Физика в колумбийском университете: генезис исследований по ядерной энергии

М-р председатель, декан Пегрэм, члены Общества, дамы и господа.

В 200-ю годовщину Колумбийского университета кажется вполне уместным вспомнить о ключевой роли, которую играл Университет в ранней экспериментаторской и организаторской работе, приведшей к овладению атомной энергией.

Мне посчастливилось быть сотрудником Пьюпиновской лаборатории на протяжении того времени, когда происходила, по крайней мере, начальная стадия этого овладения. Я испытывал некоторые затруднения в Италии и всегда буду признателен Колумбийскому университету, предложившему мне место в Физическом отделе в самый нужный момент. И, кроме того, это предложение дало мне, как я уже говорил, редкую возможность стать свидетелем хода упоминавшихся мною событий.

Я на самом деле очень живо помню январь 1939 г. – первый месяц моей работы в Пьюпиновской лаборатории – по той стремительности, с которой тогда стало все разворачиваться. В то время Нильс Бор выступал с лекциями в Принстоне, и я помню, как однажды вечером вернулся взбудораженный Уиллис Лэмб и сказал, что Бор привез потрясающие новости. Этими потрясающими новостями были открытие деления и по меньшей мере набросок интерпретации явления; открытие, как вы, конечно, помните, восходит к работе Гана и Штрассмана, а первая идея интерпретации пришла из работы Лизе Мейтнер и Фриша, бывших тогда в Швеции.

Затем, несколько позже, в том же январе в Вашингтоне состоялась конференция, созванная Институтом Карнеги и Университетом Джорджа Вашингтона, на которой вместе с несколькими сотрудниками Колумбийского университета присутствовал и я и на которой впервые серьезно, хотя и в полушутливой форме, обсуждалось возможное значение только что открытого процесса деления как будущего источника энергии. Источника – потому что была высказана догадка, что если происходит деление, весьма серьезно нарушающее структуру ядра, то нельзя исключить испарения нейтронов. А если испаряются нейтроны, то их может быть больше одного, скажем для определенности – два. А если их больше одного, то каждый из этих, например, двух нейтронов может вызвать деление и перед вами, конечно, первые звенья цепной реакции.

Таким вот был один из предметов обсуждения на этой конференции, который вызвал легкую зыбь возбуждения по поводу возможности освобождения ядерной энергии. Во многих лабораториях, включая Пьюпиновскую, одновременно началось лихорадочное экспериментирование, и, как помнится, еще в Вашингтоне я получил от Даннинга телеграмму, возвещавшую об успехе опыта, направленного на обнаружение осколков деления. Тот же самый эксперимент был проделан, по-видимому, одновременно в полудюжине других лабораторий Америки, и, как мне кажется, чуть раньше в трех-четырех лабораториях Европы.

И вот в Колумбийском университете началась довольно длинная и утомительная работа, имевшая целью укрепить те смутные предположения, которые делались относительно возможности испускания нейтронов, и попытаться увидеть, действительно ли испускаются нейтроны, когда происходит деление, а если это так, то в каком же количестве, ибо ясно, что в этом случае крайне важна числовая сторона дела, так как чуть-чуть большая или чуть-чуть меньшая вероятность, может быть, определяла границу между возможностью и невозможностью цепной реакции.

Работа эта проводилась в Колумбийском университете одновременно Зинном и Сцилардом, с одной стороны, и Андерсоном и мной – с другой. Мы работали независимо и различными методами, но, конечно, поддерживали тесный контакт и держали друг друга в курсе полученных результатов. Одновременно такие же самые исследования проводились во Франции группой под руководством Жолио и фон Халбана. И все три группы пришли к одному и тому же заключению – полагаю, что Жолио, может быть, на несколько недель раньше нас в Колумбии, – а именно что нейтроны испускаются и что их довольно много, хотя количественные оценки были еще очень неточны и не слишком надежны.

Курьезным обстоятельством, связанным с этой фазой работы, было то, что здесь впервые появилась секретность, мучившая нас столько лет, и, вопреки, вероятно, самым распространенным представлениям о секретности, она появилась не по инициативе генералов, не по инициативе сотрудников органов безопасности, а по инициативе физиков. А главным инициатором этой, безусловно, крайне неизведанной для физиков идеи был Сцилард.

