חלקיקי הכוח

בליל קיץ פאריזי בשנת 1903 יצאה קבוצת חברים אל גינת ביתו של המארח, להתענג על אוויר הלילה לאחר ארוחת הערב. בקבוצה היתה הפיסיקאית ילידת פולין מארי קירי, שקיבלה באותו יום את התואר דוקטור למדעים. חמש שנים לפני כן גילתה, ביחד עם בעלה פייר, שני יסודות חדשים: רדיום ופולוניום - תגליות שבזכותן הוענק להם כעבור זמן-מה פרס נובל לפיסיקה. כשבאו לסעודת הערב, הביאו עמם את היסודות החדשים להראותם למסובים.

כשהתיישבה הקבוצה בגינה, הוציא פייר שפופרת זכוכית מלאה נוזל, שאור בקע מתוכה. השפופרת הכילה תמיסה חזקה של רדיום והיתה מצופה בגופרת האבץ - חומר הזורח בהשפעת הרדיום. "האור זהר בחשיכה," סיפר משתתף אחר בסעודה, הפיסיקאי הבריטי ארנסט ראת'רפורד, "וזה היה סיום מרהיב ליום בלתי-נשכח." ראת'רפורד הבחין שידיו של פייר קירי "היו דלוקות מאוד ודואבות מחמת החשיפה לקרני הרדיום." כבר בראשית דרכה הפגינה האנרגיה הגרעינית הן את הבטחותיה והן את כוח ההרס שלה.

שני היסודות שזיהו בני-הזוג קירי היו רדיואקטיביים (את המלה טבעה מארי בעצמה). מגלה הרדיואקטיביות היה הפיסיקאי הצרפתי אנטואן-אנרי בקרל, מומחה לפלואורנות. בתחילת 1896 שמע בקרל על עבודתו של וילהלם רנטגן, מגלה הקרניים הקרויות על שמו, והחליט לחפש חומרים המסוגלים להפיק קרניים דומות לאלה שבקעו מדופנותיהן של שפופרות הקרינה של רנטגן. אחד החומרים שבקרל ניסה היה מלח של אורניום. כשזורים אותו על לוח צילום מסוכך, דיווחה מארי קירי, "טביעות צילום מופיעות בו מבעד לנייר שחור."

החוקרים החלו למיין את הקרניים החודרניות שבקעו מן החומר האדיש לכאורה, ומיד התגלה שאין אלה קרני רנטגן אלא שלושה סוגים נבדלים של קרינה. שלא כמו קרני רנטגן, אותן קרני אלפא, בטא וגאמה אינן זקוקות להרעשה חיצונית שתשחרר אותן. ארנסט ראת'רפורד חישב ומצא כי האנרגיה שבה הן בוקעות מגוש נתון של רדיום גדולה פי מיליון מהאנרגיה שהיתה מתקבלת אילו נשרף החומר. הפיסיקאים השתוממו לדעת מהו מקור האנרגיה השופעת הזאת וכיצד אפשר לשלוט בה? חיפוש התשובה לשאלות האלה העסיק אותם במשך ארבעים השנים הבאות, ועבודתם הגיעה לשיאה בהפעלת הכור הגרעיני הראשון ובפיצוץ פצצת האטום הראשונה.

מחקריו של הניו-זילנדי ארנסט ראת'רפורד סיפקו את המפתח. הוא קיבל מלגה ללימודים באוניברסיטת קיימברידג', הגיע לשם ב-1895 - רק חודש לפני שהתפרסמה תגליתו של רנטגן ברחבי העולם - והשתלט במהרה על התחום החדש של חקר הרדיואקטיביות. הוא היה איש מגודל ושופע מרץ, נועז וקולני, ותלמידיו זכרו כיצד נהג להתהלך במעבדה ולזמר בקול גדול "קדימה, חיילים נוצרים" כדי לעורר את התלהבותם. הוא היה הראשון שזיהה את קרני אלפא ובטא והעניק להן את שמותיהן.

כדי לחשוף את מבנה האטום, הפגיזו הפיסיקאים חומרים שונים בחלקיקים, ומדדו את תגובות החלקיקים. ראת'רפורד ערך את ניסוייו בחלקיקי אלפא. בסוף המאה התשע-עשרה איש לא ידע כיצד האטום נראה. מורהו של ראת'רפורד, ג' ג' תומסון, הציע כדגם לאטום כדור מעורפל בעל מטען חשמלי חיובי, שאלקטרונים שליליים דבוקים אליו - "דגם עוגת השזיפים", כפי שכינו אותו. להלכה, חלקיקי אלפא בעלי המטען החיובי ניחנו באנרגיה מספקת לעבור במפולש דרך מבנה כזה, וכוח הדחייה הנובע מן המטען החיובי שבתוכו היה צריך להסיט אותם מדרכם רק במקצת - כפי שאכן קרה בדרך כלל.

