Першого вересня 1939 року, одночасно з початком Другої світової війни, німецьке Управління озброєнь створило «Уранове товариство», до якого увійшли провідні фізики країни. Перед суспільством, одним з лідерів якого став Вернер Гейзенберг, було поставлено завдання дослідити застосування атомної енергії у військових цілях. У цю гонку незабаром включилися і вчені інших країн. Фізики вже розуміли, що атомна бомба в принципі можлива, але щоб перейти від теорії до практики, потрібні були час, величезні гроші - і страх вчених, що по інший бік фронту їхні друзі і колеги винаходять таку ж бомбу.
Діалог бомби
У вересні 1941 року Вернер Гейзенберг, провідний німецький фізик і голова Уранового проекту, вирушив до Копенгагена, вже окупованого німцями. Офіційною метою візиту було зміцнення авторитету німецької науки і культури, Гейзенберг повинен був прочитати кілька лекцій з астрофізики. Крім цього, він хотів зустрітися з Нільсом Бором, вчителем, старшим другом і великим вченим, разом з яким вони створювали квантову механіку (ми розповідали про це в матеріалах «Німеччина, звичайно, юбер алес» і «Квантова революція і гірчичний газ»).
Ми так і не знаємо точно, що саме Бор і Гейзенберг сказали тоді один одному, їхні повоєнні спогади про це різняться. У якийсь момент розмова зайшла про поділ урану (ми писали про це відкриття в матеріалі «Але до нас йде жорстока пора»), і Гейзенберг повідомив, що, як і багато інших фізиків, розуміє, що цей процес може бути використаний для створення бомби неймовірної потужності. За спогадами Гейзенберга, він особливо підкреслив, що подолання технічних складнощів потребує неймовірних зусиль, і він не вірить в те, що бомба може бути створена протягом війни (у вересні 1941 року Гітлер завоював всю Європу, крім Великобританії і декількох нейтральних країн, на східному фронті німецька армія зайняла Білорусь і Україну і вийшла до Ленінграда, здавалося, що війна закінчиться швидкою перемогою Німеччини). Гейзенберг навіть запропонував Бору домовитися з усіма фахівцями з ядерної фізики про те, щоб вони переконали уряди своїх країн, що робота над атомною бомбою буде марною тратою ресурсів.
Бор, однак, запам'ятав цю розмову зовсім інакше. «Я пам'ятаю досить точно <... >, що ви ясно дали мені зрозуміти, що під вашим керівництвом в Німеччині робиться все можливе для розробки атомної зброї <... > і що останні два роки ви практично повністю присвятили себе цій роботі», - написав він після війни в чернетці так і не відправленого листа Гейзенбергу.
У будь-якому випадку, зауваження Гейзенберга про величезні технічні складнощі, які виникнуть при спробі створити атомну бомбу, було абсолютно справедливим. По-перше, у урану існує два ізотопи - 92 235U і 92 238U, у першого в ядрі 92 протони і 143 нейтрони, тобто маса ядра 235. А у другого - 92 протони і 146 нейтронів, маса 238. У 1939 році Бор висунув гіпотезу, пізніше підтверджену експериментом, що в ланцюговій реакції може брати участь тільки уран-235, а його в природному урані міститься всього 0,7 відсотка! Таким чином створення бомби потребує переробки уранової руди з відділенням 0,7 відсотка урану-235 від 99,3 відсотка урану-238. А це неймовірно важко, тому що їх хімічні властивості ідентичні, а маса відрізняється всього на 1 відсоток.
Друга трудність полягає в тому, що атомна бомба не може бути занадто маленькою. При ланцюговій реакції ядро атома після потрапляння в нього нейтрона розпадається з виділенням енергії на кілька осколків, серед яких має бути більше одного нейтрона. Ці нейтрони потрапляють у сусідні атоми, які також розпадаються і так далі. У результаті з кожним кроком у реакції бере участь все більше атомів і виділяється все більше енергії. Однак частина нейтронів втрачається - вони можуть поглинатися домішками інших атомів або просто вилітати за кордон бомби, якщо атом, що розпався, знаходився досить близько до поверхні. Якщо втрати нейтронів занадто великі, то ланцюгова реакція швидко загасає. Таким чином, маса бомби повинна бути більше деякої межі (вона називається критичною масою), який визначається тим, що на кожному кроці кількість нейтронів, що з'явилися в результаті розпадів, перевищує число нейтронів, які залишили бомбу, не зіткнувшись з ядрами.
Перші оцінки, зроблені в 1939-40 роках, давали критичну масу урану-235 близько декількох тонн. З урахуванням надзвичайної складності поділу ізотопів 235 і 238, це фактично знешкоджувало практичну роботу зі створення атомної бомби.
