Уровень структурной организации элементарных частиц
С античных времен, пока атом считался неделимым, почти все было ясно, понятно и определенно, пока ученые не решились заглянуть внутрь атома (любопытству нет предела), ясность и определенность исчезли. После античности первым представителем строения атома считается английский физик и химик Джон Дальтон (1766–1844), который недалеко ушел от своих предшественников, но с учетом последних достижений химии, ввел некоторые новые понятия и характеристики атома. Далее, на основе изучения содержимого в лучах на стыке последующих веков, сделан вывод о том, что эти частицы были в две тысячи раз легче, чем водород. В 1904 году Джозеф Джон Томсон (1856–1940) на основе последних научных достижений и своих выводов, предложил так названную «пудинговой моделью атома».
Хотя дальнейшее углублённое исследование атома было еще менее доступно, ученные решили разделить его на части, используя принцип Демокрита, им также не давала спокойствия природа электричества. Более 100 лет тому назад Эрнест Резерфорд (1871–1937), британский физик новозеландского происхождения, бомбардируя фольгу, понял, что атом не сплошная материя, а состоит из ядра, который в 1000 раз меньше самого атома и имеет положительный заряд. Поскольку атом в целом должен быть нейтральным, то должно быть нечто с отрицательным зарядом, заполняющее остальное пространство. Это нечто назвали электроном. Так в 1911 году получилась планетарная модель атома, не очень стройная система. В 1913 году датский физик-теоретик Нильс Бор (1885–1962) подкорректировал эту модель, введя стабильные энергетические уровни электронов, не устранив главные ее недостатки. Все же данная модель официально принятая современной наукой.
Учитывая, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода, то ядро тоже должно быть составным. В 30-е годы немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг(1901–1976) и российский физик-теоретик Дмитрий Иваненко (1904–1994) предложили гипотезу, что ядро состоит из протона и нейтрона, следовательно, атом состоит из протона, нейтрона и электрона. Данная система не могла удовлетворить физиков. Ядро, состоящее из частиц, имеющих положительный заряд, не разлетается, а электрон не падает на ядро. Значит должна быть сила, удерживающая ядро и атом в стабильном состоянии. Было замечено, что при распаде нейтрона получается положительная частица и что-то еще, замеченное по недостающей энергии. Это что-то названо швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули (19001958) нейтрино.
Так шло постепенное проникновение вглубь атома. Число частиц стало возрастать. В 1934 году японский физик-теоретик Х. Юкава (1907–1981), построив количественную теорию взаимодействия нуклонов, предложил частицу, отвечающую за ядерные силы, которые удерживают ядерные частицы внутри ядра (чтобы что-то осмыслить, надо сначала все это придумать, и тут как раз наступает черед теоретиков). Физики все более стали разделяться на физиков-теоретиков и физиков-практиков, экспериментаторов и между ними иногда возникали споры. Эта частица впоследствии была названа пионом или пи-мезоном. Вскоре стало ясно, что мезонов несколько, и в 1947 году был предложен первый якобы настоящий мезон, действительно являющийся переносчиком сильных взаимодействий между протоном и нейтроном в соответствии с теорией Юкава. Этих частиц оказалось несколько, и обладали они странными свойствами. Это частицы с зарядами +; —; 0. Кроме того странность не совсем понятное свойство, особенно наряду с последующими, не менее странными частицами – очарование (c-кварк), прелесть (b-кварк) и истинность (t-кварк), имеющие запах, цвет, учитывая что свойство величины целого равно сумме значений величин, составляющих его частей, при возможности разбиения целого на части. Данные свойства, и прежде всего последнее противоречат принципу квантования. Однако мы слишком далеко зашли, вернемся к последовательности.
Дальше больше, возрастанию количества частиц способствовало изучение космических лучей, которые в 1925 году впервые их так назвал американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953). Космические лучи – это частицы, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве, и состоят, главным образом, из долгоживущих частиц: на 92% из протонов, на 6% из ядер гелия, около 1% из электронов и около 1% приходится на более тяжелые элементы. Было также выявлено, что стабильными частицами в свободном состоянии являются протон, электрон, нейтрино и фотон. Остальные частицы являются нестабильными, они быстро распадаются. Время жизни нейтрона в свободном состоянии 880 сек (около 15 минут), время жизни остальных частиц 10-6-10-24 сек. В связи с этим есть мнение мало живущие частицы не следует считать частицами атома, а частицами-осколками, полученными в результате столкновения с высокой энергией частиц атома (по крайней мере, это полезно учащимся школ).
