Водородная бомба в ФИАНе
Водородная бомба в ФИАНе
Атомная и водородная, или ядерная и термоядерная
Чем водородная бомба отличается от атомной? И термоядерная энергия от просто ядерной? Для советских карикатуристов это различие не представило больших трудностей: у толстого американского империалиста — при неизменной толстой сигаре во рту — на бомбе под мышкой вместо буквы «A» стали рисовать «H». Даже полностью написанные слова Atomic и Hydrogen сами ни о чем не говорят и не объясняют, почему слово «супербомба» вошло в употребление только для водородной бомбы. Атомная бомба, взорванная в Хиросиме, была в 20 000 раз мощнее самой большой обычной бомбы, взорванной во время Второй мировой войны. Неужели этого недостаточно для супер?!
Отличие просто ядерного от термоядерного сыграло слишком большую роль в судьбе Сахарова и в судьбе человечества, чтобы ограничиться карикатурным или этимологическим объяснением.
Полное объяснение можно дать только на языке физики, пользуясь буквами математики. Но если бы происходящее в атомном ядре совсем ничего общего не имело с миром житейского опыта, люди не проникли бы так далеко-глубоко за пределы этого опыта.
Несколько глав назад понадобилась первая порция ядерной физики — капелька ядерной физики, чтобы объяснить, чем, собственно, атомное ядро так интересовало Тамма. Сейчас понадобится еще несколько капель. А прежде всего пригодится само понятие капли.
Если вам приходилось когда-нибудь ронять ртутный термометр и при этом вы еще были достаточно юны и беззаботны, то, скорей всего, не сразу выкинули блестящие капли ртути, а понаблюдали за ними. Вы, должно быть, заметили, что самые маленькие капельки при соприкосновении охотно сливаются, а самые большие — наоборот — столь же охотно делятся на меньшие, если их побеспокоить даже слегка. Этого наблюдения достаточно, чтобы объяснить, «стоя на одной ноге», чем водородная бомба отличается от атомной. Потому что атомные ядра похожи на капли.
В природе имеется 92 вида ядер, или химических элементов, расставленных по порядку Менделеевым. Самое маленькое ядро — водород, самое большое — уран.
Маленькие ядерные капли при соприкосновении тоже охотно сливаются, а большие охотно делятся, и это две разные ядерные реакции — слияния и деления. Слово «охотно» означает, что после слияния маленьких капель или деления больших высвобождается энергия. Сколько именно высвобождается, это уже дело формул, главная из которых — знаменитая эйнштейновская: E = mc2.
Работает эта формула так. Масса двух охотно сливающихся капелек больше массы ядерной капли, получающейся в результате их слияния. Если масса больше конечной на величину m, то при этой ядерной реакции выделяется энергия E = mc2. Аналогично, масса охотно делящейся капли больше суммы масс, на которые исходная ядерная капля разделилась.
Иногда говорят о превращении массы в энергию. Это столь же правильно, как сказать о человеке, побывавшем в магазине, что деньги, исчезнувшие из его кошелька, превратились в пакет риса, который появился у него в сумке. Разница в том, что коэффициент между деньгами и количеством зерен — цена одного зерна — может меняться от магазина к магазину. А в физике энергетическая стоимость единицы массы — величина постоянная и огромная. Эта стоимость всегда равна c2, где c — это скорость света, а она так велика, что облететь вокруг Земли свет может за долю секунды. Лебедеву когда-то пришлось исхитряться в своих экспериментах со светом именно потому, что там надо было делить на этот огромный коэффициент. А в ядерных процессах на него надо умножать. Формула E = mc2 действует во всех физических процессах, однако вне ядерной физики — даже при взрыве тротила — уменьшение массы, на которую «куплена» энергия взрыва, не больше одной миллиардной доли.
В ядерных делениях и слияниях эта доля в миллионы и миллиарды раз больше. Во столько же раз мощнее, значит, может быть ядерная взрывчатка. Надо только придумать способ, чтобы все отдельные ядерные капельки разделились или слились одновременно.
В первом случае речь идет об атомной бомбе, или бомбе деления, где ядерной взрывчаткой должно быть вещество с большими ядрами — например, уран. Во втором случае речь идет о водородной бомбе, начиненной веществом с маленькими ядрами, например, изотопами водорода — дейтерием или тритием.
Но как сделать, чтобы все отдельные ядерные капельки разделились или слились не поодиночке, а разом — коллективно?
Для реакции деления природа подсказала такой способ через несколько месяцев после открытия самого деления в 1939 году (и за несколько месяцев до начала мировой войны). Оказалось, что при делении капли уранового ядра вылетают еще и несколько брызг-нейтронов, каждая из этих «брызг» способна побудить к делению другое ядро, и так далее — пойдет цепная реакция. Надо только собрать в одном месте достаточное количество урана, и атомный взрыв, какого не видал мир, обеспечен. Но сначала надо было добыть достаточное количество этого редкого — и потому дороже золота — вещества: найти месторождения урана и очистить его в сложных процессах. Поэтому, прежде чем мир увидел такой взрыв в 1945 году, понадобились миллиарды долларов и несколько лет усилий многих тысяч людей.
Что касается ядерной реакции слияния, то она испокон веков шла перед глазами мира — в виде солнечного света и сияния других звезд на небе. По прихотливому историческому совпадению в том же самом 1939 году физики сумели объяснить, как именно энергия Солнца рождается в ходе постоянно идущего слияния ядер в солнечных недрах. В солнечной энергостанции ядерное горючее — самый распространенный элемент природы — водород, по два атома которого есть в каждой молекуле воды.