Не знаю, многие ли из вас знают Сциларда; думаю, что многие. Это, несомненно, очень своеобразный человек, весьма умный (смех); вижу, что это недооценка (смех). Он весьма выдающийся человек, и похоже на то, что он получает некоторое удовольствие – по крайней мере, такое впечатление он производил на меня, – получает удовольствие, выводя кого-нибудь из равновесия.

И вот он стал выводить из равновесия физиков, внушая им, что в данных обстоятельствах – это ведь было начало 1939 года и в воздухе очень попахивало войной, – что в данных обстоятельствах, при угрозе превращения атомной энергии и, может быть, атомного оружия в основное орудие нацистов для порабощения мира, обязанностью физиков было отказаться от традиции публиковать интересные результаты так быстро, как «Physical Review» или другой научный журнал мог поместить их. Вместо этого следовало проявлять осторожность и придерживать результаты до тех пор, пока не выяснилось бы, будут ли эти результаты потенциально опасны или потенциально полезны нам. Сцилард, поговорив с рядом ученых, убедил их в том, что они должны образовать нечто вроде общества – не знаю, стали бы его называть секретным обществом или как-нибудь еще. Во всяком случае – объединиться и рассылать информацию частным образом членам довольно ограниченной группы, не публикуя ее немедленно. Он послал ряд телеграмм в этом духе во Францию, Жолио, но не получил положительного отклика, и Жолио опубликовал свои результаты более или менее обычным порядком, как до этого публиковались физические результаты. Таким образом, стал общеизвестным факт испускания нейтронов при делении в заметном количестве – что-нибудь около одного, двух или трех. И, конечно, этот факт для большинства физиков означал, что возможность осуществления цепной реакции гораздо более реальна, чем это полагалось ранее.

Другая важная фаза работы в Колумбийском университете связана с предположением, сделанным Бором и Уилером на основании чисто теоретических аргументов, о том, что из двух изотопов урана не наиболее распространенный уран-238, а наименее распространенный уран-235, присутствующий в природном уране, как известно, в количестве 0,7 %, обусловливает подавляющее большинство случаев теплового деления. Их доводы касались четного числа нейтронов в уране-238 и нечетного числа нейтронов в уране-235, что, согласно проведенному Бором и Уилером рассмотрению энергий связи, позволяло считать правдоподобным утверждение о более высокой способности урана-235 к делению.

Ясно, конечно, что было очень важно знать и экспериментальные факты; работа была начата сообща Даннингом и Бутом в Колумбийском университете и Ниром. Нир взял на себя масс-спектрографическую часть работы, пытаясь выделить ничтожное, но все же заметное количество урана-235, а Даннинг и Бут в Колумбии старались использовать это едва заметное количество для проверки того, будет ли на нем происходить деление с гораздо большим сечением, чем на природном уране.

Ну, как вы теперь, конечно, знаете, этот эксперимент подтвердил теоретические предположения Бора и Уилера, показав, что с точки зрения любой попытки – например, создания устройства для использования ядерной энергии – ключевым изотопом урана действительно является уран-235. Факт этот важен главным образом по следующим соображениям, которые в то время осознавались, возможно, не так отчетливо, как в настоящий момент.

Главной задачей при создании установки на цепной реакции является, конечно, забота о том, чтобы каждое деление производило определенное число нейтронов, а некоторые из этих нейтронов производили новые деления. Если начальное деление вызовет более чем одно последующее деление, то, конечно, реакция будет идти. Если же начальное деление вызовет менее чем одно последующее деление, то тогда реакция не пойдет.

Значит, если взять разделенный чистый изотоп U, то можно надеяться, что неизбежные потери нейтронов будут невелики, и, следовательно, если при реакции испускается несколько больше одного нейтрона, то получение системы, в которой шла бы цепная реакция, будет тогда просто делом создания достаточно большой кучи урана-235. Но если к каждому грамму урана-235 добавляется около 140 граммов урана-238, посылаемого нам природой вместе с ним, то возрастает конкуренция: весь этот балласт будет готов перехватить не слишком многочисленные нейтроны, испущенные при делении. Поэтому в то время было ясно, что один из путей осуществления цепной реакции состоял в том, чтобы отделить изотоп U²³⁵²³⁵ от гораздо более распространенного изотопа U²³⁸.

