Зельдович был на десять лет моложе Харитона. Он тоже родился в высокообразованной еврейской семье: его отец был юристом, а мать изучала языки в Сорбонне. Во время посещения института Иоффе семнадцатилетний Зельдович задал несколько вопросов, которые произвели очень благоприятное впечатление на одного из заведующих лабораторией. В результате Зельдович был приглашен туда на работу{241}. К тому времени, когда все было окончательно устроено, эта лаборатория стала частью Института химической физики.
Летом 1939 г. в автобусе по пути в Лесное Зельдович узнал от одного физика о статье, в которой французский физик Франсис Перрен пытался определить величину критической массы урана, необходимой для возникновения в ней цепной реакции[53]. Эта работа заинтересовала Зельдовича, и он рассказал Харитону о расчетах, выполненных Перреном. Вместе они проштудировали статью Перрена, но его анализ не показался им убедительным, и они решили, что сами исследуют эту проблему{242}. Заниматься этой темой представлялось для них естественным, поскольку изучение цепных реакций было основным предметом исследований в институте Семенова.
Поначалу Зельдович и Харитон работали над этой проблемой ядерной физики по вечерам, но вскоре поняли, что задача настолько велика, что ее решению они должны посвятить все свое время. Они стали участвовать в работе Курчатовского семинара, на котором вскоре ознакомились с новейшими исследованиями в области ядерной физики. В октябре 1939 г. они направили в ЖЭТФ («Журнал экспериментальной и теоретической физики») две свои работы. В первой из них рассматривалась возможность развития цепной реакции, возникающей в уране-238 под воздействием быстрых нейтронов{243}. Бор утверждал, что уран-238 не делится медленными нейтронами; если бы цепная реакция на быстрых нейтронах имела место, то нейтроны, испускаемые при делении, вызвали бы последующее деление еще до их замедления. Зельдович и Харитон теоретически определили условия, при которых цепная реакция могла бы иметь место, и сделали заключение, основанное на имеющихся экспериментальных данных, что требуемые условия не могут осуществиться в уране-238, будь то окись урана или чистый металлический уран[54].
В своей второй статье Зельдович и Харитон исследовали возможность цепной реакции на медленных нейтронах в природном уране{244}. Опыты, проведенные Ферми совместно с Лео Сцилардом и Гербертом Андерсоном в Колумбийском университете в Нью-Йорке и Жолио и его сотрудниками в Париже, показали, что на возможность цепной реакции в природном уране существенным образом влияет резонансное поглощение нейтронов в уране-238 до того, как они замедлятся и смогут вызвать деление урана-235. Ферми с сотрудниками провели свои опыты с ураном, помещенным в бак с водой. Они пришли к выводу, что «даже при оптимальной концентрации водорода остается крайне неопределенным, превзойдет ли выход нейтронов их полное резонансное поглощение»{245}. Иными словами, не было ясно, сможет ли водород существенно замедлить нейтроны таким образом, чтобы избежать резонансного захвата и тем самым сделать возможной цепную реакцию.
Зельдович и Харитон по-другому интерпретировали результаты, полученные Жолио и Ферми, основываясь на своей собственной теории, трактующей условия, необходимые для возникновения цепной реакции, и сделали вывод о том, что она не будет возможной в системе уран — вода. Зельдович и Харитон писали о том, что для осуществления цепной реакции «необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород или, быть может, тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата… Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом 235». Если содержание урана-235 в природном уране будет повышено с 0,7 до 1,3%, то, по их расчетам, в качестве замедлителя могли бы быть использованы вода или водород{246}.[55]
На 4-й Всесоюзной конференции по физике ядра, состоявшейся в ноябре 1939 г. в Харькове, Харитон доложил о работе, выполненной им совместно с Зельдовичем. Из его доклада следовало, что «из этих расчетов, которые на первый взгляд приводят к пессимистическим выводам, видно, однако, по какому пути можно идти для осуществления цепной реакции. Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа 235, чтобы реакция оказалась возможной. Если, с другой стороны, в качестве замедлителя вместо водорода использовать дейтерий, то поглощения в замедлителе практически не будет, и реакция, очевидно, также будет осуществима. Оба пути кажутся сейчас довольно фантастическими, если вспомнить, что для осуществления реакции необходимы тонны урана. Однако принципиально возможность использования внутриядерной энергии открыта»{247}. На конференции возникла дискуссия об использовании деления ядра в качестве источника энергии или для взрывов, но никто из ее участников не считал, что это дело близкого будущего{248}.
Нильс Бор и Джон Уилер опубликовали важнейшую работу по теории деления в журнале «Физикэл Ревью» 1 сентября 1939 г., за два дня до начала войны в Европе[56]. Помимо прочего, эта работа содержала теоретическое обоснование гипотезы Бора, согласно которой именно уран-235 делится медленными нейтронами. Александр Лейпунский, который представил на Харьковской конференции обзор состояния исследований по ядру, большую его часть посвятил теории Бора и Уилера. Он сказал, что в течение очень долгого времени нельзя будет осуществить разделение изотопов, и утверждал, что цепная реакция на медленных нейтронах «весьма сомнительна». Более того, добавил он, ничего нельзя сказать о возможности реакции на быстрых нейтронах, поскольку отсутствуют данные о таких процессах, как замедление быстрых нейтронов{249}.
Большинство советских ученых скептически относились к возможности использования атомной энергии. Говорят, что Игорь Тамм в августе 1939 г., комментируя работу Зельдовича и Харитона, сказал: «Знаете ли вы, что означает это новое открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая разрушит город в радиусе, возможно, десяти километров [от эпицентра взрыва]»{250}.[57],[58] Но такого рода оценка была исключением. Иоффе в докладе, сделанном в Академии наук в декабре 1939 г., отметил, что представляется маловероятным, что в этом случае возможно использование результатов ядерной физики в практических целях{251}. Капица в 1940 г. по этому же поводу заметил, что для осуществления ядерных реакций потребуется больше энергии, чем они могут отдать. Понадобится разделить изотопы, а для этого необходимо будет «затратить энергии больше, чем можно рассчитывать получить от ядерной реакции». Было бы весьма удивительным, сказал он, если бы возможность использовать атомную энергию превратилась в реальность{252}.[59]
53
Перрен опубликовал свою работу в мае 1939 г. (см.:
54
В основной части статьи авторы заявляют, что цепная реакция могла бы пойти в чистом уране, а не в окиси урана. В примечании, добавленном к статье, когда она уже была в печати, они заметили, ссылаясь на работу Бора и Уилера, что в чистом уране реакция не пойдет (см.:
55
В статье дается «формула четырех сомножителей» для цепных реакций. Эта формула была получена независимо несколькими группами исследователей в 1939 и 1940 гг., но Зельдович и Харитон вывели се одними из первых. Статья была получена журналом 22 октября 1939 г. и опубликована в первом его выпуске за 1940 г. Группа Жолио вывела примерно ту же самую формулу в том же месяце, но не опубликовала се из-за начавшейся войны. 30 октября они поместили статью в запечатанном конверте на хранение в архив Академии наук. См.:
57
Имеются две другие версии замечания, сделанного И.Е. Таммом. По одной из них, он сказал: «Вы слышали новости? Харитон и Зельдович подсчитали, что в принципе возможна урановая бомба» (см.:
58
Автор цитирует по англоязычному источнику. Здесь слова И. Тамма приводятся в обратном переводе с английского. —
59
Это изложение разговора о фантастике с членами редколлегии журнала «Детская литература», состоявшегося где-то в 1939 г.