11. Fermi objaśnia rozpady beta.
12. Do trzech razy sztuka
13. Do uranu i dalej
14. Wizja Majorany
15. Spacer po lesie.
16. Reakcja łańcuchowa.
17. „Ekstremalnie potężne bomby”. .
18. Nuklearna
Zrozumienie stabilności jąder atomów na gruncie teorii postępowało szybko. W 1935 roku niemiecki teoretyk Carl von Wiezsäcker rozwinął bardziej dopracowany, na wpół empiryczny wzór dotyczący masy, z pomocą którego można było oszacowywać energie wiązania w jądrach atomowych oraz ustalać prawdopodobny los niestabilnych jąder. Jądra posiadające nadmiar protonów pozbywają się ładunku elektrycznego poprzez emisję pozytonów, zmieniając jeden lub więcej protonów w neutrony. To wyjaśnia to, co obserwowali państwo Joliot-Curie. Według tej samej zasady w jądrze atomowym ze zbyt dużą liczbą neutronów neutron może ulec przemianie w proton, emitując elektron. Jądra atomów z bardzo dużą liczbą protonów i wynikającą z tego ogromną energią elektrostatyczną potrzebują nadwyżki neutronów, by uzyskać spoiwo. Mimo to, gdy dojdzie do zgromadzenia w jednej zwartej grupie 92 protonów, jak w uranie, osiągnięta zostaje granica stabilności jądra. A jednak gdzieś tam na horyzoncie majaczyła szansa na to, że da się uzyskać wysoce niestabilne jądra cięższe od jąder uranu* .
Tajemnica Majorany
Ettore Majorana zniknął w marcu 1938 roku. Zakładano, że popełnił samobójstwo, skacząc do morza z pokładu promu płynącego z Palermo do Neapolu. Nigdy jednak nie odnaleziono jego ciała i jego prawdziwy los pozostaje do dzisiaj tajemnicą.
Jeśli Majorana faktycznie zginął w wieku 31 lat, dołączył do takich postaci jak Roger Cotes w matematyce i Frank Ramsey w ekonomii. Łączy ich to, że każdy z nich został uznany za geniusza przez wielkiego mistrza w ich fachu.
* Półempiryczny wzór masowy dopuszcza możliwość, że jeśli 1043 neutrony przyciągają się nawzajem dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu, może powstać masywne jądro złożone z neutronów. Takie byty rzeczywiście istnieją – zostały wykryte przez astronomów i znane są jako gwiazdy neutronowe.
Niszczyciel światów połączenia prowadzące do powstania najbardziej stabilnych jąder. W typowym dla siebie stylu sam Majorana uznał tę pracę za coś zbyt oczywistego i banalnego, by zasłużyła na publikację.
Cotes, który zmarł w XVII wieku, mając zaledwie 33 lata, był błyskotliwym matematykiem, który zastosował idee Newtona do obliczania orbit komet i sformułował teorię dotyczącą równonocy, co stało się podstawą drugiej edycji Principiów. Kiedy Cotes umarł, Newton powiedział: „Gdyby żył, dowiedzielibyśmy się jeszcze czegoś”1. Ramsey był studentem matematyki w latach dwudziestych XX wieku, który skrytykował kilka aspektów teorii ekonomicznej Johna Maynarda Keynesa. Zmarł, przeżywszy zaledwie 26 lat, a sam Keynes uważał go za człowieka znacznie zdolniejszego od siebie, mówiąc: „Było w nim coś z Newtona”2. Majorana, uznany przez Fermiego za jednego z magików na równi z Newtonem, należał do supernowych, których oślepiające światło przedwcześnie zgasło. W rozmowach o tym, czy Majorana nie żyje, czy też celowo zniknął bez śladu, Fermi stwierdził kiedyś, że jeśli faktycznie się zabił, to mając na względzie religijne przekonania jego rodziny, Majorana dołożyłby starań, by jego ciało nigdy nie zostało odnalezione.
