Отряд отморозков. Миссия «Алсос» или кто помешал нацистам создать атомную бомбу

С подозрением относясь к этому браку, Мария Кюри часто представляла Жолио посторонним не как зятя, а как «мужчину, который женился на Ирен». Помимо прочего, ее раздражало, что после свадьбы Ирен и Жолио поменяли свои фамилии на «Жолио-Кюри». С одной стороны, соединение фамилий выглядело прогрессивным и феминистским, своего рода декларацией равенства. Но циники отмечали, что Фредерик получил гораздо больше, добавив «Кюри» к своему имени, чем Ирен – добавив «Жолио» к своему. В результате некоторые коллеги стали называть Жолио «жиголо Ирен». Так они пытались поставить на место выскочку Фредерика, а заодно и оскорбить Ирен, которая во многих отношениях была доминирующим партнером. Тем не менее браку Жолио-Кюри сопутствовал успех, как и их исследованиям.

Первую научную неудачу пара пережила в январе 1932 г. Несколькими годами ранее немецкие физики опубликовали необычные результаты эксперимента с радиоактивными атомами. Такие атомы нестабильны: они распадаются и выбрасывают разные виды частиц – своего рода субатомную шрапнель. В частности, немцы работали с так называемыми альфа-частицами. Они направляли их поток на тонкий лист металлического бериллия. Это заставляло бериллий высвобождать частицы второго типа. Но природа этой вторичной шрапнели оказалась загадочной. Начать хотя бы с того, что она обладала чрезвычайно большой энергией – летела с такой скоростью, что пробивалась сквозь 10 см сплошного свинца. Самый мощный известный тогда тип радиоактивных частиц назывался гамма-излучением, поэтому немцы пришли к выводу, что это должен быть особый сорт гамма-излучения, и написали об этом статью.

Две команды приступили к дальнейшей работе над этой темой, в том числе Жолио-Кюри в Париже, у которых благодаря покровительству Марии Кюри было огромное преимущество перед конкурентами. У Кюри было лучшее оборудование в мире, а также самые мощные источники альфа-частиц, в том числе два грамма радия. (В дополнение к первоначальному грамму, который она прятала во время Первой мировой войны, в 1921 г. Мария получила еще один в подарок от Ассоциации женщин США в знак признания ее заслуг как первой женщины-ученого.) Мария, в свою очередь, предоставила дочери и мужчине, который на ней женился, исключительный доступ к этим научным сокровищам. Попутно отметим, что перед тем, как войти в семью Кюри, Жолио пришлось подписать брачный договор, где указывалось, что в случае смерти Марии и его развода с Ирен радий будет принадлежать одной только Ирен. Такова была тогда ценность этого вещества – не менее 100 000 долларов за грамм (1,3 млн долларов в современном эквиваленте).

Радий со временем распадается на другие вещества, и, анализируя продукты его распада, Жолио-Кюри выделили образец полония – элемента, который испускает интенсивный поток альфа-частиц. Затем они повторили немецкий эксперимент и обнаружили нечто поразительное. Как и немцы, они позволили альфа-частицам бомбардировать образец бериллия, высвобождая гамма-лучи. Но они также расширили эксперимент, поместив за листом бериллия пластинку парафина и заставив эти гамма-лучи врезаться уже в нее. К их изумлению, парафин начал испускать протоны – еще одну субатомную частицу. Протоны намного тяжелее настоящих гамма-лучей; поэтому, для того чтобы гамма-лучи выбивали протоны, они должны двигаться с немыслимой скоростью. Это все равно что стрелять бумажными шариками с такой силой, чтобы сдвинуть с места валун. Взволнованные, Жолио-Кюри написали статью о своем эксперименте и разослали ее для публикации. В то время Ирен была беременна (никаких норм относительно ограничения воздействия радиоактивного излучения на плод тогда не существовало), поэтому после публикации статьи они отправились в заслуженный отпуск в семейный коттедж Кюри недалеко от Л'Аркуэста. (Коттедж, можете не сомневаться, принадлежал только семье Кюри: брачный договор Жолио не позволял ему претендовать и на него.)

