Введение

Немецкий физик, родившийся в Великобритании (1907–1995)

Сэр Рудольф Эрнст Пейерлс (5 июня 1907 – 19 сентября 1995) был немецким физиком, сыгравшим ключевую роль в программе Tube Alloys – британском проекте по созданию ядерного оружия, – а также в последующем Манхэттенском проекте, объединенной программе союзников по созданию ядерной бомбы. В некрологе, опубликованном в журнале Physics Today в 1996 году, он был назван «важной фигурой в драматических событиях, связанных с выходом ядерной физики на мировую арену». Пейерлс изучал физику в Берлинском университете, в Мюнхенском университете под руководством Арнольда Зоммерфельда, в Лейпцигском университете под руководством Вернера Гейзенберга и в Цюрихском политехническом институте под руководством Вольфганга Паули. Получив докторскую степень в Лейпциге в 1929 году, он стал ассистентом Паули в Цюрихе. В 1932 году он был удостоен стипендии Рокфеллера, которую использовал для обучения в Риме под руководством Энрико Ферми, а затем в Лаборатории Кавендиша Кембриджского университета под руководством Ральфа Х. Фаулера. В связи со своим еврейским происхождением, после прихода к власти Адольфа Гитлера в 1933 году он принял решение не возвращаться на родину, а остаться в Великобритании, где работал с Гансом Бете в Университете Виктории в Манчестере, а затем в Лаборатории Монда в Кембридже. В 1937 году Марк Олифант, недавно назначенный австралийским профессором физики в Бирмингемском университете, пригласил его занять новую должность профессора прикладной математики. В марте 1940 года Пейерлс совместно с Отто Робертом Фришем опубликовал меморандум Фриша — Пейерлса. В этой краткой работе впервые было показано, что атомную бомбу можно создать из небольшого количества делящегося урана-235. До этого предполагалось, что для создания такой бомбы потребуются тонны урана, что делало ее создание и применение непрактичными. Эта работа сыграла решающую роль в пробуждении интереса к ядерному оружию сначала у британских, а затем и у американских властей. Он также отвечал за привлечение своего соотечественника Клауса Фукса к работе над проектом Tube Alloys – так назывался британский проект по созданию ядерного оружия, – что привело к тому, что Пейерлс попал под подозрение после разоблачения Фукса как шпиона Советского Союза в 1950 году. После войны Пейерлс вернулся в Бирмингемский университет, где работал до 1963 года, а затем стал профессором физики Уайкхема и членом Нью-колледжа Оксфордского университета до выхода на пенсию в 1974 году. В Бирмингеме он занимался исследованиями в области ядерных сил, рассеяния, квантовых теорий поля, коллективных движений в ядрах, теории переноса и статистической механики, а также был консультантом в Исследовательском институте атомной энергии в Харвелле. Он был удостоен множества наград, включая рыцарское звание в 1968 году, и написал несколько книг, в том числе «Квантовая теория твердого тела», «Законы природы» (1955), «Сюрпризы в теоретической физике» (1979), «Еще больше сюрпризов в теоретической физике» (1991) и автобиографию «Птица перелетная» (1985). Обеспокоенный ядерным оружием, которое он помог создать, он сотрудничал с Bulletin of the Atomic Scientists, был президентом Ассоциации атомных ученых в Великобритании и участвовал в движении Пагуоша.