Komentarz Fermiego na ten temat jest często cytowany: „Majorana był zbyt inteligentny. Jeśli postanowił zniknąć, nikt nigdy nie będzie w stanie go znaleźć. Musimy rozważyć wszystkie możliwości”3. Fermi nie tylko wierzył w to, że Majorana nikomu nigdy nie wyjawiłby swoich planów związanych z samobójstwem, lecz także w to, że bardzo łatwo mógł on zaaranżować swoje zniknięcie i zatarcie wszelkich śladów. Niezależnie od tego, czy wstąpił do zakonu, jak uważali ci, którzy rzekomo widzieli Majoranę, czy też udał się do Ameryki Południowej, jak relacjonowali inni świadkowie, tajemnica jego zaginięcia fascynuje historyków do dzisiaj.
Śledztwo, które przeprowadził fizyk z Neapolu Slavatore Esposito, dostarczyło przekonujących dowodów, że Majorana uciekł na statku płynącym z Neapolu do Argentyny4. Istnieje kilka poszlak, które to potwierdzają. Zwolennicy teorii celowego zniknięcia wskazują na to, że Majorana wycofał wszystkie oszczędności z banku kilka dni przed tym, jak widziano go po raz ostatni. Czas oraz miejsce jego domniemanego samobójstwa były zbieżne z momentem wypłynięcia z Neapolu statku do Buenos Aires. Tę tezę dodatkowo wzmacnia kilka relacji, według których mężczyzna w średnim wieku, naukowiec lub inżynier z rysami twarzy Majorany, był kilkakrotnie
Francuski łącznik
Jedna z wersji historii mówi nam, że rozszczepienie jądra atomowego nie zostało odkryte przez Hahna i Strassmana. W laboratorium państwa Joliot-Curie panowała opinia, że niemieccy chemicy co najwyżej rozwinęli to, co Irène i jej asystent Pavle Savić ogłosili rok wcześniej oraz że ani Hahn, ani Strassman nie rozumieli w tamtym czasie znaczenia tego odkrycia lepiej niż Irène. Prawdziwe odkrycie zostało dokonane przez Frischa i Meitner na pniu zwalonego drzewa w szwedzkim lesie.
Po ogłoszeniu odkrycia Frédéric przystąpił z werwą do akcji, udowadniając, że reakcja łańcuchowa będzie możliwa. Pośpiesznie napisał wraz z kolegami artykuł, by pokazać, że to oni byli pierwsi, co miało być nagrodą dla Francji, poza tym nazwisko Curie wciąż miało prestiż, a francuska nauka ponownie znalazła się w świetle reflektorów.
Frédéric planował teraz zbudowanie reaktora doświadczalnego, by zaobserwować, czy reakcja łańcuchowa może mieć miejsce na dużą skalę. Jako że byłoby do tego konieczne 5 ton uranu, operacja została przeniesiona z Collège de France do bardziej przestronnego laboratorium w Ivry-sur-Seine na przedmieściach Paryża. Przedsięwzięcie wymagało wsparcia finansowego, więc przez całe lato 1939 roku Joliot-Curie przeprowadzał
256 Niszczyciel światów mieszaniny. Innym podejściem było zastosowanie dyfuzji gazowej, w której cząsteczki lżejszego izotopu łatwiej przechodzą przez porowatą membranę. Tutaj także powtórzenie procesu kilkaset razy z czasem zwiększyłoby procentową ilość U235 w stosunku do U238. Jedna rzecz była pewna: skończyły się czasy uprawiania nauki na stole w laboratorium czy nawet przy użyciu maszyn w specjalnie zbudowanych laboratoriach. Wzbogacanie uranu, by uwolnić z niego jakąkolwiek energię, miało być od teraz przedsięwzięciem na skalę przemysłową. Eksplozje wykorzystywane w działaniach militarnych jeszcze nie były w czyimkolwiek planie. Do czerwca 1940 roku wszystkie prace nad uranem w Stanach Zjednoczonych były objęte ścisłą tajemnicą.
demonstracje bardziej służące zrobieniu dobrego wrażenia na ministerstwie, niż na poszukiwaniu nieskazitelnych naukowych dowodów.
