Rudolf Peierls

Rudolf Peierls

Rudolf Peierls (1966)
Państwo działania	Rzesza Niemiecka Wielka Brytania Stany Zjednoczone
Data i miejsce urodzenia	5 czerwca 1907 Berlin
Data i miejsce śmierci	19 września 1995 Oksford
Zawód, zajęcie	fizyk
doktor
Specjalność: fizyka teoretyczna, fizyka ciała stałego, fizyka jądrowa
Alma Mater	Uniwersytet Humboldtów w Berlinie, Uniwersytet Ludwika i Maksymiliana w Monachium, Uniwersytet w Lipsku
Doktorat	1929 – fizyka Uniwersytet w Lipsku promotor: Werner Heisenberg
praca naukowa, nauczyciel akademicki
Uczelnia	Uniwersytet Wiktorii w Manchesterze
Stanowisko	stypendysta
Okres zatrudn.	1933–1935
Uczelnia	Uniwersytet w Cambridge (Laboratorium Monda)
Stanowisko	stypendysta
Okres zatrudn.	1935–1937
Uczelnia	Uniwersytet w Birmingham
Stanowisko	profesor
Okres zatrudn.	1937–1963
Uczelnia	Uniwersytet Oksfordzki
Stanowisko	profesor fizyki katedry Wykehama
Okres zatrudn.	1963–1974
Uczelnia	Uniwersytet Waszyngtoński
Stanowisko	wykładowca w niepełnym wymiarze
Okres zatrudn.	1974–1977
Odznaczenia
Nagrody
Medal Królewski (1959) Medal Lorentza (1962) Medal Maxa Plancka (1963) Nagroda Enrica Fermiego (1980) Medal Matteucciego (1982) Medal Copleya (1986)

Rudolf Ernst Peierls (wym. [ˈpaɪɐls]; ur. 5 czerwca 1907, zm. 19 września 1995) – urodzony w Niemczech brytyjski fizyk teoretyczny, znany m.in. z udziału w pracach nad bombą jądrową. Zajmował się wieloma dziedzinami fizyki, w tym fizyką ciała stałego, fizyką jądrową i mechaniką statystyczną. Odegrał znaczącą rolę w Tube Alloys, brytyjskim programie broni jądrowej, a następnie w projekcie Manhattan, wspólnym alianckim programie budowy bomby jądrowej.

Jeszcze przed wojną współtworzył podstawy fizyki ciała stałego: wyjaśnił nietypowy wówczas dodatni znak efektu Halla w niektórych metalach, wprowadził pojęcie „dziur” w teorii elektronów w ciałach stałych oraz pojęcie stref w kryształach. Procesami umklapp (zderzeniami drgań sieci krystalicznej, w których część pędu przejmuje cała sieć) wyjaśnił opór cieplny kryształów. Za pomocą prostego rozumowania wykazał też, że w dostatecznie niskiej temperaturze w dwuwymiarowym modelu Isinga występuje uporządkowanie ferromagnetyczne. Model ten to uproszczony opis magnetyzmu, w którym oddziałujące ze sobą elementarne magnesy są rozmieszczone w regularnej sieci i mogą przyjmować dwa przeciwne ustawienia. Jego nazwisko noszą m.in. podstawienie Peierlsa, przejście Peierlsa i naprężenie Peierlsa-Nabarro. W nekrologu opublikowanym w 1996 roku w „Physics Today” określono go jako „jednego z głównych aktorów dramatu wtargnięcia fizyki jądrowej w sprawy światowe”.

Peierls studiował fizykę na Uniwersytecie Fryderyka Wilhelma w Berlinie, na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana w Monachium pod kierunkiem Arnolda Sommerfelda, na Uniwersytecie Lipskim pod kierunkiem Wernera Heisenberga oraz na Politechnice Federalnej w Zurychu (ETH) pod kierunkiem Wolfganga Pauliego. Po uzyskaniu doktoratu na Uniwersytecie Lipskim w 1929 roku został asystentem Pauliego w ETH. W 1932 roku otrzymał stypendium Rockefellera, które wykorzystał na studia w Rzymie pod kierunkiem Enrica Fermiego, a następnie w Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge pod kierunkiem Ralpha H. Fowlera. Ze względu na swoje żydowskie pochodzenie po dojściu Adolfa Hitlera do władzy w 1933 roku postanowił nie wracać do kraju, lecz pozostać w Wielkiej Brytanii, gdzie pracował z Hansem Bethem na Uniwersytecie Wiktorii w Manchesterze, a potem w Laboratorium Monda w Cambridge. W 1937 roku Australijczyk Mark Oliphant, świeżo mianowany profesorem fizyki na Uniwersytecie w Birmingham, pozyskał go na nowo utworzoną tam katedrę matematyki stosowanej.

W marcu 1940 roku Peierls napisał wspólnie z Ottonem Robertem Frischem memorandum Frischa-Peierlsa. Ten krótki tekst jako pierwszy wykazał, że bombę atomową można zbudować z niewielkiej ilości rozszczepialnego uranu-235. Wcześniej zakładano, że taka bomba wymagałaby wielu ton uranu, a tym samym jej budowa i użycie byłyby niewykonalne. Podana w memorandum masa, poniżej kilograma, okazała się później znacznie zaniżona, ale wniosek o wykonalności broni pozostał w mocy. Praca ta miała przełomowe znaczenie: rozbudziła zainteresowanie bronią jądrową najpierw wśród władz brytyjskich, a później amerykańskich. To Peierls sprowadził też do prac nad Tube Alloys swojego rodaka Klausa Fuchsa, dlatego gdy w 1950 roku Fuchs został zdemaskowany jako szpieg Związku Radzieckiego, podejrzenia padły także na Peierlsa. Nigdy ich nie potwierdzono.

Po wojnie Peierls wrócił na Uniwersytet w Birmingham, gdzie pracował do 1963 roku, a następnie był profesorem fizyki katedry Wykehama i członkiem New College na Uniwersytecie Oksfordzkim aż do przejścia na emeryturę w 1974 roku. W Birmingham zajmował się siłami jądrowymi, rozpraszaniem, kwantowymi teoriami pola, ruchem kolektywnym w jądrach atomowych, teorią transportu i mechaniką statystyczną, a także był konsultantem Atomic Energy Research Establishment w Harwell. Otrzymał wiele wyróżnień, m.in. członkostwo Towarzystwa Królewskiego w 1945 roku i tytuł szlachecki w 1968 roku. Napisał też kilka książek, w tym podręcznik Quantum Theory of Solids (1955) oraz autobiografię Bird of Passage (1985). Zaniepokojony konsekwencjami rozwoju broni jądrowej, do którego sam się przyczynił, współpracował z „Bulletin of the Atomic Scientists”, był przewodniczącym Atomic Scientists’ Association w Wielkiej Brytanii i angażował się w ruch Pugwash.

Młodość

Zakłady AEG w Oberschöneweide na zdjęciu lotniczym z 1925 roku. Ojciec Peierlsa od 1901 roku kierował tamtejszą kablownią Kabelwerk Oberspree

Rudolf Ernst Peierls urodził się na berlińskim przedmieściu Oberschöneweide jako najmłodsze z trojga dzieci Heinricha Peierlsa (1867–1945), inżyniera elektryka pochodzącego z Wrocławia, z rodziny żydowskich kupców. Jego ojciec był dyrektorem zarządzającym fabryki kabli koncernu AEG. Wstąpił do koncernu w 1888 roku i objął dyrekcję zakładu w Oberschöneweide, w 1901 roku został dyrektorem tamtejszej kablowni „Kabelwerk Oberspree”, w 1908 roku wszedł do zarządu spółki, a w 1929 roku do jej rady nadzorczej. Matką Rudolfa była pierwsza żona ojca, Elisabeth (Elli, 1878–1921), z zawodu nauczycielka, córka Alfreda Weigerta i Olgi z domu Hamburger, również pochodzących z Wrocławia. Rodzice Peierlsa byli kuzynami pierwszego stopnia po linii Weigertów. Rudolf miał brata Alfreda (ur. 1899) i siostrę Annie (ur. 1901), starszych od niego odpowiednio o osiem i sześć lat.

Jego matka zmarła na chłoniaka Hodgkina w 1921 roku, gdy Rudolf miał czternaście lat, a ojciec ożenił się około 1924 roku z Else Hermann, szwagierką dramaturga Ludwiga Fuldy. Rodzina była żydowska, lecz zasymilowana, a Peierls i jego rodzeństwo zostali ochrzczeni jako luteranie. Po osiągnięciu pełnoletności Peierls wystąpił z Kościoła. Od 1928 roku był bezwyznaniowy.

Peierls rozpoczął naukę w szkole z rocznym opóźnieniem, ponieważ potrzebował okularów, a rodzice obawiali się, że je zgubi lub stłucze. Po dwóch latach w miejscowej szkole przygotowawczej wstąpił do tamtejszego gimnazjum, Humboldt Gymnasium, gdzie spędził kolejne dziewięć lat i w 1925 roku zdał egzaminy maturalne. Chciał studiować inżynierię, ale rodzice, którzy wątpili w jego zdolności praktyczne – nosił okulary i brakowało mu zręczności – podsunęli mu raczej fizykę. Praktyka, którą odbył potem w fabryce AEG, utwierdziła go w zamiarze studiowania fizyki teoretycznej. O to, czy wybrać fizykę doświadczalną, czy teoretyczną, pytał wcześniej znajomego ojca, chemika Fritza Habera. Ten wypytał go o ostatnie lektury i orzekł, że najlepiej sprawdzi się w pracy doświadczalnej. Studia rozpoczął na Uniwersytecie Fryderyka Wilhelma w Berlinie, gdzie słuchał wykładów Maxa Plancka, Walthera Bothego i Walthera Nernsta. Wśród jego kolegów ze studiów byli Kurt Hirsch i Käte Fenchel, występująca wówczas pod panieńskim nazwiskiem Käte Sperling. Zajęcia w laboratorium fizycznym były przepełnione, więc studentów pierwszego roku zachęcano, by zamiast nich wybierali kursy fizyki teoretycznej. Peierlsowi przedmiot ten przypadł do gustu. Zdaniem Sabine Lee, autorki jego biogramu w „Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society”, teoretykiem został w ten sposób niemal przez przypadek, a ten wybór przesądził o dalszej karierze.

W 1926 roku Peierls postanowił przenieść się na Uniwersytet Ludwika i Maksymiliana w Monachium, aby studiować pod kierunkiem Arnolda Sommerfelda. Wśród tamtejszych kolegów ze studiów byli studiujący rok wyżej Hans Bethe, z którym Peierls zaprzyjaźnił się na całe życie, Hermann Brück i William V. Houston. Pierwsze wystąpienie seminaryjne u Sommerfelda poświęcił ogłoszonym na początku 1927 roku pracom Diraca i Pascuala Jordana o teorii transformacji. Było to zadanie trudne, ale pouczające. W tym czasie teoria Bohra-Sommerfelda ustępowała miejsca nowej mechanice kwantowej Wernera Heisenberga i Paula Diraca. W 1928 roku Sommerfeld wyruszył w podróż dookoła świata, a w Lipsku od roku kierował katedrą Heisenberg. Za radą Sommerfelda Peierls przeniósł się wiosną 1928 roku na Uniwersytet Lipski. Jeszcze w czasie studiów, podczas wakacji w Anglii, odwiedził Cambridge i zgłosił się do poznanego wcześniej Diraca. Ten przedstawił go Ralphowi H. Fowlerowi, najstarszemu wówczas rangą teoretykowi w Cambridge, a Fowler od razu poprosił go o referat o pracach Blocha na posiedzeniu Kapitza Club, głównego wtedy forum dyskusji fizycznych w tym mieście.

Gdy Peierls przyjechał do Lipska, Heisenberg pracował nad teorią ferromagnetyzmu. Wiadomo było, że zjawisko to wynika z uporządkowania spinów elektronów w metalu, lecz przyczyna tego uporządkowania pozostawała nieznana. Heisenberg podejrzewał, że powoduje je efekt kwantowomechaniczny, wywołany zakazem Pauliego. Pierwsze zadania, jakie Heisenberg postawił przed Peierlsem – wyjaśnienie poszerzenia linii widmowych promieni kanalikowych i zbadanie, co dla przewodnictwa metalu daje model Heitlera–Londona – okazały się bezowocne. Bardziej owocna była praca nad efektem Halla. Dodatniego znaku efektu Halla, uchodzącego wówczas za anomalię, nie dawało się wyjaśnić klasyczną teorią metali, a Heisenberg uznał, że zjawisko to może wyjaśnić mechanika kwantowa. Peierlsowi się to udało i tak powstała jego pierwsza opublikowana praca – to Heisenberg polecił mu ogłosić wyniki.

Heisenberg wyjechał w 1929 roku, aby wykładać w Ameryce, Chinach, Japonii i Indiach, a Peierls za jego radą przeniósł się wiosną tego roku do ETH, gdzie studiował pod kierunkiem Wolfganga Pauliego. Pauli zlecił mu zbadanie drgań atomów w sieci krystalicznej. Peierls zbadał – i nazwał – zjawisko rozpraszania umklapp: zderzenie fal drgań sieci, w którym suma ich wektorów falowych zmienia się o wektor sieci odwrotnej, przez co kryształ stawia opór przepływowi ciepła. Po latach żałował, że wprowadził do literatury tak brzydko brzmiące słowo. Tłumaczył też, dlaczego niemieckie złożenie Umklapprozess pisze się przez dwa „p”, choć budowa wyrazu dawałaby trzy: reguła niemieckiej ortografii każe wtedy opuścić jedną z trzech takich samych liter. Pracę tę przedstawił jako rozprawę doktorską Zur kinetischen Theorie der Wärmeleitung in Kristallen (O kinetycznej teorii przewodnictwa cieplnego w kryształach), którą Uniwersytet Lipski przyjął w 1929 roku. Horst Kant podaje, że doktoryzował się w Lipsku u Friedricha Hunda. Pracę wykonał w Zurychu, ale jeden semestr studiów na miejscu nie wystarczał tam do doktoratu, podczas gdy w Lipsku wystarczały dwa – w lipcu 1929 roku wrócił więc do Lipska, by tam złożyć rozprawę.

Wniosek, że przewodnictwo cieplne idealnego kryształu o siłach czysto harmonicznych byłoby nieskończenie wielkie, pochodził z wcześniejszych prac Maxa Borna i Petera Debye’a, a Peierls przyjął go za punkt wyjścia. Wykazał natomiast, że spośród zderzeń fononów (kwantów drgań sieci krystalicznej) skończony opór cieplny idealnego kryształu dają dopiero procesy umklapp – takie, w których suma wektorów falowych wykracza poza strefę i wraca do niej „przerzucona”. Ponieważ w niskich temperaturach procesy te zamierają, opór cieplny miał wedle jego rachunku maleć wykładniczo, choć zaburzenia sieci nakładają na to człon proporcjonalny do temperatury. Z jego teorii wynikały konkretne przewidywania dotyczące bardzo niskich temperatur, lecz minęło kolejnych dwadzieścia lat, zanim opracowano techniki pozwalające potwierdzić je doświadczalnie – i nawet wtedy udało się to tylko dla materiałów o dużej czystości nie tylko chemicznej, ale i izotopowej. Wymóg czystości izotopowej sam wówczas przeoczył. Przewidziany przez niego szybki wzrost przewodnictwa cieplnego w niskich temperaturach zaobserwował dopiero w 1951 roku Berman w Oksfordzie, i to w substancjach, które akurat nie zawierały różnych izotopów.

Początki kariery

Peierls przyjął propozycję Pauliego, by jesienią 1929 roku zostać jego asystentem w miejsce Felixa Blocha. Sam Pauli mawiał o nim, że „mówi tak szybko, że zanim zrozumie się, co powiedział, twierdzi już coś przeciwnego”. Zarabiał na tym stanowisku 400 franków szwajcarskich miesięcznie i planując małżeństwo, obliczył, że jest to suma wystarczająca dla jednej osoby, ale nie dla dwóch. Jeszcze przed objęciem asystentury przełożył na niemiecki nową książkę Louisa de Broglie’a o mechanice falowej. Żaden francuski wydawca nie podjął się wówczas druku oryginału, więc pierwszeństwo miały wydania niemieckie i angielskie. Pozostał na tym stanowisku trzy lata, czyli dłużej, niż taka asystentura trwała zwykle – Pauli z zasady wymieniał asystentów i trzy lata były rekordem.

Jesienią 1930 roku Peierls i Pauli wykazali, że trudność energii własnej elektronu i trudność energii zerowej pola elektromagnetycznego znoszą się nawzajem, a gdy Heisenberg przysłał rozwiązanie obu naraz, Peierls znalazł w nim błąd. Opracował tam pierwszą teorię pasmową elektronów w metalu jednowymiarowym, oddając wpływ elektronów na sieć słabym oddziaływaniem okresowym. Przebywał tam wówczas na stypendium rządu Związku Radzieckiego Lew Landau, z którym Peierls zaprzyjaźnił się niemal od razu po jego przyjeździe jesienią 1929 roku. Wspólnie wyprowadzili serię równań falowych dla fotonów, podobnych do równania Schrödingera, opisujących pole elektromagnetyczne i jego oddziaływanie z materią w przestrzeni konfiguracyjnej kwantów światła (przestrzeni, której współrzędnymi są położenia wszystkich cząstek układu naraz). Otrzymane tą drogą wyniki pokrywały się z wynikami Heisenberga i Pauliego. Ich równania, choć skomplikowane, okazały się pozbawione sensownej interpretacji fizycznej, bo opis oparty na położeniach fotonów przeczy ogólnym zasadom teorii. Po latach Peierls uznawał tę pracę za wartościową już tylko metodologicznie. Wprowadzała układ równań sprzężonych, z których każde odnosiło się do innej liczby cząstek. Z tego podejścia skorzystał później Fermi w teorii rozpadu beta.

W 1930 roku Peierls pojechał do Holandii, by spotkać się z Hendrikiem Anthonym Kramersem, oraz do Kopenhagi, by spotkać się z Nielsem Bohrem. Bohr wyrażał wtedy poważne wątpliwości wobec sposobu, w jaki Dirac radził sobie ze stanami o ujemnej energii elektronu, czyli wobec teorii dziur. Podczas kolejnych pobytów w Kopenhadze, zwłaszcza w lutym i marcu 1931 roku, Peierls i Landau zajęli się ograniczeniami, jakim podlega pomiar wielkości fizycznych w relatywistycznym obszarze teorii kwantów, w tym dokładnością pomiaru natężenia pól elektrycznego i magnetycznego. Bohr nie zgodził się z ich głównym wnioskiem, że pól elektromagnetycznych nie da się mierzyć z dowolną dokładnością, a ogłoszenie tej pracy poruszyło go na tyle, że nie życzył sobie umieszczenia w niej podziękowania dla siebie. Zamiast podziękowania praca zawiera przypis, że relacje nieoznaczoności, na których opierają się jej wnioski, pochodzą głównie z dyskusji prowadzonych w Kopenhadze, a stanowisko Bohra wobec nich zostanie przedstawione w osobnym artykule w „Nature”. Sam wniosek szedł dalej niż pomiar pól: autorzy wywodzili, że w obszarze relatywistycznym żadnej z podstawowych wielkości mechaniki falowej nie da się na ogół zdefiniować przez pomiar. Niemierzalność natężenia pola autorzy wiązali z tym, że nawet w pustej przestrzeni wartość oczekiwana jego kwadratu jest nieskończona. Sam Peierls tłumaczył po latach, że liczyli na to, iż uwzględnienie takich ograniczeń pomoże znaleźć zmodyfikowaną teorię, wolną od trudności ówczesnej teorii kwantów. Nadzieja się nie spełniła i praca pozostała, jak pisał, raczej akademicka. Bohr wraz z Léonem Rosenfeldem podjęli później własną analizę pomiaru pól, ogłoszoną w dwóch pracach uznanych za klasyczne. Peierls do końca nie dał się przekonać: uważał ich rachunek za poprawny, ale wątpił, czy opisana w nim procedura jest jeszcze pomiarem pola.

W sierpniu 1930 roku Pauli i Peierls uczestniczyli w kongresie fizycznym w Odessie i poznali tam młodą absolwentkę fizyki, Eugenię (Genię) Nikołajewnę Kannegiesser, która, podobnie jak Landau, pochodziła z Leningradu. Kongres ten, obradujący od 19 do 24 sierpnia 1930 roku, Rosyjskie Stowarzyszenie Fizyków zorganizowało jako siódmy zjazd fizyków rosyjskich, tym razem o randze wszechzwiązkowej. Wzięło w nim udział ponad ośmiuset uczestników, którzy wygłosili około dwustu referatów ze wszystkich działów fizyki. Genia rozpoczęła studia fizyczne na Uniwersytecie Leningradzkim w 1926 roku, ukończyła je w 1930 i pracowała w leningradzkim laboratorium geofizycznym, a na kongres pojechała z własnej ciekawości i na własny koszt. Peierls tłumaczył później, że odbyła ona pełne studia fizyczne, lecz formalnego dyplomu nie otrzymała ze względu na burżuazyjne pochodzenie. Jak wspominał Peierls, zapoznał ich ze sobą w Odessie radziecki fizyk Jakow Frenkel, który zorganizował mu też objazd po Charkowie, Moskwie i Leningradzie, a wiosną 1931 roku zaprosił go z wykładami do leningradzkiego Instytutu Fizyczno-Technicznego. Ponieważ on nie mówił po rosyjsku, a ona po niemiecku, rozmawiali po angielsku.

