Создание атомной бомбы

Второе начало термодинамики гласит, что самопроизвольная передача тепла от более холодного тела более горячему невозможна без каких-либо изменений системы. Или, в обобщенной формулировке, которую сам Планк сформулировал в своей диссертации, которую он писал в Мюнхенском университете в 1879 году, «процесс передачи тепла не может быть полностью обращен какими бы то ни было средствами»[103]. Второе начало не только говорит о невозможности создания вечного двигателя, но и определяет понятие, которое предшественник Планка, профессор Рудольф Клаузиус, назвал энтропией: поскольку при выполнении любой работы происходит рассеяние энергии, выделяющейся в виде тепла, – и это тепло невозможно собрать в организованном, пригодном для использования виде, – Вселенная должна постепенно изменяться в направлении все более случайного состояния. Из этой концепции все более увеличивающегося беспорядка следует, что Вселенная развивается однонаправленным и необратимым образом; второе начало термодинамики есть физическое выражение того, что мы называем временем. Однако уравнения механики – в рамках науки, которая называется теперь классической физикой, – теоретически допускают развитие Вселенной в любом направлении, как вперед, так и назад. «Таким образом, – сетовал один видный немецкий химик, – в чисто механическом мире не может быть “до” и “после”, как в мире, где мы живем; иначе дерево могло бы превратиться в побег, а затем в семя, бабочка – в гусеницу, старик – в ребенка. Механистическая доктрина никак не объясняет тот факт, что на самом деле этого не происходит, да такое объяснение и не может быть дано ввиду некоторых фундаментальных свойств уравнений механики. Фактическая необратимость явлений природы доказывает, таким образом, наличие процессов, которые нельзя описать уравнениями механики. Тем самым выносится приговор научному материализму»[104][105]. За несколько лет до этого Планк, что было для него характерно, высказался более лаконично: «Последовательное применение второго закона [по Планку, признание роста энтропии в качестве абсолютного закона]… несовместимо с предположением о существовании атомов конечного размера»[106].

Значительная часть затруднений была связана с тем, что в то время атомы нельзя было прямо измерить в эксперименте. Они были концепцией, полезной в химии, в которой их использовали для объяснения того, почему некоторые вещества – элементы – соединяются друг с другом с образованием других веществ, но сами не могут быть разложены химическими методами. Атомы, по-видимому, объясняли, почему газы ведут себя именно так, а не иначе, – заполняют любой сосуд, в который их помещают, и оказывают равное давление на все стенки такого сосуда. Их использовали и для объяснения того поразительного открытия, что любой элемент, нагреваемый в пламени лабораторной горелки или испаряемый электрической дугой, окрашивает испускаемый свет, причем при разложении этого света призмой или дифракционной решеткой спектр неизменно разбивается на последовательность характерных ярких полос или линий. Однако еще в 1894 году, когда Роберт Сесил, третий маркиз Солсбери, канцлер Оксфордского университета и бывший[107] премьер-министр Англии, перечислял нерешенные задачи науки в своей председательской речи на заседании Британской ассоциации, вопрос о том, являются ли атомы реальными объектами или лишь удобной условностью и какова может быть их скрытая структура, по-прежнему оставался открытым:

Что есть атом каждого элемента, представляет ли он собою движение, предмет, вихрь или точку, обладающую инерцией, существуют ли пределы его делимости и, если они существуют, как налагаются такие пределы, окончателен ли длинный перечень элементов и имеют ли какие-либо из них сколько-нибудь общее происхождение, – все эти вопросы остаются так же окруженными мраком, как и прежде[108].

Именно так – выбирая между возможными вариантами – и работает физика; именно так работают все точные науки. Химик Майкл Полани, друг Лео Сциларда, исследовал методы работы науки в последние годы своего пребывания в Манчестерском университете и в Оксфорде. Он установил, что традиционная организация науки сильно отличается от представлений большинства не связанных с наукой людей. Он назвал ее «республикой науки»[109], сообществом свободно сотрудничающих мужчин и женщин, «чрезвычайно упрощенным примером свободного общества»[110]. Не все специалисты по философии науки – области, которой стал заниматься Полани, – были с ним согласны. Даже сам Полани иногда называл науку «ортодоксией». Но его республиканская модель науки сильна тем же, чем бывают сильны успешные научные модели: она объясняет взаимосвязи, которые не были понятны до нее.