Ранние годы

Рудольф Эрнст Пейерлс родился в берлинском пригороде Обершенвейде, младшим из трех детей Генриха Пейерлса, инженера-электрика, из семьи еврейских купцов. Его отец был управляющим директором кабельного завода Allgemeine Elektricitäts Gesellschaft (AEG), а его мать — первой женой его отца, Элизабет (Вейгерт). У Рудольфа был старший брат Альфред и старшая сестра Энни, которая поступила в Лейпцигский университет в 1929 году. Его теория делала конкретные предсказания о поведении металлов при очень низких температурах, но еще двадцать лет должно было пройти, прежде чем были разработаны методы для экспериментального подтверждения этих предсказаний. Пейерлс помог Эгону Оровану понять силу, необходимую для перемещения дислокации, которая была расширена Фрэнком Набарро и получила название силы Пейерлса — Набарро. В 1929 году он изучал физику твердого тела в Цюрихе под руководством Гейзенберга и Паули. Его ранние работы по квантовой физике привели к теории положительных носителей заряда для объяснения тепло- и электропроводности полупроводников. Он был пионером в концепции «дырок» в полупроводниках. Он установил «зоны» раньше Леона Брилуэна, хотя имя Брилуэна и связано с этой идеей в настоящее время, и применил их к фононам. В результате он открыл уравнения Больцмана для фононов и процесс умклаппа. В связи с приходом к власти Адольфа Гитлера в Германии, он решил не возвращаться домой в 1933 году, а остаться в Великобритании. Он отклонил предложение Отто Штерна о должности в Гамбургском университете. Получив разрешение остаться в Великобритании, он работал в университете Виктории в Манчестере при финансировании Совета по оказанию помощи ученым, созданного для помощи академическим беженцам из Германии и других фашистских стран. Большая часть его ближайшей семьи также покинула Германию: его брат и его семья поселились в Великобритании, а его сестра и ее семья вместе с отцом и мачехой переехали в Соединенные Штаты, где жил его дядя Зигфрид. Пейерлс сотрудничал с Бете в области фотодезинтеграции и статистической механики сплавов по заданию Джеймса Чедвика. Их результаты до сих пор служат основой для теорий среднего поля структурных фазовых переходов в полных сплавах. Хотя большая часть его работы продолжала быть посвящена электронной теории металлов, он также изучал теорию дырок Дирака и совместно с Бете написал статью о нейтрино. Манчестерский университет присвоил ему степень доктора наук (D. Sc.). Вернувшись в Кембридж, он работал с Дэвидом Шоенбергом в лаборатории Монда над сверхпроводимостью и жидким гелием. Чтобы разрешить ему читать лекции в соответствии с правилами, колледж Святого Иоанна в Кембридже присвоил ему степень магистра искусств (M. A.) по должности. В 1936 году Марк Олифант был назначен профессором физики в Бирмингемском университете и предложил Пейерлсу новую должность заведующего кафедрой прикладной математики, которую он создавал (под прикладной математикой подразумевалась то, что сегодня называется теоретической физикой). Пейерлс получил эту должность, несмотря на конкуренцию со стороны Гарри Мэйси и Гарри Джонса. Это назначение, наконец, обеспечило Пейерлсу стабильную и постоянную должность. Среди его учеников были Фред Хойл и П. Л. Капур, студент из Индии. Вместе с Капуром он вывел дисперсионную формулу для ядерных реакций, первоначально представленную в теории возмущений Грегори Брейтом и Юджином Вигнером, но теперь включающую обобщающие условия. Этот вывод известен как вывод Капура — Пейерлса и до сих пор используется, хотя в 1947 году Вигнер и Леонард Эйзенбуд разработали более широко используемый альтернативный метод. В 1938 году Пейерлс посетил Копенгаген, где сотрудничал с Бором и Джорджем Плачеком над статьей о том, что теперь известно как соотношение Бор — Пейерлс — Плачек. Вторая мировая война началась до того, как статья была опубликована, но черновики были распространены для ознакомления и стали одной из самых цитируемых неопубликованных работ за всю историю.

