Подготовка к войне

В начале лета 1941 года угроза войны становилась все более ощутимой. Особенно остро ее ощущали ученые. Их международные контакты оборвались. Вот уже более пяти лет беженцы из гитлеровской Европы находили работу в американских университетах, нередко занимая руководящие должности. Те же, кто приезжал позднее, рассказывали страшные истории о концентрационных лагерях и терроре. Ученые начали заниматься военными разработками задолго до того, как японцы нанесли воздушный удар по Перл-Харбор. Канадский коллега Фейнмана вернулся на родину, чтобы вступить в королевские военно-воздушные войска. Остальные, казалось, тихо куда-то ускользали: на секретных предприятиях, разрабатывающих военные технологии, ученые занимали должности консультантов, инженеров и членов технических комиссий. Война распространялась и на область физики. Когда ученым по закрытым каналам сообщили о битве за Британию, в новостях прошла информация об устройстве, которое позволяло обнаруживать самолеты, улавливая отраженные ими радиоволны. Тогда радар еще не имел своего названия. Прошел слух о том, что использование новейших математических разработок и электромеханических устройств позволило взломать секретный шифр. Физиков встревожили публикации, в которых сообщалось, что сотрудники Института кайзера Вильгельма, располагавшегося в окрестностях Берлина, открыли ядерное деление, при котором в результате цепной реакции может высвободиться огромная энергия, но что для создания такой бомбы потребуется большое количество редкого изотопа урана-235. Насколько большое? В Принстоне называли цифру в сто килограммов, то есть больше стандартной массы человеческого тела. Казалось, получить такое количество урана невероятно сложно, практически невозможно, ведь в природе существовало крайне мало урана-235 в чистом виде. Единственный удачный эксперимент по выделению радиоактивного изотопа в превышающем микроскопическую величину количестве провели в Норвегии, в то время находившейся под военной оккупацией немецких войск. И там же на заводе водоопреснительная установка кропотливо трудилась над производством «тяжелой», обогащенной дейтерием (изотопом водорода) воды. Но уран был далеко не водой.

Ученые выхватывали обрывки интересующей их информации из обычных разговоров или вдруг обнаруживали, что оказались вовлеченными в секретную деятельность. В то время как Фейнман оставался по большей части в стороне, его руководитель профессор Юджин Вигнер уже два года был участником «венгерского заговора» и вместе с Лео Силардом[99] и Эдвардом Теллером[100] способствовал тому, что Эйнштейн, а через него и президент Рузвельт узнали о возможности создания бомбы. («Я сам никогда бы не подумал об этом!» — сказал Эйнштейн Вигнеру и Силарду.) Другой преподаватель Принстонского университета, Роберт Уилсон, оказался вовлечен в события, которые начались с телеграммы от Эрнеста Лоуренса, бывшего его наставником, когда он работал на циклотроне в Беркли. В МТИ на мероприятии, проводимом под видом обычного научного собрания, Уилсон и несколько его коллег узнали о формировании новой лаборатории — Радиационной лаборатории МТИ. Лаборатории поставили задачу, используя опыт британских ученых по созданию радара, разработать новую технику, которая позволит направлять корабли, выставлять прицелы, обнаруживать подводные лодки и в целом переломить ход войны. Идея заключалась в создании установки, позволяющей излучать в виде импульсов столь мощные радиоволны, чтобы можно было зафиксировать отраженные от цели эхо-сигналы. На начальной стадии разработки радара использовали волны длиной более девяти метров, при этом требовались огромные антенны, и разрешение было низким. Стало очевидным, что практичнее использовать в радаре волны длиной порядка нескольких сантиметров, то есть близкие к микроволнам. Появилась необходимость в новом электронном оборудовании, способном вырабатывать более высокочастотные сигналы высокой мощности и при этом быть менее громоздким. Британские ученые изобрели магнетрон — прибор, способный излучать настолько сконцентрированные пучки микроволновых лучей, что с их помощью можно было прикурить сигарету. Этого оказалось достаточно, чтобы поразить американцев. («Это же просто, — говорил Исидор Раби первой группе физиков, собравшейся около опытного экземпляра британского прибора. — Это буквально как свисток». — «Хорошо, Раби, — отозвался один из присутствующих, — как же этот свисток работает?») Ученые начали заниматься подобными разработками задолго до того, как Америка признала неизбежность конфликта. Уилсон согласился принимать участие в разработках Радиационной лаборатории, хотя и прославился в Беркли как пацифист. Но как только он собрался покинуть Принстон, Вигнер и заведующий кафедрой Смит решили, что пришло время ввести его в курс еще одного весьма важного дела. Они рассказали Уилсону, что Принстон вскоре примет непосредственное участие в проекте по разработке ядерного реактора. И, естественно, объяснили, почему.