Далее элементарные частицы стали открываться на ускорителях, в которых с помощью электрических и магнитных полей частицы, получая большую энергию, а следовательно скорость, увеличенной порой до близкой к скорости света. Сталкиваясь с другими частицами, в результате получалось большое количество осколков, которые анализировались физиками. Ускорители подразделяются на 2 класса: линейные ускорители, в которых пучок частиц проходит ускоряющие устройства один раз; циклические ускорители, где пучки движутся по замкнутой кривой, проходя ускоряющее устройство многократно. Много небольших ускорителей применяется в медицине для радиационной терапии и в промышленности. К 60-м годам XX века частиц насчитывалось около сотни, естественно стало возникать подозрение элементарности частиц. В последствие, ближе к концу XX века, как стали говорят многие физики, открылся целый зоопарк частиц, их стало известно около 350, для которых появилась необходимость классифицировать их по принципу таблицы Менделеева и давать им названия. Так была создана стандартная теория физики элементарных частиц, однако противоречий и проблем ее обоснования не убавилось.
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия
Каждая из 12 частиц кварков и лептонов, имеет свою античастицу, которых тоже 12. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Имеется 12 переносчиков взаимодействий. В свободном состоянии находятся только лептоны – это слабовзаимодействующие частицы, а кварки и антикварки обладают сильным взаимодействием. Частицы, созданные из кварков и соответствующих антикварков, являются адронами. Комбинации положительных кварков с отрицательными антикварками дают мезоны. Комбинация из трех кварков создает барионы. Даже нейтрон имеет античастицу, которые отличаются зарядами магнитного момента и так называемого барионного заряда. Некоторые физики считают, что гравитон открыт, приводят даже доказательства и относят его к бозонам, однако официального подтверждения пока нет. Предполагается существование атомов антивещества, в ядре которого должны быть антинуклоны, а оболочка – из позитронов. Аннигиляции антивещества с веществом вызовет огромную энергию квантов излучения, значительно превосходящую энергию, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.
Столбцы частиц со своими античастицами сгруппированы в поколения (по-моему, неудачное понятие, лучше бы использовать уровни структурной организации частиц, но так сложилось исторически). В частности, специалист в области квантовой теории поля и физики элементарных частиц, член-корреспондент РАН Дмитрий Игоревич Казаков (1951 г. р.) в лекции отмечает: «Оказалось, что природа создала три копии (еще одно неудачное понятие). Все эти протоны, нейтроны, электроны – это все первая копия. Но зачем-то есть еще вторая и третья копии. Кстати, тут надо отдать должное – теоретики об этих копиях не думали. А экспериментаторы открыли вдруг новую частицу. Это была копия электрона – тяжелый электрон, назвали его мюоном. Открыли его в 1936 году. И никто не понимал – зачем? А потом оказалось, что всё имеет копию. Вот вам первая загадка: зачем природа сделала копию?»
Перед физиками давно маячило желание создать мощный ускоритель, с помощью которого они могли бы окончательно решить все проблемы элементарных частиц: надо было найти убедительные доказательства Стандартной модели, либо найти ее недостатки, или определить новые направления исследования микромира. В 2008 году запущен самый большой и мощный в мире ускоритель Большой адронный коллайдер (БАК), разгоняющий тяжелые встречные частицы до околосветовой скорости. «Большим» ускоритель назван из-за своих размеров: длина его кольца составляет почти 26 700 м, глубина залегания туннеля от 50 до 175 м; «адронным» – из-за ускорения адронов: протонов и тяжелых частиц; «коллайдером» – из-за того, что два ускоренных встречных пучка сталкиваются внутри детектора частиц. Идея создания БАК появилась еще в 1984 году, а проект на его строительство, разработанный Европейским центром ядерных исследований (CERN), принят в 1995 году.
