И думать заставляют о войне

Первого сентября 1939 года, одновременно с началом Второй мировой войны, немецкое Управление вооружений создало «Урановое общество», в которое вошли ведущие физики страны. Перед обществом, одним из лидеров которого стал Вернер Гейзенберг, была поставлена задача исследовать применение атомной энергии в военных целях. В эту гонку вскоре включились и ученые других стран. Физики уже понимали, что атомная бомба в принципе возможна, но чтобы перейти от теории к практике, потребовались время, огромные деньги — и страх ученых, что по другую сторону фронта их друзья и коллеги изобретают такую же бомбу.

Диалог о бомбе

В сентябре 1941 года Вернер Гейзенберг, ведущий немецкий физик и глава Уранового проекта, отправился в Копенгаген, уже оккупированный немцами. Официальной целью визита было укрепление авторитета немецкой науки и культуры, Гейзенберг должен был прочитать несколько лекций по астрофизике. Кроме этого, он хотел встретиться с Нильсом Бором, учителем, старшим другом и великим ученым, вместе с которым они создавали квантовую механику (мы рассказывали об этом в материалах «Германия, конечно, юбер аллес» и «Квантовая революция и горчичный газ»).

Мы так и не знаем точно, что именно Бор и Гейзенберг сказали тогда друг другу, их послевоенные воспоминания об этом разнятся. В какой-то момент разговор зашел о делении урана (мы писали об этом открытии в материале «Но к нам идет жестокая пора»), и Гейзенберг сообщил, что, как и многие другие физики, понимает, что этот процесс может быть использован для создания бомбы невероятной мощности. По воспоминаниям Гейзенберга, он особенно подчеркнул, что преодоление технических сложностей потребует невероятных усилий, и он не верит в то, что бомба может быть создана в течение войны (в сентябре 1941 года Гитлер завоевал всю Европу, кроме Великобритании и нескольких нейтральных стран, на восточном фронте немецкая армия заняла Белоруссию и Украину и вышла к Ленинграду, казалось, что война закончится скорой победой Германии). Гейзенберг даже предложил Бору договориться со всеми специалистами по ядерной физике о том, чтобы они убедили правительства своих стран, что работа над атомной бомбой будет пустой тратой ресурсов.

Бор, однако, запомнил это разговор совершенно иначе. «Я помню достаточно точно <...>, что вы ясно дали мне понять, что под вашим руководством в Германии делается все возможное для разработки атомного оружия <...> и что последние два года вы практически полностью посвятили себя этой работе», — написал он после войны в черновике так и не отправленного письма Гейзенбергу.

В любом случае, замечание Гейзенберга об огромных технических сложностях, которые возникнут при попытке создать атомную бомбу, было совершенно справедливым. Во-первых, у урана существует два изотопа — ₉₂ ²³⁵U и ₉₂ ²³⁸U, у первого в ядре 92 протона и 143 нейтрона, то есть масса ядра 235. А у второго — 92 протона и 146 нейтронов, масса 238. В 1939 году Бор выдвинул гипотезу, позже подтвержденную экспериментом, что в цепной реакции может участвовать только уран-235, а его в природном уране содержится всего 0,7 процента! Таким образом создание бомбы потребует переработки урановой руды с отделением 0,7 процента урана-235 от 99,3 процента урана-238. А это невероятно трудно, потому что их химические свойства идентичны, а масса отличается всего на 1 процент.

Вторая трудность состоит в том, что атомная бомба не может быть слишком маленькой. При цепной реакции ядро атома после попадания в него нейтрона распадается с выделением энергии на несколько осколков, среди которых должно быть больше одного нейтрона. Эти нейтроны попадают в соседние атомы, которые также распадаются и так далее. В результате с каждым шагом в реакции участвует все больше атомов и выделяется все больше энергии. Однако часть нейтронов теряется — они могут поглощаться примесями других атомов или просто вылетать за границу бомбы, если распавшийся атом находился достаточно близко к поверхности. Если потери нейтронов слишком большие, то цепная реакция быстро затухает. Таким образом, масса бомбы должна быть больше некоторого предела (он называется критической массой), который определяется тем, что на каждом шаге количество нейтронов, появившихся в результате распадов, превышает число нейтронов, покинувших бомбу, не столкнувшись с ядрами.

Первые оценки, сделанные в 1939-40 годах, давали критическую массу урана-235 порядка нескольких тонн. С учетом чрезвычайной сложности разделения изотопов 235 и 238, это фактически обессмысливало практическую работу по созданию атомной бомбы.

