Преодоление. Арзамас-16: как это было. Историко-аналитическое исследование

Основоположник атомных исследований Резерфорд был убежден, что достижения ядерной физики вовсе не связаны с поисками новых источников энергии или стремлением получить дорогие, редкие элементы. Причина лежит глубже. Она обусловлена захватывающей увлекательностью проникновения в одну из сокровеннейших тайн природы.

Хорошо известно высказывание одного из выдающихся физиков Э. Ферми, относящееся к тому времени, когда было уже понятно, что такое ядерное оружие: «Прежде всего, это хорошая физика». И этим все сказано!

Сам факт вступления человечества в новую эру, когда ядерное присутствие стало реальным элементом его жизни, источником как новых достижений, так и новых колоссальных трудностей (включая вопрос выживания), ученые-историки науки датируют по-разному. Так, когда же эта эра наступила? Каскад блестящих фундаментальных открытий уже на рубеже двух веков и в первое десятилетие следующего ХХ столетия обеспечил прорыв в новое миросуществование. В этот период теоретическая физика заняла лидирующие позиции в естественнонаучном знании. Она их удерживала и укрепляла в течение довольно длительного этапа новейшей истории науки.

Многие открытия начального этапа развития физики ХХ века носили по-настоящему эпохальный характер. Вот только некоторые из них: открытие Рентгеном Х-лучей, названных его именем (первая среди физиков Нобелевская премия в 1901 году), открытие полония и радия и естественной радиоактивности урана Беккерелем, Кюри, Склодовской-Кюри (Нобелевская премия в 1903 году), открытие первой элементарной частицы, входящей в состав атома, – электрона Томпсоном (Нобелевская премия в 1906 году), открытие Гессом космических лучей (Нобелевская премия в 1936 году), создание общей и специальной теории относительности и формулировка закона взаимосвязи массы и энергии А. Эйнштейном, что легло в основу всей ядерной физики (Нобелевская премия в 1921 году), создание квантовой модели атома Нильсом Бором, открывшим новый этап в развитии атомной теории (Нобелевская премия, в 1900 году).

Не происходило года без новых физических «откровений», и физика очень быстро стала одной из увлекательнейших областей научного поиска. Она как магнит притягивала ученых-исследователей. В известной мере это было полной неожиданностью, так как в конце XIX века прочно утвердилось представление о том, что физика практически «закончена». Получилось иначе – под давлением нового знания это мнение рассыпалось в прах. Классическая физическая теория, занимавшаяся исключительно изучением тех явлений, которые происходят в окружающем человека макромире, оказалась беспомощной в объяснении результатов, полученных в ходе исследования микромира атомов и молекул. Началось накопление нового экспериментального материала, анализ которого ложился в основу постепенного оформления принципов современного физического мировоззрения.

Первая модель атома была создана Томпсоном в 1903 году. В история науки она получила название «пудинг с изюмом». Атом представлялся сферой, равномерно заряженной положительным электричеством, в которую «воткнуты» отрицательно заряженные электроны. При равенстве отрицательных и положительных зарядов атом оказывался нейтральным. В 1911 году было открыто атомное ядро и создана планетарная модель атома – модель Резерфорда. Термин ядро стал одним из основных понятий современной физики. 1914 годбыл ознаменован еще одним важным открытием. Резерфорд разгадал тайну положительного заряда ядра атома, открыв протон. Теперь стали известны две элементарные частицы, входящие в состав атома – электрон и протон. Через 5 лет Резерфорд достиг апогея своей научной славы, осуществив первую искусственную ядерную реакцию – азот был превращен в кислород. В течение нескольких последующих лет он добился экспериментального доказательства возможности превращения еще семнадцати других элементов. Основы современной физики ядра приобретали все более ясные очертания.

В 1920 году великий английский физик предсказал существование электрической нейтральной тяжелой микрочастицы – «нулевого элемента», что нашло свое экспериментальные подтверждения чуть больше 10 лет спустя.

Эти 10 лет – двадцатые годы ХХ столетия были противоречивым периодом развития атомной теории. С одной стороны, царила атмосфера беспрецедентного творческого оживления, физики бурно дискутировали, обсуждая новые теории и последние экспериментальной данные.

