Текст книги "Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана"

Человек с портфелем

Два с половиной года прошло с тех пор, как закрыли проект по разработке изотрона в Принстоне. Фейнман и вся команда Уилсона находились в подвешенном состоянии и полном неведении. Уилсон считал, что они солдаты, ожидающие приказа. «Полагаю, мы тогда оказались в самой плохой из возможных ситуаций, – позже вспоминал он. – Исследовательская группа, которой не поставили задачу, ученые, обладающие стойкостью и знаниями и не имеющие возможности где-либо их применить». Чтобы скоротать время, Уилсон решил поработать над созданием прибора для измерения нейтронов, в котором уже давно назревала необходимость. В то же время он ощущал, что ему не хватает объективной информации из Чикаго, где располагался временный центр, в котором работали Энрико Ферми и его «кучка» ученых-атомщиков. (Физик из Рима, носивший кожаный пиджак, использовал незадолго до этого приобретенный им англосаксонский словарь, чтобы придумать новый грубоватый ядерный жаргон.) В реакторе – смонтированном из графитовых стержней и урановых блоков, расположенном на университетском поле для игры в сквош и огороженном решеткой – могла возникнуть цепная реакция. Уилсон послал Фейнмана в Чикаго в качестве своего эмиссара.

Сначала, разумеется, состоялось краткое обучение искусству сбора информации. Уилсон велел Фейнману по очереди посетить все кафедры и предложить экспертную оценку.

– Пусть они детально опишут тебе проблему, настолько подробно, чтобы можно было сесть и работать над ней, не задавая больше вопросов.

– Но это нечестно! – возразил Ричард.

– Это нормально, и это то, что мы собираемся сделать, потому что только так мы сможем узнать все, что нам надо.

В начале 1943 года Фейнман отправился на поезде в Чикаго. Последний раз он путешествовал на Запад десять лет назад, после посещения выставки «Век прогресса». И ему действительно, как заправскому шпиону, удалось собрать нужные сведения. Он познакомился с Теллером, и они часто беседовали. Он ходил из кабинета в кабинет, изучая нейтронные эффективные сечения[106]106
  Величина, определяющая вероятность возникновения ядерной реакции. Может быть описана как область пространства, в которой гарантированно произойдет ядерная реакция. Прим. науч. ред.


[Закрыть] и выход нейтронов. Он произвел впечатление на группу теоретиков, на одной из встреч показав им способ вычисления сложных интегралов, взять которые им долго не удавалось. «Мы все пришли посмотреть на этого дерзкого чемпиона по анализу, – вспоминал потом Филипп Моррисон. – И он нас не разочаровал. Он с ходу объяснил, как быстро получить результат, которого в течение месяца добивался один из наших умных специалистов, занимающийся расчетами». Фейнман предложил разбить задачу на две части, а затем для решения одной из них воспользоваться таблицами функций Бесселя, а для другой прибегнуть к дифференцированию под знаком интегрирования. Ричард использовал этот способ еще в подростковом возрасте. Только теперь аудитория была больше и ставки выше.

Однако он не последний из тех одаренных ученых, благодаря которым металлургическая лаборатория стала легендой. Пять месяцев спустя из Колумбийского университета прибыл Джулиан Швингер, до этого успевший поработать в Радиационной лаборатории МТИ и с Оппенгеймером в Беркли. Швингер был ровесником Фейнмана, но контраст между этими двумя ньюйоркцами был поразительный. Их пути еще не пересекались. Швингер произвел на чикагских ученых огромное впечатление своим шикарным черным «кадиллаком» и щепетильным отношением к одежде. Тем жарким летом его галстук всегда был туго затянут. Один из коллег Швингера, конспектирующий то, что тот писал на доске, был буквально заворожен этим процессом. Джулиан, одинаково хорошо владевший и правой, и левой руками, казалось, изобретал новый стиль, позволявший ему одновременно решать два уравнения.