Не фантазия

После того, как на Вашингтонской конференции по теоретической физике в 1939 году Бор сообщил американским физикам об открытии распада урана, Силард стал убеждать его, что все дальнейшие работы по ядерной физике должны держаться в секрете от немцев, чтобы нацисты не смогли использовать их для создания бомбы. Бор очень ценил научное сотрудничество (его институт в Копенгагене постоянно принимал ученых со всего мира) и был чрезвычайно против секретности в физике. Он ответил Силарду: «Это [извлечение ядерной энергии в результате цепной реакции] в любом случае невозможно, если только вы не превратите Соединенные Штаты в одну огромную фабрику». В 1941 году он уже не был так в этом уверен.

Отто Фриш, племянник Лизы Мейтнер, вместе с которой они впервые теоретически объяснили распад урана (мы рассказывали об этом в материале «Но к нам идет жестокая пора»), перед началом войны переехал из Копенгагена в Англию, где получил позицию в университете Бирмингема у своего знакомого Марка Олифанта. Там он подружился с Рудольфом Пайерлсом, еще одним немецким физиком-теоретиком, который был вынужден эмигрировать в Англию из-за еврейского происхождения.

Олифант вместе с большинством сотрудников кафедры физики Бирмингемского университета занимался работой над радаром. Она была чрезвычайно важна, поскольку летом 1940 началась битва за Британию — попытка немецких ВВС установить господство в воздухе и путем массированных бомбардировок городов подорвать моральный дух англичан. 

Фриш и Пайерлс, эмигранты, не имеющие британского подданства, не могли быть допущены к работе над радаром по соображениям секретности, и в занятиях наукой были предоставлены сами себе.

Они решили уточнить оценку для критической массы урана-235, и получили результат около одного килограмма. Они сообщили об этом Олифанту, и тот попросил их написать короткий отчет об открытии. Оно имело принципиальное значение не только потому, что выделить килограмм урана-235 проще, чем тонну, но и потому, что многотонную бомбу (считая оболочку, взрыватель и так далее) невозможно доставить на территорию противника — ни один самолет не смог бы ее поднять.

В марте 1940 года Олифант представил Меморандум о свойствах радиоактивной «супер-бомбы» на заседании комиссии, которая координировала научные разработки для военных применений. В нем сообщалось:

1. Супер-бомба является неотразимым оружием. Не существует материалов и конструкций, которые могли бы выдержать такую силу взрыва.

2. Поскольку радиоактивные вещества будут разнесены ветром, применение бомбы, вероятно, приведет к убийству большого количества гражданского населения, что может сделать ее неподходящей для использования нашей страной.

3. Очень вероятно, что Германия разрабатывает подобное оружие

4. Если считать, что Германия обладает, или будет обладать этим оружием <...>, то наиболее эффективной мерой было бы противостоять ей таким же оружием.

В технической части меморандума был приведен расчет критической массы. Так стало ясно, что атомная бомба — это не фантазия, а смертоносное оружие, которое может быть создано за обозримое время и решить исход войны.

После доклада Олифанта был создан комитет под руководством Джорджа Патжета Томсона, нобелевского лауреата, подтвердившего волновые свойства электронов, в который вошли ведущие английские специалисты по ядерной физике, включая самого Олифанта, первооткрывателя нейтрона Джеймса Чедвика и «автора» первой рукотворной ядерной реакции Джона Кокрофта (мы рассказывали об этих открытиях в материале «Не жизни разве ради»).

Итак, для создания атомной бомбы требовалось всего несколько килограммов чистого урана-235, однако было неизвестно, как в промышленных масштабах выделить его из сотен килограмм урановой руды. Пайерлс предложил MAUD Committee поручить Францу Саймону, еще одному еврейскому беженцу из Германии, не занятому работой над радаром, исследовать метод газовой диффузии. Идея метода состоит в том, что при пропускании под давлением смеси газов через пористый материал, более легкие атомы легче проникают сквозь преграду.

Несмотря на то, что Саймон уже успел получить британское подданство, комитет сначала решил, что не может доверить работу, которая потенциально может решить исход войны, бывшему гражданину Германии. Однако Пайерлс с разрешения Олифанта попросил Саймона начать эксперименты неофициально. По этой причине Саймон в начале работы был сильно ограничен в средствах и, по рассказам, использовал чуть ли не кухонное ситечко и газировку (правда, ассистент Саймона, непосредственно участвовавший в разработке метода газовой диффузии утверждал, что это все-таки некоторое преувеличение). Тем не менее, ему удалось показать, что метод работает. В итоге MAUD Committee согласился с тем, что Саймон необходим для успеха британской атомной программы.