Вокруг данного проекта было много споров и возражений. Появилась даже группа ученых, подавшая в суд, пытаясь остановить строительство, утверждая, что при работе БАК может появиться антиматерия, которая начнет аннигилировать с материей, начнется цепная реакция, и будет уничтожено все. Или возникнет черная дыра, которая поглотит коллайдер, затем Швейцарию и все остальное. Этими катастрофами, вплоть до апокалипсиса, некоторые ученые пугают до сих пор. Некоторые ученые утверждают, что нет необходимости строить дорогостоящие и массивные ускорители, можно воспользоваться природным аналогом ускорителей частиц, которым являются космические лучи. Физика космических лучей позволяет изучать те же процессы высоких энергий (хотя и не столь мощных) и физику элементарных частиц (зато в натуральных процессах), которую мы изучаем в различных коллайдерах, построенных человеком.
Строительство БАК началось в 2001 году после основательной подготовки. В строительстве и последующих исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран, в том числе 800 ученых из России. Пытался собрать, и подсчитать стоимость строительства и последующей эксплуатации коллайдера не получилось, т. к. достоверной суммы получить не удалось, но это не столь важно, затраты были громадными.
10 сентября 2008 года официально было объявлено о запуске коллайдера. Однако 19 сентября произошла авария, и коллайдер пришлось остановить на ремонт, который занял остаток 2008 и большую часть 2009 года. Со второго пуска коллайдер работал на пониженной энергии, которая со временем постепенно повышалась с 1180 ГэВ до 4 ТэВ. 2013-14 годы практически полностью были заняты модернизацией коллайдера. В 2015 году запуск начался с 6,5 ТэВ и доведен до полной энергии столкновений 13 ТэВ. Ежегодные перерывы зимой производились для сбора и анализа статистики столкновений. В 2018 году коллайдер остановлен на 2 года для модернизации с целью повышения интенсивности пучков и светимости коллайдера. С такой периодичностью модернизаций коллайдер должен проработать до 2034 года. С целью обработки большего объема информации предусмотрено 170 вычислительных центра в 36 странах.
За время работы БАК 2010–2017 годы с указанными перерывами самым знаменитым достижением стало открытие бозона Хиггса, который стали называть «частица Бога». Кроме того были открыты несколько новых частиц, а также на рекордных энергиях столкновений показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. При запуске в 2020 году предположительно БАК займется поиском темной материи, которая составляет большую часть Вселенной, но точно неизвестно, из чего она состоит.
Все же довольно большей период работы БАК не принес предполагаемого результата и азартные физики стали задумываться не только над модернизацией имеющихся ускорителей, но и над созданием новых, гораздо мощных установок. Проект такого коллайдера предложило в 2012 году Китайское сообщество физики высоких энергий (CEPC), который будет разгонять пучки электронов и позитронов сначала на линейном ускорителе, а затем будет направляться в одно из двух колец, смонтированных в круговом тоннеле длиной около 100 километров. Столкновения частиц будут фиксировать два больших детектора. В мире это восприняли как заявку на лидерство в области физики частиц. В CERN тоже планировали такой же проект.
В России планируется построить современные исследовательские установки в дополнение к зарубежным, – в частности, синхротрон ИССИ-4 в Курчатовском институте и коллайдер тяжелых ионов NICA в ОИЯИ (Дубна).
В настоящее время (начала 21 века) официально принятой считается копенгагенская интерпретация микромира, предложенная в 1927 году, основанная на планетарной модели Резерфорда, подкорректированной Бором, дополненная последующими фантазиями и опытами, полученная в конечном итоге стандартная модель частиц и взаимодействий. Не случайно, с самого начала и до сих пор имеется много альтернативных вариантов. Решил не приводить их, чтобы не загромождать картину, подведу лишь итог, сделанный в своем варианте. Элементарными частицами вполне возможно следует считать долгоживущие, остальные – частицы-осколки, полученные при столкновении на высоких энергиях. Что касается частиц-частиц-взаимодействий, то они аналогичны теплороду, принятого более ранней наукой, как вещество, рождающее тепло, полученное при нагревании тела и передаче его от одного тела другому. Короче необходимо вернуться к началу научных исследований, попытаться понять, что такое электромагнитное явление, сильное, слабое взаимодействия, а новые коллайдеры, не давшие ничего нового, не следует создавать. Все же, если углубляться в элементарные частицы, то классифицировать их надо, прежде всего, используя уровни структурной организации частиц, по принципу атомных уровней, основанных на общей методологии построения единой картины мира. Не собираюсь здесь этого делать по своему усмотрению, как сделано в атомных уровнях, т. к. с частицами дело обстоит гораздо сложнее: нерешенные проблемы современной физики, связанные, прежде всего, с проблемами элементарных частиц, более чем достаточно.
