РАЗРУШИТЕЛЬ МИРОВ: глубинная история ядерного века

Фрэнк Клоуз / cam.ac.uk

Так называется новая книга Фрэнка Клоуза, выдающегося популяризатора науки, почетного профессора Оксфордского университета, специализирующегося на физике элементарных частиц. Она рассказывает о причудливом пути, которым человечество пришло в ядерный век. Все начиналось с невинных лабораторных причуд, но потом цепочка открытий привела к невиданному в истории оружию. Так для чего же на самом деле физики высвободили силу атома?

ЛАБОРАТОРНЫЙ ФОКУС

История эта началась, пожалуй, с открытия электрического тока, для которого твердые материалы не являлись непреодолимой преградой. Завершилась она появлением технологий, способных стирать с лица земли целые города… А стала возможной потому, что ученые чрезвычайно восприимчивы к новым знаниям, которые моментально, как вирус, начинают кочевать из одной страны в другую. В 1890-х годах немецкий физик Вильгельм Рентген обнаружил электрические токи, которые он назвал рентгеновскими лучами.

Они проходили буквально сквозь все, включая его собственные руки и руки его жены. Возможно, это так бы и осталось невинным лабораторным аттракционом, если бы во Франции Антуан Анри Беккерель не решил проверить свою догадку о связи рентгеновских лучей с фосфоресцирующими минералами, такими как уран. На несколько дней он поместил кристаллы урана и медный крест на фотопластинке в темный ящик. Проявив пластинку, Беккерель обнаружил четкие очертания креста — в кромешной темноте уран воздействовал на нее подобно солнцу!

ШКВАЛ ОТКРЫТИЙ

Тем временем в Канаде Эрнест Резерфорд измерял энергию, выделяемую ураном в процессе, получившем название «радиоактивность». Резерфорд утверждал, что атомы радиоактивных элементов, таких как уран, радий и торий, содержат достаточно энергии, чтобы выделять тепло в течение тысяч лет. Так начался XX ядерный век, который вписал в историю науки десятки блестящих имен: Марии и Пьера Кюри, Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, Альберта Эйнштейна, Отто Гана, Лизы Мейтнер, Джеймса Чедвика, Нильса Бора, Этторе Майораны, Энрико Ферми и многих других ученых. Все они пытались понять, как атомы хранят и высвобождают эту энергию. И в результате выяснили, что атомы радиоактивных элементов распадаются естественным образом, превращаясь в процессе из одного элемента в другой.

«ВЗЛОМ» ЯДРА

Такой распад указывал на то, что существуют какие-то тела, которые «меньше атома». Ученые начали их искать и экспериментальным путем впоследствии открыли электрон и атомное ядро. Затем они это ядро «взломали». Внутри него обнаружились другие частицы — сперва протон, а позднее и сопутствующий ему нейтрон, которые в основном и определяют массу атома. Эти ядерные частицы оказались прочно связаны друг с другом. Поэтому ученые задались вопросом: а можно ли разорвать связь между ними? Для этого были изобретены устройства, которые позволяли их разъединять и отслеживать происходящие при этом процессы. Ученые обнаружили, что если нейтрон направить в ядро лития, он расщепляет его на три части — ядро гелия, ядро трития (изотоп водорода) и дополнительный нейтрон.

ОТКРЫТИЕ ДАВЛЕНИЯ

В природе радиоактивность является естественным явлением. Она обусловлена распадом нестабильных атомных ядер, содержащихся в горных породах, воде, воздухе и даже в живых организмах. Но в ХХ веке люди научились искусственно вызывать радиоактивность. Сначала легких элементов, а затем тяжелых. Ученые открыли, что тяжелые радиоактивные элементы естественным образом распадаются на элементы, расположенные на одну-две ступени ниже в таблице Менделеева. Так, например, уран (элемент 92) превращается в торий (элемент 90). Но когда они начали бомбардировать уран нейтронами, то его ядро расщеплялось почти пополам, превращаясь в барий (элемент 56). Этот процесс получил название «деление ядра».

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

Далее обнаружилось удивительное явление: деление на этом не останавливалось. Уран испускал нейтроны, которые могли расщепить другие ядра урана, высвобождая новые нейтроны, которые, в свою очередь, расщепляли другие ядра… Наблюдаемый лавинообразный эффект назвали экспоненциальной цепной реакцией. В ходе ее освобождалась колоссальная энергия, которая раньше удерживала ядро целым. Ученые смогли эту энергию количественно оценить: она равна массе ядра, умноженной на квадрат скорости света. До создания ядерной бомбы оставался всего один шаг.

ЯДЕРНОЕ СДЕРЖИВАНИЕ — ИДЕЯ УЧЕНЫХ

В определенном символическом смысле можно сказать, что ядерное оружие и Вторая мировая война ровесники. 1 сентября 1939 года, в день, когда Германия вторглась в Польшу, Нильс Бор опубликовал фундаментальную работу о механизме деления ядер. Шесть месяцев спустя, в марте 1940 года, Ферми и Пайерлс направили письмо правительству Великобритании. По сути, в нем впервые излагался принцип ядерного сдерживания, который лежит в основе современных военных доктрин.

Выражая надежду, что ни одна цивилизованная нация не воспользуется ядерным устройством, ученые вместе с тем указывали, что единственной защитой от ядерного оружия является оно само. Если две стороны обладают ядерным оружием, то любая попытка первой нанести ядерный удар будет неизбежно означать ответный удар, который приведет к уничтожению обеих сторон. Риск взаимного истребления должен перевешивать «выгоду» от применения ядерной бомбы.