Это было странное время для физиков, стремящихся к тому, что и так составляло главную цель их карьеры. Впрочем, война отразилась на жизни молодых ученых невероятно мягко. Ее влияние на них несравнимо с потрясениями, которые испытывали молодые люди призывного возраста. Фейнман тем не менее с нетерпением ждал, когда же под давлением войны изменится и направление, в котором развивалась наука. Почти как шутку он воспринял предложение от Университета Висконсина поработать преподавателем на время отпуска без содержания. Это сулило хоть какую-то определенность, хотя на большее он и не рассчитывал. Теперь, находясь в Чикаго, Ричард решил отправиться в Мэдисон и побродить по студенческому городку инкогнито. В конце концов он представился секретарю кафедры и познакомился с некоторыми потенциальными коллегами, прежде чем уехать.

Он вернулся в Принстон с небольшим портфелем, набитым разными сведениями. Собрал Уилсона и остальных и рассказал им, как выглядела бомба зимой 1943 года, сколько потребуется урана и какова величина высвобождаемой энергии. Ему было тогда двадцать четыре года. Он стоял в рубашке с короткими рукавами в одной из аудиторий. Из коридора доносились шутки и смешки. Фейнман не думал тогда об истории, а вот Пол Олум подумал. «Когда-нибудь снимут фильм об этом судьбоносном моменте, – говорил он Фейнману. – О том, как в Принстоне узнали о бомбе от только что прибывшего из Чикаго коллеги. Обстановка очень серьезная, все собравшиеся пришли в костюмах, и вот входит человек с портфелем. Насколько же реальная жизнь отличается от воображаемой».

Выбор гражданского руководителя проекта был весьма странным. Еврей, эстет, манерный и саркастичный человек, не упускавший возможности пофлиртовать, откровенно склонный к саморазрушению ученый, чей административный опыт ограничивался руководством калифорнийской группой физиков, Роберт Оппенгеймер, или Оппи, как его еще звали, заслужил уважение коллег скорее благодаря своему живому уму, чем глубиной выполненных им исследований. Он не испытывал интереса к экспериментам, а его стиль работы казался нетипичным для физика. И если он и ошибался, то это были явно глупые ошибки. Один из теоретиков как-то язвительно заметил, что «формула Оппенгеймера всегда выглядит верной для него самого, ведь если в них что и неправильно, так это множители». Позднее выражение «коэффициент Оппенгеймера» войдет в жаргон физиков для обозначения пропущенных в формулах символов π, i или знака минус. Его физический подход, по словам историка науки Ричарда Родса, напоминал «броски мяча с отскоками». «Он словно обстреливал мишень ‹…› но не стремился попасть в цель». Никто не понимал проблем квантовой электродинамики и физики элементарных частиц лучше, чем Оппенгеймер, но его личные интересы лежали скорее в области эзотерики. Отчасти именно поэтому, несмотря на то что он стал одним из самых влиятельных ученых, участвующих в выборе лауреатов Нобелевской премии по физике, сам он так и не получил ее. В науке, как и во всем остальном, его вкус был, что называется, утонченным. Оппенгеймер носил костюмы с преувеличенно большими плечами и широкими лацканами. Он трепетно относился к своему мартини, черному кофе и курительной трубке. Председательствуя на званом ужине комитета, проходившем в стейк-хаусе, он ожидал, что коллеги последуют его примеру и закажут стейк с кровью. Когда же кто-то попытался заказать хорошо прожаренный кусок мяса, Оппенгеймер повернулся к нему и произнес серьезным тоном: «Почему бы вам не взять рыбу?» Его нью-йоркский бэкграунд был именно таким, к какому стремилась и от которого неумолимо отдалялась мать Ричарда Фейнмана. Как и Люсиль, Оппенгеймер вырос на Манхэттене в достатке и посещал культурно-религиозную школу (Ethical Culture Fieldston School). Позже, когда Ричард еще только проникался новым, прагматичным американским духом в физике, Оппенгеймер уехал учиться в Кембридж и Геттинген и полностью впитал в себя стиль интеллектуальной Европы. Он не довольствовался знанием только современных языков. И если для физиков его поручения на санскрите казались забавными, то генерал Гровс считал их еще одним подтверждением гениальности, а именно гения он и искал. Гровс считался прекрасным администратором и не придавал особого значения администраторским способностям руководителей проектных работ. И, к удивлению большинства, интуиция не подвела его. Талант Оппенгеймера проявлялся прежде всего в его лидерских качествах. Он завоевал уважение Фейнмана, как и многих других, постоянно интересуясь их личной жизнью. Он позвонил из Чикаго, чтобы сообщить, что нашел для Арлин санаторий в Альбукерке. До этого Фейнману еще ни разу не приходилось отвечать на междугородные звонки.