Однако воспроизвести этот естественный процесс в земных условиях оказалось гораздо труднее, чем устроить неестественный, не встречающийся в природе, процесс «коллективного» деления. Причина трудностей в том, что ядерные капли — в отличие от обычных — электрически заряжены и поэтому отталкиваются друг от друга. Это помогает делиться большим ядрам, но мешает слиянию маленьких. Соприкоснувшись, маленькие ядра очень бы энергично слились, но чтобы их «соприкоснуть», требуется огромная сила.
В земных условиях физикам удалось, разогнав отдельные ядерные капельки на ускорителе, дотронуться ими до ядер мишени и убедиться, что слияние при этом действительно происходит. Однако это лишь поштучно, а не с ощутимым количеством вещества.
Звездам, и Солнцу в их числе, справиться с этой задачей помогает гравитация — вещество в центре звезды сжато всем ее собственным звездным весом. А при температурах в миллионы градусов частицы вещества внутри звезды имеют скорости, сравнимые с теми, которые на ускорителе получаются лишь для считанных частиц.
Ядерные реакции, происходящие в таких высокотермических условиях, назвали термоядерными. Назвать-то нетрудно, а вот как воспроизвести звездные условия на Земле?
Легче ответить на вопрос, почему физики стали использовать приставку «супер» для термоядерной бомбы задолго до ее появления. Дело в том, что собирать уран в одном месте можно только до определенного предела в несколько килограммов. Этот предел называется критической массой, и если он достигнут, сама собой начинается взрывная цепная реакция деления. Для реакции слияния никаких критических масс нет, и значит, мощность термоядерного взрыва в принципе может быть как угодно большой. Сколь угодно больше чудовищного взрыва, испепелившего Хиросиму. Это и побудило говорить о супербомбе.
Специальная энергия в ФИАНе
С термоядерной суперпроблемы начал И.Е. Тамм свою статью «Внутриатомная энергия», опубликованную в газете «Правда» весной 1946 года.[170] Но для него вовсе не взрывы определяли важность проблемы:
Вряд ли можно сомневаться в том, что в не очень отдаленном будущем использование внутриядерной энергии преобразит экономическую и техническую основу человеческого существования.
Член-корреспондент Академии наук сообщил читателям «Правды», что энергия Солнца рождается ядерной реакцией, в которой «при превращении одного грамма водорода в гелий выделяется столько же энергии, сколько и при сгорании 15 тонн бензина». С 1919 года, когда Резерфорд провел первую искусственную ядерную реакцию, «в лабораторных условиях осуществлено свыше тысячи различных ядерных реакций», но «до последнего времени их практическое использование было невозможно». Возможным оказалось лишь использование внутриатомной энергии урана — в атомных бомбах, «сброшенных американцами на Японию».
Однако запасы атомной энергии в других элементах неисчерпаемы, и если мы пока не знаем путей к их использованию, то не надо забывать, что самое расщепление урана было открыто только 7 лет тому назад. Мы находимся в самом начале научного проникновения в новые, неизведанные области явлений, и необычайно бурное развитие физики, несомненно, откроет человечеству новые неожиданные возможности.
Путь к этому лежит прежде всего в развитии «отвлеченных» исследований по всему фронту физики, ибо нельзя наперед предсказать, в чем будет состоять следующий этап в процессе овладения человеком силами природы. <> Новая великая сила природы может преобразовать экономическую и техническую основу человеческого существования. Она должна быть направлена не на уничтожение, а на всеобщее благо.
Весной 1946 года «всеобщее благо» еще не успело стать рискованной космополитической целью, и тон статьи дышит оптимизмом. А содержание статьи говорит прежде всего о том, что к Советскому атомному проекту ее автор… не причастен. Потому что этот проект имел тогда одну практическую цель — сделать атомную бомбу, а не «исследования по всему фронту физики» по той лишь причине, что «нельзя наперед предсказать, в чем будет состоять следующий этап в процессе овладения человеком силами природы».
Для того чтобы сделать атомное оружие, нужны были вполне предсказанные научно-технические разработки. Человек освоил лук и стрелы задолго до изучения законов механики и сделал вполне приличный металлический топор без изучения микроскопических свойств металла. Для создания атомной бомбы был накоплен несравненно больший научный задел. Но помимо некоторых «неотвлеченных» измерений главным образом нужна была изобретательская работа — прикладная, техническая физика. К этой работе Тамма не подпускали, и вряд ли он к этому стремился. Это был не его научный хлеб.
Общий энтузиазм вызывала сама стремительность превращения отвлеченной науки в технику, а также социальный потенциал, который видел в этом социалист Тамм. Осенью 1945 года он девять раз выступал с лекцией на тему «Атомная энергия», в том числе в Доме ученых и в редакции «Правды» (из этого выступления, возможно, и возникла его статья в «Правде»). Название «Внутри-атомная энергия» имеют еще две его популярные публикации 1946 года.[171]
То, что было объектом лекционного энтузиазма у главного теоретика ФИАНа, для директора института Вавилова стало предметом более практическим. Он стремился включить свой институт в проект, что открыло бы лучшие возможности государственного финансирования для развития «всего фронта» фиановской физики. Но сделать это было непросто даже президенту Академии наук.
Хотя Курчатовский институт и назывался Лабораторией Академии наук № 2, от академии его атомная империя практически не зависела. С самого начала атомного проекта — с 1943 года — Курчатов опирался на ленинградцев, «выпускников» школы Иоффе. Помимо естественно возникших в физтехе личных связей, у Курчатова и не было особых причин привлекать фиановских теоретиков. Они ведь были ориентированы на фундаментальные проблемы, а в проекте речь в сущности шла о прикладной физике, где физтеховская школа не имела себе равных в стране.
