E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения в мире - Дэвид Боданис

Однако для того, чтобы пошла реакция, мало просто собрать в одном месте большое количество урана. Ибо ядро — это, как мы уже знаем, крошечная частица, сокрытая в глубине пустого пространства атома. Большинство нейтронов, возникших при распаде первых атомов, просто пролетело бы мимо других ядер, точно космические зонды пришельцев, проносящиеся сквозь нашу Солнечную систему.

Придуманный Ферми прием — использование медленных нейтронов — мог помочь разрешить эту проблему и запустить реакцию. Быстрые нейтроны можно представить себе как гладкие, «обтекаемые». Медленные же, как мы уже видели, словно бы «вихляются» и выглядят растянутыми. Даже если основная часть такого нейтрона пролетает мимо ядра, но вблизи от него, «периферия» нейтрона может его зацепить. То, что для быстрого нейтрона было бы почти попаданием в цель, для медленного обратилось бы в «захват». И когда такой медленный нейтрон захватывается ядром, или втягивается в него, возникает возможность срабатывания формулы E=mc2: ядро начинает расшатываться, дрожать, а после взрывается, создавая сильный всплеск энергии и одновременно выбрасывая поток дополнительных нейтронов, ударяющих в другие атомы, отчего, в свой черед, взрываются и они.

Гейзенбергу требовалось вещество, способное обеспечить столь полезное замедление нейтронов. В принципе, годилось любое, в достаточной мере насыщенное водородом, поскольку, сталкиваясь с атомами водорода, нейтроны теряют скорость. Именно благодаря этому Ферми и смог в 1934 году получить, используя обычную воду (H2О), взятую из находившегося рядом с его институтом пруда с золотыми рыбками, нужный эффект. Однако, когда первые группы немецких исследователей погружали урановый образец в обычную воду, они получали реакцию лишь в его центре, — первые атомы урана распадались, но испускаемые ими нейтроны были слишком быстрыми для того, чтобы обеспечить распространение реакции.

Гейзенбергу требовался замедлитель получше. Он знал, что примерно в то же время, когда Ферми получил свои результаты, американский химик Гарольд К. Юри установил, что вода всех океанов и озер Земли состоит не просто из H2О. Помимо этих молекул она содержит и их разновидность — более тяжелую. В этих молекулах место обычного водорода занимает дейтерий, — он очень похож на водород, но весит почти вдвое больше. Во всех остальных отношениях вода, состоящая из таких молекул, ничем не отличается от обычной — она так же текуча и прозрачна и является частью наших дождей, морей и льда; мы пьем ее постоянно. Однако на каждые 10000 молекул обычной воды приходится только одна молекула «тяжелой» — по этой причине никто ее так долго и не замечал. (В большом плавательном бассейне наберется всего лишь стакан «тяжелой воды.) Но при этом тяжелая вода великолепнейшим образом замедляет высокоскоростные нейтроны, — ударяясь об атом дейтерия, они рикошетом отскакивают, теряя скорость при каждом таком соударении, и секунду спустя, после нескольких десятков рикошетов, вылетают из тяжелой воды, став гораздо более медленными, чем были до того, как попали в нее.

Поначалу в лабораториях Германии удалось накопить лишь несколько галлонов тяжелой воды. Для того, чтобы разделить ее между Берлином и Лейпцигом, этого было мало. К Лейпцигу Гейзенберг питал чувства более теплые, поэтому именно там, в подвале института физики, и были поставлены наиболее важные эксперименты. В 1940 году в драгоценную тяжелую воду опустили пластины урана, общий вес которых составлял несколько фунтов. Затем все это поместили в крепкий сферический сосуд и, подняв его лебедкой в воздух, расположили вокруг него измерительную аппаратуру. Как правило, профессора мелкими деталями экспериментов не занимаются, однако Гейзенберг гордился своими практическими навыками не меньше, чем даром теоретика, и потому изготовил часть измерительных приборов сам — с помощью отвечавшего за постановку опытов Роберта Допеля.