אולם ניסויים בהרעשת יריעות דקות של זהב, שערך ראת'רפורד ב-1909, היו גדושים משום-מה בחלקיקים סוטים. תיקון הציוד כלל לא סייע לסילוקם של החלקיקים שסטו מנתיביהם. ראת'רפורד חש כי עתה נקלעה לידיו הזדמנות פז. הוא ביקש מעוזרו ארנסט מרסדן לחפש חלקיקים שניתזו לאחור מיריעת הזהב. ומרסדן אכן מצא את הנתזים, כפי שראת'רפורד ניחש. "זה היה בבחינת לא-ייאמן," אמר לימים הפיסיקאי הדגול, "ממש כאילו ירית פגז 380 מילימטר לעבר ממחטת נייר, והפגז ניתז לאחור ופגע בך." ראת'רפורד הכריז שהאטום איננו ענן ערפילי של חשמל חיובי שאלקטרונים משובצים בו. יש לו ליבה מרכזית זערורית - הגרעין - וזו צפופה במידה מספקת להתיז לאחור את חלקיקי אלפא שמקורם ברדיום - אם הם מתקרבים אליה ממש - ולשגר אותם כלעומת שבאו (כדרך שהשמש מפנה לאחור את כוכבי השביט המתקרבים אליה ומשלחת אותם בחזרה). כל האנרגיה האדירה של ההתפרקות הרדיואקטיבית מקורה בגרעין הפעוט הזה, שכל גודלו כמו זבוב בהיכל, לעומת קליפות האלקטרונים המקיפות אותו.

היה קשה מאוד להפגיז את הגרעין לצורכי המחקר. מעטים היו חלקיקי אלפא שהצליחו לחדור בעד המחסום החשמלי בעל המטען החיובי המקיף אותו. הפיסיקה היתה זקוקה לחלקיק חדש, שאין לו מטען חשמלי. שתי אבני הבניין של החומר שהיו ידועות אז היו האלקטרון והפרוטון. הפרוטונים הם שיצרו את הגרעין, כמדומה, אולם לא היה ביכולתם להסביר את כל מאסתם של יסודות כבדים, כמו אורניום. ב-1920 השמיע ראת'רפורד את ניחושו בדבר קיומו של חלקיק יסוד שלישי, הנייטרון, שהוא כבד כמו הפרוטון אך חסר מטען חשמלי.

ראת'רפורד, שזכה בינתיים בפרס נובל, קיבל עליו את ניהול מעבדת קוונדיש באוניברסיטת קיימברידג'. תלמידו החביב עליו ג'יימס צ'דוויק - גבר גבוה, כהה וכחוש, בעל אף כמקור העורב - הצטרף אליו כעוזר למנהל. ניחושו של ראת'רפורד עורר את סקרנותו של צ'דוויק, והוא הקדיש את שעות הפנאי המעטות שלו לחיפוש הנייטרון - חיפוש שנמשך עשר שנים, עד שלבסוף גילה אותו.

שגיאה היא שגרמה לתגלית הזו. בתם של בני-הזוג קירי, אירן, נעשתה פיסיקאית. בעבודתה בפאריז עם בעלה, פייר ז'וליו, ניסתה לזהות סוג מוזר של קרינה, חודרני ביותר, המשתחרר מן היסוד המתכתי הקל בריליום בהשפעת הרעשה בחלקיקי אלפא. בני-הזוג ז'וליו-קירי חשבו שזו קרינת גאמה - סוג של אור, בעל כוח חדירה עז מזה של קרני רנטגן. בתחילת 1932 הודיעו השניים כי קרינה זו מחלצת פרוטונים במהירות גבוהה מתוך שעוות פרפין.

צ'דוויק התייחס להסברם בספקנות. ודאי שקרני גאמה יכולות לחלץ אלקטרונים מתוך חומר. אבל הפרוטון כבד מהאלקטרון פי 1,836, וספק אם קרני גאמה יכולות לעקור אותו ממקומו - כשם שגולת משחק אינה יכולה להזיז מכבש דרכים. "בשעה מאוחרת באותו בוקר סיפרתי על כך לראת'רפורד," סיפר צ'דוויק כעבור זמן. "ראיתי כיצד השתוממותו הולכת וגוברת; הוא התפרץ לבסוף: 'אינני מאמין.'"

צ'דוויק חזר על ניסוי ז'וליו-קירי, וקידם אותו עוד בצעד אחד. אכן, הקרינה המוזרה היתה חזקה ביותר. צ'דוויק הפגיז בה כתריסר יסודות, והיא חילצה פרוטונים מכל אחד ואחד מהם. האנרגיה של הפרוטונים הנפלטים היתה גבוהה מכל מה שיכלו קרני גאמה לספק להם. אולם צ'דוויק הבין שחלקיק שמאסתו קרובה למאסת הפרוטון יוכל לעשות זאת. והוא חייב להיות נייטרלי מבחינה חשמלית, על מנת שיחדור לחומר ביסודיות שכזו. "אנו רשאים להניח שזה ה'נייטרון' שראת'רפורד דיבר עליו," כתב צ'דוויק בחדוות ניצחון. ברדיפתו אחר חלקיק היסוד החדש, שזיכתה אותו לבסוף בפרס נובל לפיסיקה, צ'דוויק לא עצם עין במשך עשרה ימים רצופים. הוא נכנס ברגליים כושלות לישיבה של עמיתיו בקיימברידג' ובישר להם על תגליתו. "עכשיו אני רוצה שירדימו אותי," סיים בחטף את הרצאתו הקצרה, "וישימו אותי במיטה לשבועיים."

הנייטרון היה מסוגל לחדור לתוך החומר באפקטיביות גבוהה מזו של כל חלקיק אחר, אולם מאורות הפיסיקה של התקופה - ראת'רפורד, אלברט איינשטיין ונילס בור - פקפקו באפשרות קיומו של מנגנון כלשהו, שיוכל לשחרר מן האטום אנרגיה בדרכים שאפשר לנצלן.

