Эрнест Орландо Лоуренс

Эрнест Орландо Лоуренс построил машину, которая разгоняет частицы до огромных энергий, и этим изменил физику. Его циклотрон, созданный в 1930 году, принёс ему Нобелевскую премию, а затем превратился в промышленную установку, которая помогла создать атомную бомбу. Физик-ядерщик, родившийся в 1901 году в Южной Дакоте и умерший в 1958-м в Калифорнии, оставил после себя не только лаборатории и химический элемент, названный в его честь, но и спор о том, как далеко может зайти учёный в служении государству.

Салфетка, изменившая физику

Идея циклотрона пришла к Лоуренсу в библиотеке. В 1929 году он наткнулся на статью Рольфа Видероэ с диаграммой устройства, которое разгоняло частицы чередой небольших «толчков». Лоуренс понял, что такой линейный ускоритель скоро станет слишком длинным для университетской лаборатории, и решил свернуть его в круг. Протоны должны были ускоряться двумя полукруглыми электродами, а магнитное поле закручивало бы их по спирали — так можно получить частицы с высокой энергией без высокого напряжения.

Первый образец циклотрона собрали вместе с аспирантом Н. Эдлефсеном из латуни, проволоки и сургуча. Прибор диаметром всего 10 сантиметров умещался на ладони. Затем за дело взялись аспиранты Д. Слоан и М. Ливингстон: один строил линейный ускоритель, второй — циклотрон. К маю 1931 года линейный ускоритель Слоана разогнал ионы до 1 МэВ, а в январе того же года циклотрон Ливингстона при напряжении 3000 вольт выдал протоны с энергией 1,22 МэВ.

Погоня за открытиями

Успех вдохновил Лоуренса на создание более крупного прибора. Для 27-дюймового циклотрона он нашёл 80-тонный магнит, ржавевший на свалке в Пало-Алто: его построили ещё в Первую мировую для трансатлантической радиосвязи. Но пока Лоуренс строил, открытия ускользали от него. В апреле 1932 года Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон в Кавендишской лаборатории превратили литий в гелий, бомбардируя его протонами. Лоуренс попросил свою команду проверить результат — на это ушло несколько месяцев, и всё это время слава доставалась другим.

На Солвеевской конференции 1933 года Лоуренс столкнулся с жёстким скептицизмом Джеймса Чедвика, открывшего нейтрон. Тот заявил, что берклиевцы наблюдали загрязнение своего аппарата, а не новую частицу. Чедвик оказался прав: эффект, который группа Лоуренса приняла за источник безграничной энергии, был следствием слияния двух атомов дейтерия в гелий-3. Лоуренс упустил открытие ядерного синтеза, но не унывал — он настаивал на строительстве ещё больших циклотронов. 27-дюймовый прибор сменил 37-дюймовый в 1937 году, а в 1939-м заработал 60-дюймовый, который использовали для получения первых радиоактивных изотопов.

Медицина и Нобелевская премия

Деньги на ядерную физику собирать было трудно, а на лечение рака — легче, поэтому Лоуренс предложил использовать циклотрон в медицине. Вместе с братом Джоном и Израилем Чайкоффом он начал исследования радиоактивных изотопов. Фосфор-32, полученный в циклотроне, применяли для лечения пациентки с полицитемией и в опытах на мышах с лейкемией. Выяснилось, что радиоактивный фосфор концентрируется в быстрорастущих раковых клетках, что привело к клиническим испытаниям на людях. Первый пациент получил нейтронную терапию от 60-дюймового циклотрона 20 ноября.

В ноябре 1939 года Лоуренс получил Нобелевскую премию по физике «за изобретение и развитие циклотрона и за полученные благодаря ему результаты». Он стал первым нобелевским лауреатом из Беркли и первым из Южной Дакоты. Из-за Второй мировой войны церемония прошла в зале Уилера в Беркли, медаль вручил генеральный консул Швеции.

