Если бы основная масса урана состояла из таких менее стабильных атомов, нейтроны чаще находили бы свои цели, и цепная реакция могла бы поддерживаться более длительное время. При использовании чистого урана-235 взрывную реакцию получить можно, но его на протяжении нескольких месяцев удавалось получать лишь в микроскопических количествах. Другой способ спровоцировать цепную реакцию заключался в том, чтобы поместить радиоактивную массу в металлический купол, от внутренней поверхности которого нейтроны могли бы отражаться по направлению к центру, что привело бы к усилению их воздействия. Перед аудиторией, состоящей из тридцати человек, каждый из которых к этому моменту уже сам излучал почти осязаемую энергию нервозности, с описанием различных свойств куполов выступил худощавый советник Оппенгеймера Роберт Сербер. Фейнман быстро записывал: «…отражает нейтроны поддерживает бомбу на уровне критической массы не поглощающий равномерный фактор 3 в массе хороший взрыв…» Он быстро набросал несколько диаграмм. От обсуждения вопросов ядерной физики перешли к рассмотрению проблем, для решения которых надо было использовать методы гидродинамики, науки отнюдь не молодой, но от этого не ставшей менее понятной. Пока нейтроны выполняли свою работу, бомба нагревалась и расширялась. В ключевые моменты времени возникали ударные волны, перепады давления, краевые эффекты. Их сложно было рассчитать, и долгое время теоретики проводили расчеты вслепую.

Рекомендуем по этой теме:
20611
Язык современной физики

Создание бомбы в корне отличалось от разработки теории квантовой электродинамики, где почва уже была подготовлена великими учеными.

Здесь задачи были новыми, лежащими на поверхности, и поэтому — что немало удивляло Фейнмана — простыми. Ричард добился успехов, решив ряд вопросов, поднятых в первых лекциях, вознаградив себя за длительный период блуждания во тьме чистой теории. Однако возникали всё новые сложности.

«Многое из того, что необходимо было сделать, предстояло сделать впервые», — писал позже анонимный летописец тех событий, тайно работавший на другое лицо. Этим летописцем был Фейнман, занявшийся столь несвойственным ему делом по просьбе бывшего декана Гэрри Смита. Пытаясь подытожить те проблемы, что встали перед теоретиками в Лос-Аламосе, Ричард добавил: «без соответствующей подготовки». И далее: «материалы, которые долгое время были практически недоступны». Он написал «материалы», потому что не мог заставить себя написать уран или плутоний после нескольких лет эвфемизмов вроде трубосплава и 49. Теоретики ожидали трубосплав с таким же нетерпением, как и экспериментаторы. Могли потребоваться и более обычные материалы, так что по запросу лаборатории из Форта Нокс доставили две полусферы из чистого золота, каждая размером с половину баскетбольного мяча. Однажды, проводя экскурсию для Смита, Фейнман обратил его внимание на то, что он рассеянно пинал одну из них, а теперь она служила ограничителем для двери. На запрос о поставке осмия, плотного нерадиоактивного металла, они получили отказ, когда выяснилось, что требуемое количество превышало все мировые запасы. Ну, а для того, чтобы получить требуемое количество урана-235 и плутония, лаборатории пришлось бы ждать, пока мировые запасы увеличатся в миллионы раз.

Все, что было известно об этих материалах на тот момент, было получено в результате экспериментов, проведенных с крошечными, буквально невидимыми образцами. Эксперименты эти были сложными и дорогостоящими. Даже измерение плотности плутония стало трудной задачей для чикагской команды. Первая песчинка плутония была доставлена в Лос-Аламос только в октябре 1943 года. Чтобы получить более крупные поставки, требовалось время, но и в этом случае фактически можно было провести лишь один полноценный эксперимент. На большинство вопросов по-прежнему приходилось отвечать только с помощью карандаша и бумаги. Вскоре стало ясно, что процесс разработки теории в Лос-Аламосе будет похож на хождение по канату без страховки.

