Szilard i reakcja łańcuchowa

12 września 1933 roku londyński dziennik „The Times” zamieścił relację z przemówienia, które dzień wcześniej wygłosił w Leicester, na dorocznym zjeździe Brytyjskiego Stowarzyszenia na rzecz Postępu Nauki, lord Ernest Rutherford, najsłynniejszy fizyk jądrowy swoich czasów. Rutherford opowiadał o niedawnych doświadczeniach, w których rozbijano jądra atomów, ale przestrzegał przed złudzeniami. Według gazety stwierdził, że każdy, kto szuka źródła energii w przemianach atomów, „opowiada bajki” (ang. talking moonshine). Artykuł przeczytał trzydziestopięcioletni węgierski fizyk Leó Szilárd, od kilku miesięcy uchodźca z Niemiec, mieszkający w hotelu w londyńskiej dzielnicy Bloomsbury. Jak sam opowiadał po latach, pewność Rutherforda go zirytowała. Rozmyślał o niej, idąc ulicami Londynu, i gdy czekał na zmianę świateł na skrzyżowaniu przy Southampton Row, przyszło mu do głowy, że gdyby znaleźć pierwiastek, którego jądro po pochłonięciu jednego neutronu wysyła dwa, można by wywołać jądrową reakcję łańcuchową, czyli proces podtrzymujący się sam i uwalniający ogromną energię. Była to, ponad pięć lat przed odkryciem rozszczepienia uranu, pierwsza wyraźna zapowiedź zasady, na której opiera się reaktor jądrowy i bomba atomowa.

Pod tą datą chronologie zapisują zwykle, że Szilárd „wpadł na pomysł jądrowej reakcji łańcuchowej”, i to sformułowanie odpowiada temu, co wiemy. Trzeba jednak pamiętać, skąd pochodzi data. Szilárd nie prowadził wtedy dziennika i nie zapisał dnia swojego olśnienia. W późniejszych wspomnieniach mówił tylko, że stało się to po lekturze gazetowej relacji z wystąpienia Rutherforda. Ponieważ „The Times” opisał je 12 września, historycy, między innymi Richard Rhodes w klasycznej historii bomby atomowej, wiążą pomysł z tym dniem. Możliwe, że myśl dojrzewała przez kilka dni. Niepewne jest też dokładne brzmienie słów Rutherforda: różne gazety podały je w nieco innych wersjach, a niektóre złagodziły je zastrzeżeniem, że chodzi o „obecny stan wiedzy”.

Uchodźca z Berlina

Szilárd urodził się w 1898 roku w Budapeszcie w żydowskiej rodzinie inżyniera. Po pierwszej wojnie światowej, w której służył w armii austro-węgierskiej, i po upadku Węgierskiej Republiki Rad wyjechał w 1919 roku z kraju, w którym narastał antysemityzm, i od 1920 roku studiował w Berlinie. Doktorat z fizyki napisał u Maxa von Lauego, a jego pracę chwalił Albert Einstein, z którym później opracował i opatentował lodówkę bez ruchomych części. Był docentem Uniwersytetu Berlińskiego, zgłosił patenty na akcelerator liniowy i cyklotron, a w 1930 roku otrzymał obywatelstwo niemieckie.

Polityce przyglądał się uważniej niż większość kolegów. Gdy 30 stycznia 1933 roku Hitler został kanclerzem, Szilárd trzymał spakowane walizki w pokoju gościnnego domu Instytutów Cesarza Wilhelma w Dahlem. Według jego relacji 31 marca 1933 roku wsiadł do niemal pustego pociągu do Wiednia. Następnego dnia, w czasie bojkotu żydowskich sklepów, pociągi na tej trasie były przepełnione, a na granicy zatrzymywano i przesłuchiwano podróżnych. „Nie trzeba być mądrzejszym od innych, wystarczy wyprzedzać ich o jeden dzień” – komentował po latach. Kilka dni później, 7 kwietnia 1933 roku, Niemcy przyjęli ustawę o przywróceniu zawodowej służby cywilnej, która pozwalała usunąć z państwowych posad, w tym z uniwersytetów, urzędników pochodzenia żydowskiego i przeciwników politycznych. W ciągu kilku miesięcy niemieckie uczelnie straciły setki naukowców, wśród nich wielu najwybitniejszych fizyków.

Na początku maja Szilárd był w Londynie. Przez pierwsze miesiące zajmował się nie fizyką, ale ratowaniem innych. Przyczynił się do powstania Academic Assistance Council, organizacji, która pod przewodnictwem ekonomisty Williama Beveridge’a szukała pracy dla wygnanych z Niemiec uczonych. Do wybuchu wojny pomogła ona ponad dwóm i pół tysiącom naukowców. Sam Szilárd rozważał wtedy porzucenie fizyki na rzecz biologii.

Rok neutronu

Fizyka jądrowa przeżywała w tym czasie przełom. W lutym 1932 roku James Chadwick odkrył w Cambridge neutron, cząstkę pozbawioną ładunku elektrycznego. W kwietniu tego samego roku John Cockcroft i Ernest Walton, uczniowie Rutherforda, po raz pierwszy rozbili jądro atomowe za pomocą sztucznie przyspieszonych cząstek: ostrzeliwali lit protonami i otrzymywali cząstki alfa. W pojedynczej przemianie wydzielało się znacznie więcej energii, niż niósł pocisk, ale tylko niewielka część protonów trafiała w jądra. Bilans całego doświadczenia był więc mocno ujemny. Właśnie na to wskazywał Rutherford, gdy mówił w Leicester, że to bardzo nieefektywny sposób wytwarzania energii.

Szilárd zauważył to, czego Rutherford nie brał pod uwagę. Proton, naładowany dodatnio, jest odpychany przez jądro, więc trzeba go mocno rozpędzić, a i tak rzadko trafia. Neutron nie ma ładunku, swobodnie wnika do jądra i może wywołać przemianę nawet wtedy, gdy porusza się powoli. Jeśli przemiana wywołana jednym neutronem uwolni dwa nowe, każdy z nich może wywołać następną, i liczba przemian będzie rosła lawinowo. Szilárd przeniósł do fizyki jądra znane chemikom pojęcie reakcji łańcuchowej. Zrozumiał też, że taka reakcja może się utrzymać tylko w odpowiednio dużej ilości materiału, bo w małej bryle neutrony uciekają przez powierzchnię, zanim trafią w kolejne jądra. Tak narodziło się pojęcie masy krytycznej.

Szilárd miał do tej myśli szczególny stosunek. W 1932 roku przeczytał powieść Herberta George’a Wellsa „Świat wyzwolony” z 1914 roku, w której pisarz opisał wojnę prowadzoną za pomocą „bomb atomowych” i zniszczenie wielkich miast. Książka zrobiła na nim, jak wspominał, ogromne wrażenie. Od początku wiedział więc nie tylko, że reakcja łańcuchowa może być źródłem energii, ale też, że może posłużyć do budowy broni.

Patent i tajemnica

Szilárd nie wiedział, który pierwiastek mógłby podtrzymać reakcję. Podejrzewał beryl, później ind. Chciał systematycznie zbadać wszystkie znane wtedy pierwiastki, ale nie znalazł na to pieniędzy. W 1934 roku Rutherford odmówił mu miejsca w swoim laboratorium w Cambridge. Szilárd pracował więc w londyńskim szpitalu św. Bartłomieja, gdzie wraz z fizykiem Thomasem Chalmersem odkrył metodę wydzielania sztucznych izotopów promieniotwórczych, nazwaną efektem Szilárda–Chalmersa. Od 1935 roku pracował w Oksfordzie.