Конечно, спорных вопросов много, один из них: фундаментальная наука не даёт сиюминутной выгоды, но прежде, чем обвинять ее в бессмысленных тратах, следует, оглянуться вокруг, и задумайтесь – кто, благодаря и вопреки чему создал мир вокруг нас, и всё же необходимо оценивать траты и достижения прошлого и в перспективе. Не хотел бы обижать физиков, но правдивость необходима. Численность их велика, работа не пыльная, «кормушка» приличная, звания, премии (нобелевские премии и премии по математике – может, лучше бы их не было). Неоднократно встречаются физики, серьезно пытавшие понять физику микромира, утверждают, что понять квантовую физику и ее математическое обоснование невозможно, а те, кто ее пропагандируют, просто делают вид, что понимают, или внушают себе это, чтобы представляли себя умными, и пока это у них получается, т. к. они возглавляют официальную науку.
Особо следует выделить понятие «кванта», появившееся в 20-е годы XX века, позаимствовано у Макса Планка, который, являясь вначале противником атомной теории, в 1900 году занимался проблемой теплового излучения из так называемого абсолютно черного тела. С большой точностью замерялись изменения интенсивности излучения нагретого тела в зависимости от температуры и длины волны, в результате выведена формула, известная как закон излучения Планка E = hv где Е – энергия, v – частота колебания осциллятора, h = 6,626 × 10-34 Дж∙с – коэффициент пропорциональности (вероятно от слова helfe – помощь). При поглощении или испускании излучения осциллятором, его энергия уменьшается или увеличивается на величину hv, а также энергия осцилляторов квантуется и принимает значения: hv, 2hv, 3hv…., nhv. Для Планка главным было не квантование, а необходимость соединиться с вероятностной интерпретацией Больцмана. В предисловии ко второму изданию «Лекций по теории теплового излучения», Планк писал: «…для успешного развития новой гипотезы, нет ничего вреднее, чем уход за пределы ее применимости, то я всегда стоял за то, чтобы возможно теснее связать квантовую гипотезу с классической динамикой».
В 1913 году Нильс Бор представил доработанную модель атома, используя вероятностную идею квантования, и началось развитие квантовой механики. Эта модель предложила разрыв с классической физикой по трем фундаментальным аспектам. Во-первых, орбиты электронов были квантованы на дискретные уровни энергии; во-вторых, Электроны на стационарных орбитах не излучали электромагнитную энергию; в-третьих, излучение света было дискретным, в виде квантов.
Несмотря на то, что Планк был против этого, новое поколение физиков все больше стали называть его основателем новой физики, отличной от классической. Так Планк стал самым известным ученым Европы, а 1900 год – началом квантовой физики. В 1918 году Планка наградили нобелевской премией. Он долго пытался доказать свою правоту, но постепенно смирился со своим возвышенным положением.
Главной проблемой в исследовании микромира является отсутствие наглядности. Если, например, электрон рассматривать как шарик, то как объяснить его стабильность, если как безразмерную точку, тоже не решение, т. к. в уравнении об электромагнетизме появляется деление на ноль, что ведет к бесконечности, а значит к ошибке. Все это неизбежно порождало фантазии.
Сомнительная конечно доработка модели атома Бором, но другим, не менее важным недостатком квантовой физики является использование теории вероятности в ее математическом обосновании. Вероятностные методы годятся для исследования тепловых процессов в газовой среде, в броуновском движении частиц, где трудно учесть все факторы их движения, как монеты, упавшей на орел или решку, где точность не нужна. В целостном же разделе физики должны использоваться преимущественно точные методы. Альберт Эйнштейн, выражая свое не согласие с вероятностной интерпретацией квантовой механики, говорил, что «бог не играет в кости» (на это Нильс Бор ответил, что не Эйнштейну решать, чем заниматься богу). Эрвин Шрёдингер, отчаявшись доказать абсурдность этой теории, предложил мысленный эксперимент в 1935 году в журнале «Естественные науки» под названием «Текущая ситуация в квантовой механике» изложена, так называемая ситуация, «Кот Шрёдингера».
