Nauka, a II Wojna Światowa
Autor:
Alessandro Pascolini,
tłumaczenie:
Ewa Droste
Utrata podczas II Wojny Światowej podstawowego źródła gumy - plantacji na Dalekim Wschodzie - spowodowała powstanie intensywnych programów badań i produkcji gumy syntetycznej, niezbędnych ze względu na zapotrzebowanie przemysłu i wysiłek wojenny. Innym materiałem strategicznym okazał się nylon, który służył, jako "sztuczny jedwab" wykorzystywany przy produkcji spadochronów. W Niemczech koncern I.G.Farben zbudował wielką fabrykę w Buna. Fabryka ta wykorzystywała niewolniczą pracę więźniów obozu w Oświęcimiu.
Niemcy przywiązywali wielką wagę do produkcji nowych typów samolotów: bombowców i myśliwców. Jako pierwsi wprowadzili napęd odrzutowy, zastosowany następnie także przez brytyjski RAF. Niemiecki pocisk V-2 (Vergeltungswaffen Zwei) był „kamieniem milowym” w rozwoju technik rakietowych. V-2, napędzany przez spalanie mieszanki alkoholu i ciekłego tlenu, był pierwszym rakietowym pociskiem „balistycznym”, czyli pociskiem z własnym napędem, po odpaleniu poruszającym się po torze zależnym tylko od siły ciężkości. V-2 uzyskiwały prędkość większą od prędkości dźwięku (ok. 1341 m/s), ale dokładność trafiania w cel była niewielka – przy zasięgu 320 km tylko 33 % docierało do celu z dokładnością ok. 5 km.
2.1. Lotnictwo i rakiety (c.d.)
U dołu: Przekrój silnika z turbo-sprężarką, Jumo 004, produkowanego w dużych ilościach podczas II Wojny Światowej dla myśliwców Messerschmidt Me –262.
W 1940 dowództwo brytyjskiej obrony przeciwlotniczej powołało zespół naukowców pod kierownictwem fizyka, P.M.S. Blacketta, do badań nad operacyjnym użyciem radaru, różnorakich broni i mechanicznych maszyn liczących do zwalczania samolotów. Działając w Admiralicji w latach 1942–1945, zespół ten doprowadził do znacznego ulepszenia stosowania radarów pokładowych do wykrywania niemieckich łodzi podwodnych, zatapiających statki transportowe w konwojach atlantyckich.
Zatopienie U-175, bosman Jack January, 17 kwietnia 1943
Prace te wpłynęły na rozwój nowego działu matematyki, zwanego badaniami operacyjnymi, które powstały z konieczności rozwiązywania złożonych problemów optymalizacyjnych. Badania operacyjne przeszły w 1942 z Anglii do USA, gdzie dalej prowadzone były na uniwersytecie Princetown i w Massachusetts Institute of Technology (MIT).
P. M. S. Blackett, jako młody weteran I wojny światowej, rozpoczął studia na Uniwersytecie w Cambridge, gdzie pracował w Cavendish Laboratory. Jego nowatorskie badania przy użyciu komory Wilsona zaowocowały fotograficzną rejestracją przemian jądrowych i potwierdzeniem istnienia pozytonów, za co został uhonorowany w 1948 Nagrodą Nobla.
W latach 1950-ych i 1960-ych zapoczątkował pionierskie prace wykorzystania zjawiska paleomagnetyzmu do potwierdzenia teorii dryfu kontynentalnego. W czasach II Wojny Światowej brał udział w wielu komitetach doradczych i kierował badaniami operacyjnymi Admiralicji. W okresie powojennym Blackett uczestniczył aktywnie w życiu publicznym, nie ukrywając swojej krytyki zarówno pod adresem amerykańskiej polityki „atomowej”, jak i produkcji brytyjskiej broni jądrowej, za co był czasem krytykowany.
Druga Wojna Światowa, to czas powstania, rozwoju i pierwszego systematycznego zastosowania cyfrowych maszyn liczących do rozwiązywania problemów militarnych. W Niemczech maszyna licząca Konrada Zuse’a została użyta w przemyśle lotniczym.
W Wielkiej Brytanii pierwsza elektroniczna maszyna licząca, Colossus, została wykorzystana do złamania niemieckich szyfrów.
W USA elektromechaniczna maszyna licząca Mark 1 (zbudowana na Uniwersytecie Harvarda) i elektroniczna maszyna obliczeniowa ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – elektroniczny sumator i kalkulator cyfrowy) - zbudowana pod auspicjami armii USA - służyły do różnego typu obliczeń dla wojska, m.in. tablic balistycznych. ENIAC był również używany przy konstruowaniu bomby jądrowej.
Zastosowanie fal radiowych do wykrywania i lokalizacji obiektów sugerował jeszcze w 1900 r. Nikoła Tesla. Podczas II Wojny Światowej przewaga wojskowa stała się sprawą krytyczną zarówno w powietrzu (Bitwa o Anglię), jak i na morzu (na Atlantyku i na Pacyfiku).
Zasadnicza cześć radaru, urządzenie do generowania mikrofal – magnetron wnękowy – zostało skonstruowane ok. 1940 r. w Wielkiej Brytanii. Poświęcone mikrofalom Laboratorium Promieniowania zostało utworzone również w USA – w MIT (Massachusetts Institute of Technology), gdzie pracowało wielu fizyków amerykańskich.
