Глава 9. Среди безмолвия полуденных снегов

Глава 9. Среди безмолвия полуденных снегов

Понимание того, что происходит внутри ядра, — а с ним и открытие более глубоких механизмов поведения вещества, которое позволило, наконец, подобраться к энергии, обещанной формулой E=mc², — было достигнуто только в 1938 году. И достигнуто оно было одинокой шестидесятилетней австрийкой, застрявшей на окраине Европы — в Стокгольме, даром, что по-шведски она и говорить-то не умела.

«Я оказалась здесь… — писала она, — в положении, которое не дает мне никаких прав. Постарайтесь представить, как бы вы чувствовали себя, если бы… вам выделили в институте комнату, которой вы не можете распоряжаться, лишив вас какой бы то ни было помощи и каких бы то ни было прав…».

Перемена была удручающая, поскольку всего за несколько месяцев до нее Лизе Майтнер считалась одним из ведущих ученых Германии, — «нашей мадам Кюри», как назвал ее Эйнштейн. В Берлине она появилась в 1907-м, — приехавшей из Австрии невообразимо застенчивой студенткой. Однако она боролась со своей замкнутостью и вскоре подружилась с учившимся в том же, что она, университете на редкость красивым студентом по имени Отто Ган. Человеком он был легким, уверенным в себе, говорил с франкфуртским акцентом, который сам же и вышучивал, и, казалось, считал своей обязанностью сделать все, чтобы эта тихая, только что появившаяся в Берлине студентка чувствовала себя здесь как дома.

Вскоре эти двое уже делили лабораторию, находившуюся в подвале здания химического факультета. Они были почти одногодками, обоим было под тридцать. Он уговорил ее петь вместе с ним написанные для двух голос песни Брамса, и она делала это, хоть и часто фальшивила. Когда их общая работа шла особенно хорошо, писала она, «[Ган] насвистывал большие куски скрипичного концерта Бетховена, временами нарочно меняя ритм последней темы, чтобы повеселиться, слушая мои протесты…». Неподалеку находился институт физики, и другие молодые ученые «часто навещали нас, временами пролезая, вместо того, чтобы идти обычным путем, через окно столярной мастерской». По окончании работы Майтнер оставалась в одиночестве, — жила в поочередно снимаемых ею комнатах на одного человека, ходила на концерты, покупая билеты на самые дешевые места для студентов. Общество других людей она находила лишь в лаборатории.

Аналитиком и теоретиком она была намного лучшим, чем Ган, однако ему хватило ума — и рассудительности, — чтобы понять: это может принести ему только пользу. Он всегда умел находить для себя великолепных наставников. Первые открытия, совместно сделанные Майтнер и Ганом, привели к тому, что они получили большую лабораторию в новом институте кайзера Вильгельма, расположенном на западной окраине тогдашнего Берлина. Вблизи от института еще стояли деревенские ветряные мельницы, чуть дальше к западу начинался лес. Они получили известность как серьезная и надежная команда исследователей, помогавшая выстраивать основные и совершенно необходимые знания о том, что представляют собой атомы; и открытия их вскоре стали считать такими же значительными, как те, что делал в Англии Резерфорд.

Все это время она и Ган выдерживали в своих отношениях тон внешне официальный, старательно избегая неформального «ты». Во всех письмах Майтнер он именовался так: «Дорогой герр Ган». Однако их могли связывать и отношения особые, ни разу не упоминавшееся ими понимание того, что такая полная достоинства официальность предохраняет их от вступления в связь более серьезную.

В 1912-м, когда Майтнер было тридцать четыре, а совместная работа их продолжалась уже четыре года, Ган женился на молодой студентке отделения гуманитарных наук. Майтнер говорила всем, что ее это нисколько не волнует. Однако, хоть Майтнер никогда не встречалась с Ганом открыто, она не встречалась ни с кем и во все последующие годы. Майтнер дружила с еще одним молодым коллегой, Джеймсом Франком, связь с ним она продолжала поддерживать более полувека — и после того как он женился, и после того как ему пришлось уехать из Германии в далекую Америку. «Я в вас влюбился», — шутливо писал ей Франк, когда им обоим было уже за восемьдесят. «Sp?t! (Опоздали!)» — весело отвечала Лизе.