Математика тоже много чего натворила лишнего, считая себя языком науки, или королевой наук. Мне пришлось изучать все разделы математики, и я считал их вполне правомерными научными дисциплинами, но недавно, написав «Историю математики», чтобы потом привести математическое обоснование системно структурного метода, понял, что чистая математика, оторванная от реальности, может доказать все, даже чего нет в действительности. Например, Георг Кантор доказал существование актуальной бесконечности, создавая теорию множеств.
Неслучайно даже между молодыми физиками, сторонниками квантовой механики, было долгое время много споров, которые продолжались не одно десятилетие, и они не могли прийти к единому мнению. Впечатление было таковым, будто умнейшие физики бились головой о стену, не получая результатов. Нужны были новые сумасшедшие идеи, новые экспериментальные данные, способные вывести квантовую теорию из тупика.
В 30-е годы большая часть физиков обратило внимание на явление радиоактивности, случайно открытое еще в 1896 году французским физиком А. Баккрелем (1852–1908). Было замечено самопроизвольное испускание сильно действующих лучей самыми тяжелыми элементами или неустойчивыми изотопами. В 1898 этой проблемой вплотную занялись другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) и Пьер Кюри (1859–1906). Молодые физики пытались объяснить радиоактивность с позиций новых достижений квантовой физики, и стали проводиться целенаправленные опыты на ускорителях. В это же время усилилась напряженность в Европе, ученые, преимущественно евреи, перебираются сначала из нацистской Германии, наиболее развитой в научном смысле страны, а затем из других стран, в США, хотя это было сделать не просто. Так, например, самый молодой академик Энрико Ферми, олицетворявший надежду и успехи фашистской науки, узнав о присвоении ему нобелевской премии в ноябре 1938 года, обрадовался не столько премии, сколько возможности покинуть Италию вместе с семьей. В мире чувствовалась напряженность: Германия готовится к войне с прямой помощью и подстрекательством США, Англии и других западных деятелей.
В Советском Союзе проблемами атомной физикой интенсивно занимались в Радиевом институте и в первом Физтехе (оба в Ленинграде), а также в Харьковском физико-техническом институте и Институте химической физики в Москве. АН СССР проводила конференции по ядерной физике, в которых принимали участие отечественные и иностранные исследователи, работавшие в этой области, а также в других смежных дисциплинах. Авторитетом в этой области считался академик В. Г. Хлопин. Серьёзный вклад внесли также Г. А. Гамов, И. В. Курчатов и Л. В. Мысовский, создатели первого в Европе циклотрона, а также основатель Института химической физики Н. Н. Семенов. Ф. Ф. Лаеге создал первый советский проект атомной бомбы в 1940 году. Данные проекты курировал Председатель СНК В. М. Молотов. С начала войны внимание и финансирования на эти проблемы уменьшилось.
Широкий интерес физиков к явлению радиоактивности оказался кстати. Учитывая, что процесс радиоактивности сопровождается выделением большего количества энергии, родилась идея создания ядерного оружия. Анализируя процессы, происходящие при распаде ядра, замечено три типа радиоактивности: альфа, бета и гамма. При бомбардировке тяжелого атома нейтронами происходит расщепление его на два или более мелких ядер и других частиц (нейтронов и фотонов), далее может возникнуть цепная реакция. Атом урана 235 наиболее вероятно может быть разделен на ксенон и стронций с двумя нейтронами и высвобождением энергии, или криптон и барий и тремя нейтронами, также с высвобождением энергии. Нейтроны, возникшие в результате расщепления, могут провоцировать цепную реакцию.