Niemiecki atak w 1941 roku zastał struktury wojskowe Związku Radzieckiego zupełnie nieprzygotowane, co umożliwiło szybkie zajmowanie rosyjskiego terytorium. Radziecki przemysł został ukierunkowany na tworzenie nowego zaplecza obronnego, a naukowcy i instytucje naukowe wezwano do wytworzenia materiałów niezbędnych do konstrukcji uzbrojenia, budowy czołgów i samolotów, możliwych do użycia w trudnych warunkach rosyjskiej zimy.
Wkrótce po tym, jak Otto Frisch i Liza Meitner zaobserwowali (grudzień 1938 r.) ogromną energię wydzielaną przy rozszczepieniu uranu, a Enrico Fermi (styczeń 1939) zasugerował możliwość zachodzenia jądrowej reakcji łańcuchowej, społeczność fizyków jądrowych uświadomiła sobie ryzyko militarnego wykorzystania tego zjawiska. Postulat Leo Szilarda – świadome powstrzymanie się od publikowania nowych wyników - był, co prawda, rozpatrywany, ale nie został wówczas wprowadzony w życie. Wiosną 1939 roku rządy i sztaby USA, Niemiec, Związku Radzieckiego, Francji i Wielkiej Brytanii zdawały sobie sprawę z możliwości militarnych zastosowań zjawiska rozszczepienia.
Otto Robert Frisch (1904 - 1979)
Otto Robert Frisch urodził się w Wiedniu w rodzinie żydowskiej. Liza Meitner była jego ciotką. Studiował matematykę i fizykę, pracował w Niemczech jako asystent Otto Sterna, (razem z Emilio Segré). Wprowadzone w 1933 r. w hitlerowskich Niemczech „ustawy norymberskie”, ograniczające prawa obywatelskie osób pochodzenia żydowskiego, zmusiły Frischa do emigracji - wyjechał na rok do Anglii a następnie do kierowanego przez Nielsa Bohra Instytutu Fizyki Teoretycznej w Kopenhadze (Dania). Zajmował się głównie fizyką doświadczalną, ale stał się szeroko znany po opublikowaniu pracy (razem z Lizą Meitner), będącej pierwszym poprawnym wyjaśnieniem zjawiska rozszczepienia jąder atomowych. Po powrocie do Anglii, wspólnie z Rudolfem Peierlsem, pracował w Birmingham nad zagadnieniami, które doprowadziły do brytyjskiego programu budowy bomby atomowej. W 1943 roku kontynuował tę tematykę w Los Alamos (USA), w 1946 roku powrócił na stałe do Anglii, gdzie przez rok był kierownikiem sekcji fizyki jądrowej w nowo utworzonym Instytucie Badań Atomowych (Atomic Energy Research Establishment) w Harwell. Następnie został mianowany Profesorem Nauk Przyrodniczych na Uniwersytecie w Cambridge – zajmował to stanowisko aż do śmierci.
Enrico Fermi studiował fizykę na Uniwersytecie w Pizie, gdzie uzyskał stopień doktora w 1922 roku. W latach 1924-1927 wykładał na Uniwersytecie we Florencji, w roku 1927 objął katedrę fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Rzymie. W 1938 roku wyemigrował do USA, gdzie w latach 1939-1942 był profesorem na Uniwersytecie Columbia. Był jedną z najważniejszych osób w zespole fizyków związanych z programem badania energii jądrowej i budowy bomby atomowej (Projekt Manhattan). W 1944 r. otrzymał obywatelstwo amerykańskie. Po skończeniu wojny, w 1946 r., został profesorem Instytutu Badań Jądrowych (Institute for Nuclear Studies) w Chicago, gdzie pracował aż do śmierci.
W 1926 roku Fermi odkrył prawa statystyczne opisujące stan cząstek, spełniających zasadę Pauliego - cząstki te nazywamy obecnie „fermionami”. W 1934 roku Fermi podał teorię rozpadu beta. Wraz z grupą współpracowników wykazał, że przemiany jądrowe zachodzą w wyniku bombardowania neutronami, zwłaszcza powolnymi. Po odkryciu zjawiska rozszczepienia uranu, wykazał możliwość zachodzenia reakcji jądrowej łańcuchowej w wyniku emisji wtórnych neutronów. Kierował pracami doświadczalnymi, które doprowadziły do zbudowania pierwszego „stosu” atomowego i przeprowadzenia pierwszej kontrolowanej reakcji łańcuchowej (w Chicago, 1942 rok). W ostatnich latach swojego życia Fermi zajmował się problemami fizyki cząstek elementarnych i pochodzeniem promieniowania kosmicznego.
Za prace nad reakcjami jądrowymi wywołanymi przez powolne neutrony otrzymał w 1938 r Nagrodę Nobla z fizyki.
Urodzony w Budapeszcie, naturalizowany obywatel USA, o dużym dorobku naukowym w dziedzinie termodynamiki, biofizyki, fizyki jądrowej oraz energii atomowej. Szilard pracował z takimi fizykami, jak Fermi, Zinn, Anderson, przewidział zachodzenie jądrowej reakcji łańcuchowej, odegrał ważną rolę w rozpoczęciu programu budowy bomby jądrowej (znanym jako „Projekt Manhattan”).