אחד מתלמידיו הצעירים של איינשטיין סבר אחרת. ליאו סילארד, פיסיקאי הונגרי מבריק, נמלט מגרמניה הנאצית ללונדון ב-1933. בבוקר ספטמבר אפור אחד קרא סילארד בטיימס של לונדון כי ראת'רפורד מוקיע את הדיבורים על כוח אטומי כ"חלומות באספמיה". סילארד יצא לטיול רגלי, כדי להפוך בבעיה בדעתו. לפתע, בשעה שחצה רחוב, הבין שעשוי להימצא יסוד "שאפשר לבקעו בנייטרונים, ואשר פולט שני נייטרונים כאשר הוא סופג נייטרון אחד." תהליך כזה עשוי להתקדם בטור גיאומטרי מהיר - סילארד כינה את התהליך בשם "תגובת שרשרת", מונח השאול מן הכימיה - נייטרון אחד משחרר שניים, שניים משחררים ארבעה, ארבעה משחררים שמונה, בכל דור ודור מוכפל המספר, ועמו מוכפלת האנרגיה המופקת מכל תגובה. "הרעיון לא הרפה ממני עוד," סיפר סילארד לימים. "בנסיבות מסוימות, אולי יהיה אפשר לחולל תגובת שרשרת גרעינית, לשחרר אנרגיה בקנה-מידה מסחרי ולבנות פצצות אטומיות."

אבל איזה יסוד, מבין תשעים ושניים היסודות הידועים בטבע - ממימן ועד אורניום - עשוי להגיע לתגובת שרשרת? סילארד לא ידע, ולא היה לו היכן לברר זאת. הוא היה פליט שחי על חסכונותיו, ולא היתה לו גישה למעבדת מחקר. ראת'רפורד שמע את הפצרתו ונותר אדיש. סילארד הצליח לעניין את יועצו המדעי של וינסטון צ'רצ'יל, פרדריק לינדמן איש אוקספורד, במידה כזו שהלה הציע לו עבודה אחרת. אבל אף איש באנגליה לא גילה עניין בתגובות שרשרת גרעיניות.

זה הדאיג את סילארד. היה ברור לו שידע מדעי הוא ידע גלוי בהכרח; כל פיסיקאי אחר יכול להבין את מה שהוא הבין - ומה אם אותו פיסיקאי יהיה גרמני, וכל משאבי הרייך השלישי יעמדו לרשותו? חזון הבלהות של הרייך השלישי שאין למגרו, משום שהוא מחזיק בפצצות אטומיות, החריד את סילארד. הוא ביקש וקיבל פטנט על רעיונו, והעניק את הפטנט לאדמירליות הבריטית, כדי לשוות לו מעמד של סוד מדינה; האדמירליות קיבלה את מתנתו ותייקה אותה בתהום הנשייה.

המלחמה עמדה בפתח. בגרמניה ובארצות אחרות עסקו מדענים בסריקת האטום באמצעות נייטרונים. הרעשת נייטרונים היתה עשויה להמיר יסוד אחד למשנהו. היא יכלה גם ליצור צורות פיסיקליות שונות של אותו היסוד - הצורות האלה נקראות איזוטופים. במכון קייזר-וילהלם בברלין, בשלהי שנות השלושים, עסקו הכימאי הגרמני אוטו האן והפיסיקאית האוסטרית ליזה מייטנר בהרעשת יסודות בנייטרונים, וערכו טבלת מיון כימית של התמורות שהתקבלו.

האן ומייטנר מצאו כי אין יסוד תמוה יותר מהאורניום. בצורתו הטבעית, האורניום הוא בעיקרו של דבר תערובת של שני איזוטופים - חלק אחד של U235 הנדיר לכל 139 חלקים של U238. אולם הרעשת אורניום טבעי בנייטרונים הולידה תערובות מוזרות ולא מובנות של יסודות שונים. שני החוקרים חשדו כי הם מפיקים למעשה יסודות חדשים, מלאכותיים, הכבדים יותר מהאורניום - חומרים שמעולם לא היו כמותם. הם חשבו כי זו תגלית בעלת משמעות עמוקה מאין כמוה, ועמלו רבות כדי להוכיחה. אבל ככל שהתרבו החומרים שזוהו מבחינה כימית, כן נעשה ההסבר הפיסיקלי מבולבל יותר ויותר.

מייטנר אמנם נטבלה לנצרות, אבל לפי חוקי נירנברג נחשבה יהודייה. עם סיפוח אוסטריה לרייך השלישי, במרס 1938, נשקפה לה חזות קשה בגרמניה. האן לא היה נאצי. בעזרת חברים הולנדים סייע לאשה רפת-הגוף בת השישים להימלט להולנד בקיץ של אותה שנה, ומשם היא המשיכה בדרכה לשוודיה. שם ישבה ליזה מייטנר בחוסר מעש אומלל, בעוד האן ממשיך בחקר האורניום בברלין, עם הכימאי הצעיר פריץ שטרסמן.

לקראת חג המולד של 1938 אירעה פריצת הדרך. האן ושטרסמן הרעישו תמיסה של חנקית האורניום בנייטרונים באנרגיה נמוכה, וגילו כי עלה בידם ליצור בריום - יסוד שמאסתו קצת יותר מחצי מאסת האורניום. הואיל והאנרגיה של החלקיק המשמש כ"פגז" היא הקובעת בדרך כלל כמה חומר יינתז מעל הגרעין שבו פגע, זו היתה תוצאה בלתי-צפויה ומדהימה. האן שלח למייטנר מכתב ובו בישר לה את הבשורה שלא תיאמן.

