Дэвид Боданис - E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира

Атомную бомбу ожидала скорая погрузка на борт самолета.

Посвистывавшей и вращавшейся бомбе («вытянутому в длину мусорному баку с плавниками») потребовалось сорок три секунды, чтобы долететь от сбросившего ее Б-29 до точки взрыва. В середине бомбы имелись маленькие отверстия, из которых в момент сбрасывания выдернулись проволочки, — это запустило часовой механизм первой системы наведения. Ближе к хвосту бомбы в ее темной стальной оболочке находились другие, просверленные в Нью-Мексико отверстия, в которые во время свободного падения засасывался воздух. Когда до земли осталось чуть больше 2100 м, связанное с этими отверстиями барометрическое реле включило вторую систему наведения.

С земли Б-29 выглядел как маленькая серебристая фигурка, бомба же, имевшая три метра в длину и семьдесят сантиметров в ширину, была слишком мала, чтобы ее вообще можно было разглядеть. Она посылала вниз, в находившийся прямо под ней госпиталь «Шина», слабые радиосигналы. Малая их часть поглощалась стенами госпиталя, но бóльшая, отражаясь уходила обратно в небо. Рядом с крутящимися плавниками бомбы торчали из ее корпуса тонкие хлыстики радиоантенн. Они принимали возвращавшиеся сигналы, а фиксирующая их аппаратура использовала разницу во времени между посылкой и приемом сигналов для определения высоты бомбы над землей.

Последний из таких сигналов был принят на высоте в 580 м.

Согласно расчетам Джона фон Неймана и других математиков, если бы взрыв произошел намного выше, значительная часть созданной им тепловой энергии рассеялась бы в воздухе; при взрыве на меньшей высоте, бомба образовала бы в земле огромную воронку. Высота же, немногим меньшая 600 м, была идеальной.

Электрический разряд воспламенил бездымный порох, создав тем самым подобие обычного выстрела из пушки. Теперь малая часть полного количества очищенного урана полетела по размещенному внутри бомбы орудийному стволу. При первоначальном проектировании предполагалось использовать ствол очень тяжелый — обычный ствол из числа тех, какими пользовалась морская артиллерия США. Лишь спустя несколько месяцев Оппенгеймер и его сотрудники сообразили, что корабельные орудия делаются тяжелыми потому, что они должны многократно выдерживать отдачу, которая возникает после каждого выстрела. Для бомбы такая прочность была, разумеется, не нужной: ее «пушке» предстояло произвести только один выстрел. В итоге ствол расточили, после чего он стал весить уже не 2270 кг, а примерно в пять раз меньше.

Первый урановый сегмент пролетал по расточенному пушечному стволу расстояние в 1,2 метра, а затем ударял в основную массу урана. Никогда еще на Земле не создавалось такого состоящего из очищенного урана шара весом в несколько десятков килограммов. Внутри него находилось множество пребывавших в свободном состоянии нейтронов и, хотя атомы урана хорошо защищены своими электронными оболочками, на свободные нейтроны, электрического заряда не имеющие, электроны никакого воздействия оказать не могли. Как мы уже видели, нейтроны пронизывают внешний электронный барьер подобно космическим зондам, пролетающим, устремляясь к Солнцу, мимо планет, и хотя многие из нейтронов вылетали с другой стороны атомов, некоторые все же врезались в крошечные центральные ядра.

Обычно эти ядра, переполненные положительно заряженными протонами, не пропускают в себя налетающие извне частицы. Однако лишенные электрического заряда нейтроны остаются невидимками и для протонов. Нейтроны врывались в ядра, нарушая их внутреннее равновесие, расшатывая их.

Атомы добываемого на Земле урана имеют возраст, превышающий 4,5 миллиарда лет. Только очень мощная сила, действовавшая в то время, когда возникала наша планета, могла втиснуть заряженные протоны в столь малый объем. После образования атомов урана начало работать сильное ядерное взаимодействие, которое, словно склеивая протоны, удерживало их вместе столь долгое время: пока остывала Земля и формировались ее континенты; пока Америка отделялась от Европы и медленно заполнялся водой северный Атлантический океан; пока на другой стороне земного шара извергались вулканы, создавая то, что затем стало Японией. И теперь единственный дополнительный нейтрон уничтожал это устойчивое равновесие.

Как только дрожание ядер достигает уровня, на котором превозмогается поддерживающее их целостность сильное взаимодействие, в дело вступает обычное электрическое взаимодействие, заставляющее протоны разлетаться. Обычное ядро весит совсем немного, а его фрагменты и того меньше. Ударяя на большой скорости в другие атомы урана, они возбуждают их ядра не так уж и сильно. Однако здесь плотность урана достаточно высока для того, чтобы началась цепная реакция, и вскоре вместо двух разлетающихся фрагментов уранового ядра появляется четыре, затем восемь, затем шестнадцать и так далее. Масса атомов «исчезает», обращаясь в энергию их разлетающихся с огромной скоростью осколков. Начинает работать формула E=mc 2.

Вся эта последовательность множащихся ядерных распадов завершается всего за несколько миллионных долей секунды. Бомба еще падала во влажном утреннем воздухе, внешнюю поверхность ее еще покрывала тонкая пленка сконденсировавшейся влаги, поскольку лишь сорок три секунды назад бомба находилась на высоте в 9,5 км, теперь же, в 580 метрах над госпиталем, температура воздуха составляла около 27 оС. За время протекания большей части реакции бомба успела пролететь вниз лишь долю сантиметра; глядя на нее, можно было увидеть лишь, как странно вздувается ее стальная поверхность, указывая на то, что происходит внутри.

Прежде чем завершиться, цепная реакция проходит через восемьдесят «поколений» удвоения. В последних таких «поколениях» фрагменты разорванных ядер урана оказываются столь многочисленными и движутся так быстро, что они начинают разогревать, ударяя в него, окружающий их металл. Самыми важными становятся последние несколько удвоений. Представьте, что в вашем саду имеется пруд, в котором плавают кувшинки, и что число их каждый день удваивается. Через восемьдесят дней они полностью покроют поверхность пруда. Но в какой день половина ее будет все еще свободной, открытой для солнца и воздуха? В семьдесят девятый.

Начиная с этого момента, действие формулы E=mc 2прекращается. Никакая масса больше не «исчезает» и никакая энергия не рождается. Энергия движения ядер просто преобразуется в тепловую энергию, как это происходит, когда вы потираете ладонью о ладонь, чтобы согреть их. Однако фрагменты ядер урана «трутся» об окружающий их металл с огромной скоростью, которую обеспечивает коэффициент c 2. Очень скоро они обретают скорость, лишь в несколько раз меньшую скорости света.