Полани задавал прямые вопросы. Как избирают ученых? Какую присягу они принимают? Кто направляет их исследования – выбирает задачи, которые следует изучать, утверждает планы экспериментов, оценивает значение результатов? Кто решает, что́ соответствует научной «истине» при окончательном анализе этих результатов? Вооружившись этими вопросами, Полани отступил на шаг и рассмотрел науку извне.

За великой конструкцией, которая всего за три столетия начала преобразовывать весь мир человечества, лежала основополагающая приверженность натуралистическому взгляду на жизнь. В другие эпохи и в других местах господствовали иные воззрения – магические или мифологические. Дети обучались натуралистическому мировоззрению, когда учились говорить, когда учились читать, когда шли в школу. «Миллионы ежегодно расходуются на культивирование и распространение науки теми же самыми органами государственной власти, – написал однажды Полани, раздраженный теми, кто упорно не хотел понимать его идей, – которые не дадут ни гроша на развитие астрологии или колдовства. Другими словами, наша цивилизация глубоко привержена определенным представлениям о природе вещей; представлениям, отличным, например, от тех, которым были привержены древнеегипетская или ацтекская цивилизации»[111].

Большинство молодежи познает лишь ортодоксальные положения науки. Они выучивают «общепринятые доктрины, мертвые письмена»[112]. Некоторые, продолжающие образование в университетах, заходят дальше и познают начала научного метода. Они используют в повседневных исследованиях экспериментальные доказательства. Они открывают для себя «неопределенность и вечную временность»[113] положений науки. Они начинают вдыхать в нее жизнь.

Но это еще не значит стать ученым. Чтобы стать ученым, считал Полани, необходимо «полное посвящение»[114]. Такое посвящение дается «тесными личными связями с взглядами и практиками заслуженного наставника»[115]. Практика науки сама по себе не есть наука; это искусство, передаваемое от учителя к ученику, как передается искусство живописи или приемы и традиции юриспруденции или медицины. Познать право из одних лишь книг и лекций невозможно. Также нельзя познать и науку, потому что в науке никогда не бывает точных соответствий; никакой эксперимент не может быть окончательным доказательством; все всегда бывает упрощенным и приблизительным.

Американский физик-теоретик Ричард Фейнман как-то говорил о науке с подобным же пылом перед переполненной аудиторией студентов Калифорнийского технологического института. «Что значит “понять” что-либо?» – спросил Фейнман. Его ответ на этот вопрос полон ироническим сознанием ограниченности возможностей человека:

Представьте себе, что сложный строй движущихся объектов, который и есть «мир», – это что-то вроде гигантских шахмат, в которые играют боги, а мы следим за их игрой. В чем правила игры, мы не знаем; все, что нам разрешили, – это наблюдать за игрой. Конечно, если посмотреть подольше, то кое-какие правила можно ухватить. Под основными физическими воззрениями, под фундаментальной физикой мы понимаем правила игры. Но, даже зная все правила… лишь очень и очень редко нам удается действительно объяснить что-либо на их основе. Ведь почти все встречающиеся положения настолько сложны, что нет никакой возможности, заглядывая в правила, проследить за планом игры, а тем более предугадать очередной ход. Приходится поэтому ограничиваться самыми основными правилами. Когда мы разбираемся в них, то уже считаем, что «поняли» мир[116][117].

Научиться чувствовать доказательства; научиться рассуждать; научиться выбирать правильные интуитивные ощущения; научиться видеть, какие из сложнейших вычислений стоит повторить и каким из экспериментальных результатов не стоит доверять – эти умения дают билет на трибуны шахматной партии богов, и их обретение требует прежде всего обучения у настоящего мастера.