Во время Первой мировой войны Майтнер добровольно работала в госпиталях, в том числе и в самых страшных, находившихся вблизи восточного фронта, а Ган выполнял задания военного ведомства. Проблем нравственного порядка, связанных с тем, что он занимался отравляющими газами, ни у него, ни у нее, похоже, не возникало. Она регулярно писала ему, передавая последние институтские слухи, рассказывая о поездках к морю с женой Гана и, время от времени, описывая, очень смягченно, свою работу в госпитале. Времени для научных исследований у нее оставалось мало: «Дорогой герр Ган!.. Прежде, чем читать дальше, наберите побольше воздуха в грудь… Я хотела закончить некоторые измерения, чтобы получить возможность… рассказать Вам о множестве очень интересных вещей».

Майтнер удалось заполнить один из последних пробелов, еще остававшийся в периодической системе элементов. Эту работу она выполнила самостоятельно, однако указала в качестве ее автора и Гана и настояла, чтобы редакция «Physikalische Zeitschrift» поставила его фамилию первой. В пору их военной разлуки она не настаивала на том, чтобы Ган отвечал на ее письма, хотя время от времени потребность в этом прорывалась наружу: «Дорогой герр Ган!.. Будьте добры, пишите — хотя бы о радиоактивности. Впрочем, я помню один случай, теперь уже давний, в котором вы прислали мне пару строк, упоминаний о радиоактивности не содержавших».

Вскоре после войны они разошлись по разным лабораториям. В середине 1920-х Майтнер уже возглавляла отдел теоретической физики в химическом институте кайзера Вильгельма. Внешне она оставалась все такой же застенчивой, однако обрела уверенность в силе своего ума и на самых почтенных теоретических семинарах неизменно садилась в первом ряду — рядом с Эйнштейном или великим Максом Планком. Ган сознавал, что за ее исследованиями ему не угнаться и потому ограничился занятиями более традиционной химией. Однако, когда в 1934 году Ферми показал, что нейтрон можно использовать в качестве идеального инструмента изучения атомного ядра, Майтнер снова сменила направление работы, приступив к исследованию его свойств. Помимо прочего, это означало, что она могла привлечь к своей работе и Гана, поскольку при изучении новых, возникавших в ходе таких исследований веществ всегда требовались химики.

В 1934-м они снова начали работать вместе, взяв в помощники недавнего докторанта Фрица Штрасмана. Гитлер пришел к власти в 1933-м, но, хоть Майтнер и была еврейкой, это не привело к ее немедленному изгнанию из Берлинского университета, поскольку она все еще оставалась австрийской гражданкой. У институтов кайзера Вильгельма имелись собственные источники финансирования, и тот, в котором работала Майтнер, был только рад платить ей как своей полноправной штатной сотруднице.

Когда же в 1938-м Германия захватила Австрию, Майтнер автоматически обратилась в немецкую гражданку. Институт еще мог удержать ее, однако это в большой степени зависело от того, что скажут ее коллеги. Один из них, химик-органик по имени Курт Гесс, долгое время занимал в институте маленький кабинет. Ученым Гесс был незначительным, его переполняла зависть, и он одним из первых в институте стал активным нацистом. «Евреи представляют опасность для нашего института» — начал нашептывать он всем, кто желал его слушать. Майтнер узнала об этом от одного из своих бывших студентов, который остался преданным ей. Она поговорила с Ганом. Ган направился прямиком к Генриху Горлейну, казначею организации, финансировавшей институт химии кайзера Вильгельма.

И попросил Горлейна избавиться от Майтнер.

Сказать о человеке, что он очарователен, — а Ган оставался очаровательным всю свою жизнь, — значит сказать лишь, что человек этот развил в себе рефлекторную способность делать то, что не доставляет беспокойства окружающим. Такое утверждение ничего не говорит о наличии у него более основательного нравственного компаса. То, как он поступил с Майтнер, бывшей его давним коллегой, могло отчасти тревожить совесть Гана: «Лизе чувствует себя очень несчастной из-за того, что я покинул ее в беде». Однако и другие немецкие физики выполняли все приказы правительства, к тому же, у власти теперь пребывали многие из прежних пронацистски настроенных студентов Гана. Именно они, — а не Майтнер, — были людьми, с которыми ему предстояло сотрудничать все более тесно, людьми, которым следовало угождать.

