Неоспорим тот факт, что одним из величайших технологических достижений Второй мировой войны было создание атомной бомбы. Это нужно просто признать. И недавно вышедший фильм американского режиссёра, автора «Интерстеллара» Кристофера Нолана «Оппенгеймер» рассказывает именно об этом историческом моменте. Будет время – посмотрите. Кино сделано мастерски.
В картине рассказывается о том, что для решения задачи получения самой смертоносной на Земле бомбы правительство США нанимает лучших учёных того времени, предоставив им рабочие места на секретном объекте (Лос-Аламосская научная лаборатория, ныне Лос-Аламосская национальная лаборатория).
Там эти люди сформировали так называемый «Манхэттенский проект» (1942–1946). Дальше, как говорит молодёжь, «спойлерить» не буду, дабы не портить впечатления от прекрасно снятого фильма.
А поговорить я сегодня хочу о том, что в Лос-Аламосе на самом деле произошло нечто большее, чем изобретение ядерной бомбы. Там случился ещё и гигантский технологический скачок, который сделал возможным использование компьютеров для выполнения очень точного численного моделирования. Это позволило исследователям предсказывать эффекты, возникающие от очень мощных ударных волн смертоносного устройства, которое они создавали.
И это было очень важно. Потому что расчёты показывали, что существует небольшой шанс, что ядерный взрыв может создать цепной эффект, который приведёт к концу света!
Это малоизвестный факт, но разработка атомной бомбы положила начало так называемой «вычислительной гидродинамике» (термин, придуманный позже американским учёным китайского происхождения Чиа-Кун Чу). Этот раздел механики жидкостей основан на компьютерных вычислениях с использованием определённых алгоритмов для решения гидродинамических задач. К таким работам можно отнести и вычисление решения для ударных волн, порождаемых атомной бомбой.
Учёные Манхэттенского проекта не только разработали числовые инструменты для описания ударных волн, возникающих в результате ядерных взрывов. Они буквально «научили» компьютеры выполнять и другие сложные вычисления. Работы математика Джона фон Неймана, например, заложили основу всех современных методов численного моделирования.
Джон фон Нейман работал в Манхэттенским проекте в качестве советника теоретического отдела. Начальником этого подразделения был Ханс Бете. С 1941 по 1943 год фон Нейман подготовил для правительства США несколько докладов по теории ударных волн.
Напомню, что разработанная бомба (имплозивного типа) представляла собой плутониевую сферу, окружённую взрывчаткой. Заряды при взрыве сжимали сферу, вызывая деление атомов. Неконтролируемая ядерная реакция приводила к мощному взрыву и полному разрушению всего вокруг.
Очень большой проблемой была разработка взрывчатки, которая обеспечивала бы симметричную ударную волну. Учёные понимали, что все теоретические упрощения никуда не годятся. Способ решения сложных уравнений заключался в только в их численном решении.
«Я думаю о чем-то гораздо более важном, чем бомбы. Я думаю о компьютерах». Так однажды заявил фон Нейман за завтраком своим невыспавшимся коллегам.
Вклад гениального математика в это дело произошёл в 1944 году. Джон фон Нейман внезапно осознал потенциал, которым могут обладать электронные компьютеры. В те годы Пенсильванский университет разрабатывал свой ENIAC, первый в истории цифровой компьютер общего назначения. Интересно, что до этого времени термин «компьютер» обозначал «человека, выполняющего математические вычисления». Фон Нейман присоединился к работам в сентябре 1944 года, и привнёс в неё множество очень интересных и важных идей.
В апреле того же года в Лос-Аламос прибыли первые компьютеры IBM 601. Это были некие «калькуляторы» на основе перфокарт. Для численного решения уравнений гидродинамики с помощью этих приборов их сначала переводили в режим работы в системе алгебраических уравнений. Затем необходимая информация была закодирована в перфокартах и «скормлена» по частям компьютерам.
Джон фон Нейман потратил две недели, чтобы проделать все процедуры и ознакомиться с полученными результатами. Первый отчёт о проведённом численном моделировании был опубликован 20 июня 1944 года.
Для расчёта ударных волн использовались два численных метода: подгонка ударной волны, разработанная Рудольфом Пайерлсом, и улавливание ударной волны от фон Неймана. Однако метод последнего потерпел катастрофическую неудачу. Необходимо было добавить к уравнениям ударной волны некоторые коэффициенты, чтобы сделать её устойчивой.
В результате этого в 1950 году учёному удалось усовершенствовать свой метод (метод искусственной вязкости) и формализовать теорию численной устойчивости (анализ устойчивости фон Неймана).
После Манхэттенского проекта и до самой своей смерти в 1957 году фон Нейман участвовал в проектировании нового компьютера – EDVAC. Математик даже разработал собственную компьютерную архитектуру и машину IAS. Ну и наконец, он нашёл хорошо известное сегодня применение компьютерам: прогнозирование погоды.
После окончания Второй мировой войны лаборатория в Лос-Аламосе продолжила работу над разработкой и усовершенствованием ядерного оружия. Там же, в 1949 году, был создан компьютер MANIAC I. Одной из его задач было моделирование условий, необходимых для взрыва бомбы Теллера-Улама типа H. Предыдущие расчёты проводились с помощью ENIAC, но они оказались непригодными.
С появлением в 1953 году в Лос-Аламосе больших компьютеров компании IBM группа Т-3 под руководством Фрэнсиса Харлоу совершила еще одну великую революцию в вычислительной гидродинамике.
На протяжении более трех десятилетий исследователи разрабатывали численные методы, которые до сих пор являются эталонными.
Какой можно сделать вывод из всей этой истории, друзья мои? То, что происходило в Лос-Аламосе с момента создания там лаборатории, было настоящим взрывом. Как в метафорическим, так и в буквальным смысле. В том числе взрывом изобретательности в решении сложных вычислений.
Великие учёные смогли разработать новый подход к решению гидродинамических задач, и вдохновили многих других исследователей на их великие открытия.
Всем добра.