کنجکاویابمبِ اتمی چطور ساخته شد؟ | از یک ایده پشتِ چراغِ قرمز تا بزرگ‌ترین انفجارِ تاریخ
بمبی که فقط بیست و سه کیلو وزن داشت می‌تونست یه شهر رو نابود کنه. بمبی که هجده سال بعدش ساختن، نزدیک سه هزار برابر همون قدرت رو داشت و برای شلیکش باید به خدمه می‌گفتن شانسِ زنده موندنشون فیفتی‌فیفتیه. بینِ این دو نقطه، یه سؤال هست که خیلی‌ها جوابش رو نمی‌دونن: چطور یه ایده که یه نفر پشتِ چراغ قرمز به ذهنش رسید، تو کمتر از سی سال تبدیل شد به سلاحی که می‌تونست دنیا رو چند بار نابود کنه؟ و چرا بعد از رسیدن به بزرگ‌ترین انفجارِ تاریخ، دیگه هیچ‌کس سراغِ بزرگ‌ترش نرفت؟
ایده‌ای که پشتِ چراغ قرمز شکل گرفت
پاییزِ ۱۹۳۳ تو لندن، یه فیزیک‌دانِ مجارستانی به اسمِ لئو سیلارد (Leo Szilard) پشتِ یه چراغ قرمز ایستاده بود. چند روز قبلش تو روزنامه خونده بود که یکی از بزرگ‌ترین دانشمندهای اون زمان گفته آزاد کردنِ انرژیِ اتم عملاً غیرممکنه، و سیلارد داشت همین جمله رو تو ذهنش مرور می‌کرد. درست وقتی چراغ سبز شد، یه فکر به ذهنش اومد: اگه عنصری پیدا بشه که وقتی یه نوترون بهش برخورد می‌کنه بشکنه و دو تا نوترونِ تازه آزاد کنه، اون دو تا می‌رن سراغِ دو اتمِ دیگه و اون‌ها هم می‌شکنن. دو تا می‌شه چهار تا، چهار تا می‌شه هشت تا، و همین‌طور ادامه پیدا می‌کنه. به این فرآیند بعداً گفتن واکنشِ زنجیره‌ای.
سیلارد اون روز نمی‌دونست دقیقاً کدوم عنصره که این‌طوری رفتار می‌کنه، ولی یه چیز براش روشن بود: اگه چنین عنصری وجود داشته باشه، می‌شه ازش هم انرژیِ عظیم گرفت و هم بمب ساخت. پیدا کردنِ اون عنصر پنج سالِ تمام طول کشید. تا اون موقع، ایده‌ی سیلارد فقط یه حدسِ نظری بود؛ چیزی که هیچ آزمایشی تأییدش نکرده بود.
کشفی که جواب سیلارد رو داد
دسامبرِ ۱۹۳۸ تو برلین، دو شیمی‌دان به اسم‌های اتو هان (Otto Hahn) و فریتز اشتراسمان (Fritz Strassmann) داشتن اورانیوم رو با نوترون بمباران می‌کردن. انتظارشون این بود که چیزی کمی سنگین‌تر یا سبک‌تر از اورانیوم پیدا کنن، ولی چیزی که تو نتیجه‌ی آزمایش دیدن باریوم بود؛ عنصری که تقریباً نصفِ وزنِ اورانیومه. این نتیجه با هیچ‌کدوم از قوانینِ فیزیکِ اون زمان جور درنمی‌اومد، چون اتم قرار نبود این‌طوری نصف بشه. هان مطمئن بود آزمایش رو درست انجام داده، ولی نمی‌تونست توضیحش بده، برای همین نتیجه رو تو نامه‌ای نوشت برای همکارِ سال‌هاش، لیزه مایتنر (Lise Meitner).
مایتنر اون موقع دیگه تو برلین نبود. یهودی بود و چند ماه قبل‌تر مجبور شده بود از آلمانِ نازی فرار کنه؛ حالا تو سوئد زندگی می‌کرد، بدونِ آزمایشگاه و بدونِ موقعیتِ علمیِ ثابت. نامه‌ی هان رو خوند و با خواهرزاده‌ش، اوتو فریش (Otto Frisch)، رفت قدم زدن تو برف. همون‌جا، وسطِ یه جنگل، جوابِ معمای هان رو پیدا کردن: اتمِ اورانیوم واقعاً به دو نیمه شکسته بود، و موقعِ این شکستن، مقدارِ کمی از جرمِ اولیه ناپدید شده و تبدیل به انرژی شده بود. اسمی که رو این پدیده گذاشتن «شکافتِ هسته‌ای» بود.
