Проект реактора Гейзенберга, в котором чередовались слои урана и тяжелой воды, был малоэффективным. Курту Дибнеру удалось создать намного более эффективный реактор, в котором пустотелые кубы из металлического урана были погружены в тяжелую воду. С увеличением площади соприкосновения урановых кубов и тяжелой воды замедление нейтронов было более эффективным, следовательно, вероятность деления атомных ядер повышалась. Однако несогласованность действий различных групп и упрямство Гейзенберга, который настаивал на использовании своего проекта, привели к тому, что внедрение прототипа Дибнера шло медленно. Бомбардировки союзников вынудили перевести лаборатории, где велись работы над ядерным проектом, на юг Германии. Эксперименты не прекращались до последних дней войны. Может показаться удивительным подобное упорство ученых, которые продолжали работу несмотря на неизбежное поражение. Однако немецкие физики были убеждены в своем превосходстве над союзниками и считали, что наличие работающего реактора даст им преимущество во время послевоенных переговоров. Они не знали, что в конце 1942 года Энрико Ферми в Чикагском университете успешно провел первую управляемую цепную реакцию.

Визит в Копенгаген

В странах, оккупированных нацистами, в пропагандистских целях была создана сеть институтов немецкой культуры, которые подчинялись отцу фон Вайцзеккера – секретарю Министерства иностранных дел с 1938 по 1943 год. В начале лета 1941 года фон Вайцзеккер посетил Копенгаген для подготовки ряда выступлений в Институте немецкой культуры. Бор не хотел участвовать в этом мероприятии и посчитал визит фон Вайцзеккера, как и его требования о содействии, оскорблением.

15 сентября 1941 года, когда Европа склонилась под властью нацистов, Гейзенберг прибыл в Копенгаген для участия в этих конференциях. Он не понимал, что для датчан, включая друзей, был прежде всего оккупантом. Супруга Бора, Маргарет, всегда считала визит Гейзенберга проявлением враждебности. Сам Бор, хотя и поддерживал с Гейзенбергом самые теплые отношения, считал точно так же. В те несколько дней, которые Гейзенберг провел в Копенгагене, они несколько раз встречались публично и еще один раз – без свидетелей. Бор и Гейзенберг опасались слежки гестапо, поэтому их беседа с глазу на глаз прошла в парке возле института, как в былые годы. Достоверных сведений о содержании этой беседы не сохранилось, а версии самих участников разговора расходились. Нет никаких сомнений в том, что Бор очень рассердился на Гейзенберга и никогда не простил ему этого визита. После войны ученые сохранили дружеские отношения, но они были уже не такими, как раньше.

Матрица рассеяния

В 1942-1945 годах Гейзенберг описал так называемую матрицу рассеяния, позволявшую изучать столкновения элементарных частиц. В расчетах, выполняемых согласно правилам квантовой теории поля, фигурируют бесконечно большие величины, которые препятствуют применению этих расчетов на практике. Гейзенберг предложил способ, позволяющий описать наблюдаемые в лаборатории явления без выполнения подробных расчетов. Его основная идея в чем-то была схожа с той, что легла в основу квантовой механики. При рассмотрении атомов наблюдаемыми величинами являются частоты, соответствующие стационарным состояниям. Гейзенберг построил матрицу, в которой указывались частоты атомных переходов. Теперь при столкновении двух частиц можно было определить их импульсы задолго до столкновения и после него, когда частицы находятся вдали от области взаимодействия. Матрица рассеяния, или S-матрица, описывает изменения импульсов частиц в результате столкновения. Во время поездки в Голландию Гейзенбергу удалось обсудить свою модель с Крамерсом, который подбросил ему превосходную идею. Значения элементов матрицы рассеяния нельзя определить, не располагая полной теорией, однако можно применить чисто математический подход и описать их аналитической функцией на комплексной плоскости. Переменными этой функции будут импульсы частиц.

Гейзенберг смог получить важный результат: значения переменных, при которых элементы матрицы обращаются в ноль, связаны со стационарными состояниями элементарных частиц. Он настойчиво предлагал Крамерсу написать совместную статью, посвященную полученным результатам, но тот всякий раз вежливо отказывался. Гейзенберг не понимал, что эта совместная статья сделала бы Крамерса коллаборационистом в глазах соотечественников. Матрица рассеяния была забыта на несколько лет. О ней вновь вспомнили в 1960-е, так как она представляла собой часть феноменологической теории, позволявшей изучить столкновения элементарных частиц высоких энергий в отсутствие квантовой теории поля.

Хендрик Антони Крамере в городе Энн-Арбор, штат Мичиган, около 1928 года.

Бор и Гейзенберг несколько раз обсуждали свою встречу после войны. Их полемика стала широко известной в 1956 году, с публикацией книги Роберта Юнга об атомной бомбе, в которой немецкие физики изображались практически оппозиционерами нацизма. По всей видимости, идейным вдохновителем этой версии был Карл Фридрих фон Вайцзеккер. Юнг пишет, что Гейзенберг делал все возможное, чтобы Гитлер не заполучил атомную бомбу, и попытался передать сообщение союзникам через Бора, однако тот его неправильно понял. Гейзенберг написал Юнгу письмо, в котором указал, что Бор действительно его не понял, так как они говорили намеками, боясь быть услышанными. Гейзенберг спросил Бора, считает ли он, что физикам в военное время уместно вести исследования урана. Бор, в свою очередь, спросил его, можно ли использовать атомную энергию во время войны. Гейзенберг ответил положительно и добавил, что знает, как это можно сделать. Бор понял, что немецкая ядерная программа продвинулась далеко вперед. В этот момент Гейзенберг предположил, что физики с обеих сторон могут прийти к соглашению и прекратить работу над атомной бомбой. Позднее ученый объяснял Юнгу, что немецкая физика с 1933 года сильно пострадала, в то время как американская физика, напротив, переживала период расцвета, поэтому его слова можно было расценить как уступку Гитлеру. Он писал: «Разумеется, я не знаю, какое влияние эти слова оказали на Бора».

Будет уместно сделать два комментария. Во-первых, удивительно, что Гейзенбергу пришлось поехать в Копенгаген, чтобы обсудить с Бором этическую дилемму, о которой всегда можно было поговорить с Планком или Лауэ, особенно если учесть, что речь шла о военной тайне. Во-вторых, в письме Гейзенберг упоминал о прогрессе американских физиков (на тот момент США еще не вступили в войну), о котором стало известно лишь после войны. До 1945 года немецкие ученые были убеждены в своем огромном превосходстве над союзниками во всем, что касалось деления ядра. Прочитав книгу Юнга, Бор очень обиделся. Он написал несколько черновиков письма к Гейзенбергу, но по неизвестной причине это письмо так и не было отправлено, а сами черновики были опубликованы в 2002 году. В одном из последних черновиков Бор признавал попытки Гейзенберга по возможности помочь ему и разобраться в истинном положении вещей. Бор упрекал коллегу в том, что тот не понимал, насколько сложно было для датских физиков во время войны сотрудничать с ним и фон Вайцзеккером, работавшими на победу Германии. И это при том, что сам Гейзенберг был убежден, что именно созданное им ядерное оружие может определить исход войны. После этого разговора коллеги по институту рассказывали, что, по словам фон Вайцзеккера, немецкая наука в результате победы в войне заняла бы очень удачное положение и немалая заслуга в этом отводилась бы Гейзенбергу.