Вавилову вначале — с 1944 года — удалось лишь вовлечь нескольких фиановцев во вспомогательные урановые исследования. Среди них был соавтор Тамма по нобелевской работе 1937 года — И.М. Франк. В ФИАНе появились две секретные комнаты, куда другие сотрудники не заходили.[172]
Спецслужбы, разумеется, как и по всей стране, делали свое дело и бдительно проверяли и перепроверяли кадры. В 1946 году Тамм заполнил очередную огромную анкету. Он сообщил, что его брат Леонид, арестованный в Москве осенью 1936 года, «погиб в заключении в 1942 г.» и что отец, арестованный в 1944 году, был оправдан за отсутствием состава преступления.
Президент академии Вавилов не входил в руководящие структуры проекта, но нередко участвовал в заседаниях его Научно-технического совета. В апреле 1946 года он сам представил записку «Об организации исследований в разных областях науки в связи с проблемой использования энергии атомного ядра» — первое конкретное предложение по мирным применениям ядерной энергии.[173]
Еще более прямое свидетельство его усилий — фиановский документ, датированный 24 сентября 1947 года и адресованный в Госплан. Это обширный перечень научных задач и объяснительная записка к нему.[174] На документе есть обычная для секретного делопроизводства пометка о том, что черновик уничтожен, заверенная подписью И.М. Франка, причастного, стало быть, к этому. Сам документ — анонимный, и значит, высоко официальный, видимо, он сопровождался письмом С.И. Вавилова.
Документ озаглавлен невинно «Основные проблемы научно-исследовательской работы», но уже из первых строк ясно, что это за проблемы:
Исследование расщепления тяжелых элементов и возможности их использования для получения спец. энергии, исследование реакций легких элементов и возможности использования их синтеза для получения спец. энергии.
Речь идет, попросту говоря, или читая глазами Берии, об атомной и водородной бомбах.
Остальные проблемы касаются «всего фронта физики» — от теории ядерных сил до астрофизики, и от теоРии вычислительных машин до биофизики.
Перечень «Основных проблем» сопровождала объяснительная записка, в содержании которой можно опознать Руку Тамма. По поводу второго вида спецэнергии сказано лаконично:
Синтез легких элементов, несомненно, является одним из источников звездной энергии. Однако пути практического осуществления такого синтеза в лабораторных условиях сейчас неизвестны.
ФИАН предлагал не сбрасывать со счетов и еще один возможный источник спецэнергии —
возможность использования внутренней энергии самих элементарных частиц, из которых построено ядро, в процессах, аналогичных известному для аннигиляции позитрона электроном.
Только очень чистый и оптимистичный теоретик мог написать такое. Аннигиляция вещества и антивещества, если бы ее можно было всунуть в бомбовую оболочку, дала бы право на название «макси-бомба». Эффективность бомбы определяет доля массы, превращающейся в энергию по формуле E = mc2. Для урановой бомбы деления — это десятые доли процента, для водородной бомбы слияния — процент, а для аннигиляционной бомбы это практически 100%, потому и макси. Только одна закавыка — совершенно не понятно, как ее сделать. Зато макси-бомба была бы гораздо ближе к теории элементарных частиц, о которой мечтали теоретики. Так что макси-бомба, даже если она и недостижима, помогла бы заниматься замечательно интересными вещами — почему, скажем, электрон в 1836 раз легче протона.
Усилия Вавилова оказались не напрасны. 10 июня 1948 года постановление правительства обязало ФИАН
Организовать исследовательские работы по разработке теории горения вещества «120» по заданиям Лаборатории № 2 АН СССР (тт. Харитона и Зельдовича), для чего в двухнедельный срок создать в Институте специальную теоретическую группу работников под руководством чл.-кор. АН СССР Тамма и д. ф.-м. н. Беленького (зам. руководителя группы) и с участием акад. Фока.[175]
«120» — это кодовое обозначение дейтерия, а «горение дейтерия» — это термоядерное слияние легких ядер.
Президент академии не знал, что достигнуть цели — «в двухнедельный срок» — помог ему Клаус Фукс.
13 марта 1948 года в Англии Фукс встретился с советским разведчиком и передал ему сведения, относящиеся к супербомбе. Это была не первая такая передача. Первая произошла осенью 1945 года, когда Фукс еще работал в американском Лос-Аламосе. В июне 1946 года он вернулся в Англию и только весной 1948-го сообщил более подробные сведения об американских работах, возможно добавив к этому собственные мысли. появившиеся после отъезда из Лос-Аламоса.
20 апреля 1948 года русский перевод фуксовских материалов попал на стол Берии, и тот поручил их анализ Курчатову. Заключения, представленные 5 мая, стали основой решений правительства 10 июня. Новые разведданные. казалось, говорили о существенном американском продвижении и помалкивали о том, что продвижение это произошло до лета 1946-го, когда Фукс покинул США. Разведка, передавая научно-техническую информацию, укрывала источники — когда и от кого информация пришла.
Фукс считал перспективы супербомбы более реальными, чем они фактически были в ! 948 году в США. Он уже не был свидетелем того, что американские работы фактически застопорились. Американская атомная монополия не побуждала американское правительство заботиться о сомнительном проекте супербомбы.
А советское руководство, встревоженное сообщением об американском продвижении, отнеслось к нему всерьез и обязало Курчатова проверить — с участием ФИАНа — данные о возможности водородной бомбы. При этом тем не менее непроверенной возможности присвоили название РДС-6. Тогда больше года оставалось до экспериментальной проверки атомной бомбы, имевшей название РДС-1. Сохранились две народные расшифровки обозначения РДС — реактивный двигатель Сталина и Россия делает сама — по-разному неточные: в атомной бомбе не было ничего реактивного, и Россия делала ее при существенной, хотя и неявной, помощи США.