Не фантазія
Після того, як на Вашингтонській конференції з теоретичної фізики в 1939 році Бор повідомив американським фізикам про відкриття розпаду урану, Сілард став переконувати його, що всі подальші роботи з ядерної фізики повинні триматися в секреті від німців, щоб нацисти не змогли використовувати їх для створення бомби. Бор дуже цінував наукове співробітництво (його інститут у Копенгагені постійно приймав вчених з усього світу) і був надзвичайно проти секретності у фізиці. Він відповів Сіларду: «Це [витяг ядерної енергії в результаті ланцюгової реакції] в будь-якому випадку неможливо, якщо тільки ви не перетворите Сполучені Штати на одну величезну фабрику». У 1941 році він вже не був так в цьому впевнений.
Отто Фріш, племінник Лізи Мейтнер, разом з якою вони вперше теоретично пояснили розпад урану (ми розповідали про це в матеріалі «Але до нас йде жорстока пора»), перед початком війни переїхав з Копенгагена до Англії, де отримав позицію в університеті Бірмінгема у свого знайомого Марка Оліфанта. Там він подружився з Рудольфом Паєрлсом, ще одним німецьким фізиком-теоретиком, який був змушений емігрувати до Англії через єврейське походження.
Оліфант разом з більшістю співробітників кафедри фізики Бірмінгемського університету займався роботою над радаром. Вона була надзвичайно важлива, оскільки влітку 1940 почалася битва за Британію - спроба німецьких ВПС встановити панування в повітрі і шляхом масованих бомбардувань міст підірвати моральний дух англійців.
Важливіше бомби
Ще в 1935 році фізик Роберт Вотсон-Уотт продемонстрував британським військовим пристрій, який міг виявити літак на відстані 64 кілометрів. Пізніше подібні пристрої стали називатися радарами (RADAR від RAdio Detection And Ranging - радіообзовение і вимірювання дальності). Принцип дії радара наступний - антена випромінює радіохвилі, які відбиваються від об'єкта, який потрібно виявити. Порівнюючи характеристики випромінених і відображених хвиль, можна визначити положення об'єкта відносно антени. Вотсон-Уотт очолив спеціальне відомство міністерства авіації, яке зайнялося будівництвом радіолокаційних станцій «Чейн Хоум» уздовж узбережжя Британських островів. У Битві за Британію мережа радіолокаційних станцій засікала німецькі бомбардувальники ще на підльоті, що дозволяло британській авіації ефективно розподіляти винищувачі на їх шляху. У Бірмінгемському університеті, де займалися «апгрейдом» радара, був винайдений повісний магнетрон, який генерував хвилі більшої потужності і з більш короткою довжиною хвилі. Завдяки цьому збільшилася точність і дистанція детектування радарів. Крім того, пристрій з магнетроном став набагато компактнішим - це дозволило встановити радіолокаційну систему на літаки. Коли британці поділилися своїми військовими розробками з США, Рузвельт нібито назвав магнетрон «найціннішим товаром з усіх, що коли-небудь прибував до берегів Америки». Радари на базі магнетрона з'явилися не тільки на винищувачах - з ними бомбардувальники союзників могли ефективно наводитися на ціль ночами і в будь-яку хмарність.
Фріш і Паєрлс, емігранти, які не мають британського підданства, не могли бути допущені до роботи над радаром з міркувань секретності, і в заняттях наукою були надані самі собі.
Вони вирішили уточнити оцінку для критичної маси урану-235, і отримали результат близько одного кілограма. Вони повідомили про це Оліфанту, і той попросив їх написати короткий звіт про відкриття. Воно мало принципове значення не тільки тому, що виділити кілограм урану-235 простіше, ніж тонну, але і тому, що багатотонну бомбу (рахуючи оболонку, підривник і так далі) неможливо доставити на територію противника - жоден літак не зміг би її підняти.
У березні 1940 року Оліфант представив Меморандум про властивості радіоактивної «супер-бомби» на засіданні комісії, яка координувала наукові розробки для військових застосувань. У ньому повідомлялося:
- Супер-бомба є невідпорною зброєю. Не існує матеріалів і конструкцій, які могли б витримати таку силу вибуху.
- Оскільки радіоактивні речовини будуть рознесені вітром, застосування бомби, ймовірно, призведе до вбивства великої кількості цивільного населення, що може зробити її невідповідною для використання нашою країною.
- Дуже ймовірно, що Німеччина розробляє подібну зброю
- Якщо вважати, що Німеччина володіє, або буде володіти цією зброєю <... >, то найбільш ефективним заходом було б протистояти їй такою ж зброєю.
У технічній частині меморандуму було наведено розрахунок критичної маси. Так стало ясно, що атомна бомба - це не фантазія, а смертоносна зброя, яка може бути створена за найближчий час і вирішити результат війни.