W roku 1945, gdy bomba atomowa została wyprodukowana, Szilard rozprowadzał petycję do prezydenta USA, podpisaną przez wielu fizyków z zespołów zajmujących się fizyką jądrową, kwestionującą użycie bomby przeciwko Japonii. Po wojnie Szilard zaangażował się w działania na rzecz kontroli broni jądrowej i porzucił fizykę na rzecz biologii.
7.1. Problemy związane z procesem rozszczepienia
Problem 1: przebiegi czasowe i prędkie neutrony
Wyprodukowanie bomby jądrowej wymaga rozwiązania zupełnie nowych problemów, zasadniczo odmiennych od tych, jakie pojawiły się przy konstruowaniu reaktora jądrowego. Najważniejsze, to konieczność doprowadzenia do jednoczesnego rozszczepienia olbrzymiej liczby jąder atomowych w czasie na tyle krótkim, aby nie mogło nastąpić rozproszenie materiału rozszczepialnego w wyniku ciepła, wydzielanego w reakcjach, które już zaszły poprzednio. Wybuch jądrowy, równoważny energii wydzielonej w chemicznej eksplozji 20 000 ton trotylu (czyli 20 kt TNT), wymaga rozszczepienia 1 kg izotopu 235U, co oznacza jądrową reakcję łańcuchową o 80 krokach. Jeżeli rozszczepienie zachodzi w czasie około 10-8 sekundy = 0,01 mikrosekundy, to 80 generacji neutronowych trwać będzie około 0,8 mikrosekundy. Neutrony potrzebują do spowolnienia (termalizacji) około1 mikrosekundy a więc bomba ma działać bez moderatora i korzystać tylko z powstających w reakcji rozszczepienia neutronów prędkich.
Ile neutronów potrzeba do rozszczepienia 1 kg 235U?
Liczba jąder uranu w 1 kg izotopu 235U wynika z wielkości liczby Avogadro i wynosi 2,56 × 1024. Przyjmując produkcję 2 neutronów na każde rozszczepienie, liczba generacji neutronowych będzie X, gdzie
2X = 2,56 × 1024, czyli X log 2 = 24 + log 2,56 = 24,4082
stąd X = 24,4082/0,3010 → X = 81
Potrzeba zatem 81 neutronów.
7.2. Materiał rozszczepialny - masa krytyczna
Duża część neutronów, wydzielanych w procesie rozszczepienia ma energię mniejszą niż 1 MeV, a więc nie może rozszczepiać 238U . Dlatego w broni jądrowej stosowane są tylko izotopy 235U lub 239Pu. Najmniejsza masa, w której może zachodzić reakcja łańcuchowa, zależy od „czystości” materiału rozszczepialnego; może być ona zmniejszona przez otoczenie materiału rozszczepialnego płaszczem z ciężkiego materiału, który odbija neutrony z powrotem i opóźnia rozproszenie materiału aktywnego. Na przykład: cienka warstwa uranowa, przy sferycznym kształcie, zmniejsza masę krytyczną izotopu 235U z 56 do 15 kg, a izotopu 239Pu z 11 do 5 kg.
7.3. Problem 2: materiał rozszczepialny - masa krytyczna
7.4. Model konkretnej bomby
Bomba, która ma zostać użyta powinna być bezpieczna w obsłudze, działać niezawodnie i być na tyle mała, aby mogła zostać przesłana do celu. Spełnienie tych wzajemnie sprzecznych żądań wymaga współpracy fachowców z wielu różnych dziedzin. W szczególności niezbędna jest wiedza o prawdopodobieństwie rozszczepienia oraz wiedza o wpływie różnych temperatur i ciśnień na własności materiałów rozszczepialnych.
w funkcji energii powolnych neutronów
w funkcji energii powolnych neutronów
w funkcji energii prędkich neutronów
w funkcji energii prędkich neutronów
7.5. Mechanizm detonacji [metoda zdetonowania]
Przed odpaleniem materiał aktywny powinien być przechowywany tak, aby nie mogła zajść reakcja łańcuchowa, przy czym należy wziąć pod uwagę wszystkie możliwe źródła neutronów. To zapłon ma zapewnić zachodzenie reakcji łańcuchowej.
Istnieją dwa podstawowe sposoby odpalania: konwencjonalne wstrzeliwanie masy podkrytycznej z dużą szybkością do wnętrza innej masy podkrytycznej, albo metoda implozji - konwencjonalne chemiczne ładunki wybuchowe, jednorodnie rozmieszczone na powierzchni, powodują kompresję masy podkrytycznej w jedną, silnie radialnie sprasowaną masę nadkrytyczną. Broń oparta o 235U wykorzystuje obie techniki, natomiast w wypadku 239Pu tylko implozja jest procedurą właściwą, głównie ze względu na istnienie rozszczepiającego się spontanicznie izotopu 240Pu.
przewidywana w Los Alamos na początku 1943 r.
przewidywana w Los Alamos na początku 1943 r.
7.6. Mechanizm detonacji [metoda zdetonowania] (c.d.)
7.7. Prace prowadzone we Francji
W Paryżu Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin oraz Frédéric Joliot-Curie, świadomi tego, że to powolne neutrony są wydajniejsze w powodowaniu rozszczepienia, rozpoczynają doświadczenia ze spowalnianiem neutronów z rozszczepienia w wodorze, a potem w ciężkiej wodzie. W październiku 1939 roku mają już przybliżony model zachodzenia reakcji łańcuchowej, ale utajniają go aż do końca II Wojny Światowej. Po inwazji Niemiec na Francję von Halban i Lew Kowarski przewożą zapas ciężkiej wody do Anglii i dołączają do brytyjskich badaczy. Joliot kontynuuje badania we Francji i bierze udział w anty-niemieckim ruchu oporu.