В декабре 1940 года Саймон представил отчет о том, как должен быть устроен завод по обогащению, который производит по килограмму урана-235 в день. Стоимость строительства он оценил в 5 миллионов фунтов стерлингов (около 280 миллионов в ценах 2020 года). Такая большая сумма связана с тем, что за один цикл обогащения концентрация урана-235 возрастает всего (максимум) в 1,0045 раза, поэтому необходим целый каскад обогащающих устройств.

Тем временем в США Энрико Ферми и Лео Силард, не знакомые с британскими разработками по разделению изотопов, планировали запустить цепную реакцию в натуральном уране.

У них было несколько проблем. Во-первых, в цепной реакции деления участвует только уран-235, который, как уже было сказано, составляет всего 0,7 процента в природном уране, и это увеличивает критическую массу устройства больше, чем в 100 раз. Во-вторых, уран-238 может поглощать нейтроны, если они достаточно быстрые. Чтобы нейтроны не терялись, и реакция не затухала, нужно добавить вещество, которое бы замедляло нейтроны — подобно деревянному столу в Римском университете (о котором мы рассказывали в материале «Но к нам идет жестокая пора»). И его тоже должно быть много. Кстати, дерево (и вообще вещества, содержащие водород) является плохим кандидатом в замедлители нейтронов — кроме, собственно, замедления нейтрона, ядро атома водорода может его поглотить, образовав дейтерий.

Силард и Ферми довольно быстро поняли, что хорошим замедлителем мог бы быть графит (желательно, с минимальным количеством примесей, которые также могут поглощать нейтроны). Десятки тонн урана и сотни тонн чистого графита стоили дорого, а армия, которой президент Рузвельт после письма Эйнштейна и Силарда (о нем мы также рассказывали в материале «Но к нам идет жестокая пора») поручил поддержку ядерных исследований, не горела желанием вкладываться в фантазии физиков, очевидно, чрезвычайно далекие от непосредственного военного применения.

6 сентября 1940 года Адольф Гитлер и командующий Люфтваффе Герман Геринг приняли решение усилить бомбардировки Великобритании, чтобы вывести ее из войны до начала вторжения в СССР. В течение следующих двух месяцев в результате почти ежедневных налетов на Лондон было сброшено 12 000 тонн бомб, убивших 13 000 мирных жителей и серьезно осложнивших работу военной промышленности и транспорта. Англичане были вынуждены сосредоточить все силы на непосредственном отпоре врагу — в частности, на производстве самолетов, что сильно ограничивало ресурсы на научные разработки. В этой ситуации премьер-министр Великобритании Уинстон Черчилль решил объединить усилия в области военных исследований с США и поделиться с американцами военными секретами.

Элемент 94

Тем не менее прошел еще целый год, пока в августе 1941 Марк Олифант, продемонстрировав результаты Фриша, Пайерлса и Саймона, не убедил ведущих американских физиков и политиков в том, что атомный проект заслуживает приоритета. Ферми получил чистый графит для экспериментов по достижению самоподдерживающейся цепной реакции в природном уране.

Эти эксперименты, кроме научного, имели и военный смысл. В 1940 году кембриджские физики Эгон Бретшер и Норман Физер предположили, что уран-238, взаимодействуя с нейтроном, может перейти в следующий элемент таблицы Менделеева (№ 93). Элемент 93 сам по себе военного применения не имеет, но в результате бета-распада превращается в элемент № 94, который, как и уран-235, может вступать в цепную реакцию. При этом его, в отличие от разделения урана-235 и 238, можно отделять химическими методами, что очень упрощает накопление критической массы.

Элемент 93 был впервые получен в 1939 году на циклотроне в Калифорнийском университете в Беркли группой под руководством Эдвина Макмиллана. Ученые сначала неверно представляли себе его химические свойства и чуть было не пропустили открытие. Эмилио Сегре, один из парней с Виа Панисперна (мы писали о них в материале «Но к нам идет жестокая пора»), эмигрировавший в США из-за еврейского происхождения, даже опубликовал в ведущем американском журнале Physical Review статью «Неудавшийся поиск трансурановых элементов».

Тем не менее, проанализировав результаты эксперимента еще раз, Макмиллан убедился, что элемент 93 все-таки был получен, и опубликовал статью об этом в том же Physical Review в мае 1940 года.

Продолжить поиск трансурановых элементов Макмиллану не удалось. После того, как британцы решили поделиться с американцами своими военными наработками, было решено срочно организовать лабораторию в Массачусетском технологическом институте, где в ноябре 1940 года Макмиллан возглавил проект по разработке бортового микроволнового радара.