Команда теоретиков была небольшой — всего тридцать пять физиков и группа расчетчиков, в задачи которой входило предоставление результатов анализа и прогнозов во все значительно более крупные подразделения практиков: экспериментальное, артиллерийское, оружейное, химическое и металлургическое. Анализ и прогнозы. Другими словами, что произойдет, если?.. Теоретики Лос-Аламоса не могли позволить себе роскошь раздумывать о том, как раскрыть простые тайны, такие как излучение света атомами водорода или распространение идеальной волны в идеальном газе. Материалы, находящиеся под рукой, были далеко не идеальны, и теоретики так же, как и экспериментаторы, двигались на ощупь, разгребая завалы на территории под названием нелинейная математика. Важные решения необходимо было принимать до того, как станет возможным провести эксперименты. В своем анонимном дневнике Фейнман обозначил основные вопросы, которые стояли перед ними:

— Каких размеров должна быть бомба (будь то сферический заряд с плутонием или взрывное устройство с ураном)? Какова критическая масса и критический радиус для каждого из материалов, внешние размеры, при соблюдении которых будет поддерживаться цепная реакция?

— Из каких материалов лучше изготавливать купол, от которого нейтроны будут отражаться обратно к бомбе? Металлурги должны были приступить к изготовлению купола задолго до того, как сам эксперимент станет возможен.

— Насколько чистым должен быть уран? На основе этих расчетов принималось решение о том, надо ли строить огромный комплекс для проведения третьей стадии очистки в Ок-Ридже.

— Сколько тепла, света может выделиться, какими могут быть последствия ядерного взрыва в атмосфере?

Линкор и Торпедный катер

Двухэтажное здание, в котором базировались ученые, было выкрашено в зеленый цвет и называлось «корпус Т», то есть теоретический. Оппенгеймер превратил его в штаб-квартиру и интеллектуальный центр лаборатории.

Ответственным он назначил Ханса Бете, знаменитого физика-ядерщика из Корнеллского университета. Коридоры в здании были узкие, а стены тонкие, и во время работы ученые периодически слышали рокочущий смех Бете и предполагали, что где-то поблизости должен был находиться и Фейнман.

Бете и Фейнман. Многие считали эту парочку весьма странной. Педантичный немецкий профессор и молодой шустрый гений. Кто-то даже придумал для них прозвища: Линкор и Торпедный катер. Их совместный метод работы заключался в том, что Бете прокладывал путь, как тяжеловесный гигант, в то время как Фейнман сновал туда-сюда, жестикулируя и выкрикивая со своим шероховатым нью-йоркским акцентом что-то вроде «Ты с ума сошел!» или «Это бред какой-то!». Бете отвечал ему всегда спокойно, как и подобает профессору, выискивал способ решить задачу аналитически и объяснял, что это не он, а Фейнман сошел с ума. Ричард выслушивал, начинал расхаживать из стороны в сторону, а потом сквозь стены до остальных вновь доносился его крик: «Нет, нет, ты неправ!». Проявлявший беспечность там, где Бете был аккуратен, он был именно таким, какого искал Бете, — бескомпромиссным, способным на творческую критику, и, что очень важно, он мог заметить нестыковки задолго до того, как идея перерастет в нечто большее. Свежие мысли и нестандартные решения — в этом был весь Фейнман. Он никогда, в отличие от Бете, лишний раз не проверял каждое интуитивное предположение. Они не всегда работали, поэтому более осторожные коллеги даже вывели эмпирическое правило: если Фейнман сказал что-то три раза, значит, это верно.

Представить лучшего лидера команды теоретиков, чем Бете, вряд ли было возможно. Благодаря опубликованным в 1930-х годах трем потрясающим обзорным статьям, в которых рассматривалось общее состояние ядерной физики, он стал признанным авторитетом в этой области. Оппенгеймеру было известно, что Бете не просто систематизировал имеющиеся знания, он собственноручно вычислил и проверил все, что было написано в каждой строке. Он работал над теорией вероятности и теорией ударных взрывных волн, изучал пробивную способность брони артиллерийскими снарядами (эта работа, которую он выполнил, желая внести вклад в подготовку к маячащей на горизонте войне, была немедленно засекречена министерством обороны, так что даже сам Бете, не говоря уже об обычных американских гражданах, больше никогда о ней не слышал). За объяснение термоядерных реакций, происходящих на Солнце, он получит Нобелевскую премию, а за время своей работы в Корнелле, куда он приехал в 1935 году, он смог превратить этот университет в один из новых мировых центров в области физики, так же как Оппенгеймер и Эрнест Лоуренс преобразовали Беркли.

