Книга E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения в мире - Дэвид Боданис

И теперь, гуляя с племянником по снегу, она остановила его близ ствола одного из лесных деревьев, и они начали на пару осмысливать ситуацию. Самая последняя из моделей ядра принадлежала Нильсу Бору, добродушному, спокойному датчанину, у которого работал племянник Майтнер. Бор рассматривал ядро не как твердый металл, набор каким-то образом приваренных один к другому металлических шариков, но, скорее, как каплю жидкости.

Капля воды всегда пребывает на грани распада из-за существующего внутри ее давления. И это давление схоже с электрическим взаимодействием протонов, входящих в состав ядра. Протоны отталкиваются друг от друга (как любые два носителя положительного заряда). Однако капли воды сохраняют, по большей части, целостность благодаря силам поверхностного натяжения, действующим в их тонкой оболочке. Эти силы являются аналогом сильного взаимодействия, которое обеспечивает целостность скопления протонов, несмотря на пытающиеся разорвать его электрические силы.

В ядрах малого размера, каковы ядра углерода или свинца, сильное взаимодействие обладает такой мощью, что содержащееся в них количество электричества, норовящее оттолкнуть протоны друг от друга, оказывается несущественным. В них сильное взаимодействие остается непобедимым. Но не может ли появление дополнительных нейтронов в ядрах больших, и даже огромных, как у урана, привести к нарушению равновесия?

Майтнер и ее племянник не зря были физиками. У них имелись с собой и бумага, и карандаши, и вот в холодном шведском лесу, в самый канун Рождества, они вытащили из карманов и то, и другое и приступили к расчетам. Что если ядро урана велико настолько, и настолько набито нейтронами, отделяющими протоны один от другого, что даже до того, как в него начинают проталкиваться новые нейтроны, ядро это уже пребывает в состоянии не весьма надежном? Что если ядро урана походит на каплю воды, растянутую так сильно, что она того и гляди разорвется? И вот в такое слишком туго набитое ядро проникает еще один полновесный нейтрон.

Майтнер начала рисовать какие-то каракули. Рисовала она примерно так же хорошо, как играла на фортепьяно. Фриш со всевозможной почтительностью отобрал у нее карандаш и принялся сооружать рисунки более опрятные. Один-единственный нейтрон, проникая в ядро, приводит к тому, что оно растягивается посередине. Происходит примерно то же, что с наполненной водой оболочкой воздушного шарика, которую перекручивают посередке. Два конца шарика вспучиваются. Если вам повезет, оболочка шарика не лопнет и вода не вырвется наружу. Но не останавливайтесь. Перекрутите шарик посильнее, а после, когда он совсем растянется, отпустите, чтобы вода рывком вернулась к центру, — и тут же перекрутите в противоположном направлении. Кончится это тем, что шарик все-таки лопнет, и если вы правильно рассчитаете время, вам даже усилий больших прикладывать не придется. Всякий раз, как вода будет возвращаться к центру, старайтесь улучить миг, в который две волны ударятся одна о другую и отразятся, и как раз когда они будут разлетаться с максимальной силой — это примерно то же, что раскачивать качели, — скручивайте шарик, чтобы ускорить новое его растяжение.

Именно это и делают нейтроны, попадая в ядро урана. Причина, по которой Ган никак не мог понять наблюдаемое им явление, состояла в том, что он считал, будто добавление нейтронов лишь делает вещество более тяжелым. На деле же, нейтрон разбивал ядро урана на две половинки.

Это было важнейшее открытие, однако его еще следовало проверить. Начать с того, что Майтнер и ее племянник понимали: теперь электрические заряды протонов получали возможность заставить частицы ядра разлетаться в стороны. В используемых физиками единицах соответствующая энергия составляет примерно 200 МэВ — 200 миллионов электрон-вольт. Фриш и Майтнер подсчитали это значение в уме. Однако следует ли из уравнения, полученного Эйнштейном в 1905 году, что в ядре действительно присутствует количество энергии, способное заставить разлетаться его половинки? О дальнейшем Фриш рассказывает так:

По счастью, [моя тетушка] помнила, как вычисляется масса ядра… и смогла подсчитать, что два ядра, получающиеся в результате деления урана, должны быть легче него примерно на одну пятую массы протона. Но ведь, когда исчезает масса, создается, согласно Эйнштейновской формуле E=mc2, энергия…

Хорошо, но какова же величина этой энергии? Одна пятая протона есть частица вещества до нелепого малая. В точке, стоящей над буквой i,протонов содержится больше, чем звезд в нашей галактике. И тем не менее, «исчезновения» одно пятой протона — частицы, которую и увидеть-то никто не способен, — должно хватать на создание 200 МэВ энергии. В Беркли, штат Калифорния, как раз планировали построить электромагнит величиною с дом, способный, когда его зарядят количеством электричества, большим того, что потребляет обычно весь город Беркли, сообщать частице энергию до 100 МэВ. А тут какая-то кроха должна была создать энергию вдвое большую.

Это могло показаться неосуществимым, — если бы не колоссальная величина c2. Мир массы и мир энергии связаны неистово расширяющимся мостом. Для наблюдателя из нашего мира, фрагмент протона, пролетающий мимо дорожного знака «=», трансформируется — растет.

Растет.

Тетя с племянником по пути из Кунгэльва перешли замерзшую реку. Деревня была уже слишком далеко, чтобы они могли слышать шум ее рынка. Майтнер произвела расчет. Впоследствии Фриш вспоминал: «одна пятая массы протона оказалась точным эквивалентом 200 МэВ. Мы получили источник этой энергии, все сошлось одно к одному!».

Атом был вскрыт. До этого времени все ошибались. Путь внутрь атома состоял не в том, чтобы со все большей и большей силой вколачивать в него частицы. Теперь двое людей, пожилая женщина и ее племянник, находившиеся среди безмолвия полуденных снегов, отчетливо поняли это. Для того, чтобы взорвать атом урана, вовсе не нужно было накачивать его энергией. Довольно было нескольких медленных нейтронов, а дальше процесс шел сам собой. Ядро начинало содрогаться, все сильнее и сильнее, пока удерживающее его в целости сильное взаимодействие не подавалось и электрическое поле, крывшееся внутри ядра, не заставляло фрагменты его разлетаться. Взрыв этот питался собственной энергией ядра.

Майтнер и ее племянник считали науку политически нейтральной и потому подготовили свое открытие для публикации. Следовало присвоить ему какое-то название, и Фриш вспомнил о том, как делятся бактерии. Еще находясь в Копенгагене, он как-то спросил американского биолога, приехавшего с визитом в институт Бора, каким английским словом описывается этот процесс. В результате, в их статье появилось слово «деление», описывающее то, что происходит с ядром атома. Тем временем, Ган уже опубликовал полученные им в Берлине результаты — практически не упомянув о Майтнер, — и вскоре начал продлившуюся почти четверть века кампанию, цель которой состояла в том, чтобы доказать: вся честь сделанного открытия принадлежит только ему одному.

Тридцатилетние поиски завершились. За десятилетия, прошедшие после 1905 года, в котором появилось уравнение Эйнштейна, физики показали, как можно взломать атом и извлечь из него сконденсированную, замороженную энергию, о которой говорит формула E=mc2. Они обнаружили ядро, открыли частицу, названную нейтроном и способную легко проникать в ядро и покидать его (особенно если посылать в него нейтроны замедленные), выяснили, что дополнительные нейтроны, внедренные в такие сверхплотные атомы, как атом урана, заставляют их ядра дрожать, ходить ходуном и взрываться.