Ядерные эксперименты в Беркли возглавил коллега Макмиллана Гленн Сиборг, который и открыл элемент 94. По аналогии с ураном, элементы 93 и 94 назвали нептунием и плутонием — в честь следующих за Ураном планет Солнечной системы. Для краткого обозначения плутония в таблице Менделеева Сиборг в шутку предложил использовать Pu (американские дети обозначают таким звуком что-то сильно и неприятно пахнущее), и был очень удивлен, когда комиссия по наименованию химических элементов согласилась с Pu (вместо более логичного Pl) без возражений. В 1951 году он и Макмиллан получили Нобелевскую премию по химии — за открытие трансурановых элементов.

Чикагская поленница

Для строительства ядерного реактора было выбрано неиспользуемое подтрибунное помещение на футбольном стадионе Stagg Field в Чикагском университете. Экспериментальный реактор в центре одного из крупнейших городов сейчас кажется крайне неоднозначной идеей, но руководитель проекта, Артур Комптон, один из первых американских нобелевских лауреатов по физике, верил в Ферми и, кроме того, хотел сэкономить время, организовав все в родном Чикагском университете, где был профессором физики.

Энрико Ферми и, особенно, его жена Лаура, не хотели уезжать из Нью-Йорка, где они обосновались после переезда в Америку. Однако военное время не располагало к спорам и, выкопав денежную часть Нобелевской премии из тайника в подвале нью-йоркского дома, семья Ферми переехала в Чикаго.

2 декабря 1942 года поленница выросла до необходимого по расчетам количества слоев. 49 ученых, собравшись на балконе напротив реактора, готовились стать первыми свидетелями самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Внутрь реактора были помещены специальные стержни, покрытые кадмием, который поглощает нейтроны. Эти стержни позволяли контролировать реакцию — пока они были внутри, нейтронов для цепной реакции было недостаточно, и она затухала. В 9:54 утра эксперимент начался. К 10:37 были вынуты все управляющие стержни, кроме одного, и Ферми приказал начать очень медленно вынимать последний. А в 11:25 приказал вставить все стержни обратно и объявил обеденный перерыв.

После обеда самоподдерживающаяся цепная реакция была, наконец, зафиксирована, и все распили из бумажных стаканчиков бутылку итальянского кьянти, припасенную венгерским теоретиком Юджином Вигнером.

В тот же день Комптон (соблюдая секретность) отчитался об успехе перед председателем Национального исследовательского комитета по вопросам обороны Джеймсом Конантом:

А. Комптон: «Итальянский мореплаватель прибыл в Новый свет»

Дж. Конант: «Как его встретили туземцы?»

А. Комптон: «Очень дружелюбно»

В феврале 1943 года поленница в целях безопасности была перенесена в новую лабораторию в Аргоннском лесу в 30 километрах от Чикаго, а в малонаселенной местности в штате Орегон началось строительство реактора для промышленного производства оружейного плутония.

Реактор Гейзенберга

Оставшиеся в Германии специалисты по ядерной физике начали задумываться о военном применении деления ядер урана в 1939 году. При поддержке Управления вооружений сухопутных сил они создали Урановый клуб, в его рамках начались исследования, которые должны были в перспективе привести к созданию атомного оружия.

Вернер Гейзенберг занялся постройкой ядерного реактора. В целях конспирации лаборатория находилась не в Институте физики, а в расположенном неподалеку Институте биологии и называлась «Дом вирусов». Считалось, что страх заразиться заставит любопытствующих обходить ее стороной и предотвратит утечки информации.

Как мы рассказывали выше, кроме урана, в реакторе необходим замедлитель, вещество, которое будет тормозить нейтроны, не поглощая их. Как и американцы, немецкие ученые понимали, что замедлителем могли бы быть графит или тяжелая вода — вода, в которой атомы водорода заменены на атомы изотопа водорода дейтерия, ядра которого состоят из протона и нейтрона. Поскольку дейтерий уже содержит нейтрон, его способность поглощать нейтроны гораздо ниже, чем у водорода. 

Поглощение нейтронов графитом взялся измерять Вальтер Боте, один из ведущих физиков-экспериментаторов в области ядерной физики и физики элементарных частиц (в 1954 году он получит Нобелевскую премию). И его эксперименты показали, что графит не может служить замедлителем в реакторе. 

Причина этой ошибки до сих пор точно неизвестна. Возможно, графит, поставленный концерном Siemens, был недостаточно чистым и содержал примеси, поглощавшие нейтроны. Возможно, дело было в том, что в 1934 году во время наступления «немецкой физики» (мы рассказывали о ней в материале «Германия, конечно, юбер аллес») Боте уволили из Гейдельбергского университета — он не эмигрировал из Германии только потому, что Макс Планк смог устроить его в Институт медицинских исследований, — и ученый был не очень сильно заинтересован в успехе немецкого атомного проекта.

