М. Рузе - Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

После того как Оппенгеймер заканчивал годовой курс лекций в Калифорнийском университете, он обычно продолжал занятия в Технологическом институте в Пасадене, неподалеку от Лос-Анжелоса, и многие студенты следовали за ним из Сан-Франциско, не желая расставаться на шесть месяцев с преподавателем, который излагал новейшую физику, как увлекательную историю приключений человеческого разума. Вдобавок ко всему, молодой преподаватель обладал привлекательной внешностью: синие глаза под густыми бровями украшали его несколько неправильное лицо, «Несмотря на молодость «Оппи» (как его называли), подрастающее поколение американских физиков, – рассказывает Юнг, – уже смотрело на него, как на образец для себя, точно так же, как всего лишь несколько лет назад он сам смотрел на великих ученых-атомников в Европе. Благоговение, которое испытывали студенты к своему кумиру, было столь велико, что сознательно или несознательно они подражали многим его личным странностям. Держали, например, головы слегка набок, как это делал он, слегка покашливали и делали многозначительные паузы между фразами, складывая во время разговора руки перед губами, употребляли туманные сравнения, которые иногда звучали весьма значительно. Оппенгеймер, заядлый курильщик, имел привычку вскакивать и щелкать зажигалкой, когда кто-нибудь вынимал сигарету или трубку. В университетских кафетериях Беркли и Пасадены его студентов можно было узнать, издалека по их привычке время от времени дергаться, подобно марионеткам, с огоньками зажигалок в руках».

Между тем американские и иностранные журналы продолжали из месяца в месяц публиковать статьи Оппенгеймера, представлявшие большой интерес. И то, что имя Оппенгеймера не стоит рядом с именами великих открывателей новых путей в физике, нисколько не умаляет роли Оппенгеймера, как пионера новой области познания, неистощимого в своей научной активности. В то время теория и эксперимент особенно плодотворно дополняли друг друга. Уравнения волновой механики дали возможность углубиться в сущность взаимодействий энергии и вещества, поведения электронов и составных частей ядра. Ускорители частиц предоставили в распоряжение экспериментаторов снаряды, несравненно более мощные, чем альфа-частицы, возникающие в процессе естественной радиоактивности, которыми пользовался Резерфорд. Средства наблюдения и обнаружения также стали более совершенными.

Частицы, несущие электрический заряд, проходя через влажные пары в камерах Вильсона, оставляют после себя мельчайшие капельки тумана, которые обозначают их траекторию и дают возможность наблюдать столкновения между частицами, а также происходящие при этом изменения. Несмотря на то что камеры Вильсона тогда еще были довольно несовершенными, они все же позволяли наблюдать и регистрировать малейшие «события» во внутриатомной вселенной, а также пучки удивительных космических лучей, которыми много занимался Оппенгеймер. Отсчет быстрых частиц, пересекающих небольшой объем, производился очень чувствительными усилителями. Таким образом накапливались данные о потерях энергии каждой частицы, а следовательно, и о ее физической природе.

В то время физики, вооружившись представлением о структуре атома, состоящего из ядра, которое окружено электронами, подчиняющимися законам квантовой механики, начали атаку на само ядро. 1931 год отмечен важным открытием. Во время бомбардировки бериллия альфа-частицами было обнаружено новое весьма мощное излучение. Фредерик Жолио и Ирэн Жолио-Кюри [4] См. книгу этой же серии: Пьер Бикар. Фредерик Жолио-Кюри и атомная энергия. М., Госатомиздат, 1962, пропустили это излучение через парафин и заметили, что на пути неизвестных лучей возникают протоны, т.е. положительно заряженные частицы, входящие в состав атомного ядра. Новое излучение оказалось таким мощным, что оно не только выбивало электроны из атома (как это делают фотоны высоких энергий, гамма-лучи или рентгеновские лучи), но и разрушало само ядро. Это открытие наделало много шуму, но из-за недостаточности данных французские ученые неправильно истолковали природу излучения, испускаемого бериллием. Они ошибочно утверждали, что неизвестные лучи представляют собой электромагнитное излучение, т.е. фотоны, подобные гамма-лучам.

Британский ученый Чедвик, поддерживаемый Резерфордом, в лаборатории Кавендиша, оснащенной более совершенным оборудованием, чем в «героические годы», провел эксперимент, раскрывший истинную природу излучения бериллия: это оказался поток частиц, обладавших массой протона, но не имевших никакого электрического заряда.

Открытие нейтрона – так назвали новую элементарную частицу – завершило «модель» атома Резерфорда-Бора: Гейзенберг выдвинул гипотезу [5] Впервые эта гипотеза была высказана советским ученым Д.Д. Иваненко. – Прим. ред. о том, что ядро состоит из протонов – носителей положительного заряда и нейтронов, лишенных электрического, заряда. Это дало возможность объяснить существование изотопов – разновидностей одного и того же вещества с разным атомным весом; ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, а следовательно, и положительных зарядов (атомное число, характеризующее их химическое сродство), но различное число нейтронов.

При изучении атомного ядра обнаружились новые затруднения. Сила, которая связывает электроны с ядром, известна – это кулоновское притяжение между разноименными электрическими зарядами. Но сила, которая соединяет протоны и нейтроны в ядро, не является ни тяготением, ни электрическим взаимодействием. Сила эта действует только на очень коротких расстояниях, но достигает громадной величины: вырвать протон или нейтрон из ядра можно только в результате бомбардировки ядра снарядами с высокими энергиями. Природа ядерных сил остается в центре дискуссий теоретической физики и на сегодняшний день.

Из работ, опубликованных Оппенгеймером в тот период, следует отметить исследование ядерного превращения лития при соударении с протоном. Ядро лития, которое содержит три протона и четыре нейтрона, поглощает падающий на него протон и изменяет свою природу: оно становится ядром бериллия – элемента с четырьмя протонами. Одновременно ядро отдает энергию в виде электромагнитного излучения – гамма-лучей с высокой энергией.

В годы, предшествовавшие второй мировой войне, было открыто множество ядерных реакций. Одни элементы превращались в другие под действием альфа-частиц, (ядра гелия), дейтронов (ядра тяжелого водорода: один протон и один нейтрон), протонов и нейтронов. Одновременно происходило излучение энергии либо в виде гамма-лучей (фотоны), либо в виде потоков различных частиц. Волновая механика продолжала оставаться инструментом теоретического анализа, с помощью которого удавалось объяснять, а иной раз и предсказывать физический механизм этих реакций и природу испускаемого излучения. Исходя из позиций волновой механики, удалось предсказать существование неизвестной еще тогда частицы – мезона, масса которого имеет промежуточное значение между массами протона и электрона. Мезон в поле ядерных сил играет роль, аналогичную роли фотона в электромагнитном поле.