Сейчас в наших лабораториях стоит ряд сосудов, в которых содержатся более или менее чистые изотопы, ну, скажем, железо-56 или уран-235 или уран-238. Конечно, эти сосуды не так привычны, как банки с химическими элементами, но их удивительно легко получить, нажав должным образом на Ок-Риджскую лабораторию (смех). Но раньше изотопы считались почти мистически неразделимыми. Разумеется, было и исключение – дейтерий, который уже тогда можно было получить в сосуде. Но ведь в этом случае два изотопа водорода Н¹и Н²различаются по массам в два раза, т. е. очень сильно. А в случае урана массы относятся всего лишь как 235 к 238, т. е. различие между ними чуть больше 1 %. И это, конечно, делает различие между такими объектами настолько крошечным, что было не очень ясно, можно ли принимать всерьез задачу выделения больших количеств урана-235.

Итак, в то далекое время, примерно в конце 1939 года, начали проясняться два направления штурма проблемы атомной энергии. Одно из них состояло в следующем. Прежде всего надо было выделить большие количества – килограммы, а может быть, десятки килограммов, а может быть, и сотни килограммов: реально никто не знал, сколько же килограммов понадобится – выделить примерно такие количества урана-235, казавшиеся тогда фантастически огромными, и далее работать с ними без балластных гораздо больших количеств урана-238. Другое направление основывалось на надежде, что, может быть, нейтронов окажется не так уж мало, и с помощью некоторой доли изобретательности их можно будет использовать эффективно, так что цепную реакцию, может быть, удастся получить, не пытаясь решить задачу разделения изотопов, задачу, которая, я бы сказал, в то время представлялась почти на грани человеческих возможностей.

Ну, а поскольку я много лет работал с нейтронами и особенно с медленными нейтронами, то я присоединился ко второй команде, желавшей использовать неразделенный уран, и вместе с ней постарался сделать все, что было в наших силах. Даннинг и Бут, часто консультируясь с проф. Юри, приступили к изучению, обсуждению и первым попыткам решения задачи разделения урана. Сцилард, Зинн, Андерсон и я начали вести работы по второму направлению, о котором я говорил, и на первом этапе нам пришлось делать множество измерений.

Должен признаться, что я никогда не мог вполне понять, почему же наши измерения в те дни были настолько плохи. Замечу, что сейчас мы делаем очень плохие измерения по физике пионов, наверное, просто потому, что еще не научились делать их как следует. Конечно, в то время мы не располагали такими обширными возможностями, как сейчас. Экспериментировать с нейтронами, используя котел в качестве источника нейтронов, гораздо легче, чем было в те дни использовать радий-бериллиевые источники, если требовалось соблюсти хорошую геометрию, или циклотрон, если было важно получить хорошую интенсивность, а не хорошую геометрию.

Что ж, вскоре мы пришли к заключению, что для сохранения каких-то шансов на успех с природным ураном необходимо использовать медленные нейтроны. Итак, был нужен замедлитель. В качестве замедлителя можно было использовать воду или другое вещество. Вода была вскоре отброшена: она очень эффективно замедляет нейтроны, но поглощает их несколько больше, чем нам было по карману. Тогда мы подумали, что, может быть, лучше понадеяться на графит. В нем нейтроны замедляются не так эффективно, как в воде; но о его поглощающих свойствах было известно настолько мало, что была понятной надежда на то, что поглощение окажется очень малым.

Это доводит нас до осени 1939 года, когда Эйнштейн написал знаменитое теперь письмо президенту Рузвельту, говорившее о положении в физике – о том, что рождалось в ней, и о том, что, по его мнению, правительство было обязано заинтересоваться этими исследованиями и помочь им. И действительно, несколькими месяцами позже пришла помощь в размере 6000 долларов, и эти шесть тысяч были использованы для покупки громадных количеств – или казавшихся таковыми в то время, когда взгляды физиков еще не были искажены (смех), – казавшихся тогда громадными количеств графита.

И вот физики, работавшие на седьмом этаже Пьюпиновской лаборатории, стали походить на шахтеров (смех), а жены, к которым по вечерам возвращались эти усталые физики, недоумевали – что же происходит. Конечно, воздух в городе не очень чист, но все-таки… (смех).

Ну, а происходило то, что в те дни мы пытались что-то узнать о поглощающих свойствах графита, потому что и графит мог оказаться ни на что не годным. И мы строили графитовые колонны, стороной фута в четыре или около того, и высотой футов десять. Впервые физическая аппаратура, а эти графитовые колонны и были аппаратурой, оказалась настолько велика, что вы могли совершать восхождения на нее – а вы и должны были это делать. Конечно, с циклотронами была такая же история, но как бы то ни было, мне впервые пришлось взбираться на свое оборудование, просто потому, что оно было слишком высоким – а я нет (смех).