Полани обнаружил еще один необходимый элемент полноценного посвящения в науку – веру. Хотя точные науки стали ортодоксальной идеологией западной цивилизации, каждый волен соглашаться или не соглашаться с ними, частично или целиком: число верующих в астрологию, марксизм или непорочное зачатие по-прежнему остается огромным. Однако «никто не может быть ученым, не предполагая, что научная доктрина и научный метод фундаментально верны и что их основополагающие предпосылки могут быть приняты безоговорочно»[118].

Стать ученым можно, лишь искренне и глубоко приняв научную систему и научное мировоззрение. «Любое описание науки, прямо не называющее ее предметом веры, по сути дела, неполно и обманчиво. Оно эквивалентно утверждению о том, что наука, по сути дела, отличается от всех человеческих верований, не сводящихся к научным утверждениям, и в чем-то превосходит их, – что неверно»[119]. Вера есть та присяга, которую приносят ученые.

Так происходит отбор ученых и их принятие в этот орден. Они составляют республику образованных верующих, обучающихся в системе связей между наставниками и учениками осторожно оценивать скользкие места своей работы.

Кто же направляет эту работу? Этот вопрос на самом деле разбивается на два: кто решает, какие задачи следует изучать, какие эксперименты следует ставить? И кто оценивает значение и достоверность результатов?

Полани предложил одну аналогию[120]. Представим себе, сказал он, группу работников, которым поручили собрать очень большую, очень сложную мозаичную картинку – пазл. Как они могут организовать свою работу, чтобы выполнить ее максимально эффективно?

Каждый из работников может взять какие-то элементы пазла и попытаться совместить их. Этот метод был бы эффективным, если бы собирание пазла было сродни шелушению гороха. Но это не так. Элементы пазла не изолированы. Они были частью единого целого. И вероятность того, что один из работников случайно наберет себе элементы, подходящие друг к другу, мала. Даже если такая группа изготовит достаточно экземпляров всех элементов, чтобы в распоряжении каждого работника был весь пазл, ни один из них в одиночку не сделает столько, сколько могла бы сделать группа, если бы нашла метод совместной работы.

Наиболее эффективное решение, по словам Полани, заключается в том, чтобы позволить каждому из работников следить за тем, что делают все остальные. «Пусть они работают над пазлом вместе, видя друг друга, чтобы каждый раз, когда один из [работников] ставит какую-либо часть мозаики на место, все остальные сразу начинали искать следующий шаг, который становится возможным благодаря этому»[121]. В таком случае, даже если каждый из работников действует по собственной инициативе, его действия способствуют прогрессу всей группы. Члены группы работают вместе независимым образом; пазл собирается самым действенным способом.

Полани считал, что наука познает неизвестное, проходя через последовательность этапов, которые он называл «точками роста»[122], причем каждая из таких точек представляет собой место, в котором делаются наиболее продуктивные открытия. Узнавая о новых достижениях из сети научных изданий и личных связей с коллегами, – благодаря полной открытости обмена информацией, абсолютной и жизненно важной свободе слова – ученые немедленно начинают работать именно в тех точках, в которых личные таланты каждого из них обеспечивают максимальный положительный эффект, эмоциональный и интеллектуальный, от вложения сил и размышлений.

Тогда становится ясно, кто именно в научной среде оценивает значение результатов исследований: это делают все члены группы, как на собрании общины квакеров. «Авторитетность научного мнения остается преимущественно взаимной; она формируется среди ученых, а не над ними»[123]. Бывают ведущие ученые, ученые, которые работают в точках роста своих дисциплин необыкновенно плодотворно; но в науке нет верховных правителей. Ею управляет коллективное согласие.