היא היתה אז בחופשה ליד החוף המערבי של שוודיה, עם אחיינה הפיסיקאי אוטו פריש. שני הפיסיקאים ישבו ביחד למצוא את ההסבר. נראה שהאן ושטרסמן גילו את הקש ששבר את גב הגמל: גרעין האורניום, שאינו יציב מלכתחילה, ספג את האנרגיה הקטנה הנוספת של הנייטרון שפגע בו והתפצל לשניים, ורסיסיו היו גרעיני בריום וקריפטון. הדודה ואחיינה חישבו את המספרים בשעת טיול בשלג, ומצאו כי כל אטום אורניום שהתבקע משחרר אנרגיה בכמות קרובה ל-200 מיליון אלקטרון-וולט - כמות שדי בה, לפי אומדן מאוחר של פריש, להקפיץ גרגר חול ממקומו.

עולם הפיסיקה הוכה בתדהמה. ליאו סילארד היה אחד מרבים שתפסו מיד את האפשרות לתגובת השרשרת המביאה לפיצוץ - האפשרות שחזה כבר ב-1933. באוניברסיטת קולומביה בניו-יורק הוא ערך ניסוי פשוט בהרעשת תחמוצת האורניום ומצא כי שני נייטרונים, בקירוב, משתחררים בתגובה על כל נייטרון שנבלע. "מאותו ערב ואילך," סיפר סילארד לימים, "לא היה עוד ספק בלבי כי צרות צרורות צפויות לעולמנו."

מלחמת העולם השנייה פרצה באירופה עם פלישתה של גרמניה הנאצית לפולין ב-1 בספטמבר 1939. הואיל והביקוע הגרעיני לא היה סוד, ומכיוון שהיה ברור לפיסיקאים שכלי-נשק המסוגל לרתום את העוצמה הכבירה הזאת יהיה בעל כוח הרס צבאי שאין לו שיעור, החלו כל המדינות המתועשות הגדולות לתמוך במחקר שחתר לקראת הפצצה האטומית. בדיעבד, רק לארצות-הברית היתה היכולת התעשייתית הנחוצה למפעל אדירים שכזה, בעיצומה של מלחמה כוללת. מה שהחל כמספר משוואות מתמטיות ששורבטו בגיר על לוח ב-1939, הפך עד 1945 למפעל תעשייתי שהתחרה בגודלו בתעשיית המכוניות האמריקנית כולה.

הפיסיקאי האיטלקי אנריקו פרמי - איש ידידותי בעל חוש הומור יוצא דופן, שהיגר לארצות-הברית כדי להגן על אשתו היהודייה מפני האנטישמיות באיטליה - תרם תרומה רבת-חשיבות למבצע מנהטן הסודי ביותר. הוא שימש יועץ לבניית הפצצות האטומיות הראשונות, אולם תרומתו המכרעת התבטאה בעריכת הניסוי הפיסיקלי ההיסטורי שהוכיח כי אפשר לבצע תגובת שרשרת מתמידה ומבוקרת.

בעזרת סילארד, שעסק בהשגת גרפיט ואורניום, החלו פרמי ואנשי צוותו באוניברסיטת קולומביה בתכנון התקן שנקרא בפיו של פרמי "ערימה" – הכור הגרעיני הראשון. אחרי ההתקפה היפאנית על פרל הארבור ב-7 בדצמבר 1941, שבעקבותיה נכנסה ארצות-הברית למלחמה, עברו החוקרים לאוניברסיטה של שיקגו, ושם התכוננו לניסוי המכריע, כור שיקגו מס' 1, במגרש סקווש נטוש תחת יציעיו של איצטדיון הפוטבול של האוניברסיטה.

צוותו החרוץ של פרמי נאלץ לערום יחדיו, בעבודת-יד, 347,000 קילוגרם של לבני גרפיט, 36,265 קילוגרם של תחמוצת אורניום שנכבשה לגלילים קצרים ולכדורים בגודל אשכולית, ו-5,580 קילוגרם של אורניום מתכתי יצוק בגלילים. הכור היה בנוי שכבות-שכבות - שכבה אחת של גרפיט מוצק, ומעליה שכבה של לבני גרפיט שנקדחו בהן חורים להכיל את האורניום. האורניום מפיק באורח ספונטני מספר זעום של נייטרונים; הגרפיט - פחמן גבישי טהור - הוא תווך המאיט את מהלכם של הנייטרונים הנתקלים בו. אם הואטו כראוי, הם נתקלים באטומים של האיזוטופ הנדיר U235 שבאורניום הטבעי, מבקעים אותם ומשחררים עוד נייטרונים להמשך תגובת השרשרת. בתוך לבני הגרפיט היו חריצים שבתוכם נעו מוטות של קדמיום, מתכת הבולעת נייטרונים; הכנסתם לכור והוצאתם ממנו מפקחת על קצב התגובה בתוכו. אם הכור גדול די הצורך, משתחררים בתוכו נייטרונים רבים יותר מאלה שנפלטים מתחומיו החוצה, והתגובה יכולה לקיים את עצמה. שני צוותים עמלו בלי הרף על בניית המתקן המוזר. אבק גרפיט השחיר את הקירות והרצפות; אנשי הצוותים נראו כמו כורי פחם, בשובם הביתה עייפים ורצוצים. החורף ירד, ומגרש הסקווש נעשה קר להחריד. אך לבסוף, ב-1 בדצמבר 1942, נשלמה המלאכה.

