Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Шрифт:
Обратите внимание на все эти даты. В те самые годы, когда в научных кругах формировалась стройная картина нейтронных, протонных и электронных взаимодействий, старый мировой политический порядок стремительно распадался. В тот день, когда Альварес прочитал в парикмахерской о распаде урана, Европа уже была обречена.
Период аристократической «охоты за элементами» клонился к закату. Теперь ученые обладали новой моделью внутреннего строения атома и понимали, что единичные еще не открытые элементы периодической системы ускользают от них потому, что по природе своей крайне нестабильны. Даже если молодая Земля изобиловала ими, эти атомы уже давным-давно распались. Действительно, такая точка зрения удобно объясняла пробелы в периодической таблице, но оказалось, что традиционный поиск элементов был заброшен не зря. Исследуя нестабильные атомы, ученые вскоре познакомились с феноменами ядерного распада и нейтронных цепных реакций.
Как сильно ни были ученые заинтригованы возможностью создания ядерных бомб, требовалось проделать еще массу работы, отделявшей теорию от практики. Сегодня об этом уже не вспоминают, но военные эксперты считали создание атомных бомб, мягко говоря, маловероятным, по крайней мере в обозримом будущем. Как обычно, военные лидеры охотно брали на службу ученых, а ученые исправно усугубляли жестокости войны, изобретая новые технологии – например, улучшая сорта стали. Но Вторая мировая война не завершилась бы двумя ядерными грибами, если бы американское правительство просто требовало немедленно создать более мощное и скоростное оружие. Напротив, была проявлена политическая воля, и миллиарды долларов были вложены в область, ранее считавшуюся чисто академической и оторванной от жизни: науку о субатомных частицах. Но даже при этом задача запуска контролируемой ядерной реакции и расщепления ядер настолько опережала состояние науки тех лет, что для успешной реализации Манхэттенского проекта пришлось разработать совершенно новую исследовательскую стратегию. Она называлась методом Монте-Карло и полностью перевернула представление людей о том, что значит «творить науку».
Как упоминалось выше, сначала квантовая механика применялась лишь для описания изолированных атомов. К 1940 году было известно, что атом, поглотивший нейтрон, становится нестабильным. Он может взорваться и, возможно, испустить еще больше нейтронов. Проследить путь отдельно взятого нейтрона было легко – не сложнее, чем путь отскочившего бильярдного шара. Но для запуска цепной реакции требовалось скоординировать миллиарды миллиардов нейтронов – все они двигались бы при этом с разной скоростью в разных направлениях. Из-за этого теоретический аппарат, рассчитанный на описание отдельных атомов, рушился как карточный домик. К тому же уран и плутоний были дорогими и опасными веществами, поэтому об аккуратных детальных экспериментах не могло быть и речи.
Но перед учеными, работавшими в Манхэттенском проекте, стояла задача точно определить, сколько именно плутония и урана требуется для создания бомбы. Если бы ядерного топлива было слишком мало, бомба «истлела» бы, не взорвавшись. Слишком много – и бомба взорвалась бы мгновенно, что продлило бы войну еще на многие месяцы, так как очистка урана и плутония была невероятно сложным процессом (в случае с плутонием процесс был двухэтапным: сначала синтезировать, а потом очистить). Поэтому, из чисто практических соображений, некоторые прагматичные ученые решили одновременно отказаться и от традиционной теории, и от традиционной практики, проторив вместо этого совершенно новый, третий путь.
Сначала была выбрана случайная скорость нейтрона, отскакивающего от атомов в образце плутония или урана. Для нейтрона было выбрано случайное направление, а также еще ряд случайных значений для других параметров – доступный объем плутония, вероятность того, что нейтрон «выскочит» из образца, а не попадет в один из атомов, даже геометрия и контуры плутониевой кладки. Важно отметить, что выбор конкретных чисел означал следующее: ученые сознательно отказывались от универсальности вычислений, так как результаты описывали бы поведение лишь немногих нейтронов в одной из многих возможных моделей. Ученые-теоретики принципиально не желают прорабатывать неуниверсальные случаи, но на этот раз у них просто не было другого выбора.