ФИАНовской группе надлежало работать «по заданиям тт. Харитона и Зельдовича». Юлий Харитон был научным руководителем КБ-11 — конструкторского бюро по разработке ядерного оружия, расположенного далеко от Москвы. Яков Зельдович был главным теоретиком советской атомной бомбы и к тому времени уже работал в КБ-11. К нему еще в 1945 году попала первая порция американских «секретов» о водородной супербомбе, и с 1946 года его группа в московском Институте химической физики начала изучать спецэнергию легких ядер. Однако главной для Зельдовича, как и для всего Советского атомного проекта, оставалась работа над атомной бомбой.
И вот в июне 1948 года в помощь группе Зельдовича создавалась теоретическая группа Тамма в вавиловском ФИАНе. Но, может быть, эта группа возникла вовсе не из-за усилий Вавилова, а только благодаря развединформации от Фукса? Просто потому что не было других теоретиков, способных помочь Зельдовичу?
Это не так. Еще в сентябре 1945 года Яков Френкель, главный теоретик в Ленинградском физтехе, написал письмо Курчатову:
Представляется интересным использовать высокие — миллиардные — температуры, развивающиеся при взрыве атомной бомбы, для проведения синтетических реакций (например, образование гелия из водорода), которые являются источником энергии звезд и которые могли бы еще более повысить энергию, освобождаемую при взрыве основного вещества (уран, висмут, свинец).[176]
Хотя Френкель не знал, что тяжелые ядра висмута и свинца не могут делиться, как уран, он фактически предложил принцип термоядерной бомбы в самой схематической форме: с помощью атомного взрыва создать звездные условия, в которых пойдет и звездная реакция слияния легких ядер. Во всяком случае Френкель, выдающийся физик, автор важной работы 1939 года по делению ядер, своей термоядерной инициативой делал себя, казалось бы, реальным кандидатом в термоядерный проект; Однако о нем не вспомнили, когда правительство решило организовать дополнительную теоретическую группу.
А ведь это книги Френкеля по квантовой механике и теории относительности увлеченно читал студент Сахаров. Помимо своих книг, Френкель был известен широтой физического захвата, легкостью на подъем мысли по весьма разным поводам — от физики ядра до искрения трамвайных дуг. Такие качества важнее для оружейно-ядерного дела, чем концентрированное внимание Тамма к первоосновам материи. Так думал, похоже, главный теоретик Американского атомного проекта Ганс Бете, который в статье 1946 года о перспективах создания атомной бомбы в других странах указал срок — 5 лет и назвал имена Капицы, Ландау и Френкеля (а не Тамма) как потенциальных отцов» советской атомной бомбы.[177]
Френкель и Тамм были ровесники, сходного научного статуса и близко дружили с начала 20-х годов. Почему же в помощь Зельдовичу взяли Тамма, а не Френкеля? Руководство вряд ли знало, что один из аспирантов Тамма с трудом оторвался от изобретательства в патронной технике ради чистой физики и что он так идеально подходит для нового задания, в котором техническое изобретательство должно было сочетаться с чистой наукой.
Главной причиной, похоже, была именно настойчивость президента Академии наук и директора ФИАНа Вавилова. Курчатов должен был реагировать на разведданные, полученные от Берии. И при этом мог пойти навстречу президенту академии. Тем более что проблема водородной бомбы после двухлетних усилий группы Зельдовича выглядела малообещающе, а задача создания атомной бомбы требовала главного внимания. Да и роль, отводившаяся группе Тамма, была сугубо вспомогательной — работать по заданиям Зельдовича.
«…чрезвычайно остроумна и физически наглядна». Первая и вторая идеи
Сахаров, как уже говорилось, дважды отказался от искушения покинуть ФИАН ради атомного проекта. В 1948 году проект сам пришел в ФИАН, и для Сахарова это выглядело так:
Игорь Евгеньевич Тамм с таинственным видом попросил остаться после семинара меня и другого своего ученика, Семена Захаровича Беленького. <> Он плотно закрыл дверь и сделал ошеломившее нас сообщение. В ФИАНе по постановлению Совета Министров и ЦК КПСС создается исследовательская группа. Он назначен руководителем группы, мы оба — ее члены. Задача группы <> — проверка и уточнение тех расчетов, которые ведутся в Институте химической физике в группе Зельдовича. <>
Через несколько дней, опрпвившись от шока, Семен Захарович меланхолически сказал:
— Итак, наша задача — лизать зад Зельдовича.
По этой реакции самостоятельного и не чрезмерно честолюбивого исследователя, доктора наук Беленького, можно сулить о несамостоятельности фиановской задачи. Вскоре в группу включили еще троих учеников Тамма — доктора наук Виталия Гинзбурга и аспирантов Юрия Романова и Ефима Фрадкина.
Одна из причин, по которой в группу Тамма включили Сахарова, зафиксирована в тексте упомянутого правительственного постановления: «предоставить в первоочередном порядке» жилье семерым участникам работ, в том числе, последним в списке «Сахарову А.Д. (комнату)».[178]
Что это означало для него? Безмерное счастье площадью в 14 квадратных метров.
Обеденного стола у нас не было (некуда было поставить), мы обедали на табуретках или на подоконнике. В длинном коридоре жило около 10 семей и была одна небольшая кухня, уборная на лестничной площадке (одна на две квартиры), никакой ванной, конечно. Но мы были безмерно счастливы. Наконец у нас свое жилье, а не беспокойная гостиница или капризные хозяева, которые в любой момент могли нас выгнать. Так начался один из лучших, счастливых периодов нашей семейной жизни с Клавой.