השחר עלה אפור וקר ב-2 בדצמבר. רוח צורבת נשבה. צופים מכורבלים במעילים כבדים התכנסו על מרפסת מגרש הסקווש לחזות במאורע. פרמי ערך מדידות, פקד לסלק את מוטות הבקרה סנטימטר אחר סנטימטר ובדק שוב את חישוביו. הוא עצר את הניסוי להפסקת צהריים, והחל שוב בשתיים בצהריים. עד להפסקה נשלפו מוטות הבקרה בשיעור 210 סנטימטר. פרמי הורה להוציא עוד 30 סנטימטר. "זה צריך להספיק," אמר. "עכשיו תהיה לנו תגובה המקיימת את עצמה." אחד הנוכחים זוכר את "תקתוק מונה הנייטרונים, קליק-קלאק, קליק-קלאק. התקתוקים נעשו מהירים יותר ויותר, וכעבור זמן-מה התמזגו והיו לשאגה רצופה." החתן האיטלקי של פרס נובל פנה לצפות בתגובה המואצת מעל מכשיר הרישום, השקט יותר. "פתאום פרמי הרים את ידו," המשיך עד הראייה בסיפורו, "והודיע: 'הכור נעשה קריטי.'"

פיסיקאי אחר שהיה עד לאותו מעמד היסטורי, המהגר ההונגרי יוג'ין ויגנר, זוכר את תגובת הצוות: "ידענו זה זמן-מה שאנחנו עומדים לשחרר ענק מכבליו; אף על פי כן, לא יכולנו להשתחרר מן התחושה המוזרה שירדה עלינו כשעשינו זאת בפועל. הרגשנו מה שאני מתאר לעצמי שמרגיש מי שיודע כי למעשיו תהיינה תוצאות מרחיקות-לכת, שאיש אינו יכול לחזותן מראש."

ניסוי פרמי הוכיח שאפשר להגיע לתגובת שרשרת של נייטרונים מואטים המקיימת את עצמה באורניום טבעי. אבל האם אפשר לבנות פצצת נייטרונים מהירים מאורניום 235 טהור? האם אפשר להפוך לפצצה גם את היסוד המלאכותי החדש פלוטוניום, שהופק מאורניום בגרסאות תעשייתיות של כור פרמי? האתגר הכרוך במציאת התשובה לשאלות האלה הוטל על שכמו של פיסיקאי אמריקני צנום וגבוה שנהג לעשן בשרשרת, ג' רוברט אופנהיימר שמו - בן למשפחה עשירה ממנהטן, שקנה את השכלתו באוניברסיטה של קליפורניה בברקלי. הצבא בחר באופנהיימר לעמוד בראש המעבדה הסודית ביותר שבה עוצבו ונבנו הפצצות האטומיות. אופנהיימר בחר את האתר למעבדה החדשה, לוס אלמוס שבישימון המיוער מצפון לסנטה פה בניו-מקסיקו.

צוותו של אופנהיימר בלוס אלמוס כבר מנה ב-1945 כמה אלפי אנשים שעסקו בפיתוח שני סוגים של פצצות: האחת עשויה אורניום, השנייה - פלוטוניום. עיצובה של פצצת האורניום היה פשוט יחסית, אולם המצאת מערכת הפלוטוניום היתה, לדברי אחד הפיסיקאים שעסקו בה, "המפעל הטכנולוגי הקשה ביותר שניסו לבצע עד אז." בטנסי הוקם מפעל הפרדה רחב-ידיים, לחילוץ U235 הנדיר מאורניום טבעי. ארנסט א' לורנס, ממציא הציקלוטרון מרסק האטומים, עמד בראש פיתוחו של אחד ממפעלי הזיקוק החשובים ביותר. אף על פי שמפעלי טנסי פעלו בלי הרף במשך שנים, התהליכים היו רחוקים כל-כך מיעילות, עד כי פצצת האורניום, שנקראה "ילד קטן", היתה יחידה מסוגה והופעלה במלחמה בלי ניסוי - היא הוטלה מעל הירושימה ב-6 באוגוסט 1945. פצצת הפלוטוניום נזקקה לכמות קטנה יותר של חומר בקיע. בחורף של השנה האחרונה למלחמה החלו משלוחי פלוטוניום להגיע ללוס אלמוס מכורי הייצור הגדולים שנבנו על הנהר קולומביה, בהנפורד שבמדינת וושינגטון. "איש שמן", הפצצה מן הסוג שהוטל על נגסאקי, היתה מסובכת די הצורך לחייב ניסוי.

לוס אלמוס הכינה את אתר טריניטי - השילוש הקדוש - שטח ניסוי במדבר הצחיח שמצפון לאלאמוגורדו בניו-מקסיקו. הפצצה האטומית הראשונה בעולם הגיעה לשם, מורכבת חלקית, ביום שישי, 13 ביולי. ביום ראשון הונף הנשק בן שתי הטונות לראשו של מגדל פלדה בגובה 33 מטר.

סופות רעמים שפרצו באותו יום גרמו לדחיית הניסוי. הפצצה הופעלה לבסוף שעה קלה לפני עלות השחר, ב-16 ביולי 1945, לנגד עיניהם של צופים שהמתינו בבונקרים במרחק שמונה קילומטרים משם או שכבו צמודים לקרקע בחפירות במרחק 16 קילומטר. הפיסיקאי א' א' רבי תיאר את הפיצוץ הגרעיני הראשון בעולם, שהיה שקול בעוצמתו כנגד 18,600 טונות של טנ"ט:

לפתע פתאום היה ברק אדיר של אור, המזהיר ביותר... שראיתי מימי. הוא התפוצץ; הוא הלם; הוא פילס את דרכו ישר לתוכך. זה היה מראה שנראה לא רק בעיניים. הוא נמשך לנצח. רצית שכבר ייפסק; בסך הכול, הוא נמשך שתי שניות בערך. לבסוף הוא עבר, הצטמצם, ואנו צפינו לעבר המקום שבו היתה הפצצה; היה שם כדור אש ענקי שגדל וגדל והתגלגל תוך כדי גידולו; הוא התרומם באוויר, בלהבות צהובות שנעשו אדומות ואחר-כך ירוקות. הוא נראה מאיים, כאילו הוא עומד להתנפל עליך.