Фриш-Пейерл

После начала Второй мировой войны в сентябре 1939 года Пейерлс начал работу над исследованиями ядерного оружия вместе с Отто Робертом Фришем, также беженцем из Германии. Ирония заключалась в том, что их исключили из работы над радаром в Бирмингемском университете, поскольку она считалась слишком секретной для ученых, признанных лицами вражеского происхождения. Пейерлс получил британское гражданство 27 марта 1940 года. Он стремился участвовать в борьбе с фашизмом и милитаризмом, но единственной организацией, принявшей его, стала Вспомогательная пожарная служба. Он принял предложение Университета Торонто отправить своих двоих детей жить с семьей в Канаду. В феврале и марте 1940 года Пейерлс и Фриш совместно написали меморандум Фриша — Пейерлса, который напечатал Пейерлс. Эта краткая работа впервые установила, что атомную бомбу можно создать из небольшого количества делящегося урана-235. На основе имеющихся данных они рассчитали, что потребуется менее 1 кг. Фактическое значение критической массы примерно в четыре раза больше; но до этого предполагалось, что для такой бомбы потребуется много тонн урана, и, следовательно, ее создание и применение были бы непрактичными. Они оценили мощность взрыва, а также его физические, военные и политические последствия. Меморандум Фриша — Пейерлса сыграл решающую роль в пробуждении интереса к атомному оружию сначала у британских, а затем и у американских властей. В 1941 году его выводы попали в Соединенные Штаты через отчет Комитета МАУД, что стало важным импульсом для создания Манхэттенского проекта и последующей разработки атомной бомбы. Благодаря меморандуму Фриша — Пейерлса и отчету Комитета МАУД британские и американские ученые смогли начать думать о том, как создать бомбу, а не о том, возможно ли это в принципе. Как лица вражеского происхождения, Фриш и Пейерлс изначально были исключены из Комитета МАУД, но абсурдность этого вскоре была признана, и они стали членами его Технического подкомитета. Это не означало, что им был предоставлен доступ к работе над радаром. Когда Олифант предложил услуги своего секретаря для набора работ Пейерлса и Фриша для Комитета МАУД в сентябре 1940 года, им не разрешили войти в здание Nuffield, где она работала, поэтому Пейерлс предоставил их для набора с помощью диктофона на восковых цилиндрах. Фриш и Пейерлс поначалу считали, что обогащение урана лучше всего достигается с помощью термической диффузии, но, по мере того как трудности этого подхода становились все более очевидными, они перешли к газовой диффузии, привлекая своего коллегу-беженца из Германии Франца Симона в качестве эксперта в этой области. Пейерлс также нанял еще одного беженца из Германии, Клауса Фукса, в качестве своего помощника в мае 1941 года.

Манхэттенский проект

В результате выводов Комитета MAUD было создано новое управление, известное как Tube Alloys, для координации усилий по разработке ядерного оружия. Сэр Джон Андерсон, лорд-президент Совета, стал ответственным министром, а Уоллес Экерс из компании Imperial Chemical Industries (ICI) был назначен директором Tube Alloys. Пейерлс, Чедвик и Саймон были назначены в Технический комитет, который возглавлял Акерс. Его первое заседание в ноябре 1941 года посетили два американских специалиста, Гарольд Юри и Джордж Б. Пеграм. Позднее в том же году Пейерлс отправился в Соединенные Штаты, где встретился с Юри и Ферми в Нью-Йорке, Артуром Х. Комптоном в Чикаго, Робертом Оппенгеймером в Беркли и Джесси Бимсом в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния. Когда Джордж Кистиаковский утверждал, что ядерное оружие нанесет незначительный ущерб, поскольку большая часть энергии будет затрачена на нагрев воздуха, Пейерлс, Фукс, Джеффри Тейлор и Дж. Г. Кинч провели гидродинамические расчеты, чтобы опровергнуть это утверждение. Подписание Квебекского соглашения 19 августа 1943 года объединило Tube Alloys с Манхэттенским проектом. Акерс уже отправил в Лондон указание, чтобы Чедвик, Пейерлс, Олифант и Саймон немедленно выехали в Северную Америку для присоединения к британской миссии при Манхэттенском проекте, и они прибыли в день подписания соглашения. Саймон и Пейерлс были прикреплены к корпорации Kellex, которая занималась проектом K-25 – проектированием и строительством американского завода по разделению изотопов методом газовой диффузии. В то время как Kellex располагалась в здании Woolworth, Пейерлс, Саймон и Николас Курти имели свои офисы в британской снабженческой миссии на Уолл-стрит. К ним присоединились Тони Скайрм и Фрэнк Киртон, прибывшие в марте 1944 года. Курти вернулся в Англию в апреле 1944 года, а Киртон – в сентябре. Пейерлс перешел в Лос-Аламосскую лабораторию в феврале 1944 года, Скайрм последовал за ним в июле, а Фукс – в августе. В Лос-Аламосе британская миссия была полностью интегрирована в лабораторию, и британские ученые работали в большинстве ее отделов, за исключением отделов, занимающихся химией и металлургией плутония. Когда Оппенгеймер назначил Бете главой престижного Теоретического (T) отдела лаборатории, он обидел Эдварда Теллера, которому была создана отдельная группа для изучения "Супербомбы" Теллера. Затем Оппенгеймер написал директору Манхэттенского проекта, бригадному генералу Лесли Р. Гроувсу-младшему, с просьбой отправить Пейерлса на замену Теллера в отдел T. Пейерлс прибыл из Нью-Йорка 8 февраля 1944 года и впоследствии сменил Чедвика на посту руководителя британской миссии в Лос-Аламосе. Пейерлс также возглавил группу T-1 (имплозии) и, следовательно, отвечал за разработку взрывных линз, используемых в ядерном оружии имплозионного типа для фокусировки взрыва в сферическую форму. Он регулярно отправлял отчеты Чедвику, руководителю британской миссии при Манхэттенском проекте, в Вашингтоне. Когда об этом узнал Гроувс, он попросил Пейерлса отправлять отчеты и ему. Пейерлс присутствовал на ядерном испытании "Тринити" 16 июля 1945 года. В январе 1946 года он вернулся в Англию. За заслуги в проекте ядерного оружия он был удостоен звания Командора Ордена Британской империи в новогодних наградах 1946 года и награжден американской Медалью Свободы с серебряной пальмовой ветвью в 1946 году.