Po powrocie z Odessy Peierls zaczął uczyć się rosyjskiego. Pierwszej lekcji udzieliła mu 8 października 1930 roku Fania Moskowska, studentka prawa w Zurychu z rodziny rosyjskich emigrantów, a pierwszy list do Geni napisał po rosyjsku już 30 listopada tego samego roku. Do Leningradu przyjechał ponownie 4 marca 1931 roku i spędził tam prawie dwa miesiące, a do Zurychu wrócił w ostatnich dniach kwietnia. Na dworcu powitał go Jakow Dorfman, zastępujący nieobecnego Frenkla, i od razu uprzedził, że instytut oczekuje kursu wykładów po rosyjsku. Peierls zgodził się, choć uczył się tego języka dopiero od pięciu miesięcy. Podczas tej właśnie wizyty z wykładami pobrali się 15 marca 1931 roku. Ślub planowali pierwotnie na piątek 13 marca, na przekór przesądom, ale termin przesunięto, bo tego dnia Peierls leżał z gorączką po obowiązkowym wówczas szczepieniu przeciw ospie.

O zamiarze ślubu zawiadomił ojca w ostatniej chwili. Heinrich Peierls odpisał 19 marca 1931 roku listem, w którym zarzucił synowi nieodpowiedzialność, nazwał małżeństwo głupotą i zapowiedział cofnięcie wsparcia finansowego, ostrzegając też, że cudzoziemska żona zaszkodzi mu przy nominacjach uniwersyteckich. Groźby nie spełnił. Do 1938 roku wspierał młodą rodzinę przelewami najpierw do Szwajcarii, a potem do Anglii, w granicach dopuszczonych przez niemieckie przepisy dewizowe. Genia musiała jednak czekać na dokumenty: żona Niemca nabywała obywatelstwo niemieckie z mocy prawa, ale prawo radzieckie wymagało osobnej zgody na zmianę obywatelstwa. Po Genię przyjechał 15 sierpnia 1931 roku, ale zgody wciąż nie było, więc dwa albo trzy tygodnie oczekiwania spędzili w kaukaskiej Tebierdzie. Gdy mijały kolejne tygodnie, Peierls pojechał do Moskwy i ustalił, że dokumenty wysłano do innego leningradzkiego urzędu, gdzie odnalazła je w szufladzie siostra Geni. Z odzyskanymi dokumentami wyjechali razem i przez Berlin dotarli do Zurychu.

Mieli czworo dzieci: Gaby Ellen (ur. 1933), Ronalda Franka (ur. 1935), Catherine (Kitty; ur. 1948) i Joannę (ur. 1949). Gaby urodziła się 20 sierpnia 1933 roku w Cambridge, a Ronald 8 września 1935 roku w Manchesterze. Imię córki dobrali tak, by dało się je wymówić w każdym języku, bo nie wiedzieli jeszcze, gdzie ostatecznie osiądą.

Konstrukcja pierwszej strefy Brillouina dla sieci kwadratowej i trójkątnej. Pojęcie stref wprowadził Peierls przed Léonem Brillouinem, który uogólnił jego wynik na trzy wymiary

Jego wczesne prace z fizyki kwantowej doprowadziły do teorii nośników dodatnich („dziur”), która tłumaczyła efekt Halla obserwowany w metalach o niemal całkowicie zapełnionym paśmie przewodnictwa. Dziura to brak elektronu w niemal zapełnionym paśmie, zachowujący się w opisie przewodnictwa jak nośnik ładunku dodatniego. W ogłoszonej w 1929 roku pracy Zur Theorie der galvanomagnetischen Effekte pokazał, że rachunki Blocha dają jakościowo poprawny opis efektu Halla w metalach, w tym „anomalny” znak dodatni, którego nie dawała wcześniejsza teoria Sommerfelda. Znak zależy według niego od stopnia zapełnienia pasma: przy zapełnieniu bliskim jedności efekt Halla staje się dodatni, przy paśmie niemal pustym – ujemny, a pośrodku zmienia znak. Wprowadził też pojęcie stref, które zastosował do fononów. Dziś nazywa się je strefami Brillouina od nazwiska Léona Brillouina, który uogólnił wynik Peierlsa na trzy wymiary. Sformułował przy tym równanie Boltzmanna dla fononów i odkrył proces umklapp. Mimo znanej niechęci Pauliego do fizyki ciała stałego Peierls wybrał z tej dziedziny również kolejny temat badawczy.

Temat pracy habilitacyjnej źródła podają rozbieżnie. Sam Peierls pisał, że złożył do habilitacji pracę o pochłanianiu światła w ciałach stałych – o tym, że energia wzbudzenia zamienia się w drgania sieci dzięki dużym wychyleniom atomów otaczających atom wzbudzony. Tak samo podaje Richard Dalitz. Sabine Lee wskazuje natomiast opór elektryczny w niskich temperaturach. Pracę habilitacyjną przygotował szybko i w październiku 1931 roku uzyskał habilitację wraz z venia legendi – prawem samodzielnego nauczania na uczelniach wyższych w Niemczech i Szwajcarii. Na procedurę składał się także wykład próbny, który Peierls poświęcił granicom analogii między światłem a materią. W tym samym czasie opracował wyniki dotyczące magnetooporu, sprostował własne błędne twierdzenie o oporze czystych metali w bardzo niskich temperaturach i napisał zamówiony artykuł przeglądowy o elektronowej teorii metali. „Physics Today” zauważył, że „jego liczne prace o elektronach w metalach weszły już tak głęboko do literatury naukowej, że trudno wskazać jego wkład w przewodnictwo w polach magnetycznych i w pojęcie dziury w teorii elektronów w ciałach stałych”.

Emigracja i praca w Wielkiej Brytanii

W 1932 roku Peierls otrzymał stypendium Fundacji Rockefellera na rok 1932/1933, które podzielił na pół roku w Rzymie pod kierunkiem Enrica Fermiego i pół roku w Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge w Anglii pod kierunkiem Ralpha H. Fowlera. Do wystąpienia o stypendium namówił go Pauli, który zwykł wymieniać asystentów i uprzedził go, że w 1932 roku będzie musiał odejść. Fundacja przyznawała je wówczas wyłącznie uczonym mającym zapewniony etat powrotny, żeby stypendium nie zmarnowało się na osobach odchodzących z nauki. Pauli poświadczył więc, że Peierls może wrócić do Zurychu, choć obaj rozumieli, że z tego prawa nie skorzysta. W Rzymie Peierls ukończył dwie prace o elektronowej strukturze pasmowej, w których wprowadził podstawienie Peierlsa (sposób uwzględnienia pola magnetycznego w modelu elektronów w sieci przez zmianę fazy funkcji falowej): w pierwszej wyprowadził ogólne wyrażenie na diamagnetyzm metali w słabych polach magnetycznych, w drugiej rozszerzył rachunek na pola silne i niskie temperatury. Prace te wyjaśniły dotąd tajemnicze własności bizmutu, którego diamagnetyzm jest znacznie silniejszy niż w jakiejkolwiek innej substancji. Bizmut wykazywał ponadto w niskich temperaturach osobliwe oscylacje namagnesowania przy zmianie natężenia pola magnetycznego, odkryte w Lejdzie przez Wandera Johannesa de Haasa i jego ucznia Pietera M. van Alphena – efekt de Haasa-van Alphena. Peierls dostrzegł, że wynikają one wprost z modelu Landaua. Po latach zaznaczał, że nie wiedział wtedy, iż efekt ten wyprowadził już Landau w swojej podstawowej pracy. Landau nie znał jednak wyników doświadczeń i nie sądził, by dało się go zaobserwować. W większości metali oscylacje te dają się dostrzec dopiero w bardzo niskich temperaturach i w wyjątkowo jednorodnych polach, w bizmucie natomiast widać je bardzo łatwo. Późniejsze pomiary Shoenberga w Cambridge objęły wszystkie metale i uczyniły z tego zjawiska jedno z najskuteczniejszych narzędzi badania stanów elektronowych w metalu.

Gmach fizyki im. Poyntinga na Uniwersytecie w Birmingham

Manchester

Z powodu dojścia Adolfa Hitlera do władzy w Niemczech postanowił w 1933 roku nie wracać do kraju, lecz pozostać w Wielkiej Brytanii. Rok spędzony we Włoszech Mussoliniego, a u Geni także doświadczenie życia w stalinowskim ZSRR, utwierdziły oboje w przekonaniu, że powrót do Niemiec w chwili umacniania się narodowego socjalizmu byłby nierozsądny. Odrzucił propozycję Ottona Sterna, by objął na Uniwersytecie w Hamburgu asystenturę, którą kilka lat wcześniej zajmował Pauli. Ofertę przysłał sam Stern, choć stanowisko podlegało tamtejszemu teoretykowi Wilhelmowi Lenzowi. Wstępnie ofertę tę przyjął, godząc się nawet na rezygnację z drugiej połowy stypendium, bo Hamburg chciał obsadzić stanowisko już na Wielkanoc 1933 roku. Zdanie zmienił dopiero wobec pogorszenia sytuacji politycznej w Niemczech, wbrew radom rzymskich kolegów, którzy uważali go za nadmiernego pesymistę.

Uzyskawszy zgodę na pobyt w Wielkiej Brytanii, pracował na Uniwersytecie Wiktorii w Manchesterze. Ubiegał się tam najpierw o zwykły etat wykładowcy pomocniczego i otrzymał od Bragga zachęcającą odpowiedź, ale wniosek odrzucono. Uniwersytet powołał właśnie na katedrę chemii fizycznej innego uchodźcę, Michaela Polanyiego, za co prasa ostro go zaatakowała. Dwuletnie stypendium wyjednał mu tam Bragg z manchesterskiego funduszu utworzonego na wzór Academic Assistance Council – organizacji powołanej po to, by pomagać uchodźcom akademickim z Niemiec i innych krajów faszystowskich. Stypendium było z założenia tymczasowe, więc przez cały ten czas szukał stałej posady. Ubiegał się o profesurę w instytucie Ramana w Bangalurze i rozważał konkurs na profesurę w Quito w Ekwadorze, z którego odstąpił wobec niepewnych warunków pracy. Rozważano go też jako kandydata do stypendium, jakie Trinity College w Cambridge utworzył dla uchodźcy, a które przypadło matematykowi Hansowi Heilbronnowi. Bethe spędził tam rok jako asystent i mieszkał u Peierlsów, dzieląc z nimi koszty.

Przed wojną Peierls odwiedzał Związek Radziecki jeszcze kilkakrotnie, w 1931, 1932, 1934 i 1937 roku. Latem 1932 roku przeszedł z Landauem i jego znajomym, inżynierem Michaiłem Styrikowiczem, pieszy szlak przez Kaukaz, a w drodze powrotnej zatrzymał się w Charkowie, gdzie Landau miał wtedy posadę. W 1934 roku oboje z Genią pojechali z Manchesteru do Leningradu, by pokazać roczną Gaby dziadkom, i wtedy Genia po raz ostatni widziała rodziców. W październiku 1933 roku, zaraz po przenosinach do Manchesteru, Peierls pojechał na poświęcony jądru atomowemu kongres Solvaya w Brukseli. Kongresy te gromadziły dotąd wyłącznie najbardziej zasłużonych fizyków, tym razem jednak zaproszono także kilku młodych, w tym Peierlsa, Motta, Rosenfelda i Gamowa.

Większość jego najbliższej rodziny również opuściła Niemcy: brat z rodziną osiedlił się w Wielkiej Brytanii, a siostra z rodziną przeniosła się do Stanów Zjednoczonych, gdzie mieszkał jego wuj Siegfried. Rodzeństwo opuściło Niemcy do 1938 roku. Ojcu i macosze trudno było zdecydować się na emigrację. Peierls namawiał ojca do wyjazdu już w 1933 roku. Ten podzielał jego ocenę sytuacji, ale uznał się za zbyt starego na życie za granicą – nie znał języków obcych, a wywożąc oszczędności, straciłby emeryturę i zdałby się na cudzą pomoc. Potrzebne zgody uzyskali dopiero na początku 1939 roku i wyjechali najpierw do Anglii, a w 1940 roku do Stanów Zjednoczonych, gdzie osiedli w New Jersey w pobliżu Annie.

Uczestnicy VII Kongresu Solvaya poświęconego jądru atomowemu, Bruksela, październik 1933. Obok uznanych fizyków zaproszono na niego kilku młodych, w tym Peierlsa

Peierls współpracował z Bethem nad fotodezintegracją deuteronu, czyli rozbiciem jądra ciężkiego wodoru przez promieniowanie elektromagnetyczne. Temat ten podjęli w odpowiedzi na wyzwanie rzucone im przez Jamesa Chadwicka. Chadwick, który właśnie zmierzył szybkość tego procesu, zażądał od nich modelu teoretycznego. Rachunek – przy założeniu zerowego zasięgu sił jądrowych – wykonali jeszcze w pociągu w drodze powrotnej z Cambridge. To on obudził w obu zainteresowanie fizyką jądrową. W ogłoszonej pracy oparli to założenie na wyniku Wignera, z którego wynikało, że duży deficyt masy helu-4 wobec deuteronu (czyli o tyle masa jądra jest mniejsza od sumy mas jego składników) wymaga sił o zasięgu znacznie mniejszym niż promień deuteronu. Do rachunku wystarczała dzięki temu sama energia wiązania deuteronu, a ten najprostszy układ jądrowy pełnił dla mechaniki jądrowej rolę, jaką atom wodoru pełni dla teorii atomu. W tytule pracy deuteron występuje pod używaną wówczas nazwą diplon. Tym samym rachunkiem opisali zderzenie neutronu z protonem i obliczyli prawdopodobieństwo wychwytu neutronu z utworzeniem deuteronu. Dane dla bardzo małych energii neutronu nie pasowały jednak do teorii, a przyczynę wskazał po latach Eugene Wigner: siła między neutronem a protonem zależy od wzajemnego ustawienia ich spinów, a w związanym deuteronie spiny są zawsze równoległe.

Z Bethem ogłosił też prace o mechanice statystycznej stopów. Ich wyniki do dziś służą za podstawę teorii pola średniego dla strukturalnych przemian fazowych w stopach złożonych.

Choć większość jego prac nadal dotyczyła elektronowej teorii metali, zajmował się też teorią dziur Diraca i napisał wspólnie z Bethem dwie noty o neutrinie – cząstce, której istnienie postulował Pauli, by uratować zasady zachowania energii, spinu i statystyki w rozpadzie beta, a którą Fermi ochrzcił włoskim zdrobnieniem odróżniającym ją od cięższego neutronu. W pierwszej z nich, wysłanej z Manchesteru 20 lutego 1934 roku i ogłoszonej 7 kwietnia, obliczyli prawdopodobieństwo procesu odwrotnego – pochłonięcia neutrina przez jądro z emisją elektronu. Przekrój czynny oszacowali z czasu życia jąder promieniotwórczych beta i wyszedł znikomo mały: neutrino przeszłoby na wylot przez całą Ziemię z pomijalnie małym prawdopodobieństwem pochłonięcia. Notę zamknęli wnioskiem, że nie ma praktycznej możliwości zaobserwowania neutrina. Wniosek ten dotyczył samego pochłaniania neutrina przez materię. W drugiej nocie wskazali natomiast, że mimo znikomej jonizacji wywoływanej przez tę cząstkę doświadczalne rozstrzygnięcie jej istnienia „nie jest w zasadzie niemożliwe”. Podali dwie drogi, obie oparte na pomiarach innych cząstek. Pierwszą był bilans energii w sztucznym rozpadzie beta azotu-13, w którym pozyton o największej możliwej energii pozostawiałby neutrinu zerową energię kinetyczną. Drugą – pomiar odrzutu jądra, zbyt słabego przy naturalnej promieniotwórczości, ale mierzalnego dla lżejszych jąder sztucznych. Przewidzieli też wychwyt przez jądro własnego elektronu orbitalnego, po którym liczba atomowa maleje o jeden, a jądro emituje neutrino. Z warunku trwałości atomu wodoru wyprowadzili wniosek, że jeżeli neutrino nie jest cięższe od elektronu, masa neutronu musi być co najmniej równa masie protonu. Mimo to sami sądzili, że neutrin być może nigdy nie uda się zaobserwować, nie przewidzieli bowiem ani wielkich reaktorów jądrowych, dających ogromne ich strumienie, ani pomysłowości eksperymentatorów. Po latach Peierls dodawał, że nie uwzględnili też szybkiego wzrostu tego przekroju czynnego wraz z energią neutrina. Oddziaływanie neutrin z materią wykryli doświadczalnie Frederick Reines i Clyde Cowan w 1956 roku. Zarejestrowali jednak antyneutrina z reaktora jądrowego, w reakcji dającej pozyton i neutron, a nie rozważane przez Bethego i Peierlsa pochłonięcie neutrina z emisją elektronu.

Tuż przed wyjazdem do Cambridge Uniwersytet w Manchesterze przyznał mu honorowy stopień D.Sc.

Cambridge

Po powrocie do Cambridge, na dwuletnim stypendium w Laboratorium Monda (1935–1937), pracował z Davidem Shoenbergiem nad zachowaniem nadprzewodników w polu magnetycznym. Wspierał też prace tamtejszej grupy nad ciekłym helem. Prowadził je drugi stypendysta, kanadyjski eksperymentator John F. Allen, a Peierls zaproponował, by osobliwie wielkie przewodnictwo cieplne helu mierzyć przy bardzo małych różnicach temperatury, używając samego helu jako termometru gazowego. Pomiary ogłosili w lipcu 1937 roku w „Nature” wspólnie z M. Zaki Uddinem. Wynik był nieoczekiwany: przewodnictwo zależało od gradientu temperatury, a strumień ciepła nie był proporcjonalny do różnicy temperatur nawet przy najmniejszych różnicach, jakie zdołali wytworzyć. Wyjaśnienie niejasnych wyników znalazł Allen wkrótce po wyjeździe Peierlsa z Cambridge, rozcinając bańkę przyrządu: ogrzewany hel wytryskiwał z niej niewielką fontanną. Odkryty w ten sposób efekt fontannowy, czyli wywoływanie różnicy ciśnień przez różnicę temperatur, stał się jedną z przesłanek zrozumienia nadciekłości helu, a zarazem przekreślił pomysł Peierlsa, bo uniemożliwiał działanie takiego termometru.

Stypendium to powstało z pensji, której nie mógł już pobierać Piotr Kapica. Laboratorium zbudowano dla niego, ale w 1934 roku zatrzymano go w ZSRR. Towarzystwo Królewskie, namawiane przez Rutherforda, przeznaczyło zarezerwowane środki na dwa stypendia – jedno z nich przypadło Peierlsowi, drugie Allenowi. Nie było to wprawdzie stanowisko stałe, ale dla Peierlsa pierwsza od wyjazdu z Niemiec posada z pensją, a nie zapomoga. Przynosiła też niemal dwa razy tyle, co stypendium manchesterskie.

W 1936 roku ogłosił pracę o modelu Isinga, w której elementarnym argumentem – wbrew panującemu wówczas przekonaniu – wykazał, że w wersji dwuwymiarowej modelu występuje uporządkowanie ferromagnetyczne, i wskazał konsekwencje dla wersji trójwymiarowej. Bodźcem był seminaryjny wykład matematyka, który poprawne rozwiązanie Isinga dla łańcucha jednowymiarowego rozciągnął na dwa i trzy wymiary. Peierls, zamiast szukać błędu w tym rozumowaniu, wprost dowiódł, że w dostatecznie niskiej temperaturze dwuwymiarowy model Isinga ma niezerowe namagnesowanie spontaniczne. Sam argument wymagał jeszcze drobnych poprawek, które wprowadził w 1964 roku Robert B. Griffiths, by uczynić zeń dowód w pełni ścisły. Pół wieku później ten prosty argument, wraz z uogólnieniami, pozostawał wedle specjalistów od mechaniki statystycznej jedyną drogą ścisłego wykazania istnienia stanów uporządkowanych.

Włączył się też w spór, jaki Subrahmanyan Chandrasekhar toczył z Arthurem Eddingtonem o białe karły. Chandrasekhar wykazał, że przy ogromnych gęstościach panujących w białych karłach elektrony poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła i trzeba stosować mechanikę relatywistyczną, czemu Eddington ostro się sprzeciwiał, kwestionując sposób zliczania stanów. Peierls ogłosił w piśmie astronomicznym dowód, że wynik jest praktycznie niezależny od przyjętego warunku brzegowego, a kilka lat później napisał wspólnie z Dirakiem i Maurice’em Pryce’em pracę On Lorentz invariance in the quantum theory, zbijającą podobny zarzut Eddingtona wobec relatywistycznego równania Diraca dla atomu wodoru.

Aby zgodnie ze swoimi przepisami umożliwić mu prowadzenie wykładów, Uniwersytet w Cambridge podjął trzy uchwały. Pierwsza utworzyła bezpłatny etat asystenta badawczego (ang. Assistant-in-Research) w Laboratorium Monda, druga dopisała to stanowisko do listy stanowisk uprawniających do stopnia M.A. ex officio, a trzecia mianowała na nie Peierlsa. Pierwszym jego uczniem był Colin Easthope, student Fowlera, z którym badał zachowanie stopów o składzie odbiegającym od idealnego. W drugim roku powierzono mu także opiekę nad trójką studentów ostatniego roku, wśród nich Charlesem Kittelem, późniejszym czołowym fizykiem ciała stałego w Berkeley, i R. S. Rivlinem, znanym z prac nad polimerami.