Лето 1948 года запомнилось Сахарову семейным благополучием в деревенском доме на берегу канала Москва— Волга, «блеском воды, солнцем, свежей зеленью, скользящими по водохранилищу яхтами» и напряженной работой в комнате теоротдела ФИАНа.
Тот мир, в который мы погрузились, был странно-фантастическим, разительно контрастировавшим с повседневной городской и семейной жизнью за пределами нашей рабочей комнаты, с обычной научной работой.
Наиболее видимый контраст был связан с секретностью.
Нам была выделена комната, куда, кроме нас, никто не имел права входить. Ключ от нее хранился в секретном отделе. Все записи мы должны были вести в специальных тетрадях с пронумерованными страницами, после работы складывать в чемодан и запечатывать личной печатью, потом все это сдавать в секретный отдел под расписку. Вероятно, вся эта торжественность сначала немного нам льстила, потом стала рутиной.
И все же необычно секретная эта работа была очень интересной. Ведь теоретики, вооруженные бумагой, карандашом и своими невидимыми математическими инструментами, попадали, можно сказать, в звездные недра и должны были научиться предсказывать, как поведет себя вещество при температурах в десятки миллионов градусов, недостижимых в лаборатории. Поэтому практической проверкой их расчетов мог стать только сам термоядерный взрыв — или невзрыв.
В подобных звездных условиях на первый план выходили самые глубинные законы природы, а частности и особенности, усложняющие физику повседневной реальности, отступали на второй план, а то и вовсе за сцену. Это упрощало жизнь теоретиков и в то же время ставило захватывающе новые задачи. «Превосходная физика», сказал о ядерном взрыве Энрико Ферми, превосходный физик по другую сторону железного занавеса.[179] Сахаров о том же выразился еще сильнее: «рай для теоретика».
Что же конкретно они делали в этом раю?
От Зельдовича фиановские теоретики получили конструкцию будущей водородной бомбы, точнее — схему конструкции. Это была труба, заполненная термоядерным горючим — дейтерием. В одном конце трубы помещался запал — атомная бомба. Предполагалось, что атомный взрыв подожжет термоядерную реакцию и та распространится дальше по трубе — «сама пойдет, подернет, подернет, да ухнет». Чем длиннее труба, тем сильнее ухнет.
С этой схемой в группе Зельдовича возились уже два года — без успеха. Можно было и дальше пробовать разные варианты, меняя размеры трубы, состав вещества в ней и рассчитывая процессы заново.
В такие расчеты сначала и погрузился Сахаров. Но уже через пару месяцев он почувствовал себя изобретателем и придумал совершенно другую конструкцию. Она была наглядно другой. Уже не труба, а шар. Сферические слои образовывали нечто вроде ореха, в котором ядрышко — атомная бомба, окруженная хитрой скорлупкой, несколькими разными слоями вещества. Поэтому сахаровскую конструкцию назвали Слойкой. Как будто специально для секретности. Ведь в русском языке слойка — это булочка из слоеного теста. Само название ничуть не помогает понять рецепт этой термоядерной булочки.
Сахаров придумал свой рецепт, опираясь на основные законы физики.
Чтобы помочь легким ядрам слиться, надо, как уже говорилось, их сблизить, сдавить. И без долгого изучения физики можно понять, что давление в некоем сосуде тем больше, чем больше там окажется частиц вещества, в этом легко убедиться, надувая резиновый воздушный шар. В данном случае «больше частиц вещества» означает «больше молекул воздуха». При этом не имеет значения устройство самой молекулы, что, скажем, молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов, в каждом из которых имеется ядро и восемь электронов. Все эти микрочастицы надежно упакованы внутри молекулы, и стенка воздушного шарика об их существовании не подозревает. Давление зависит только от числа свободно путешествующих молекул.
Запал, с которого начинается взрыв термоядерной Слойки, — атомная бомба. Перед глазами сразу возникает картина страшного грибовидного облака (хотя к 1948 году такие грибы еще не росли на территории СССР). Облако это образуется спустя секунды после взрыва, а Сахаров размышлял над тем, что происходит через микросекунды после начала взрыва, — после того как атомная зажигалка щелкнет. Микросекунда — это миллионная доля секунды, или, можно сказать, миллионная доля мига, если мигом называть время, за которое глаз успевает мигнуть. Сахаров придумал устройство, вся работа которого занимает считанные микросекунды.
В Трубе Зельдовича — сигаре, заполненной дейтерием, — атомная зажигалка приставлялась с краю. В сферической сахаровской Слойке зажигалка помешена в ее центре. Атомный заряд окружен слоем легкоядерного вещества, способного к слиянию (как дейтерий). А следующий слой Сахаров предложил сделать из вещества с тяжелыми ядрами и, соответственно, с большим числом электронов в каждом атоме. Например, из свинца, каждый атом которого содержит 82 электрона.
Взрыв атомной сердцевины выплескивает огромную энергию в виде вспышки радиации — нейтронов, фотонов и других частиц. Этот всплеск излучения на своем пути наружу за микросекунды превращает свинцовый слой не просто в пар, а в плазму — состояние вещества, в котором все внутриатомные связи разрываются. Мощное излучение отрывает электроны атома от ядра, и вместо одной частицы — атома свинца — получается 83: его ядро и 82 электрона. Но если число частиц выросло мгновенно в 83 раза, то и давление вырастает во столько же раз.
Огромное давление в слоях свинца сжимает прилегающий водородный слой, нагретый тем же излучением до звездных температур, и в водороде зажигается звездная — термоядерная — реакция слияния ядер. Это и есть взрыв водородной бомбы.