Jean-Frédéric Joliot-Curie (1900-1958)
Jean-Frédéric Joliot-Curie studiował inżynierię chemiczną, a w 1925 roku, polecony przez Paula Langevina, został asystentem Marii Skłodowskiej-Curie. W następnym roku Frédéric Joliot poślubił Irenę Curie, a poczynając od 1928 r. wspólnie podpisywali publikowane prace. W toku swoich prac badawczych bombardowali cząstkami alfa lekkie pierwiastki jak bor, aluminium, magnez i zaobserwowali pojawienie się nowych, nieznanych dotąd, izotopów promieniotwórczych. Odkrycie to pozwoliło stosować sztucznie otrzymane izotopy promieniotwórcze do śledzenia reakcji chemicznych i procesów fizjologicznych. W 1935 r zostali uhonorowani Nagrodą Nobla z chemii za syntezę nowych izotopów promieniotwórczych. W 1939 Joliot-Curie uzyskał ważne dane o zjawisku rozszczepienia. Od czerwca 1941 roku bierze udział w tworzeniu Narodowego Frontu do Walki o Wolność i Niepodległość Francji i wkrótce staje na jego czele, a w 1942 r. wstępuje do Komunistycznej Partii Francji. Po wyzwoleniu w 1944 roku Frédéric Joliot-Curie zostaje dyrektorem Państwowego Ośrodka Badań Naukowych (Centre National de la Recherche Scientifique). W 1945 roku Generał de Gaulle zleca F. Joliot-Curie oraz ministrowi spraw wojskowych utworzenie Komisariatu d/s Energii Atomowej (Commissariat a l’Energie Atomique) celem zagwarantowania Francji dostępu do odkryć z 1939 roku. Wysiłki F. Joliot-Curie wieńczy uruchomienie 15 grudnia 1948 pierwszego francuskiego reaktora jądrowego ZOE z paliwem w postaci ditlenku uranu (skrót pochodzi od: Z od „zero” - reaktor miał minimalną, „zerową” moc, „O” od „oxyde”- tlenek, „E” od „eau”- woda, moderatorem była bowiem ciężka woda). F. Joliot-Curie był działaczem światowego ruchu pokojowego i jednym z sygnatariuszy Manifestu Russella-Einsteina
7.8. Niemiecki program budowy bomby
Już w marcu 1939 roku rząd Niemiec zaczął się interesować reakcją rozszczepienia jąder, a we wrześniu 1939 roku powstał Projekt Uranowy pod kierunkiem Kurta Diebnera. Prace prowadzono w wielu instytutach na terenie całych Niemiec, a naukowym centrum badań stał się Instytut Fizyki Cesarza Wilhelma (Kaiser Wilhelm Institut für Physik) na przedmieściu Berlina – Dahlem. Głównymi tematami były separacja izotopów i zastosowanie ciężkiej wody jako moderatora. Teoretyczny model rozszczepienia rozpracowywał Heisenberg. Latem 1941 roku w Lipsku uruchomiono zestaw podkrytyczny z ciężką wodą jako moderatorem. Fritz Houtermans badał różne aspekty procesu rozszczepienia i sugerował użycie pierwiastka o liczbie atomowej Z=94 (plutonu), wytwarzanego z 238U. W Berlinie powstał duży zestaw podkrytyczny, zawierający 500 l ciężkiej wody.
Friederich Georg (Fritz) Houtermans (1903 - 1966)
Friederich Georg (Fritz) Houtermans, urodzony w Danii, dorastał w Wiedniu gdzie stał się prawdziwym „Wiedeńczykiem z ducha”. W roku 1921 rozpoczął studia fizyki w Getyndze, lecz z braku pieniędzy przerwał studia i zarabiał na życie jako przewodnik wycieczek w Rzymie. W 1927 roku, po doktoracie u Jamesa Francka, wyjechał do Berlina. Tam wraz z Gamowem i innymi badał proces rozpadu alfa i postawił tezę, że to reakcje jądrowe są źródłem energii gwiazd. Gdy Hitler doszedł do władzy w 1933 roku, Houtermans przeniósł się do Anglii, ale wkrótce, zwabiony wiarą w system radziecki, wyjechał do Charkowa. Pracował z wieloma wybitnymi fizykami radzieckimi (jak Lew Landau), ale w 1937 roku stał się ofiarą stalinowskiego terroru. Więziony i torturowany przez NKWD (radziecką policję polityczną) został w 1940 roku wydalony do hitlerowskich Niemiec, gdzie został uwięziony przez Gestapo (niemiecką policję polityczną). Dzięki interwencji słynnego niemieckiego fizyka, Maxa von Lauego, uwolniono go i pracował naukowo w prywatnym laboratorium Manfreda von Ardenne. Houtermans pracował nad teorią rozszczepienia. Jego prace dotyczyły reakcji z neutronami prędkimi, spowalniania neutronów, izotopu 235U, wielkości masy krytycznej i wytwarzania 94. pierwiastka - plutonu. W 1952 roku został profesorem fizyki na Uniwersytecie w Bernie, gdzie zajmował się geofizyką jądrową i meteorytami.