با این کشف، همون چیزی که سیلارد پنج سال قبل فقط تصورش کرده بود، حالا اثبات شده بود: عنصری وجود داشت که می‌شد باهاش واکنشِ زنجیره‌ای راه انداخت. کمتر از یه سال بعد، جنگِ جهانیِ دوم شروع شد، و همین هم‌زمانی بود که پروژه‌ی ساختِ بمب رو از یه بحثِ آزمایشگاهی تبدیل کرد به یه مسابقه‌ی نظامی.
چیزی که واقعاً سخت بود، خودِ بمب نبود
اینجا یه تصورِ غلط رایجه که سختیِ ساختنِ بمبِ اتمی تو طراحیِ خودِ بمبه. این‌طور نیست. طرحِ اصلیِ بمب تو کتاب‌های درسی هست و فیزیکش دیگه رازی نیست. چیزی که واقعاً سخته، تهیه‌ی سوختشه. اورانیومی که از معدن درمیاد یه نوع نیست؛ دو تا شکلِ متفاوت داره که بهشون ایزوتوپ می‌گن. یه شکلش با برخوردِ یه نوترون به‌راحتی می‌شکافه، شکلِ دیگه‌ش نه. و از کلِ اورانیومِ طبیعی، فقط حدودِ هفت دهمِ درصدش همون شکلِ به‌دردبخوره؛ یعنی از یه گونی سنگ، فقط یه مشتِ کوچیک.
اما جداسازیِ این دو ایزوتوپ کارِ ساده‌ای نیست، چون دو تا مادّه‌ی شیمیاییِ متفاوت نیستن؛ یه عنصرن که تو هر واکنشِ شیمیایی دقیقاً یکسان رفتار می‌کنن. تنها فرقشون وزنه، اون هم فقط حدودِ یک درصد؛ مثلِ دو تا سکه‌ی کاملاً شبیهِ هم که یکیشون فقط یه ذره سنگین‌تره. کاری که برای جدا کردنِ این دو ایزوتوپ انجام می‌دن، همون فرآیندیه که اسمش رو تو اخبار زیاد شنیدیم: غنی‌سازی. همین فرآیند، نه طراحیِ بمب، بوده و هست که تعیین می‌کنه کدوم کشور می‌تونه به سلاحِ هسته‌ای برسه.
شهری که برای یک مسئله ساخته شد
برای حل کردنِ همین مسئله‌ی غنی‌سازی، آمریکا یه شهرِ کاملِ تازه ساخت به اسمِ اوک‌ریج (Oak Ridge) تو ایالتِ تنسی؛ شهری که رو هیچ نقشه‌ی رسمی‌ای نبود و حدودِ بیست و دو هزار نفر توش کار می‌کردن. اکثرِ کارگرها اصلاً نمی‌دونستن دارن چی می‌سازن؛ فقط بهشون گفته بودن یه سری عقربه رو وسط نگه دارن و هر مشکلی دیدن گزارش بدن. بیشترِ این کارگرها زن‌های جوونِ محلی بودن، نه دانشمند و نه مهندس.
یه اتفاقِ جالب هم اینجا افتاد: وقتی بازدهیِ کارِ این زن‌ها رو با فیزیک‌دان‌های دکترا مقایسه کردن، زن‌ها بازدهِ بیشتری داشتن. دلیلش این بود که فیزیک‌دان‌ها مدام سعی می‌کردن دستگاه رو بهینه‌تر کنن و تنظیماتش رو عوض کنن، در حالی که زن‌های اپراتور فقط عقربه رو تو محدوده‌ی مشخص نگه می‌داشتن و کاری به تئوریِ پشتِ ماشین نداشتن. یعنی ندونستنِ جزئیاتِ علمی، اینجا باعثِ کارآمدترشدنِ کار شده بود.