С другой стороны, лавинообразный характер открытий кратковременно сменился некоторым затишьем. Но это была тишина перед бурей. Атака на ядро продолжалась, совершенствовались и ее «орудия». Длительное время главным из них были альфа-частицы, которыми ученые бомбардировали ядро. Эти частицы имеют одинаковый с ядром заряд – положительный, поэтому для их взаимодействия с ядром необходимо преодолеть взаимное отталкивание, что требует большой энергии, для чего создавались дорогостоящие специальные устройства (ускорители). Исследовательской мысли и эксперименту нужен был более мощный таран. До поры до времени он был неизвестен, но уже предсказан Резерфордом. Поиском этого элемента занимались многие физики. Успех «достался» английскому ученому, работавшему в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, ставший альма-матер для многих открытий и многих звёзд первой величины физического научного мира. В 1932 году Чедвик открыл нейтрон и через три года это достижение было отмечено Нобелевской премией.

Итак, миру была представлена следующая элементарная частица с массой примерно равной массе протона, но без электрического заряда, то есть нейтральная, а значит и более эффективная для воздействия на ядро атомов. Новое «орудие» было найдено, а вместе с ним появилась новая физика – нейтронная. Предположение, высказанное в 1923 году де Бройлем о том, что сочетание волновых и корпускулярных свойств характерно не только для света, но и для микрочастиц, положило начало еще одному самостоятельному разделу новый физики – квантовой механике.

Начало 30-х годов стало поистине «даром небес» для физиков. Первый циклотрон, построенный Лоуренсом и Ливингстоном (Нобелевская премия в 1939 году), первые ядерные превращение под действием нейтронов в исследованиях англичанина Фрезера, австрийского физика Майтнера, американца Харкинса. В это же время, независимо друг от друга, физики Иваненко (СССР) и Гейзенберг (Германия) сделали заключение о том, что нейтроны, наряду с протонами, входит в состав ядра атома.

Сама логика развития ядерной физики породила своеобразную тенденцию в исследовательской практике. Естественный нормой стал параллелизм. Ученые разных стран с незначительным разрывом во времени или даже одновременно получали одинаковые результаты, приходили к одним и тем же выводам.

Началась эра ядерных исследований с использованием потока частиц и, может быть, уже тогда мир преступил черту безъядерного бытия. Возможно несколько позже, в период, когда события в ядерной физике стали нарастать как снежный ком, а факты и явления обретать свое теоретическое объяснение, опрокидывавшее старые понятия и взгляды. Часто эксперимент шел впереди теории, но их связь оставалась неразрывной, приобретая отличительные черты современной физики. Накопление не объяснённых экспериментальных результатов заставляло ученых искать принципиально новые теории. В свою очередь, блестящие гипотезы, догадки подталкивали эксперимент. Итогом этого стало быстрое обогащение естественнонаучного знания.

Да, есть все основания утверждать, что никогда за ХХ век физика не шагала вперед столь быстро, как во время его первой трети.

В эти три «золотых» для ядерной физики десятилетия ХХ века 30-е годы занимают особое место. Их выделяет не только максимальная насыщенность событиями, но и их кардинальность в плане научном и политическом.

Эволюционное накопление знаний в области ядерной физики дало качественный скачок, с ним связаны имена многих ученых и, прежде всего, Фредерика и Ирен Жолио-Кюри. 15 декабря 1934 года на сессии Академии наук в Париже было объявлено об их рубежном для ядерных исследований открытии. Бомбардируя атомы бора и алюминия альфа-частицами, они получили новые радиоактивные изотопы азота и фосфора, наблюдая одновременно излучение позитронов. В своем докладе ученые сообщали об окончательно установленной возможности создать вызванную внешний причиной радиоактивность определенных атомных ядер, которая сохранялась в течение времени и после устранения причины, вызвавшей ее.

Это было открытие искусственной радиоактивности, отмеченное рядом французских наград и Нобелевской премией в 1935 году. Значение данного достижения не умаляется тем обстоятельством, что великие французы щедро поделились с другими физиками целым рядом открытий не менее важных для преодоления препятствий на тернистом пути.