12 marca 1934 roku złożył w brytyjskim urzędzie patentowym pierwszy wniosek, a w kolejnych miesiącach, między innymi 28 czerwca, uzupełniał go o opis reakcji łańcuchowej wywoływanej przez neutrony i warunku masy krytycznej. Wiedział, że rozgłos może być niebezpieczny. W 1936 roku przekazał patent Admiralicji brytyjskiej, dzięki czemu pozostał on tajny. Ogłoszono go dopiero w 1949 roku. Większość fizyków, w tym Niels Bohr i Enrico Fermi, uważała wtedy wyzwolenie energii jądrowej za odległą mrzonkę, a namowy Szilárda, by zachować ostrożność przy publikowaniu wyników, traktowała jako dziwactwo.

Od pomysłu do bomby

Brakujący element pojawił się pod koniec 1938 roku. W grudniu w Berlinie chemicy Otto Hahn i Fritz Straßmann stwierdzili, że uran ostrzeliwany neutronami daje bar, a Lise Meitner, która wcześniej musiała uciec z Niemiec, i jej siostrzeniec Otto Frisch wyjaśnili, że jądro uranu rozszczepia się na dwie części. Szilárd, który od początku 1938 roku mieszkał w Nowym Jorku, natychmiast zrozumiał, że uran może być pierwiastkiem, którego szukał od pięciu lat. Na początku marca 1939 roku na Uniwersytecie Columbia wraz z Walterem Zinnem wykazał, że przy rozszczepieniu uranu powstają nowe neutrony. „Tej nocy nie miałem wątpliwości, że świat zmierza ku nieszczęściu” – wspominał.

Szilárd próbował przekonać fizyków na Zachodzie, by przestali publikować wyniki badań nad uranem. Nie zdołał, bo zespół Frédérica Joliot-Curie w Paryżu ogłosił podobne pomiary. Wiosną 1939 roku Niemcy rozpoczęły własne badania nad wykorzystaniem energii jądrowej. W lipcu Szilárd z Eugene’em Wignerem, a potem z Edwardem Tellerem odwiedził Einsteina i przygotował list, który Einstein podpisał 2 sierpnia 1939 roku. List ostrzegał prezydenta Franklina Delano Roosevelta, że reakcja łańcuchowa w uranie może posłużyć do budowy bomb „niezwykłej mocy” i że Niemcy mogą nad nimi pracować. Doręczono go w październiku 1939 roku, już po wybuchu wojny. Zaczęło się od skromnego komitetu doradczego, a skończyło na projekcie Manhattan. 2 grudnia 1942 roku w Chicago Szilárd był obecny przy uruchomieniu pierwszego reaktora jądrowego, Chicago Pile-1, w którym zespół Fermiego wywołał pierwszą kontrolowaną reakcję łańcuchową. Jej projekt opierał się w dużej mierze na pomysłach Szilárda, który zadbał między innymi o grafit wolny od pochłaniającego neutrony boru.

Gdy w 1945 roku bomba była bliska ukończenia, a Niemcy już skapitulowały, Szilárd zbierał podpisy naukowców pod petycją do prezydenta Harry’ego Trumana, by nie używać jej przeciw Japonii, zanim ta nie pozna warunków kapitulacji i ich nie odrzuci. Petycja nie dotarła do prezydenta przed atakiem atomowym na Hiroszimę i Nagasaki.

Pomysł z Southampton Row jest jednym z przykładów tego, jak polityka nazistowskich Niemiec obróciła się przeciw nim samym. Ustawy z 1933 roku wypędziły z kraju dziesiątki fizyków pochodzenia żydowskiego. Wielu z nich, jak Szilárd, Einstein, Wigner, Teller, Hans Bethe czy Otto Frisch, przyczyniło się potem do budowy bomby w Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych, podczas gdy niemiecki program jądrowy do końca wojny nie zbliżył się do celu. Myśl, którą jeden z wygnańców sformułował jesienią 1933 roku na londyńskiej ulicy, sześć lat później stała się jednym z powodów, dla których Ameryka rozpoczęła prace nad bronią, która zakończyła wojnę na Pacyfiku i zmieniła świat po niej.