Тем временем другому ученому, который тоже продолжал опыты немцев, Джеймсу Чедвику из Англии, приходилось преодолевать одну трудность за другой. Он работал в скудно оборудованной Кавендишской лаборатории в Кембридже с громоздкой аппаратурой и слабыми источниками альфа-частиц. Наконец ему удалось раздобыть более подходящий источник: из больницы в Балтиморе ему отправили несколько почти израсходованных ампул радиоактивных веществ, использовавшихся для поражения опухолей. (Норм безопасности при пересылке почтовых отправлений тогда тоже еще не изобрели.) К тому времени, как Чедвик получил ампулы, вышла статья Жолио-Кюри. Но вместо того чтобы смириться с поражением, он критически взглянул на их работу – и ее вывод показался ему подозрительным. Он просто не верил, что крошечные гамма-шарики могут сталкивать с места огромные валуны протонов. И сделал другой вывод.

Ученые того времени считали, что атомы состоят из двух частиц: положительных протонов, которые находятся в атомном ядре, и отрицательных электронов, которые вращаются вокруг него. Но некоторые теоретики предсказывали существование третьей частицы, также находящейся в ядре, – нейтрального нейтрона. Чедвик задался вопросом, не могут ли странные бериллиевые гамма-лучи на самом деле являться первым экспериментальным свидетельством существования нейтронов. Это было бы логично: будучи того же размера, что и протоны, нейтроны могли легко их выбить. При этом, будучи электрически нейтральными, нейтроны могли легко проникать сквозь материю, даже толстые пластины свинца.

В течение следующих 30 дней Чедвик без конца повторял свои эксперименты, зачастую проводя в постели всего по три часа в сутки, и вскоре получил твердые доказательства существования нейтронов. В феврале 1932 г. он отправил статью в журнал Nature. Вернувшись из отпуска, Ирен и Жолио прочли статью и готовы были сгореть от стыда: они только что упустили возможность открыть одну из трех фундаментальных частиц Вселенной. Это была самая обидная неудача, какую они только могли вообразить, – но вскоре все стало еще хуже.

После промашки с открытием нейтрона Жолио-Кюри с удвоенной силой взялись за исследования. Ирен родила ребенка, но уже шесть недель спустя, в апреле, потащила Жолио в лабораторию, расположенную в Швейцарских Альпах на высоте 3350 м. Это делало ее идеальным местом для изучения так называемых космических лучей – потока субатомных частиц, которые попадают на Землю из космоса. Никто в то время толком не знал, что это за лучи, и Ирен с Жолио хотели изучить их и выяснить, не попадутся ли в этом потоке нейтроны.

В своей работе они использовали так называемую камеру Вильсона – герметичный резервуар, наполненный парами спирта или воды. Пролетая сквозь эту камеру, космические лучи оставляли за собой видимый след из капель. Подвергая резервуар воздействию электрических и магнитных полей, ученые могли закручивать или изгибать такие капельные следы, причем по форме этих траекторий можно было определить размер, скорость и электрический заряд частиц. Помешанный на приборах Жолио обожал камеры Вильсона и мог часами наблюдать за следами частиц, увлеченно рассматривая петли и завитки. Всякий раз, когда появлялся особенно красивый след, он восклицал: «Разве это не самая прекрасная вещь на свете?» На что Ирен отвечала: «Да, дорогой, возможно… кроме рождения ребенка».

В Альпах Ирен с мужем наблюдали довольно любопытные капельные следы, в том числе странные спирали. Оставлявшая их частица, по-видимому, имела одинаковый вес с электроном, но след закручивался в противоположном направлении, как будто она была заряжена положительно. Как бы то ни было, нейтральные нейтроны никак не могли оставить такого следа, поэтому после двух бесплодных месяцев пара отказалась от проекта и вернулась с ребенком в Париж.

Но в сентябре того же года новое известие заставило их снова броситься к своим лабораторным журналам. Некий физик из Калифорнии, также используя камеру Вильсона, обнаружил нечто, называемое антиматерией. Различные комбинации трех фундаментальных частиц – протонов, нейтронов и электронов – составляют практически все вокруг нас, и мы называем это окружающее нас вещество материей. Но Вселенная также содержит антиматерию, которая, по сути, является негативом материи. (Если материя и антиматерия соприкасаются, они уничтожают друг друга с выбросом энергии.) Подобно Жолио-Кюри, калифорнийский физик, отслеживая необычные завихрения в камере, заметил частицу размером с электрон, но с положительным зарядом. В отличие от них, он осознал важность этого явления: перед ним было первое доказательство существования антиматерии – он обнаружил частицу под названием «позитрон».