Открытие искусственной радиоактивности распахнуло двери в новую анфиладу комнат, где хранились загадки ядерной физики. Решающий шаг в их научном осмыслении сделан Энрико Ферми и участниками его римской группы физических исследований. Во Франции искусственная радиоактивность была достигнута с помощью быстрых альфа-частиц. Ферми решил использовать для этой цели нейтроны. Его гениальные догадки сулили гораздо лучшие возможности.

Первый успех был достигнут. Нейтронной атакой на атомное ядро была открыта искусственная радиоактивность алюминия и фтора, а потом еще 40 из 60 облученных нейтронами элементов дали, по крайней мере, по одному радиоактивному изотопу. По образному выражению соратника Ферми Э. Сегре, это была «золотая жила».

23 апреля 1934 года Резерфорд писал Ферми: «Дорогой Ферми, я хочу поблагодарить Вас за то, что Вы любезно прислали мне отчет о Ваших новых экспериментах по возбуждению искусственной радиоактивности посредством нейтронного облучения. Ваши результаты чрезвычайно интересны и нет сомнений, что в дальнейшем мы сможем получить больше данных относительно действительных механизмов таких превращений…, поздравляю Вас с Вашим успешным выходом из области теоретической физики! Вам пришла в голову хорошая идея относительно того, с чего именно следует начать…»

Патриарх атомной физики оказался прав. Это было началом нового пути. Выход из теоретической физики явился входом в ту область, о существовании которой ни он, ни кто-либо другой в то время не мог и предположить.

Мифологическое событие… Так называют то, что произошло в старой физической лаборатории римского университета октябрьским утром 1934 года. Именно здесь Энрико Ферми и его молодые сотрудники, к своему немалому изумлению, обнаружили фундаментальный физический эффект, открытие которого сегодня можно с полным основанием считать истинным началом ядерного века. Действительно, отсчет нового ядерного времени следует вести с осени 1934 года.

В официальным постановление Шведской академии 10 декабря 1938 года о присуждении Ферми Нобелевской премии по физике говорилось: «…за доказательство существования новых элементов, возникающих при нейтронном облучении, и за сделанное в связи с этими исследованиями открытие ядерных реакций, происходящих под действием медленных нейтронов». Ферми, благодаря своей научной интуиции и несомненному таланту, открыл прямую дорогу к конечной цели многих и многих последующих перспективных и интересных находок.

Итак, нейтроны «заговорили» в руках ученых. Причем обнаружился их разный характер. Физикам еще предстояло выяснить особую роль медленных нейтронов в возбуждении ядерных реакций, причины их избирательного отношения к разным изотопам урана – урана-235 и урана-238. В природной смеси изотопов урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238.

Деление же под действием медленных нейтронов испытывает лишь легкий изотоп, уран-235. К обнаружению этого еще предстояло прийти. Но путь становился все короче и короче.

Эксперименты по методу Э. Ферми начали проводиться в большинстве научно-исследовательских лабораториях разных стран, где ученые занимались данной проблемой. Полное подтверждение нашло открытие Ферми о том, что радиоактивность металлической мишени возрастает в сотни раз при воздействии медленными нейтронами. А его вывод относительно процессов, возникающих при бомбардировке самого тяжелого металла – урана, вызвал новые размышления, подтолкнув исследовательскую мысль дальше.

Что же происходит с ядрами урана в ходе тех опытов, начало которых положил Ферми? Первое правильное предположение было высказано уже в том же 1934 году немецким ученым Идой Ноддак. Она раньше других пришла к заключению, что сущность процесса связана с делением ядер урана. Это объяснение выглядело настолько парадоксально с точки зрения предшествующего опыта и бытовавших физических представлениях, что немецкие научные круги, в частности, видный их представитель Отто Ган, у которого она так искала поддержку, остались глухи к пророчеству своего коллеги. Но Ноддак, все-таки опубликовала статью, посвященную сделанным ею выводам в одном из немецких специальных журналов по прикладной химии. Отклика, адекватного значению, статья не получила. Возможно, потому, что как с юмором заметил Харитон «к счастью, физики не читают химические журналы». Во всяком случае, именно недостаточная любознательность немецких физиков сработала на благо человечества. Ведь трудно представить, куда повернул бы ход истории, если бы физики Германии, которая к этому времени уже была охвачена безумием фашизма, своевременно и по достоинству оценили предположения Ноддак.