Главным объектом исследования физиков и химиков стало расщепления ядер тяжелых элементов, в первую очередь урана, с помощью нейтронов, безо всякой квантовой физики, методом проб и ошибок, как можно быстрее добиться результата. Первыми за это взялись немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман, которые в декабре 1938 года впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана. В след за ними от ученых Гамбургского университета поступило письмо в высшее военное руководство Германии, за подписью профессора Пауля Хартека и доктора В. Грота. В письме указывалось на принципиальную возможность создания нового вида высокоэффективного взрывчатого вещества, а также отмечалось: «Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретет абсолютное превосходство над другими». Сразу же имперское министерство науки и образования проводит совещание на тему «О самостоятельно распространяющейся (то есть цепной) ядерной реакции». Среди участников профессор Винфрид Отто Шуман, руководитель исследовательского отдела Управления вооружений Третьего рейха. Уже в июне 1939 года началось сооружение первой в Германии реакторной установки, а также принят закон о запрете вывоза урана за пределы Германии, и в Бельгийском Конго срочно закупили большое количество урановой руды. В 1939 году французский физик Фредерик Жолио-Кюри запатентовал первую в мире ядерную бомбу, которую он разработал вместе со своей супругой, исповедуя сугубо научный интерес.
С 1 сентября 1939 года началась Вторая мировая война, в которой приняли участие 62 государства из 73 существовавших на тот момент (80% населения Земного шара). Она продлилась до 2 сентября 1945 года.
26 сентября 1939 года принято решение засекретить все работы, имеющие отношение к урановой проблеме. К участию в проекте были привлечены 22 организации, в том числе такие известные научные центры, как Физический институт Общества Кайзера Вильгельма, Институт физической химии Гамбургского университета, Физический институт Высшей технической школы в Берлине, Физико-химический институт Лейпцигского университета и многие другие. В работах непосредственно участвовали такие маститые ученые, как Вернер Гейзенберг, Карл Фридрих фон Вайцзеккер, Манфред фон Арденне, Николас Риль, Рудольф Хайнц Позе, нобелевский лауреат Густав Герц и другие. Проект курировал лично имперский министр вооружений Альберт Шпеер. Ученые, задействованные в нацистской программе «Урановый проект», считали возможным создание ядерного оружия в течение года, но они ошиблись.
В течение двух лет группа Гейзенберга провела исследования, необходимые для создания атомного реактора с использованием урана и тяжелой воды. Было подтверждено, что взрывчатым веществом может служить лишь один из изотопов, а именно – уран-235, содержащийся всего 1% от всего природного урана. Одной из проблем было обогащение урана. Другой проблемой программы создания бомбы был атомный реактор, для которого – в качестве замедлителя реакции – требовался графит либо тяжелая вода. Немецкие физики выбрали воду, создав себе тем самым серьезную проблему. Оккупировав Норвегию, у которой был единственный в мире завод по производству тяжелой воды, но французы тут же вывезли всю продукцию, а англичане вывели завод из строя. В Лейпциге взорвался опытный ядерный реактор.
Однако в начале 1945 года Гейзенберг имел все необходимое для монтажа новой большой реакторной установки, которая была развернута в конце февраля. Реактор содержал 664 кубика урана общим весом 1525 кг, окруженных графитовым замедлителем-отражателем нейтронов весом 10 т, кроме того в активную зону дополнительно влили 1,5 т тяжелой воды. 23 марта в Берлин доложили, что реактор заработал, но реактор не достиг критической точки, цепная реакция не пошла. Было недостаточно урана и тяжелой воды. 23 апреля в Хайгерлох вошли американские войска. Реактор был демонтирован и вывезен в США.
С небольшим отставанием шла разработка ядерного оружия в США и Англии. 16 марта 1939 года организовали встречу Джорджа Пеграм, Лео Силард, Энрико Ферми и Юджин Вигнер. Ученые договорились держать свои исследования в секрете, а также о необходимости связаться с правительством США и военным командованием, чтобы получить финансирование. 18 марта Ферми проинформировал власть о возможности применения атомной энергии в военных целях. Однако власти не проявили заинтересованности возможно из-за того, что Ферми довольно осторожно описал возможности, а также потому, что на беседе не присутствовало высокое командование.
Поговорив с приятелем Вигнеров, а также с Силордом 2 августа 1939 года, Эйнштейн подписал письмо президенту США Рузвельту, в котором рассказывалось о прогрессе физической науки в исследованиях цепных ядерных реакций, на ее основе возможности создания мощной бомбы нового типа, и просил сформировать комиссию из физиков, работающих в этой области и представителей правительства, т. к. Германия также ведет работы в этом направлении. В октябре Рузвельт создал комиссию. Сразу же от вооруженных сил США были выделены необходимые средства на секретные исследования цепных реакций. Кроме того Рузвельт создал «Национальный совет по оборонным исследованиям (NDRC)» и в его составе – «Урановый комитет» (UC), в который вначале вошли только ученые, имеющие гражданство США. Главой Уранового комитета Рузвельт назначил Лаймана Бриггса из Национального бюро стандартов. Позднее привлекались известные ученые прибывшие из других стран, но к иностранным ученым относились с большим подозрением: среди них могли оказаться шпионы. Руководителями групп по исследованию урана назначались только граждане США. Несмотря на итальянское происхождение Ферми, заслужив доверие методолога и организатора научных исследований и научного сообщества Вэнивера Буша, назначен руководителем ядерного реактора в Чикаго.