Оппенгеймер очень хотел заполучить Бете в свою команду, и ему пришлось приложить усилия, чтобы убедить его в реалистичности проекта атомной бомбы и уговорить оставить Радиационную лабораторию МТИ, где тот работал с 1942 года. (Когда Бете согласился, Оппенгеймеру отправили телеграмму с заранее приготовленным шифрованным сообщением на детском бланке «Вестерн Юнион».) На участии Бете настаивал и его друг Эдвард Теллер, который, впрочем, немало удивился, узнав, что Оппенгеймер назначил Бете, очень прагматичного человека, руководителем теоретического подразделения — команды, состоящей из очень самолюбивых, невероятно эксцентричных, темпераментных, ранимых и непостоянных теоретиков и специалистов-расчетчиков.

Чтобы изучить физику, Бете пересек всю Европу. Сначала он учился в Мюнхене у Арнольда Зоммерфельда[]Арнольд Иоганнес Вильгельм Зоммерфельд (1868–1951) — немецкий физик-теоретик и математик., пророчески предсказывавшего будущих лауреатов Нобелевской премии, а затем в Кембридже и Риме. В Кембридже его интересовали лекции Дирака по квантовой механике, однако Бете перестал посещать их, когда обнаружил, что Дирак, чьи формулировки были безупречны, просто читал вслух свою книгу. В Риме, где он стал первым иностранным студентом-физиком за всю историю университета, его внимание привлек Ферми. Они даже работали вместе, хотя и недолго. Именно от него Бете перенял стиль, который называл легкостью подхода. Его первый великий учитель Зоммерфельд всегда начинал решение задач с того, что педантично отбирал соответствующее снаряжение из математического арсенала. Он предпочитал решать уравнения и только потом, получив результат, находил им соответствующее физическое обоснование. Ферми же, напротив, сначала начинал прокручивать задачу в уме, обдумывал, какие силы в ней задействованы, и только потом записывал необходимые уравнения. В век абстрактной, не визуализируемой квантовой механики придерживаться «легкого» подхода было непросто. Ханс Бете смог совместить подход Ферми с почти неудержимой страстью к вычислению реальных чисел, содержавшихся в уравнениях, что было далеко не типично. Большинство физиков с удовольствием растягивали уравнения на целую страницу, погружаясь в алгебраические преобразования, и не задумывались о реальных значениях или диапазонах изменения тех реальных величин, которые обозначены в этом уравнении символами. Для Бете же теория обретала смысл только в тех случаях, когда позволяла рассчитать реальные значения физических параметров.

Из Рима Бете вернулся в Германию, где научная элита оказалась практически на краю пропасти. В древних стенах Тюбингенского университета, где Бете работал ассистентом профессора, он стал встречать студентов со свастикой на наручных повязках. Была осень 1932 года. А наступившей вслед за ней зимой власть перешла к Гитлеру. В феврале горел Рейхстаг, а к весне четвертая часть всех физиков страны, работавших в университетах, была уволена. В соответствии с первыми антисемитскими законами немедленному увольнению подлежали все государственные служащие, не принадлежавшие к арийской расе.

Рекомендуем по этой теме:
18092
Евреи в науке XX века

Сам Бете, чей отец был прусским протестантом, не считал себя евреем, но так как его мать была еврейкой, стало ясно, что может ожидать его в нацистской Германии. Последовало немедленное отчисление с работы на факультете, куда он незадолго до этого устроился. В Европе поднималась самая большая волна интеллектуальной миграции, и у Бете был только один выбор — присоединиться к ней. Сообщество ученых было многоязычным, опыт международных исследований и чтение лекций за рубежом несколько смягчали переход к обретению статуса эмигранта. Бете прибыл в Новый Свет в 1935 году.

Фейнман знал имя Ханса Бете со студенческой скамьи. Библия Бете, три его знаменитые статьи по ядерной физике, составляли основу курса в МТИ.