Атомный проект

Война превратила циклотрон в оружие. Лоуренс помогал набирать сотрудников в радиолокационную лабораторию Массачусетского технологического института и принял участие в создании метода обнаружения немецких подводных лодок. А в декабре 1940 года в его лаборатории Сиборг и Сегре, бомбардируя уран-238 дейтронами, получили нептуний-238, который распадался в плутоний-238. Стало ясно, что плутоний-239 может быть использован для атомной бомбы.

По рекомендации Лоуренса директор Манхэттенского проекта генерал Гроувс назначил Оппенгеймера главой Лос-Аламосской лаборатории. Сама Радиационная лаборатория разработала процесс электромагнитного обогащения урана. Устройства, названные калютронами — гибриды масс-спектрометра и циклотрона — разделяли изотопы урана магнитным полем. Процесс был неэффективным и дорогим, но основанным на проверенной технологии. Завод Y-12 в Ок-Ридже, где стояли калютроны, к январю 1945 года увеличил производство урана-235 на 10%, а к апрелю тот же завод выдавал уран, достаточно обогащённый для бомбы.

16 июля 1945 года Лоуренс наблюдал за испытанием «Тринити». Вопрос о применении нового оружия расколол учёных: Оппенгеймер был против демонстрации мощи, Лоуренс — за. Он гордился своим вкладом в бомбардировку Хиросимы.

Большая наука и водородная бомба

После войны Лоуренс стал главным пропагандистом «большой науки» — крупных приборов и больших государственных денег. Он запросил у Манхэттенского проекта более 2 миллионов долларов на исследования, и Гроувс одобрил выделение. 184-дюймовый циклотрон, достроенный на эти деньги, начал работать в 1946 году как синхротрон.

Первое советское ядерное испытание в августе 1949 года встревожило Лоуренса. Он решил, что ответом должна стать водородная бомба, и предложил использовать ускорители для получения трития. Прототип линейного ускорителя Mark I стоил 7 миллионов долларов, проект Mark II обещал быть ещё крупнее. Сербер и Сегре пытались объяснить технические проблемы, но Лоуренс считал их слова непатриотичными. Он поддержал кампанию Эдварда Теллера за создание второй лаборатории ядерного оружия в Ливерморе — её утвердили в июле 1952 года, хотя Mark II так и не построили.

Лоуренс был республиканцем и считал политическую деятельность пустой тратой времени. Он признавал законными действия Комитета по неамериканской деятельности и защищал сотрудников своей лаборатории, но на слушаниях об отмене допуска Оппенгеймера отказался присутствовать, сославшись на болезнь, — при этом в стенограмму попала его критика в адрес друга.

Смерть и посмертная слава

В июле 1958 года Эйзенхауэр попросил Лоуренса участвовать в женевских переговорах о запрете ядерных испытаний. Лоуренс, страдавший язвенным колитом, согласился, но в Женеве заболел и был отправлен в больницу Стэнфордского университета. Хирурги удалили большую часть толстой кишки и обнаружили тяжёлый атеросклероз. Он умер 27 августа 1958 года в Пало-Алто.

Через 23 дня после его смерти две исследовательские лаборатории назвали в его честь — Ливерморскую и Беркли. В 1961 году химический элемент номер 103, открытый в Беркли, получил название лоуренсий. Премия Эрнеста Орландо Лоуренса вручается с 1959 года. Вдова учёного в 1980-х годах просила убрать имя мужа из названия Ливерморской лаборатории, поскольку она занималась ядерным оружием, — ей отказывали.

Вопросы о Лоуренсе

Почему циклотрон назвали циклотроном?

Название происходит от греческого «kyklos» — круг. Частицы в циклотроне движутся по спирали, раскручиваясь в магнитном поле.

Был ли Лоуренс «отцом» атомной бомбы?

Он не руководил созданием бомбы, но его лаборатория разработала метод электромагнитного обогащения урана, без которого бомба не была бы собрана в срок.

Почему Лоуренс и Оппенгеймер поссорились?

Политические разногласия: Лоуренс считал деятельность Оппенгеймера по объединению работников лаборатории «левосторонней» и критиковал его на закрытых слушаниях.