Шпионаж

Пейерлс был ответственен за вербовку Фукса в британский проект, что привело к тому, что Пейерлс попал под подозрение, когда Фукс был разоблачен как советский шпион в 1950 году. В 1999 году журнал The Spectator вызвал возмущение семьи Пейерлса, опубликовав статью журналиста Николаса Фаррелла, в которой утверждалось, что Пейерлс был агентом Советского Союза. Статья основывалась на информации, предоставленной историком спецслужб Найджелом Уэстом, который идентифицировал Пейерлса как агента под кодовым именем «Фогель», а затем «Перс» в перехватах Веноны, а его жену Дженю – как агента под кодовым именем «Тина». Однако соответствие «Тины» и Джени не совпадало с известными данными о «Тине», и в 1999 году было окончательно установлено, что «Тина» – это Мелита Норвуд. Пейерлс также не соответствовал профилю «Перса», поскольку последний работал на Клинтонском инженерном комплексе, в то время как Пейерлс – нет. Послевоенные спецслужбы имели веские основания подозревать Пейерлса. Он не только завербовал Фукса и был его «спонсором» по вопросам вербовки и безопасности, но и добивался предоставления Фуксу полного допуска к секретной информации, без которого тот не мог бы помогать Пейерлсу в его работе. Фукс некоторое время жил с семьей Пейерлсов. У Пейерлса была русская жена, как и у его брата, и он поддерживал тесные контакты с коллегами в Советском Союзе до и после Второй мировой войны. Хотя Пейерлс не был коммунистом, как Фукс, он был известен своими левыми политическими взглядами и имел коллег с аналогичными убеждениями. Ему было отказано в визе для посещения Соединенных Штатов на Конференцию по ядерной физике в Чикаго в 1951 году. Аналогичная просьба была удовлетворена в следующем году, но в 1957 году американцы выразили обеспокоенность по его поводу, заявив о своей неготовности делиться информацией с Научно-исследовательским учреждением по атомной энергии в Харвелле, пока он оставался консультантом. Он был удостоен Медали Рутерфорда в 1952 году, Королевской медали в 1959 году, Медали Лоренца в 1962 году, Медали Макса Планка в 1963 году, Медали и премии Гатри в 1968 году и Премии Энрико Ферми от правительства США за выдающийся вклад в науку об атомной энергии в 1980 году. В 1986 году он был награжден медалью Копли, выступил с мемориальной лекцией Резерфорда, а в 1991 году – медалью и премией Дирака. 2 октября 2004 года здание, в котором располагался подраздел теоретической физики Оксфордского университета, было официально названо Центром теоретической физики имени сэра Рудольфа Пейерлса.