Однажды Ричард видел Бете издалека на одном научном собрании. На первый взгляд он показался ему довольно некрасивым: нескладный, крепко сложенный, с размытыми чертами лица, со светло-каштановыми волосами, поднимавшимися дыбом над широким лбом. Первое впечатление Фейнмана развеялось, когда они встретились в Санта-Фе, откуда готовились отправиться в Лос-Аламос. У тридцатисемилетнего Бете было тело скалолаза, и он много времени проводил в походах по каньонам или поднимался на вершины гор, расположенных неподалеку от лаборатории. Он излучал уверенность и энергию. Вскоре после прибытия в Лос-Аламос из-за того, что теоретики постоянно то приезжали, то уезжали, рядом с Бете не осталось тех, с кем он мог бы посоветоваться. Виктор Вайскопф, его заместитель, отсутствовал. Не было и Теллера, который, впрочем, сразу же предпочел отстраниться, нежели содействовать. Не только Оппенгеймер предпочел ему Бете, но и Бете обошел его вниманием, назначив своим заместителем Вайскопфа. Однажды Бете завернул в кабинет Фейнмана, и вскоре по коридору разнесся его раскатистый смех.

Бете перестал проводить ознакомительные беседы и занялся разработкой метода расчета мощности ядерного взрыва. Сербер вывел формулу для простого случая, когда масса урана или плутония чуть превышала критическую.

Однако рассчитать мощность бомбы, масса которой существенно превышала критическое значение, было значительно сложнее. Вместе с Ричардом они разработали классически точный метод, который стал известен как формула Бете — Фейнмана. Рискованные практические аспекты ядерной физики порождали и другие вопросы. Существовала вероятность, что в небольшом куске урана или плутония массой даже меньшей, чем критическая, может возникнуть неуправляемая цепная реакция — предетонация. Химические взрывчатые вещества были более стабильными. В первые же месяцы работы Бете поручил Фейнману заняться решением этой проблемы. Всегда имеется вероятность, пусть и достаточно невысокая, присутствия рассеянных (блуждающих) нейтронов: они могут образоваться при спонтанном расщеплении отдельных атомов, во время ядерной реакции, спровоцированной примесями, или попадать на Землю с космическими лучами. Сами по себе космические лучи на высоте Лос-Аламоса были способны привести к нагреву урана-235 гораздо сильнее, чем в лабораториях на уровне моря. Не разобравшись в причинах предетонации, ученые не могли понять, как будет происходить детонация, потому что они не знали, какие процессы будут протекать в бомбе в момент перехода массы от подкритического состояния к надкритическому.

Фейнман долгое время размышлял о том, какими могут быть свойства вещества в своеобразных условиях — в подкритическом состоянии, с которым науке не приходилось сталкиваться раньше. Он пришел к выводу, что искать решение проблемы следует, основываясь не на «усредненном поведении» атомов, а рассматривая флуктуации: вспышки нейтронной активности в разных местах могут возникать спонтанно и далее распространяться по цепочке, пока не угаснут. Математический аппарат, в данном случае — теория вероятностей, едва ли мог предоставить инструменты для решения столь сложных задач. Фейнман обсудил эту проблему с польским математиком Станиславом Уламом. Подход, предложенный им, способствовал появлению нового направления в теории вероятностей, названного теорией ветвящихся процессов.

Фейнман разработал теорию флуктуаций, в основе которой — простые для расчета вычисления вероятностей короткой цепной реакции: нейтрон расщепляет атом, выделяющиеся при этом нейтроны находят другие цели, но потом цепь прерывается. Некоторые флуктуации, которые можно было отследить по сигналам счетчика Гейгера, приводили к единичному акту расщепления. Другие возникали в результате цепной реакции. Как и в большинстве случаев, Фейнман подошел к решению этой задачи, используя геометрический подход, допуская, что взрыв в определенном единичном объеме повлечет за собой взрыв в другом единичном объеме через известный интервал времени. Он нашел практичный способ расчета вероятности любой преждевременной реакции. Этот метод можно было использовать даже для фрагментов урана неправильной формы, которые потом будут взрывать друг друга в бомбе, сброшенной на Хиросиму.

В Фейнмане Бете нашел свою идеальную противоположность. Этот молодой человек был сообразительным, смелым и амбициозным. Искать способ решения одной задачи, разобравшись с проблемой, переходить к другой — это был не его метод: он хотел работать над всем сразу. Бете назначил его руководителем группы, хотя на эту должность претендовали такие известные физики, как Теллер, Вайскопф, Сербер и руководитель британской группы в Лос-Аламосе знаменитый Рудольф Пайерл. Со своей стороны Фейнман, который за двадцать пять лет жизни и весь срок обучения никогда не был наставником, стал проникаться симпатией к Бете.