Ключевой проблемой создания реактора была урановая руда. Расщепляемым был уран-235, составляющий 07%, природный уран-238 составляет 99,03%, естественной оказалась проблема обогащения урана. Получением необходимого количества материалов занимался Силард, а Ферми проектировал ураново-графитовый ядерный реактор, пытаясь найти наилучший вариант их размещения и соотношения, чтобы получить самоподдерживающую цепную реакцию. К этому времени было известно, что чем больше размеры реактора, тем лучше протекает диффузия нейтронов. В 1941 году с трудом получено большое количество минералов урана и чистого графита. В июне 1942 года Рузвельт совместно с армейскими руководителями и управлением научных исследований начал непосредственную работу по созданию атомной бомбы. В августе эта программа была названа «Манхеттен проект», а Ферми получил пост руководителя теоретического отдела проекта. Общее руководство проектом осуществлял Джулиус Роберт Оппенгеймер.
В проекте было задействовано около 129 000 служащих, среди них специалисты строительных работах, операторы, военные специалисты. В проекте участвовали физики и другие учёные с мировым именем: Рудольф Пайерлс, Отто Фриш, Эдвард Теллер, Энрико Ферми, Нильс Бор, Клаус Фукс, Лео Силард, Джон фон Нейман, Ричард Фейнман, Джозеф Ротблат, Исидор Раби, Станислав Улам, Роберт Уилсон, Виктор Вайскопф, Герберт Йорк, Кеннет Бэйнбридж, Сэмюэл Аллисон, Эдвин Макмиллан, Роберт Оппенгеймер, Джон Лоуренс, Георгий Кистяковский, Ганс Бизе, Эрнест Лоуренс, Р. Робертс, Ф. Молер, Александр Сакс, Ханс Бете, Швебер, Буш, Эккерс, Халбан[en], Симон, Э. Вагнер, Филипп Хауге Абельсон, Джон Кокрофт, Эрнест Уолтон, Роберт Сербер, Джон Кемени, Альберт Бартлетт, Ник Метрополис, Джеймс Франк, Миртл Бачелдер.
Главной проблемой монтажа основного реактора была безопасность, поэтому пришлось перенести его в более отдаленное место. С сентября по ноябрь 1942 года соорудили 16 экспоненциальных реакторов с измерением необходимых параметров. Кроме того был спроектирован особый стержень, названный Zip, это был избыточный механизм безопасности. Расположение металлического урана идеальной чистоты в центре реактора должно увеличить коэффициент размножения, который показывает количество тепловых нейтронов, переходящих из одной реакции в другую. В ночь на 2 декабря уложен 57-й слой урана и графита, все это по расчетам Ферми должно создать критическое состояние, учитывая соотношение свободных нейтронов, участвующих в цепных реакция и нейтронов, поглощенных средствами безопасности.
Ферми внимательно наблюдал за всем происходящим. Вынимая защитные кадмиевые стержни один за другим, постепенно росло количество активных нейтронов, приближаясь к критическому. Когда достали последний стержень, Ферми улыбнулся и нарушил всеобщее молчание: «Реакция поддерживается сама». Достигнуто критическое состояние, работал первый в мире реактор с самоподдерживающейся ядерной реакцией. Открыли бутылку лучшего итальянского вина кьянти, все выпили в знак уважения Ферми и за то, что ничего не взорвалось.
Первый реактор, так называемый «Чикагская поленница» (CP-1) проработала до февраля 1943 года. Перевезена в Аргоннскую лабораторию, где она была доработана с добавлением радиологической защиты, получила название (CP-2). В 1944 году был закончен новый ядерный реактор (СР-3)с защитой на тяжелой воде.