Peierls w 1937 roku

Katedra w Birmingham

Schemat dyslokacji krawędziowej w sieci krystalicznej. Równaniem opisującym dyslokacje Peierls zajął się w Birmingham z inicjatywy Egona Orowana, a znaczenie ogłoszonej wówczas krótkiej pracy dostrzegł dopiero po latach

W 1936 roku Mark Oliphant został mianowany profesorem fizyki na Uniwersytecie w Birmingham, choć przeprowadzkę odłożył do października 1937 roku. Wiosną 1937 roku zwrócił się do Peierlsa w sprawie nowej katedry matematyki stosowanej, którą tam tworzył. (Matematyką stosowaną nazywano to, co dziś określa się mianem fizyki teoretycznej). Peierls otrzymał tę posadę, choć konkurowali z nim Harrie Massey i Harry Jones. Nominacja ta zapewniła wreszcie Peierlsowi stałe i pewne stanowisko. Profesura była dożywotnia, dawała samodzielność w organizowaniu przedmiotu i wiązała się z pensją dwuipółkrotnie wyższą niż w Cambridge. Obaj kontrkandydaci otrzymali zresztą katedry w ciągu kilku lat: Massey w University College London, a Jones w Imperial College. Wraz z katedrą objął współkierownictwo tamtejszej matematyki. Kierował nią wspólnie z matematykiem G. N. Watsonem, odpowiadając za matematykę stosowaną. Watson namówił go, by na początek przejął wykłady z hydrodynamiki, których nikt inny nie chciał prowadzić. Peierls zgodził się, nie przyznając się, że nie wie o niej nic, i przygotował kurs, ucząc się przedmiotu w bibliotece. Wiedza ta przydała mu się później w pracach nad bronią jądrową. Katedrę matematyki stosowanej tworzono dopiero na jego przyjazd i początkowo był jedynym teoretykiem wśród tamtejszych fizyków.

Latem 1937 roku pojechał na konferencję fizyki jądrowej do Moskwy. Genia miała mu towarzyszyć, licząc na spotkanie z siostrą, ale zrezygnowała, gdy ostrzeżono ich, że jej obecność może narazić jej krewnych i znajomych. Atmosferę w mieście zastał napiętą: ludzi aresztowano bez widocznego powodu, a cudzoziemców powszechnie podejrzewano o szpiegostwo. Do jego studentów należeli Fred Hoyle i P. L. Kapur, student z Indii. Wspólnie z Kapurem wyprowadził wzór dyspersyjny dla reakcji jądrowych, podany pierwotnie w ramach rachunku zaburzeń przez Gregory’ego Breita i Eugene’a Wignera, tym razem jednak w bardziej ogólnej postaci, otrzymanej z zespolonych warunków brzegowych na kulistej powierzchni jądra. Metoda ta, znana jako wyprowadzenie Kapura-Peierlsa, jest nadal stosowana, choć w 1947 roku Wigner i Leonard Eisenbud opracowali szerzej używaną metodę alternatywną.

W 1938 roku Peierls bywał w Kopenhadze, gdzie współpracował z Bohrem i George’em Placzkiem nad pracą o zależności znanej dziś jako relacja Bohra-Peierlsa-Placzka (wiążąca całkowity przekrój czynny z amplitudą rozpraszania do przodu). II wojna światowa wybuchła, zanim zdołano ją opublikować; rozsyłano jednak jej wersje robocze do zaopiniowania i stała się ona jedną z najczęściej cytowanych nieopublikowanych prac wszech czasów. Peierls tłumaczył to później perfekcjonizmem Bohra: kolejnych wersji roboczych nie zdążono uzgodnić, zanim wybuchła wojna, a po wojnie treść pracy była już powszechnie znana. Główne wnioski zdążyli jednak ogłosić w krótkiej nocie do „Nature”, napisanej w czerwcu 1939 roku, gdy Bohr przyjechał do Birmingham po doktorat honorowy i zatrzymał się u Peierlsów wraz z synem Aage. Samą notę opatrzono datą 4 lipca 1939 roku i adresem kopenhaskiego Instytutu Fizyki Teoretycznej. Autorzy zapowiedzieli w niej, że szczegółowy wywód tego i pozostałych argumentów ogłoszą w wydawnictwach Akademii Kopenhaskiej. Do birminghamskiej katedry fizyki dołączył wówczas na kilka lat Egon Orowan, pracujący wcześniej w Berlinie. To z jego inicjatywy Peierls zajął się równaniem opisującym dyslokacje i ogłosił na ten temat krótką pracę, której znaczenie dostrzegł dopiero po latach.

Pomógł Orowanowi w zrozumieniu naprężenia potrzebnego do przesunięcia dyslokacji, co następnie rozwinął Frank Nabarro i co nazwano naprężeniem Peierlsa-Nabarro. Sam wspominał, że o dyslokacjach nie wiedział wówczas nic, znał natomiast klasyczną teorię sprężystości wyniesioną z wykładów Sommerfelda – i to z niej wyprowadził rozwiązanie zadania Orowana. Model Orowana prowadził do nieliniowego równania całkowego, którego Peierls nie umiał rozwiązać. Z fizyki zagadnienia wynikało jednak, że rozwiązanie musi dążyć do stałej wartości dla dużych argumentów dodatnich i do tej samej wartości ze znakiem przeciwnym dla ujemnych, wstawił więc do równania arcus tangens – i funkcja ta okazała się rozwiązaniem. W dalszych przekształceniach zgubił czynnik 2 stojący w dużym wykładniku, a błąd ten poprawił dopiero wiele lat później Nabarro. Czynnik ten, nazwany przez samego Peierlsa katastrofalnym, sprawia, że „siła Peierlsa-Nabarro” jest w większości zastosowań zaniedbywalnie mała. Peierls uważał, że pracę powinien ogłosić Orowan, który wymyślił fizykę zagadnienia, albo że co najwyżej powinna być wspólna, lecz Orowan odmówił.

II wojna światowa

Memorandum Frischa-Peierlsa

Tablica upamiętniająca memorandum Frischa-Peierlsa na gmachu fizyki im. Poyntinga na Uniwersytecie w Birmingham

Po wybuchu II wojny światowej we wrześniu 1939 roku Peierls rozpoczął prace badawcze nad bronią jądrową wspólnie z Ottonem Robertem Frischem. Frisch był Austriakiem, który po dojściu Hitlera do władzy opuścił Niemcy, a do Birmingham przyjechał latem 1939 roku z Kopenhagi i wskutek wybuchu wojny nie mógł już wrócić. Zaprosił go tam Oliphant, a gdy powrót do Danii stał się niemożliwy, Frisch otrzymał w Birmingham posadę, która pozwoliła mu zostać. Było to stanowisko tymczasowe, zwolnione po odejściu jednego z pracowników katedry fizyki. Sam Frisch nazwał tę pracę zajęciem pomocniczego wykładowcy i uznał ją za bardzo nieformalną: po wykładach Oliphanta dla początkujących prowadził spotkania, na których odpowiadał na pytania studentów, którym improwizowany wykład nie wystarczał. Początkowo mieszkał na stancji, później Peierlsowie zaprosili go do siebie i zamieszkał z nimi. Frisch zapamiętał, że Genia prowadziła dom z pogodną energią, mówiła po angielsku z dźwięcznym manchesterskim akcentem i z rosyjską swobodą traktowała przedimek określony.

Wojna uczyniła z Peierlsów obywateli państwa nieprzyjacielskiego. Powołane wkrótce trybunały zaliczyły ich do „kategorii pierwszej”, najmniej dotkliwej – obejmującej cudzoziemców uznanych za godnych zaufania i zwolnionych niemal ze wszystkich ograniczeń. W życiu codziennym oznaczało to niewiele utrudnień, dotkliwie odcięło ich jednak od obrony cywilnej oraz od tajnych prac badawczych prowadzonych na Uniwersytecie w Birmingham. O naturalizację wystąpił w maju 1938 roku. Chciał przy tym z własnej woli zrzec się obywatelstwa niemieckiego, okazało się to jednak technicznie niewykonalne, bo część potrzebnych do tego dokumentów była zarazem wymagana we wniosku naturalizacyjnym. Peierls został naturalizowany jako poddany brytyjski 27 marca 1940 roku. Wniosek rozpatrzono mimo wstrzymania procedur naturalizacyjnych na czas wojny, ponieważ postępowanie było już niemal zakończone. Obywatelstwo nie otworzyło mu jednak drogi do zespołu radarowego Oliphanta, a gdy gmach Nuffielda przeznaczono na prace tajne, odebrano mu wstęp do budynku i musiał opuścić przydzielony mu tam gabinet.

Bardzo chciał wziąć udział w walce z faszyzmem i militaryzmem, ale jedyną organizacją gotową go przyjąć była Pomocnicza Służba Pożarnicza. Genia zgłosiła się w 1939 roku do pracy pielęgniarskiej. W Anglii nie uznano kwalifikacji zdobytych na studiach w Leningradzie, więc ukończyła kursy stowarzyszenia St John Ambulance i Brytyjskiego Czerwonego Krzyża, a jako pielęgniarka pracowała do 1941 roku. Potem zatrudniła się w birminghamskiej fabryce przy trasowaniu i ustawianiu obrabiarek, awansowała na brygadzistkę hali montażowej, a następnie na inżynierkę planowania. Pracę tę przerwał dopiero wyjazd Peierlsów do Stanów Zjednoczonych w 1943 roku. Kwestionariusz bezpieczeństwa, wypełniony przez nią 11 lipca 1944 roku w Los Alamos, wymienia szpital w Birmingham jako miejsce pracy w latach 1939–1941, a w latach 1941–1943 – stanowisko inżynierki planowania w tamtejszych zakładach General Electric. Obywatelstwo brytyjskie otrzymała w marcu 1940 roku, w tym samym czasie co mąż.

Przyjął ofertę Uniwersytetu w Toronto i wysłał dwoje swoich dzieci do rodziny w Kanadzie. Zanim wybór padł na Kanadę, Rose i Hans Bethe zaproponowali, że wezmą Gaby i Ronniego do siebie, do Ithaki w stanie Nowy Jork. Genia mogła wyjechać razem z nimi, ale odmówiła, tłumacząc, że nie zniosłaby czytania w gazetach o upadku Europy i chce być na miejscu. Peierls tłumaczył później, że skorzystali z zaproszenia nie tyle z obawy przed bombardowaniami, ile dlatego, że latem 1940 roku inwazja wydawała się całkiem realna. Oboje byli Żydami – on Niemcem, ona Rosjanką – i nie dawali sobie w takich warunkach wielkich szans.

Wzór na rozmiar krytyczny

Jeszcze przed powstaniem memorandum Peierls wyprowadził własny wzór na rozmiar krytyczny i ogłosił go w 1939 roku w „Proceedings of the Cambridge Philosophical Society” pod tytułem Critical conditions in neutron multiplication, w tomie 35 na stronach 610–615. Punktem wyjścia była praca francuskiego teoretyka Francisa Perrina. Obliczono w niej rozmiar krytyczny przy założeniu, że bryła jest duża w porównaniu ze średnią drogą swobodną neutronu. Perrin rozważał uran naturalny i otrzymał promień krytyczny 130 cm oraz masę krytyczną 40 ton, z czego wyprowadził wniosek, że reakcja łańcuchowa na neutronach prędkich jest w uranie naturalnym niemożliwa. Peierls podejrzewał, że to właśnie przybliżenie odpowiada za ostrą granicę między stanem podkrytycznym a nadkrytycznym, i rozwiązał zagadnienie dokładniej. Wynik zaniepokoił go na tyle, że przed publikacją zasięgnął rady Frischa.

W ogłoszonej pracy nie podał jednak żadnej liczby dla uranu – oszacowanie masy krytycznej pozostawił Frischowi. Wynik sformułował bezwymiarowo, jako zależność między promieniem kuli a średnią drogą swobodną neutronu, i otrzymał go przez interpolację między przybliżeniem słabego a silnego powielania. Rozpatrzył przy tym tylko przypadek uproszczony, w którym wszystkie neutrony mają tę samą prędkość, zaznaczając, że w uranie odpowiadają za zjawisko prawdopodobnie neutrony powolne, a uwzględnienie ich spowalniania prowadzi do zbyt skomplikowanego zagadnienia.

Szacunek masy krytycznej

Kula materiału rozszczepialnego poniżej (u góry) i powyżej (pośrodku) rozmiaru krytycznego. U dołu ten sam skutek – zmniejszenie wymaganej masy – Peierls uzyskał, otaczając uran materiałem odbijającym neutrony

W lutym i marcu 1940 roku Peierls i Frisch wspólnie napisali memorandum Frischa-Peierlsa, opatrzone datą „marzec 1940” i tytułem On the Construction of a „Super-bomb”; based on a Nuclear Chain Reaction in Uranium, które Peierls przepisał na maszynie. Ta krótka praca jako pierwsza wykazała, że bombę atomową można zbudować z niewielkiej ilości rozszczepialnego uranu-235. Chodziło o masę krytyczną, czyli najmniejszą masę materiału rozszczepialnego, przy której jądrowa reakcja łańcuchowa może się utrzymać. Na podstawie dostępnych informacji obliczyli, że potrzeba by mniej niż 1 kg, czyli kuli metalicznego uranu-235 o promieniu około 2,1 cm. Promień krytyczny wypadł im równy 0,8 średniej drogi swobodnej neutronu, a ta przy przyjętej gęstości metalicznego uranu 15 g/cm³ wynosiła 2,6 cm. Kuli o promieniu 2,1 cm odpowiadała masa 600 g, za odpowiedni rozmiar ładunku uznali jednak około 1 kg. Do tak małej wartości doszli dlatego, że jako pierwsi uwzględnili rozszczepienie uranu-235 prędkimi neutronami. Szacunek ten był mimo to mocno zaniżony – przyjęli o rząd wielkości za duży przekrój czynny na rozszczepienie, a masa krytyczna nieosłoniętej kuli uranu-235 wynosi około 52 kg. Do tego czasu zakładano jednak, że taka bomba wymagałaby wielu ton uranu, a zatem jej zbudowanie i użycie byłoby praktycznie niewykonalne.

Użyta przez nich wartość 10 barnów pochodziła z ogłoszonego w 1939 roku w „Nature” pomiaru rozpraszania prędkich neutronów na jądrach uranu. Wykonano go na nierozdzielonym tlenku uranu i mierzył on w istocie przekrój czynny całkowity, a nie sam przekrój na rozszczepienie, który dla uranu-235 i prędkich neutronów wynosi około 1,24 barna. Jeremy Bernstein, który przeanalizował memorandum zdanie po zdaniu, uznał ten właśnie akapit za najdonioślejszy w całym tekście, a zarazem w znacznej mierze błędny.

Sam Peierls wspominał po latach, skąd wzięli wartość przekroju czynnego. Z pracy Bohra i Wheelera zdawało im się wynikać, że dla neutronów w uranie-235 o przekroju czynnym rozstrzyga rozszczepienie, a rozpraszanie i wychwyt z emisją promieniowania gamma są pomijalne. Przekrój całkowity dla niezbyt małych energii przyjęli równy przekrojowi geometrycznemu jądra. Wniosek okazał się nietrafny, choć – jak zaznaczał – wynikał z dosłownego odczytania tamtej pracy. Zawyżenie przekroju czynnego kompensowało w znacznej mierze drugie uproszczenie: wzór, którym się posłużył, dotyczył kuli nieosłoniętej i nie uwzględniał otoczenia ładunku reflektorem.

W komentarzu, który ogłosił w wydanym pośmiertnie w 1997 roku zbiorze swoich prac, Peierls przedstawił tę pomyłkę inaczej. Przyrównanie przekroju czynnego na rozszczepienie do przekroju geometrycznego jądra uznał za słuszne, a błąd sprowadzał się jego zdaniem do „głupiej pomyłki” w wartości tego drugiego: przyjęto 10 barnów zamiast 3. Masa krytyczna jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi przekroju czynnego, więc różnica ta zmieniała wynik zasadniczo.

Już po wysłaniu memorandum Frisch zmierzył wydajność rozszczepienia i otrzymał wartość mniejszą od spodziewanej, z czego wynikało, że potrzebna masa uranu-235 jest większa, niż obaj przyjęli. Mniej więcej w tym samym czasie Peierls znalazł jednak prosty sposób na jej zmniejszenie: otoczenie uranu materiałem zawracającym część neutronów, tak by nie uciekały bezużytecznie. Zdaniem Frischa dzięki temu potrzebna masa wypadła ostatecznie niewiele większa niż w pierwotnym oszacowaniu.

Skutki wybuchu i część nietechniczna

W dalszej części memorandum autorzy oszacowali siłę wybuchu oraz jego skutki fizyczne, wojskowe i polityczne. W części technicznej energię wyzwoloną przez ładunek 5 kg przyrównali do kilku tysięcy ton dynamitu. W części nietechnicznej podali dla takiej bomby niższy szacunek, około 1000 ton dynamitu. Zaznaczyli, że kulę trzeba wykonać z dwóch lub większej liczby części, łączonych sprężynami dopiero w chwili wybuchu, a reakcję zapoczątkuje któryś z neutronów promieniowania kosmicznego stale przechodzących przez ładunek. Do rozdzielenia izotopów przewidywali dyfuzję termiczną i szacowali, że uzyskanie 100 g uranu-235 o czystości 90% na dobę wymagałoby około 100 000 rurek rozdzielających.

Memorandum składało się z dwóch części: technicznej, zawierającej wywód, i nietechnicznej, streszczającej wnioski. W tej drugiej autorzy omówili promieniotwórczość i rozprzestrzenianie się opadu. Oceniali, że substancje promieniotwórcze powstałe w wybuchu wypromieniują około 20% wyzwolonej energii, że dobę po wybuchu promieniowanie będzie odpowiadać stu tonom radu i że skuteczna ochrona przed nim jest właściwie niemożliwa. Postulowali powołanie oddziałów, które pomiarami jonizacyjnymi wyznaczałyby zasięg strefy zagrożenia i nie dopuszczały do niej ludzi. Przyjętą przez siebie dawkę śmiertelną 1000 rentgenów uważali za oszacowanie niepewne i wzywali do dalszych badań biologicznych.

Wskazali, że użycie takiej broni pochłonęłoby najpewniej wiele ofiar wśród ludności cywilnej i „może to czynić ją bronią nieodpowiednią dla tego kraju”. Dowodzili zarazem, że wobec braku skutecznej obrony innej niż groźba odwetu tą samą bronią warto ją opracować jako środek odstraszania. Ostrzegali też, że skoro wszystkie dane teoretyczne zagadnienia są opublikowane, Niemcy mogą już nad taką bronią pracować. Jako wskazówki wywiadowcze wymienili eksploatację kopalni uranu pod kontrolą niemiecką, głównie w Czechosłowacji, oraz miejsce pobytu Klausa Clusiusa, profesora chemii fizycznej w Monachium, którego uważali za twórcę najlepszej metody rozdzielania izotopów. Nalegali też, by raport pozostał tajny, bo być może nikt w Niemczech jeszcze na ten pomysł nie wpadł.

Tekst przepisali sami, nie powierzając go sekretarce, i sporządzili tylko jedną kopię przez kalkę. Po zniesieniu klauzuli tajności część nietechniczna okazała się zaginiona. Część techniczną przedrukowała Margaret Gowing w dodatku do Britain and Atomic Energy 1939–1945 (1964), a odnalezioną później część drugą, zatytułowaną The Properties of a radioactive „Super-bomb”, ogłosił Ronald Clark na stronach 215–217 biografii Tizard (1965). Wersja ogłoszona w 1992 roku przez Roberta Serbera w The Los Alamos Primer zawiera istotne błędy: zniekształcony wzór na energię wyzwoloną przed rozerwaniem ładunku oraz „średnicę” kuli w miejsce jej promienia. Nie ma ich ani w rękopisie przechowywanym w Bibliotece Bodlejańskiej w Oksfordzie, ani w przedruku Gowing.

Następstwa

Pierwsza strona jednego z dwóch raportów Komitetu MAUD z 1941 roku. Wskutek memorandum Frischa-Peierlsa komitet kontynuował i rozszerzył prace, a obaj autorzy memorandum uczestniczyli w przygotowaniu raportu

Memorandum Frischa-Peierlsa odegrało kluczową rolę w rozbudzeniu zainteresowania bronią atomową najpierw wśród władz brytyjskich, a później amerykańskich. Autorzy nie wiedzieli, komu i jaką drogą przesłać tajny dokument, oddali go więc Oliphantowi. Ten przekazał go Henry’emu Tizardowi, a Tizard – George’owi P. Thomsonowi, przewodniczącemu komitetu badającego możliwość jądrowej reakcji łańcuchowej. Komitet zajmował się dotąd wyłącznie neutronami powolnymi, nie widział perspektyw powodzenia i szykował się do samorozwiązania. Wskutek memorandum nie tylko kontynuował prace, ale je rozszerzył. W raportach końcowych z czerwca i lipca 1941 roku komitet potwierdził wnioski memorandum: bomba jest wykonalna, choć bardzo kosztowna. W przygotowaniu raportu lipcowego uczestniczyli obaj autorzy memorandum. Był on znacznie dojrzalszy od samego memorandum: sprężyny zastąpiło zbliżanie mas ładunkiem wybuchowym, dyfuzję termiczną – dyfuzja gazowa przez membranę, a masę krytyczną oszacowano na 9–43 kg. Jesienią 1940 roku Tizard poprowadził do Stanów Zjednoczonych misję z udziałem Johna Cockcrofta, która przekazała Amerykanom wstępne ustalenia brytyjskie. Zainteresowanie było niewielkie – Amerykanów zajmowały wówczas radar i energetyczne zastosowania energii jądrowej. Oliphant pojechał za ocean osobno, w sierpniu i wrześniu 1941 roku, i to on zapoznał tamtejszych uczonych z pracami Komitetu MAUD. Nie ustępował przy tym i zdaniem Bernsteina przyczynił się do wznowienia amerykańskiego programu jak nikt inny. Ustalenia komitetu trafiły do Stanów Zjednoczonych w jego raporcie końcowym, przekazanym formalnie stronie amerykańskiej dopiero na początku października 1941 roku, i stały się ważnym impulsem do powołania projektu Manhattan oraz późniejszego opracowania bomby atomowej. Dzięki memorandum Frischa-Peierlsa i raportowi Komitetu MAUD brytyjscy i amerykańscy naukowcy mogli się już zastanawiać nie nad tym, czy bombę da się zbudować, lecz jak to zrobić. Historyk Tomasz Targański zestawia memorandum z listem Alberta Einsteina i Leó Szilárda do prezydenta Franklina Delano Roosevelta z 1939 roku: uważa, że to właśnie memorandum równie dobrze można uznać za „kamień, który poruszył lawinę”.