7.9. Niemiecki program budowy reaktora
W 1942 roku Heisenberg był przekonany o tym, że ze względu na trudności wydzielenia izotopu 235U zbudowanie broni jądrowej nie jest możliwe. W dniach 4–6 czerwca 1942 roku Komitet Uranowy przedstawił swe wnioski ministrowi gospodarki ówczesnych Niemiec, Albertowi Speerowi i marszałkowi Erhaldowi Milchowi, w wyniku czego zadecydowano o nadaniu priorytetu dla wytwarzania energii nuklearnej przy jednoczesnym ograniczeniu środków. Rozważano również napęd jądrowy dla niemieckiej floty wojennej. Duży zestaw krytyczny – 1,5 tony uranu i 1,5 tony ciężkiej wody – zbudowano zimą 1944 roku w Dahlem. Po zbombardowaniu instytut został przeniesiony do miasteczka Hochingen w Bawarii, a sam zestaw uranowy umieszczono nieopodal w podziemnej jaskini w Haigerloch. Dnia 22 kwietnia 1945 roku i aparatura i naukowcy zostali przechwyceni przez armię USA.
7.10. Japoński program nuklearny
Yoshio Nishina rozpoczął badania nad bronią nuklearną latem 1940 roku w laboratorium fundacji Riken w Tokio, z niewielkim poparciem finansowym armii. W Kyoto Cesarska Marynarka Japonii finansowała badania Bunsaku Arakatsu. Współzawodnictwo pomiędzy Marynarką oraz Siłami Powietrznymi ograniczało badania japońskie aż do wiosny 1943 roku, kiedy to zbudowano pierwsze zakłady do separacji izotopów, ale projekty badawcze nigdy nie osiągnęły dużej skali. Po zbombardowaniu Hiroszimy Nishina przelatywał nad miastem i od razu zdał sobie sprawę, że był to atak nuklearny.
Yoshio Nishina stał się szeroko znany po opublikowaniu, w roku 1928, pracy znanej jako formuła Kleina-Nishiny – „kamień milowy” w rozwoju mechaniki kwantowej. Nishina był dyrektorem naukowym w fundacji Riken w latach 1931-1951, zawsze dbając o wysoki poziom badań.
Zainteresowania Nishiny dotyczyły fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych i badania promieniowania kosmicznego. Od 1948 roku fundacja RIKEN stała się spółką akcyjną Kagaku Kenkyusho (KAKEN) oraz Instytutem Naukowym, gdzie Nishina był dyrektorem przez trzy lata. Nishina inspirował rozwój wielu dziedzin badań w Japonii.
7.11. Pierwsze badania w Związku Radzieckim
Doświadczalne i teoretyczne badanie procesu rozszczepienia rozpoczęto w Leningradzie (obecnie Petersburg) natychmiast po ogłoszeniu w latach 1939-1940 przez Zeldowicza i Charitona serii nowatorskich prac, podających podstawowe zasady reakcji łańcuchowej.
W roku 1940 program działań został przedstawiony Prezydium Akademii Nauk, która ustanowiła Komisję d/s Uranu i wspierała badania w kilku laboratoriach.
W czerwcu 1941 roku w Leningradzie grupa Kurczatowa rozpoczęła badania przy pomocy nowo zbudowanego cyklotronu. Po ataku Niemiec na ZSRR w czerwcu 1941 roku Stalin wstrzymał prace dotyczące rozszczepienia.
Yakov Borisowicz Zeldowicz (1914-1987)
Mając 17 lat Zeldowicz zaczął pracować jako laborant w Instytucie Fizyki w Leningradzie (obecnie Petersburg). Zeldowicz został wybrany na członka Akademii Nauk i mianowany profesorem Uniwersytetu w Moskwie bez uzyskania kolejnych stopni naukowych. Razem z Yu. Charitonem w latach 1939-1940 badał możliwość zachodzenia reakcji łańcuchowej. Zeldowicz kierował zespołem teoretyków w tajnym laboratorium atomowym w Arzamas-16, osobiście opracował teoretyczne podstawy pierwszych radzieckich bomb-atomowej i wodorowej. Prace Zeldowicza zapoczątkowały fizykę materii poddawanej wysokim ciśnieniom oraz dotyczyły hydrodynamiki promieniowania. Zaczynając od fizyki jądrowej zajmował się następnie w latach 1950-ych fizyką cząstek elementarnych i astrofizyką. Łącząc astrofizykę i fizykę cząstek elementarnych był pionierem prób powiązania fizyki cząstek elementarnych z kosmologią.
Studiował u E.Rutherforda w Cambridge (w Cavendish Laboratory) w latach 1926-1928. Należał do elitarnej grupy fizyków, która w 1940 r. rozpoczęła, pod kierownictwem Igora Kurczatowa, badania nad radziecką bronią jądrową.
W 1946 roku zorganizował tajne laboratorium w miasteczku Sarow - nazwanym Arzamas-16, został jego pierwszym dyrektorem naukowym i stanowisko to zajmował przez 45 lat.
7.12. Początek programu rosyjskiego
Od wiosny 1942 roku zarówno grupa naukowców jak i szef radzieckiej policji politycznej - NKWD, Ławrientij Beria, nalegali na Stalina, żeby rozpocząć poważne prace nad bronią jądrową, ale przez następne trzy lata prowadzono jedynie ograniczone badania i tylko bardzo intensywnie rozwijano pracę wywiadowczą.