При выборе местности для работы над проектом атомной бомбы мнение Фейнмана и мнение военных совпали. Каким бы невероятным это ни казалось потом, безопасность и недосягаемость такого места для вражеских атак были так же важны, как и изоляция общительных и непредсказуемых ученых. Оппенгеймер же давно влюбился в невероятно красивые пейзажи Нью-Мексико, где воздух прозрачен, как стекло, а корявые сосны прорубают себе путь в стенах каньона. Оппенгеймер стал носить ковбойские рабочие рубашки и пряжки на ремне, популярные на западе. Он провел генерала Гровса по извилистой дороге через рощу к плато, на которой в предгорье Сангре-де-Кристо располагалась Лос-Аламосская школа для мальчиков. Не все, однако, разделяли такую любовь к местным пейзажам. Лео Силард, физик из Будапешта, первым объяснивший процесс выделения энергии в цепной реакции и одно время так настаивавший на проекте создания бомбы, заявил: «В таком месте невозможно сосредоточиться. Любой, кто попадет сюда, обречен на безумие».

Нетерпеливые участники Принстонской группы подписались все скопом. Уилсон, вначале так спешивший увидеть это место, позже с не меньшим рвением жаловался на грязь и неразбериху, на то, что вместо лаборатории возвели какой-то балаган и даже водопровод не удосужились проложить как следует. Гровс и Оппенгеймер постоянно спорили о том, как обеспечить секретность. И Фейнман об этом знал. Из Принстона по железной дороге доставляли в деревянных ящиках детали циклотрона и оборудование для подсчета нейтронов. Принстон поставлял и основное оборудование для новой лаборатории, вслед за которым прибыл из Гарварда тщательно демонтированный циклотрон, а также другие генераторы и ускорители. Вскоре Лос-Аламос стал самым оснащенным физическим центром в мире. Вслед за деревянными ящиками из Принстона стали прибывать и ученые. Ричард и Арлин приехали с первой партией в воскресенье, 28 марта. По инструкции всем следовало купить билеты в любом направлении, кроме Нью-Мексико. После непродолжительных колебаний противоречивая натура Фейнмана одержала верх над здравым смыслом. Он рассудил, что если никто больше не ехал в Нью-Мексико, то, приобретая билеты туда, он не вызовет подозрений. Продавец в кассе тут же оживился и спросил: «Оу, так все эти ящики для вас?»

Железная дорога обеспечила Арлин креслом на колесах и предоставила отдельное купе. Арлин слезно упрашивала Ричарда заплатить за удобства, намекая, что заслуживает, по крайней мере, шанс испытать все то, что полагалось испытывать любимой жене. Переезд на запад сулил им бескрайнее небо и неизвестное будущее, окончательно вырвав их из детства. Арлин плакала ночами, беспокоясь о будущем, и рассказывала Ричарду о своих мечтах: занавески на окнах в их доме, чаепития с его студентами, игра в шахматы у камина, чтение комиксов в постели по воскресеньям, вылазки на природу с палатками и сын по имени Дональд.

Цепная реакция

У Ферми в брикете урана и графита, выпиленном и собранном профессиональными краснодеревщиками на корте Чикагского университета 2 декабря 1942 года, находилась первая в мире критическая масса радиоактивного вещества. Между его черными графитовыми стержнями первая в мире искусственно вызванная цепная реакция длилась около получаса. Но это была медленная реакция, для бомбы же требовалась быстрая, протекающая менее чем за миллисекунды. Естественный эволюционный переход от чикагского, высотой в два этажа, эллипсоида к сферической урановой бомбе размером с бейсбольный мяч, которая была взорвана на проекте «Тринити», был невозможен. Для подобного перехода от большого реактора с медленно протекающей реакцией к бомбе, где реакция протекает быстро, необходим заметный скачок. Могло быть несколько различных промежуточных этапов.

