Переход массы в энергию
Выйдя утром из номера, Фриш застал тетю уже за завтраком. В Кунгэльве он провел пока только одну ночь. Тем временем наступил канун Рождества 1938 года. Наконец представился подходящий случай приглушить мрачные мысли о событиях в Германии и переживания за судьбу отца. Ему хотелось хоть немного поговорить о физике, рассказать тете о новом эксперименте, над которым он работал. Но, как оказалось, ей было совсем не до племянника. Она жадно вчитывалась в новое письмо от Гана, датированное 19 сентября. В письме были последние новости о результатах его работы, и иначе, чем ошеломляющими, назвать их было нельзя.
Ган и Штрассман провели повторные эксперименты и пришли к выводу, что полученный ими элемент был вовсе не радием. На самом деле им удалось создать атомы бария! Самый распространенный изотоп бария имеет всего 56 протонов и 82 нейтрона, что в сумме дает 138. Эти цифры как раз и являли собой самый удивительный факт. Использован был, как обычно, тот же самый уран, но полученный элемент стоял ни на одну-две или даже четыре позиции ниже в периодической таблице, как было после первых экспериментов, а на целых 36! В результате бомбардировки нейтронами ядро урана разделилось практически надвое.
«Это абсолютно невозможно, — авторитетно заявил Фриш. — Они наверняка допустили ошибку в расчетах». Но Мейтнер была непоколебима. Она утверждала, что Ган не может допустить столь фундаментальной ошибки. У него достаточно опыта, чтобы исключить из работы подобные оплошности.
За несколько дней до этого Лиза оправила Гану ответ на его первое письмо, в котором назвала полученные им результаты «просто потрясающими», но дальше написала: «Однако в ядерной физике мы уже не раз получали разного характера сюрпризы, поэтому ни о чем нельзя говорить с уверенностью, будто бы это невозможно».
Оживленный спор, вспыхнувший между Фришем и Мейтнер, продолжился и после завтрака. Они вышли из гостиницы и направились через пойму реки в сторону редкого леса. Фриш шел по льду на лыжах, тетя семенила рядом. Спор не утихал ни на секунду. Как мог какой-то нейтрон вызвать в ядре урана столь значительные изменения? Но ведь в сущности никто и не знал, как должно это ядро реагировать на подобное воздействие. В такой ситуации оставалось только строить предположения-аналогии с более известными физическими явлениями и надеяться хоть в чем-то оказаться правым.
Одно из подобных предположений по аналогии было сделано десять лет назад физиком украинского происхождения Георгием Гамовым и впоследствии использовано Бором при описании ядерных реакций. Мейтнер вспомнила эту теорию. В ней говорилось, что силы, удерживающие вместе составные части ядра атома, по своей сути схожи с силой поверхностного натяжения, удерживающей каплю жидкости от разделения на отдельные молекулы. Модель ядра строилась на подобной аналогии, при этом говорилось, что своей устойчивостью оно, с одной стороны, обязано силе поверхностного натяжения, удерживающей элементы ядра вместе, а с другой — отталкивающей силе, с которой положительно заряженные протоны действуют друг на друга, оказывая давление на ядро изнутри.
Величина каждой из этих сил возрастает вместе с увеличением ядра, однако отталкивающая сила растет быстрее и в итоге, когда число протонов достигает примерно ста, преодолевает силу поверхностного натяжения[5]. Возможно, как раз в ядре урана, насчитывающем 92 протона, баланс двух сил очень хрупок. Не исключено, что для распада ядра достаточно добавить в него всего один нейтрон и тогда ядро вытянется и разделится где-то посередине, образовав две маленькие «капли».
Тетя с племянником присели на бревно, судорожно обыскивая карманы в поисках любых клочков бумаги, на которых можно было бы нарисовать примерную схему и набросать приблизительные вычисления. Достаточно быстро они пришли к выводу о том, что суммарный положительный заряд ядра урана вполне достаточен для того, чтобы нейтрализовать силу поверхностного натяжения. В уме сама собой нарисовалась картина «нестабильной капли, вся поверхность которой находится в постоянном движении. Самое незначительное вмешательство, как, например, удар одного-единственного нейтрона, может привести к ее разделению на несколько более мелких капель».