И мы вставляли источники нейтронов вниз и смотрели, как эти нейтроны сначала замедляются, а затем диффундируют по колонне. Конечно, если бы существовало сильное поглощение, они не продиффундировали бы очень далеко. Но оказалось, что поглощение действительно мало, и поэтому нейтроны весьма охотно диффундировали по колонне, а подзанявшись математическим анализом ситуации, удалось получить первые прикидки сечения поглощения в графите, что было ключевым пунктом для решения вопроса о том, возможно ли создать установку для получения цепной реакции на графите и природном уране.

Я, пожалуй, не буду входить во все подробности этих экспериментов. Они длились вполне заметное время и потребовали многих часов, многих дней и многих недель действительно очень трудной работы. Упомяну, что очень скоро наши исследования были увязаны с аналогичными экспериментами, проводившимися в Принстонском университете, где группа Вигнера, Крейтца и Боба Вильсона приступила к работе, выполняя те измерения, которые мы не могли сделать в Колумбийском университете.

Между тем время шло, и мы стали понимать, что надо измерять и насколько точно надо измерять величины, которые я назову η, f и p – думаю, что для определения их здесь у меня нет времени, – эти три величины η, f и p, чтобы установить, что же можно и что нельзя сделать. В действительности, если можно так сказать, произведение η, f и p должно быть больше единицы. Как мы теперь знаем, если сделать практически все возможное, то это произведение составит 1,1.

Итак, если бы мы могли измерять эти три величины с точностью в 1 %, то мы могли бы найти, например, что произведение равно 1,08 + 0,03, и в этом случае могли бы сказать – стоит продолжать в том же духе, или, если бы произведение оказалось равным 0,95 + 0,03, мы бы, наверное, сказали, что это направление вряд ли сулит успех и надо искать что-нибудь другое. Но я уже отмечал крайне низкое качество измерений по нейтронной физике, делавшихся в то время, – точность измерения по отдельности величин η, или f, или p составляла, может быть, около ±20 % (смех).

И если объединить 20-процентные ошибки по известным правилам статистики, вы получите что-то около 35 %. Ну, а если вы получили, например, 0,9 + 10,3 – что вы узнали? Вряд ли хоть что-нибудь (смех). Если вы получили 1,1 + 0,3 – опять-таки вы узнали не так-то много. В этом и состояла трудность; действительно, если обратиться к нашим ранним работам, то окажется, что численные значения, приписываемые тем или иным экспериментатором, скажем, величине η, различались на 20 %, а то и больше. На самом-то деле, как мне кажется, это очень сильно зависело от темперамента физиков. Скажем, физики-оптимисты ощущали необходимость подтянуть эти величины повыше, а физики-пессимисты, вроде меня, пытались удержать их значения где-нибудь пониже (смех).

Как бы то ни было, никто ничего толком не знал, и мы решили, что надо делать что-то другое. Следовало придумать эксперимент нового типа, в котором можно было бы сразу измерить именно произведение η, f и p, не измеряя эти величины по отдельности, так как тогда, может быть, ошибка как-то понизится и позволит нам сделать определенные выводы.

Что ж, мы обратились к декану Пегрэму, который был тогда человеком, способным совершить любые чудеса в Университете, и объяснили ему, что нам нужна большая комната. И когда мы сказали, что под словом «большая» имеется в виду по-настоящему большая комната, он, может быть, и заметил саркастически, что церковь не самое подходящее место для физической лаборатории, но мне-то кажется, что как раз церковь была именно тем самым местом, которое мы искали (смех). И вот он начал рыскать по университетскому городку, а мы пробирались с ним по темным коридорам, под разнообразными отопительными трубами и т. д. в поисках комнаты для проведения эксперимента, пока, наконец, в Шермерхорн-холле не была разыскана большая комната, хотя и не церковь, но сравнимая по размеру с церковью.

Там-то мы и начали возводить сооружение, размеры которого тогда казались еще на порядок больше, чем у всего виденного нами раньше. Правда, если кто-нибудь захочет взглянуть на это сооружение сейчас, ему, вероятно, придется вытащить лупу (смех) и подойти поближе. Но по представлениям того времени оно выглядело действительно большим. Это сооружение состояло из графитовых брусков, а среди этих графитовых брусков некоторым регулярным образом располагались большие кубические банки с окисью урана.