Когда Ирен и Жолио покопались в своих лабораторных записях, им оставалось только стонать. Они наблюдали те же самые следы, имели те же доказательства – и во второй раз за несколько месяцев упустили фундаментальное открытие. На сей раз их научная ария звучала с трагическим надрывом.

Если в 1932 г. Жолио-Кюри мечтали, чтобы неудачный для них год закончился как можно быстрее, то следующие несколько лет возместили понесенный ими научный урон. Они возобновили обстрел различных металлов альфа-частицами, и осенью 1933 г., когда они попробовали алюминий, их ожидал приятный сюрприз. Обычно обстрел альфа-частицами порождал только один тип вторичной шрапнели, чаще всего нейтроны. Но при бомбардировке алюминиевой фольги образовывались и нейтроны, и позитроны – так сказать, два по цене одного. Никто никогда не наблюдал подобной двойной радиоактивности, поэтому Жолио-Кюри решили подготовить доклад для престижной октябрьской конференции в Брюсселе. В ней должны были участвовать почти все корифеи ядерной физики: Бор, Ферми, Дирак, Шредингер, Резерфорд, Паули, Гейзенберг.

Это выступление могло бы обеспечить всю их карьеру. Вместо этого оно едва ее не погубило. Из-за своих прежних промахов Жолио-Кюри приобрели репутацию небрежных исследователей, и это новое открытие, которое, кстати, включало обе частицы, упущенные ими ранее, выглядело слишком невероятным. Выдающийся австрийский физик Лиза Мейтнер встала после их выступления и заявила с суровостью ветхозаветного пророка: «Это не так». Она утверждала, что проводила аналогичные эксперименты в Берлине и ничего подобного никогда не наблюдала. Это была убийственная оценка, и, учитывая репутацию Мейтнер, большинство ученых ей поверили.

Подавленные, Ирен и Жолио вернулись в Париж. Но вместо того чтобы повесить головы, они как одержимые принялись искать доказательства достоверности своих результатов. Ни о чем другом они не помышляли, обсуждая свои эксперименты и во время еды, и поздно ночью. После нескольких недель изнурительных проверок и перепроверок фортуна наконец им улыбнулась. Однажды утром в январе 1934 г. Жолио засучил рукава своего белоснежного лабораторного халата и принялся двигать компоненты их экспериментальной установки – просто чтобы посмотреть, что произойдет. Сначала он отодвинул источник альфа-излучения подальше от алюминиевой фольги. Затем, без всякого умысла, вообще убрал полоний. К его замешательству, детектор радиоактивности продолжал регистрировать вылет шрапнели. И не секунду-другую, а несколько минут. Этого не могло быть: альфа-частицы были необходимы, чтобы выбивать шрапнель, и удаление их источника должно было все прекратить. Так почему же детектор несколько минут все еще регистрировал вылет частиц? Находясь в растерянности, он, как и всегда в подобных случаях, обратился к Ирен.

Они принялись за работу и после целого дня бурной деятельности, в результате которой в лаборатории воцарился нехарактерный беспорядок, поняли, что происходит. Во всех других известных экспериментах этого типа, когда альфа-частицы обстреливали металлическую фольгу, они выбивали что-то немедленно. Однако в этом случае алюминий поглощал альфа-частицы и становился радиоактивным лишь позже, с некоторой задержкой. Это озадачивало, потому что с технической точки зрения альфа-частицы – это просто комок протонов и нейтронов. Маленький шарик, по две штуки каждой частицы. Итак, если атом алюминия поглощает альфа-частицу, он получает два протона. Природа элемента определяется количеством протонов в атомном ядре, поэтому, если алюминий (13-й элемент) поглотил альфа-частицу с двумя протонами, он должен превратиться в фосфор (15-й элемент); затем фосфор претерпевает радиоактивный распад и испускает шрапнель. Иными словами, Ирен и Жолио, по всей видимости, открыли способ искусственного превращения одного элемента в другой. Это была искусственная радиоактивность – научная алхимия.