عددی هم هست که کلِ ماجرای غنی‌سازی رو روشن می‌کنه: برای رسیدن به یک کیلو اورانیومِ آماده‌ی بمب، حدودِ صد و هفتاد و پنج کیلو اورانیومِ معمولی لازمه. اما نکته‌ی مهم‌تر اینه که وقتی غنی‌سازی به پنج درصد برسه — یعنی همون سطحی که سوختِ نیروگاه‌های برق‌ه — تقریباً سه‌چهارمِ کلِ کارِ لازم برای رسیدن به سطحِ بمب انجام شده. همین یه واقعیت توضیح می‌ده چرا دنیا این‌قدر نسبت به برنامه‌های غنی‌سازیِ هسته‌ای حساسه؛ چون دستگاهی که سوختِ نیروگاه می‌سازه، با دستگاهی که سوختِ بمب می‌سازه فرقی نداره، فقط مدتِ کارکردنش فرق می‌کنه.
دو بمب، دو منطقِ کاملاً متفاوت
تا تابستانِ ۱۹۴۵، آمریکا به دو نوع بمب رسیده بود که اصلاً شبیهِ هم نبودن. بمبِ اول با اورانیوم کار می‌کرد و طرحش نسبتاً ساده بود: یه تیکه اورانیوم رو مثلِ گلوله به سمتِ یه تیکه‌ی دیگه شلیک می‌کردن، و وقتی این دو تیکه به هم می‌رسیدن، جرمِ مجموعشون از حدِ لازم برای واکنشِ زنجیره‌ای رد می‌شد و انفجار اتفاق می‌افتاد. این طرح انقدر مطمئن به نظر می‌رسید که هیچ‌وقت قبل از استفاده‌ی واقعی آزمایش نشد؛ دانشمندها اطمینان داشتن جواب می‌ده.
بمبِ دوم با پلوتونیوم کار می‌کرد، ولی پلوتونیوم به این روشِ ساده جواب نمی‌داد. اگه دو تیکه پلوتونیوم رو به سمتِ هم شلیک می‌کردن، واکنش قبل از اینکه دو تیکه کامل به هم برسن شروع می‌شد و بمب خودش رو از هم می‌پاشوند بدونِ اینکه منفجر بشه. برای همین مجبور شدن یه راهِ دیگه پیدا کنن: یه کره‌ی پلوتونیوم رو وسط قرار دادن و دورِ تا دورش موادِ منفجره چیدن. همه‌ی این موادِ منفجره باید دقیقاً و هم‌زمان منفجر می‌شدن تا کره از تمامِ جهت‌ها به سمتِ داخل فشرده بشه؛ دقتی که لازم بود، تو حدِ چند میلیونیمِ ثانیه بود.
چون هیچ‌کس مطمئن نبود این طرحِ پیچیده جواب می‌ده یا نه، همین بمب بود که نیاز به آزمایشِ عملی داشت. شانزدهمِ ژوئیه‌ی ۱۹۴۵، تو بیابانِ نیومکزیکو، این آزمایش انجام شد؛ آزمایشی که اسمش رو گذاشتن ترینیتی. جواب داد.
بمبی که خودش کبریتِ یه بمبِ دیگه بود
بمبِ شکافتی یه سقف داره؛ از یه حدِ مشخص بزرگ‌تر نمی‌شه ساختش. ولی یه مسیرِ دیگه هم وجود داشت: به‌جای شکافتنِ هسته‌های سنگین، می‌شد هسته‌های سبک رو به هم چسبوند، دقیقاً همون کاری که خورشید انجام می‌ده. مشکلِ این روش اینه که برای چسبوندنِ دو هسته به هم، به گرما و فشاری نیاز داری که رو زمین به‌طور طبیعی وجود نداره.
تنها راهی که برای رسیدن به اون گرما و فشار پیدا کردن این بود که اول یه بمبِ اتمیِ شکافتی رو منفجر کنن. یعنی این سلاحِ جدید، عملاً یه بمب بود داخلِ یه بمبِ دیگه؛ همون بمبِ اتمی که تا اون موقع بزرگ‌ترین سلاحِ ممکن به نظر می‌رسید، حالا فقط نقشِ کبریت رو داشت. اولین آزمایشِ این طرح سالِ ۱۹۵۲ انجام شد، با اسمِ آیوی مایک، و قدرتِ انفجارش به ده مگاتن رسید؛ نزدیک به هفتصد برابرِ بمبِ هیروشیما.
با این حال، آیوی مایک اصلاً یه سلاحِ قابلِ استفاده نبود. یه ساختمانِ کاملِ بیشتر از شصت تنی بود، پر از تجهیزاتِ سرمایشی، و هیچ هواپیمایی توانِ حمل کردنش رو نداشت. بعدِ انفجار، جزیره‌ای که این سازه روش ساخته شده بود دیگه اصلاً وجود نداشت. اما کمتر از دو سال بعد، همین فناوری جا شد تو یه بمبِ قابلِ حمل، و از اون لحظه به بعد این سلاحِ جدید دیگه سقفِ مشخصی نداشت؛ هر چقدر سوختِ بیشتری بهش اضافه می‌کردی، قدرتِ انفجارش بیشتر می‌شد.
بزرگ‌ترین انفجاری که آخرِ راه نبود
نتیجه‌ی این بی‌سقف‌بودن، همون صحنه‌ای بود که کلِ این داستان باهاش شروع می‌شه: سی‌ام اکتبرِ ۱۹۶۱، شمالِ روسیه. یه هواپیما بمبی رو با چتر رها می‌کنه و با تمامِ سرعت فرار می‌کنه، در حالی که به خدمه گفته بودن شانسِ زنده موندنشون حدودِ پنجاه درصده. این بمب، پنجاه مگاتن قدرت داشت؛ نزدیک به سه هزار برابرِ بمبی که رو هیروشیما افتاد. با این حال، این عدد نصفِ چیزی بود که قرار بود باشه؛ طرحِ اولیه صد مگاتن بود و خودِ طراح‌ها قبل از آزمایش قدرتش رو نصف کردن، هم برای اینکه نیمی از قطبِ شمال آلوده نشه و هم برای اینکه هواپیمایی که این بمب رو حمل می‌کرد فرصتِ برگشتن داشته باشه.
بعد از این آزمایش، هیچ‌کس هیچ‌وقت بمبی بزرگ‌تر از این نساخت. دلیلش این بود که فهمیدن یه بمبِ خیلی بزرگ عملاً به دردی نمی‌خوره؛ نه راحت می‌شه حملش کرد، و نه بیشترِ انرژیش رو می‌شه استفاده کرد، چون اکثرش تو آسمون هدر می‌ره. چیزی که به‌جای بزرگیِ بمب اهمیت پیدا کرد، دقتِ هدف‌گیری بود؛ وقتی کلاهک دقیقاً همون‌جایی می‌خوره که باید بخوره، دیگه لازم نیست خیلی بزرگ باشه تا اثرِ لازم رو بذاره.
از یه ایده که پشتِ چراغ قرمز تو لندن به ذهنِ یه نفر رسید، تا شهری که رو هیچ نقشه‌ای نبود، تا یه لوله‌ی فلزی سوارِ یه جیپ، تا بزرگ‌ترین انفجارِ ثبت‌شده‌ی تاریخ، سی سالِ تمام طول کشید. چیزی که قطعیه اینه که مسیرِ رسیدن به بمب، نه از یه لحظه‌ی الهام بلکه از یه سریِ کشف و مسئله‌حل‌کردنِ پی‌درپی گذشت؛ از حدسِ سیلارد تا کشفِ هان و مایتنر، از دشواریِ غنی‌سازی تا حلِ مسئله‌ی پیاده‌سازیِ فشرده‌سازیِ پلوتونیوم. اما چیزی که هنوز هم موضوعِ بحث می‌مونه اینه که آیا رسیدن به سلاح‌های کوچیک‌تر و دقیق‌تر واقعاً خطرِ استفاده از این سلاح‌ها رو کم کرده یا فقط شکلِ خطر رو عوض کرده. تنها چیزی که از این تاریخ مشخصه اینه که بزرگ‌ترین بمبی که تا حالا ساخته شده، برخلافِ تصورِ اولیه، نقطه‌ی پایانِ مسیر نبود؛ یه بن‌بست بود.