Укрепление довоенного сотрудничества ученых и военных конструкторов основывалось на патриотизме, который ни в одну из последующих войн не мог бы возникнуть по приказу. Он легко преодолел пацифизм Уилсона. Даже Фейнман пришел в военкомат и хотел записаться на фронт связистом, но, когда узнал, что ему придется начинать с общей строевой подготовки, быстро оставил эту идею. Той весной 1941 года его наконец-то пригласили работать в лабораторию Белла в Нью-Йорке. Когда его приятель Уильям Шокли показывал ему будущее место работы, Ричарда заворожила атмосфера, в которой прикладная наука представала во всей красе. Из окна лаборатории открывался вид на строящийся через Гудзон мост Джорджа Вашингтона. Сотрудники лаборатории нарисовали на стекле изображение первого троса и по мере того, как воздвигался мост, слегка изменяли рисунок, так что кривая постепенно превращалась в параболу. Фейнман подумывал принять предложение. Тем не менее, когда генерал армии, представляющий Франкфортский арсенал[101], посетил Принстон, приглашая физиков заключить контракт, Ричард без колебаний отклонил предложение лаборатории Белла и на лето записался в армию. Как-никак это возможность послужить своей стране.

В декабре, когда Соединенные Штаты официально вступили в войну, четвертая часть всех физиков страны (а их было более семи тысяч) уже принимала участие в разбросанных пока по разным лабораториям, но стремительно набирающих обороты военных исследованиях и разработках. Поколение, воспитанное на идее о том, что наука — двигатель прогресса и источник знаний, поддерживающих человечность, теперь увидело другую великую идею. Отношения между федеральными властями и главами научных институтов налаживались. Летом 1941 года правительство учредило Управление научных исследований и разработок, подчиняющееся Национальному исследовательскому комитету по вопросам обороны. Комитету поручили координировать научные разработки в области, которую президент МТИ Карл Комптон, олицетворявший тогда новое партнерство, назвал «областью машин, приборов, инструментов и материалов, предназначенных для ведения войны». К ним относились не только радиолокационные установки и взрывчатые вещества, но и вычислительные машины и военная медицина. А такому роду войск, как артиллерия, требовались приспособления, позволяющие прицельно, а не наугад, выпускать снаряды. По собственной инициативе физик-ядерщик Ханс Бете участвовал в разработке зарождающейся теории бронепробиваемости, а также в изучении проблемы сверхзвуковых ударных волн, создаваемых реактивными снарядами. Фейнман проводил время более тривиально. Все лето он работал во Франкфортском арсенале над примитивным аналоговым компьютером, состоящим из зубчатых колес и кулачков, предназначенным для наведения артиллеристских орудий на цель. Все это казалось технически устаревшим и архаичным, и Ричард даже думал, что лучше бы он остался работать в лаборатории Белла.

Однако даже в университетских мастерских ему не приходилось сталкиваться с таким актуальным взаимодействием математики и металлов. Чтобы направить орудийную башню, нужно было перевести синусы и тангенсы в движения металлических деталей. Неожиданно у тригонометрии открылся инженерный контекст: задолго до того, как тангенс почти вертикальной башни стремился к бесконечности, вращение, передаваемое зубцам шестеренок, обламывало их. Фейнман углубился в математические расчеты, с которыми никогда раньше не сталкивался, а именно — в манипуляции с функциональными корнями. Он разделил синус на пять равных дополнительных функций так, чтобы функция функции функции функции функции равнялась синусу. В этом случае шестеренки могли выдержать нагрузку. Ближе к концу лета Фейнману поставили новую задачу — сделать так, чтобы подобный компьютер вычислял плавную кривую, например траекторию движения самолета, исходя из последовательно, с одинаковым интервалом в несколько секунд поступающих данных о его положении. Только позже Фейнман узнал, что в решении были заинтересованы специалисты Радиационной лаборатории МТИ, работающие над созданием радара.

Лето кончилось, Ричард вернулся в Принстон. Ему осталось лишь написать докторскую. Он работал не торопясь, пытаясь применить свой подход использования принципа наименьшего действия при решении основных типичных проблем квантовой механики. Он рассмотрел случай взаимодействия двух частиц, или систем частиц А и В, взаимодействующих не напрямую, а через промежуточную колебательную систему — гармонический осциллятор О. А вызывает колебания О, который, в свою очередь, действует на В. Отставание во времени усложняет картину, потому что как только О приходит в движение, поведение В будет зависеть от поведения А в прошлом, и наоборот. Этот случай не что иное, как аккуратно упрощенный вариант обычной задачи, рассматривающей взаимодействие двух частиц с помощью поля. Фейнман спросил себя, при каких условиях уравнение движения можно вывести из принципа наименьшего действия, строго исходя из имеющихся данных о двух частицах А и В и не принимая во внимание то обстоятельство, что вместо поля будет О. Принцип наименьшего действия стал казаться чем-то большим, нежели просто удобным способом расчета. Ричард почувствовал, что все это имеет непосредственное отношение к вопросам, которыми обычно занимается физика, таким, как принцип сохранения энергии.