Ze względów bezpieczeństwa Frischa i Peierlsa początkowo wykluczono z Komitetu MAUD, ale wkrótce zmieniono tę decyzję i przyjęto ich do jego Podkomitetu Technicznego. Zmianę wymusił list samego Peierlsa. Za pośrednictwem Oliphanta przekazano obu autorom, że dalsze prace poprowadzą inni, a oni, jako obecni lub byli obywatele państwa nieprzyjacielskiego, nie będą już o nich informowani. Peierls odpisał wtedy przewodniczącemu komitetu, którego tożsamości jeszcze nie znał, że obaj przemyśleli te zagadnienia głębiej niż ktokolwiek i że kto przeoczył wniosek memorandum, może przeoczyć także inne ważne punkty.

Nie oznaczało to jednak dopuszczenia do prowadzonych w Birmingham prac nad radarem, w których powstawał wówczas magnetron wnękowy. Oliphant obchodził ten zakaz, przedstawiając Peierlsowi zagadnienia radarowe jako abstrakcyjne problemy elektromagnetyzmu. Peierls wiedział, czego one dotyczą, Oliphant wiedział, że on to wie, ale obaj zachowywali pozory, jakich wymagały przepisy bezpieczeństwa. Frisch, obecny przy jednej z takich rozmów, zapamiętał, że przy popołudniowej herbacie Oliphant zapytał Peierlsa, czy poradziłby sobie z rozwiązaniem równań Maxwella dla wnęki o przewodzących ściankach w kształcie półkuli. Dzień lub dwa później Peierls przyniósł rozwiązanie. Gdy we wrześniu 1940 roku Oliphant udostępnił swoją sekretarkę do przepisania prac Peierlsa i Frischa dla Komitetu MAUD, nie wolno im było wchodzić do gmachu Nuffielda, gdzie pracowała, więc Peierls przekazywał je do przepisania za pomocą dyktafonu na woskowych wałkach.

Frisch i Peierls sądzili początkowo, że wzbogacanie uranu najlepiej przeprowadzić dyfuzją termiczną, ale gdy trudności tej metody stały się wyraźniejsze, przeszli na dyfuzję gazową, wciągając do prac innego uchodźcę z Niemiec, Franza Simona, jako eksperta w tej dziedzinie.

Metoda termodyfuzyjna, opracowana w Niemczech przez Clusiusa i Dickela, była prosta, ale energochłonna i powolna w dochodzeniu do równowagi, a dla jedynego gazowego związku uranu, czyli heksafluorku uranu, efekt okazał się praktycznie zerowy. Gaz ten jest przy tym silnie korozyjny, a w wysokiej temperaturze jego cząsteczki tracą trwałość, więc sami Niemcy porzucili termodyfuzję na rzecz wirówek gazowych. Wybrana w jej miejsce dyfuzja przez membrany o drobnych porach wymagała z kolei operowania gazem silnie korozyjnym, rozkładającym się w zetknięciu z parą wodną, przy czym masy obu izotopów różniły się zaledwie o 1%. To Peierls wskazał Simona jako właściwego eksperta i przekonał do tego Chadwicka, a ten Thomsona. Nie był wtedy jeszcze członkiem komitetu i obawiał się, że Thomson przeforsuje własnego kandydata, dlatego odwołał się do Chadwicka. Aby móc poświęcić się zagadnieniom teoretycznym, Peierls wystąpił o zwolnienie z obowiązków dydaktycznych i uzyskał je. Wykłady przejął po nim młody teoretyk z Imperial College J. G. Kynch, który jako odmawiający służby wojskowej ze względu na przekonania nie podlegał ani poborowi, ani pracy wojennej. Zatrudniony początkowo tymczasowo, Kynch pozostał w Birmingham do 1952 roku.

W maju 1941 roku Peierls zwerbował także kolejnego uchodźcę z Niemiec, Klausa Fuchsa, na swojego asystenta. Fuchs objął tę funkcję 28 maja 1941 roku, a obywatelstwo brytyjskie otrzymał trzy tygodnie później, 18 czerwca. Propozycję złożył mu listownie 10 maja 1941 roku, oferując 275 funtów rocznie – więcej, niż Fuchs zarabiał dotąd kiedykolwiek. Na decyzję wpłynęła dobra opinia, jaką Fuchsowi wystawił Max Born, u którego był wcześniej asystentem na Uniwersytecie Edynburskim. Pod koniec 1941 roku obaj przygotowali dla dyrekcji Tube Alloys raport Separation of Isotopes. Rozdzielanie izotopów potraktowali w nim jako usuwanie nieuporządkowania powstałego przy ich zmieszaniu i wprowadzili miarę wydajności urządzenia rozdzielającego, opartą na spadku entropii mieszania – performance factor, a w postaci bezwymiarowej separating power.

Projekt Manhattan

W wyniku ustaleń Komitetu MAUD utworzono nową dyrekcję pod nazwą Tube Alloys, która miała koordynować prace nad bronią jądrową. Nadzór nad nią z ramienia rządu objął sir John Anderson, lord przewodniczący Rady, a dyrektorem Tube Alloys mianowano Wallace’a Akersa z Imperial Chemical Industries (ICI). Peierlsa, Chadwicka, Simona i Hansa von Halbana powołano do jego Komitetu Technicznego, któremu przewodniczył Akers. W jego pierwszym posiedzeniu, w listopadzie 1941 roku, uczestniczyło dwóch amerykańskich gości: Harold Urey i George B. Pegram. Obaj byli z Uniwersytetu Columbia i wynieśli z posiedzenia wrażenie, że rząd brytyjski traktuje przedsięwzięcie bardzo poważnie. Przekazana przez nich relacja przyczyniła się, jak się uważa, do podjętej mniej więcej w tym czasie decyzji o przyspieszeniu prac amerykańskich. Zapytany przez wywiad, jak ustalić, co robią Niemcy, Peierls zaproponował śledzenie przemieszczeń uczonych, którzy braliby udział w takich pracach, i dołączył listę nazwisk, na której czele umieścił Wernera Heisenberga. Sam przeanalizował też ogłaszane co semestr w „Physikalische Zeitschrift” spisy wykładów, sprowadzane za pośrednictwem krajów neutralnych: pokazywały one, że niemal wszyscy niemieccy fizycy pozostają na swoich miejscach i uczą zwykłych przedmiotów, a Heisenberg wykładów nie prowadzi. Wyciągnął stąd wniosek, że Niemcy nie mają przyspieszonego programu ani przedsięwzięcia angażującego uczonych na wielką skalę – obraz ten po wojnie okazał się z grubsza trafny.

W 1942 roku Peierls poleciał do Stanów Zjednoczonych, gdzie odwiedził Ureya i Fermiego w Nowym Jorku, Arthura H. Comptona w Chicago, Roberta Oppenheimera w Berkeley i Jessego Beamsa w Charlottesville w Wirginii. Wyjazd miał charakter delegacji: obok Peierlsa weszli do niej Akers, Halban i Simon. Uzgodniono ją w grudniu 1941 roku, a trzej pozostali wyjechali w styczniu 1942 roku. Peierls dołączył później. Peierlsa skierowano inną trasą niż pozostałych, którzy lecieli przez Lizbonę. Miasto to roiło się od szpiegów obserwujących podróżnych, a zainteresowanie Peierlsa fizyką jądrową było znane. Atlantyk przeleciał bombowcem Liberator startującym z Prestwick pod Glasgow, w kabinie bez hermetyzacji, w masce tlenowej i bez prawa do snu przez szesnaście godzin lotu. Peierls wspominał, że powiedział Comptonowi w Chicago, iż nikt w organizacji amerykańskiej nie zajmuje się poważnie samą bronią, zależną od fizyki neutronów prędkich. Po powrocie do Nowego Jorku wezwano go na kolejną rozmowę do Chicago, gdzie uzgodnił z Comptonem, że kierownictwo tych prac należy powierzyć Oppenheimerowi. Wkrótce potem Oppenheimera poproszono o utworzenie komitetu do spraw neutronów prędkich i konstrukcji broni. Oppenheimera znał jeszcze z czasów lipskich i zuryskich.

Trudnym zagadnieniem był czas, po którym zakład separacyjny zaczyna dawać produkt o docelowym stężeniu. Zależy on od ilości materiału stale znajdującego się w zakładzie, a Peierls oszacował go intuicyjnie za wysoko i przez to za nisko ocenił dopuszczalną zawartość materiału. Skłoniło to Simona do niepotrzebnego naciskania na zwartość konstrukcji, choć część wynikłych stąd rozwiązań przydała się w powojennym zakładzie brytyjskim. Gdy George Kistiakowsky przekonywał, że broń jądrowa wyrządzi niewielkie szkody, ponieważ większość energii zostałaby zużyta na ogrzanie powietrza, tezę tę obalił Geoffrey Taylor, podając eleganckie, ścisłe rozwiązanie hydrodynamiczne zagadnienia fali podmuchowej. Aby uściślić jego przybliżony rachunek, trzeba było ustalić zachowanie powietrza w bardzo wysokich temperaturach i ciśnieniach – i tę część wykonali wspólnie Fuchs, Kynch i Peierls. Dokładniejsze rozwiązanie wymagało numerycznego całkowania równania różniczkowego cząstkowego. Peierls przetestował metodę krokową na najprostszym równaniu falowym o znanym rozwiązaniu ścisłym. Okazało się, że procedura odtwarza rozwiązanie dokładne wtedy, gdy krok przestrzenny odpowiada drodze przebytej przez falę w jednym kroku czasowym. Skrócenie kroku czasowego daje wynik przybliżony, a przy jego wydłużeniu procedura staje się niestabilna, tak że błędy narastają i wynik traci sens.

Na mocy układu quebeckiego, podpisanego 19 sierpnia 1943 roku, Tube Alloys połączono z projektem Manhattan. Akers zdążył już, za zgodą Andersona, przesłać do Londynu telegram z poleceniem, by Chadwick, Peierls, Oliphant i Simon natychmiast wyruszyli do Ameryki Północnej i dołączyli do misji brytyjskiej przy projekcie Manhattan. Według Margaret Gowing cała czwórka przybyła w dniu podpisania układu, co Amerykanom wydało się nieprzyzwoitym pośpiechem. Sam Peierls wspominał jednak, że do Waszyngtonu przyjechał z Oliphantem i Simonem, a Chadwick dołączył dopiero dzień później. Do Waszyngtonu pojechali jako misja rozpoznawcza, mająca ustalić rolę Brytyjczyków we wspólnym przedsięwzięciu. Na początku pobytu przyjął ich generał Leslie Groves i wyłożył obowiązujące po stronie amerykańskiej zasady, w tym podział prac na szczelne przedziały. Wymianę ograniczono do metod badanych również w Wielkiej Brytanii, a personel laboratoriów otrzymał od Grovesa instrukcję, że Brytyjczykom „można powiedzieć wszystko, ale nie wolno niczego pokazać”.

Jesienią 1943 roku było już jasne, że najważniejsze postacie programu brytyjskiego dołączą do kolegów w Stanach Zjednoczonych. Postanowiono wówczas wygasić prace w Wielkiej Brytanii poza tym, co mogło się przydać Amerykanom, i odesłać za ocean ludzi zdolnych wesprzeć projekt amerykański. Z grupy teoretycznej wyjechali Peierls i Fuchs, a ponieważ pobyt zapowiadał się długi, wolno im było zabrać rodziny. Kierownictwo pozostałej w Birmingham grupy teoretycznej przejął A. H. Wilson i prowadził ją aż do rozwiązania. Peierlsowie popłynęli za ocean liniowcem „Andes”, przystosowanym do przewozu wojska, i dotarli do Newport News w Wirginii w połowie grudnia 1943 roku. W styczniu 1944 roku zamieszkali przy Riverside Drive na Manhattanie i sprowadzili dzieci z Toronto. Peierlsa przydzielono jako konsultanta do Kellex Corporation, zaangażowanej w projekt K-25, polegający na zaprojektowaniu i budowie amerykańskiego zakładu dyfuzji gazowej. Uzgodniono to po rozmowach, które wraz z Simonem odbył we wrześniu 1943 roku z kierownictwem amerykańskiego programu dyfuzyjnego.

Podkomitet techniczny Połączonego Komitetu Politycznego, powołanego układem quebeckim, na posiedzeniu 10 września 1943 roku zalecił, by brytyjskimi przedstawicielami w Los Alamos zostali Chadwick i Peierls. Peierls miał ponadto wejść z Simonem, Ureyem i kierującym Kelleksem Percivalem C. Keithem do komitetu do spraw dyfuzji gazowej, a z Oliphantem i Simonem – do komitetu rozstrzygającego o zakresie wymiany informacji o wirówkach i dyfuzji termicznej. Kellex mieścił się w Woolworth Building, natomiast Peierls i Nicholas Kurti mieli biura na dwudziestym piątym piętrze budynku brytyjskiej misji zaopatrzeniowej na Wall Street. Na zmiany zwiększające wydajność zakładu było już za późno, bo zamówienia na części zostały złożone. Brytyjczycy mogli natomiast wnieść badaną wcześniej w Birmingham analizę stabilności instalacji. Inżynierowie chemiczni umieli analizować reakcję zakładu na drobne zmiany w pracy jego elementów, ale nie mieli dotąd do czynienia z instalacją o tysiącach stopni połączonych szeregowo. Ponieważ warunki zmieniają się między kolejnymi stopniami niewiele, Peierls potraktował je jako ciągłe i otrzymał łatwe do rozwiązania równania różniczkowe. Metodę uznawano najpierw za zbyt wyrafinowaną – kolejno w Anglii, w Kellex i w firmie Carbide & Carbon – i za każdym razem sięgano po nią po paru dniach prób na desce kreślarskiej. Dołączyli tam do nich Tony Skyrme z Birmingham oraz Frank Kearton, baron Kearton, który przyjechał w marcu 1944 roku jako stały łącznik techniczny. Kurti wrócił do Anglii w kwietniu 1944 roku, a Kearton we wrześniu.

Procedury wymiany informacji, które weszły w życie 14 grudnia 1943 roku, przewidywały dla Peierlsa pracę z Kelleksem nad metodą dyfuzyjną i omawianie z amerykańskimi uczonymi teoretycznych zagadnień konstrukcji bomby, zabraniały mu jednak odwiedzania Los Alamos. Ograniczenie to nie utrzymało się jednak długo. Peierls odwiedził Laboratorium w Los Alamos po raz pierwszy, na krótko, 8 lutego 1944 roku, a na stałe przeniósł się tam 1 czerwca, obejmując kierownictwo grupy teorii implozji. Skyrme podążył za nim w lipcu, a Fuchs w sierpniu. Peierls zażądał, by Fuchs towarzyszył mu w Los Alamos jako niezbędny asystent.

W Los Alamos misja brytyjska została w pełni zintegrowana z laboratorium, a brytyjscy naukowcy pracowali w większości jego wydziałów. Wykluczono ich jedynie z chemii plutonu. Gdy Oppenheimer mianował Bethego kierownikiem prestiżowego Wydziału Teoretycznego (T) laboratorium, uraził Edwarda Tellera, któremu przydzielono własną grupę, mającą badać bombę „Super” Tellera. Oppenheimer napisał następnie do dyrektora projektu Manhattan, generała brygady Leslie’ego R. Grovesa juniora, z prośbą o przysłanie Peierlsa, by zajął miejsce Tellera w Wydziale T. Laboratorium pilnie potrzebowało wtedy numerycznych rozwiązań równań implozji, czyli fali uderzeniowej, która, biegnąc do wnętrza plutonu, miała doprowadzić go do stanu nadkrytycznego. Równanie to miało tę samą postać co równanie fali podmuchowej w powietrzu, na którym Peierls przeprowadził swoje eksperymenty numeryczne. Gdy Chadwick przeniósł się do Waszyngtonu, by mieć bezpośredni kontakt z Grovesem, Peierls zastąpił go na stanowisku szefa misji brytyjskiej w Los Alamos. Rola ta obejmowała nie tylko naukowe, ale i osobiste sprawy grupy brytyjskiej – jak pisał, przekonał się o tym dopiero jako zastępca Chadwicka.

Brytyjscy uczestnicy prac nad bronią jądrową odznaczeni amerykańskim Medalem Wolności, 1946. Od lewej William Penney, Otto Frisch, Peierls i John Cockcroft

Peierls został także kierownikiem Grupy T-1 (Implozja), nazywanej też sekcją dynamiki implozji, zajmującej się teorią i obliczeniami hydrodynamiki implozji; uczestniczył w pracach teoretycznych nad soczewkami wybuchowymi stosowanymi w broni jądrowej typu implozyjnego do wytworzenia zbieżnej, kulistej fali detonacyjnej. Sama potrzeba implozji wynikła z własności plutonu. Sprawdzony dla uranu-235 sposób zapoczątkowania wybuchu, czyli wystrzelenie w lufie jednej podkrytycznej bryły w drugą, okazał się dla niego za wolny. Odpowiadał za to pluton-240, izotop powstający w reaktorach produkcyjnych obok plutonu-239 i ulegający samorzutnemu rozszczepieniu z nieoczekiwanie dużą częstością. Groziło to tym, że reakcja łańcuchowa ruszy tuż po przekroczeniu stanu krytycznego, dając wybuch o znikomej sprawności. Rozwiązaniem była powłoka plutonowa w otoczce z materiału wybuchowego, którego detonacja biegnąca do środka zgniata ją w zwartą bryłę. Trudność polegała nie tylko na wytworzeniu zbieżnej, kulistej fali detonacyjnej, ale i na tym, że nie wiadomo było nawet, czy taka fala pozostanie stabilna. Regularnie wysyłał raporty do przebywającego w Waszyngtonie Chadwicka, szefa misji brytyjskiej przy projekcie Manhattan. Gdy Groves się o tym dowiedział, poprosił Peierlsa, by przysyłał raporty również jemu. Peierls był wśród obecnych podczas próby jądrowej Trinity 16 lipca 1945 roku. Jako jeden z uczonych niezaangażowanych bezpośrednio w próbę obserwował ją przez ciemne szkło ze wzgórza oddalonego o około 20 mil (32 km) od stalowej wieży z ładunkiem. Dźwięk dotarł tam po mniej więcej dwóch minutach i nie zrobił na obserwatorach wrażenia. Przed wyjazdem przekazał obowiązki kierownika grupy Fredowi Reinesowi, późniejszemu współodkrywcy neutrina. Wrócił do Anglii w styczniu 1946 roku. Za zasługi dla projektu broni jądrowej został mianowany Komandorem Orderu Imperium Brytyjskiego w ramach noworocznej listy odznaczeń z 1946 roku, a w 1946 roku otrzymał amerykański Medal Wolności ze Srebrną Palmą.

O następstwach budowy i użycia broni jądrowej myślał z niepokojem od chwili, gdy uznał bombę rozszczepieniową za wykonalną. Memorandum napisane z Frischem zawierało nietypową część „nienaukową”, poświęconą właśnie temu, co taka broń oznacza. Mimo to uważał, że Wielka Brytania i Stany Zjednoczone muszą ją zbudować: najpierw na wypadek, gdyby uprzedziły je Niemcy, a po kapitulacji Niemiec dlatego, że jej użycie mogło skrócić wojnę na Pacyfiku i ocalić życie wielu ludziom. Bronił tej decyzji jeszcze w 1986 roku. Argumentował, że naloty i zabijanie ludności cywilnej były wówczas czymś powszednim, a liczba zabitych i rannych w Hiroszimie nie była większa niż w typowym nalocie zapalającym na Tokio. O różnicy nie przesądziła więc skala strat, lecz to, że ten jeden nalot pomógł zakończyć wojnę. Dochodził do tego argument, że skoro odkrycia rozszczepienia nie da się „cofnąć”, ktoś prędzej czy później i tak by ją zbudował. Jak sam to później ujął, jego praca nad bronią jądrową ustała w 1945 roku, ale niepokój o broń, którą pomógł stworzyć, nie ustał. Zwolennikiem rozbrojenia jądrowego stał się nie z poczucia winy, lecz z przekonania o niebezpieczeństwie nieodpowiedzialnej polityki atomowej.

Okres powojenny

Birmingham

Paul Dirac, Wolfgang Pauli i Rudolf Peierls, ok. 1953

Po wojnie Peierls otrzymał oferty z kilku uniwersytetów: z Oksfordu, Manchesteru, Londynu i Cambridge. Poważnie rozważał propozycję objęcia stanowiska w Cambridge, złożoną przez Williama Lawrence’a Bragga, zdecydował się jednak wrócić do Birmingham. Na decyzję dał sobie tydzień. Wzorem Robinsona Crusoe rozdzielił kartkę pionową kreską i wypisał po jednej stronie racje za pozostaniem w Birmingham, po drugiej za przenosinami do Cambridge. Pierwsza lista okazała się dłuższa. Miał wyrazisty pogląd na to, czego brytyjskiej fizyce teoretycznej potrzeba: elastycznego i wyważonego systemu, który zapewnia dobre wykształcenie i wysoki poziom, nie stawiając przy tym w gorszej sytuacji studentów spoza Oksfordu i Cambridge. Peierls i jego współpracownicy ogłaszali w tym okresie prace o siłach jądrowych, rozpraszaniu, kwantowych teoriach pola, ruchu kolektywnym w jądrach atomowych, teorii transportu i mechanice statystycznej.

