Математика жизни и смерти. 7 математических принципов, формирующих нашу жизнь

Йейтс Кит

Разрушитель миров

Быстрый – в геометрической прогрессии – рост количества клеток необходим для создания новой жизни. Однако именно удивительная и ужасающая сила экспоненциального роста побудила физика-ядерщика Джулиуса Роберта Оппенгеймера провозгласить: «Теперь я Смерть, разрушитель миров». Этот рост был ростом не клеток и даже не отдельных организмов, но энергии, получаемой в результате расщепления атомных ядер.

Во время Второй мировой войны Оппенгеймер возглавлял лабораторию в Лос-Аламосе, где базировался «Проект Манхэттен» – программа разработки атомной бомбы. Возможность разделения ядра (крепко связанных протонов и нейтронов) тяжелого атома на более мелкие составляющие обнаружили немецкие химики в 1938 году. Этот процесс назвали ядерным делением по аналогии с бинарным делением, или расщеплением, одной живой клетки на две – совсем как в развивающемся эмбрионе. Было обнаружено, что деление происходит либо естественным путем – как радиоактивный распад

нестабильных химических изотопов, либо искусственно индуцируется бомбардировкой ядра атома субатомными частицами в процессе, получившем название «ядерная реакция». В любом случае расщепление одного ядра на два более мелких, которые называются продуктами деления, сопровождается выделением большого количества энергии в виде электромагнитного излучения, а также кинетической энергии движения продуктов деления. Быстро выяснилось, что движущиеся продукты деления, образующиеся в результате первой ядерной реакции, можно использовать для воздействия на следующие ядра, расщепления еще большего количества атомов и высвобождения еще большего количества энергии – возникает цепная ядерная реакция. Если каждое ядерное деление производит в среднем более одного продукта, который можно использовать для расщепления последующих атомов, то теоретически каждое деление может привести к множеству других событий деления. Если этот процесс продолжается, количество реакций растет по экспоненте, высвобождая беспрецедентное количество энергии. При наличии материала, способного поддерживать неконтролируемую цепную ядерную реакцию, экспоненциальное увеличение энергии, высвобождаемой почти мгновенно, позволило бы сделать такой расщепляющийся материал основой для оружия невиданной мощи.

В апреле 1939 года, накануне начала войны во всей Европе, французский физик Фредерик Жолио-Кюри (зять Мари и Пьера Кюри, а также лауреат Нобелевской премии в соавторстве с женой) сделал важнейшее открытие. Он опубликовал в журнале Nature доказательства, что при делении, вызванном одним нейтроном, атомы изотопа урана U-235 выбрасывали в среднем 3,5 (позже это количестве пересчитали до 2,5) нейтрона высокой энергии [9] . Это был именно тот материал, который требовался для управления лавинообразной цепочкой ядерных реакций. «Гонка за бомбой» стартовала.

9

Von Halban, H., Joliot, F., & Kowarski, L. (1939). Number of neutrons liberated in the nuclear fission of uranium. Nature, 143 (3625), 680. https://doi.org/10.1038/143680a0

Одновременно с американцами свой проект ядерной бомбы разрабатывали и нацисты. В нем принимали участие ведущие немецкие физики во главе с нобелевским лауреатом Вернером Гейзенбергом. Оппенгеймер понимал, что ему в Лос-Аламосе придется непросто. Его главной задачей было обеспечить развивающуюся по экспоненте цепную ядерную реакцию, позволяющую практически мгновенно высвободить огромное количество энергии (что и требовалось от ядерной бомбы). Для получения такой самоподдерживающейся и достаточно быстрой цепной реакции ему нужно было добиться, чтобы необходимое количество нейтронов, испускаемых при расщеплении атомов изотопа урана-235, поглощалось ядрами других атомов урана-235, что, в свою очередь, привело бы уже к их расщеплению. Он обнаружил, что в природном уране слишком много испускаемых нейтронов поглощается атомами U-238 (другой значимый изотоп, составляющий 99,3 % природного урана) [10] , а это означает, что любая цепная реакция не растет, а, наоборот, затухает по экспоненте. Следовательно, для получения цепной реакции Оппенгеймеру необходимо было получить исключительно чистый U-235, то есть обогатить урановую руду, удалив из нее как можно больше урана-238.

10

Webb, J. (2003). Are the laws of nature changing with time? Physics World, 16 (4), 33–8. https://doi.org/10.1088/2058–7058/16/4/38

Эти соображения породили идею о так называемой критической массе расщепляющегося материала. Критическая масса урана – это количество материала, необходимое для осуществления самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Она зависит от целого ряда факторов. Пожалуй, наиболее важным является чистота урана-235. Даже при доле U-235 в 20 % доле (по сравнению с естественным его содержанием в 0,7 %) его критическая масса составляет более 400 килограммов, из чего следует, что без урана высокой чистоты ядерную бомбу не сделать. Однако получение достаточного объема чистого урана для достижения сверхкритичности поставило перед Оппенгеймером другую проблему – теперь надо было сконструировать саму бомбу. Очевидно, что просто запихнуть критическую массу урана в бомбу в надежде, что она не взорвется сама по себе, было невозможно. В этом случае естественное расщепление хотя бы одного ядра спровоцировало бы цепную реакцию, инициируя экспоненциальный взрыв.