דבר חדש נולד זה עתה; אמצעי שליטה חדש; הבנה חדשה של האדם, שהאדם התגבר על הטבע כדי לרכוש אותה.

כעבור חודש השמידו "ילד קטן" ו"איש שמן" שתי ערים יפאניות, ושמו קץ למלחמה ממושכת ונוראה. פיתוחה של פצצת המימן האדירה הרבה יותר, שנוסתה לראשונה בארצות-הברית ב-1952 ובברית-המועצות לקראת סוף 1955, הוליך למירוץ חימוש חסר תקדים, אבל גם למצב יציב להפליא של שביתת-נשק חמושה.

השימושים הראשונים באנרגיה גרעינית למטרות שלום הופיעו בשנות העשרים: איזוטופים רדיואקטיביים ברפואה ובתעשייה. שימושים אחרים למטרות שלום הופיעו לאטם אחרי מלחמת העולם, אף כי התפתחותם עוכבה בארצות-הברית בשל הצורך לעבד חקיקה שתפקח על הטכנולוגיה החדשה, וכן בגלל הדעה השגויה כאילו עפרות האורניום הראויות לשימוש מצויות בכמויות זעומות, ויש לשמור אותן לייצור נשק. הכוח הגרעיני האזרחי הופיע באמצע שנות החמישים, כתוצר-לוואי של שימוש צבאי אחר שפותח אחרי המלחמה: מקור כוח חדש לצוללות. מהנדס זעיר-קומה ותוקפני מהצי של ארצות-הברית, היימן ריקובר שמו, הוא שקידם את שתי התוכניות גם יחד.

כורי האורניום הטבעי הגדולים שנבנו בימי המלחמה היו מסורבלים מכדי שיוכלו להכניס אותם לצוללת. ריקובר הזמין עיצוב מצומצם יותר, שהתבסס על אורניום עשיר ב-U235, המתאים לפצצות. הצוללת הגרעינית נאוטילוס של צי ארצות-הברית הושקה ב-1954. אחריה באו צוללות גרעיניות הנושאות טילים בליסטיים.

ריקובר פיתח גם כורי כוח לנושאות מטוסים. ב-1953 התירה נציבות האנרגיה הגרעינית של ארצות-הברית את הסבתו של הראשון מבין הכורים הללו לשימוש אזרחי, בתחנת כוח בשיפינגפורט שבפנסילבניה. תחנת שיפינגפורט לא היתה מסוגלת לכסות את הוצאותיה בלי סובסידיה ממשלתית, אבל היא הוכיחה את היתכנותה של הטכנולוגיה, העתידה בסופו של דבר לספק לארצות-הברית חמישה-עשר אחוז מתפוקת האנרגיה שלה.

שיטה אחרת להפקת אנרגיה, היתוך תרמוגרעיני מבוקר, מנסה לרתום לשירות האדם את התגובות המתחוללות בפצצת המימן: מיזוג גרעיניהם של אטומים קלים. חקר ההיתוך התרמוגרעיני נמשך מאז תחילת שנות החמישים, ויש סיכוי לראותו בפעולה מסחרית במאה העשרים ואחת. כור היתוך מעשי יפיק פחות פסולת רדיואקטיבית מאשר כור הביקוע הגרעיני וינצל מקור דלק כמעט בלתי-נדלה - מימן שהופק ממי הים.

אחת המבטיחות מבין טכנולוגיות ההיתוך נעזרת בלייזרים רבי-עוצמה לריתוק גלולה של דלק תרמוגרעיני ולחימומה. הלייזר מצא לו יישומים רבים אחרים, פחות אקזוטיים, מאז הפעלתו הראשונה ב-1960. הלייזר, בדומה לאנרגיה הגרעינית, ממחיש כי חתירתם של המדענים להבנה מעמיקה של היקום המוחשי יכולה להתיר ממוסרותיו גל של שימושים טכנולוגיים שבכוחם לשנות את פני העולם, לפעמים שינוי מהפכני.

בקנה-המידה הזעיר של האטום, השכל הישר חדל לספק הנחיה ברורה ואמינה. סוגים רבים של אנרגיה המתנהגים כמו גלים הם למעשה חלקיקים. גלי-מיקרו ואור נראה הם מופעים של חלקיקים שנעים במהירות האור, פוטונים שמם. הפוטונים בוקעים מן האטומים כאשר מעוררים את האטומים, כפי שגלי קול בוקעים ממיתר שנפרט, ואורכי-הגל שלהם מעידים מאיזה אטום יצאו. אטום יפלוט פוטון, בגל-מיקרו או בגל אור נראה, כשאחד האלקטרונים החגים סביב גרעינו עובר מרמת אנרגיה גבוהה לרמה נמוכה יותר.

חוט הלהט בנורת מאור ממיר אנרגיה לאור בשלל אורכי-גלים שונים ומעורבבים - צבעים - הקורנים לכל הכיוונים. הלייזר, לעומת זאת, ממיר אנרגיה לאור טהור ואחיד, כולו באורך-גל יחיד, הבוקע ממנו בקרן צרה ומאורגנת.