Способ сдавливания, придуманный Сахаровым, его термоядерные коллеги назвали «сахаризацией». Подсахаренная Слойка уже в первых теоретических эскизах выглядела очень аппетитно. Но рецепт Слойки стал еще более обещающим после того, как — всего спустя несколько недель — удачную начинку к ней придумал Виталий Гинзбург. Он придумал новое вещество для «водородного» слоя.
Необходимость водорода для водородной бомбы очевидна только на словесном уровне. А на уровне физики этот элемент в водородной бомбе вообще не используется. Водород — самый легкий элемент, но не самый склонный к слиянию. Условия, в которых слияние может идти, сильно различаются для разных ядер, и достижимее всего слияние не самого водорода, а его изотопов — дейтерия и трития, D и T.
Дейтерий, хоть и в малом количестве, подмешан ко всякому природному водороду и выделять его в чистом виде научились еще в довоенные годы. Потому-то в постановлении правительства в июне 1948 года говорилось о «горении дейтерия». Трития в природе практически нет вовсе, и получать его очень трудно, точнее, дорого. К тому же тритий — радиоактивен и, уже добытый, распадается со временем. Свойства дейтерия, и тем более трития, были недостаточно изучены, чтобы проводить точные расчеты. Однако точно было известно, что дейтерий и тритий — газы. Как же из газа сделать слой, окружающий центральный атомный шар в Слойке? Трудно.
Гинзбург предложил использовать для «водородного» слоя гораздо более удобное вещество — твердое и нерадиоактивное — химическое соединение дейтерия с литием — дейтерид лития, в химических символах LiD. К этим символам вскоре прибавили совсем нехимический суффикс и за новым термоядерным веществом закрепилось ласковое женское имя LiDочка.
Литий — тоже легкий элемент, но LiDочка — это уже не газ, а твердое вещество, с которым проще иметь дело. Однако Гинзбург преложил LiDочку по другой причине и сам не сразу понял, насколько новая термоядерная взрывчатка хороша. Для него вначале главным было то, что литий, облученный нейтронами от первичного атомного взрыва, добавляет некоторое количество энергии и тем самым дополнительно разогревает термоядерный слой, делая его более способным к слиянию ядер. То есть он говорил о реакции
Li6+n?T+He4 +4,8 МэВ
Литий+нейтрон?Тритий+Гелий+Энергия
и главное внимание обращал на слагаемое «энергия». Спустя несколько месяцев он догадается, что гораздо важнее слагаемое «тритий».
Свое предложение Гинзбург сформулировал в своем спецотчете, датированном 20 ноября 1948 года, и в этом же отчете впервые упомянул сахаровскую Слойку. Сам Сахаров изложил свою идею Слойки и соответствующие вычисления только в отчете от 20 января 1949 года.
Для вычислений, помимо математики, нужна была экспериментальная физика, — надо было измерить взаимодействие надлежащих ядер. Тогда знали уже неплохо, как взаимодействуют ядра дейтерия друг с другом, то есть чему равно D+D. А тритий был слишком нов. Экспериментаторы получили от теоретиков задание, но сами измерения требовали времени. Как написал Сахаров в своем отчете, «реакции D+T и T+T экспериментально не изучены, и все суждения об их сечениях гадательны». В ожидании результатов измерений Сахаров предположил, что D+T взаимодействуют примерно так же, как D+D.
Из этого же исходил Гинзбург в отчете «Использование Li6D в Слойке» 3 марта 1949 года. Теперь, однако, он обратил внимание на то, что LiDочка при облучении во время запального атомного взрыва производит тритий, который тут же может пойти в дело как термоядерное горючее. То есть можно не накапливать заранее дорогой, неудобный в обращении и радиоактивный тритий, а положить в бомбу гораздо более удобный полуфабрикат, из которого начальный атомный взрыв сам приготовит все, что нужно для взрыва термоядерного.
Если бы только фиановские теоретики знали, что на самом деле D взаимодействует с T в сотню раз охотнее, чем с D, что это взаимодействие уже давно измерено их американскими коллегами и что благодаря Клаусу Фуксу результаты этих измерений уже около года находятся в сейфе у Берии…
Только убедившись, что фиановцы сделали теоретический прорыв, руководство решило сообщить им эти разведданные, и 27 апреля сообщили Тамму данные американских экспериментов о взаимодействии D+T безо всякой ссылки на источник.
В таких предосторожностях, однако, уже не было надобности, — эти данные были рассекречены в США и опубликованы в главном тогда физическом журнале Physical Review за две недели до того, 15 апреля 1949 года! Познакомившись с этой публикацией, Гинзбург понял, что предложенная им термоядерная взрывчатка в сто раз лучше, чем он думал.
8 мая Ю.Б. Харитон в своем заключении поддержал работы по Слойке, отметив, что «основная идея предложения чрезвычайно остроумна и физически наглядна».[180]
Сахаров мог быть доволен собой. Хотя заместитель Зельдовича — А.С. Компанеец — усомнился сначала в его проекте, сам Зельдович «мгновенно оценил серьезность» нового предложения. Было решено, что группа Тамма занимается исключительно Слойкой, а группа Зельдовича продолжает работу по Трубе и одновременно помогает фиановцам. Так что ситуация, которая так удручала Беленького вначале, изменилась радикально.
Сейчас еще легче оценить физическую интуицию Сахарова. Много позже он догадался, что основная идея проекта Трубы была «цельнотянутой», т.е. основанной на разведывательной информации. И тогда в 1948 году никто не знал, что американцам понадобится еще два года, чтобы признать тупиком их прототип — Классический супер. А советскую версию — Трубу — закроют лишь через пять лет.