Угроза проиграть гонку нацистским ядерщикам

заставляла Оппенгеймера и его команду поторапливаться. Вскоре у них родилась концепция бомбы. Предложенная ими модель бомбы пушечного типа предполагала, что взрыв такой бомбы будет инициироваться «выстрелом» одной подкритической массы урана в другую для создания единой сверхкритической массы. Выстрел должен был осуществляться с использованием обычной взрывчатки. Затем спонтанное деление ядер, испускающих инициирующие нейтроны, вызывало бы цепную реакцию. Разделение общей критической массы урана на две подкритические массы гарантировало, что бомба не взорвется раньше времени. Получив уран высокой (около 80 %) степени обогащения, разработчики довели необходимую для критичности массу ядерного вещества всего до 20–25 килограммов. Но Оппенгеймер не желал рисковать – неудача проекта означала бы, что первенство в разработке ядерного оружия перейдет к противнику, поэтому он настаивал, что очищенного урана нужно гораздо больше.

К тому времени, когда наконец чистый уран был получен в необходимом объеме, война в Европе уже закончилась. Однако война на Тихом океане продолжалась, и Япония не собиралась сдаваться, несмотря на тяжелые военные неудачи. Понимая, что сухопутное вторжение в Японию значительно увеличит и без того серьезные потери американцев, генерал Лесли Гровс, директор Манхэттенского проекта, издал директиву, разрешающую применение атомной бомбы против Японии, как только позволят погодные условия.

После нескольких дней плохой погоды, вызванной тайфуном, 6 августа 1945 года в голубом небе над Хиросимой взошло солнце. В 07:09 утра в небе над Хиросимой был замечен американский самолет, и по всему городу разнеслись сирены воздушной тревоги. Семнадцатилетняя Акико Такакура недавно устроилась на работу в банк. Она как раз направлялась туда, когда прозвучала сирена. Вместе с другими пассажирами Акико укрылась в одном из городских бомбоубежищ.

В Хиросиме воздушную тревогу объявляли нередко; город был стратегическим военным центром, там размещался штаб японской Второй Основной армии. Однако до поры бомбардировки, обрушившиеся на многие другие японские города, обходили Хиросиму стороной. Акико и ее спутники не знали, что Хиросиму не трогают намеренно, чтобы американцы могли точно оценить весь масштаб разрушений, вызванных новым оружием.

В половине седьмого прозвучал отбой воздушной тревоги. Летящий над головами В-29 выглядел не более зловещим, чем метеорологический самолет. Когда Акико вышла из своего бомбоубежища вместе со многими другими, она вздохнула с облегчением: сегодня утром бомбить не будут.

Акико и другие жители Хиросимы, продолжив свой путь на работу, не подозревали, что самолет-разведчик В-29 передавал по радио информацию о погодных условиях над Хиросимой на «Энолу Гэй» – самолет, на борту которого находилась ядерная бомба пушечного типа по имени «Малыш». Дети шли в школы, рабочие и клерки – на фабрики и в офисы. Акико добралась до своего банка в центре Хиросимы. Женщины должны были приходить на работу за полчаса до мужчин, чтобы убраться в офисе, подготовив его к началу рабочего дня, поэтому к десяти минутам девятого Акико уже усердно трудилась в почти безлюдном здании.

В 08:14 в прицеле пилота «Энолы Гэй» полковника Пола Тиббетса появился Т-образный мост Айои. 4400-килограммовый «Малыш» вышел из бомболюка и начал 6-мильный спуск в направлении Хиросимы. После 45 секунд свободного падения бомба взорвалась менее чем в миле [11] над землей. Одна подкритическая масса урана была выпущена в другую, создав сверхкритическую массу, готовую к взрыву. Почти мгновенное спонтанное деление атома высвободило нейтроны, по крайней мере один из которых был поглощен атомом урана-235. Этот атом, в свою очередь, распался и высвободил больше нейтронов, которые, в свою очередь, были поглощены еще б'oльшим количеством атомов. Процесс быстро ускорялся, что привело к экспоненциальной цепной реакции и одновременному высвобождению огромного количества энергии.

11

«Малыш» взорвался на высоте 576 м. – Прим. пер.

Протирая рабочие столы своих коллег-мужчин, Акико выглянула из окна и увидела яркую белую вспышку, похожую на полоску горящего магния. Она, конечно, не знала, что экспоненциальный рост позволил бомбе в одно мгновение высвободить энергию, эквивалентную 30 миллионам тротиловых шашек. Температура бомбы повысилась до нескольких миллионов градусов – жарче, чем на поверхности Солнца. Десятую долю секунды спустя ионизирующее излучение достигло земли, нанеся сокрушительный радиационный урон всему живому, что подверглось его воздействию. Еще через секунду над городом взлетел огненный шар 300 метров в диаметре и с температурой в тысячи градусов Цельсия. Свидетели говорили, что в тот день солнце над Хиросимой взошло дважды. Взрывная волна, двигаясь со скоростью звука, сровняла с землей здания по всему городу. Она бросила Акико в другой конец комнаты, и девушка потеряла сознание. Инфракрасное излучение обжигало незащищенную кожу на мили во всех направлениях. Люди, находившиеся рядом с эпицентром взрыва, мгновенно испарялись или обугливались до золы.