Сразу же после удачного запуска атомного реактора был создан проект Y2 по проектированию атомной бомбы в Лос-Аламосе, которым руководил тот же Оппенгеймер, которому не раз приходилось обращаться к Ферми, мировому авторитету атомной физики, с возникшими проблемами. Было решено изготовить бомбу на основе урана-235, другую на плутоние-239 с изотопом плутония-240, которые готовились в разных реакторах. Идея создания атомной бомбы на основе урана-235 оказалась проще: при соединении двух частей данного вещества, достигается критическая масса, при которой происходит вышедшая из под контроля цепная реакция, с выделением большого количества энергии за короткое время, чтобы произошел взрыв. С плутониевой бомбой было несколько вариантов. В итоге остановились на таком: плутониевый шар взрывной волной сжимается вдвое и достигает надкритичности.
Первые сведения о работах, проводимых по разработке атомной бомбы, как союзниками, так и противником, были доложены Сталину разведкой в 1943 году. Сразу же было принято решение о развертывании подобных работ в Союзе. В одном из зданий Казанского университета начала работать секретная «Лаборатория № 2», ее руководителем назначен Курчатов. Так начался советский атомный проект. Задания получили не только ученые, но и разведчики, для которых добыча ядерных секретов стала проблемой № 1. Ценнейшие сведения о работе над атомной бомбой в США, добытые разведкой, очень помогли продвижению советского ядерного проекта. Участвовавшие в нем ученые сумели избежать тупиковых путей поиска, тем самым существенно ускорив достижение конечной цели.
33-й президент США Трумэн, сменивший Рузвельта, планировал завершить войну в мае 1945 гола. Советские войска вошли в Берлин, и 8 мая Германия капитулировала, но продолжал действовать японский фронт, союзник Германии. Трумэн провел совещание с физиками-разработчиками ядерной бомбы с целью выяснения возможности ее применения. 11 мая физики отправили Трумэну письмо, в котором не рекомендовали использовать атомную бомбу в военных целях, самое большее, продемонстрировать японцам ее мощь на пустом пространстве, хотя мнения ученых было различным.
По окончании войны из СССР в Германию была направлена группа советских физиков, среди которых были будущие академики Арцимович, Кикоин, Харитон, Щелкин. Все были в форме полковников Красной армии. Операцией руководил первый заместитель наркома внутренних дел Иван Серов, что открывало любые двери. Кроме нужных немецких ученых «полковники» разыскали тонны металлического урана, что, по признанию Курчатова, сократило работу над советской бомбой не менее чем на год. Немало урана из Германии вывезли и американцы, прихватив и специалистов, работавших над проектом. Всего по атомному проекту в СССР работали не менее 1000 немецких специалистов не только физиков, химиков, но и механиков, электротехников и других специалистов. Из Берлина была целиком вывезена лаборатория фон Арденне с урановой центрифугой, оборудование Кайзеровского института физики, документация, реактивы. В рамках атомного проекта были созданы лаборатории «А», «Б», «В» и «Г».
16 июля 1945 года, в 6:29 в пустынной местности штата Нью-Мексико Оппенгеймер дал команду взрыва первой атомной бомбы «Тринити». Испытание было успешным и произвело ужасное впечатление. Это была плутониевая бомба луковичной формы, на которую использовано 4,5 кг плутония 239. Энергия бомбы соответствовала 10 тысячам тонн тринитротолуола. Объехав место взрыва на танке, покрытом свинцом, был обнаружен кратер диаметром 365 м, покрытый твердым стеклообразным слоем ярко-зеленого цвета – расплавленным и застывшим песком. Этот новый минерал назвали тринититом, по имени бомбы.
Тем не менее, 6 августа 1945 года американский бомбардировщик B-29 сбросил на японский город Хиросиму атомную бомбу «Малыш» на основе урана-235, от 13 до 18 килотонн в тротиловом эквиваленте, от которой погибло 100 тысяч человек. 9 августа 1945, плутониевая бомба «Толстяк» стерла с лица Земли город Нагасаки, уничтожив 40 тысяч человек. Через неделю умерли еще тысячи японцев. Долгие последующие годы умирали от лучевой болезни, включая несколько поколений. После этих двух величайших катастроф в истории человечества, и стремительного продвижения Советских войск, 14 августа Япония капитулировала.