Однако рано или поздно общая тенденция исследовательского поиска неизбежно должна была привести к появлению экспериментальных данных, достоверно доказывающих вывод Ноддак. Но это произошло только 4 года спустя.

В 1938 году тот же Ган, к которому в свое время обращалась Ноддак, работая в начале с Лизой Мейтнер, а затем с Фрицем Штрассманом, пришел к аналогичным выводам. Химические исследования показали, что воздействие на уран медленными нейтронами дает радиоактивные изотопы бария, лантана, цезия. Все эти элементы имеют атомный вес вдвое меньше, чем уран, то есть они мгновенно «перескакивали» из конца Периодической системы в ее середину. Иного объяснения, чем то, что при попадании нейтрона ядро урана разваливается, не было.

Открытие явления деления ядра урана Ганом и Штрассманом датируется в истории науки 18 декабря 1938 годах. И уже 6 января 1939 го появилась их статья, обобщавшая итоги анализа этого явления. Вскоре вышла в свет публикация Мейтнер и Фриша, дававшая теоретическое обоснование опытов Гана-Штрассмана. Оперативность опубликования этих материалов настораживает. Как теперь стало известно, она не была случайной. Протекцию осуществлял директор издательство «Шпрингер» П. Розбауд, который был английским разведчиком. Ядерная физика явно начинала приобретать ту атрибутику, которая будет ее сопровождать на всем дальнейшем пути развития.

Действия Розбауда были вызваны его стремлением насторожить научную общественность и политические круги антинацистски настроенных стран относительно возможных шагов фашистской Германии по военному использованию этого открытия. Надо отметить, что этот ход «Гриффина» (кодовое имя Розбауда) не прошел бесследно. Опасения зародились не только среди физиков, в полной мере сразу осознавших практическую перспективу этого открытия, но и в государственных структурах многих стран, бывших еще потенциальными противниками нацистской Германии. Будущее показало, что эти опасения стали решающими в том повороте, который пережила ядерная физика через год.

Однако вернемся к самой физике. В науку вошло понятие «деление ядра». Главный вывод заключался в том, что ядро урана обладает слабой стабильностью и способно после захвата нейтрона распадаться на два осколка почти равной величины. Осколки деления с огромной скоростью разлетаются в стороны, а их энергия постепенно распределяется между соседними ядрами, и поэтому весь кусок урана нагревается. Если число делений велико, то и тепловая энергия будет необычайно большой. Это и есть атомная энергия.

Дальнейшие исследования были направлены на экспериментальное доказательство деление ядра урана, непосредственное измерение его энергии и определение условий самоподдерживающейся ядерной реакции.

Есть ли основания считать январь 1939 года тем рубежом, который пролег между двумя эпохами человечества – ядерной и безъядерной? Ведь именно в это время ученые атомщики поняли, что существует реальная возможность применения новой, небывалый по мощности энергии – энергия атомного ядра. В феврале 1939 года Л. Сциллард, эмигрировавший из Англии в США, писал Жолио Кюри: «Когда к нам сюда две недели назад пришла статья Гана, некоторые из нас сразу заинтересовались вопросом: высвобождаются ли нейтроны при распаде урана? Если выделяется более одного нейтрона, то становится возможной цепная ядерная реакция. При определенных обстоятельствах это может привести к созданию атомной бомбы чрезвычайно опасной для человечества». Это понял далеко не один физик. Представляется, тем не менее, что в это время Рубикон все-таки еще не был перейден. Не все, как выразится Сциллард, обстоятельства были ясны.

Предположение о том, что, наряду с осколками при делении исходного ядра испускается нейтроны, то есть те самые частицы, которые вызывают деление, нашло быстрое экспериментальное подтверждение в научных лабораториях Франции, США и СССР. Установление того факта, что в одном акте деления испускается в среднем 2-3 нейтрона, подвело к однозначному выводу – разветвленная цепная реакция возможна. Но неясные вопросы оставались. Какой изотоп урана подвержен делению? Каковы условия, при которых будет уменьшена вероятность обрыва цепи деления?