И все же еще одно из возможных решений пришло в голову Фейнмана в апреле 1943 года, когда он находился в машине у ворот пропускного пункта Лос-Аламоса. Атомы водорода замедляли нейтроны. Это открытие Ферми сделал много лет назад. Вода же была дешевым веществом, в состав которого входил водород. Раствор урана в воде мог бы стать мощным компактным реактором. Фейнман ждал, пока охранник устранит ошибку, вкравшуюся в его пропуск. Справа и слева от ворот было протянуто ограждение из колючей проволоки. За ним находились не лаборатории, там располагалось лишь несколько одноэтажных зданий и незавершенных построек, поднявшихся словно из грязи в конце этой зимы. Строго говоря, такие постройки, которые в армии называли мобилизационными, представляли собой наспех возведенные на бетонном фундаменте деревянные каркасные дома, обитые простым сайдингом, с битумными крышами. Возвращаясь из Санта-Фе, расположенного более чем в пятидесяти километрах отсюда, надо было проезжать по укатанной грунтовой дороге, врезавшейся прямиком в отвесные скалы. Фейнман был не единственным из физиков, никогда не уезжавшим западнее Чикаго. Ученых предупредили, что на время работы, по требованию армейских руководителей проекта, потребуется полная изоляция, но никто до конца не осознавал, что именно имеется в виду. Поначалу единственным средством связи с внешним миром была телефонная линия, проложенная лесничеством. Чтобы позвонить куда-то, приходилось крутить ручку, расположенную сбоку.

Дожидаясь, пока военная полиция одобрит его пропуск, Фейнман провел в уме некоторые расчеты для гипотетического промежуточного реактора, который можно было назвать водяным бойлером. Вместо урановых и графитовых стержней в нем можно было бы использовать растворенный в воде уран с большим содержанием изотопа 235. Водород, присутствующий в воде, позволял увеличить эффективность во много раз. Ричард попытался сообразить, сколько понадобится урана. На протяжении нескольких недель он продолжал обдумывать эту задачу, то откладывая идею, то снова возвращаясь к ней. Он детально продумывал геометрию столкновений нейтронов с водородом и наконец пришел к неожиданной мысли. Возможно, в идеальном варианте потребуется меньше урана, чем предполагалось ранее. Ричард преобразовал уравнения таким образом, чтобы можно было бы свести решение к использованию минимального принципа, его любимого способа в тот период. Он разработал теорему для пространственного распределения расщепляемого вещества и обнаружил, что его неоднородность распределения не будет иметь принципиального значения при использовании реактора столь небольшого размера. Когда обогащенный уран наконец начал поступать в Лос-Аламос, был изготовлен вариант бойлера в виде тридцатисантиметровой сферы, расположенной внутри изготовленного из черного оксида бериллия куба, размеры граней которого составляли порядка метра. Куб был установлен на столе, огороженном тяжелой бетонной стеной на дне укрытого соснами каньона Омега. И все это сооружение находилось на расстоянии нескольких километров от основного объекта. Это был первый крупномасштабный экспериментальный источник нейтронов, и впервые угроза взрыва была вполне реальна. Для всех теоретиков, принимавших участие в проекте, именно элементы первой проблемы стали лейтмотивом их временной работы: траектории нейтронов, смеси малоизученных металлов, радиация, тепло, вероятность.

Пока тянулся слякотный апрель, ученые продолжали прибывать в Лос-Аламос, и их количество уже достигло тридцати. Они приезжали во временный офис в Санта-Фе, а затем исчезали в пустынной местности, окружающей этот городок. Если бы они посмотрели на место своего назначения с воздуха, то увидели бы, что комплекс, в который они направляются, расположен на плоском выступе, образованном застывшей лавой, извергнутой из кратера спящего вулкана. Но пока они знали лишь номер абонентского ящика для писем – P. O. Box 1663, и в их водительских правах появилась специальная отметка «В». Но не все меры, предпринятые, чтобы обеспечить безопасность, могли сдерживать интерес и развеять подозрения местного населения.

