Возникновение критической массы связано с тем, что площадь поверхности шара[1439] увеличивается с ростом его радиуса медленнее, чем объем (пропорционально r2 и r3 соответственно). При некотором определенном объеме, зависящем от площади материала и от сечений рассеяния, захвата и деления в нем, должна возникнуть ситуация, в которой число нейтронов, попадающих в ядра и вызывающих их деление, превышает число нейтронов, достигающих поверхности и улетающих за нее; такой объем и соответствует критической массе. Оценив несколько сечений природного урана, Перрен получил значение его критической массы, равное сорока четырем тоннам. Если окружить уран отражателем из железа или свинца, возвращающим нейтроны обратно в уран, то, как рассчитал Перрен, необходимую массу можно уменьшить до всего лишь тринадцати тонн.

Пайерлс сразу же увидел, что может улучшить формулу Перрена. Он сделал это в теоретической работе, которую он написал в мае и начале июня 1939 года и опубликовал в «Материалах» Кембриджского философского общества в октябре[1440]. Поскольку формула критической массы, основанная на делении медленными нейтронами, была бы слишком сложной математически, Пайерлс предложил рассмотреть «упрощенный случай»: деление незамедленными быстрыми нейтронами. При подстановке сечения деления природного урана, по сути соответствующего сечению деления 238U, получалась критическая масса, как отмечал Пайерлс, «порядка нескольких тонн». Объект такого размера было бы нереально использовать в качестве оружия. «Разумеется, никаких шансов погрузить такой предмет в самолет не было, и статья, по-видимому, не имела никакого практического значения»[1441]. Пайерлс знал о существовавших в Британии и Америке соображениях секретности, но в данном случае не видел препятствий к публикации.

В конце ноября начался военный конфликт между СССР и Финляндией. В остальной Европе царило необычное противостояние, которое сенатор-изоляционист от штата Айдахо Уильям Бора назвал «странной войной». Пайерлсы переехали в более просторный дом; в начале нового года они великодушно пригласили Фриша поселиться у них. Женя Пайерлс[1442], происходившая из России, быстро прибрала холостого австрийца к рукам. Она «заправляла домом, – пишет Фриш, – с умом и жизнерадостностью, при помощи звонкого голоса с манчестерским акцентом и надменного русского пренебрежения определенными артиклями. Она приучила меня бриться каждый день и вытирать посуду с той же скоростью, с которой она ее мыла. С тех пор это умение неоднократно мне пригодилось»[1443]. Жизнь у Пайерлсов была увлекательной, но Фриш ходил домой с работы во время зловещих затемнений, в такой темноте, что иногда спотыкался об уличные скамейки и замечал других пешеходов только благодаря светящимся карточкам, которые все носили в это время на своих шляпах. Это напоминало о непрерывно существовавшей угрозе германских бомбардировок, и он то и дело ловил себя на сомнениях в том уверенном выводе, который сделал в своем обзоре для Химического общества: «Правда ли то, что я там написал?»[1444]

Где-то в феврале 1940 года он снова проверил свои выводы. Всего существовало четыре возможных механизма взрывной цепной реакции в уране:

1) деление 238U медленными нейтронами;

2) деление 238U быстрыми нейтронами;

3) деление 235U медленными нейтронами и

4) деление 235U быстрыми нейтронами.

Логически найденное Бором отличие 238U и тория от 235U исключало механизм № 1: 238U не делился под воздействием медленных нейтронов. Механизм № 2 был неэффективным из-за рассеяния и паразитных эффектов резонансного захвата в 238U. Механизм № 3 потенциально можно было использовать для производства энергии, но для практического оружия он был слишком медленным. А как насчет механизма № 4? По-видимому, никто в Британии, Франции или Соединенных Штатах до сих пор не задавался этим вопросом всерьез.

Если Фришу удалось теперь заглянуть в эту бездну, это произошло потому, что он тщательно изучил вопрос разделения изотопов и решил, что оно может быть осуществлено даже с таким трудноуловимым изотопом, как 235U. Поэтому он был готов рассмотреть поведение этого вещества в чистом виде, без примесей 238U, в отличие от Бора, Ферми и даже Сциларда. «Я задумался вот о чем: если бы моя сепараторная трубка Клузиуса действительно заработала, – можно ли, используя несколько таких трубок, выделить уран-235 в количестве, достаточном для получения действительно взрывной цепной реакции, не зависящей от медленных нейтронов? И какое количество этого изотопа для этого нужно?»[1445]

Он рассказал об этой задаче Пайерлсу. У Пайерлса была формула критической массы. В этом случае в нее нужно было подставить сечение деления 235U быстрыми нейтронами, величины которого никто не знал, потому что никто еще не выделил достаточного количества этого редкого изотопа, чтобы определить его сечение на опыте – а только так и можно было получить достоверное значение. Тем не менее, говорит Пайерлс, «мы прочитали статью Бора и Уилера и разобрались в ней, и она, по-видимому, убеждала нас, что в этих обстоятельствах в сечении нейтронных процессов в 235U должно доминировать деление». Пайерлс смог сформулировать вывод из этого положения в весьма простых словах: «Если нейтрон попадает в ядро [235U], что-то непременно произойдет»[1446].

Тогда было интуитивно понятно, каким должно быть сечение: более или менее таким же, как известное сечение, выражающее вероятность того, что в ядро урана вообще попадет какой-либо нейтрон, – геометрическое сечение, 10–23 см2 [1447], на целый порядок величины больше, чем полученные ранее оценки сечений деления в природном уране, который лишь в несколько раз превышали 10–24.

«Как бы играя»[1448], – пишет Фриш, он подставил 10–23 см2 в формулу Пайерлса. «К моему удивлению, [ответ] оказался гораздо меньше, чем я ожидал; речь шла не о тоннах, а о чем-то вроде одного-двух фунтов»[1449]. Для такого тяжелого вещества, как уран, это соответствует объему меньшему чем мяч для гольфа.

Но взорвется ли такая масса, или же тихо выгорит? Пайерлс легко получил оценку. Цепная реакция должна развиваться быстрее, чем идет испарение и расширение нагревающегося металлического шара. Пайерлс вычислил, что время, проходящее между двумя последовательными поколениями нейтронов в цепочке 1 × 2 × 4 × 8 × 16 × 32 × 64…, составляет около четырех миллионных секунды[1450], то есть этот процесс идет гораздо быстрее, чем деление медленными нейтронами, для которого Фриш получил оценку порядка нескольких тысячных секунды.

В таком случае насколько разрушительным будет взрыв? Появление около восьмидесяти поколений нейтронов – приблизительно такое их число может появиться до того, как нарастающий взрыв разнесет атомы 235U на слишком большое