Нильс Бор и Дж. Уиллер пришли к заключению, что должен делиться уран-235. Летом 1940 года Макмиллан и Ф. Абельсон синтезировали из урана-238 первый трансурановый элемент с порядковым № 93 по таблице Менделеева. Он был назван нептунием. В этом же году американские физик Гл. Сиборг установил, что элемент № 93, являясь нестабильным, подвергается дальнейшему превращению и образует элемент № 94 с массовым числом 239. По ядерным свойствам он оказался сходным с ураном-235, и получил название плутоний. Это, кстати, очень символично. Ведь Плутоний греческий бог земледелия, плодородия, но одновременно и бог смерти. Человечество имело выбор, какую из ипостасей нового «плутония» предпочесть. Созидать ли с его помощью или разрушать. И делать этот выбор пришлось в условиях бурлящего мира, разделившегося на враждующие стороны, при явной агрессивности фашистского блока государств.

Так уже распорядилась история: почти одновременно с научным осознанием возможности раскола атомного ядра и получения его мощной энергии раскололся и сам мир. Ученые, еще вчера работавшие бок о бок, объединявшие свои усилия, предоставлявшие свои открытия, по существу, всему человечеству, оказались по разные стороны баррикад. Историческая реальность грубо вторглась в увлекательный мир «чистой» науки физиков-атомщиков. Вместо научного обмена наступила эпоха закрытости и секретности. Публикации по ядерной тематике исчезли из страниц научных журналов.

Глава 2. Советская атомная наука

Не была закрытой в тот период и наша, отечественная физическая школа. Разумеется, контакты наших физиков с их зарубежными коллегами были более ограниченными по сравнению с контактами между западноевропейскими учеными. Но практика научных стажировок в физических центрах Европы была распространена довольно широко. Наши молодые и перспективные физики участвовали в международных встречах и конференциях, работали в исследовательских лабораториях Германии, Англии, Голландии, внося свой вклад в построение и уточнение теории современной ядерной физики.

Для А.Ф. Иоффе школой стала лаборатория В. Рентгена в Мюнхенском университете. Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси были воспитанниками Страсбургского университета и учились у К.Ф. Брауна. П.Л. Капица тринадцать лет проработал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета у Э. Резерфорда. В двухгодичной командировке здесь же был и Ю.Б. Харитон в 1926-1928 годах. Л.Д. Ландау и Г.А. Гамов стали учениками Н. Бора и его копенгагенской школы теоретической физики. В.А. Фок посетил Геттинген и стажировался у М. Борна. Ю.А. Крутков – у Г. Лоренца и П. Эренфеста в Лейдене и у Дебая в Утрехте. Д.В. Скобельцын – во Франции у М. Кюри. В.Н. Кондратьев – у Дж. Франка в Геттингене. Часто выезжал в научные командировки в 1921-1933 годах создатель отечественной физико-химической школы Н.Н. Семенов, повышал квалификацию в Германии Я.И. Френкель, в Голландии, Англии и Германии – И.Е. Тамм.

Основы отечественной научной физической школы закладывались выдающимися русскими физиками конца XIX – начала ХХ веков А.Г. Столетовым, Н.А. Умовым, Б.Б. Голицыным, П.Н. Лебедевым. В ряду этих блестящих имен выделим, пожалуй, только одно – Петра Николаевича Лебедева. Основоположник немногочисленной, но сильной экспериментальный физической школы в Москве. Наука всегда развивается в определенном социальном пространстве. Но в нашей отечественной истории она далеко не всегда содействовала развитию естественнонаучного знания. Так произошло и со школой Лебедева, которая имела обозначившуюся перспективу обрести статус международного центра наподобие некоторых западноевропейских. Но в 1911 году в знак протеста против реакционной политики тогдашнего российского министра просвещения Кассо многочисленная группа профессоров и преподавателей (более 100 человек) ушла из Московского университета. Вместе с Лебедевым университет покинуло большинство его учеников и сотрудников. Первый отечественный научный коллектив физиков перестал существовать. Вплоть до 20-х годов в Московском университете и в России в целом длился период упадка в развитии физических исследований.