Любой местный полицейский, остановивший Ричарда Фейнмана на дороге к северу от Санта-Фе, увидел бы удостоверение некоего инженера, в котором вместо имени указывался только номер 185, занесенный в специальный список «В», и подпись которого не требовалась. Само название Лос-Аламос едва ли что-то значило. Каньон? Школа для мальчиков? Подъезжая к объекту, ученые чаще всего могли видеть бывшего университетского преподавателя, забрасывающего назойливыми инструкциями бригаду военных строителей. Если Оппенгеймер оказывался рядом и мог поприветствовать вновь прибывших лично, из-под полей его уже тогда знаменитой шляпы раздавалось: «Добро пожаловать в Лос-Аламос, но, черт возьми, кто вы такой?» Первым знакомым человеком, которого встретил Фейнман, был его товарищ по Принстону Пол Олум: тот стоял прямо на дороге с папкой-планшетом и отмечал каждый прибывший грузовик. Первое время Ричарду приходилось спать на одной из составленных рядком кроватей на балконе здания школы. Еду доставляли из Санта-Фе в коробках для ланча.

Вокруг царила суматоха. Стройка была в самом разгаре: цемент застывал на открытом воздухе, отовсюду раздавались звуки циркулярной пилы, и только теоретики имели все необходимое для работы – одну грифельную доску на колесиках. Официальная церемония «закладки первого камня» состоялась 15 апреля. Оппенгеймер пригласил всех теоретиков, а также некоторых физиков-экспериментаторов и химиков, чтобы официально объявить о том, на что раньше только намекали. Им предстояло создать бомбу, оружие, работающее устройство, механизм, способный сконцентрировать потоки нейтронов, необходимых для ядерной реакции, в небольшом объеме пространства в течение малого интервала времени для того, чтобы спровоцировать взрыв. В начале выступления Фейнман осторожно записал в своем блокноте: «Не обязательно говорить о том, что мы должны обсудить, скорее, стоит обсудить то, над чем мы работаем». Командам из Беркли и Чикаго было известно значительно больше. По крайней мере, складывалось такое впечатление. Для расщепления атома обычного урана требовалось, чтобы он столкнулся с быстрым, обладающим большой энергией нейтроном. Каждый атом сам по себе был маленькой бомбой: он распадался с выделением энергии и высвобождением новых нейтронов, которые, в свою очередь, ударяли соседние атомы урана. Нейтроны же, как правило, замедлялись, и их скорость становилась ниже порогового значения, необходимого, чтобы вызвать расщепление других атомных ядер. Цепная реакция в этом случае сама себя не поддерживала. А вот более редкий изотоп урана-235 был способен распадаться при столкновении с медленными нейтронами. Если бы основная масса урана состояла из таких менее стабильных атомов, нейтроны чаще находили бы свои цели, и цепная реакция могла бы поддерживаться более длительное время. При использовании чистого урана-235 взрывную реакцию получить можно, но его на протяжении нескольких месяцев удавалось получать лишь в микроскопических количествах. Другой способ спровоцировать цепную реакцию заключался в том, чтобы поместить радиоактивную массу в металлический купол, от внутренней поверхности которого нейтроны могли бы отражаться по направлению к центру, что привело бы к усилению их воздействия. Перед аудиторией, состоящей из тридцати человек, каждый из которых к этому моменту уже сам излучал почти осязаемую энергию нервозности, с описанием различных свойств куполов выступил худощавый советник Оппенгеймера Роберт Сербер. Фейнман быстро записывал: «…отражает нейтроны ‹…› поддерживает бомбу на уровне ‹…› критической массы ‹…› не поглощающий равномерный фактор 3 в массе ‹…› хороший взрыв…» Он быстро набросал несколько диаграмм. От обсуждения вопросов ядерной физики перешли к рассмотрению проблем, для решения которых надо было использовать методы гидродинамики, науки отнюдь не молодой, но от этого не ставшей менее понятной. Пока нейтроны выполняли свою работу, бомба нагревалась и расширялась. В ключевые моменты времени возникали ударные волны, перепады давления, краевые эффекты. Их сложно было рассчитать, и долгое время теоретики проводили расчеты вслепую.