МЕДВЕЖЬЯ УСЛУГА ВОЙНЫ

Помимо того, что она унесла миллионы жизней, Вторая мировая сослужила человечеству плохую службу еще в одном смысле. Если бы мир не был охвачен войной, то следующим шагом после открытия цепной реакции стало бы проектирование атомных электростанций. Но возможность получить решительное преимущество над противником была тогда намного более привлекательной, чем перспектива производства дешевой и общедоступной энергии. И в Германии физики-ядерщики по полной включились в процесс создания ядерной бомбы.

В этой точке история науки заканчивается и начинается история технологии производства ядерных бомб. На тот момент было известно, что проще и эффективнее всего расщепляются изотоп урана-235 и изотоп плутония-239. Ученые поняли, как концентрировать первый и получать второй, а также рассчитали, какое количество каждого из них необходимо для производства бомб. Они построили реакторы, в которых можно было управлять цепными реакциями.

МАНХЭТТЕНСКИЙ ПРОЕКТ: ДЕЛО МОЛОДЫХ

Однако было существенное ограничение — быстро создать готовое к применению ядерное оружие было тогда вряд ли под силу отдельно взятому государству. У той же Великобритании на это явно не хватало ресурсов — превращение урана и плутония в бомбу оказалось за пределами ее возможностей. Поэтому страна делегировала своих ученых в американский Манхэттенский проект. Помимо британских и американских ученых, активное участие в нем приняли и еврейские специалисты, которые бежали от нацистов из стран континентальной Европы. Проект был не только грандиозный по масштабу, но и «молодой». В нем участвовали 100 000 человек, средний возраст которых составлял 24 года.

САМАЯ «КОМПАКТНАЯ» СМЕРТЬ

Конструкция атомных бомб разрабатывалась с учетом особенностей элемента, который использовался для расщепления ядра. Первая плутониевая бомба была испытана в июле 1945 года на полигоне Аламогордо в штате Нью-Мексико в рамках Манхэттенского проекта. 3 недели спустя ее аналог был сброшен на японский город Нагасаки, а урановая бомба была применена в Хиросиме. Каждая бомба обладала такой же разрушительной силой, что и 20 килотонн взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте. Мир тогда еще не знал, что оружие столь разрушительной силы может быть настолько «компактным». Американская бомбардировочная авиация состояла всего-навсего из трех самолетов. Японские власти решили, что они не могут представлять значительную угрозу, и не сочли необходимым отправлять людей в убежища.

ИЗНАЧАЛЬНО ЦЕЛИЛИСЬ В ГИТЛЕРА…

Когда бомбы были сброшены на Японию, Германия уже была побеждена. США неоднократно и аргументированно доказывали необходимость этого шага. Однако ядерное оружие было применено за рамками изначально заявленной цели — победы над Адольфом Гитлером. И это до сих пор шокирует. Тем временем ядерная цепная реакция породила реакцию политическую — стартовала гонка ядерных вооружений. Советский Союз в 1949 году начал испытания собственных ядерных бомб, а другие ядерные державы обратили внимание на еще более мощные термоядерные бомбы.

КАК УНИЧТОЖИТЬ ЗЕМЛЮ НА «ЗАДНЕМ ДВОРЕ»

Когда ядерная бомба взрывается, это останавливает цепную реакцию. Поэтому их мощность ограничена одной мегатонной. Обойти это ограничение можно, используя не цепную реакцию, а термоядерный синтез. Он высвобождает энергию, сталкивая ядра непосредственно друг с другом — примерно как если бы в космосе столкнулись две звезды. Это означает, что термоядерные бомбы ограничены только количеством топлива. То есть, по большому счету, их мощь ничем не ограничена. Американский физик Эдвард Теллер проводил свои расчеты по увеличению мощности бомб, пока не преодолел рубеж в 10 гигатонн. Он назвал эту бомбу «задний двор», имея в виду, что такую бомбу нет смысла доставлять к цели — достаточно взорвать ее в своем саду, на заднем дворе, чтобы уничтожить всех людей на Земле.

САМАЯ МОЩНАЯ БОМБА В ИСТОРИИ

Поначалу термоядерные бомбы было сложно детонировать. И работы в этом направлении застопорились. До тех пор, пока Ферми не предложил для «разгона» термоядерного синтеза использовать ядерную бомбу. Идея была реализована в октябре 1952 года во время испытаний 10-мегатонной термоядерной бомбы «Айви Майк». Солдаты, которые наблюдали за взрывом с расстояния в 30 километров, на мгновение увидели, как кости скелетов их товарищей отбрасывают тени. Через два года после этого аналогичную термоядерную бомбу испытали в СССР. В 1961 году Советы вышли на пик своей символической гигантомании, взорвав самую мощную из когда-либо созданных бомб — 50-мегатонную «Царь-бомбу». Она была слишком тяжела для транспортировки, поэтому военного применения не имела, хотя и могла уничтожить целый город.

НАСКОЛЬКО НАДЕЖЕН ЯДЕРНЫЙ «ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ»

Неизвестно, куда бы завели человечество подобные жуткие эксперименты. К его чести, в 1963 году был подписан договор о запрете любых ядерных испытаний по всему миру. И мы видим, что принцип гарантированного взаимоуничтожения до сих пор работает как универсальный «предохранитель». Но насколько он в действительности надежен? И по какому пути развития ядерных технологий человечество пойдет дальше? Технологии деления и синтеза способны разрушать и запугивать. Но также позволяют людям жить с большими удобствами и комфортом. При этом следует признать, что как источники энергии атомные электростанции имеют слишком нестабильную историю и дурную репутацию. А термоядерные, если верить прогнозам, появятся не ранее чем через 20 лет.

Оригинальное исследование: