История науки Атомной эры

Олег Акимов

Лео Сцилард

Лео Сцилард (1898 — 1964)

Лео Сцилард родился 11 февраля 1898 года в Будапеште, который тогда принадлежал Австро-Венгерской империи, в обеспеченной семье инженера Луиса Шпица (Louis Spitz), который в 1900 году изменил свою фамилию на Szilard. Лео был первенцем, он имел еще сестру и брата. С 1908 по 1916 он учащийся реального училища. В 1916 поступил на инженерное отделение Будапештского технического университета, но уже в 1917 призван в армию. Призывник еще учился в офицерской школе на артиллериста, когда тяжело заболел гриппом. Его положили в Венский госпиталь, а потом мобилизовали. В 1919 году Сцилард возобновил учебу в Будапештском техническом университете, но вскоре из-за репрессивного и антисемитского режима Николаса Хорти переехал в Берлин. Свое образование он продолжил в Берлинском техническом университете, в котором еще не действовали ограничения для евреев. Однако и в этом инженерном вузе он надолго не задерживается.

Дом, в котором родился и провел детские и юношеские годы Лео Сцилард. Позже он вспоминал: "Я был старшим из трех детей. Мы жили в доме, первоначально принадлежавшем моей бабушке и дедушке. Потом дом перешел по наследству трем сестрам, одна из которых была моей матерью; каждая сестра занимала один этаж. Это был дом с большим садом в районе Будапешта, где стояли коттеджи".

В 1920 году Сцилард стал студентом Берлинского университета и слушал лекции Эйнштейна, Планка и Лауэ. В 1922 году с отличием защитил докторскую диссертацию по феноменологической термодинамике, о которой с похвалой отозвался Эйнштейн. В 1923 году в Институте химии кайзера Вильгельма занимался изучением аномального рассеяния рентгеновских лучей в кристалле. В следующем году стал помощником Лауэ в Берлинском институте теоретической физики.

С 1926 по 1933 год Сцилард тесно сотрудничает с Эйнштейном по разработке удобных конструкций бытовых холодильников без подвижных частей. Отец-основатель теории относительности с детства мечтал стать изобретателем. В годы работы в Бернском бюро патентов им был запатентован электромагнитный насос, который ему помогали разрабатывать не только друзья, но и жена, Милева Марич. Знания патентного дела и некоторые навыки в изобретательском искусстве теперь, когда он стал всемирно известным профессором, снова пригодились. Вместе со своим бывшим студентом он продолжил работу над усовершенствованием индукционного насоса.

Мемориальная доска на фронтоне дома. Надпись на ней гласит: "В этом доме рос Лео Сцилард…". В настоящее время дом не является частным владением. Теперь это студенческое общежитие.

В 1927 году Сцилард назначен приват-доцентом по физике в Берлинском университете. В 1928 году вместе с Джоном фон Нейманом начал вести семинары по квантовой механике. Одновременно с этим он заключил договор с немецкой компанией Дженерал Электрик (German General Electric Company — A.E.G). В ней он работал как консультант с двумя работниками компании — электриком Альбертом Короди (Albert Korodi) и механиком Лацисласом Бихали (Lazislas Bihaly). Вместе с ними Сцилард построил рефрижератор, главной деталью которого стал «насос Эйнштейна – Сциларда», запатентованный в США 11 ноября 1930 года за № 1781541. В качестве теплоносителя в нем использовалась ртуть или другой жидкий металл (натрий или калий).

Параллельно с работой над бытовым холодильником он немало размышлял над другими более важными с точки зрения современной физике техническими устройствами, в частности, над линейным ускорителем. Одновременно с этим он вместе со своим другом Гербертом Уэллсом (H.G. Wells), известным английским писателем-фантастом, опубликовал в немецком «Журнале по физике» (1929) важную теоретическую статью по проблеме классической термодинамике, которая называется «парадокс Демона Максвелла». Поясним, в чем его суть.

Максвелл предложил следующий мысленный эксперимент. Представим себе сосуд, разделенный перегородкой на левую и правую камеры. В перегородке имеется отверстие с заслонкой, которая открывается и закрывается по воле некоего Демона. Теперь запустим в левую камеру разогретый газ. По мнению Максвелла, Демон без большой затраты энергии сможет с помощью заслонки рассортировать молекулы газа по скоростям на «горячие», которые он запустит в правую камеру, и «холодные», которые он оставит в левой камере. Сортировку он произведет следующим образом. Как только к отверстию подлетит молекула, имеющая скорость движения выше средней, Демон откроет заслонку, чтобы горячая молекула попала в правую камеру. Если же возле отверстия появится холодная молекула, он не станет открывать заслонку, чтобы молекула осталась в левой камере. Парадокс состоит в том, что сколь угодно большое количество молекул без затрат энергии, только за счет собственной энергии движения молекул распределятся на горячие и холодные (затраты энергии на открывание и закрывание заслонки можно сделать сколь угодно малыми).

Этот парадокс, с одной стороны, связан с информацией о молекулах, с другой — с проблемой холодильных установок, которая, в свою очередь, связана со вторым началом термодинамике о возрастании энтропии. Количественное определение информации как раз и возникло из решения этого парадокса. Оно звучит так: количество информации — это разность между двумя уровнями энтропии — до и после получения сообщения (в частности, о состоянии молекулы — холодная она или горячая). Если сообщение информативно, то уровень энтропии понижается, поэтому информацию называют негэнтропией, т.е. отрицательной энтропией. Энтропия равна нулю, если вероятность сообщения равна 1, и энтропия равна бесконечности, если вероятность равна 0. Так ведет себя логарифмическая зависимость. В статье Сциларда и Уэллса дается определение единицы информации как kln2, где k — коэффициент пропорциональности. Здесь надо помнить, что различают нит и бит информации в зависимости от натурального логарифма или логарифма по основанию 2, соответственно.

Аналогичное определение информации было предложено американцем Р. Хартли в 1928 году. Правда, проблеме информации и ее связи со вторым началом термодинамики Сцилард уделил внимание еще в своей докторской диссертации 1922 года. Потом он увлекся перспективами освоения атомной энергии. На эту идею его навела книга Герберта Уэллса «Освобожденный мир» («The World Set Free»), опубликованную в 1914 году (написанная в 1913 году), но прочитанная Сцилардом в 1932. В книге рассказывалось об использовании атомной энергии сначала в военных целях. После мировой войны, которая велась с помощью атомных бомб, и создания мирового правительства, напоминающего ООН, атомную энергию люди земли стали использовать в мирных целях, в частности, для выработки электроэнергии. По мнению Уэллса, укрощение атомной энергии должно произойти в 1933 году. Как видим, ошибся он ненамного.

Еще в 1930 году Сцилард вместе с Уэллсом обсудил возможность создания широкого международного движения прогрессивной интеллигенции под названием «Open Conspiracy» — «Открытый Заговор». Наряду с активной политической деятельностью Сцилард вместе с Джоном фон Нейманом и Эрвином Шредингером продолжил вести семинары по физике, а с Лизой Мейтнер — и по химии. В этом же году он встретил свою любовь — Гертруду Вейсс (Gertrude Weiss), бежавшую из нацистской Германии. По профессии она врач. По причине их беспокойного уклада жизни они оформили свои брачные отношения только в 1951 году. После смерти Лео Гертруда вместе с редактором, Спенсером Веартом, выпустила в 1978 году биографическую книгу «Лео Сцилард: его версия фактов».

В 1931 году Сцилард подал заявку на изобретение электронного микроскопа. К этому времени холодильная установка с насосом Эйнштейна – Сциларда прошла успешные испытания в научно-исследовательском институте фирмы A.E.G. Однако после открытия безопасного фреона работы над усовершенствованием насоса (он сильно шумел) были прекращены. Приостановка данного проекта была связана также с наступлением Великой депрессии, в результате которой фирма A.E.G. закрыла свой научно-исследовательский институт и опытное производство. В 1932 году Сцилард едет в Соединенные Штаты и принимает там участие в политической акции, направленной против Японии, захватившей китайские территории.

31 Марта 1933 год из-за нацистской угрозы преследования евреев Сцилард бежит из Германии в Англию, где организует помощь другим беженцам-ученым. 12 Сентября 1933 года в лондонской газете «Таймс» появилась статья Эрнеста Резерфорда, где говорилось, что «любой, кто ищет источник энергии в преобразовании атомов, является фантазером». Нильс Бор тоже заявил, что использование атомной энергии — дело весьма отдаленной перспективы. Альберт Эйнштейн сравнивал бомбардировку частицами ядер атомов стрельбой в ночи по редко летящим птицам. Сцилард потом рассказывал, что именно после прочтения статьи Резерфорда, ему пришла в голову идея цепной реакции (chain reaction), которая могла бы вызвать лавинообразное увеличение большого числа быстродвижущихся частиц. Сначала он экспериментировал с легкими веществами, в частности, с бериллием и индием, чтобы в них вызвать цепную реакцию. Сцилард предположил, что ядро бериллия при захвате одного нейтрона сможет выделить два нейтрона плюс какую-то энергию.

Механизм цепной реакции, в результате которой происходит эмиссия вторичных нейтронов и выделение большого количества энергии. Сцилард считал, что она может с успехом идти в бериллии или индии. Но с наибольшей вероятностью она протекает в уране-235: при захвате одного нейтрона его ядро способно выделить еще два (в среднем 2,2). Плутоний-240 испускает больше вторичных нейтронов, чем уран-235 (в среднем 3,5), следовательно, его использование в атомных бомбах оказалось более предпочтительным. Вторичные электроны появляются меньше чем через одно миллиардную долю секунды после первичных, поэтому неуправляемая цепная реакция порождает взрывной процесс большой мощности.

Чтобы этой идеей не смогли воспользоваться недоброжелатели, Сцилард засекретил патент и передал право пользования им Адмиралтейству Великобритании (British Admiralty). Кроме того, патент №440023, оформленный 12 марта 1934 года на Адмиралтейство, позволил ему хотя бы начать работы над цепной реакцией. Первоначально он намеревался провести все необходимые эксперименты по цепной реакции в лаборатории Кембриджа. Но ее руководитель, Эрнест Резерфорд, счел идею Сциларда абсурдной и отказался предоставить ему свою лабораторию. Тогда в 1935 году Сцилард начал экспериментировать в Лондонском госпитале св. Варфоломея (London's St. Bartholomew's Hospital), потом в Оксфорде, в лаборатории Кларендона (Clarendon Laboratory). В 1936 году он тщетно пытался убедить Нильса Бора и Энрико Ферми в возможности получения цепной реакции.

Удивительным здесь является то, что механизм цепной реакции Сцилард первоначально придумал как теоретическую модель взрывного процесса, а уже потом начал искать вещество, в котором могло бы происходить подобное физическое явление. Причем он осмыслил не только механизм цепной реакции, но и определил для него критическую массу. Тогда он использовал термин «critical thickness» — «критическая толщина», больше которой цепная реакция, однажды начавшись, уже не затухала бы. Как известно, все эти его догадки были подтверждены на тяжелых элементах типа радия, тория и урана. В патенте на цепную реакцию упор делался на бериллий, хотя уран и торий в нем тоже упоминаются.

Лео Сцилард на крыше здания, откуда видны окрестности Оксфорда (весна 1936 год). В Оксфордском университете он вел с 1935 по 1937 год безуспешные эксперименты по обнаружению цепной реакции в бериллии и индии.

В 1937 году Сцилард при сотрудничестве с Джеймсом Таком (James Tuck) работал над устройством бетатрона. В 1938 году он переезжает из Лондона в Нью-Йорк, в котором и до этого бывал не раз. Здесь он вместе с Вальтером Зинном, наиболее преданным своим помощником, начал экспериментировать с ураном. Это направление исследований было выбрано после открытия 17 декабря 1938 года деления ядер урана. Его сделали Отто Ган и Фриц Штрассман, работавшие в Берлинском институте химии Кайзера Вильгельма, где начинал свою научную карьеру Сцилард. Статья Гана и Штрассман опубликована 6 января 1939 года в журнале «Естественные науки». Но еще до публикации авторы сообщили о полученных результатах Лизе Майтнер и Отто Фришу, имеющие связь с Нильсом Бором. 16 Января Бор прибыл в США на заранее запланированную конференцию, на которой рассказал американским физикам об успехах немецких. 25 Января Сцилард писал своему другу, Льюису Л. Штраусу (Lewis L. Strauss):

«…Отделение физики в Принстоне, где я провел последние несколько дней, было похоже на разворошенный муравейник. Помимо чисто научного интереса, есть еще один аспект этого открытия, который до сих пор, как мне представляется, не овладел вниманием тех, кому я о нем рассказывал. Прежде всего, очевидно, что энергия, освобожденная в этой новой реакции, должна быть значительно выше, чем во всех ранее известных случаях. Она может быть 200 млн. [электроно-] вольт вместо обычных 3-10 [электроно-] вольт. … Она может привести к крупномасштабному производству энергии и радиоактивных элементов, к сожалению, возможно, также к атомной бомбе. В этой связи это новое открытие возрождает все надежды и опасения, которые я испытывал в 1934 и 1935 гг., и которые я имею в течение последних двух лет» [4].

3 Марта Лео Сцилард вместе с Вальтером Зинном повторили эксперимент немецких коллег в Колумбийском университете. «После двухдневной подготовки, — писал через несколько лет Сцилард, — все было закончено, и нам оставалось лишь повернуть выключатель, сесть и смотреть на экран осциллографа.

Появление вспышек света на экране могло означать, что в процессе деления урана излучались нейтроны, а это, в свою очередь, означало, что освобождение атомной энергии в больших масштабах было не за горами. Мы повернули выключатель и увидели вспышки. Некоторое время мы наблюдали за ними, а затем все выключили и пошли домой. В ту ночь у меня почти не оставалось сомнений, что мир ждет беда» [3, с. 53].

После этого очевидного результата к Сциларду и Зину подключились Энрико Ферми (Enrico Fermi) и Герберт Андерсон (Herbert Anderson). Работая все вместе в Колумбийском университете, они искали подходящий замедлитель для нейтронов урана. Сначала исследовалась водно-урановую систему, затем графито-урановую. Последняя комбинация, предложенная Сцилардом, оказалась наиболее эффективной для управления цепной реакции. Реакцию Гана–Штрассмана по распаду ядра урана повторили несколько американских физиков.

Цепной реакцией занимались, в частности, Джон Даннинг (John Dunning) из Колумбийского университета и Альфред Нир (Alfred Nier) из университета Миннесоты, которые в марте 1940 года определили, что для осуществления цепной реакции лучше всего подходит уран-235, который составляет всего 1/140 часть относительно содержания урана-238. Нир с помощью несовершенной электромагнитной методики сумел собрать небольшое количество урана-235. Джесси Бимс для разделения изотопов урана пытался использовать центрифугу. Однако наиболее эффективной оказалась газодиффузная методика, позаимствованная Даннингом у англичан в конце 1940 года.

Центром ядерной физики США тогда считалась радиационная лаборатория в Беркли, возглавляемая Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence). Его лаборатория была хорошо оснащена оборудованием для подобных исследований. Основными инструментами в ней были масс-спектрограф и циклотрон. Лоуренс вместе с Ван де Грофом (Van de Graaff) независимо от других стали изучать цепную реакцию на уране. В начале 1941 года сотрудники Берклеевской лаборатории, Эдвин МакМиллан (Edwin McMillan) и Филип Абельсон (Philip Abelson) вели работы по поиску трансурановых элементов. Удача улыбнулась Гленну Сиборгу (Glenn Seaborg), который в феврале открыл первый трансурановый элемент, плутоний-239. Сиборг доказал, что этот элемент имеет в 1,7 раза большую вероятность расщепления ядра, чем у урана-235, вместе с тем плутоний-239 несложно получать из урана-238.

Уже в апреле 1939 года Сцилард и Ферми приступили к разработке технологичного котла, в котором можно было бы проводить управляемую цепную реакцию с получением большого количества атомной энергии. Поскольку у Ферми не было инженерного и изобретательского таланта, первую скрипку в разработке нового технического оборудования взял на себя Сцилард. Именно ему принадлежит авторство термина «breeder» — «производитель», который в данном случае применялся не к животным, а к технологической установке, производящей нейтроны в нужном количестве и низкой энергии. Кроме того, наиболее важной часть любого реактора является его охлаждение. Никто из участников атомного проекта не разбирался в системах охлаждения так, как Сцилард. В лабораторных условиях цепная реакция, теоретически предсказанная и впервые осуществленная на американском континенте им, проходила вполне успешно. Теперь ставилась задача по осуществлению ее в средних масштабах опытного производства.

2 Декабря 1942 года Сцилард и Ферми запустили первый ядерный реактор. Для адекватного понимания тогдашней ситуации нам понадобятся некоторые разъяснения. Дело в том, что Сцилард из-за угрозы военного шпионажа «шифровался» намного сильнее, чем Ферми. Он играл одну из ключевых ролей в Манхэттенском проекте, в то время как Ферми вообще не входил в него и не был посвящен в большинство научных и военных тайн. Кроме того, у Сциларда сложились непростые отношения с генералом Гровсом. Поэтому мировая слава, которая сопровождала Ферми, Бора и Эйнштейна на протяжении всей их жизни, его тихо обходила. Отцом первого реактора до сих пор считают одного только Ферми.

Между тем Сцилард, как мы знаем, стоял у истоков разработки не только атомного реактора, но и изобретения линейного ускорителя, циклотрона и электронного микроскопа — трех наиболее важных устройств, используемых при исследовании вещества и элементарных частиц высокой энергии. Однако за циклотрон Нобелевскую премию получил Эрнест Лоуренс в 1939 году, а за электронный микроскоп — Эрнст Руска (Ernst Ruska) в 1986 году. Напомним, заявку на патент линейного ускорителя Сцилард оформил в 1928 году, на циклотрон — в 1929 году и на электронный микроскоп — в 1931 году.

Лео Сцилард (слева) зарегистрировал патент на циклотрон 5 января 1929 года в немецкой Палате, Эрнест Лоуренс (справа) — 26 января 1932 года в американской Палате. Оба действовали независимо друг от друга. Однако Нобелевскую премию за циклотрон в 1939 году получил только один Лоуренс. Представленная здесь фотография сделана 27 апреля 1935 года возле Американского Физического Общества (Вашингтон). В дверном проеме стоит, по-видимому, Вальтер Зинн, помощник Сциларда

Но так уж несправедливо поступили со Сцилардом в отношении трех названных изобретений? Валентин Телегди (Valentine Telegdi), почетный профессор Чикагского университета, ныне проживающий в Женеве, непосредственно в известном исследовательском центре CERN, пишет: нет, все получили по заслугам.

Да, действительно, пишет Телегди в своей статье [6], Лео Сцилард — профессиональный изобретатель, предложивший в период между двумя мировыми войнами множество оригинальных технических решений. В течение 13 лет (1920 – 1933) он зарегистрировал более тридцати патентов. Только при разработке надежного и бесшумного бытового холодильника без движущихся частей было подано в общей сложности 16 патентов, 5 из них совместно с Эйнштейном. Насос Эйнштейна – Сциларда для жидких металлов без движущихся частей использовался не только для бытовых холодильников. Телегди замечает, что сегодня подобные насосы используются для перегонки жидкого натрия в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.

Заявку на изобретение первого линейного ускорителя (linac) Сцилард подал 17 декабря 1928 года. Всего он подал три заявки на устройства для ускорения частиц (электронов и ионов) — две в Германии и одну в Англии, но все они не были доведены до конца. Возможно, в процессе работы Сциларда что-то отвлекло — такое с ним не раз бывало. Но вероятнее всего, его остановила похожая работа, выполненная известным шведским инженером-экспериментатором, Густафом Изингом (Gustaf Ising), который разработал linac еще в 1925 году. Параллельно со Сцилардом работал норвежский инженер-изобретатель Рольф Видерёэ (Rolf Widerо:e), который представил свой патент на linac летом 1928 года. Следует также отметить, что Эрнст Лоуренс и Дэвид Слоун в 1931 году разогнали ионы ртути в линейном ускорителе до энергии в 1,25 Мэв.

Ровно через месяц после подаче заявки на линейный ускоритель, 17 января 1929 года, Сцилард подает заявку на циклотрон и бетатрон для разгона электронов. В бетатронах ускорение происходило за счет магнитной индукции, при которой кольцо движущегося потока электронов играло роль вторичной обмотки трансформатора. Этим ускоритель напоминал насос Эйнштейна – Сциларда, в котором жидкий щелочной металл вращался по такому же принципу. В своей статье [6] Телегди привел принципиальные схемы и объяснил принцип действия всех названных здесь устройств. Из-за легкости, пишет он, электроны мало подходят для того рода ускорителей. Норвежец Видерёэ, пришел к аналогичной идее, но использовал уже тяжелые ионы калия и натрия. Однако он выпустил из виду одну важную деталь — фокусировку пучка. Проблему фокусировки как раз и решил Эрнст Лоуренс летом 1929 года.

Вообще, голова Сциларда лучше всего была приспособлена для выдвижения идей, чем для их реализации. Проблему фокусировки пучка нельзя было предвидеть заранее. Поэтому Нобелевский комитет, по-видимому, поступил правильно, что присудил премию Лоуренсу, который довел свое устройство до полной кондиции. Работая над ускорителями частиц, Лоуренс ничего не знал о работе Сциларда, но внимательно следил за работами Видерёэ. Поэтому, если и говорить, с кем должен был поделиться премиальными Лоуренс, то здесь прежде всего следует назвать имя норвежского изобретателя, а потом уже Сциларда.

Третья заявка на патент, поданная 21 февраля 1934 года уже в патентное ведомство Англии, касалась, как бы сейчас сказали, резонансных (синхротронных или синхроциклотронных) и нерезонансных (асинхронных) ускорителей. Так как в основе этого типа ускорителей лежала всё та же трансформаторная индукция, Сцилард озаглавил свою заявку как «Синхронные и асинхронные трансформаторы для частиц». Подобно предыдущему, этот тип ускорителя тоже работал с электронами, которые не представляют большого интереса для физиков-ядерщиков. Лучше было бы использовать протоны, которые можно было бы разогнать до энергии в 15 Мэв. Таким образом, в статье Телегди эпохальные изобретения Сциларда выглядят куда более скромно, чем об этом говорят почитатели его таланта.

Патент на первый атомный реактор американский генерал Лесли Гровс, курировавший со стороны военных Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы, оформил на правительство США. После смерти Ферми (29 ноября 1954 года), в 1955 году, Лео Сциларду и Джемсу Франку, почетным членам американской комиссии по атомной энергии (U.S. Atomic Energy Commission), был торжественно вручен общий на двоих патент за разработку атомного реактора 1942 года (US Patent №2708656). Здесь важно подчеркнуть, что правительство США отметило заслуги только этих двух ученых, хотя в разработке и строительстве реактора помимо Ферми принимали участие десятки других видных ученых и сотни простых инженеров. Когда официальный представитель Патентного бюро США (U.S. Patent Office) вручал им патент, он сравнил его по значимости с патентами Морзе (Morse) на телеграф и Белла (Bell) на телефон. Согласно другим источникам, патент был выдан не на имя Сциларда и Франка, а на Сциларда и Ферми, что, по-видимому, является ошибкой.

Многие коллеги считали Сциларда неудачником, в частности, потому что упомянутый генерал Гровс чуть было не исключил его из Манхэттенского проекта за неблагонадежность после того, как у него состоялась 28 мая 1945 года конфиденциальная встреча с Джеймсом Бирнсом в Спартанбурге (Spartanburg.), Южная Каролина, где он убеждал будущего госсекретаря не взрывать атомную бомбу над японскими городами (об этом подробнее ниже). Однако Сцилард играл ключевую роль в создании атомной бомбы.

Об этом немногие знают сейчас, а тем более, тогда, поскольку большая часть его научных записок носила гриф «TOP SECRET». До сих пор многие его работы попадают под действие Закона о нераспространении ядерного оружия и его производства. Вообще, судьба Лео Сциларда во многом напоминает судьбу Андрея Дмитриевича Сахарова, который сначала, как говорится, крепил ядерный щит родины, а потом пошел против генеральной линии партии, за что сильно поплатился.

Самое большое недоразумение произошло, пожалуй, с «письмом Эйнштейна Рузвельту». Немногие знают, что это письмо было написано Сцилардом, Эйнштейн же только подписал его. Отец теории относительности понятия не имел о цепной реакции на нейтронах. Когда Сцилард приехал к нему и рассказал идею механизма атомной бомбы, Эйнштейн удивился и признался, что ничего не знал о цепной реакции и ее возможностях. Впоследствии Сцилард не раз использовал громкое имя Эйнштейна в своих политических акциях.

---