Jego kampania promocyjna najwyraźniej zadziałała zgodnie z zamierzeniem, ponieważ magazyn „Time” umieścił jego wizerunek na okładce jednego z jesiennych numerów. Artykuł naukowy przygotowany przez jego zespół był ostatnią otwartą publikacją przed tym, jak fizyka jądrowa na całym świecie została objęta tajemnicą państwową. O ile publiczne demonstracje Frédérica przyniosły projektowi zamierzony rozgłos, to już artykuł zrobił na uczonych o wiele mniejsze wrażenie – kiedy zapytano Fermiego, co o nim myśli, odparł ponoć, że „nie za wiele”. Jeden ze współpracowników Frédérica jakiś czas później przyznawał: „Z naukowego punktu widzenia artykuł nie był udany. Ale na pewno dobrze się sprawdził jako demonstracja”6.
Zespół Frédérica planował serię eksperymentów, które miały przekształcić energię atomu z tajemniczej koncepcji w praktyczne źródło energii, które dałoby się włączać i wyłączać w dowolnym czasie. Ich pierwsza próba zbudowania reaktora jądrowego polegała na umieszczeniu uranu w małych blokach wewnątrz grafitowej osłony, która według zamierzeń miała spowalniać neutrony. To niestety nie zadziałało, ponieważ zarówno neutrony początkowe, jak i wtórne – czyli wytworzone w procesie rozszczepienia –trzeba było spowolnić, a tego można było dokonać tylko w miksie uranowym. Badacze polewali bloki uranu wodą, lecz to także nie pomagało, gdyż woda pochłaniała zbyt wiele cennych neutronów. Działo się tak, ponieważ wodór w normalnej wodzie – H2O – przechwytuje neutrony, co jednak nie dzieje się w tak zwanej ciężkiej wodzie – D2O, w której wodór zastąpiony jest deuterem, którego jądra zawierają po jednym neutronie. Deuter nie ma zbytniej skłonności do przechwytywania neutronów, dlatego ciężka woda jest znacznie skuteczniejszym moderatorem. Frédéric postanowił użyć ciężkiej wody, a potem przeprojektować przebieg eksperymentu.
Najpierw trzeba było zbudować pustą w środku sferę wypełnioną ciężką wodą, w której rozprowadzono sproszkowany tlenek uranu. Następnie sfera została umieszczona na trzpieniu, by podczas obrotów proszek nie osiadał
17. „Ekstremalnie potężne bomby” 257
ile są one realne. Ich doświadczenia, wraz z badaniami nad reakcją łańcuchową prowadzonymi przez zespół w Laboratorium Cavendisha, objęte były ścisłą tajemnicą. Po kilku miesiącach Brytyjczycy mieli pewność, że realne badania i projekt mający na celu skonstruowanie bomby atomowej są wykonalne.
Chadwick, odkrywca neutronu, były zastępca Rutherforda, a od 1935 roku laureat Nagrody Nobla, był wysoce poważanym członkiem brytyjskiego środowiska naukowego. To on sporządził formalne sprawozdanie na temat postępów w badaniach, które zostało przedłożone Winstonowi Churchillowi. Premier zgodził się na kontynuację wysiłków za namową swojego zaufanego doradcy ds. nauki Fredericka Lindemanna, Lorda Cherwell, który przekonał go, że należy dać zielone światło dla stworzenia brytyjskiej bomby jądrowej. W sierpniu 1941 roku projekt otrzymał nijaką, bezbarwną nazwę Tube Alloys, wybraną po to, by każdy, kto by się na nią natknął, myślał, że dotyczy ona co najwyżej niewinnych badań w dziedzinie metalurgii.
Jeszcze w czasie pisania swojego raportu Chadwick nabierał przekonania, że powstanie bomby atomowej jest nieuniknione. Myśl, że broń jądrowa to już całkiem realna perspektywa, spowodowała u niego chroniczną bezsenność. Do końca życia Chadwick przyjmował środki nasenne.