Ну, как вы, вероятно, знаете, графит – вещество черного цвета. Окись урана – тоже. И люди, перетаскивая многие тонны обоих веществ, становятся очень черными. Вообще-то для этого нужны даже сильные люди. А мы, что ж, мы были довольно сильными, но хочу сказать, что мы были, в конце концов, мыслителями (смех). И декан Пегрэм снова разобрался в ситуации и сказал, что да, эта работа, пожалуй, не по вашим хилым силенкам, но ведь есть же в Колумбийском университете футболисты – около дюжины очень здоровых ребят, которые берутся за почасовую работу для оплаты колледжа. Почему бы не подрядить их?

Это была блестящая идея; одно удовольствие было руководить работой этих рослых ребят, упаковывающих уран, едва касаясь его пальчиками, или перебрасывающих упаковки по 50–100 фунтов так же легко, как другие передвигали бы 3–4 фунта. При перекидывании этих банок в воздухе носилась пыль и слова разных оттенков, но преимущественно черные (смех).

Вот так и росло то, что было названо в то время экспоненциальным котлом. Это был экспоненциальный котел, поскольку в его теоретическое описание входит экспоненциальная функция, что неудивительно. И это было сооружение, предназначенное для интегральной проверки, без обращения к тонким деталям, того, будет ли реактивность котла, коэффициент размножения, больше или меньше единицы. Оказалось, что он равен 0,87. Что ж, это на 0,13 меньше единицы, и это плохо. Но зато у нас появилась твердо установленная точка начала поисков: нам, по существу, надо было установить, можно ли выжать дополнительные 0,13 или, еще лучше, чуть-чуть побольше. Было ясно, что можно сделать несколько очевидных вещей. Прежде всего, я говорил вам об этих больших банках – они были сделаны из жести; а что может делать железо? Железо может только навредить, может поглощать нейтроны, а нам нужно обратное. Итак, долой банки! Далее, а как насчет чистоты материалов? Мы взяли образцы урана и с нашим физическим неумением делать химические анализы попытались выделить примеси, и они таки нашлись. Мы не знали, что представляют собой эти примеси, но выглядели они внушительно, во всяком случае, по объему (смех). Ну, а что могут делать эти примеси? Ясно, что ничего, кроме вреда, а может быть, они вредят на 13 %. Наконец, графит был чистым по стандартам того времени, когда изготовители графита не старались специально избавиться от примесей, поглощающих нейтроны. И здесь можно было добиться значительного выигрыша. В тех ранних попытках организации производства чистых материалов особая роль принадлежит Сциларду, предпринявшему ряд убедительных и решительных мер. Он делал великолепную работу, которая впоследствии перешла к более мощной организации, чем сам Сцилард. Впрочем, для того чтобы угнаться за Сцилардом, маловато одного, хотя бы и «мощного парня» (смех).

Что ж, так мы подошли к Перл-Харбору. В то время, а в действительности, мне кажется, несколько раньше инцидента, возрос интерес к проведению урановых исследований; работы, до некоторой степени аналогичные проводившимся в Колумбийском университете, были начаты в ряде других университетов по всей стране. Правительство начало принимать решительные меры по организации работы, и, конечно, Перл-Харбор дал окончательный и весьма убедительный толчок этой организации. В высших правительственных кругах было решено, что работа над цепной реакцией с неразделенными изотопами урана должна быть перенесена в Чикаго.

Вот тогда-то я покинул Колумбийский университет и после нескольких месяцев регулярных поездок из Нью-Йорка в Чикаго и обратно окончательно переехал в Чикаго для работы там, а работа в Колумбийском университете с той поры была сосредоточена, за немногими существенными исключениями, на задаче разделения изотопов для атомного проекта.

Как я уже говорил, эта работа была начата Бутом, Даннингом и Юри около 1939–1940 гг., а после упомянутой реорганизации в Колумбийском университете появилась большая лаборатория, руководимая проф. Юри. Проводившиеся в ней исследования оказались очень успешными и быстро переросли в организацию громадной исследовательской лаборатории, которая совместно с «Юнион карбид компани» приняла участие в создании некоторых разделительных заводов в Ок-Ридже. Это была одна из трех лошадей, на которых делали ставку руководители атомного проекта, и, как вы знаете, летом 1945 г. эти три лошади почти одновременно пришли к финишу. Благодарю вас. (Аплодисменты.)