Преодоление. Арзамас-16: как это было. Историко-аналитическое исследование
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.
Под руководством Иоффе начала складываться одна из ведущих в будущем научных школ страны. И ядерная физика в ней приобрела характер важнейшего направления исследований. Об этом периоде развития институтов в своих воспоминаниях пишет Л.А. Арцимович: «Создавая первые скромные лаборатории Физико-технического института в Сосновке и привлекая в этот институт первых молодых ученых, Абрам Федорович закладывал фундамент огромного здания современной советской физики. Первостепенное внимание здесь уделялось подготовке кадров, процессу становления сотрудников института как физиков-теоретиков и одновременно умелых экспериментаторов. Была налажена система постоянного общения ученых и обучение молодого поколения. Семинар «Физическая среда», работавший в институте в течение многих лет, для значительного числа будущих видных представителей отечественной физики стал первым шагом по тому пути, который повернул их научно к исследованиям по атомному ядру, квантовой механике, космическим лучам. Немало было сделано и для налаживания контактов с ведущими зарубежными научными школами, прежде всего ядерным. По направлению Физико-технического института в 20-е годы более 20 молодых и перспективных его сотрудников были направлены на стажировку за границу сроком на полтора-два года».
В 1921 году специальная академическая комиссия отправилась в страны Западной Европы. Целью командировки было возобновление научных связей, прерванных революцией 1917 года. Предстояло не только ознакомиться с новейшими достижениями заграничных коллег, но отобрать, закупить за рубежом новые оптические, физические приборы, заключить соответствующее соглашение по обмену печатной продукцией. Комиссия состояла из директора государственного Оптического института Рождественского, академиков А.Н. Крылова и А.Ф. Иоффе, доцента Ленинградского политехнического института П.Л. Капицы и еще двух технических сотрудников. Сделано было немало, одно из наиболее значительных и важных результатов явилась создание канала для поступления всей научной периодики по естественным дисциплинам из Западной Европы в нашу страну. Особенно существенно это было для физиков. Их европейские коллеги сделали в этот период мощный рывок вперед. И все новейшие результаты исследований, включая ядерные, широко освещались на страницах научных публикаций.
20-е годы характеризовались бурным процессом формирования нового поколения советских физиков. Школа, группировавшаяся вокруг А.Ф. Иоффе, в первом своем составе включала П.Л. Капицу, П.И. Лукирского, Н.Н. Семенова, Я.И. Френкеля, И.В. Обреимова, А.А. Чернышева, В.А. Бурсиана, К.Ф. Нейтруха. Немного позже к ним присоединились Д.В. Скобельцын, И.В. Курчатов, И.К. Кикоин, А.Ф. Вальтер, Г.В. Курдюмов, П.П. Кобеко, Б.П. Константинов, И.М. Франк, А.И. Лейпунский, А.П. Александров, А.И. Алиханов, А.И. Шальников, Ю.Б. Харитон. Каждый из них впоследствии стал или самостоятельным лидером в своей области знаний, или родоначальником принципиально новых направлений в науке.
И.В. Курчатов начал работать в Физико-техническом институте в 1925 году. Сам он так определил содержание двух основных тематических направлений деятельности коллектива института: до 1932 года – электрические свойства твердых тел, после 1932 года – исследование атомного ядра. Круг собственных научных интересов Курчатова по характеристике Иоффе распределялся следующим образом: первые 8 лет научной деятельности – исследования диэлектриков и физики твердого тела, остальные 8 предвоенных лет и вся последующая жизнь, включая 15 лет после Великой Отечественной войны, – проблема атомного ядра. Итогом первого этапа научной работы Курчатова была монография «Сегнетоэлектричество», вышедшая одновременно у нас и во Франции. И уже через полтора года после начала его исследовательской работы в области атомной теории вышла монография «Расщепления атомного ядра».
Во второй половине 30-х годов научная деятельность Курчатова была целиком посвящена циклу исследований по изучению взаимодействия медленных нейтронов с ядрами. О Курчатове один из ближайших его соратников Ю.Б. Харитон сказал: «Его фигура стоит как бы особняком, ярко выделяясь на фоне всего коллектива советских физиков, среди которых было немало выдающихся, завоевавших высокий авторитет во всем мире».
Однако возвратимся к общей картине состояние отечественной физики в 20-30 годы. В 1932 году руководство государственным Оптическим институтом принял на себя С.И. Вавилов. Одновременно он был назначен директором физического отдела Физико-математического института, который в 1934 году выделился в самостоятельное научное учреждение – Физический институт Академии наук СССР имени П.Н. Лебедева (ФИАН). Возник новый центр физических исследований с сильным научным потенциалом и быстро расширяющейся тематикой. Одним из приоритетных направлений была ядерная физика и изучение космических лучей. И как в Физико-техническом институте Иоффе твердо поддержал в начале 30-х годов Курчатова, Алиханова, Арцимовича, Алиханяна в развертывании ядерных исследований, так и С.И. Вавилов содействовал аналогичным работам Франка, Грошева, Векслера, Добротина, Черенкова в ФИАНе.
Во второй половине 20-х годов наметился новый этап развития и Московской школы физиков. Он связан с именем Л.И. Мандельштама. Представителями этой школы стали А.А. Андронов, Г.С. Ландсберг, М.А. Леонтович, И.Е. Тамм.
Кроме важнейших физических направлений (ядерная физика, изучение космических лучей и др.) развивались и традиционные области естественнонаучного знания. Завершилось оформление оптической школы Рождественского (А.А. Лебедев, В.П. Линник, А.Н. Теренин, В.А. Фок, С.Э. Фриш). Высокий уровень отличал математическую школу, особенно в Ленинградском университете, которая была в руках таких крупных ученых, как В.А. Стеклов и А.А. Марков, последователей школы П.Л. Чебышева. Одновременно интенсивно начала развиваться исследовательская деятельность на стыке наук, в частности физики и химии. В довоенное время по итогам этой деятельности было проведено 12 всесоюзных конференций. Вышли в свет первые физико-химические научные журналы. Уже в 1929 году в Записке об ученых трудах Н.Н. Семенова говорилось о том, что его работы по атомной электронной химии открыли новую эпоху в этой области науки. Та область, в которой работал Семенов, и где он обрел широкую научную известность как у нас, так и за рубежом, была связана с изучением цепных химических реакций и применением результатов этих разработок во взрывах.
В 1931-1934 годах Семеновым была написана монография «Цепные реакции». Она была оперативно переведена на английский язык. Серия его работ по ионизации и возбуждению молекул, анализу ионов примыкала к работам известных западных ученых Дж. Франка и М. Полански и внесла много нового в понимание сложнейших процессов. Вклад Семенова в общую теорию цепных реакций получил общемировое признание и был отмечен несколько позже (1956 год) Нобелевской премией.