Після доповіді Оліфанта був створений комітет під керівництвом Джорджа Патжета Томсона, нобелівського лауреата, який підтвердив хвильові властивості електронів, до якого увійшли провідні англійські фахівці з ядерної фізики, включаючи самого Оліфанта, першовідкривача нейтрона Джеймса Чедвіка і «автора» першої рукотворної ядерної реакції Джона Кокрофта (ми розповідали про ці відкриття в матеріалі «Не життя хіба»).
Комітет MAUD
Комітет Томсона отримав назву MAUD Committee, що виглядає як абревіатура, але насправді нею не є. Через кілька місяців після захоплення Данії нацистами, Ліза Мейтнер відправила телеграму англійському приятелю: "ЗУСТРІЛА НІЛЬСА І МАРГАРЕТ [Бор]. ВОНИ В ПОРЯДКУ, АЛЕ ДУЖЕ ЗАСМУЧЕНІ ТИМ, ЩО ВІДБУВАЄТЬСЯ. БУДЬ ЛАСКА, ПЕРЕДАЙ КОКРОФТУ І МОД РЕЙ КЕНТ "(INFORM COCROFT AND MAUD REY KENT). Кокрофт вирішив, що загадкове закінчення телеграми «MAUD REY KENT» є анаграмою до RADIUM TAKEN, і Мейтнер таким чином передає звідкись отриману інформацію про те, що в Німеччині повним ходом йдуть роботи над атомною бомбою. Томсон же з метою конспірації взяв MAUD як назву свого комітету. До речі, іноземці Паєрлс і Фріш, звичайно, не отримали запрошення стати повноправними членами MAUD Committee, але працювали в його технічному підкомітеті. Спочатку нацистський окупаційний режим у Данії був досить м'яким, Гітлер хотів продемонструвати, що добровільно здалися і «досить арійські» країни можуть цілком непогано існувати під заступництвом Третього Рейху. Зокрема, данські євреї були практично ніяк не обмежені в правах і, зокрема, не були зобов'язані носити на одязі жовту зірку Давида. У серпні 1943 року Гітлер посилив політику щодо Данії і намітив «остаточне рішення єврейського питання» на початок жовтня. Нільс Бор був євреєм по матері, і Данський Опір 29 вересня переправив його разом з родиною до Швеції. Однак у Данії залишалося ще 7800 євреїв, яким загрожувала депортація в табори смерті. Бор домігся аудієнції у шведського короля і переконав його публічно оголосити про те, що всі данські євреї можуть отримати притулок на території Швеції. 2 жовтня шведське радіо поширило цю заяву, і 7220 євреїв і 686 їх неєврейського подружжя були переправлені з Данії на рибальських човнах. Після цього Нільс Бор полетів до Великобританії і, нарешті, дозволив загадку MAUD REY KENT. Виявилося, що незадовго до війни гувернантка Мод Рей, яка вчила сина Нільса і Маргарет Бор англійської мови, повернулася додому в Кент, і вони просили передати їй привіт.
Отже, для створення атомної бомби потрібно всього кілька кілограмів чистого урану-235, однак було невідомо, як у промислових масштабах виділити його з сотень кілограм уранової руди. Пайерлс запропонував MAUD Committee доручити Францу Саймону, ще одному єврейському біженцю з Німеччини, не зайнятому роботою над радаром, дослідити метод газової дифузії. Ідея методу полягає в тому, що при пропусканні під тиском суміші газів через пористий матеріал, більш легкі атоми легше проникають крізь перешкоду.
Незважаючи на те, що Саймон вже встиг отримати британське підданство, комітет спочатку вирішив, що не може довірити роботу, яка потенційно може вирішити результат війни, колишньому громадянину Німеччини. Однак Пайерлс з дозволу Оліфанта попросив Саймона почати експерименти неофіційно. З цієї причини Саймон на початку роботи був сильно обмежений в засобах і, за розповідями, використовував мало не кухонне ситечко і газування (правда, асистент Саймона, який безпосередньо брав участь у розробці методу газової дифузії стверджував, що це все-таки деяке перебільшення). Тим не менш, йому вдалося показати, що метод працює. У підсумку MAUD Committee погодився з тим, що Саймон необхідний для успіху британської атомної програми.
У грудні 1940 року Саймон представив звіт про те, як має бути влаштований завод зі збагачення, який виробляє по кілограму урану-235 на день. Вартість будівництва він оцінив у 5 мільйонів фунтів стерлінгів (близько 280 мільйонів у цінах 2020 року). Така велика сума пов'язана з тим, що за один цикл збагачення концентрація урану-235 зростає всього (максимум) в 1,0045 рази, тому необхідний цілий каскад збагачувальних пристроїв.