Stalin, poinformowany o badaniach w USA, zadecydował w lipcu 1945 roku o rozpoczęciu przyspieszonego programu budowy potencjału nuklearnego. Pracami miał kierować Igor Kurczatow. Jeńcy wojenni zbudowali tajne laboratorium (Arzamas–16) w miasteczku Arzamas, 400 km na wschód od Moskwy. Dużą rolę w przyspieszeniu prac odegrali niemieccy naukowcy i niemiecki sprzęt laboratoryjny.
Słowniczek: Cyclotron - cyklotron; Test Reactor - zestaw krytyczny; Research - badania; Production Reactor - Reaktor produkujący pluton; Detonation Sites - poligon atomowy
Igor Kurczatow, po ukończeniu Uniwersytetu na Krymie, zaczął w 1925 pracować u Abrama Joffe w Instytucie w Leningradzie (obecnie Petersburg). Przez pierwsze lata Kurczatow zajmował się fizyką dielektryków, a od 1932 roku zainteresował się nowymi badaniami w fizyce jądrowej. Po inwazji Niemiec na ZSRR Kurczatow brał udział w pracach nad zabezpieczaniem statków przed minami magnetycznymi. W 1943 zaczął kierować tajnym radzieckim programem nuklearnym i działał na tym polu do końca życia. Przez wszystkie lata pracy, po sukcesie programu, gdy wzrastała świadomość destrukcyjnej siły broni nuklearnej, Kurczatow był coraz bardziej zaniepokojony możliwością jej użycia, poczuwał się odpowiedzialności za swoją pracę i starał się przekonywać innych do zaprzestania dalszych testów nuklearnych.
7.13. Memorandum Frischa-Peierlsa
Początkiem brytyjskiego programu budowy broni nuklearnej były badania naukowe prowadzone w Birmingham przez dwóch uchodźców z centralnej Europy. Byli nimi Ernst Peierls z Niemiec i Otto Frisch z Austrii. Przygotowali oni dwa tajne opracowania: Memorandum na temat promieniotwórczych właściwości „super bomby” oraz O konstrukcji „super bomby”, opartej na łańcuchowej reakcji nuklearnej w uranie, które 19 marca 1940 roku przekazali na ręce Dyrektora Imperial College w Oxfordzie - Tizarda. (Henry Tizard, był wówczas jednym z szefów brytyjskiego programu budowy radaru oraz cywilnym przewodniczącym Komitetu Naukowej Oceny Obrony Powietrznej – Committee on the Scientific Survey of Air Defense – najpoważniejszej wówczas instytucji, zajmującej się udziałem brytyjskiej nauki w wojnie).
Autorzy memorandum wykazywali realność eksplozji 235U (w wyniku reakcji łańcuchowej z neutronami prędkimi) przy masie krytycznej izotopu wynoszącej zaledwie ok. 1 kg. Opisali oni mechanizm detonacji oparty na zasadzie działa (połączenie dwóch części masy krytycznej przez wstrzelenie jednej w drugą), ocenili też skutki użycia takiej broni. Autorzy nalegali na rozpoczęcie programu badań celem wyprzedzenia prac prowadzonych w Niemczech i postulowali wyprodukowanie brytyjskiej broni celem użycia jej jako środka odstraszającego przed możliwym użyciem takiej broni przez hitlerowskie Niemcy.
Rudolph Ernst Peierls (1907 - 1995)
Rudolph Ernst Peierls (1907-1995) urodził się w Berlinie. Ojciec Peierlsa był Żydem, matka-katoliczką. Po studiach w Berlinie (u Maxa Plancka) oraz w Monachium (u Sommerfelda) uzyskał doktorat w Lipsku. Po doktoracie był asystentem Pauliego w Zurichu. Kilka lat przebywał w ZSRR, pracując u Lwa Landaua nad elektrodynamiką. Jego wczesne, bardzo ważne prace dotyczyły fizyki fononów. W 1933 r. wyjechał do Manchesteru, gdzie wraz z Hansem Bethe pracował nad fotorozpadem i własnościami statystycznymi stopów. Następnie, w Cambridge, Peierls opublikował znakomitą pracę o nadprzewodnictwie i o ciekłym helu oraz opracował, wraz z P.G.I. Kapurem, teorię reakcji jądrowych. W 1937 r. objął katedrę na Uniwersytecie w Birmingham, gdzie zajmował się, wraz z Otto Frischem, fizyką rozszczepienia – co doprowadziło do wniosków, zawartych w ich memorandum. W 1944 r., już jako poddany brytyjski, wyjechał do Los Alamos do pracy wspólnie z fizykami amerykańskimi. W 1963 Peierls otrzymał Katedrę Fizyki Teoretycznej w Oxfordzie i opuścił Birmingham. Peierls był zawsze głęboko zaniepokojony bronią nuklearną; do końca życia był silnie zaangażowany w ruch Pugwash, a także w redakcję Biuletynu Atomistów (Bulletin of the Atomic Scientists).