Posag Churchilla
Na początku 1941 roku Wielka Brytania wciąż była zagrożona niemiecką inwazją. Stany Zjednoczone nie były jeszcze w stanie wojny z Niemcami i na razie nie było jasne, czy kiedykolwiek zechcą zaangażować się w coś, co dla wielu amerykańskich obywateli było europejską wojną. Winston Churchill był zdesperowany, by zapewnić swojemu krajowi wsparcie ze strony prezydenta Roosevelta w działaniach, które w jego rozumieniu były walką o zachowanie ludzkiej przyzwoitości. Częścią tego, co brytyjski premier był gotów zaoferować, by osiągnąć ten cel, było podzielenie się najgłębszymi tajemnicami naukowymi, takimi jak prace nad rozwojem techniki
radarowej i badania dowodzące tego, że bomba jądrowa zrobiona z uranu to koncepcja, którą da się realnie wdrożyć.
Nieświadomi tych postępów amerykańscy fizycy kontynuowali prace nad ujarzmieniem energii jąder atomów, które w zamyśle mogły także prowadzić do zaprojektowania urządzenia wybuchowego. W początkach 1941 roku Ernest Lawrence w Berkeley przerobił swój cyklotron na separator elektromagnetyczny – urządzenie, przy pomocy którego pola magnetyczne cyklotronu mogły zostać użyte do oddzielania U235 od U238, dzięki różnicy ich mas. Wykorzystano w tym to, że kiedy wiązki jonów U235 i U238 o wysokich prędkościach przechodzą przez pole magnetyczne, wiązka lżejszych U235 jest odchylana bardziej niż ta zawierająca cięższe jony U238. Lawrence pokładał wielkie nadzieje w tym, że jego metoda elektromagnetycznej separacji będzie skutecznym sposobem oddzielenia U235.
Nie było jednak pewności co do tego, czy badania nad uranem okażą się opłacalne w razie, gdyby Stany Zjednoczone miały się zaangażować w wojnę. Do maja 1941 roku Amerykanie mieli w tej sprawie zgoła pesymistyczny pogląd – przewidywano, że dopiero w 1943 roku uda się zebrać wystarczająco dużo radioaktywnego materiału, by użyć go przeciwko wrogowi, zbudowanie reaktora jądrowego do napędu okrętów miało zająć 3–4 lata, a najlepsze, co można było osiągnąć w ramach programu uranowego, to bomba o bliżej nieokreślonej mocy w bliżej nieokreślonej przyszłości, na pewno nie przed rokiem 1945.
Koncepcja bomby jądrowej skupiała się całkowicie na neutronach powolnych – a to powodowało, że należało zrobić znacznie więcej. Na tym etapie nikt nie oczekiwał, że w Stanach Zjednoczonych da się skonstruować broń jądrową, tymczasem w Wielkiej Brytanii nastąpił już znaczący postęp w pracach opartych na ustaleniach Frischa i Peierlsa. Brytyjscy naukowcy odkryli, że jeśli uda się zebrać wystarczająco dużo czystego uranu-235, możliwe będzie uzyskanie rozszczepienia przy użyciu neutronów prędkich. Co więcej, wystarczające do osiągnięcia masy krytycznej miało być zaledwie 10 kilogramów uranu! Bombę o takich rozmiarach dałoby się załadować
17. „Ekstremalnie potężne
Bomba, wystarczająco mała, aby można ją było wykorzystać bojowo, została umieszczona na wieży pośrodku otwartej łąki. W odległości 32 kilometrów Sacharow i młodzi naukowcy z jego grupy oraz z grupy Zeldowicza leżeli na ziemi, twarzami zwróceni w stronę wieży. Tymczasem Tamm został zaproszony do bunkra wraz z VIP-ami, którzy byli „tak samo zdenerwowani jak my”9. Stalin zmarł w marcu, co oznaczało, że porażka niekoniecznie musiała prowadzić do egzekucji, choć w Gułagu wciąż było dużo obozów pracy gotowych na przyjęcie nowych więźniów.