Создание бомбы в корне отличалось от разработки теории квантовой электродинамики, где почва уже была подготовлена великими учеными. Здесь задачи были новыми, лежащими на поверхности, и поэтому – что немало удивляло Фейнмана – простыми. Ричард добился успехов, решив ряд вопросов, поднятых в первых лекциях, вознаградив себя за длительный период блуждания во тьме чистой теории. Однако возникали всё новые сложности.

«Многое из того, что необходимо было сделать, предстояло сделать впервые», – писал позже анонимный летописец тех событий, тайно работавший на другое лицо. Этим летописцем был Фейнман, занявшийся столь несвойственным ему делом по просьбе бывшего декана Гэрри Смита. Пытаясь подытожить те проблемы, что встали перед теоретиками в Лос-Аламосе, Ричард добавил: «без соответствующей подготовки». И далее: «материалы, которые долгое время были практически недоступны». Он написал «материалы», потому что не мог заставить себя написать уран или плутоний после нескольких лет эвфемизмов вроде трубосплава и 49. Теоретики ожидали трубосплав с таким же нетерпением, как и экспериментаторы. Могли потребоваться и более обычные материалы, так что по запросу лаборатории из Форта Нокс доставили две полусферы из чистого золота, каждая размером с половину баскетбольного мяча. Однажды, проводя экскурсию для Смита, Фейнман обратил его внимание на то, что он рассеянно пинал одну из них, а теперь она служила ограничителем для двери. На запрос о поставке осмия, плотного нерадиоактивного металла, они получили отказ, когда выяснилось, что требуемое количество превышало все мировые запасы. Ну а для того, чтобы получить требуемое количество урана-235 и плутония, лаборатории пришлось бы ждать, пока мировые запасы увеличатся в миллионы раз.

Все, что было известно об этих материалах на тот момент, было получено в результате экспериментов, проведенных с крошечными, буквально невидимыми образцами. Эксперименты эти были сложными и дорогостоящими. Даже измерение плотности плутония стало трудной задачей для чикагской команды. Первая песчинка плутония была доставлена в Лос-Аламос только в октябре 1943 года. Чтобы получить более крупные поставки, требовалось время, но и в этом случае фактически можно было провести лишь один полноценный эксперимент. На большинство вопросов по-прежнему приходилось отвечать только с помощью карандаша и бумаги. Вскоре стало ясно, что процесс разработки теории в Лос-Аламосе будет похож на хождение по канату без страховки.

Команда теоретиков была небольшой – всего тридцать пять физиков и группа расчетчиков, в задачи которой входило предоставление результатов анализа и прогнозов во все значительно более крупные подразделения практиков: экспериментальное, артиллерийское, оружейное, химическое и металлургическое. Анализ и прогнозы. Другими словами, что произойдет, если?.. Теоретики Лос-Аламоса не могли позволить себе роскошь раздумывать о том, как раскрыть простые тайны, такие как излучение света атомами водорода или распространение идеальной волны в идеальном газе. Материалы, находящиеся под рукой, были далеко не идеальны, и теоретики так же, как и экспериментаторы, двигались на ощупь, разгребая завалы на территории под названием нелинейная математика. Важные решения необходимо было принимать до того, как станет возможным провести эксперименты. В своем анонимном дневнике Фейнман обозначил основные вопросы, которые стояли перед ними:

• Каких размеров должна быть бомба (будь то сферический заряд с плутонием или взрывное устройство с ураном)? Какова критическая масса и критический радиус для каждого из материалов, внешние размеры, при соблюдении которых будет поддерживаться цепная реакция?

• Из каких материалов лучше изготавливать купол, от которого нейтроны будут отражаться обратно к бомбе? Металлурги должны были приступить к изготовлению купола задолго до того, как сам эксперимент станет возможен.

• Насколько чистым должен быть уран? На основе этих расчетов принималось решение о том, надо ли строить огромный комплекс для проведения третьей стадии очистки в Ок-Ридже.

• Сколько тепла, света может выделиться, какими могут быть последствия ядерного взрыва в атмосфере?