Otto Robert Frisch (1904 - 1979)
Otto Robert Frisch urodził się w Wiedniu w rodzinie żydowskiej. Liza Meitner była jego ciotką. Studiował matematykę i fizykę, pracował w Niemczech jako asystent Otto Sterna, (razem z Emilio Segré). Wprowadzone w 1933 r. w hitlerowskich Niemczech „ustawy norymberskie”, ograniczające prawa obywatelskie osób pochodzenia żydowskiego, zmusiły Frischa do emigracji - wyjechał na rok do Anglii a następnie do kierowanego przez Nielsa Bohra Instytutu Fizyki Teoretycznej w Kopenhadze (Dania). Zajmował się głównie fizyką doświadczalną, ale stał się szeroko znany po opublikowaniu pracy (razem z Lizą Meitner), będącej pierwszym poprawnym wyjaśnieniem zjawiska rozszczepienia jąder atomowych. Po powrocie do Anglii, wspólnie z Rudolfem Peierlsem, pracował w Birmingham nad zagadnieniami, które doprowadziły do brytyjskiego programu budowy bomby atomowej. W 1943 roku kontynuował tę tematykę w Los Alamos (USA), w 1946 roku powrócił na stałe do Anglii, gdzie przez rok był kierownikiem sekcji fizyki jądrowej w nowo utworzonym Instytucie Badań Atomowych (Atomic Energy Research Establishment) w Harwell. Następnie został mianowany Profesorem Nauk Przyrodniczych na Uniwersytecie w Cambridge – zajmował to stanowisko aż do śmierci.
7.14. Badania w Wielkiej Brytanii
Od „Komitetu MAUD” do „Zarządu d/s stopów na rury”
Memorandum Frisha-Peierlsa, przedstawiające perspektywy osiągnięcia broni nuklearnej opartej na niewielkiej ilości 235U przekonało Królewskie Siły Powietrzne Wielkiej Brytanii RAF (Royal Air Forces) do rozpoczęcia programu badawczego pod nazwą "Komitet MAUD", kierowanego przez George Thompsona i współpracującego z takimi ośrodkami, jak Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant i Peierls), Oxford (separacja izotopów) oraz brytyjski przemysł chemiczny.
Po upadku Francji fizycy francuscy przywieźli do Anglii, wraz ze swoją wiedzą, cały zapas ciężkiej wody. Szczegółowy raport o możliwym wojskowym i cywilnym wykorzystaniu procesu rozszczepienia Komitet MAUD przekazał władzom 7 lipca 1941 roku. Brytyjski premier, W. Churchill przyznał wysoki priorytet obu kierunkom badań: powołano „Zarząd d/s stopów na rury”, którego kierownikiem został John Anderson, przewodniczący Tajnej Rady Królewskiej. Pod koniec 1941 roku brytyjski program badań był najbardziej zaawansowanym programem w skali światowej.
Marcus Laurence Elwin 'Mark' Oliphant (1901-2000)
Marcus Laurence Elwin „Mark” Oliphant (1901-2000), Australijczyk, po studiach na Uniwersytecie w Adelaide dołączył do grupy Ernsta Rutherforda w Laboratorium Cavendish w Cambridge, gdzie uzyskał doktorat z fizyki w 1929 roku. Oliphant i Rutherford, badając transmutację lekkich jąder w wyniku bombardowania protonami i deuteronami z akceleratora o energii 300 keV, odkryli izotop wodoru - tryt 3H oraz izotop helu - 3He. Od 1937 roku Oliphant był profesorem fizyki w Birmingham. W połowie 1939 roku, po otrzymaniu wsparcia finansowego, zaczął w Birmingham budowę 60 calowego (1,5 metrowego) cyklotronu, opartego na dokumentacji E.O.Lawrence’a, ale wojna przyhamowała budowę. Podczas wojny Oliphant był jednym z prowadzących programy budowy radaru i metody separowania izotopu 235U. To Oliphant, jako członek Komitetu MAUD, nadał bieg Memorandum Frischa-Peierlsa. We wrześniu 1941 roku Oliphant poinformował Lawrence’a o wnioskach brytyjskich dotyczących możliwości budowy broni nuklearnej, co znacznie przyspieszyło amerykański program badań. W listopadzie 1943 roku Oliphant dołączył do grupy Lawrence’a pracującej nad elektromagnetyczną separacją 235U od 238U, co było częścią prac w Projekcie Manhattan. Po rezygnacji z pracy w amerykańskim programie powrócił w styczniu 1945 do Birmingham. Po wojnie otrzymał duże fundusze z brytyjskiej Komisji Energii Atomowej na budowę w Birmingham synchrotronu protonowego o energii 1 GeV. Później (1950) wyjechał do Australii, gdzie był dyrektorem d/s badań naukowych na Wydziale Fizyki Narodowego Uniwerstetu (Australian National University) oraz profesorem Fizyki Cząstek Elementarnych. Gdy Oliphant poznał szczegóły strasznych skutków bombardowań w Hiroszimie i Nagasaki dla ludności cywilnej, doszedł do wniosku, że naukowcy muszą rozważać społeczne skutki swojej pracy. Stał się jednym z założycieli ruchu Pugwash. Oliphant, imponujący, wysoki, białowłosy, robił na wszystkich niezwykłe wrażenie, przemawiał zdecydowanie i sugestywnie, a siebie określał mianem „wojującego pacyfisty”
7.15. Badania we Włoszech
Grupa fizyków w Rzymie, skupiona wokół Fermiego, a po jego wyjeździe do USA w 1939 r. kierowana przez Amaldiego, miała duże osiągnięcia w badaniach reakcji z neutronami. Program badania rozszczepienia stał się dla nich oczywisty, zwłaszcza po uświadomieniu sobie mylnego rozumowania z 1936 roku, kiedy to przypisano zaobserwowane aktywności produkcji transuranów, a nie rozszczepieniu. W 1941 roku, ze względu na możliwe zastosowania wojskowe, zaprzestano badań procesu rozszczepienia.