Как ни ужасно, само осознание величия этого открытия заставило Ирен и Фредерика Жолио-Кюри заколебаться. Ошибившись дважды, они уже не доверяли себе. Что, если их детектор просто неисправен? А если они снова неверно истолковали полученные результаты? А если?.. Увы, на тот вечер у них был запланирован важный ужин, поэтому работу пришлось прекратить. Но они оставили указания молодому немецкому ассистенту, приятелю Жолио по перекурам в лаборатории, чтобы тот проверил каждый миллиметр детектора на предмет коротких замыканий или других дефектов.

Немец всю ночь выполнял всевозможные тесты и оставил им записку. Утром Ирен и Жолио поспешили в лабораторию, волнуясь, как подростки после серьезного экзамена. Аппаратура, заверял их немец, работала безупречно.

Это убедило импульсивного Жолио, и он уже был готов праздновать открытие. Ирен не спешила с выводами. Химики больше физиков полагаются на тактильные ощущения, и ей нужно было увидеть этот вновь созданный фосфор своими глазами, подержать его в пробирке. Она разработала план. Они убрали в сторону все, что осталось со вчерашнего дня, и в течение нескольких минут бомбардировали новый лист алюминиевой фольги. Но в этот раз Ирен не поместила его перед детектором, а бросила фольгу в колбу с кислотой, которая начала пузыриться и шипеть, выделяя газ.

Если они действительно создали фосфор, этим газом был фосфин (PH3). Идентифицировать фосфин было просто, но ситуацию осложняло то, что фосфор, P в PH3, сам был радиоактивен и стремительно распадался. Поэтому Ирен пришлось работать быстро, собирая газ и проводя его полный анализ всего за три минуты. Менее опытный химик не справился бы с такой задачей. Но не Ирен, которая нашла убедительные доказательства наличия фосфора. Алхимия стала реальностью.

Наблюдая, как его жена завершает анализ, Жолио едва не запел. Он начал бегать по лаборатории, подпрыгивая от радости. «С нейтроном мы опоздали, с позитроном опоздали, а теперь успеваем!» – кричал он.

Однако в семье Жолио-Кюри ни одно открытие не засчитывалось до тех пор, пока его не оценила старшая Кюри – Мария. К началу 1934 г., после многих лет работы с радиоактивными веществами, она страдала анемией и редко посещала лабораторию. Однако, узнав об открытии, сделанном ее дочерью и мужчиной, который на ней женился, старая львица выбралась из логова. (Любопытно, что ее сопровождал бывший любовник Поль Ланжевен, который к тому времени развелся c женой и оставался другом семьи Кюри.) Ирен хладнокровно повторила эксперимент для матери, растворив фольгу в кислоте и собрав газ. Когда Мария сжимала пробирку с фосфором, на ее пальцах были отчетливо видны трещины и язвы от радиационного поражения. Зрение старухи ослабло из-за катаракты, а счетчик Гейгера ей приходилось держать поближе к уху, чтобы слышать щелчки, указывавшие на радиоактивность. Расслышав их, Мария улыбнулась улыбкой, которую можно было описать только как фосфоресцирующую. Позже Жолио скажет: «Без сомнения, это была последняя большая радость в ее жизни».

Через несколько месяцев Мария умерла. Но осенью 1935 г. Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию по химии за открытие искусственной радиоактивности. Вспомнив о толпе журналистов, осаждавшей дом ее родителей, Ирен в день объявления лауреатов сбежала из дома, потащив мужа в магазин за скатертью для обеденного стола. Но на церемонии в Стокгольме в декабре того же года она присутствовала и получила свою премию из рук того же короля, Густава V, который дважды вешал медаль на шею ее матери.

Совершенно заслуженно вместе с Ирен и Жолио на сцене присутствовал человек, чье открытие нейтрона заставило их так переживать, – нобелевским лауреатом по физике в том году был объявлен Джеймс Чедвик. Но все последующие годы большинство присутствовавших будут вспоминать, причем с содроганием, другого лауреата – немецкого биолога Ханса Шпеманна. В финале своей речи он приветствовал аудиторию странным жестом – вытянув руку с раскрытой ладонью вперед на уровне плеча. Вскоре этот жест узнает весь мир – Sieg Heil.