Fizykę ciała stałego Peierls miał już w dużej mierze za sobą, gdy w 1953 roku zaczął zbierać w książkę notatki z wykładów, które wygłosił na ten temat we francuskiej szkole letniej w Les Houches koło Chamonix. Rozważając na nowo sposób, w jaki ułożone są atomy w kryształach metali, dostrzegł pewną niestabilność. W idealnym jednowymiarowym łańcuchu atomów jednakowe odstępy między nimi mogą okazać się nietrwałe: nieznaczne przesunięcie atomów obniża energię układu, a zarazem zmienia jego własności elektryczne. Zjawisko to stało się znane jako przejście Peierlsa. W niestabilności Peierlsa oddziaływanie między elektronami a fononami prowadzi – obok przemiany metalu w izolator – do strukturalnej przemiany fazowej. Peierls wykazał, że jednowymiarowy kryształ z elektronami przewodnictwa jest niestabilny względem deformacji o wektorze falowym równym podwojonemu wektorowi falowemu Fermiego. W szczególnym przypadku pasma zapełnionego do połowy deformacja sprowadza się do przesunięcia co drugiego atomu, czyli połączenia atomów w pary. Zmiana energii elektronowej zawiera wtedy dla małego przesunięcia ujemny składnik proporcjonalny do jego kwadratu pomnożonego przez logarytm wartości bezwzględnej przesunięcia, a przeciwdziałający mu dodatni koszt odkształcenia sieci jest proporcjonalny do samego kwadratu. Ponieważ wartość bezwzględna logarytmu rośnie, gdy przesunięcie dąży do zera, przy dostatecznie małym odkształceniu człon elektronowy przeważa nad odpychaniem jonowym. Rozumowanie zakłada przy tym nieruchome jądra atomowe, czyli przybliżenie adiabatyczne.

Ściśle jednowymiarowe kryształy w przyrodzie nie występują, ale w przewodnikach quasijednowymiarowych obserwuje się przewidziane w ten sposób fale gęstości ładunku – okresowe zagęszczenia i rozrzedzenia elektronów wzdłuż łańcucha atomów. Sam Peierls zastrzegał zarazem, że w krysztale trójwymiarowym powierzchnia Fermiego jest z konieczności zakrzywiona i nie może dokładnie pokryć się z płaszczyzną nieciągłości. Człon logarytmiczny wtedy znika, a z nim wniosek, że układ okresowy musi być niestabilny. Wspominał, że niestabilność ta zaskoczyła go zupełnie, gdy porządkował materiał do swoich książek, i że długo musiał się upewniać, czy rozumowanie jest poprawne. Uznał ją wtedy za wynik czysto akademicki i nie ogłosił osobno. W Quantum Theory of Solids poprzestał na krótkiej wzmiance w ostatnim akapicie strony 110, w której nie było nawet mowy o zachowaniu logarytmicznym. Osobno wyłożył ten argument dopiero w More Surprises in Theoretical Physics z 1991 roku.

Przez analogię do tego zjawiska nazwano spinowy stan Peierlsa: uporządkowanie w łańcuchach spinowych, przewidziane teoretycznie w 1962 roku i potwierdzone doświadczalnie w 1975 roku, w soli organicznej z przeniesieniem ładunku. Zjawisko weszło też do terminologii chemicznej: słownik pojęć chemicznych Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) ma trzy hasła z nazwiskiem Peierlsa. Pod nazwą Peierls distortion opisuje samą deformację i wskazuje, że dla związków łańcuchowych jest ona odpowiednikiem efektu Jahna-Tellera znanego z cząsteczek. Pod nazwą Peierls transition definiuje zaś samo przejście: przemianę metalu w izolator w ciałach quasijednowymiarowych, w której deformacja wydłuża komórkę elementarną, najczęściej przez dimeryzację. Trzecie hasło, spin-Peierls transition, opisuje odpowiednik magnetyczny: przemianę w quasijednowymiarowych materiałach antyferromagnetycznych, w której spadek magnetycznej energii swobodnej przy tworzeniu singletowych par spinowych przeważa nad wzrostem energii swobodnej sieci przy dimeryzacji.

Rękopiśmienne notatki Peierlsa do wykładów o fizyce ciała stałego w Les Houches. Oryginał w bibliotece Instytutu Laue-Langevina w Grenoble

Peierls zbudował w Birmingham ośrodek fizyki matematycznej i teoretycznej, skupiając wokół niego wielu badaczy. Punktem wyjścia była dla niego diagnoza, że w kraju jest za mało fizyków teoretycznych i za mało ośrodków, które mogłyby ich kształcić. Ponieważ do samego nauczania studentów nie trzeba było licznej kadry, wystąpił do uniwersytetu o utworzenie trzech stypendiów badawczych i uzyskał na to zgodę. Prowadzenie takiej działalności w jednej jednostce z matematyką czystą uznano za nieefektywne, powołano więc w 1946 roku odrębną katedrę fizyki matematycznej, a nazwę katedry Peierlsa zmieniono, bo „matematyka stosowana” przestała już pasować. Trudniej było o odpowiedni lokal dla katedry: przez pierwsze lata korzystano z pomieszczeń prowizorycznych, a w 1948 roku postawiono dwa baraki powojskowe. Na początku roku akademickiego 1946/1947 obsadzono trzy stypendia i dodatkowy etat wykładowcy, a do katedry przyjechało pierwszych siedmiu doktorantów. W czasie jego kierownictwa przewinęło się przez katedrę około 180 osób. Peierlsowie słynęli przy tym z gościnności. Nevill Mott wspominał, że kto przyjechał do Birmingham i nie mógł znaleźć kwatery, mógł zawsze zatrzymać się u nich, a wesela kolegów odbywały się zwykle w ich domu. Wśród osób związanych z katedrą byli Gerald E. Brown, Max Krook, Tony Skyrme, Dick Dalitz, Freeman Dyson, Luigi Arialdo Radicati di Brozolo, Stuart Butler, Walter Marshall, Stanley Mandelstam i Elliott H. Lieb.

Za namową Bethego Peierls zorganizował na początku 1949 roku, wspólnie z Oppenheimerem, wówczas dyrektorem Instytutu Badań Zaawansowanych w Princeton, elastyczne stypendium dla Dysona. Młody fizyk miał etat w Birmingham, ale mógł regularnie pracować w Princeton, dzięki czemu ośrodek birminghamski śledził z bliska powstającą właśnie kwantową teorię pola. W zabieganiu o talenty bywał nieszablonowy. Karierę Gerry’ego Browna w Stanach Zjednoczonych postawił pod znakiem zapytania krótki epizod w partii komunistycznej, a Peierls odesłał mu na złożonym blankiecie lotniczym za trzy pensy zaproszenie „Come ahead” („Przyjeżdżaj”). Brown przyjechał w lutym 1950 roku jako uchodźca polityczny i spędził w Birmingham prawie dekadę, po czym w 1960 roku objął profesurę w nordyckim instytucie fizyki teoretycznej NORDITA. Utworzono studia pierwszego stopnia z fizyki matematycznej. Peierls prowadził wykłady z mechaniki kwantowej – przedmiotu, którego przed wojną w Birmingham nie nauczano. Hendrik Casimir, jego następca na asystenturze u Pauliego, wspominał, że Peierls z zasady nie uważał się za specjalistę i widział fizykę teoretyczną jako całość. Starał się to pokazywać także na wykładach, a tematy rozpraw doktorskich jego uczniów były bardzo różnorodne.

W 1947 roku zorganizował w Birmingham ogólnokrajową konferencję fizyki jądrowej, a rok później konferencję międzynarodową, być może pierwszą taką po wojnie. Dalitz, który sam należał do tego grona, podkreślał, że żaden ze studentów nie bał się Peierlsa. Bywał krytyczny, ale ostatecznie zawsze dodawał otuchy, a swojego nazwiska nie żądał na pracach uczniów nawet wtedy, gdy sam podsunął temat i metodę rozwiązania. Za sekret powodzenia Peierlsa uznał to, że ten niemal zawsze wychodził od podstaw, a nie od cudzych wyników – tak powstało memorandum Frischa-Peierlsa, dynamika dyslokacji (z pytania Orowana) i elementarny dowód przejścia fazowego w dwuwymiarowym modelu Isinga. Żona charakteryzowała go jako intelektualnego tenisistę, a nie golfistę: do pracy potrzebował partnerów. Najpierw byli nimi koledzy ze studiów, potem współpracownicy, wreszcie właśni uczniowie, a wiele z jego najważniejszych osiągnięć powstało w bezpośrednim i intensywnym kontakcie z innymi.

Obszerny dom Peierlsów w Edgbaston był miejscem niezliczonych obiadów i przyjęć, na których gospodarze i czworo ich dzieci spotykali się z licznymi gośćmi. Genia była życzliwą i stanowczą organizatorką pobytów przyjezdnych, a Rudolf zawsze znajdował sposób, by komuś pomóc.

W 1946 roku Peierls został konsultantem Atomic Energy Research Establishment w Harwell. Miał też udział w samym tworzeniu tego ośrodka: zasiadał w jego komisjach, m.in. w komisji odpowiedzialnej za projekt zakładu separacji izotopów, gdzie wykorzystał wojenne doświadczenie przy projektowaniu takiej instalacji. Działający tam wydział fizyki teoretycznej rozwinął się i pozostawał w żywej wymianie z katedrą Peierlsa w Birmingham. Gdy w 1950 roku zwolniono Fuchsa z tamtejszego stanowiska kierownika Wydziału Fizyki Teoretycznej, funkcję tę pełnił w niepełnym wymiarze Maurice Pryce, ale gdy wyjechał na roczny urlop naukowy do Ameryki, jego miejsce zajął Peierls. Ostatecznie stanowisko to objął na stałe Brian Flowers, baron Flowers. W 1957 roku na żądanie władz amerykańskich cofnięto mu poświadczenie bezpieczeństwa. Sam Peierls opisywał to jako odebranie wglądu w dokumenty niejawne, zapowiedziane mu listownie jako rutynowa zmiana administracyjna. W istocie amerykańskie służby zażądały, by nie miał już dostępu do ich tajnych materiałów. Powiedziano mu o tym dopiero wtedy, gdy groziło mu niewpuszczenie na konferencję z udziałem Amerykanów w samym Harwell. Peierls zrezygnował z pracy w Harwell, ponieważ uznał, że postępowania sprawdzające prowadzone na żądanie Amerykanów odbywały się niejawnie. Odebrał to jako wyraz braku zaufania ze strony kierownictwa. Zaproszenie do powrotu na stanowisko konsultanta dostał w 1960 roku, ale wtedy odmówił. Ponowną propozycję z 1963 roku przyjął i pozostał konsultantem przez blisko 30 lat.

Swoich poglądów nie ukrywał nawet wtedy, gdy było to dla niego niewygodne. Po odejściu Oliphanta z katedry w Birmingham Peierls wraz z dziekanem wydziału sondował Cecila Powella, czy nie objąłby po nim stanowiska. Gdy część kolegów zwróciła się przeciw tej kandydaturze z powodu lewicowych poglądów Powella i obawy o utratę rządowych zleceń badawczych, Peierls był bliski rezygnacji z pracy na uniwersytecie. Powstrzymało go tylko to, że sprzeciw nie opierał się wyłącznie na uprzedzeniu politycznym. Katedrę objął ostatecznie Philip Moon. Sam Peierls datował ten epizod na około 1953 rok, ale w liście do lorda Portala z 9 kwietnia 1951 roku pisał o nieudanej kandydaturze Powella już w czasie przeszłym. W 1948 roku ogłosił memorandum Our Relations with German Scientists, w którym krytykował sposób przeprowadzenia denazyfikacji nauki niemieckiej. Gdy w grudniu 1953 roku Oppenheimerowi zawieszono poświadczenie bezpieczeństwa, a w czerwcu 1954 roku, po przesłuchaniach, komisja odmówiła jego przywrócenia, Peierls niestrudzenie stawał w obronie przyjaciela. Kierownictwo brytyjskiego programu atomowego miało zastrzeżenia do jego kontaktów z uczonymi radzieckimi i do zamiaru udziału w konferencji w Moskwie. W liście z 1956 roku Peierls odpowiedział, że za nienaruszalne uważa wolność badań naukowych, wolność wymiany informacji naukowej i rzeczowej dyskusji z każdym uczonym, bez względu na osobę, narodowość i stanowisko. Jedyne zastrzeżenie, jakie dopuszczał, to nadrzędny wymóg bezpieczeństwa państwa. Dzięki jego kontaktom z Landauem ukazało się pierwsze angielskie wydanie Kursu fizyki teoretycznej Landaua i Lifszyca, dostępnego wcześniej wyłącznie po rosyjsku. Poprosił też Bohra, by wykorzystał swoją pozycję w ZSRR i pomógł Landauowi wyjechać na Zachód, a Uniwersytet w Birmingham zaprosił Landaua w 1958 roku po doktorat honorowy, zapewne właśnie z jego rekomendacji.

Oksford

Gmach oksfordzkiego Laboratorium Fizyki Jądrowej (dziś Denys Wilkinson Building), sąsiadujący z katedrą fizyki teoretycznej. Po przejściu na emeryturę w 1974 roku Peierls przeniósł się do niego, bo oksfordzki zwyczaj nie pozwala emerytowanemu profesorowi zostać we własnej katedrze

Katedrę Wykeham Professor na Uniwersytecie Oksfordzkim zaproponowano mu w 1961 roku. Po długich negocjacjach zdecydował się na początku 1962 roku, a stanowisko objął jesienią 1963. Pytany o powody przenosin mówił później o potrzebie zmiany po ćwierćwieczu w jednym miejscu, ale chodziło też o wyzwanie: chciał w Oksfordzie powtórzyć to, co udało mu się w Birmingham. Przyjęcie katedry uzależnił od utworzenia nowego stanowiska docenta (ang. reader) i od lokalu dla fizyki teoretycznej, rozproszonej dotąd po pokojach w Laboratorium Clarendona i w innych budynkach uniwersytetu. Wydział ten szybko przerósł liczebnie ośrodek w Birmingham i podzielił się na cztery grupy: fizyki cząstek elementarnych, materii skondensowanej, astrofizyki i fizyki jądrowej, stając się jednym z największych ośrodków fizyki teoretycznej w Europie. Grupą fizyki jądrowej Peierls kierował osobiście. Wydział zajął parę starych domów przy ulicy Parks Road, w połowie drogi między Laboratorium Clarendona a nowym Laboratorium Fizyki Jądrowej. Żeby oddzielenie od doświadczalników nie osłabiło kontaktów z nimi, ustalono, że w fizyce teoretycznej nie będzie popołudniowej herbaty: kto chciał ją wypić, musiał pójść do jednego z laboratoriów doświadczalnych.

W Oksfordzie zastał już grono teoretyków: Dirk ter Haar zajmował się mechaniką statystyczną, Roger Elliott badaniami materii skondensowanej, a David Brink teorią jądra. Uzupełnił je ludźmi, których znał z Birmingham. Z Chicago ściągnął Richarda Dalitza jako profesora Royal Society, a razem z nim weszli do katedry Robin Stinchcombe i Leonardo Castillejo. W 1965 roku docentem został John Clayton Taylor, wkrótce po nim przyszli Ian Aitchison i Jack Paton. Z nowej katedry wyszli późniejszy dyrektor generalny CERN-u Chris Llewellyn Smith oraz dwaj przyszli nobliści, Anthony James Leggett i John M. Kosterlitz.

Rodzinnej atmosfery z Birmingham nie udało się jednak powtórzyć: oksfordzki system kolegiów sprawiał, że pracownicy wydziału jadali obiady każdy w swoim kolegium i brakowało rozmów, które w Birmingham toczyły się przy wspólnym stole. Peierls odpowiedział na to dorocznym przyjęciem wydziałowym na początku roku akademickiego, na którym witano nowych doktorantów, stażystów podoktorskich i gości. W Boże Narodzenie objeżdżał przed południem oksfordzkie kolegia, by zabrać do siebie studentów z zagranicy. Asystent Peierlsa od listopada 1963 roku, R. K. Bhaduri, zapamiętał, że ranki Peierls rezerwował na sprawy administracyjne, a popołudnia zostawiał na rozmowy ze studentami i stażystami podoktorskimi. W każdej dyskusji podchodził do tablicy i wyprowadzał omawiane zależności z pierwszych zasad. Bhaduri uznał też za typowe dla niego to, że podsuwał pomysł i śledził postępy pracy, ale nie dopisywał się do niej jako współautor.

Z problemów badawczych tego okresu zajął go m.in. ciągnący się od 1909 roku spór o pęd światła w ośrodku o danym współczynniku załamania. Szło w nim nie tylko o samą wartość pędu, ale i o to, jaką wielkość fizyczną opisuje każde z dwóch spornych wyrażeń. Ogłoszoną w 1973 roku pracę wspólną ze studentem Michaelem Burtem uznał później za błędną, a kolejną z 1976 roku za niemal poprawną. Błąd polegał na niewłaściwym użyciu relatywistycznego wyrażenia na strumień energii. W pracy z 1976 roku pokazał, że wartość Minkowskiego jest pseudopędem (wielkością, która w opisie fali w ośrodku zachowuje się jak pęd, ale pędem nie jest), a wartość Abrahama – pędem niesionym przez pole, co pierwszy wskazał w 1971 roku F.I. Blount. Pełną odpowiedź dał w pracy z 1985 roku. Ujął w niej rzecz tak, że żadne z dwóch spornych wyrażeń nie podaje właściwego pędu, lecz każde odnosi się do innej wielkości fizycznej. Wartość Abrahama to sama elektromagnetyczna część pędu, bez pędu mechanicznego atomów ośrodka, a wartość Minkowskiego – pseudopęd, i to właśnie ona ma znaczenie w wielu zastosowaniach. To samo ujęcie zastosował do dźwięku, gdzie napotkał podobną niejednoznaczność. W pracy z 1983 roku pokazał, że paczka falowa dźwięku w ośrodku słabo dyspersyjnym na ogół rozdziela się na dwie, o ile drganiom nie towarzyszy ruch nieoscylacyjny. Niesiony przez nią pęd całkowity jest wtedy niejednoznaczny i może w ogóle nie dać się zdefiniować. Na konferencji w Birmingham w 1967 roku wrócił do starego pytania o sprzeczność między odwracalnością w czasie praw mechaniki i elektromagnetyzmu a nieodwracalnością mechaniki statystycznej i termodynamiki. Zastrzegł przy tym, że nie chodzi mu o ówczesne wątpliwości co do niezmienniczości względem odwrócenia czasu w oddziaływaniach słabych. Zwyczajową odpowiedź, że nieodwracalność wnosi dopiero opis statystyczny, uznał za prawdziwą, lecz niewystarczającą, bo nie mówi ona, gdzie i w jaki sposób opis ten rozróżnia przeszłość i przyszłość. Samą sprzeczność wywodził stąd, że stan układu zadaje się zawsze warunkami początkowymi, a nie końcowymi. David Thouless wymieniał z tego samego okresu także prace Peierlsa nad elektromigracją (przemieszczaniem się atomów metalu pod wpływem płynącego prądu) oraz nad własnościami rzeczywistych układów dwuwymiarowych w postaci warstw zaadsorbowanych, które prowadził podczas dłuższych pobytów w Seattle.

Po przenosinach do Oksfordu prace przeglądowe, recenzje i szkice historyczne przeważyły w jego dorobku nad pracami oryginalnymi. Jedną z takich prac był ogłoszony w 1963 roku w „Endeavour” przegląd poświęcony materii jądrowej, w którym opisywał wnętrze ciężkiego jądra jako substancję mającą gęstość, napięcie powierzchniowe i ciepło właściwe – wielkości znane z fizyki zwykłej materii. Nasycenie, czyli brak zapadania się jąder ze wzrostem liczby nukleonów, tłumaczył łącznym działaniem zakazu Pauliego, sił wymiennych Heisenberga i krótkozasięgowego odpychania między nukleonami. Samą materię jądrową uznawał za ciecz kwantową i najbliższej analogii dla niej szukał w ciekłym helu-3, nie w ciele stałym. Rok później tekst ukazał się po polsku w „Postępach Fizyki”, w tłumaczeniu Andrzeja Budzanowskiego.

Pozostał w Oksfordzie do przejścia na emeryturę w 1974 roku. Skończył wtedy 67 lat, czyli osiągnął obowiązujący w Oksfordzie wiek emerytalny. Pożegnano go dwudniowym sympozjum, które Ian Aitchison i Jack Paton zorganizowali 11 i 12 lipca 1974 roku i w którym wzięło udział około dwustu dawnych i ówczesnych członków katedr oksfordzkiej i birminghamskiej oraz przyjaciół, w tym Bethe i Victor Weisskopf. Katedrę objął po nim Roger Elliott. Zgodnie z niepisanym zwyczajem oksfordzkim, który nie pozwala emerytowanemu profesorowi zostać we własnej katedrze, przeniósł się do sąsiadującego z nią Laboratorium Fizyki Jądrowej, a New College wybrał go swoim honorowym członkiem.

Do Seattle przyjechał po raz pierwszy w 1962 roku na miesięczne warsztaty letnie, a w 1967 roku spędził tam półroczny urlop naukowy jako pierwszy Battelle Distinguished Professor – profesor wizytujący finansowany przez Battelle Memorial Institute. Na emeryturze przez trzy lata (1974–1977) wykładał w niepełnym wymiarze na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, gdzie już wcześniej kilka razy gościł. Przyjeżdżał tam co roku od lutego do maja, aż do drugiego przejścia na emeryturę, tym razem w Seattle, w 1977 roku, w wieku 70 lat. W ostatnim roku kolejność była jednak odwrotna: pierwsze trzy miesiące 1977 roku spędził na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, a dopiero stamtąd pojechał wybrzeżem Pacyfiku do Seattle. W pierwszych latach emerytury wykładał też poza Seattle: trzy miesiące na Uniwersytecie w Sydney u swojego dawnego ucznia Stuarta Butlera i cztery miesiące w Lejdzie jako Lorentz Professor. W 1977 roku wygłosił też na Uniwersytecie Cornella pierwszą serię wykładów imienia Hansa Bethego.