В то же время в проекте были задействованы целые залы, где работали молодые женщины с карандашами (многие из них были женами ученых, призванными на помощь, так как работать в Лос-Аламосе [56] было невероятно тягостно).
Они получали лист, исписанный случайными цифрами, и начинали считать (иногда совершенно не понимая, что делают), как нейтрон будет сталкиваться с атомами плутония
56
Один из крупнейших центров ядерных исследований в США. – Прим. пер.
57
Цитаты Джорджа Дайсона взяты из книги Project Orion: The True Story of the Atomic Spaceship («Проект “Орион”: правдивая история атомного космического корабля»).
Иногда в такой теоретической системе могла возникнуть ядерная реакция, и это считалось успехом. После завершения всех расчетов женщины принимались за работу с новыми наборами цифр. Потом снова. И снова. Конечно, клепальщица Рози [58] стала символом тяжелого заводского труда в годы войны, но Манхэттенский проект также не был бы реализован без труда сотен женщин, корпевших над испещренными цифрами листками. Таких женщин-вычислителей называли неологизмом «компьютер».
58
Героиня американской пропаганды. – Прим. пер.
Но почему же потребовалось организовать такой необычный процесс? В принципе, ученые приравняли каждый расчет к эксперименту и собирали информацию об урановых и плутониевых бомбах, полученную лишь «на кончике пера». Пришлось отказаться от скрупулезного и взаимно корректирующего синтеза теории и лабораторной работы и вооружиться методологией, которую один историк нелицеприятно охарактеризовал как «искаженную… сымитированную реальность, заимствовавшую подходы как из теории, так и из практики, объединившую их и применившую полученный сплав, чтобы застолбить на методологической карте несуществующую землю, которая одновременно находится и везде, и нигде» [59] .
59
Эта цитата о методе Монте-Карло взята из книги Питера Галисона «Образ и логика».
Разумеется, такие вычисления оказывались полезны лишь настолько, насколько точны были исходные уравнения, но здесь физикам по-настоящему повезло. Частицы на квантовом уровне действительно подчиняются статистическим законам, а квантовая механика, при всей ее кажущейся нелогичности, является самой точной научной теорией, когда-либо разработанной человечеством. Кроме того, в рамках Манхэттенского проекта было выполнено огромное количество вычислений, само по себе вселявшее в ученых уверенность. Эта уверенность блестяще оправдалась после успешного испытания «Тринити», проведенного в штате Нью-Мексико в середине 1945 года. Точная и безошибочная детонация урановой бомбы над Хиросимой, за которой через несколько дней последовал взрыв плутониевой бомбы над Нагасаки, полностью подтвердила точность такого нетрадиционного научного метода, основанного на многочисленных разрозненных расчетах.
После того как отшельническое братство ученых, работавших над Манхэттенским проектом, завершилось, ученые разъехались по домам, чтобы осмыслить, что же они совершили (некоторые при этом испытывали гордость, другие – нет). Многие постарались побыстрее забыть о времени, проведенном в счетных залах. Но некоторые оказались поглощены тем, что удалось изучить в рамках проекта. Таков был беженец из Польши Станислав Улам. Работая в Нью-Мексико, он коротал свободное время за карточными играми. Однажды в 1946 году он раскладывал пасьянс и заинтересовался тем, какова вероятность выигрыша для любой случайной раздачи. Больше карточных игр Улама привлекали только отвлеченные вычисления, поэтому он принялся исписывать целые страницы вероятностными уравнениями. Вскоре проблема усложнилась настолько, что трезвомыслящий Улам от нее отступился. Он решил, что лучше сыграть тысячу игр и составить процентную таблицу, показывающую вероятность выигрыша в каждом конкретном случае. Достаточно просто.