Как часто бывает с этапными событиями в семейной жизни, совместное получение Нобелевской премии изменило ситуацию для Жолио-Кюри, особенно для Фредерика. Один коллега как-то назвал его «наиболее честолюбивым человеком со времен Рихарда Вагнера», и, едва вернувшись из Стокгольма, Фредерик начал работать над планом сооружения самой амбициозной на тот момент в мире научной установки – циклотрона. Эти ускорители элементарных частиц позволяли физикам исследовать субатомный мир, сталкивая атомы друг с другом. Циклотроны также лучше всего подходили для масштабного производства радиоактивных изотопов.

Была только одна проблема. Циклотрон был машиной большой и дорогой, а в институте Жолио и Ирен не было для него места. В результате Жолио пришлось переехать в новую лабораторию на заброшенной электростанции в нескольких километрах от института. И с этим переездом для Ирен и Фредерика все изменилось. Как писал один биограф, они «легко могли дойти друг до друга пешком, но это было совсем не то, что находиться в одной комнате, склонив головы над одним экспериментом». Впервые в своей профессиональной жизни Жолио-Кюри стали работать раздельно – распалась одна из самых продуктивных научных команд в мире.

Жолио, впрочем, не только не сожалел о расколе, но и настаивал на нем. Как муж и жена они с Ирен все еще были в прекрасных отношениях и крепко любили друг друга. Однако в научном плане ему надоело быть «жиголо Ирен». Он хотел вырваться из-под гнета матриархата Кюри, стать самостоятельным человеком. Пусть у Кюри были их граммы радия и семейный коттедж – у него будет свой циклотрон. Он не представлял, к каким тяжелым для него последствиям приведет это решение.

Глава 3

Быстрые и медленные

В речи Фредерика Жолио при вручении ему Нобелевской премии содержалось грозное предостережение. Он предупредил, что искусственная радиоактивность может когда-нибудь привести к «превращениям взрывного характера» с использованием так называемой «цепной реакции». Никто еще не применял этот термин к ядерному процессу, и Жолио, несомненно, полагал, что опасность относится к далекому будущему. Но не прошло и нескольких лет, как эти два слова уже были на устах каждого физика-ядерщика на планете – во многом благодаря открытиям резвых ученых из Рима.

Как и Жолио-Кюри, итальянцы бомбардировали образцы различных элементов радиоактивным излучением. Разница заключалась в том, что вместо альфа-частиц они использовали нейтроны. Итальянские исследователи также действовали более системно, начав с самых легких элементов периодической таблицы и постепенно переходя к тяжелым.

Их экспериментальная установка была хороша всем, за исключением одного недостатка: из-за ограниченного пространства все оборудование для облучения образцов располагалось в одном конце длинного коридора, а для детектирования частиц – в противоположном. Хуже того, многие их проявляющие искусственную радиоактивность образцы распадались за считаные секунды – гораздо быстрее, чем можно было пройти по этому коридору. И вот, стараясь выжать максимум из неблагоприятных обстоятельств, руководитель лаборатории Энрико Ферми превратил каждый эксперимент в игру, предложив ассистентам устраивать в коридоре гонки на скорость, чтобы выявить, кто сможет быстрее доставить образцы к детектору. (Оказавшиеся в коридоре коллеги быстро научились уступать дорогу.) Эти гонки поддерживали боевой дух в лаборатории, и каждый из участников клялся, что именно он – самый быстрый физик в Италии.

Однажды утром в октябре 1934 г., когда была пройдена уже половина периодической таблицы Менделеева, один из ассистентов Ферми, Эдоардо Амальди, отметил нечто странное, обстреливая образец серебра. Если серебро стояло на мраморной полке, то облученный и со спринтерской скоростью доставленный по коридору образец вызывал лишь несколько всплесков радиоактивности. Но если эксперимент проводился на деревянном столе, количество звуковых сигналов увеличивалось стократно. Амальди не понимал, в чем дело. Почему поверхность имеет значение? Он позвал Ферми. По наитию Ферми поместил серебро в брусок парафина и снова облучил его. Когда они на этот раз рванули к детектору, прибор словно обезумел: сигналы звучали с такой скоростью, что не поддавались подсчету. Как позднее вспоминал один из физиков, в этом было что-то от «черной магии».