Интересно, что Ферми измерил поглощение нейтронов графитом незадолго до Боте и собирался опубликовать свои результаты, но Силард убедил его не делать этого. Ошибку Боте немцы не заметили, и Гейзенбергу пришлось использовать вместо графита гораздо более дорогую и сложную в производстве тяжелую воду.

Единственная в мире фабрика по производству тяжелой воды находилась в Норвегии, которую немцы оккупировали в 1940 году. Незадолго перед немецким вторжением французская военная разведка провела операцию по вывозу запаса тяжелой воды в Париж, где она попала в распоряжение группы Фредерика Жолио-Кюри. Через два с половиной месяца после этой операции немецкие войска взяли и Париж, но тяжелую воду вместе с частью сотрудников Жолио-Кюри и результатами исследований удалось эвакуировать в Англию. Сам Жолио-Кюри остался и присоединился к французскому Сопротивлению.

Норвежская фабрика, тем временем, продолжала производство тяжелой воды. После того, как комитет MAUD продемонстрировал возможность создания ядерной бомбы, это чрезвычайно нервировало британское правительство. Англичане организовали несколько диверсий (это было очень непросто, поскольку фабрика находилась в труднодоступном горном районе и хорошо охранялась) и провели массированные авианалеты. Работа фабрики была парализована. В 1944 году немцы решили вывезти остатки запаса тяжелой воды и оборудования в Германию — и паром с тяжелой водой был потоплен норвежскими диверсантами.

В 1942 году после поражения в битве под Москвой в руководстве Третьего Рейха начали задумываться о том, что Германия может потерпеть поражение в войне. Фриц Тодт, министр вооружений и военного производства, пытался убедить Гитлера в том, что Германии не хватит ресурсов для победы, и поэтому нужно начать переговоры о мире, пока война еще не проиграна. Гитлер уволил Тодта (причем, на следующий день после увольнения, возвращаясь из ставки Гитлера, Тодт разбился в авиакатастрофе) и назначил на его место Альберта Шпеера.

Шпеер был довольно неожиданной кандидатурой на пост министра военного производства. Любимый архитектор Гитлера, он был далек и от промышленности, и от армии. Ему удалось увеличить производство военной продукции во многом за счет использования принудительного труда заключенных концентрационных лагерей и насильно вывезенных в Германию работников с оккупированных территорий. Тем не менее, становилось все очевиднее, что спасти Германию от поражения может только чудо — например, какое-нибудь супероружие, которое нивелирует преимущество союзников в ресурсах.

В поисках чуда Шпеер обратился к ученым. Он слышал, что физики под руководством Гейзенберга работают над созданием бомбы, способной уничтожать огромные города. Шпеер встретился с Гейзенбергом и спросил, что ему необходимо для скорейшей разработки бомбы. Гейзенберг попросил несколько сотен тысяч марок, немного стали, никеля и некоторых других дефицитных материалов. Шпеер был шокирован тем, как мало просят физики для проекта, который может переломить ход мировой войны, и предложил выделить 1-2 миллиона марок и кратно больше необходимых материалов. Гейзенберг отказался, мотивировав это тем, что в данный момент не сможет все это использовать.

Это дало Шпееру повод усомниться в том, что сами физики верят в то, что бомба может быть готова до окончания войны. Кроме того, Гитлер опасался, что цепная реакция не остановится, и взрыв атомной бомбы уничтожит всю Землю. Поэтому Гейзенберг ограничился работой над атомным реактором, который мог бы служить двигателем для подводных лодок.

А на роль чудо-оружия были выбраны ракеты «Фау-2» (V2, от Vergeltungswaffe — «оружие возмездия»). Гитлер надеялся, что бомбардировки Англии самоуправляемыми ракетами позволят отомстить за массированные бомбардировки Союзниками немецких городов, деморализуют население и, возможно, даже выведут Англию из войны. Ракеты не оправдали надежд, несмотря на огромное количество вложенных в них ресурсов. Они привели к гибели примерно 9 000 мирных жителей (и еще около 12 000 смертей заключенных концлагерей, занятых в производстве) и не оказали значительного влияния на ход войны.

В 1943 году из-за усиливающихся бомбардировок немецких городов экспериментальный реактор Гейзенберга был эвакуирован в маленькую деревню Хайгерлох в Швабских Альпах. Там он был обнаружен американцами 23 апреля 1945 года, за две недели до капитуляции Германии.