Edoardo Amaldi (1908-1989), fizyk włoski, był młodszym członkiem rzymskiej grupy Fermiego, która odkryła sztuczną promieniotwórczość, wywołaną oddziaływaniem powolnych neutronów. Amaldi miał znaczny wkład w rozwój fizyki promieniowania kosmicznego, fizyki cząstek elementarnych oraz fizyki fal grawitacyjnych.
Po wyjeździe Fermiego do USA stał się wiodącym fizykiem włoskim. Po zakończeniu II Wojny Światowej stał się rzecznikiem odbudowy europejskiej fizyki, organizatorem Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) oraz Europejskiej Organizacji Badania Przestrzeni Kosmicznej ESRO (European Space Research Organization). Był aktywnym uczestnikiem ruchu Pugwash.
7.16. Początki badań w USA
Już w roku 1939 Enrico Fermii i John Dunning prowadzili w Nowym Jorku (na Uniwersytecie Columbia) badania podstawowych własności procesu rozszczepienia. Prace te były wspierane finansowo przez Marynarkę USA. Podczas gdy Fermi dążył do przeprowadzenia reakcji łańcuchowej w naturalnym uranie z moderatorem grafitowym, Dunning rozpoczął prace nad wzbogaceniem uranu w izotop 235U. W Princeton Niels Bohr i John Wheeler opracowali teorię procesu rozszczepienia, podkreślając znaczenie izotopu 235U.
Niels Bohr (1885 – 1962), wzrastał w ożywionej atmosferze kulturalnej - jego ojciec był znanym fizjologiem, matka zaś pochodziła z rodziny wysoko cenionej na polu edukacji.
Po otrzymaniu na Uniwersytecie w Kopenhadze doktoratu w roku 1911, odbył pod kierunkiem sir J.J.Thompsona staż naukowy w Cambridge w Cavendish Laboratory, a w roku 1912 pracował w laboratorium profesora Rutherforda w Manchester. W roku 1913, wprowadzając koncepcje teorii kwantów, udało mu się opracować model struktury atomu w oparciu o odkryte przez Rutherforda jądro atomowe. Model ten, wraz z późniejszymi ulepszeniami, wciąż używany jest do wyjaśnienia fizycznych i chemicznych własności materiałów. Jego prace nad strukturą atomów znalazły swe uznanie w postaci Nagrody Nobla przyznanej mu w 1922 roku. W roku 1916 był adiunktem fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Kopenhaskim, a od 1920 roku kierownikiem Instytutu Fizyki Teoretycznej, stworzonego dla niego na tym Uniwersytecie. Instytut ten stał się "punktem odniesienia" dla fizyków europejskich i odgrywał podstawową rolę w rozwoju fizyki 20 wieku. W latach 1920. Bohr przyczynił się do wyjaśnienia problemów mechaniki kwantowej, w szczególności przez rozwinięcie idei komplementarności. Pokazał on, w jak głęboki sposób zmiany w fizyce wpływają na podstawowe własności osądów naukowych, i w jaki sposób zmiany te sięgają daleko poza granice fizyki atomowej i dotykają wszystkich dziedzin wiedzy ludzkiej. Począwszy od roku 1930 jego badania skierowane były w stronę budowy jąder atomowych, ich transmutacji i rozpadów. Kropla cieczy, w jego mniemaniu, bardzo dobrze odpowiada obrazowi jądra atomowego. Ten tzw. model kroplowy pozwalał na zrozumienie mechanizmu rozszczepienia jąder - zjawisko odkryte przez Hahna i Strassmana w 1939 r. - i stworzył bazę dla ważnych prac teoretycznych w tej dziedzinie. Podczas okupacji Danii przez Niemcy nazistowskie podczas II Wojny Światowej Bohr uciekł do Szwecji i spędził dwa ostatnie lata wojny w Anglii i Ameryce, gdzie związał się z Projektem Energii Atomowej. W ostatnich latach życia poświęcił swą pracę pokojowym wykorzystaniom fizyki atomowej i problemom politycznym wynikłym z rozwoju broni jądrowej.
W szczególności opowiadał się za pełną otwartością w stosunkach między narodami. Jego idee zostały szczególnie jasno wyrażone w Liście Otwartym do Narodów Zjednoczonych, który napisał 9 czerwca 1950 r.
Alessandro Pascolini, Włoch, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Padwie. Jego badania obejmują teoretyczną fizykę jądrową oraz zjawiska nieliniowe. W ciągu ostatnich 20 lat był aktywnym uczestnikiem projektów dotyczących rozbudzenia społecznej świadomości wagi nauk przyrodniczych. W roku 2004 został nagrodzony za działalność popularyzatorską przez Europejskie Towarzystwo Fizyczne. Jest aktywnym uczestnikiem seminariów, warsztatów naukowych oraz innych działalności w ramach Konferencji Pugwash na temat Problemów Nauki i Świata.