Он немного помог ей с отъездом из страны, неясно, впрочем, заметила ли эту помощь потрясенная происшедшим Майтнер: «Ган говорит, что мне больше не следует появляться в институте. По сути дела, он выгнал меня».

К августу 1938-го, когда Майтнер обосновалась в Стокгольме, она уже никому не рассказывала о поступке Гана. Вместо этого она почти рефлекторно сохраняла, пусть и на расстоянии, причастность к работе, которую прежде возглавляла. В ходе этой работы Майтнер с помощью Штрасмана и Гана обстреливала потоками медленных нейтронов уран, самый тяжелый из всех, встречающихся в природных условиях элементов. Поскольку нейтроны проникали в ядра атомов и застревали в них, все ожидали, что в результате будет возникать некое новое вещество, еще более тяжелое, чем уран. Однако, сколько усилий ни прилагала Майтнер и иные берлинские исследователи, с ясностью определить, что за новые вещества они создают, им не удавалось.

Ган, как и всегда, понял, что происходит, позже всех. В ноябре Майтнер встретилась с ним в нейтральном Копенгагене и, после того, как он признался, что ничего не понимает, отправила его обратно в Берлин с ясными инструкциями о постановке новых опытов. Ему всего лишь следует использовать наиболее качественные источники нейтронов, а также собранные ею счетчики и усилители, которые так и стояли в их лаборатории — там, где она их оставила. Обмен письмами между Стокгольмом и Берлином происходил настолько быстро, что Майтнер удавалось даже обговаривать с Ганом очередные шаги эксперимента. «Мнения и суждения Майтнер были для нас, работавших в Берлине, настолько весомыми, — вспоминал впоследствии Штрасман, — что мы немедленно приступили к постановке необходимых… опытов». Какую бы глубокую обиду ни питала Майтнер, она, по крайней мере, могла продолжать работу, на которую годами было направлено все ее внимание.

Она предложила тщательно присмотреться к тем разновидностям радия, которые могут возникать в процессе продолжительной бомбардировки урана. (Радий это металл, атомное ядро которого имеет почти такой же вес, как у урана. Оба ядра до того набиты нейтронами, что регулярно испускают излучение.) На этом этапе исследований предложение Майтнер было результатом всего лишь интуитивной догадки, основанной на сходстве двух металлов и том обстоятельстве, что в рудниках их нередко находят рядом друг с другом.

Однако догадка ее означала, что удастся, наконец, обнаружить и явные эффекты, обещанные уравнением E=mc².

Вечер понедельника, в лаборатории:

Дорогая Лизе!

…В «изотопах радия» присутствует нечто столь замечательное, что пока мы можем рассказать о них только Вам… Возможно, Вам удастся предложить какое-нибудь фантастическое объяснение происходящего… Если Вы сможете придумать нечто достойное публикации, это все же будет, в некотором смысле, результатом работы нас троих!

Отто Ган

В своих опытах они использовали в качестве вязкого вещества заурядный барий, позволяющий перехватывать фрагменты перегруженного нейтронами радия. После того, как барий делал свое дело, его собирали с помощью кислот, а затем вымывали из раствора. Проблема состояла, однако, в том, что Гану не удавалось разделить его. Некоторая часть остаточного бария содержала, судя по всему, приставшие к нему крошечные кусочки чего-то радиоактивного.

И Ган, и Штрасман зашли в тупик. «Интеллектуальным руководителем нашей группы была Майтнер» — писал Штрасман. Однако теперь ее с ними не было. Спустя два дня Ган снова обратился к ней: «Сами понимаете, Вы сделаете доброе дело, если найдете выход из этого тупика». Что делать дальше, они не знали. Попытаться объяснить странные результаты — почему простой барий никакого излучения не дает? — должна была Майтнер.

Время шло к Рождеству, и одна супружеская чета, знавшая, как одинока Майтнер в Стокгольме, пригласила ее составить им компанию — провести рождественские каникулы на западном побережье Швеции, в гостинице, находившейся под Кунгэльвом деревни. А в Копенгагене жил в это время племянник Майтнер, Роберт Фриш, которого она всегда любила — по предложению Майтнер супруги пригласили и его.