Не всякий ученый способен оценить любой вклад. Сетевая структура устраняет и это затруднение. Предположим, ученый М объявляет о новом результате. Он знает свой чрезвычайно специализированный предмет лучше всех на свете; кто же в таком случае может обладать компетенцией, необходимой, чтобы оценить его работу? Но рядом с ученым М работают ученые L и N. Поскольку предметы их исследований частично пересекаются с областью работы М, они достаточно хорошо понимают его работу, чтобы судить о ее качестве и достоверности, а также понять, как она соотносится с общей научной картиной. Кроме L и N есть еще и другие ученые, K и O, а также J и P, которые достаточно хорошо знают L и N, чтобы решить, можно ли доверять их суждению о работе М. И эта цепочка продолжается дальше и дальше, вплоть до ученых A и Z, которые работают в области, почти совершенно отличной от сферы интересов М.

«Эта сеть и есть вместилище научного мнения, – подчеркивал Полани, – мнения, не присущего разуму какого-то отдельного человека, но разделенного на тысячи разных фрагментов, мнения, которого придерживаются множественные индивидуумы, каждый из которых поддерживает мнение другого опосредованно, полагаясь на согласованные цепочки, которые связывают его со всеми остальными через последовательность пересекающихся сообществ»[124]. Наука, подразумевал Полани, работает как гигантский мозг, образованный связанными между собою индивидуальными разумами. Это и есть источник ее кумулятивной и, по-видимому, непреодолимой силы. Но сила эта, как тщательно подчеркивают и Полани, и Фейнман, достается ценой добровольного самоограничения. Науке удается решать трудную задачу поддержания сети политических связей между людьми разного происхождения и разных взглядов и даже еще более трудную задачу определения правил шахматной игры, в которую играют боги, благодаря жестким ограничениям области своей деятельности. «Физика, – как однажды напомнил группе своих коллег Юджин Вигнер, – даже не пытается дать нам полную информацию о событиях, которые происходят вокруг нас: она дает нам информацию о корреляциях между этими событиями»[125].

Что по-прежнему оставляет открытым вопрос о том, на какие стандарты ориентируются ученые, когда выносят оценку работе своих коллег. Хорошая наука, оригинальная работа всегда выходят за пределы общепринятых мнений, всегда содержат элемент несогласия с ортодоксальными взглядами. Как же в таком случае выразители ортодоксальных взглядов могут оценить их по достоинству?

Полани предположил, что науку защищает от окостенения существующая в ней структура учителей и учеников. Учитель прививает ученику высокие стандарты суждений. В то же время ученик обучается доверять своему собственному суждению: он узнает о возможности и необходимости несогласия. Из книг и лекций можно узнать правила; учителя обучают осознанному бунту, хотя бы на примере своей собственной оригинальной – и, следовательно, бунтовщической в этом смысле – работы.

Ученики познают три общих критерия научного суждения[126]. Первый из этих критериев – правдоподобие. Он позволяет отсеять безумцев и жуликов. Он также может приводить (и иногда приводил) к отбрасыванию идей, слишком оригинальных, чтобы ортодоксальное мышление могло осознать их, – но чтобы наука вообще могла работать, с этой опасностью приходится мириться. Второй критерий – научная ценность, составная величина, содержащая в равных долях точность, важность для всей системы науки или той ее ветви, к которой относится данная идея, и степень интереса, который порождает сущность работы. Третий критерий – оригинальность. Патентные эксперты оценивают оригинальность изобретения по тому, насколько неожиданным оно оказывается для специалиста, знакомого с соответствующей областью. Ученые оценивают новые теории и новые открытия подобным же образом. Правдоподобие и научная ценность позволяют оценить качество идеи по стандартам ортодоксальной точки зрения; оригинальность определяет степень ее отклонения от ортодоксальности.

Предложенная Полани модель открытой научной республики, в которой каждый из ученых судит о работе своих коллег по общепризнанным и поддерживаемым всеми критериям, объясняет, почему идея атома обладала столь неустойчивым статусом в физике XIX века. Она была правдоподобна; она обладала значительной научной ценностью, особенно с системной точки зрения; однако никаких неожиданных открытий, касающихся атома, еще никому не удалось совершить. По крайней мере, таких открытий, которые были бы достаточно убедительными для сети из всего лишь приблизительно тысячи мужчин и женщин всего мира, которые в 1895 году называли себя физиками[127], – а также для более многочисленной сети химиков, связанной с первой.