«Цельнотянутое» описание американского Классического супера, приготовленное в отделе Судоплатова в январе 1946 года, с рукописным пояснением Я. Зельдовича
Так что если бы детальные данные, предоставленные Фуксом весной 1948 года, сообщили фиановцам, то это скорее помешало бы им увидеть тупиковость этой схемы. Само содержание сообщений Фукса подтверждает независимость Слойки, поскольку они не имеют ничего общего.
Итак, фиановский проект термоядерной бомбы родился незапланированно и, можно сказать, вне атомного проекта, в некотором смысле случайно. Впрочем, в той же мере случайно делаются и открытия в чистой науке.
Главную причину успеха — человеческий фактор — обсуждать нечего: таланты необъяснимы. Можно говорить об условиях, в которых таланты действовали. Таммовская группа продолжала жить обычной научной жизнью: семинары, научные новости. И прикладные бомбовые проблемы они рассматривали в том же свободном духе, что и чисто теоретические.
Это проявилось уже на «филологическом» уровне — сравним фиановские термины Слойка и Лидочка с официальным РДС (в обеих дошедших до наших дней расшифровках: реактивный двигатель Сталина или Россия делает сама) и с Трубой, сухо обозначающей геометрию. Американским физикам хватало чувства юмора ввести в чистой физике термины «кварк», «странность» и «очарование», однако в бомбовой физике, делавшейся за высокими стенами Манхэттенского проекта, в употребление вошли гораздо более претенциозные термины Classical Super и Alarm Clock — Классический супер и Будильник (буквально — Часы с сигналом тревоги), предназначенный разбудить человечество. Быть может, такая серьезность способствовала укоренившемуся английскому переводу сахаровской Слойки — Layer Cake. А дешевая булочка-слойка — это вам не слоеный торт.
Руководитель группы Тамм во многом определял свободный и дружный характер фиановских термоядерных поисков. Его неизлечимый энтузиазм помог преодолеть ощущение безнадежности, характерное для термоядерной проблемы в 1948 году.[181]
Осталось только сказать, что слова «слойка» и «лидочка», не говоря уже об их физическом смысле, оставались секретными до конца жизни Сахарова, — их рассекретили только после его смерти, в 1990 году, для мемориального выпуска журнала «Природа».[182] Поэтому Сахаров в «Воспоминаниях» ограничился только следующим:
По истечении двух месяцев [после образования группы Тамма в июне 1948 года] я сделал крутой поворот в работе; а именно, я предложил альтернативный проект термоядерного заряда, совершенно отличный от рассматривавшегося группой Зельдовича по происходящим при взрыве физическим процессам и даже по основному источнику энерговыделения. Я ниже называю это предложение «1-й идеей».
Вскоре мое предложение существенно дополнил Виталий Лазаревич Гинзбург, выдвинув «2-ю идею».
Что ощущал Сахаров, занимаясь термоядерным изобретательством? Об этом он вспоминал спустя три десятилетия:
Термоядерная реакция — этот таинственный источник энергии звезд и Солнца в их числе, источник жизни на Земле и возможная причина ее гибели — уже была в моей власти, происходила на моем письменном столе!
Действительно ли он уже в 1948 году думал о гибельности термоядерной энергии для родной планеты? Мысль эта лишь в конце 50-х годов стала «тривиальной», после того как термоядерные взрывы произошли на испытательных полигонах США и СССР. А в самые первые годы ядерного века только наиболее прозорливые физики-теоретики осознали, что это не просто новая мощная бомба, а оружие конца света.
В 1948 году Эйнштейн поставил вопрос так:
Неужели действительно неизбежно, что из-за наших страстей и унаследованных обычаев мы обречены уничтожить друг друга до конца, так что не останется ничего заслуживающего сохранения?[183]
Этот вопрос прозвучал в статье Эйнштейна в ответ на открытое письмо четырех советских ученых. И хотя статью Эйнштейна не опубликовали в советской прессе, призрак гибели человечества уже ходил по миру. На свой вопрос Эйнштейн дал и ответ:
Цель избежать всеобщего взаимоуничтожения должна иметь приоритет над всеми другими целями.
В то время, однако, к такому ответу не были готовы обе стороны мирового противостояния.
Сахаров рассказал о своем отношении «к моральной, человеческой стороне того дела», в котором он участвовал, и свою «всепоглощенность» этим делом в первые годы:
Главным для меня и, как я думаю, для Игоря Евгеньевича и других участников группы было внутреннее убеждение, что эта работа необходима.
Я не мог не сознавать, какими страшными, нечеловеческими делами мы занимались. Но только что окончилась война — тоже нечеловеческое дело. Я не был солдатом в той войне — но чувствовал себя солдатом этой, научно-технической. <> Со временем мы узнали или сами додумались до таких понятий, как стратегическое равновесие, взаимное термоядерное устрашение и т. п. Я и сейчас думаю, что в этих глобальных идеях действительно содержится некоторое (быть может, и не вполне удовлетворительное) интеллектуальное оправдание создания термоядерного оружия и нашего персонального участия в этом. Тогда мы ощущали все это скорей на эмоциональном уровне. Чудовищная разрушительная сила, огромные усилия, необходимые для разработки, средства, отнимаемые у нищей и голодной, разрушенной войной страны, человеческие жертвы на вредных производствах и в каторжных лагерях принудительного труда — все это эмоционально усиливало чувство трагизма, заставляло думать и работать так, чтобы все жертвы (подразумевавшиеся неизбежными) были не напрасными. <> Это действительно была психология войны.