С племянником Майтнер по-настоящему познакомилась лет десять назад, когда он был еще полным энтузиазма берлинским студентом. Они часто играли в четыре руки на пианино, даром, что Майтнер с трудом выдерживала темп. (Allegro ma non tanto[5] они шутливо переводили: «Быстро, но не как тетя».)

Теперь Роберт обратился во взрослого человека, многообещающего физика, работавшего в Дании, в институте Нильса Бора. В первый день он, приехавший очень поздно, обсуждать научные темы был не в состоянии. А наутро, спустившись на первый этаж, в ресторан гостиницы, он обнаружил там свою тетушку, размышлявшую над письмом Гана. Барий, который использовался в Берлине, демонстрировал столь устойчивые радиоактивные свойства, излучал такую энергию, что и она, и берлинские исследователи поневоле задумались, почему это происходит. Может быть, радиоактивные свойства каким-то образом возникали именно в ходе экспериментов, которые ставились в Берлине?

Фриш высказал предположение, что дело всего лишь в ошибке, которая вкралась в эксперимент Гана, однако тетушка просто отмахнулась от него. Гениальностью Ган, конечно, не отличался, однако химиком был хорошим. Ошибки совершаются в других лабораториях. Но не в ее. Фриш не стал настаивать на своем. Он понимал, что тетушка права.

Пока Фриш завтракал, они сидели за столиком ресторана, разговаривая. Объяснить результаты эксперимента, который Майтнер предложила поставить берлинской группе, можно было тем, что атом урана каким-то образом разваливался на две половины. Размер ядра бария составляет примерно половину размера ядра урана. Что если радиоактивный барий, который был обнаружен в берлинских экспериментах, это просто половинки атомов урана, возникшие при таком распаде? Однако из всех результатов, полученных ядерной физикой, — из работ Резерфорда и других — следовало, что это невозможно. Ядро урана состоит примерно из двухсот частиц, протонов и нейтронов. Все они удерживаются друг рядом с другом тем, что известно как сильное ядерное взаимодействие, — своего рода исключительно мощным ядерным клеем. Как же может один-единственный проникающий в ядро нейтрон разрушить такие связи и оторвать от ядра здоровенный кусок? Нельзя же, запустив камушком в огромный валун, ожидать, что валун расколется надвое.

Покончив с завтраком, они отправились на прогулку по снегу. Их отель стоял невдалеке от леса. Фриш надел лыжи, предложил тетушке другие, однако она это предложение отклонила («Лизе Майтнер заявила, — писал впоследствии Фриш, — что она и без лыж сможет передвигаться с не меньшей скоростью».)

До сих пор никому не удавалось отколоть от ядра нечто большее, чем мелкий его фрагмент. И Фриш, и Майтнер пребывали в недоумении. Даже если влетавший в ядро нейтрон находил в нем некое слабое место, как удавалось ему одним ударом отрывать от ядра десятки протонов? Ядро отнюдь не похоже на скалу, способную развалиться на две половины. Оно, как предполагалось, должно было сохраняться в целости миллиарды лет.

Но тогда откуда же может исходить энергия, которая вдруг разрывает его надвое?

С Эйнштейном Майтнер познакомилась в 1909 году на происходившей в Зальцбурге конференции. Они были людьми почти одного возраста, однако Эйнштейн уже обладал славой. На той конференции он резюмировал открытия, сделанные им в 1905 году. Мысль о том, что энергия может появляться из исчезающей массы, была «настолько ошеломляюще новой и удивительной, — десятилетия спустя вспоминала Майтнер, — что я и по сей день очень хорошо помню его доклад».

И теперь, гуляя с племянником по снегу, она остановила его близ ствола одного из лесных деревьев, и они начали на пару осмысливать ситуацию. Самая последняя из моделей ядра принадлежала Нильсу Бору, добродушному, спокойному датчанину, у которого работал племянник Майтнер. Бор рассматривал ядро не как твердый металл, набор каким-то образом приваренных один к другому металлических шариков, но, скорее, как каплю жидкости.