«Этот интерес к …» — написал он, но потом переформулировал мысль.

«Такое стремление к использованию принципа наименьшего действия не только приводит к упрощению выражений; помимо всего прочего, в тех случаях, когда движение может быть представлено таким образом, мы можем быть уверены в том, что законы сохранения энергии, импульса и т. д. работают».

Как-то утром Уилсон зашел в кабинет Фейнмана, присел. «Какие-то слухи ходят повсюду», — заметил он. Нельзя раскрывать секреты, но Ричард был ему нужен, а его невозможно заполучить, не выложив все карты на стол. К тому же никаких официальных требований о необходимости держать всё в тайне не поступало. Военные все еще не принимали физиков всерьез. Физики сами решили не обсуждать некоторые вопросы, но теперь Уилсон решил отступить от правил. Настало время раскрыть Фейнману некоторые секретные сведения.

Уилсон сказал, что существует вероятность создания ядерной бомбы. Британские физики за два года до этого, узнав от Бора и Уилера об уране-235, заново рассчитали критическую массу вещества, необходимого для реакции. Немецкий химик-эмигрант из британской команды Франц Симон[102] пересек Атлантику на гидросамолете, чтобы сообщить последние новости из Бирмингемской лаборатории. Возможно, достаточно будет примерно килограмма вещества. Британцы трудились не покладая рук над решением проблемы разделения изотопов урана, отделяя более легкий и редкий изотоп урана-235 от более распространенного урана-238. Химические свойства этих двух форм урана одинаковые: при химических реакциях они неразличимы, поскольку количество протонов в ядре совпадает. Но массы атомов разных изотопов различаются (так как количество нейтронов разное), и теоретически можно воспользоваться именно этим обстоятельством. Симон и сам работал над схемой медленной диффузии газов через металлическую фольгу с проделанными в ней точечными отверстиями. Молекулы урана-238, чуть более тяжелые, отставали от легких при прохождении газа через отверстия в фольге. Вокруг проблемы урана начали формироваться секретные комиссии и отделы.

Британцы придумали кодовое название tube alloy, которое позже сократили до tubealloy. Американцы строили ядерный реактор, и все больше профессоров из Принстона оказывались привлеченными к этим разработкам. Уилсон сообщил, что у него возникла собственная идея. Он изобрел устройство (пока оно существовало только в его голове), с помощью которого, как он надеялся, можно было решить проблему разделения гораздо быстрее. Пока Симон занимался отверстиями в металле, Уилсон, войдя как-то утром на кухню и увидев дуршлаг, подумал о возможности использования проволочной сетки и молотка: почему бы не совместить передовую электронику с технологией циклотрона?

Он убедил Смита позволить ему собрать команду из преподавателей, аспирантов и инженеров. Что-то вроде «сборочного цеха», в котором будет работать несколько одаренных ребят, формировалось под патронажем Научно-исследовательского совета национальной обороны. Это позволило Уилсону набрать необходимых ему людей. Аспирантов привлекали к работе очень просто: Принстон приостановил выполнение большинства их работ. Аспирантам предложили выбрать одно из трех направлений, связанных с военной индустрией: проект Уилсона, разработка нового измерителя параметров ударной волны и, на первый взгляд совершенно неактуальное, исследование теплофизических свойств графита. (Только позже стало понятно, что имелось в виду изучение термонейтронных свойств материала, предназначенного для ядерного реактора, поскольку с помощью графита можно контролировать ход цепных реакций.) Уилсон хотел в первую очередь заполучить Фейнмана. Он полагал, что постоянный скептицизм Ричарда и его нежелание принимать любые заверения на веру будут как раз кстати. Фейнман, безусловно, сразу почует любой вздор или излишнюю самоуверенность, думал он. Он также хотел, чтобы Фейнман во время презентации проекта другим учащимся уже был на его стороне.

К величайшему разочарованию Уилсона, Ричард отверг его предложение. Он слишком погрузился в свою диссертацию, к тому же, хотя и не говорил об этом, работа во Франкфортском арсенале слегка развеяла его иллюзии по поводу военных разработок. Он сказал, что сохранит все в тайне, но участвовать в проекте не будет. Тогда Уилсон попросил его хотя бы прийти на встречу.

Намного позже, когда все участники проекта по созданию бомбы оглядывались назад, вспоминая, когда приняли решение, Фейнман обратил внимание на то, что чувствовал необычное смятение в тот день. Он никак не мог вернуться к работе, постоянно думал о важности проекта, о Гитлере, о спасении мира. Некоторые физики уже догадались, сделав осторожные выводы из материалов, опубликованных в научных статьях, и из списка университетов, в которых работали их авторы, что в Германии проводятся исследования в области ядерного оружия. К тому же среди физиков, внезапно исчезнувших из поля зрения, находился Вернер Гейзенберг. Так что угроза была довольно реальной. Позже Фейнман вспоминал, как открыл ящик стола и положил туда разрозненные листы своей незаконченной диссертации.