Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

Взрывы атомной, а тем более водородной бомбы подобны взрыву звезды, при котором происходит интенсивное излучение. Если оно сразу же вырвется наружу, то звезда сгорит очень быстро, а если процесс излучения заторможен, звезда взорвется преждевременно. Таким же образом, при разработке водородной бомбы важно было задержать излучение, чтобы инициировать почти все ядерное топливо, а затем позволить излучению выйти как можно быстрее. Вот почему изучение условий создания стабильного потока излучения и сопротивления среды, через которую оно проходит, очень важно и для разработки бомб, и для исследования звезд. Гидродинамическая и гидромагнитная устойчивость — необходимое условие для создания бомб, важнейшее при исследовании возникновения ударных волн и их использования для сжатия вещества. Познания Чандры в этой области оказались крайне полезными.

Еще в 1934 году, в Риме, Ферми задумывался о возможности получения радиоактивных элементов при бомбардировке нерадиоактивных элементов нейтронами. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, поэтому положительно заряженные частицы с трудом проникают в ядра. До открытия нейтрона для обстрела ядер использовались альфа-частицы (ядра атомов гелия), состоящие из двух протонов и двух нейтронов и имеющие положительный заряд. Однако ядра тяжелых элементов содержат множество протонов и имеют огромный положительный заряд, так что альфа-частицы должны иметь очень большую энергию, чтобы проникнуть в ядро. Зато нейтроны не имеют электрического заряда, а потому они — идеальные «снаряды» для бомбардировки атомов и проникновения непосредственно в их ядра.

И тогда — это был вполне логический шаг — Ферми решил понять, что случится с радиоактивным элементом ураном, если подвергнуть его нейтронной бомбардировке. Как же он был изумлен, когда оказалось, что в результате экспериментов он получил элементы тяжелее урана, самого тяжелого из всех, существующих на Земле! Новые элементы были высокорадиоактивны и распадались на стабильные, более легкие элементы в течение времени от нескольких минут до нескольких миллионов лет, и именно поэтому на Земле они не встречались [59] Через определенное время ядра радиоактивных элементов превращаются в ядра других элементов, испуская элементарные частицы и электромагнитное излучение. Время, в течение которого распадется половина радиоактивных ядер, называется периодом их полураспада. Период полураспада любого ядра — его внутреннее свойство, оно не зависит ни от его плотности, ни от температуры. Период полураспада урана составляет четыре миллиарда лет, что приблизительно равно возрасту Земли, поэтому к настоящему времени распалась только половина исходного количества урана. . В 1938 году Ферми получил Нобелевскую премию за создание радиоактивных элементов с помощью нейтронов и обнаружение элементов тяжелее урана. Ферми был выдающимся и экспериментатором, и теоретиком, что невероятно редко для современной науки.

Эксперименты Ферми привели к потрясающему открытию. Это случилось, когда мир уже стоял на пороге войны. Изучая результаты, полученные великим итальянским ученым, некоторые немецкие физики поняли, что он не просто создал новый элемент, а сумел расщепить ядро атома урана [60] Ферми предположил, что открыл элемент с периодом полураспада 13 минут, который содержал на один протон больше, чем уран. Он решил, что этот элемент имеет номер 93, он — следующий за ураном с номером 92 в периодической таблице. На самом деле Ферми наблюдал распад ядра урана на два больших радиоактивных фрагмента: барий и криптон. . Как только нейтрон влетает в ядро урана, состоящее из 146 нейтронов и 92 протонов, оно тут же начинает, пытаясь выгнать «нарушителя спокойствия», вибрировать, дрожать, как капля воды. Сначала оно вытягивается и принимает форму гантели, а затем распадается на две части, как амеба при делении. Это и есть процесс деления ядер, и происходит он в ничтожную долю секунды. При распаде ядра урана возникает два элемента — барий и криптон. Общая масса новых частиц, однако, немного меньше, чем у нейтрона плюс атом урана. Этот «дефект массы» превращается в энергию, как и предсказано в уравнении Эйнштейна E = mc 2. Незначительное количество недостающей массы умножается на огромное число — квадрат скорости света (300000×300000), что приводит к выделению колоссального количества энергии. Два новых элемента, барий и криптон, получаются радиоактивными. В результате деления урана появляется не менее двух нейтронов, которые затем могут столкнуться с другими ядрами урана, что ведет к неконтролируемой цепной реакции и взрыву. Но чтобы это произошло, необходима критическая масса урана — примерно 10 килограммов, если же его будет меньше, взрыва не получится.

Узнав о расщеплении атома, великий датский физик Нильс Бор сразу понял, какие ужасающие последствия может вызвать огромное количество энергии, выделяемое при взрыве. Вероятно, он вспомнил изобретателя динамита Альфреда Нобеля, который надеялся, что динамит будет использоваться исключительно в мирных целях, но… Как и в случае с динамитом, думал Бор, кто-нибудь наверняка придумает, и очень скоро, как применить расщепление ядра для создания нового, смертельного оружия.

В сентябре 1941 года Теллер, сидя в кабинете Ферми в нью-йоркском Колумбийском университете, горячо обсуждал с итальянским ученым возможность создания атомной бомбы. Теллер считал, что атомная бомба будет иметь ограниченную мощность, так как критическая масса создает верхний предел для количества ядерного топлива. Чем мощнее устройство, тем быстрее оно взорвется. Максимальная взрывная мощность атомной бомбы — около 1 мегатонны в тротиловом эквиваленте, а ведь даже чайная ложка тротила способна вызвать огромные разрушения. Ферми предположил, что атомную бомбу можно использовать для создания температуры, необходимой для начала процесса слияния атомов водорода — термоядерной реакции, что позволит сделать водородную (термоядерную) бомбу. Такая бомба — модель эволюции звезд, потому что именно слияние атомов водорода является источником их энергии. В отличие от атомной, для термоядерной бомбы не существует критической массы и, следовательно, нет верхнего предела мощности. Как огонь в камине, она горит тем ярче, чем больше топлива. И взрывная ее сила ничем не ограничена.

Сначала Теллер в это не поверил. Но год спустя, когда разработка атомной бомбы была уже в полном разгаре, он вспомнил об идее Ферми. Первоначальные расчеты показали, что атомная бомба может создавать температуру до 10 миллионов градусов, а из данных о физике звезд Теллер знал, что этого достаточно для реакции термоядерного синтеза. По сравнению с атомной бомбой топливо для термоядерной бомбы стоило гроши. Стоимость дейтерия, извлеченного из воды, — несколько пенсов за грамм, в то время как изотоп урана, необходимый для деления ядер, чрезвычайно дорог [61] Природный уран содержит 99,3 % урана-238 и 0,7 % урана-235. В 1939 году Бор обнаружил, что уран-235 расщепляется легче, чем уран-238, так как для его расщепления требуются более медленные нейтроны. . Термоядерную бомбу немедленно назвали «супербомбой». «Это страшная вещь», — такова была первая реакция Бете. Для Теллера супербомба стала навязчивой идеей. «Что-то изменилось в нем после того, как он присоединился к Лос-Аламосскому проекту», — вспоминал его старый друг Гамов.