Капля воды всегда пребывает на грани распада из-за существующего внутри ее давления. И это давление схоже с электрическим взаимодействием протонов, входящих в состав ядра. Протоны отталкиваются друг от друга (как любые два носителя положительного заряда). Однако капли воды сохраняют, по большей части, целостность благодаря силам поверхностного натяжения, действующим в их тонкой оболочке. Эти силы являются аналогом сильного взаимодействия, которое обеспечивает целостность скопления протонов, несмотря на пытающиеся разорвать его электрические силы.

В ядрах малого размера, каковы ядра углерода или свинца, сильное взаимодействие обладает такой мощью, что содержащееся в них количество электричества, норовящее оттолкнуть протоны друг от друга, оказывается несущественным. В них сильное взаимодействие остается непобедимым. Но не может ли появление дополнительных нейтронов в ядрах больших, и даже огромных, как у урана, привести к нарушению равновесия?

Майтнер и ее племянник не зря были физиками. У них имелись с собой и бумага, и карандаши, и вот в холодном шведском лесу, в самый канун Рождества, они вытащили из карманов и то, и другое и приступили к расчетам. Что если ядро урана велико настолько, и настолько набито нейтронами, отделяющими протоны один от другого, что даже до того, как в него начинают проталкиваться новые нейтроны, ядро это уже пребывает в состоянии не весьма надежном? Что если ядро урана походит на каплю воды, растянутую так сильно, что она того и гляди разорвется? И вот в такое слишком туго набитое ядро проникает еще один полновесный нейтрон.

Майтнер начала рисовать какие-то каракули. Рисовала она примерно так же хорошо, как играла на фортепьяно. Фриш со всевозможной почтительностью отобрал у нее карандаш и принялся сооружать рисунки более опрятные. Один-единственный нейтрон, проникая в ядро, приводит к тому, что оно растягивается посередине. Происходит примерно то же, что с наполненной водой оболочкой воздушного шарика, которую перекручивают посередке. Два конца шарика вспучиваются. Если вам повезет, оболочка шарика не лопнет и вода не вырвется наружу. Но не останавливайтесь. Перекрутите шарик посильнее, а после, когда он совсем растянется, отпустите, чтобы вода рывком вернулась к центру, — и тут же перекрутите в противоположном направлении. Кончится это тем, что шарик все-таки лопнет, и если вы правильно рассчитаете время, вам даже усилий больших прикладывать не придется. Всякий раз, как вода будет возвращаться к центру, старайтесь улучить миг, в который две волны ударятся одна о другую и отразятся, и как раз когда они будут разлетаться с максимальной силой — это примерно то же, что раскачивать качели, — скручивайте шарик, чтобы ускорить новое его растяжение.

Именно это и делают нейтроны, попадая в ядро урана. Причина, по которой Ган никак не мог понять наблюдаемое им явление, состояла в том, что он считал, будто добавление нейтронов лишь делает вещество более тяжелым. На деле же, нейтрон разбивал ядро урана на две половинки.

Это было важнейшее открытие, однако его еще следовало проверить. Начать с того, что Майтнер и ее племянник понимали: теперь электрические заряды протонов получали возможность заставить частицы ядра разлетаться в стороны. В используемых физиками единицах соответствующая энергия составляет примерно 200 МэВ — 200 миллионов электрон-вольт. Фриш и Майтнер подсчитали это значение в уме. Однако следует ли из уравнения, полученного Эйнштейном в 1905 году, что в ядре действительно присутствует количество энергии, способное заставить разлетаться его половинки? О дальнейшем Фриш рассказывает так:

По счастью, [моя тетушка] помнила, как вычисляется масса ядра… и смогла подсчитать, что два ядра, получающиеся в результате деления урана, должны быть легче него примерно на одну пятую массы протона. Но ведь, когда исчезает масса, создается, согласно Эйнштейновской формуле E=mc², энергия…

Хорошо, но какова же величина этой энергии? Одна пятая протона есть частица вещества до нелепого малая. В точке, стоящей над буквой i,протонов содержится больше, чем звезд в нашей галактике. И тем не менее, «исчезновения» одно пятой протона — частицы, которую и увидеть-то никто не способен, — должно хватать на создание 200 МэВ энергии. В Беркли, штат Калифорния, как раз планировали построить электромагнит величиною с дом, способный, когда его зарядят количеством электричества, большим того, что потребляет обычно весь город Беркли, сообщать частице энергию до 100 МэВ. А тут какая-то кроха должна была создать энергию вдвое большую.