Но при распаде ядра каждая из его составных частей должна нести в себе значительный запас энергии. По подсчетам Мейтнер, ее объем в каждой из частиц мог доходить до 200 миллионов электрон-вольт[6]. Фрагменты ядра должны разлететься под действием отталкивающей силы своих положительных зарядов. Энергия при этом сохраняется, что подтверждает неоспоримый закон, один из фундаментальных в физике, и он не может быть нарушен. Все логические построения не имели бы смысла, не будь непоколебимой уверенности в сохранении заряженными частицами этой энергии.
Но откуда могла взяться энергия? Мейтнер вспомнила свою первую встречу с Альбертом Эйнштейном в 1909 году. Она была на его лекции по теории вероятности и внимательно следила за тем, как он выводит свою знаменитую формулу Е=тс2. Глубочайшее впечатление на нее произвела сама идея того, что масса может превращаться в энергию. Лиза помнила также и о том, что общая масса фрагментов, полученных при расщеплении ядра урана, не должна равняться массе неразделенного ядра. Разница должна составлять около одной пятой массы протона, то есть массы, теряемой при ядерной реакции.
Все цифры совпали. Расчеты оказались верны. Под воздействием нейтрона ядро урана делится пополам, превращая при этом крайне незначительную массу в энергию[7].
Фриш вернулся в Копенгаген 3 января 1939 года. Прибыв в институт, он сразу помчался докладывать Бору об открытии, сделанном им вместе с Мейтнер. Услышав их теорию, Бор мгновенно понял, что в сущности она абсолютно верна. Он воскликнул: «Ну какие же мы все идиоты! Идея ведь просто поразительная! Именно так ведь все в сущности и есть». Бор потребовал, чтобы Фриш немедленно опубликовал свое с тетей открытие. И обещал держать все в секрете до тех пор, пока за ними не будет установлено право первооткрывателей.
Новый для физики процесс необходимо было назвать. Фриш узрел параллели между изменением формы ядра урана, «нестабильной капли, вся поверхность которой находится в постоянном движении», и делением живой клетки. По совету биолога Фриш позаимствовал биологический термин деление, и в статье, которую они с Мейтнер составляли в спешном порядке, данным термином он и описал деление ядра урана. Бор высказывал серьезные сомнения относительно целесообразности использования этого слова, однако его опасения оказались напрасны и оно прижилось.
В тот момент Бора главным образом занимала подготовка к поездке в США. Там, в Принстонском университете он намеревался продолжить с Эйнштейном спор по поводу интерпретации квантовой теории, начавшийся еще в 1927 году. Это были одни из самых серьезных дебатов в двадцатом веке, а возможно, и за все время существования науки как таковой. Спор шел вокруг роли изменчивости и относительности в поведении элементарных субатомных частиц, по отношению к которым Эйнштейн упрямо отказывался применять свое утверждение: «Бог не играет в кости». На кон была поставлена способность человеческого разума постичь саму природу физической реальности.
В поездке Бора сопровождали его сын Эрик и молодой протеже Леон Розенфельд, которого Бор нередко использовал в качестве «живого звукоотражателя», наблюдая за тем, как Розенфельд реагирует на его идеи, — так Бору было проще понять, что же в них не так. 7 января они отплыли в Гетеборг, где пересели на теплоход «Дроттнингхольм», направлявшийся в Нью-Йорк. Темой для обсуждения в каюте Бора, в которой для него была приготовлена даже доска, неожиданно стала не квантовая теория, как изначально планировалось, а деление ядра.
В то время как Бор пересекал Атлантику, Фриш неустанно трудился в Копенгагене. Деление ядра урана было открыто благодаря кропотливой работе по установлению природы образовавшихся после него химических веществ. Ученые прекрасно знали, какие вещества были в их распоряжении изначально и какие вещества были получены в конечном итоге. Причиной всех трансформаций становился исключительно процесс деления. Эмоции ученых были примерно такими же, какие испытывает читатель, внимательно изучивший первые страницы шекспировского «Гамлета» и потом перепрыгнувший в самый конец, когда сцена уже завалена трупами. И что за действия происходили между известными началом и развязкой, остается только догадываться.
Чешский коллега Фриша Георг Плачек был настроен весьма скептически. Если следовать теории Фриша и Мейтнер, то, получается, реакция деления ядра должна сопровождаться выбросом энергии, и этот выброс, конечно, поддается физическому обнаружению. Фриш об этом раньше даже и не думал. Несколько дней он не выходил из лаборатории, пока не разработал и не провел довольно простой эксперимент, подтвердивший наличие того, что он искал. Выделение энергии при реакции действительно происходило, и его можно было обнаружить.