Poglądy na fizykę

Schemat doświadczenia Sterna-Gerlacha. Według Peierlsa samo przejście atomu przez niejednorodne pole magnetyczne nie jest jeszcze pomiarem: macierz gęstości zmienia się dopiero wtedy, gdy obserwator pozna wynik

Na emeryturze wrócił też do namysłu nad metodą fizyki. W 1980 roku ogłosił w „Contemporary Physics” półpopularny artykuł Model-making in physics, oparty na Cherwell–Simon Memorial Lecture, wykładzie, który wygłosił w Oksfordzie 4 maja 1979 roku. Wyróżnił w nim siedem typów modeli używanych przez fizyków. Były to: hipoteza, model fenomenologiczny, przybliżenie, uproszczenie, model pouczający, analogia i eksperyment myślowy. Sam zastrzegał, że definicje tych kategorii i przypisanie do nich konkretnych modeli są z natury subiektywne i że czytelnik może woleć inny podział. Polski przekład Zygmunta Ajduka ukazał się w 1984 roku w „Postępach Fizyki”. Do tematu wrócił w 1987 roku w szkicu Models, hypotheses and approximations, ogłoszonym w tomie zbiorowym New Directions in Physics. Zdaniem filozofa nauki Axela Gelferta klasyfikacja ta, choć pozbawiona rygoru filozoficznego, zaskakująco zbiega się ze współczesnymi ujęciami roli modeli w nauce.

W podobnie porządkującym duchu wygłosił w czerwcu 1992 roku w Cambridge, w wieku 85 lat, wykład pamięci Diraca poświęcony złamanym symetriom. Wyróżnił w nim symetrię niepełną, złamaną przez okoliczności oraz złamaną spontanicznie, a w tej ostatniej dwa odrębne rodzaje. Przykładami pierwszego rodzaju były dla niego cząsteczki optycznie czynne i antyferromagnetyzm, drugiego – ferromagnetyzm. Odróżnił od nich przybliżenie łamiące symetrię, w którym symetrię porzuca się celowo, aby łatwiej opisać korelacje – jak w jądrowym modelu powłokowym czy w teorii BCS. Wykład ukazał się w „Contemporary Physics”, a w 1994 roku po polsku w „Postępach Fizyki”, w przekładzie Krzysztofa Burzyńskiego. Z pismem tym związany był nie tylko jako autor: przez wiele lat zasiadał w jego radzie redakcyjnej.

Osobnym wątkiem jego późnych wystąpień były podstawy mechaniki kwantowej. Trzymał się poglądu, że funkcja falowa, a ogólniej macierz gęstości, nie opisuje fizycznej rzeczywistości, lecz stan wiedzy o układzie. Przy takim odczytaniu kłopot z „kolapsem funkcji falowej” znika: zmiana macierzy gęstości po obserwacji nie jest procesem fizycznym i nie ma powodu, by wynikała z równania Schrödingera. Wykładając to w 1985 roku na sympozjum o podstawach fizyki współczesnej, zastrzegał, że nie podaje wyników nowych: argumenty te znano jego zdaniem już w latach trzydziestych XX wieku, a powtarzał je dlatego, że zostały podane w wątpliwość albo źle zrozumiane. Sam pomiar rozkładał na łańcuch korelacji – w doświadczeniu Sterna-Gerlacha przejście atomu przez niejednorodne pole magnetyczne jeszcze pomiarem nie jest, bo nie przynosi żadnej informacji, a macierz gęstości trzeba zmienić dopiero wtedy, gdy obserwator pozna wynik. Dwaj obserwatorzy tego samego układu mogą używać różnych macierzy gęstości, z jednym ograniczeniem: macierze te muszą być przemienne – i tak rozwiązywał paradoks przyjaciela Wignera. O kocie Schrödingera pisał, że w każdej praktycznej realizacji takiego układu koherencja byłaby silnie osłabiona, ale nie potrafił dowieść, że znika całkowicie.

Swoje stanowisko wyłożył też w wywiadzie dla Paula Daviesa i J. R. Browna, ogłoszonym w niemieckim wydaniu zbioru Der Geist im Atom. Sprzeciwiał się w nim samej nazwie „interpretacja kopenhaska”: sugeruje ona, że interpretacji mechaniki kwantowej jest kilka, podczas gdy jego zdaniem sposób rozumienia tej teorii jest tylko jeden, a określenia tego używają głównie filozofowie, nie fizycy. Zaprzeczał też, by kolaps funkcji falowej mogło wywołać urządzenie: aparat fotograficzny albo komputer sam daje się opisać prawami fizyki, więc po naświetleniu kliszy czy zapisaniu informacji obie możliwości pozostają otwarte. Opis kwantowy odnosi się bowiem do wiedzy, a wiedza wymaga kogoś, kto wie – komputer, jak sądził, wiedzieć nie może. Założenie, że istotę żywą da się opisać fizycznie w całości, wraz z jej wiedzą i świadomością, uważał za nie do utrzymania. Doświadczeniom Alaina Aspecta odmawiał wagi odkrycia: potwierdziły przewidywania mechaniki kwantowej i niczego w fizyce nie zmieniły, choć wynik odwrotny wpędziłby ją w poważne kłopoty. Wykazanie, że żadnej sensownej teorii zmiennych ukrytych nie da się pogodzić z tymi wynikami, uważał za dużą zasługę Bella, zauważając przy tym, że wcześniejszy dowód von Neumanna opierał się na założeniu, które nie było konieczne. Zastrzegał zarazem, że doświadczenia obalają teorie zmiennych ukrytych w dotychczasowej postaci, ale ktoś może jeszcze obmyślić teorię z nimi zgodną. Jedną z dróg byłaby rezygnacja z warunku lokalności, czyli dopuszczenie oddziaływania na odległość, które Einstein nazywał „upiornym”. Interpretację wielu światów Everetta odrzucał jako niepotrzebnie komplikującą obraz: mechanikę kwantową porównywał do spisu możliwych wyników dla wszystkich możliwych warunków początkowych i uważał, że nazwanie tego spisu „wieloma światami” niczego nie wnosi.

W styczniu 1991 roku wyłożył te poglądy w „Physics World”, odpowiadając na ogłoszony tam w sierpniu 1990 roku artykuł nieżyjącego już Johna Bella Against „measurement”. Zgadzał się z nim, że nie zna podręcznika, który tłumaczyłby te sprawy zadowalająco, ale nie zgadzał się, że problem jest trudny. Odrzucał też wymóg, przypisywany przez Bella Landauowi i Lifszycowi, a za nimi Bohrowi, by aparatura pomiarowa podlegała fizyce klasycznej. Uważał to za okoliczność praktyczną, nie zasadę. Wyjątek widział tam, gdzie obserwacja rozgrywa się w całości w obszarze kwantowym, jak wtedy, gdy oko obserwatora rejestruje pojedynczy foton. Wiedzę zyskuje wówczas najpierw jedna osoba, która dopiero potem może się nią podzielić. Także w tym wypadku, twierdził Peierls, „nie powstaje żadna nowa trudność zasadnicza”. O teorii de Broglie’a i Bohma pisał, że skoro odtwarza wszystkie przewidywania mechaniki kwantowej, rozstrzygać mogą tylko względy estetyczne, a jemu schemat łączący zmienne ukryte z regułami probabilistycznymi wydaje się „wyjątkowo brzydki”. Sporu o problem pomiaru obaj nie rozstrzygnęli. Argumentami wymieniali się też prywatnie, za pośrednictwem Tony’ego Heya, dawnego doktoranta katedry oksfordzkiej.

Kontrola zbrojeń i ruch Pugwash

Gmach główny uniwersytetu berlińskiego (dziś Uniwersytet Humboldtów) na zdjęciu z 1985 roku. W 1992 roku otwarto w nim konferencję Pugwash, dwudziestą czwartą i ostatnią z udziałem Peierlsa, który po maturze w 1925 roku studiował tu przez dwa semestry

W tworzeniu Atomic Scientists’ Association Peierls miał swój udział, a po powrocie do Wielkiej Brytanii stał się siłą napędową stowarzyszenia. Założył je w 1946 roku Józef Rotblat. Na pierwszym walnym zebraniu 15 czerwca 1946 roku na Uniwersytecie w Birmingham Peierlsa wybrano – obok Oliphanta, Blacketta, Rotblata i Kurtiego – do rady stowarzyszenia, po czym objął jedną z dwóch wiceprezesur wykonawczych. Prezesem został na walnym zebraniu w Oksfordzie pod koniec czerwca 1948 roku, dwukrotnie wybierano go ponownie i pełnił tę funkcję do października 1950 roku, kiedy wrócił do grona wiceprezesów. Richard Dalitz przedstawiał to inaczej: według niego Peierls współtworzył stowarzyszenie zaraz po powrocie do Birmingham i był jego pierwszym, pełniącym obowiązki prezesem. Powrót ten Dalitz datuje na 1945 rok, podczas gdy według Ferenca Szasza nastąpił w styczniu 1946 roku. Stowarzyszenie stawiało sobie za cel edukowanie społeczeństwa w sprawach energii jądrowej i wypracowanie możliwej do przyjęcia formy kontroli. Cele te – obok doradzania decydentom politycznym – ukształtowały się w znacznej mierze pod wpływem poglądów Peierlsa.

Jako wiceprezes włączył się w spór o klauzulę o tajemnicy w uchwalanej w 1946 roku brytyjskiej ustawie o energii atomowej. W czerwcu 1946 roku wraz z Harriem Masseyem spotkał się w tej sprawie z parlamentarnym komitetem New Commonwealth, zarzucając projektowi „bardzo mgliste” sformułowania, które mogłyby zahamować badania podstawowe. W październiku 1946 roku wraz z Philipem Moonem ogłosił w imieniu stowarzyszenia list do redakcji „The Timesa”, wytykając ustawie brak trybu zasięgania opinii ekspertów. O klauzuli o tajemnicy pisali, że „będzie powstrzymywać swobodną dyskusję między współpracownikami w dziedzinach badań graniczących z energią atomową”, obejmujących znaczną część fizyki, chemii i inżynierii. Przeszkodę tę uznali za zbyt wysoką cenę za utrzymanie w tajemnicy ułamka przyszłych odkryć.

Peierls bronił przy tym idei nauki „niepolitycznej”. W liście do Chadwicka z lutego 1946 roku wyraził zaniepokojenie zależnością stowarzyszenia od lewicowego Association of Scientific Workers, bo „taki związek tylko zraziłby pewnych ludzi”. Uznał, że organizacja ta łączy dwa obszary, polityczny i naukowy, które „do siebie nie pasują i powinny być prowadzone przez odrębne ciała”. Obstawał też przy oddzieleniu stwierdzeń o faktach naukowych od poglądów samych uczonych. Zdaniem historyka Christopha Lauchta Peierls nie tylko nie ufał lewicowemu aktywizmowi politycznemu, lecz żywił ogólną nieufność wobec angażowania się uczonych w politykę. W szczytowym okresie stowarzyszenie liczyło około 140 członków zwyczajnych, a do 1950 roku przybyło mu około 500 członków stowarzyszonych.

Peierls i jego koledzy z entuzjazmem przyjęli amerykański projekt umiędzynarodowienia kontroli nad energią atomową, przygotowany przez komisję Lilienthala, z którego wyrósł przedstawiony ONZ plan Barucha. Na posiedzeniu rady stowarzyszenia w 1947 roku powierzono Peierlsowi napisanie oświadczenia o wprowadzeniu systemu międzynarodowej kontroli zbrojeń. Rada ogłosiła je w prasie w styczniu 1947 roku, przedrukował je „Bulletin of the Atomic Scientists”, odnotowały media radzieckie, a Andriej Gromyko powołał się na nie w przemówieniu w Radzie Bezpieczeństwa ONZ. Placzek pisał wtedy Peierlsowi, że Gromyko przekręcił je w wielu miejscach. Sam Peierls uznał jednak po latach, że nie miało to znaczenia: żaden taki plan nie mógł liczyć na zgodę Związku Radzieckiego, bo w warunkach amerykańskiego monopolu atomowego oznaczał zrzeczenie się części suwerenności. Dodawał do tego, że i amerykański Kongres niekoniecznie zgodziłby się na tak hojny plan. Jego amerykańscy przyjaciele nie podzielali zresztą tych nadziei. Placzek w 1947 roku i Bethe w 1948 roku, sympatyzując z samą ideą, wątpili w możliwość postępu w ówczesnych warunkach, a Bethe pisał wprost o swoim „przekonaniu o daremności tych wysiłków w obecnym czasie”. Oppenheimer w liście z 6 września 1950 roku stwierdzał, że nie może robić sobie wielkich nadziei co do wyniku nawet najszczerszych wspólnych starań na rzecz pokoju i kontroli atomowej.

Najskuteczniejszym narzędziem popularyzatorskim okazał się objazdowy „pociąg atomowy” – wystawa zatrzymująca się w miastach leżących przy liniach kolejowych, a na życzenie wyjeżdżająca też za granicę. W jego organizacji Peierls odegrał główną rolę: zasiadał w powołanym do tego celu komitecie rady stowarzyszenia i podsunął pomysł, by przy planowaniu wystawy zabiegać o współpracę z resortami rządowymi. Otwarto ją na początku listopada 1947 roku na dworcu Liverpool Central, a przez 168 dni objazdu obejrzało ją 146 tysięcy osób. Katalog, nazwany przez „Nature” najpopularniejszą i najszerzej rozpowszechnioną publikacją o energii jądrowej w Wielkiej Brytanii, rozszedł się w 46 tysiącach egzemplarzy.

Według Richarda Dalitza stowarzyszenie rozwiązano w 1958 roku, uznawszy, że spełniło swoje zadanie, po czym powstała brytyjska grupa Pugwash, której Peierls przewodniczył do 1974 roku. Dalitz podaje też, że Peierls należał do jej członków założycieli od 1959 roku, a po ustąpieniu z przewodnictwa został honorowym członkiem jej komitetu wykonawczego. Christoph Laucht przedstawia dokładniejszą chronologię schyłku stowarzyszenia. Pismo stowarzyszenia zamknięto na numerze z lipca 1956 roku, w listopadzie 1957 roku ustąpił jego prezes Harrie Massey, a w 1958 roku stowarzyszenie powołało wspólny komitet wykonawczy z British Association for the Advancement of Science. Członkom zwyczajnym zapowiedziano wtedy, że jeśli współpraca się sprawdzi, rada po roku wystąpi o rozwiązanie stowarzyszenia. Decyzję tę rada podjęła 14 marca 1959 roku, a stowarzyszenie zakończyło działalność na ostatnim walnym zebraniu 11 lipca 1959 roku. Michał Szifman wiąże jego koniec z upolitycznieniem ruchu antynuklearnego, sprzecznym z głoszoną przez stowarzyszenie zasadą „obiektywnej nauki”, oraz z tym, że międzynarodową kontrolę uznano za nieosiągalną, a pierwszeństwo dano nieproliferacji.

Po raz pierwszy po wojnie spotkał się z fizykami radzieckimi na konferencji „Atoms for Peace” w Genewie w 1955 roku. W konferencjach Pugwash uczestniczył od 1960 roku, gdy po raz pierwszy odbyły się w ZSRR. Znajomość rosyjskiego pozwalała mu szybko prostować nieporozumienia tłumaczeniowe. W 1963 roku wszedł do komitetu stałego ruchu, a w latach 1970–1974 mu przewodniczył. Horst Kant datuje początek tego przewodnictwa na 1969 rok. Ostatni, dwudziesty czwarty raz wziął udział w konferencji Pugwash w Berlinie w 1992 roku. Była to najliczniejsza dotąd konferencja ruchu, z około trzystoma uczestnikami, a obradowano w gmachu uniwersytetu, na którym Peierls studiował przez dwa semestry.

Gdy w 1979 roku ugodą zakończyła się wytoczona przez niego sprawa o zniesławienie, część otrzymanego odszkodowania przekazał ruchowi Pugwash. Patronem kampanii FREEZE został w 1985 roku, a pod koniec 1986 roku jej dyrektorem, i przyjął wtedy hasło „broń jądrowa to nie pancerniki”. Funkcję dyrektora pełnił do rezygnacji w 1989 roku, przewodniczył też grupie oksfordzkiej, której zebrania odbywały się przeważnie w jego mieszkaniu. W czerwcu 1989 roku grupa ta zrezygnowała z samodzielnej działalności na rzecz współpracy z Oxford Research Group, organizacją badającą mechanizmy decyzji i odpowiedzialności w sprawach broni jądrowej. W 1995 roku współtworzył osiemdziesięciostronicowy raport brytyjskiej grupy Pugwash Does Britain Need Nuclear Weapons? („Czy Wielka Brytania potrzebuje broni jądrowej?”), odpowiadający na to pytanie przecząco. Jego współautorami byli Józef Rotblat, C. R. Hill i R. S. Pease, a obok pełnego tekstu ukazało się czterostronicowe streszczenie.

Z doświadczenia konferencji Pugwash i z obserwacji rokowań międzynarodowych wyprowadzał wniosek, że kontrolę zbrojeń utrudnia upieranie się przy równowadze i przy weryfikacji. Położenie strategiczne, arsenały i służby wywiadowcze obu stron są nieporównywalne, więc każda ocena względnej siły pozostaje spekulacją. Zapasy obu supermocarstw uważał za rażąco nadmierne, a ich wzajemną proporcję za pozbawioną znaczenia – jeśli jedna strona może zniszczyć miasta drugiej dziesięciokrotnie, jej bezpieczeństwo nie maleje przez to, że druga potrafi to zrobić dwudziestokrotnie. Obie mogłyby więc znacznie ograniczyć arsenały niezależnie od siebie. W wywiadzie z 5 marca 1986 roku ujął to tak: „każdy wie, że broń jądrowa nie jest bronią do prowadzenia wojen, lecz nadaje się wyłącznie do odstraszania innych od jej użycia. A skoro się to przyjmie, jasne jest, że do skutecznego odstraszania wystarcza bardzo ograniczona jej ilość”. Pytanie o tę graniczną ilość zajmowało go przez lata i poświęcił mu m.in. artykuł Counting Weapons, ogłoszony 5 marca 1981 roku w „London Review of Books”. Redaktor tomu Love and Physics Michał Szifman stawia pytanie, czy Peierls dostrzegał, że po stronie radzieckiej ruch Pugwash był narzędziem władz, a delegatów dobierano na szczeblu partyjnym. Córka Peierlsa Jo Hookway sądzi, że ojciec zdawał sobie sprawę z ograniczeń, jakim podlegała delegacja radziecka, ale liczył na rozmowy nieoficjalne z ludźmi, z których część była jego przyjaciółmi, i uważał dialog w takich warunkach za lepszy od braku kontaktu. Zdaniem biografki Peierlsa Sabine Lee nie był on w tej ocenie całkiem konsekwentny. Kierował się silnym emocjonalnym przywiązaniem do przedwojennej fizyki radzieckiej, przez co bywał – jak przypuszcza – nieco naiwny zarówno wobec procesu genewskiego, jak i wobec samego ruchu Pugwash.

Spór o niemiecki program atomowy

Peierls (w środku) na dziedzińcu New College w Oksfordzie, 1993

Na emeryturze wiele uwagi poświęcił sporowi o niemiecki program atomowy. W listopadzie 1991 roku wspólnie z Kurtim i historyczką nauki Margaret Gowing zorganizował petycję do lorda kanclerza o odtajnienie transkryptów z Farm Hall, czyli zapisów podsłuchanych rozmów internowanych w Anglii niemieckich fizyków, w tym Heisenberga, Hahna, Lauego i Weizsäckera. Wcześniejsze listy do Foreign Office spotykały się z biurokratyczną odmową. Petycję podpisało około dwudziestu uczonych i historyków z prezesami Towarzystwa Królewskiego i Akademii Brytyjskiej na czele, a w lutym 1992 roku ogłoszono w parlamencie decyzję o przekazaniu transkryptów do Public Record Office. Udostępniony materiał okazał się trudny w użyciu: był to wyłącznie angielski przekład na mikrofiszach wykonanych ze słabej fotokopii drugiej kopii spod kalki, a niemieckich oryginałów nie odnaleziono. Peierls liczył, że dokumenty rozstrzygną spór o to, jak wiele Niemcy wiedzieli o broni jądrowej i do czego zmierzali. Podsumował jednak, że po ich ogłoszeniu spór raczej się zaostrzył.

W 1977 roku ogłosił wspólnie z Nevillem Mottem oficjalne wspomnienie pośmiertne Heisenberga w „Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society”. Tekst nie omijał spraw spornych. Obaj autorzy odrzucili w nim rozpowszechnioną przez Roberta Jungka tezę, jakoby niemieccy fizycy powstrzymali się od budowy bomby z pobudek etycznych, wskazując, że własne relacje Heisenberga jej nie potwierdzają. Zapowiedzieli wprost, że przedstawiają Heisenberga jako człowieka z krwi i kości, z tymi fragmentami życiorysu, które budzą kontrowersje, bo szacunek i sympatia niewiele są warte, gdy wymagają wersji ocenzurowanej. Na przełomie 1991 i 1992 roku napisał dla „The New York Review of Books” recenzję liczącej 650 stron biografii Heisenberga pióra Davida Cassidy’ego. Podjął się jej, bo lubił pisywać do tego pisma i bo wokół Heisenberga narosło wiele kontrowersji, a tekst ogłoszono pod tytułem The Uncertain Scientist. W 1993 roku ukazała się tam jego skrajnie krytyczna recenzja książki Thomasa Powersa Heisenberg’s War, zatytułowana The Bomb That Never Was. Powers dowodził, że Heisenberg świadomie zatajał informacje przed władzami i przed własnymi współpracownikami, aby uniemożliwić zbudowanie niemieckiej bomby. Peierls odpowiadał, że Heisenberg istotnie powtarzał to przy każdej sposobności, ale pozostaje pytanie, czy sam w to wierzył i czy była to prawda. Występował też przeciw obiegowej wersji, jakoby Heisenberg zataił przed Hitlerem możliwość zbudowania bomby i tym samym uchronił świat przed niemiecką bronią jądrową, i prostował ją, gdy powtórzył ją tygodnik „New Scientist”. Gdy „The New York Review of Books” ogłosił wyjątki z transkryptów z Farm Hall z komentarzem Jeremy’ego Bernsteina, Peierls wytknął mu listownie poważne błędy, a autor zamieścił w kolejnym numerze sprostowanie.