Это могло показаться неосуществимым, — если бы не колоссальная величина c². Мир массы и мир энергии связаны неистово расширяющимся мостом. Для наблюдателя из нашего мира, фрагмент протона, пролетающий мимо дорожного знака «=», трансформируется — растет.

Растет.

Тетя с племянником по пути из Кунгэльва перешли замерзшую реку. Деревня была уже слишком далеко, чтобы они могли слышать шум ее рынка. Майтнер произвела расчет. Впоследствии Фриш вспоминал: «одна пятая массы протона оказалась точным эквивалентом 200 МэВ. Мы получили источник этой энергии, все сошлось одно к одному!».

Атом был вскрыт. До этого времени все ошибались. Путь внутрь атома состоял не в том, чтобы со все большей и большей силой вколачивать в него частицы. Теперь двое людей, пожилая женщина и ее племянник, находившиеся среди безмолвия полуденных снегов, отчетливо поняли это. Для того, чтобы взорвать атом урана, вовсе не нужно было накачивать его энергией. Довольно было нескольких медленных нейтронов, а дальше процесс шел сам собой. Ядро начинало содрогаться, все сильнее и сильнее, пока удерживающее его в целости сильное взаимодействие не подавалось и электрическое поле, крывшееся внутри ядра, не заставляло фрагменты его разлетаться. Взрыв этот питался собственной энергией ядра.

Майтнер и ее племянник считали науку политически нейтральной и потому подготовили свое открытие для публикации. Следовало присвоить ему какое-то название, и Фриш вспомнил о том, как делятся бактерии. Еще находясь в Копенгагене, он как-то спросил американского биолога, приехавшего с визитом в институт Бора, каким английским словом описывается этот процесс. В результате, в их статье появилось слово «деление», описывающее то, что происходит с ядром атома. Тем временем, Ган уже опубликовал полученные им в Берлине результаты — практически не упомянув о Майтнер, — и вскоре начал продлившуюся почти четверть века кампанию, цель которой состояла в том, чтобы доказать: вся честь сделанного открытия принадлежит только ему одному.

Тридцатилетние поиски завершились. За десятилетия, прошедшие после 1905 года, в котором появилось уравнение Эйнштейна, физики показали, как можно взломать атом и извлечь из него сконденсированную, замороженную энергию, о которой говорит формула E=mc². Они обнаружили ядро, открыли частицу, названную нейтроном и способную легко проникать в ядро и покидать его (особенно если посылать в него нейтроны замедленные), выяснили, что дополнительные нейтроны, внедренные в такие сверхплотные атомы, как атом урана, заставляют их ядра дрожать, ходить ходуном и взрываться.

Майтнер установила: происходит это потому, что существующее внутри ядра мощное электрическое поле, сдерживается подобием пружин или клея, именуемым сильным ядерным взаимодействием. Когда дополнительный нейтрон начинает расшатывать ядро, эти пружины подаются, и внутренние части ядра разлетаются, приобретая огромную энергию. Если взвесить все до и после, оказывается, что разлетающиеся части ядра «весят» меньше, чем бывшее прежде целым ядро. И что именно «исчезнувшая» масса дает энергию, которая обеспечивает высокую скорость их разлета. Ибо на самом деле, никуда эта масса не исчезает. Уравнение Эйнштейна показывает, что она просто проявляет себя в форме энергии, которую c² увеличивает, в сравнении с массой, почти в 1166400000000000000 раз (в единицах км/час).

Открытие это оказалось зловещим, поскольку теоретически кто угодно мог начать взламывать ядра, эти сердцевины атомов, и получать выбросы огромной энергии. В любую другую эпоху последующие шаги совершались бы медленно и первая атомная бомба появилась бы лишь в 1960-х или 1970-х годах. Но в 1939-м началась самая большая в истории война.

Ас нею началась и гонка, в которой должна была финишировать страна, сумевшая первой получить предсказанную уравнением Эйнштейна энергию.