אלברט איינשטיין גילה את עקרון היסוד של הלייזר ב-1916. כשעיין בפעולת הגומלין המרתקת בין אור לחומר, העלה את ההשערה שבנסיבות מסוימות אור הקורן על חומר יכול לאלץ אותו לפלוט אור נוסף, באותו אורך-גל בדיוק. התהליך הזה של הגברה, שזכה לכינוי "קרינה מעוררת", אומת בדרך הניסוי ב-1928.

הנסיבות הנחוצות לעירור הקרינה היו חריגות כל-כך, עד כי המדענים התעלמו לחלוטין מן התופעה עד תום מלחמת העולם השנייה. פיתוחו המוצלח של המכ"ם באותה תקופה עורר התעניינות בהפקת גלי רדיו קצרים יותר מגלי-מיקרו, שבזכותם התאפשר פיתוחן של מערכות מכ"ם המותקנות במטוסים. בכל מחוללי הגלים שעוצבו עד תום שנות הארבעים התרחשה הגברת הגלים בתוך התקן אלקטרוני - שפופרת ריק - שממדיה הקריטיים היו דומים באורכם לגלים שנוצרו בה. היה גבול ליכולת להקטין מגבר מעין זה: מכ"ם בקנה-מידה של סנטימטר אחד כבר היה קרוב לגבול הזה.

צ'רלס ה' טאונס, הגבר הגבוה והצנום מדרום קרוליינה שכיהן כפרופסור לפיסיקה באוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, הפך בבעיה בוקר אחד באביב 1951, בשעה שישב על ספסל גינה בוושינגטון הבירה. הוא בא לשם כדי להשתתף בישיבתה של ועדה ממשלתית שעסקה זה שנתיים בחיפוש דרכים ליצירת גלים באורכי-הגל הקצרים, שנמדדים במילימטרים. "בעודי יושב... מהרהר ומסתכל בפרחי האזליאה," סיפר טאונס, "עלתה על דעתי דרך מעשית ליצור ממולקולות גלים אלקטרומגנטיים טהורים ביותר." רעיונו של טאונס נגע לפליטה מעוררת - לשימוש באטומים ובמולקולות כמגברים. ודאי שהם היו קטנים די הצורך. הבעיה היתה מציאת הדרך לריכוז כמות מספקת שלהם, בנסיבות החריגות הנחוצות לפליטה המעוררת כדי שתפעל כהלכה.

השיטה שגילה טאונס הוליכה ב-1954 לפיתוחו של המייזר (ראשי התיבות באנגלית של "הגברת גלי-מיקרו בפליטה מעוררת של קרינה"). המייזרים שימשו לאחר זמן כמקורות של תדירות קבועה לשעונים אטומיים מדויקים ביותר וכמגברים לרדיוטלסקופים.

אז החל טאונס לחשוב על הגברת אור נראה. בסתיו 1957 החל לעבוד בחברת עמית קנדי, ארתור ל' שאבלוב. שיתוף הפעולה בין טאונס לשאבלוב הוליד מאמר מדעי בעל חשיבות יוצאת מן הכלל, "מייזרים בתת-אדום ובאור נראה", שהתפרסם בדצמבר 1958. במאמרם התוו שני הפיסיקאים את התיאוריה הבסיסית של מייזר האור הנראה - הלייזר (בראשי התיבות האלה מחליפה המלה "אור" את המלה "גלי-מיקרו" שבראשי התיבות המקוריים). כמו כן תיאר המאמר דרך אפשרית להשתמש באדי אשלגן כאמצעי הגברה. הם חשבו שאור עז ביותר שיוקרן על האמצעי הזה יוכל "לנפח" את האטומים שלו למצב עירור, וכך להכינם לפליטה מעוררת. הם צפו מראש שקביעת האמצעי בין שתי מראות מקבילות תגביל את הכיוון שבו תפעל ההגברה. אם תהיה שכבת הכסף על המראות דקה ביותר, אמרו השניים, אזי בסופו של דבר האור המתרוצץ ביניהן הלוך ושוב יגיע לעוצמת בהירות שתאפשר לו לבקוע דרך הכסף - בקרן חד-צבעית אחידה.

התיאוריה יכולה לשמש כהנחיה כללית, אך היא לא הובילה את טאונס ושאבלוב לבניית הלייזר הראשון. דווקא חומר שהשניים פסלו כבלתי-מעשי נתגלה כחיוני להמצאה. פיסיקאי צעיר במעבדות המחקר על-שם היוז במאליבו שבקליפורניה, תיאודור ה' מיימן, הוא שזכה בהישג ההיסטורי.

מיימן הגיע לזירה במאוחר. מדענים רבים אחרים ניסו לבנות לייזר, ומקצתם נהנו מתמיכה ממשלתית רצינית, בשעה שהוא פתח במחקריו בסתיו 1959. "אני אוהב הרפתקאות," סיפר לימים. "וזה היה שיא ההרפתקה. התחרות היתה אדירה." בשעה שרוב החוקרים ניסו גזים, מיימן בחר לעבוד במוצק - גביש של אבן אודם מלאכותית ורודה. הוא כבר בנה מייזרים של אבני אודם, והכיר היטב את תכונותיו הפיסיקליות של הגביש. בגזים אפשר לעורר את האלקטרונים למאות רמות שונות של אנרגיה, ולפיכך הניסויים בהם מסובכים ביותר. אבן האודם, המאפשרת רק רמות אנרגיה ספורות, היתה הרבה יותר פשוטה.