Porażkę niemieckiego programu tłumaczył przede wszystkim tym, że jego uczestnicy nigdy nie policzyli starannie rozmiaru krytycznego dla reakcji łańcuchowej na neutronach prędkich i wskutek tego przeceniali rozmiary broni. Odrzucał przy tym obiegowy zarzut, jakoby Walther Bothe wykonał błędne pomiary absorpcji neutronów w graficie. Pomiary były poprawne, tyle że użyty „czysty” grafit zawierał domieszki zbyt małe, by wykryć je chemicznie, a zabójcze dla bilansu neutronów. W tej samej sytuacji Fermi i jego współpracownicy w Stanach Zjednoczonych trafnie założyli, że pomoże dalsze oczyszczanie.

Ostatnie lata

W czerwcu 1985 roku Peierls ponownie odwiedził Leningrad i wygłosił po rosyjsku odczyt w tamtejszym Instytucie Fizyczno-Technicznym, tym samym, w którym w 1931 roku poprowadził swój pierwszy kurs wykładów po rosyjsku. Pokazał przy tej okazji własne zdjęcia z kongresu odeskiego sprzed pięćdziesięciu pięciu lat. Tego samego roku u Geni rozpoznano łagodnego guza mózgu wywołującego nadmierne ciśnienie płynu, które odbarczono zastawką, co przyniosło jej czasową ulgę. Na listopad 1986 roku zaplanowano wyjazd do Indii, gdzie Peierls miał wygłosić dla Towarzystwa Królewskiego wykład pamięci Rutherforda, a po drodze oboje mieli spędzić dwa tygodnie w Moskwie. Wyruszyć zamierzali 19 października. 14 października 1986 roku doszło u niej do krwotoku w guzie i wokół niego, po kilku godzinach zapadła w śpiączkę, która trwała jedenaście dni, i 26 października 1986 roku zmarła.

Po śmierci Geni w 1986 roku Peierls objechał świat, biorąc udział w kolejnych siedmiu konferencjach Pugwash i wygłaszając po drodze seminaria na uniwersytetach, z których część nadała mu doktoraty honorowe. Pozostawał przy tym aktywny, choć jego wzrok się pogarszał – w 1992 roku wstąpił do brytyjskiego stowarzyszenia osób słabowidzących. W 1993 roku ujawniły się u niego kłopoty z sercem – kardiolog potwierdził, że ich przyczyną jest lek na nadciśnienie, który przyjmował – oraz niewydolność nerek. W tym samym roku zapadł w Rzymie na zapalenie płuc i do Anglii trzeba go było przewieźć samolotem, na noszach.

Nie mogąc już prowadzić własnego domu, w lipcu 1994 roku przeniósł się do Oakenholt, domu opieki w pobliżu Farmoor w hrabstwie Oxfordshire, oddalonego od Oksfordu o około osiem kilometrów, a mieszkanie w Oksfordzie sprzedał. Mimo dalszego pogorszenia wzroku czytał i pisał niemal normalnie dzięki skanerowi powiększającemu tekst i programowi powiększającemu obraz na ekranie komputera. W ciągu 1995 roku jego stan zdrowia nadal się pogarszał i wymagał regularnych dializ nerek – trzech wizyt szpitalnych tygodniowo – w Churchill Hospital, gdzie zmarł 19 września 1995 roku. W nekrologu ogłoszonym miesiąc później w „Nature” Mott nazwał go „ostatnim z tego niezwykle uzdolnionego pokolenia środkowoeuropejskich fizyków”, którzy uciekli z hitlerowskich Niemiec, szukali kariery w Wielkiej Brytanii i wzięli udział w pracach nad bombą atomową.

Zarzuty szpiegostwa

Zwerbowanie Klausa Fuchsa do brytyjskiego programu jądrowego sprawiło, że po zdemaskowaniu go w 1950 roku podejrzenia padły także na Peierlsa, a zarzuty prasowe wracały jeszcze w latach 1979 i 1999. Ani trwające piętnaście lat dochodzenia brytyjskiego kontrwywiadu Security Service (MI5), ani późniejsze analizy depesz Venony nie przyniosły jednak dowodów winy Peierlsa.

Sprawa Fuchsa

Klaus Fuchs na zdjęciu z przepustki do Los Alamos. Jego zdemaskowanie w 1950 roku ściągnęło podejrzenia także na Peierlsa, który wciągnął go do prac nad bombą

Peierls zwerbował Fuchsa do projektu brytyjskiego i to właśnie sprawiło, że sam znalazł się pod podejrzeniem, gdy w 1950 roku Fuchs został zdemaskowany jako szpieg radziecki. Dla Peierlsa i jego rodziny było to przeżycie szczególnie bolesne.

O aresztowaniu Fuchsa dowiedział się od dziennikarza, który do niego zadzwonił. Sam najbliższym pociągiem pojechał do Londynu, uznawszy, że aresztowany powinien mieć obrońcę. Po drodze spotkał się z komendantem Burtem, szefem wydziału specjalnego Scotland Yardu, który prosił go, by skłonił Fuchsa do wskazania kontaktów – Fuchs przyznał się bowiem do wszystkiego, ale ich nie ujawniał. W więzieniu Brixton okazało się, że Fuchs ma już adwokata. Kilka dni później pojechał do Brixton razem z Genią. Ustalili wcześniej trzy pytania, na które chcieli uzyskać odpowiedź, i wplatali je w rozmowę. Znane jest pierwsze z nich: dlaczego Fuchs przywiózł Geni ze Stanów Zjednoczonych w prezencie I Chose Freedom Wiktora Krawczenki.

Nazajutrz po pierwszej wizycie męża Genia Peierls napisała do Fuchsa do więzienia list, w którym wypomniała mu przede wszystkim skutki, jakie proces przyniesie uczonym po obu stronach Atlantyku. Podejrzewać ich będą nie tylko urzędy, ale i właśni przyjaciele, „bo skoro ty mogłeś, czemu nie oni”. Wezwała go, by wskazał swoje kontakty. Fuchs odpisał 6 lutego 1950 roku, przyznając, że o następstwach dla przyjaciół rzeczywiście wtedy nie pomyślał.

Wiadomość, że Fuchs przekazał Rosjanom kopie niemal wszystkich obliczeń wykonanych w czasie wojny, wstrząsnęła Peierlsem: początkowo w nią nie wierzył i uwierzył dopiero wtedy, gdy sam Fuchs potwierdził, że nie ma tu pomyłki. Fuchs tłumaczył mu podczas widzenia, że „wiedza o badaniach atomowych nie powinna być prywatną własnością żadnego kraju, lecz powinna być dzielona z resztą świata dla dobra ludzkości”. Peierls uznał to wyjaśnienie za niespójne, naiwne i niemądre, „co zupełnie do niego nie pasuje”. Stwierdził też, że nie obchodzi go już los Fuchsa, lecz „większe sprawy, o które tu chodzi”. Wkrótce potem wycofał swój wniosek o wybranie Fuchsa na członka Towarzystwa Królewskiego. Później, na krótko przed końcem kary Fuchsa, napisał do niego, proponując pomoc w znalezieniu pracy w Anglii, ale odpowiedzi nie otrzymał.

Po latach dowiedział się, że dowody zebrane przy ustalaniu źródła przecieków z Los Alamos wskazywały na pewnym etapie na teoretyka z grupy brytyjskiej, czyli na Fuchsa albo na niego samego. Musiał więc przez jakiś czas pozostawać pod poważnym podejrzeniem, choć nigdy nie dano mu tego odczuć.

Sam zabrał w tej sprawie głos. W liście do Nielsa Bohra z 14 lutego 1950 roku przewidywał, że sprawa Fuchsa odbije się na atmosferze politycznej i na pozycji uczonych, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych. Za nielogiczne uznał szukanie lekarstwa w kolejnych postępowaniach sprawdzających, skoro dotychczasowe przeoczyły właśnie ten przypadek. Pisał, że zaczyna wątpić, czy w przedsięwzięciu angażującym tylu ludzi da się utrzymać tajność inaczej niż przez wytworzenie atmosfery państwa totalitarnego, w którym każdy gotów jest podejrzewać najbliższego przyjaciela o donosicielstwo.

Około marca 1950 roku napisał memorandum The Lesson of the Fuchs Case, w którym wyłożył własną wersję wydarzeń. Przypomniał, że przyjmując Fuchsa w 1941 roku, wiedział o jego związkach z lewicowymi organizacjami studenckimi w Niemczech. Były to wtedy jedyne organizacje, które czynnie przeciwstawiały się nazizmowi, a samego Fuchsa szanował za to, że opuścił kraj z powodu sprzeciwu wobec Hitlera. Ostrzegał, że wykluczenie z prac wszystkich uczonych urodzonych za granicą i wszystkich, którzy w młodości głosili skrajne poglądy, zapobiegłoby wyciekowi tylko w ten sposób, że nie byłoby czego wykradać. Rozciąganie postępowań sprawdzających poza prace tajne prowadziłoby zaś do dyskryminacji politycznej i ograniczenia wolności słowa.

Zarzuty w prasie

Tygodnik „Sunday Express” dał 29 października 1950 roku na pierwszej stronie tytuł Perturbed Men: Foreign-Born Atom Experts Disturbed by Pontecorvo Case („Zaniepokojeni: urodzeni za granicą specjaliści od atomu zaniepokojeni sprawą Pontecorva”). Powodem była ucieczka Bruna Pontecorva do Związku Radzieckiego. Obok zdjęcia Peierlsa zamieszczono podobizny Maxa Borna, Frischa, Kurtiego, Franza Simona i Rotblata. Autorzy, Sidney Rodin i Joseph Garrity, niezgodnie z prawdą twierdzili, że część z nich oddała władzom brytyjskim paszporty na dowód lojalności wobec przybranej ojczyzny. Born nazwał tę publikację „galerią łotrów”. Peierls ostro zaprotestował u redaktora i przesłał mu oświadczenie zatytułowane I Am Not Perturbed („Nie jestem zaniepokojony”). Gazeta wydrukowała je 12 listopada 1950 roku pod tytułem To a Just, Fair, and Steady Britain („Do sprawiedliwej, uczciwej i statecznej Brytanii”). Pisał w nim, że nie jest zaniepokojony i że to samo odnosi się zapewne do pozostałych, a brytyjskiemu społeczeństwu przypisywał „największą tradycję sprawiedliwości, uczciwości i poszanowania praw człowieka”. Miał zresztą powody, by nie ufać tamtejszej prasie. Zaraz po przyznaniu się Fuchsa wyraźnie zastrzegł „Daily Mailowi”, by nie cytował jego wypowiedzi w tej sprawie, czego redakcja nie posłuchała.

W 1979 roku wydawnictwo Hamish Hamilton zapowiedziało książkę dziennikarza Richarda Deacona The British Connection, poświęconą rzekomej działalności rosyjskich agentów w Wielkiej Brytanii od 1889 roku. Autor, przekonany, że Peierls już nie żyje – prawo angielskie nie zna zniesławienia osoby zmarłej – zamieścił o nim skrajnie obciążające twierdzenia. Peierls skierował sprawę na drogę sądową. Spór zakończyła ugoda ogłoszona w sądzie trzynaście dni od jego pierwszej wizyty u prawników, dystrybucję książki wstrzymano, a on otrzymał „znaczną sumę” odszkodowania. Wydawca zrezygnował z poprawionego wznowienia. Christoph Laucht podaje natomiast, że Hamish Hamilton ostatecznie wydał książkę Deacona, lecz bez zarzutów pod adresem Rudolfa i Geni Peierlsów.

W 1999 roku tygodnik „The Spectator” wywołał oburzenie rodziny Peierlsa, publikując artykuł dziennikarza Nicholasa Farrella, w którym twierdzono, że Peierls był szpiegiem Związku Radzieckiego. Artykuł opierał się na informacjach dostarczonych przez historyka wywiadu Nigela Westa, który utożsamił Peierlsa ze szpiegiem występującym w depeszach przechwyconych w ramach projektu Venona pod kryptonimem „Fogel”, a później „Pers”, a jego żonę Genię – z agentką o kryptonimie „Tina”. West pisał o tym także w dzienniku „Daily Express”, przekręcając kryptonim „Fogel” na „Vogel” – po niemiecku „ptak” – i podsuwając czytelnikom spostrzeżenie, że autobiografia Peierlsa nosi tytuł Bird of Passage, którego autor nigdzie nie uzasadnił. Utożsamienie Tiny z Genią nie zgadzało się jednak z tym, co było wiadomo o Tinie, a w 1999 roku ostatecznie ujawniono, że była nią Melita Norwood. Peierls nie pasował też do Persa: czwarta z depesz zdawała się wiązać Persa z zakładami w Oak Ridge (Clinton Engineer Works), a nie ma dowodów, by Peierls kiedykolwiek tam był.

Depesza Venony z Nowego Jorku do Moskwy z 13 grudnia 1944 roku, jedna z czterech depesz wymieniających kryptonim „Pers”, który Nigel West utożsamił z Peierlsem

Obszerną odpowiedź na te zarzuty ogłosił w październiku 1999 roku na łamach „Physics World” Richard Dalitz, fizyk z oksfordzkiej katedry Peierlsa. Zestawił on cztery depesze Venony wymieniające Fogla i Persa – z 11 lutego, 16 czerwca, 2 września i 13 grudnia 1944 roku – z datami pobytów Peierlsa, które ustalił Ferenc Szász. Pierwsza z nich zapowiadała raport Fogla o „Enormozie”, a Peierls przyjechał do Los Alamos po raz pierwszy dopiero 8 lutego i tylko na krótko. Podróż koleją z Santa Fe do Nowego Jorku zajmowała wówczas trzy dni. Druga mówiła o dwóch tajnych planach rozmieszczenia zakładu, wysłanych pocztą z 8 czerwca. Peierls objął 1 czerwca kierownictwo grupy teorii implozji w Los Alamos i był to, jak pisał Dalitz, zapewne najbardziej pracowity miesiąc w jego życiu. Musiałby więc w ciągu tygodnia zdobyć plany laboratorium i potajemnie dostarczyć je do radzieckiego przedstawicielstwa w Nowym Jorku na pocztę z 8 czerwca. Za najmocniejszy dowód Dalitz uznał raport szefa radzieckiego wywiadu zagranicznego Pawła Fitina z 5 listopada 1944 roku, ogłoszony w The Haunted Wood. Fitin skarżył się w nim, że do „Enormoza” udało mu się pozyskać „tylko jednego agenta – Persa”, i to „bez wielkich możliwości”. Skarga taka miałaby sens jedynie wtedy, gdyby Pers pracował w Oak Ridge, ponieważ w Los Alamos wywiad miał już Fuchsa.

Tina pracowała zaś w Londynie jako sekretarka brytyjskiego stowarzyszenia badawczego metali nieżelaznych (British Non-Ferrous Metals Research Association), a do partii komunistycznej wstąpiła w 1935 roku. W depeszy z 16 września 1945 roku jej oficerowi prowadzącemu polecono dopilnować, by nie rozmawiała o tej pracy z mężem. Geni Peierls nie było wtedy w Anglii. Z akt radzieckiego wywiadu wynikało natomiast, że Fogel był młodym amerykańskim inżynierem budownictwa z Nowego Jorku, zatrudnionym w firmie Kellex i bezskutecznie namawianym przez wywiad do przeniesienia się do samego Oak Ridge. W 2009 roku ujawniono, że Fogel/Pers był w rzeczywistości Russellem A. McNuttem, inżynierem budownictwa zatrudnionym przez firmę Kellex do pracy przy obiektach w Oak Ridge, którego na szpiega zwerbował Julius Rosenberg.

Śledztwa MI5 i FBI

Karta tytułowa opublikowanego w 1954 roku zapisu przesłuchania Oppenheimera przed komisją bezpieczeństwa amerykańskiej Komisji Energii Atomowej. Obszerne omówienie tego zapisu Peierls ogłosił w „Atomic Scientists’ Journal”

Na powojenne podejrzenia służb wywiadowczych wobec Peierlsa wpływało kilka okoliczności. Nie tylko zwerbował Fuchsa i pełnił funkcję jego „sponsora” w sprawach zatrudnienia i poświadczenia bezpieczeństwa, ale też naciskał na władze, by Fuchsowi przyznano pełne poświadczenie bezpieczeństwa, bez którego nie mógłby on pomagać Peierlsowi w pracy. Fuchs przez pewien czas mieszkał z rodziną Peierlsów. Powierzył wtedy Geni Peierls swoje kartki żywnościowe i poprosił ją, by kupowała mu ubrania. W Los Alamos wszedł do grupy Peierlsa i dzielił z nim gabinet. Osobną okolicznością był jego udział w staraniach o złagodzenie kary dla innego skazanego szpiega. Według akt amerykańskiego Federalnego Biura Śledczego (FBI) 1 sierpnia 1947 roku wszedł w skład delegacji, która wystąpiła do brytyjskiego Ministerstwa Spraw Wewnętrznych o złagodzenie kary dla Alana Nunna Maya. Peierls miał żonę Rosjankę, podobnie jak jego brat, i utrzymywał bliskie kontakty z kolegami w Związku Radzieckim przed II wojną światową i po niej.

Koligacja ta ściągnęła zarazem represje na rodzinę żony. W marcu 1935 roku jej ojczyma, inżyniera i tłumacza Isaja Mandelsztama, aresztowano w Leningradzie i bez procesu zesłano na pięć lat do Ufy. W śledztwie pytano go między innymi o pokrewieństwo z Leonidem Kannegiserem i o małżeństwo pasierbicy z cudzoziemcem. Przy kolejnym aresztowaniu w 1938 roku przesłuchiwano go już wprost o rzekomą działalność szpiegowską Peierlsa. Matka i ojczym Geni zmarli na zesłaniu i nigdy już nie zobaczyli Leningradu. Dalsze ich losy Peierls opisał w liście z 27 września 1989 roku. Po Ufie przyszedł Melekess, gdzie przeżyli wojnę, a potem przeniesiono ich do Ałma-Aty. Mandelsztama osadzono tam na jakiś czas w więzieniu, choć, jak pisał Peierls, nie popełnił żadnego przestępstwa. Matka Geni zmarła w 1953, a ojczym w 1954 roku. Powodów do podejrzeń dostarczała też pośrednio sama Genia. W aktach FBI odnotowano, że podczas sprawdzania w Los Alamos uznano ją za osobę hałaśliwą i nieskrępowaną w wypowiedziach. Krążyły też pogłoski, jakoby służyła w armii rosyjskiej – według różnych wersji w stopniu od szeregowego po kapitana.

Choć w przeciwieństwie do Fuchsa nie był komunistą, wiadomo było, że Peierls ma lewicowe poglądy polityczne, a wśród jego współpracowników byli ludzie o podobnych zapatrywaniach. Materiały o nim zbierały nie tylko służby zachodnie: jego pozycja w Atomic Scientists’ Association była na tyle znacząca, że skłoniła Komitet Centralny Komunistycznej Partii Związku Radzieckiego do gromadzenia i opracowywania informacji na jego temat. Pytany w 1969 roku o brytyjski ruch „nauki i społeczeństwa” spod znaku Johna Desmonda Bernala i Jamesa Geralda Crowthera, odpowiedział, że niewiele sympatyzował z tymi poglądami i że wydawały mu się zwykłą partyjną formułką. Ludzi o marksistowskich zapatrywaniach traktowano wtedy, jak mówił, „jak dziwną sektę religijną”, której poglądy mało kogo obchodzą. Zabiegi o wymianę naukową ze Wschodem nie oznaczały, że łagodnie oceniał Związek Radziecki. W liście do Williama Penneya pisał, że ma „wiele dobrych osobistych powodów, by nienawidzić ich systemu jak zarazy”. Takie same powody miał, by nienawidzić nazistów w Niemczech. Mimo to w 1956 roku przyjął zaproszenie na konferencję w Moskwie, uznawszy, że w epoce poststalinowskiej odnowienie wymiany naukowej między uczonymi radzieckimi a zachodnimi jest ważną szansą.

W aktach MI5 zachował się raport o osobach przyjeżdżających ze Związku Radzieckiego, w którym odnotowano powrót Peierlsa 26 września 1934 roku. Brytyjski kontrwywiad MI5 prowadził wobec Peierlsa dochodzenie od 1938 roku – według Sabine Lee od powrotu do Wielkiej Brytanii z pobytu w Rosji – i zamknął jego akta dopiero w 1953 roku. Laucht wiąże zainteresowanie służb z licznymi kontaktami akademickimi Peierlsa w Związku Radzieckim i przytacza raport policji portowej w Harwich z 21 kwietnia 1938 roku.

Pod koniec 1946 roku MI5 wszczęła wobec Peierlsa szeroko zakrojone śledztwo oparte na trzech przesłankach: zawodowych i prywatnych stosunkach z Fuchsem, rosyjskim pochodzeniu żony i wcześniejszym wyjeździe do Związku Radzieckiego. Sprawdzano go „metodami niejawnymi” w 1947 roku, a intensywniej w latach 1949–1950, już na tle sprawy Fuchsa. Obejmowało to wydany przez Ministerstwo Spraw Wewnętrznych nakaz kontroli jego korespondencji, a w 1949 roku także podsłuch telefoniczny, przywrócony zaraz po aresztowaniu Fuchsa. Otwierano przy tym nawet listy, które dzieci Peierlsów pisały do rodziców. Pod obserwację trafili również ich bliscy znajomi, w tym Max Born i Paul Dirac. Za pozostawieniem fizyka w służbie przemawiał argument przytoczony w raporcie MI5 za Michaelem Perrinem. Peierls „zbudował parter” brytyjskiego programu jądrowego, więc „mieliśmy sporo do zyskania, a niewiele do stracenia, zatrzymując go w służbie”. Uprzedzeń w raportach służby nie brakowało. W raporcie z 1951 roku wywodzono, że Peierls stosuje w nauce marksistowskie podejście dialektyczno-materialistyczne, uważane przez niego za „panaceum dla ludzkości”. Drugim czynnikiem silnie kształtującym jego światopogląd miało być „jego żydowskie pochodzenie”, z którego wywodzono zdecydowany sprzeciw wobec remilitaryzacji Niemiec. Konkludowano, że jego „umiłowanie pokoju we wszelkich okolicznościach jest tak silne, iż postawiony przed wyborem między wojną a komunizmem niewątpliwie wybrałby komunistyczny pokój jako mniejsze zło”. Anonimowy informator MI5 zanotował z kolei, że Peierls „często zachowuje się w sprawach bezpieczeństwa jak skończony osioł i zdaje się wychodzić z siebie, by rozgłaszać, że uważa bezpieczeństwo za bzdurę”. Całe piętnastoletnie dochodzenie MI5, prowadzone od 1938 do 1953 roku, nie przyniosło żadnych dowodów winy Peierlsa. Przeciwnie: w 1948 roku, gdy podejrzenia padły na Fuchsa, a samego Peierlsa poddano wnikliwej kontroli, oficer MI5 zanotował, że „nie tylko nic przeciwko niemu nie mamy, ale jest to człowiek o bardzo zdrowym rozsądku”. Kolejne dochodzenia z początku lat 50. XX wieku, po aresztowaniu i skazaniu Fuchsa, zakończyły się kategorycznym wnioskiem, iż „nie ma istotnych wątpliwości co do lojalności prof. Peierlsa”.

