Андрей Сахаров. Наука и свобода - Геннадий Горелик

Отличие просто ядерного от термоядерного сыграло слишком большую роль в судьбе Сахарова и в судьбе человечества, чтобы ограничиться карикатурным или этимологическим объяснением.

Полное объяснение можно дать только на языке физики, пользуясь буквами математики. Но если бы происходящее в атомном ядре совсем ничего общего не имело с миром житейского опыта, люди не проникли бы так далеко-глубоко за пределы этого опыта.

Несколько глав назад понадобилась первая порция ядерной физики — капелька ядерной физики, чтобы объяснить, чем, собственно, атомное ядро так интересовало Тамма. Сейчас понадобится еще несколько капель. А прежде всего пригодится само понятие капли.

Если вам приходилось когда-нибудь ронять ртутный термометр и при этом вы еще были достаточно юны и беззаботны, то, скорей всего, не сразу выкинули блестящие капли ртути, а понаблюдали за ними. Вы, должно быть, заметили, что самые маленькие капельки при соприкосновении охотно сливаются, а самые большие — наоборот — столь же охотно делятся на меньшие, если их побеспокоить даже слегка. Этого наблюдения достаточно, чтобы объяснить, «стоя на одной ноге», чем водородная бомба отличается от атомной. Потому что атомные ядра похожи на капли.

В природе имеется 92 вида ядер, или химических элементов, расставленных по порядку Менделеевым. Самое маленькое ядро — водород, самое большое — уран.

Маленькие ядерные капли при соприкосновении тоже охотно сливаются, а большие охотно делятся, и это две разные ядерные реакции — слияния и деления. Слово «охотно» означает, что после слияния маленьких капель или деления больших высвобождается энергия. Сколько именно высвобождается, это уже дело формул, главная из которых — знаменитая эйнштейновская: E = mc2.

Работает эта формула так. Масса двух охотно сливающихся капелек больше массы ядерной капли, получающейся в результате их слияния. Если масса больше конечной на величину m, то при этой ядерной реакции выделяется энергия E = mc2. Аналогично, масса охотно делящейся капли больше суммы масс, на которые исходная ядерная капля разделилась.

Иногда говорят о превращении массы в энергию. Это столь же правильно, как сказать о человеке, побывавшем в магазине, что деньги, исчезнувшие из его кошелька, превратились в пакет риса, который появился у него в сумке. Разница в том, что коэффициент между деньгами и количеством зерен — цена одного зерна — может меняться от магазина к магазину. А в физике энергетическая стоимость единицы массы — величина постоянная и огромная. Эта стоимость всегда равна c2, где c — это скорость света, а она так велика, что облететь вокруг Земли свет может за долю секунды. Лебедеву когда-то пришлось исхитряться в своих экспериментах со светом именно потому, что там надо было делить на этот огромный коэффициент. А в ядерных процессах на него надо умножать. Формула E = mc2 действует во всех физических процессах, однако вне ядерной физики — даже при взрыве тротила — уменьшение массы, на которую «куплена» энергия взрыва, не больше одной миллиардной доли.

В ядерных делениях и слияниях эта доля в миллионы и миллиарды раз больше. Во столько же раз мощнее, значит, может быть ядерная взрывчатка. Надо только придумать способ, чтобы все отдельные ядерные капельки разделились или слились одновременно.

В первом случае речь идет об атомной бомбе, или бомбе деления, где ядерной взрывчаткой должно быть вещество с большими ядрами — например, уран. Во втором случае речь идет о водородной бомбе, начиненной веществом с маленькими ядрами, например, изотопами водорода — дейтерием или тритием.

Но как сделать, чтобы все отдельные ядерные капельки разделились или слились не поодиночке, а разом — коллективно?

Для реакции деления природа подсказала такой способ через несколько месяцев после открытия самого деления в 1939 году (и за несколько месяцев до начала мировой войны). Оказалось, что при делении капли уранового ядра вылетают еще и несколько брызг-нейтронов, каждая из этих «брызг» способна побудить к делению другое ядро, и так далее — пойдет цепная реакция. Надо только собрать в одном месте достаточное количество урана, и атомный взрыв, какого не видал мир, обеспечен. Но сначала надо было добыть достаточное количество этого редкого — и потому дороже золота — вещества: найти месторождения урана и очистить его в сложных процессах. Поэтому, прежде чем мир увидел такой взрыв в 1945 году, понадобились миллиарды долларов и несколько лет усилий многих тысяч людей.

Что касается ядерной реакции слияния, то она испокон веков шла перед глазами мира — в виде солнечного света и сияния других звезд на небе. По прихотливому историческому совпадению в том же самом 1939 году физики сумели объяснить, как именно энергия Солнца рождается в ходе постоянно идущего слияния ядер в солнечных недрах. В солнечной энергостанции ядерное горючее — самый распространенный элемент природы — водород, по два атома которого есть в каждой молекуле воды.

Однако воспроизвести этот естественный процесс в земных условиях оказалось гораздо труднее, чем устроить неестественный, не встречающийся в природе, процесс «коллективного» деления. Причина трудностей в том, что ядерные капли — в отличие от обычных — электрически заряжены и поэтому отталкиваются друг от друга. Это помогает делиться большим ядрам, но мешает слиянию маленьких. Соприкоснувшись, маленькие ядра очень бы энергично слились, но чтобы их «соприкоснуть», требуется огромная сила.

В земных условиях физикам удалось, разогнав отдельные ядерные капельки на ускорителе, дотронуться ими до ядер мишени и убедиться, что слияние при этом действительно происходит. Однако это лишь поштучно, а не с ощутимым количеством вещества.

Звездам, и Солнцу в их числе, справиться с этой задачей помогает гравитация — вещество в центре звезды сжато всем ее собственным звездным весом. А при температурах в миллионы градусов частицы вещества внутри звезды имеют скорости, сравнимые с теми, которые на ускорителе получаются лишь для считанных частиц.

Ядерные реакции, происходящие в таких высокотермических условиях, назвали термоядерными. Назвать-то нетрудно, а вот как воспроизвести звездные условия на Земле?

Легче ответить на вопрос, почему физики стали использовать приставку «супер» для термоядерной бомбы задолго до ее появления. Дело в том, что собирать уран в одном месте можно только до определенного предела в несколько килограммов. Этот предел называется критической массой, и если он достигнут, сама собой начинается взрывная цепная реакция деления. Для реакции слияния никаких критических масс нет, и значит, мощность термоядерного взрыва в принципе может быть как угодно большой. Сколь угодно больше чудовищного взрыва, испепелившего Хиросиму. Это и побудило говорить о супербомбе.