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.
Важнее бомбы
Еще в 1935 году физик Роберт Уотсон-Уотт продемонстрировал британским военным устройство, которое могло обнаружить самолет на расстоянии 64 километров. Позже подобные устройства стали называться радарами (RADAR от RAdio Detection And Ranging — радиообнаружение и измерение дальности). Принцип действия радара следующий – антенна излучает радиоволны, которые отражаются от объекта, который требуется обнаружить. Сравнивая характеристики излученных и отраженных волн, можно определить положение объекта относительно антенны. Уотсон-Уотт возглавил специальное ведомство министерства авиации, которое занялось строительством радиолокационных станций «Чейн Хоум» вдоль побережья Британских островов. В Битве за Британию сеть радиолокационных станций засекала немецкие бомбардировщики еще на подлете, что позволяло британской авиации эффективно распределять истребители на их пути. В Бирмингемском университете, где занимались «апгрейдом» радара, был изобретен полостной магнетрон, который генерировал волны большей мощности и с более короткой длиной волны. Благодаря этому увеличилась точность и дистанция детектирования радаров. Кроме того, устройство с магнетроном стало намного компактнее — это позволило установить радиолокационную систему на самолеты. Когда британцы поделились своими военными разработками с США, Рузвельт якобы назвал магнетрон «самым ценным товаром из всех, что когда-либо прибывал к берегам Америки». Радары на базе магнетрона появились не только на истребителях — с ними бомбардировщики союзников могли эффективно наводиться на цель по ночам и в любую облачность.
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:
- Супер-бомба является неотразимым оружием. Не существует материалов и конструкций, которые могли бы выдержать такую силу взрыва.
- 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.
- Очень вероятно, что Германия разрабатывает подобное оружие
- 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»).
Комитет MAUD
Комитет Томсона получил название MAUD Committee, что выглядит как аббревиатура, но на самом деле ей не является. Через несколько месяцев после захвата Дании нацистами, Лиза Мейтнер отправила телеграмму английскому приятелю: «ВСТРЕТИЛА НИЛЬСА И МАРГАРЕТ [Бор]. ОНИ В ПОРЯДКЕ, НО ОЧЕНЬ ОГОРЧЕНЫ ПРОИСХОДЯЩИМ. ПОЖАЛУЙСТА, ПЕРЕДАЙ КОКРОФТУ И МОД РЕЙ КЕНТ» (INFORM COCROFT AND MAUD REY KENT). Кокрофт решил, что загадочное окончание телеграммы «MAUD REY KENT» является анаграммой к RADIUM TAKEN, и Мейтнер таким образом передает откуда-то полученную информацию о том, что в Германии полным ходом идут работы над атомной бомбой. Томсон же в целях конспирации взял MAUD в качестве названия своего комитета. Кстати, иностранцы Пайерлс и Фриш, конечно, не получили приглашения стать полноправными членами MAUD Committee, но работали в его техническом подкомитете. Изначально нацистский оккупационный режим в Дании был довольно мягким, Гитлер хотел продемонстрировать, что добровольно сдавшиеся и «достаточно арийские» страны могут вполне неплохо существовать под покровительством Третьего Рейха. В частности, датские евреи были практически никак не ограничены в правах и, в частности, не были обязаны носить на одежде желтую звезду Давида. В августе 1943 года Гитлер ужесточил политику в отношении Дании и наметил «окончательное решение еврейского вопроса» на начало октября. Нильс Бор был евреем по матери, и Датское Сопротивление 29 сентября переправило его вместе с семьей в Швецию. Однако в Дании оставалось еще 7800 евреев, которым грозила депортация в лагеря смерти. Бор добился аудиенции у шведского короля и убедил его публично объявить о том, что все датские евреи могут получить убежище на территории Швеции. 2 октября шведское радио распространило это заявление, и 7220 евреев и 686 их нееврейских супругов были переправлены из Дании на рыбацких лодках. После этого Нильс Бор улетел в Великобританию и, наконец, разрешил загадку MAUD REY KENT. Оказалось, что незадолго до войны гувернантка Мод Рей, которая учила сына Нильса и Маргарет Бор английскому языку, вернулась домой в Кент, и они просили передать ей привет.
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.