Rozpoczęło się odliczanie, które było transmitowane przez głośniki: „dziesięć minut, pięć minut, dwie minuty…”. Obserwatorzy założyli ciemne gogle. Sacharow wspominał towarzyszące wszystkim napięcie: „60 sekund, 30, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1… Zobaczyliśmy błysk, a następnie szybko rozprzestrzeniającą się białą kulę, która rozjaśniła cały horyzont”. Sacharow zdjął gogle i mimo że był częściowo oślepiony blaskiem, zobaczył „ogromną chmurę z fioletowymi, pyłowymi smugami, które stały się szare, oddzieliły się od ziemi i uniosły w górę, przybierając pomarańczowy kolor”. Powstał znajomy kształt grzyba atomowego, którego trzon był znacznie grubszy niż w przypadku wybuchów klasycznych bomb atomowych. Chmura szybko wypełniła połowę nieba, które „przybrało złowrogi niebiesko-czarny kolor”. Fala uderzeniowa „uderzyła uszy i zadała ostry cios [całemu] ciału”10.
Minister budowy maszyn Wiaczesław Małyszew wyszedł z bunkra dla VIP-ów, aby poinformować, że premier Gieorgij Malenkow zadzwonił z gratulacjami. Następnie Małyszew dołączył do Sacharowa w samochodzie, aby udać się do punktu zerowego wybuchu i na własne oczy zobaczyć skutki. Małyszew i Sacharow podjechali na odległość około 50 metrów od miejsca wybuchu, po czym wysiedli z samochodu i „nonszalancko” spacerowali po okolicy11. Podłoże, po którym stąpali, wyglądało, jakby zamieniło się w szkło, tworząc księżycowy krajobraz rozciągający się po horyzont we wszystkich kierunkach. Na podobieństwo Ikara, Sacharow i Małyszew popełnili głupstwo, zanadto zbliżając się do sztucznego słońca. Na początku listopada Sacharow poważnie zachorował na niezdiagnozowaną chorobę
krwi, która nawracała co jakiś czas, ale którą fizyk szczęśliwie zdołał pokonać. Małyszew nie miał tyle szczęścia i zmarł cztery lata później na białaczkę w wieku 54 lat.
Wybuch o mocy 500 kiloton* był spowodowany głównie rozszczepieniem uranu i stanowił jedynie ułamek mocy prawdziwej samonapędzającej się bomby wodorowej. Przekroczenie tej granicy wymagałoby dalszego przełomu, „Trzeciej Idei”12.
Wiadomości o potężnym amerykańskim teście Castle Bravo w marcu 1954 roku zintensyfikowały prace rozwojowe w Związku Radzieckim. Eksplozja pokazała, że Amerykanie znaleźli rozwiązanie, a dane dotyczące opadu radioaktywnego dostarczyły pewnych wskazówek dotyczących budowy amerykańskiej broni. Po długich rozważaniach i analizie wszystkich dostępnych informacji zespół Sacharowa doszedł do rozwiązania metodą eliminacji. Rosjanie wiedzieli, że jednoetapowy zapłon nie zadziała, co skłoniło ich do skupienia się na zapłonach dwustopniowych. Wcześniej pomysł ten opierał się na mechanicznej fali uderzeniowej powstałej w wyniku rozpadu pierwotnego jako pośredniku, ale teraz Sacharow znalazł sposób na ściśnięcie wtórnego rdzenia termojądrowego za pomocą promieniowania z pierwotnego ładunku jądrowego. Kluczowe sekrety mechanizmu Ulama–Tellera w końcu zaczęły się składać w jedną całość również w Związku Radzieckim.
Należało jednak rozwiązać kilka złożonych problemów dotyczących procesów fizycznych zachodzących podczas sprężania materii przez promieniowanie. Sacharow znalazł rozwiązania matematycznych równań różniczkowych cząstkowych, które potwierdziły, że taka koncepcja powinna zadziałać. To stopniowe wykorzystanie wybuchu atomowego do implozji paliwa termojądrowego jest tym, co Sacharow nazywał „Trzecią Ideą”. Kilku członków zespołu przeprowadziło burzę mózgów na tablicach, a dzięki tej zbiorowej pracy nastąpił przełom. Sacharow najlepiej zrozumiał fizyczne i matematyczne aspekty tej idei. Ta wiedza, w połączeniu z autorytetem,
* Częściej w literaturze podaje się jednak 400 kt – przyp. red.