Озадаченная команда сделала перерыв на обед. Но, пока остальные занимались набиванием желудков, Ферми продолжал обмозговывать странный результат. Он не зря считался самым быстрым физиком – и речь здесь, конечно, не о том, как он бегал, а о том, как он думал, – поэтому, когда все снова собрались в лаборатории, Ферми уже разгадал загадку. (Впрочем, стоит помнить, что типичный итальянский обед длится несколько часов.) Все дело, объявил он, в скорости нейтронов.

Когда нейтроны врезаются в образец, может произойти одно из двух. Либо они срикошетят и улетят, либо будут поглощены его атомами. Ферми утверждал, что именно скорость нейтронов определяет их судьбу. Обычно нейтроны движутся с огромной скоростью (10 000 км/c), но некоторые элементы просто оказались прекрасными ловцами – подобно кетчеру Мо Бергу, они ловили все, что в них бросали. Однако, возможно, такие элементы, как серебро, были менее ловкими и не могли справиться с фастболами. Может, они предпочитали нейтроны, движущиеся с более умеренной скоростью (скажем, 1 км/c). Ферми, естественно, использовал более сложные доводы, но в целом суть сводилась к следующему: каждый элемент взаимодействует с нейтронами с определенной скоростью, и, когда его бомбардируют нейтронами с этой скоростью, он поглощает их и становится радиоактивным. В противном случае у него это не выходит.

Но как, спросили его помощники, это объясняет разницу между мраморной и деревянной столешницами? Спокойно, отвечал Ферми. Представьте летящий нейтрон. Возможно, он не попадает в цель напрямую, а сначала отскакивает от ближайшей поверхности. Если материал поверхности содержит в основном тяжелые атомы, нейтрон будет отскакивать, не теряя импульса, – точно так же, как бильярдный шар отскакивает от борта гораздо более тяжелого стола, не теряя скорости. Но если материал поверхности содержит более легкие элементы, то нейтрон будет терять импульс, так же как бильярдный шар теряет скорость, врезаясь в другой шар такого же размера. Главное, что древесина и парафин содержат гораздо больше легких элементов, особенно водорода, чем мрамор. Поэтому, когда серебро было окружено этими материалами, срикошетившие нейтроны довольно существенно замедлялись, позволяя серебру их улавливать.

Это было виртуозное объяснение. Ферми, по сути, открыл в обеденный перерыв новый закон физики. Но он еще не закончил. Согласно его логике, вещество с еще более высоким содержанием водорода – скажем, H2O – должно замедлять нейтроны еще более эффективно. Поэтому итальянцы решили набрать немного воды и проверить эту теорию. Почему они не наполнили ведро в ближайшей раковине, никто не знает. Вместо этого Ферми, Амальди и остальные промчались вниз по лестнице, как мальчишки после последнего школьного звонка, и направились к пруду позади университета. Обычно там ловили саламандр и пускали игрушечные лодки, но сегодня они залезли прямо в пруд и, отгребая тину, зачерпнули воды.

Новый эксперимент показал, что Ферми, как всегда, оказался прав: вода отлично замедляла нейтроны. И, хотя никто этого еще не осознал, его открытию предстояло резко расширить возможности искусственной радиоактивности. Жолио-Кюри показали, как сделать некоторые элементы радиоактивными. Но благодаря обнаружению быстрых и медленных нейтронов Ферми теперь мог сделать радиоактивным почти любой элемент – и это умение мир вскоре проклянет.

Глава 4

Из Крыма в Голливуд

Толпившиеся на пристани люди были в отчаянии. Кровожадные большевистские орды готовы были вот-вот ворваться в Феодосию – город на крымском побережье. Стоящие у причала корабли оставались единственной надеждой на спасение, и тысячи беженцев с воплями пытались попасть на борт. Лишь окружавшие пристань заграждения из колючей проволоки предотвращали полномасштабный бунт.