Книга История атомной бомбы - Хуберт Мания

В 1911 году, по инициативе теолога Адольфа фон Гарнака, отца трех певучих дочерей из «Хриплого фазана», учреждается Общество кайзера Вильгельма — для содействия фундаментальным научным исследованиям. В октябре 1912 года открывают первое научное учреждение этого общества: Химический институт кайзера Вильгельма в берлинском Далеме с Эмилем Фишером во главе. Отто Ган должен руководить там отделом радиоактивности. Лиза Мейтнер приглашена и далее работать с Ганом в новом здании института. В это переломное для науки время в столице Германии распространяются и первые сообщения одной из новых многообещающих теорий, которую, по слухам, создал Фредерик Содди. Она неожиданно убедительно объясняет некоторые непонятные свойства радиоактивных веществ. К 1911 году найдено более двадцати новых радиоактивных элементов, в таком множестве они уже не помещаются в периодической системе, которая оказалась им тесновата, как слишком узкий корсет.

Новая идея проясняет некоторые прежние расхождения. Содди исходит из того, что все радиоактивные элементы — такие, как уран, радий и торий, — имеют разные сорта атомов, которые впоследствии будут названы «изотопами». Они хоть и обладают одинаковыми химическими свойствами, но совершенно различаются по физической структуре. Если следовать теории Содди, то Отто Ган в 1905 году у Рамсея в Лондоне открыл не новый элемент радиотор, а лишь доселе неизвестный дополнительный изотоп тория. И другое открытие Гана — мезотор — тогда тоже не новый элемент, а всего лишь другой изотоп радия. Для всех изотопов радия характерно следующее: у них разные физические свойства — индивидуальный вид распада, собственный период полураспада и атомный вес. Тогда как в отношении химических свойств они не отличаются от элементарного радия. Отто Ган сожалеет, что сам не опубликовал аналогичную догадку, добытую в многолетних кропотливых трудах. «А ведь Содди наверняка сделал не так много негативных опытов отделения, как я, — ропщет Ган на самого себя, но все же справляется с завистью: — ...но у него было больше мужества». Резерфордовская модель атома и соддиевская теория изотопов еще не завершены, но оба исследователя — в который раз — на верном пути к лучшему пониманию атома.

На торжественное открытие Химического института кайзера Вильгельма двадцать третьего октября 1912 года кайзер вознамерился прибыть собственной персоной. Надо бы устроить для него нечто особенное, и Гану выпадает сомнительная честь сыграть роль чужеземца и продемонстрировать его величеству эффект свечения мезотора. Накануне открытия прибыл, бряцая волочащейся саблей, императорский флигель-адъютант, чтобы проинспектировать здание и местность. Офицеру необходимо точно знать торжественную программу в ее последовательности. Ган предполагает показать 300 миллиграммов мезотора — поистине царское количество — в красивой коробочке на бархатной подушечке. От свинцового экрана наплевательски решили отказаться из эстетических соображений. Чтобы подобающе инсценировать эффект самосвечения препарата, комната, естественно, должна быть хорошо затемнена. Что флигель-адъютант, однако, решительно отверг: «Исключено, мы не можем направить его величество в совершенно темную комнату».

Призванный для содействия шеф института Эмиль Фишер выторговал компромисс. Путь императору в темноте будет указывать маленькая красная лампочка. Однако в день торжественного открытия выясняется, что Вильгельм II темноты не боится. Он отказывается от красной лампочки. Ган демонстрирует ему эффект свечения, а выделяющийся из препарата радиоактивный газ полыхает по сернистоцинковому экрану изумрудными волнами.

В то время как Мария и Пьер Кюри в Париже в месяцы до и после смены века изучают радий в богемской смоляной обманке, немецкий физик Макс Планк в Берлине занят излучением так называемого абсолютно черного тела. В качестве экспериментального приближения к этому представлению можно, пожалуй что, представить полость разогретой самодувной печи в лаборатории Мартина Генриха Клапрота. По законам классической физики невозможно увидеть излучаемый печью световой спектр — от светло-желтого через красный и голубовато-белый до вошедшего в поговорку цвета белого каления. Более того, при постоянно нарастающем жаре в раскаленных стенках печи должно преобладать коротковолновое излучение, так что вскоре отдаваться будет только свет ультрафиолетовой области. К тому же в неограниченном количестве. Если уютно примоститься у такой коротковолновой печки, то будешь ощущать тепло, но свет огня видеть не сможешь, потому что доминирующий ультрафиолетовый свет невидим. К счастью, такой печи не бывает, ибо в физической реальности нет бесконечной энергетической ценности. Однако основанная на ньютоновской механике теория теплового излучения требует в конечном счете именно бесконечной энергетической ценности. На этом основании классическая теория не может быть верной.

Макс Планк, профессор теоретической физики Берлинского университета, работал над решением этой проблемы в течение трех лет, пока четырнадцатого декабря 1900 года не выдвинул наконец поистине революционную гипотезу ради того, чтобы непротиворечиво описать фактический спектр электромагнитного излучения. По этой гипотезе тепловое излучение нагретых тел не может быть непрерывным процессом, при котором энергетические уровни плавно, без скачков становятся сколь угодно малы. Вместо этого энергообмен между горячими стенками печи и излученным светом идет — чтобы не нарушать картину — дискретно, долями, ступенчато отделенными друг от друга. Здесь больше нет плавных переходов, а есть скачки. Минимальную порцию энергии, которую можно испустить или поглотить, Планк называет квантом. Энергия одного кванта — произведение частоты излучения и природной константы, которую сам Планк поначалу называет элементарным квантом действия, но которую вскоре в его честь назовут постоянной Планка. Ее размерность — исчезающее малое количество энергии, умноженное на время, — самое малое допустимое в природе действие. Это невообразимо малое число, а именно нуль, за которым после запятой следуют еще 34 нуля, прежде чем появится наконец пара значащих цифр. Бесспорное указание на то, что речь идет об атомарных порядках величин.

Не пройдет и недели после презентации его гипотезы, как другие ученые подтвердят своими вычислениями справедливость решения Планка: их экспериментальные данные согласуются с его теорией. Никто, даже сам Планк, не понимает, почему именно неполноценные «затычки», получившие определение квантов, создают помехи ультрафиолетовым печам. Но они вряд ли могут что-то значить в реальном мире, полагает первооткрыватель. Они могут представлять собой не более чем гениальную математическую уловку — таково единодушное мнение сообщества физиков. Англичане говорят о типично немецком изобретении, которое элегантно устраняет бесконечные величины.

Макс Планк безоговорочно поддерживает оценку своих коллег. Он чуть ли не оправдывается за свою искусную уловку, даже называет ее «актом отчаяния». Мол, он хотел «любой ценой, даже удвоенной» найти решение и рассматривает кванты лишь как временное средство. Не сам ли он обозначил свою константу буквой «Н», которая происходит от слова «вспомогательная величина» (Hilfsgröße)? Мол, уже в ближайшее время его работа подвергнется пересмотру и тогда станет понятен краткосрочный характер этих беспокойных переходов энергии. Ведь нет ничего более чуждого ему, закоренелому консерватору, чем ставить этим дискретным квантом под сомнение Лейбница, который не допускал в природе никаких скачков. Без сомнения, мол, в обозримом времени эта вынужденная конструкция отыщет вход в более объемлющую теорию, которая не будет так нахально противоречить классической физике. Естественно, в этих утешительных мыслях о предстоящем примирении между ньютоновской традицией и своей, в корне новой, концепцией Макс Планк не мог брать в расчет одного молодого изобретательного физика.