Теперь можно было приступить к эксперименту. Для того, чтобы поджечь спичку, необходим порох. Для того, чтобы взорвать динамит, требуется капсюль-детонатор. Для того, чтобы запустить атомную реакцию — даже если качество урана слишком низко, чтобы получился настоящий взрыв, — необходим начальный источник нейтронов. Допель оставил в дне сферического сосуда отверстие. Источником нейтронов было небольшое количество радиоактивного вещества, подобного тому, которое использовал Чедвик. Его доставили в лабораторию в виде одного-единственного длинного стержня и, наконец, — в феврале 1941 года — все составные части будущей бомбы оказались на месте. Можно было приступить к эксперименту.

По приказу Допеля и Гейзенберга стержень надлежало ввести в сферический сосуд, после чего в уран ударят первые свободные нейтроны. Несколько ядер урана взорвутся, осколки их начнут разлетаться со скоростью, намного превышающей ту, которая ожидалась, пока Майтнер не объяснила, как работает формула E=mc2. Из этих быстрых осколков вылетят добавочные нейтроны. Через первые слои урана они пройдут, почти не создав никакого эффекта, однако, оказавшись в тяжелой воде, начнут рикошетить и выйдут из нее замедленными и рассеянными настолько широко, что с уже большей вероятностью будут попадать в ядра урана, особенности в наиболее хрупкие, заставляя их вибрировать и в свой черед взрываться.

При каждом таком взрыве станет срабатывать уравнение E=mc2- в последовательности, которая, как покажут счетчики Гейгера, будет все убыстряться и убыстряться. В первые несколько миллионных долей секунды соударений случится — согласно расчетам Гейзенберга — примерно 2000. В следующие несколько миллионных секунды — уже 4000. Затем 8000, затем 16000 и так далее. При таком временном масштабе удваивание будет происходить очень быстро. Если все пойдет, как задумано, за небольшую долю секунды насчитаются уже триллионы таких крошечных взрывов, а затем и сотни триллионов, и этот каскадный эффект будет все возрастать и возрастать. Он «разорвет» обычную ткань вещества и энергия, миллиарды лет сохранявшаяся затиснутой в атомы, выйдет наружу: здесь, в подвале лейпцигского института, в этом университете, который возглавляют назначенные администрацией рейха чиновники, и аудитории которого наполняют студенты, с гордостью носящие свастику. Для того, чтобы разрушить миллиарды атомов, вовсе не нужно строить огромную лабораторию и оснащать ее миллиардами механизмов, способных испускать инициирующие такое разрушение нейтроны. После того, как взорвутся первые несколько атомов, их нагруженные нейтронами обломки быстро приведут к взрыву всех остальных. Имеющийся в распоряжении Гейзенберга уран недостаточно чист для того, чтобы создать неудержимо нарастающую реакцию, однако первый шаг к ней будет сделан.

Профессора отдали приказ, Вильгельм Пашен, ассистент Допеля, ввел в отверстие стержень. Было начало 1941 года. Инициирующие нейтроны попали внутрь урана! Все присутствовавшие уставились на шкалы приборов, собираясь записывать их показания.

И ничего не произошло.

Для развития реакции не хватило урана. Гейзенберга это не смутило, он просто заказал его еще больше — в компании «Берлин Ауэр», которая за прошедшие после Первой мировой войны годы обратилась из производителя зубной пасты в оптового поставщика самых разных урановых продуктов. Получение уранового сырья проблемы не составляло, о чем и предупреждал Эйнштейн в своем письме к ФДР. («Германия практически прекратила продажу урана, добываемого в рудниках захваченной ею Чехословакии, — писал Эйнштейн, — … между тем как наиболее важным источником урана является Бельгийское Конго.») Находившаяся в оккупированной Бельгии компания «Юнион Миньер» владела тысячами фунтов урана, добытого в конголезских рудниках. Когда запасы Иохансталя были исчерпаны, немцы обратились к бельгийским.