Время атома было на подходе. В XIX веке самые неожиданные открытия в фундаментальной науке делались в химии. В первой половине века XX источником великих неожиданностей в фундаментальной науке стала физика.

В 1895 году, когда юный Эрнест Резерфорд приехал с другого конца света в Кавендишскую лабораторию, чтобы изучать физику в надежде составить себе имя в этой области, Новая Зеландия, которую он покинул, была еще территорией малоосвоенной. Инакомыслящие британские ремесленники и крестьяне, а также некоторые искатели приключений из дворян заселили этот суровый вулканический архипелаг в 1840-х годах, потеснив приплывших из Полинезии маори, которые открыли его за пять столетий до этого. Серьезное сопротивление маори, вылившееся в несколько десятилетий кровавых стычек, закончилось лишь в 1871 году, в котором и родился Резерфорд. Он учился в недавно созданных школах, гонял коров на дойку, ездил верхом в буш охотиться на диких голубей, сидящих на покрытых ягодами ветвях деревьев миро[128], помогал на льнопрядильной фабрике своего отца в Брайтуотере, на которой дикий лен, собранный в местных болотах, замачивали, мяли и трепали, получая из него льняные нити и очески. Два младших брата Резерфорда утонули; вся семья в течение нескольких месяцев искала их на берегах Тихого океана вокруг фермы.

Его детство было трудным и здоровым. Резерфорд увенчал его стипендиями на обучение – сначала в скромном колледже имени Нельсона в близлежащем городе Нельсоне на Южном острове, затем в Университете Новой Зеландии, в котором он в возрасте двадцати двух лет получил магистерскую степень сразу по двум специализациям, математике и физике. Он был человеком крепким, энергичным и сообразительным, и все эти качества потребовались ему на пути из новозеландской сельской глуши к руководству британской наукой. Еще одно, более тонкое качество – проницательность деревенского парня в сочетании с характерной для далеких от цивилизации мест глубокой неиспорченностью – сыграло важнейшую роль в тех беспрецедентных научных открытиях, которые он совершил в течение своей жизни. Как сказал его воспитанник Джеймс Чедвик, главной отличительной чертой Резерфорда был «его талант удивляться»[129]. Он сохранил это качество, несмотря на все свои успехи и несмотря на тщательно замаскированную, но иногда чрезвычайно болезненную неуверенность в себе[130], грубый шрам, оставленный его колониальным происхождением.

Первую возможность для проявления своих талантов Резерфорд нашел в Университете Новой Зеландии, в котором он получил в 1893 году степень бакалавра. «Электрические волны», открытые в 1887 году Генрихом Герцем, – сейчас мы называем их радиоволнами – произвели на Резерфорда, как и на других молодых людей по всему миру, сильнейшее впечатление. Для изучения этих волн он собрал в промозглом подвальном чулане так называемый вибратор Герца – электрически заряженные металлические шары, установленные с зазором, благодаря которому между металлическими пластинами проскакивают искры. Он искал задачу, которая могла бы стать темой его первого независимого исследования.

Такую задачу он нашел в общепринятом среди ученых – в число которых входил и сам Герц – мнении, что переменный ток высокой частоты, то есть такой, какой возникает в вибраторе Герца, когда между металлическими пластинами в обоих направлениях быстро пролетает искровое излучение, не вызывает намагничивания железа. Резерфорд предположил, что это не так, и нашел изобретательное доказательство своей правоты. За эту работу он получил стипендию Всемирной выставки 1851 года[131] на работу в Кембридже. Когда пришла телеграмма, Резерфорд копал картошку в домашнем огороде. Его мать прокричала новость с другого конца борозды; он рассмеялся, отбросил лопату и воскликнул, отмечая момент, торжественный и для сына, и для матери: «Я выкопал свою последнюю картофелину!»[132] Тридцать шесть лет спустя, когда ему был пожалован титул барона Резерфорда Нельсонского, его мать, в свою очередь, получила следующую телеграмму: «Теперь [я] лорд Резерфорд, и твоей заслуги в этом больше, чем моей»[133].

