Краткая история науки - Уильям Байнум

Многие исследователи в начале прошлого века, включая ту же Кюри, умерли от последствий облучения до того, как были выработаны должные меры защиты. Ее дочь. Ирина, получила Нобелевскую премию за работу в той же самой области и умерла молодой от того же рака крови, что и ее мать.

Уран, торий, полоний и радий обладают естественной радиоактивностью, но что это значит? Эти элементы физики обычно именуют «тяжелыми», их ядра очень плотно заполнены и от этого являются нестабильными. Именно эту нестабильность мы фиксируем в качестве радиоактивных лучей, и она получила название «радиоактивный распад» по той причине, что, когда частицы теряются, элемент буквально распадается, превращается в другой элемент и занимает другое место в периодической таблице.

Изучение этого распада с должной осторожностью позволило продолжить жизненно важную работу по заполнению брешей в таблице Менделеева.

Используя тот же распад, ученые получили ценный инструмент, позволяющий датировать события земной истории, обычно его именуют «радиоуглеродным методом». Эрнест Резерфорд оказался пионером в этом деле, когда в 1905 году предположил, что подобная техника может помочь в определении возраста Земли.

Физики рассчитали, сколько времени понадобится половине атомов элемента с природной радиоактивностью (например, урана), чтобы распасться на конечные продукты (свинец в нашем случае). Этот отрезок времени часто именуют периодом полураспада. Период полураспада разных элементов может колебаться от нескольких секунд до миллионов лет.

И зная этот период, ученые могут датировать событие, изучая окаменелости или минералы (любой образец естественного происхождения) и определяя, насколько много в нем исходного элемента и сколько продуктов распада. Пропорция между первым и вторым скажет нам, каков возраст образца.

Одна из не самых распространенных форм углерода обладает естественной радиоактивностью, и ее период полураспада удобно использовать для того, чтобы датировать окаменевшие останки животных и растений, поскольку все живые существа в течение жизни накапливают углерод. Когда они умирают, этот процесс останавливается. Так что зная, сколько в останках радиоактивного углерода, можно сказать, когда они сформировались. Радиоуглеродный анализ точно так же используют для определения возраста горных пород, хотя там речь идет о куда больших периодах времени.

Эта техника перевернула всю науку об окаменелостях, поскольку стало возможным не только сравнивать, что моложе, а что старше, но и примерно оценивать возраст каждого образца.

Физики быстро увидели, насколько большое количество энергии выделяется при радиоактивном излучении. Элементы, обладающие естественной радиоактивностью, вроде урана или радиоактивные формы обычных элементов, как углерод, о котором мы говорили, встречаются редко. Но когда вы бомбардируете атомы альфа-частицами или нейтронами, вы можете заставить многие элементы искусственным образом испускать радиоактивные лучи. И это показывает, насколько много энергии скрыто в ядре атома. Попытки отыскать способы того, как можно использовать эту энергию, двигали учеными в последнюю сотню лет.

Когда вы бомбардируете атом и заставляете его выбросить из ядра альфа-частицу, вы разделяете атом, превращаете его в другой элемент. Происходит расщепление атома. Ядро теряет два протона. Альтернатива, ядерный синтез, случается, когда атом поглощает частицу и занимает другое место в периодической таблице.

И в том и в другом случае происходит высвобождение энергии.

Возможность ядерного синтеза была показана в конце тридцатых годов двадцатого века немецкими и австрийскими физиками, среди которых была Лиза Майтнер (1878–1968). Еврейка по рождению, она перешла в христианство, но все равно ей пришлось бежать из Германии в 1938 году.

Она изучала синтез двух атомов водорода, из которых возникал атом гелия, следующего элемента таблицы. К тому времени наблюдения за Солнцем и другими звездами подтвердили, что конвертация водорода в гелий может быть источником звездной энергии (гелий сначала открыли на Солнце, и лишь затем он был обнаружен на Земле: его атомы показывают характерную длину волны, если изучать их с помощью инструмента, именуемого спектроскопом). Эта реакция требовала очень высокой температуры, и в 1930-х она не могла быть достигнута в лаборатории. Но теория позволяла создать водородную бомбу (термоядерную бомбу), способную на высвобождение колоссального объема энергии.

В 30-х другая альтернатива, а именно атомная бомба, основанная на распаде, выглядела более реальной. По мере того как нацисты продолжали агрессию в Европе, мировая война становилась все более вероятной. Ученые в нескольких странах, включая Германию, втайне работали над изобретением этого опустошительного оружия.

Очень важными в этой «гонке со смертью» по направлению к глобальному конфликту оказались работы итальянца Энрико Ферми (1901-54). Ферми и его коллеги показали, что бомбардировка атома «медленными» нейтронами может вызвать желаемое деление ядра. Медленные нейтроны проходили через парафин (или иное сходное вещество) по пути к цели, скорость их падала, и тем самым возрастала вероятность попадания точно в ядро атома.

Ферми покинул Италию в 1938 году, убегая от фашистов, ставших союзниками Гитлера. Он отправился в Соединенные Штаты, и так же поступили многие выдающиеся ученые (а также писатели, художники, мыслители) того времени. Сегодня мы иногда говорим об «утечке мозгов», имея в виду то, что лучшие «мозги» покидают дома в поисках лучших условий для работы: большей оплаты, более просторной лаборатории, шансов прожить жизнь так, как хочется. Люди в конце 30-х – начале 40-х бежали, поскольку опасались за жизнь свою и близких.

Нацисты и фашисты совершили множество ужасных вещей, и еще они изменили лицо науки, ну а Британия и Соединенные Штаты смогли много выиграть от тогдашней утечки мозгов.

В США многие беглецы присоединились к совершенно секретному Манхэттенскому проекту. Одно из наиболее дорогостоящих научных предприятий за всю историю человечества было начато в исключительно драматических обстоятельствах.

В конце тридцатых многие ученые, глядя на быстрое развитие науки о радиоактивных элементах, уверились, что им по силам произвести ядерный взрыв. Сложность заключалась в том, чтобы сделать его контролируемым. Многие думали, что затея слишком опасна, что цепная реакция просто разорвет планету на куски.

Когда в 1939 году началась война, физики США и Британии верили, что ученые в Германии и Японии продолжают работу над атомной бомбой и что союзникам нужно делать то же самое. Большое количество писем с призывами было отправлено в адрес президента Франклина Рузвельта. Среди тех, кто писал, оказался и Альберт Эйнштейн, самый известный в мире ученый, тоже бежавший от нацистов.

Рузвельт в конечном счете согласился, и работы начались одновременно в Теннеси. Чикаго и Нью-Мексико. Управляли Манхэттенским проектом военные, ученым было запрещено публиковать результаты исследований, им пришлось на время отказаться от принципа научной открытости. Война изменила многие ценности, так что секрет не был даже доверен коммунистической России[8], ключевому союзнику США и Великобритании.