Психологию войны создавала советская пропаганда, и ей было из чего создавать. В 1949 году знаменитый философ и математик Бертран Рассел, вовсе не ястреб и не служащий военно-промышленного комплекса, написал:
Если только советское правительство не изменит своей позиции, что не кажется вероятным, боюсь, мы должны заключить, что никакого подхода к объединению не возможно до следующей мировой войны. <> Если — вопреки тому, на что я в глубине надеюсь — только война способна предотвратить всеобщую победу коммунизма, я, со своей стороны, принял бы войну несмотря на все разрушения, которые она должна повлечь.[184]
Шесть лет оставалось до манифеста Эйнштейна-Рассела 1955 года, с которого началось Пагуошское движение ученых за мир и ядерное разоружение. Это шестилетие вместит в себя рождение водородной бомбы и смерть Сталина.
Президент Академии наук и инженер по ржавчине
По воле истории изобретение фиановской водородной бомбы происходило на фоне лысенковского разгрома биологии и аналогичной угрозы, нависшей над советской физикой. В то время когда Сахаров писал отчет о Слойке, его ближайший соучастник по термоядерному делу, заклейменный «низкопоклонник» Гинзбург готовил выступления на Всесоюзном совещании.
15 января 1949 года Гинзбург направил С.И. Вавилову семнадцатистраничный текст своего выступления с запиской:
Мне казалось уместным направить Вам текст моего предполагаемого выступления в прениях по Вашему докладу. Это выступление было мне предложено сделать, и предлагаемый его проект обсуждался у нас в ФИАНе.[185]
Три четверти выступления Гинзбурга посвящены «философии современной физики», последняя четверть — «вопросу о борьбе за честь, достоинство и приоритет советской науки». Гинзбург признал и «себя повинным» в том, что «писал работы и не задумывался над тем, не забыл ли где-либо указать или подчеркнуть приоритет отечественной работы». А заканчивается его выступление цитатой из Сталина: «Не только догнать, но и превзойти в ближайшее время достижения науки за пределами нашей страны».
Это Гинзбург писал, «догоняя и превосходя» Запад по термоядерному делу и обеспечив, в частности, отечественный приоритет в применении LiDочки.
Тяжелее было главному докладчику — Вавилову. Ему, президенту Академии наук, пришлось дважды переделывать свой доклад, подбирая идеологические формулы, удовлетворяющие надсмотрщиков из ЦК. Вавилов-президент мог благодарить себя — директора ФИАНа — бомбовые успехи его теоретиков помогли избежать этого позора: совещание отменили, и все три варианта его доклада отправились в архив.
Избежал, однако, Вавилов только этого позора. Главного организатора совещания — усердного научного чиновника, замминистра высшего образования — сразу же сделали главным ученым секретарем академии, и только спустя несколько месяцев «оформили» избрание этого выдающегося деятеля советской науки сразу в академики, минуя ступень члена-корреспондента. А 24 мая 1949 года Вавилов председательствовал на заседании Ученого совета «О космополитических ошибках, допущенных сотрудниками ФИАНа». Одним из «выявленных» четырех космополитов был Гинзбург. Вавилов называл грешников по имени-отчеству, грешники произнесли полагавшиеся ритуальные слова, и на этом для них все кончилось. Но не для Вавилова.
В 1949—1950 годах журнал «Доклады АН СССР» поместил четыре статьи некоего Знойко.[186] В журнале, предназначенном для срочной публикации новых, сжато изложенных результатов, читаем:
81 год тому назад великий русский химик Д.И. Менделеев сформулировал основной, естественный закон природы. <> Как известно, гениальные предсказания Д.И. Менделеева сбылись. <> Как известно, одному из авторов этой статьи (А.П. Знойко) удалось найти зависимость между изменяющимися свойствами ядер, удельным зарядом последних и их структурой. <> Ясно видна глубина менделеевского метода — метода, стимулирующего развитие химии атомов и физики ядер, метода, с помощью которого науке сегодняшнего дня удается дальше проникнуть в тайны природы. <> За элементом 96 идет элемент 97 [а вы как думали?], который за два года до своего получения [американскими физиками] был предсказан на основе открытия периодической системы атомных ядер с помощью менделеевского метода. Этому элементу мы предлагаем дать название «менделевий» и установить символ Md.
В «Докладах АН» статьи публиковались только по представлению членов академии. Кто же представил наукоподобную ахинею Знойко?
Сам главный редактор и президент Академии наук Сергей Вавилов.
Неизвестно, какие силы для этого удалось мобилизовать ныне безвестному Знойко. Но силы эти, несомненно, были очень велики, если в сентябре 1949 года сорокадвухлетний инженер, специалист по коррозии в черной металлургии, то есть по ржавчине, стал заведовать в Московском университете секретной ядерной лабораторией, созданной специальным постановлением правительства.[187] Он же возглавил уникальный по названию «эмпирический отдел» этой лаборатории. Ему бы еще научную биографию, сопоставимую с лысенковской, и… за эмпирическую историю советской физики трудно было бы поручиться.
Как мог Сергей Вавилов нести столь тяжкое бремя стыда — быть президентом сталинской Академии наук?
В ноябре 1948 года он получил открытое письмо от Генри Дэйла — президента Лондонского Королевского общества (английской Академии наук). Английский биолог и нобелевский лауреат просил исключить его из числа иностранных членов советской академии. Происшедший незадолго до того лысенковский погром советской биологии поставил жирную точку на истории загадочного исчезновения Николая Вавилова, иностранного члена британской Академии наук. В письме из Англии брат Николая Вавилова прочитал:
Данный текст является ознакомительным фрагментом.