Работа под названием «Намагничивание железа высокочастотными разрядами»[134] сочетала в себе мастерские наблюдения и отважное инакомыслие. Проявив глубокую оригинальность, Резерфорд заметил слабую обратную реакцию, возникающую при намагничивании железных иголок током высокой частоты: при пропускании высокочастотного тока происходит частичное размагничивание иголок, уже намагниченных до насыщения. Здесь и сработал его талант удивляться. Он быстро понял, что радиоволны, принимаемые соответствующей антенной и подаваемые в проволочную обмотку, можно использовать для создания в пучке намагниченных иголок высокочастотного тока. Это вызовет частичное размагничивание иголок, и, если поместить рядом с ними компас, это изменение можно будет заметить по отклонению его стрелки.

К сентябрю 1895 года, когда Резерфорд добрался на одолженные деньги до Кембриджа, где он должен был начать работать под руководством прославленного директора Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсона, он разработал на основе своих наблюдений устройство для улавливания радиоволн на расстоянии – по сути дела, первый, еще весьма несовершенный, радиоприемник. В это время Гульельмо Маркони еще доводил свою модель радиоприемника до совершенства в итальянском имении отца; в течение нескольких месяцев молодой новозеландец удерживал мировой рекорд по дальности приема радиопередач[135].

Опыты Резерфорда привели в восторг заслуженных британских ученых, узнавших о них от Томсона. Они быстро приняли Резерфорда в свою среду: однажды вечером его даже усадили на почетное место рядом с ректором за профессорским столом Кингс-колледжа. По его словам, он чувствовал себя там «как осел в львиной шкуре»[136], а некоторые снобы из числа сотрудников Кавендишской лаборатории просто позеленели от зависти. Благодаря великодушной помощи Томсона 18 июня 1896 года Резерфорд, нервничая, но внутренне ликуя, представил свою третью научную статью под названием «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения»[137] на заседании лондонского Королевского общества, ведущей научной организации мира. Маркони догнал его лишь в сентябре[138].

Резерфорд был беден. Он был обручен с Мэри Ньютон, дочерью хозяйки квартиры, которую он снимал, когда учился в Университете Новой Зеландии, но свадьбу отложили до улучшения его материального положения. В то время, когда он трудился, чтобы добиться такого улучшения, он писал своей невесте: «Я занимаюсь темой [приема радиоволн] так интенсивно из-за ее практической важности… Если опыты, которые я буду проводить на следующей неделе, пройдут так, как я ожидаю, я вижу в будущем возможность быстрого заработка»[139].

Тут есть одна загадка, и загадка эта тянется вплоть до самой речи о «лунных миражах». Впоследствии Резерфорд был известен своим строгим отношением к бюджету исследовательской работы, нежеланием принимать финансирование от промышленных компаний или частных спонсоров, нежеланием даже запрашивать финансирование и убежденностью в том, что все можно сделать «при помощи сургуча и бечевки». Он терпеть не мог коммерциализации научных исследований и, например, когда его русскому ученику Петру Капице предложили работу консультанта в промышленной компании, сказал ему: «Нельзя одновременно служить Богу и Мамоне»[140]. Загадка эта касается того, что Ч. П. Сноу, знавший Резерфорда, назвал «единственным любопытным исключением» из «непогрешимости» его интуиции, добавив при этом, что «еще не было ученого, который допустил бы так мало ошибок»[141][142]. Это исключение – нежелание Резерфорда допустить возможность извлечения из атома полезной энергии, то самое нежелание, которое так раздражало в 1933 году Лео Сциларда. «Мне кажется, он боялся, что его любимую область ядерных исследований вот-вот захватят неверные, которые хотят разгромить ее ради коммерческой эксплуатации»[143], – рассуждает другой воспитанник Резерфорда, Марк Олифант. Однако в январе 1896 года сам Резерфорд активно стремился к коммерческой эксплуатации радио. Чем же была вызвана столь резкая перемена, определившая всю его дальнейшую жизнь?