כדי ליצור לייזר, הסביר מיימן, "אתה צריך רמה נמוכה, רמה גבוהה יותר, וקישור בין השתיים. אתה צריך יכולת לאחסן ברמה הגבוהה כמות אנרגיה גדולה מזו שנשארת בנמוכה - וזה תנאי חריג, הקרוי היפוך אוכלוסייה. אבן האודם מצאה חן בעיני, משום שהיא בולעת אור בשני פסים רחבים ומעבירה אותו לפס ביניים צר למדי, לפני שהיא קופצת בחזרה למצב ההתחלתי. כך נוצר משפך אופטי, כביכול, מהפסים הרחבים בכחול ובירוק לפס האדום הצר. זה יתרונה של אבן האודם. יש צורך באור חזק ממש כדי 'לנפח' לייזר, ומנורות לוהטות ובהירות מקרינות בדרך כלל בספקטרום רחב. אם החומר שברשותך יכול לבלוע רק חלק צר מהספקטרום הזה, הוא לא יוכל לקבל כמות גדולה של אנרגיה מהאור."

האלקטרונים ש"נופחו" לפסי הכחול והירוק באבן האודם, נוקזו במהירות לפס האדום, אולם בהגיעם אליו הם קפצו מעצמם בחזרה למצבם ההתחלתי, הרגיל. כלומר, היה חור בדלי של מיימן. כדי להשיג את היפוך האוכלוסייה, היה עליו "לנפח" אלקטרונים במהירות רבה מזו שבה הם חזרו למצבם ההתחלתי. "חישובי הראו שאני זקוק למקור אור בעל בהירות השקולה כנגד 5,000 או 6,000 מעלות קלווין, וזה בערך אורה של מנורת המעבדה החזקה ביותר שנוצרה אי-פעם. ואז נזכרתי במשהו שקראתי על מנורות סטרוב המשמשות בצילום. נאמר שם שהסטרוב מגיע לטמפרטורות של 8,500 מעלות קלווין. אלה נורות פועמות. הן פולטות דפקים של אור. כולם חשבו על לייזר רציף, אבל הפעימות היו טובות למדי בתור התחלה."

מיימן חיטט בקטלוגים של יצרני נורות הבזק. "מצאתי שלוש מנורות שהגיעו לטמפרטורה שביקשתי. הן היו סליליות - מפותלות כמו קפיץ. בחרתי בקטנה מבין השלוש. גביש אבן האודם היה גליל קטן, בקוטר סנטימטר אחד בערך. הוא התאים בדיוק לחלל הפנימי של מנורת הסליל."

במקום מראות מקבילות, מיימן ריסס את קצותיו השטוחים של גליל אבן האודם הקטן במישרין באדי כסף. כדי להניח לדופק האור האחיד להיחלץ, נשרט חור קטן באחת ממראות הכסף. המנורה והגביש הותקנו בתוך מעטפת חמרן מחזירת אור. לאחר הרכבתו המלאה היה הלייזר הראשון בעולם גדול לא יותר מגודל המצבר של פנס-יד רגיל.

"ואז הצבתי מסביב את המכשירים שלי," סיפר מיימן, "והפעלתי אותו. ובשלב מסוים, הוא פעל." הפיסיקאי מדד דפקים עזים של אור אדום, טהור ביותר, שבקעו ב-16 במאי 1960 מתוך המערכת הפשוטה והאלגנטית.

מאז 1960 הופק אור לייזר מתוך מגוון מדהים של חומרים. אחרי אבן האודם של מיימן באו גבישים אחרים. אחריהם באו גזים. הפיסיקאי עלי ג'וואן השתמש בהליום ובניאון כדי ליצור ב-1961 את הלייזר הרציף הראשון (כל הלייזרים הקודמים פלטו אור בדפקים). אור לייזר הופק מנוזלים, אחריהם מחומרי צביעה, ולבסוף אפילו מטרנזיסטורים שהותקנו במיוחד לכך. אור לוהט ממשיך לשמש כמקור האנרגיה של לייזרים רבים, אולם המדענים השתמשו גם בתגובות כימיות, בקרני חלקיקים ואפילו בפיצוצים גרעיניים. מייזרים ולייזרים פועלים כיום בתחום תדרים המתחיל מגלי-מיקרו ונמשך דרך האור הנראה עד לקרני רנטגן.

אורם העז והאחיד של הלייזרים מצא לו שימושים מרובים. אחד היישומים הראשונים היה ניתוח בלייזר. קרני לייזר ממוקדות חותכות פלדה בתעשייה הכבדה. גירוסקופים המבוססים על לייזר מסייעים למטוסי נוסעים לשמור על נתיבם. מכ"ם לייזר מסוגל לבצע מדידות מדויקות ביותר ממרחקים גדולים. במעבדה נעשה הלייזר כלי שכיח כפי שהיה מבער בונזן בשעתו.

ייתכן שהשימוש השאפתני ביותר בלייזר הוא זה המופיע במחקר לקראת היתוך תרמוגרעיני מבוקר. המטרה היא להצית תגובות היתוך תרמוגרעיניות שישחררו כמות אנרגיה גדולה מזו שהלייזר מזרים פנימה, ולהחליף בסופו של דבר את תחנות הכוח המבעירות פחם ואת כורי הביקוע הגרעיני כמקורות לאספקת חשמל. העבודה הזו, המשלבת שתיים מן התגליות המפתיעות ביותר בפיסיקה של המאה העשרים, באה להוכיח שוב את משוואתו המפורסמת של אלברט איינשטיין E=mc2 משנת 1905: החומר הוא אנרגיה, בכמות עצומה לאין שיעור, ואפשר לנצלה להשמדת המין האנושי - או לתועלתו הברוכה.

קראו עוד:

ארנסט א' לורנס
אנריקו פרמי