Но попытки возрождения предпринимались, одна из них связана с именем П.П. Лазарева, разносторонне одаренного ученого, труды которого касались основных вопросов физики, медицины, физической химии и геофизики. Эстафета Лазарева была подхвачена Д.С. Рождественским. В 1915-1916 годах, когда он был назначен заведующим Физическим институтом Петроградского университета и избран его ординарным профессором, Рождественский добился реорганизации всей старой системы подготовки физиков.

Результаты этой реорганизации сказались, конечно, не сразу, но она заложила серьезную основу для последующего превращения нашей северной столицы в крупнейший физический центр мирового значения.

Рождественский был инициатором создания особого отделения физики на физико-математическом факультете университета, активно участвовал в формировании отечественной школы оптики. Вот как вспоминает об этом русском выдающемся ученом Т.П. Кравец: «Мы, современники Дмитрия Сергеевича, его товарищи по работе все еще мыслили в то время в терминах теории квазиупругого электрона и максвелловской теории. И вот раздался удар грома. Появились работы Бора, которые показали, что путь, на котором беспомощны основы классической теории приводит к легкому выходу, к естественному выходу, если отказаться от этой теории квазиупругого электрона и встать на точку зрения электрона с какими-то квантовыми условиями, ограниченного в своем кружении около ядра. Дмитрий Сергеевич распутал очень много до тех пор запутанных вещей, исправил многие ошибки, которые были сделаны заграничными исследователями, короче говоря, сделал все то, что на западе соединяют с именами Арнольда Зоммерфельда. И когда восстановилась наша связь с заграницей, то оказалось, что советские ученые ни в малейшей степени не отстали от своих зарубежных коллег. Что они знают то же самое, что знают и за границей только в несколько отличном виде, иногда лучше, чем на Западе».

С именем Рождественского связанно не только становление петербургской научной школы оптики. В последствии он возглавил созданный по его инициативе Ленинградской оптический институт. Это были первые шаги в направлении использования новейших достижений науки для нужд промышленности и обороны страны. Так сложилось, что Рождественский умер раньше, чем его огромная роль в создании и развитии отечественной физической школы была оценена по достоинству.

Социальные потрясения ХХ столетия (за два десятилетия Россия пережила 2 войны и две революции) прервали нормальное развитие научных школ всей системы организации научно-исследовательской деятельности. Физика не была исключением.

Надо отметить, что с первых дней Советской власти вопросам развития и использования достижений науки огромное внимание уделял непосредственно В.И. Ленин. И не только самой науке, но и жизни и быту самих ученых, обеспечением их самым необходимым, включая питание.

Наиболее важным событием периода преодоление последствий социальных катаклизмов явилось создание по решению Народного комиссариата просвещения в 1918 году государственного Рентгенологического и радиологического института. Он стал центром, куда постепенно начали стекаться лучшие силы физической науки страны. В декабре 1918 года прошло первое совещание физиков в Москве. В январе следующего года состоялся первый съезд физиков в Петрограде. Это мероприятие было названо съездом, а не научной конференцией, не случайно. В условиях социального разлома этот съезд выполнил роль своеобразного осмотра наличного состава представителей всех отраслей физического знания.

Следующий шаг был сделан в 1921 году, когда наметилась специализация научных направлений, а соответственно, и научных школ, из Ленинградского государственного рентгенологического и радиологического института выделились Физико-технический институт под руководством А.Ф. Иоффе и Оптический институт, возглавляемый Рождественским. В 1922 году, после получения первых препаратов радия, самоопределился Радиевый институт, во главе которого стояли В.И. Вернадский и В.Г. Хлопин. В распоряжение института был предоставлен 1 грамм радия для исследовательских целей.

Смелые новаторские подходы отличали коллектив Физико-технического института с самых первых его шагов. Проявилось это даже в названии, так как «чистая» наука в те времена сильно сторонилось науки прикладной, ориентированной на технику.