Sam Fuchs wielokrotnie podkreślał, że żaden z jego przyjaciół i współpracowników nie był komunistą ani nie wiedział o jego działalności szpiegowskiej. Wymieniał wśród nich Peierlsa, Bethego, Feynmana, Oppenheimera, Placzka, Tellera i Weisskopfa. Nie uchroniło ich to przed poważnymi dochodzeniami służb brytyjskich i amerykańskich, prowadzonymi często bez ich wiedzy. Amerykańskie służby były znacznie mniej skłonne wierzyć w niewinność Peierlsa niż brytyjskie. Podejrzewały, że przynajmniej częściowo wiedział o działalności Fuchsa, i uważały go za „złe ryzyko z punktu widzenia bezpieczeństwa”. Uwagę FBI zwróciło zwłaszcza streszczenie dwóch odczytów Peierlsa i Henry’ego Dale’a z londyńskiej konferencji stowarzyszenia w październiku 1948 roku, ogłoszone w kwietniu 1949 roku w „Bulletin of the Atomic Scientists”. Amerykańska służba odnotowała, że Peierls ostro skrytykował rządowe praktyki bezpieczeństwa w Stanach Zjednoczonych, a obaj mówcy opowiedzieli się za „pożądaną wymianą naukową z krajami zza żelaznej kurtyny”.

O wizę do Stanów Zjednoczonych na konferencję fizyki jądrowej w Chicago w 1951 roku starał się długo, a nieoficjalnie usłyszał, że wniosek zostanie odrzucony. Wizę jednak w końcu dostał, być może dzięki interwencji wysoko postawionych osób. Rok później, gdy napotkał te same trudności, również ostatecznie ją przyznano. Odmówiono mu natomiast w 1951 roku wizy turystycznej, a przyczyn tej odmowy sam Peierls upatrywał w swoim członkostwie w Atomic Scientists’ Association. W tym samym roku miał też poważne trudności z wizą służbową na konferencję o odtajnianiu w Waszyngtonie. Amerykanie wytykali mu wtedy niemieckie pochodzenie, rosyjskie pochodzenie żony, wcześniejszy pobyt w Związku Radzieckim i bliską przyjaźń z Fuchsem. Podejście amerykańskich służb do jego działalności w stowarzyszeniu, uznanym przez nie za „komunistyczną organizację przykrywkową”, pewien brytyjski urzędnik nazwał czystym makkartyzmem. Ponieważ powołano się na ustawę McCarrana, rząd brytyjski ostro zaprotestował i groził wycofaniem się z konferencji. Wizę ostatecznie przyznano, a Peierls wykorzystał ją również na wyjazd do Chicago. W 1957 roku Amerykanie wyrazili obawy co do jego osoby, dając do zrozumienia, że nie są skłonni dzielić się informacjami z Atomic Energy Research Establishment w Harwell, dopóki pozostaje on konsultantem.

Sprawdzaniem Peierlsów zajęło się także FBI we współpracy z władzami brytyjskimi. Postępowania prowadzono dwukrotnie: w latach 1950–1951 i w połowie lat sześćdziesiątych XX wieku, a akta odtajniono w latach dziewięćdziesiątych na podstawie amerykańskiej ustawy o dostępie do informacji. Dochodzenie miało ustalić dwie kwestie: czy Rudolf Peierls należał do partii komunistycznej i czy należała do niej jego żona. Na pierwsze odpowiedziano przecząco, więc cały ciężar podejrzeń spoczął na Geni. Pierwszą poszlaką przeciw niej był dokument ze zdobytego przez Amerykanów archiwum Komunistycznej Partii Niemiec: sprawozdanie z 4 czerwca 1930 roku wymieniało wśród uczestników berlińskiego zebrania Stowarzyszenia Pedagogiki Marksistowskiej towarzysza – lub towarzyszkę – o nazwisku Kannegiesser. Ani imienia, ani płci tej osoby nie ustalono, a samo Biuro zastrzegło, że nie wiadomo, czy ma to jakikolwiek związek z żoną Peierlsa. W maju 1930 roku Genia przebywała jeszcze w Związku Radzieckim. Nie ustalono, gdzie była 4 czerwca. Drugą było złożone 29 marca 1951 roku zeznanie pracownika laboratorium w Los Alamos. Podał on, że ktoś – prawdopodobnie jedna z dwóch wskazanych przez niego osób – wspominał mu o przynależności Geni do brytyjskiej partii komunistycznej. Odnaleziony później świadek oświadczył, że nigdy nie słyszał niczego, co wskazywałoby na prokomunistyczne sympatie Peierlsów. Sporządzony 9 marca 1966 roku memoriał Biura błędnie przedstawiał nawet okoliczności małżeństwa Peierlsów. Dopuszczał, że fizyk przez pewien czas wykładał w Rosji między 1930 a 1939 rokiem i że żonę poznał na konferencji w Moskwie. Z wieku najstarszego dziecka wnosił, że pobrali się w latach 1933–1934. Michaił Szifman, który przejrzał liczące łącznie około pięćdziesięciu stron akta obu postępowań, ocenia, że nie ma w nich śladu działania Rudolfa ani Geni Peierlsów, które można by uznać za kontakt z obcym wywiadem. Raport z 1966 roku uważa w istocie za przyznanie, że podejrzenia były bezpodstawne.

Sam Peierls doszedł do podobnego wniosku znacznie wcześniej. Odpowiadając 9 kwietnia 1951 roku na zastrzeżenia służb wobec dwóch swoich znajomych, napisał do wicehrabiego Portala of Hungerford, że zarzuty świadczą raczej o niskiej sprawności służb. Wyliczył przy tym okoliczności własnego życia, które łatwiej byłoby przedstawić w złym świetle. Były wśród nich wakacje spędzone w 1937 roku z lewicowym krystalografem z Cambridge, wieloletnia przyjaźń żony z komunistką i wieczór, który spędził w jego domu chiński kolega przybyły z oficjalną misją. Dalej wymienił belgijską uczennicę, która okazała się córką wysokiego działacza tamtejszej partii komunistycznej, dwóch polskich stypendystów przyjętych do jego katedry oraz rosyjskie pochodzenie żony swojego brata, przed ślubem sekretarki radzieckiego przedstawicielstwa handlowego w Berlinie. Skoro uwagę ekspertów przykuli akurat tamci dwaj, konkludował, trzeba się zastanawiać, czy reszty nie przeoczyli, czy też mają osobliwe poczucie proporcji. Gdy w 1954 roku Komisja Energii Atomowej odebrała Oppenheimerowi poświadczenie bezpieczeństwa, Peierls ogłosił w „Atomic Scientists’ Journal” obszerne omówienie opublikowanych zapisów przesłuchań. Przekonywał w nim, że gdyby sprawa ta osłabiła przywiązanie wykształconych ludzi do własnego sposobu życia i zasiała wątpliwość co do przetrwania wolności, uczciwości i rozumu, to utrata siły moralnej „byłaby równoważna wielu superbombom, okrętom czy samolotom”. W liście do samego Oppenheimera zauważał, że traktowanie wyznawców poglądów mniejszościowych jak zdrajców jest na porządku dziennym w państwie komunistycznym czy nazistowskim, ale „kiedy dzieje się to gdzie indziej, każe nam zwątpić w szanse przetrwania wolnego społeczeństwa”.

Dorobek naukowy

Zniekształcenie Peierlsa: przesunięcie co drugiego atomu w równo rozstawionym łańcuchu (u góry) łączy atomy w pary (u dołu) i zmienia metal w izolator

Jak pisał jego uczeń David Thouless, Peierls – w przeciwieństwie do większości badaczy – nie ograniczył się do jednej dziedziny fizyki i wniósł istotny wkład w badania nad bardzo różnymi zagadnieniami. Trwałość tego dorobku Thouless zilustrował wynikiem wyszukiwania w pracach fizycznych ogłoszonych w 1995 roku: nazwisko Peierlsa było słowem kluczowym w dwustu z nich. Najczęściej chodziło o argument Peierlsa i Landaua, przybliżenie Bethego i Peierlsa, mechanizm przejścia metal–izolator albo siłę Peierlsa działającą na dyslokację. Wprowadzone przez niego pojęcie Umklapprozess przyjęło się w słownictwie fizyki, choć opisane nim zjawisko potwierdzono doświadczalnie dopiero po dwudziestu latach. Trwały wpływ wywarły też jego prace nad łącznym działaniem pola magnetycznego i potencjału okresowego w teorii diamagnetyzmu metali. O własnym elementarnym dowodzie, że dwuwymiarowy model Isinga osiąga w niskiej, ale skończonej temperaturze niezerowe namagnesowanie, sam pisał po latach, że uchodził on za ważny nowy sposób dowodzenia takich twierdzeń w mechanice statystycznej.

Wydział fizyki matematycznej w Birmingham, którym kierował po wojnie, szybko stał się zdaniem Thoulessa czołowym ośrodkiem fizyki teoretycznej w kraju i jednym z najlepszych na świecie. Własnych publikacji ogłosił Peierls w tym okresie niewiele, ale wiele prac, które ukazały się bez jego nazwiska, powstało pod jego silnym wpływem.

Thouless podkreślał również, że Peierls cenił jasność myślenia i prostotę wywodu oraz uczył ich swoich współpracowników. Nie umiał sobie wyobrazić, by Peierls powiedział „to dobra teoria, bo tłumaczy wyniki doświadczeń”. Prędzej spodziewał się po nim zdania „to dobra teoria. Czego wciąż nie rozumiemy w sytuacji doświadczalnej?”.

Nagrody i wyróżnienia

Wyróżnienia, członkostwa i doktoraty honorowe Rudolfa Peierlsa

Rok	Wyróżnienie	Instytucja
1945	członkostwo (FRS)	Towarzystwo Królewskie w Londynie
1946	Komandor Orderu Imperium Brytyjskiego (CBE)	Korona brytyjska
1946	Medal Wolności ze Srebrną Palmą	rząd Stanów Zjednoczonych
1952	Rutherford Memorial Lecture	Institute of Physics
1959	Medal Królewski	Towarzystwo Królewskie w Londynie
1960	doktorat honoris causa	Uniwersytet w Liverpoolu
1962	Medal Lorentza	Królewska Holenderska Akademia Sztuk i Nauk
1962	członek zagraniczny	Amerykańska Akademia Sztuk i Nauk
1963	Medal Maxa Plancka	Niemieckie Towarzystwo Fizyczne
1967	doktorat honoris causa	Uniwersytet w Birmingham
1968	pasowanie na Rycerza Kawalera	Korona brytyjska
1968	Medal i Nagroda Guthriego	Institute of Physics
1969	doktorat honoris causa	Uniwersytet Edynburski
1973	członek honorowy	Institute of Physics
1979	członek honorowy	Francuskie Towarzystwo Fizyczne
1980	Nagroda Enrica Fermiego	rząd Stanów Zjednoczonych
1981	członkostwo	Niemiecka Akademia Przyrodników Leopoldina
1981	członek zagraniczny	Królewska Duńska Akademia Nauk i Literatury
1981	doktorat honoris causa	Uniwersytet Chicagowski
1982	Medal Matteucciego	Accademia Nazionale delle Scienze detta dei XL
1983–1984	członek korespondent	Jugosłowiańska Akademia Nauki i Sztuki
1984	członek zagraniczny	Francuska Akademia Nauk
1986	Medal Copleya	Towarzystwo Królewskie w Londynie
1986	Wykład Pamięci Rutherforda	Towarzystwo Królewskie w Londynie
1988	członek zagraniczny	Akademia Nauk ZSRR
1988	doktorat honoris causa	Uniwersytet w Coimbrze
1991	Medal i Nagroda Diraca	Institute of Physics
1991	członek zagraniczny	Akademia Rysiów
1992	członek honorowy	Instytut Fizyczno-Techniczny im. Ioffego

Dyplom Medalu Maxa Plancka przyznanego Peierlsowi w 1963 roku przez Niemieckie Towarzystwo Fizyczne, projektu Clausa Kiliana

W latach 1957–1958 Peierls zasiadał w radzie Towarzystwa Królewskiego, a w 1968 roku pasowano go na rycerza w ramach Birthday Honours 1968. Odbierając Medal Lorentza na uroczystości 4 listopada 1962 roku, Peierls mówił w podziękowaniu, że epoka, w której jego pokolenie zaczynało pracę, była wyjątkowo sprzyjająca: sformułowanie mechaniki kwantowej dało im wtedy klucz do wyjaśnienia praktycznie wszystkich zjawisk atomowych. Wątpił, by fizyka przeżyła jeszcze kiedykolwiek podobny okres. Przyjęcie do Niemieckiej Akademii Przyrodników Leopoldina sprawiło mu – jak odnotował Richard Dalitz, autor jego biogramu w Oxford Dictionary of National Biography – szczególną satysfakcję. O wyborze do Akademii Nauk ZSRR zawiadomiono go telegramem w ostatnich dniach 1988 roku. Ceremonię doktoratu honorowego Uniwersytetu w Coimbrze, wyznaczoną pierwotnie na 17 stycznia 1988 roku, przełożono na maj. Z tamtejszym wydziałem fizyki łączyły go trwałe kontakty naukowe i bywał tam wielokrotnie. Jak wspominał pracujący w tym ośrodku João da Providência, Peierls żywo interesował się prowadzonymi tam badaniami i brał udział w dyskusjach, otwarcie krytykując to, z czym się nie zgadzał, ale i służąc pomocną radą.

Medal Copleya odebrał w 1986 roku, w wieku 79 lat. Z przyznanym mu wtedy Wykładem Pamięci Rutherforda wiązał się cykl wykładów przeznaczony dla zamorskich ośrodków Wspólnoty Brytyjskiej. Wygłosił je w listopadzie 1987 roku w Indiach, dokąd pojechał przez Moskwę i Leningrad. Właściwy wykład pamięci Rutherforda wygłosił 10 listopada 1987 roku w National Physical Laboratory w Delhi, a jego tekst ogłosił w 1988 roku w „Notes and Records of the Royal Society of London” pod tytułem Rutherford and Bohr. Poświęcił go przyjaźni Rutherforda i Bohra – jak pisał, bardzo różnych osobowości – odtworzonej z ich korespondencji. 2 października 2004 roku budynek mieszczący podwydział fizyki teoretycznej Uniwersytetu Oksfordzkiego otrzymał oficjalną nazwę Sir Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics. Tom jego korespondencji Sabine Lee otwiera listem fizyczki Gillian Gehring do najmłodszej córki Peierlsa, napisanym wkrótce po jego śmierci. Gehring nazwała siebie jego „intelektualną wnuczką”, bo wszyscy jej nauczyciele byli uczniami Peierlsa. Przytacza w liście powtarzane przez europejskich fizyków zdziwienie, że nigdy nie otrzymał Nagrody Nobla, i wiąże to z rozległością jego zainteresowań oraz z kontrowersjami wokół udziału w pracach nad rozszczepieniem.

Publikacje

Książki

Napisał kilka książek:

• Quantum Theory of Solids (1955)
• The Laws of Nature (1955)
• Surprises in Theoretical Physics (1979)
• Bird of Passage: Recollections of a Physicist (1985)
• More Surprises in Theoretical Physics (1991)

The Laws of Nature powstało, jak pisała jego żona, pod presją: honorarium miało pomóc opłacić czesne dzieci, których studia w Oksfordzie i Cambridge nałożyły się na jeden rok i omal nie zrujnowały domowego budżetu. Książka okazała się sukcesem wydawniczym i doczekała się około dziewięciu przekładów, w tym ormiańskiego. Surprises in Theoretical Physics wyrosło z kursu, który zaczął prowadzić w Seattle w 1977 roku i w którym zbierał przykłady wniosków pozornie oczywistych, a nieprawdziwych, oraz przybliżeń pozornie nieuzasadnionych, a poprawnych. Prowadził tam także seminarium o problemach rozbrojenia, oparte na własnych doświadczeniach z konferencji Pugwash. Do napisania wspomnień skłoniły go reakcje słuchaczy na wykład historyczny „The Glorious Days of Physics”, wygłoszony w 1974 roku w szkole letniej w Erice i powtarzany potem wielokrotnie pod tytułem „Reminiscences of the Early Days of Quantum Mechanics”. Na emeryturze powierzono mu też redakcję tomu poświęconego fizyce jądrowej w Dziełach zebranych Nielsa Bohra – dziewiątego, obejmującego prace Bohra z lat 1929–1952. Zaczął nad nim pracować w listopadzie 1979 roku, zajął mu blisko pięć lat i wymagał licznych wyjazdów do Kopenhagi. Najtrudniejsze okazało się w tej pracy przekładanie duńskich listów Bohra na angielski z zachowaniem stylu autora. Nad tomem pracował między innymi zimą 1979/1980 w Kopenhadze, gdzie jego żona przez trzy dni demonstrowała przed kinem wyświetlającym film A Man Called Intrepid, pełen – jak pisał Peierls – oszczerczych insynuacji pod adresem Bohra.

Wspomnienia pośmiertne i biogramy

Wspomnienia pośmiertne i biogramy zmarłych kolegów pisał regularnie. Dla „Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society” opracował – prócz tekstu o Heisenbergu – biogramy Pauliego i Frischa. W tekście o Pauliem przytoczył jego krytyczne uwagi, znane i niekiedy budzące strach w całym świecie fizyki. Zaznaczył przy tym, że wiele krążących o nim opowieści tego rodzaju jest apokryficznych, a przywoływane przykłady zaczerpnął z wiarygodnych relacji albo z rozmów, przy których sam był obecny. Wśród nich znalazł się komentarz do pracy pewnego młodego fizyka: „to nawet nie jest błędne”. Na koniec napisał, że Pauli swoim przykładem i swoją krytyką uosabiał to, co nazywano sumieniem fizyki. Wspólnie z Richardem Dalitzem ogłosił tam w 1986 roku biogram Diraca, liczący blisko pięćdziesiąt stron. Dla Dictionary of Scientific Biography napisał hasło o Oppenheimerze, a osobno ogłosił krótki nekrolog Diraca oraz nekrolog Williama Penneya.

Wybrane prace naukowe

Dwuwymiarowy model Isinga na siatce 5×5: czarne i białe pola to dwa ustawienia spinu, czerwone krawędzie oddzielają sąsiadów o przeciwnych spinach. W pracy On Ising’s model of ferromagnetism (1936) Peierls wykazał, że w dostatecznie niskiej temperaturze model ten ma w dwóch wymiarach uporządkowanie ferromagnetyczne

Pod koniec życia przygotował wraz z Richardem Dalitzem tom swoich wybranych prac naukowych. Sam wybrał do niego teksty i opatrzył większość z nich komentarzami, w których uściślał dawne wnioski, poprawiał błędy rachunkowe i wskazywał, do czego te prace doprowadziły. Całość ukończył kilka miesięcy przed śmiercią. Poniższa lista odtwarza ten wybór – 72 pozycje z lat 1929–1992. Pełną bibliografię jego publikacji z lat 1929–1995 zamieszczono w tym samym tomie.

• Zur Theorie der galvanomagnetischen Effekte, „Zeitschrift für Physik” t. 53, s. 255–266 (1929)
• Zur Theorie des Hall-Effekts, „Physikalische Zeitschrift” t. 30, s. 273–274 (1929)
• Über die Existenz stationärer Zustände, „Zeitschrift für Physik” t. 58, s. 59–62 (1929)
• Zur kinetischen Theorie der Wärmeleitung in Kristallen, „Annalen der Physik” t. 395, s. 1055–1101 (1929)
• Zur Theorie der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Metallen, „Annalen der Physik” t. 396, s. 121–148 (1930)
• Zwei Bemerkungen zur Theorie der Leitfähigkeit, „Annalen der Physik” t. 397, s. 244–246 (1930)
• Quantenelektrodynamik im Konfigurationsraum, „Zeitschrift für Physik” t. 62, s. 188–200 (1930), współautor: L. Landau
• Erweiterung des Unbestimmtheitsprinzips für die relativistische Quantentheorie, „Zeitschrift für Physik” t. 69, s. 56–69 (1931), współautor: L. Landau
• Über die Absorptionsspektren fester Körper, „Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion” t. 1, s. 297–298 (1932)
• Zur Theorie des Diamagnetismus von Leitungselektronen, „Zeitschrift für Physik” t. 80, s. 763–791 (1933)
• Zur Theorie des Diamagnetismus von Leitungselektronen. II. Starke Magnetfelder, „Zeitschrift für Physik” t. 81, s. 186–194 (1933)
• Bemerkungen zur Theorie der Metalle, „Zeitschrift für Physik” t. 88, s. 786–791 (1934)
• Über die statistischen Grundlagen der Elektronentheorie der Metalle, „Helvetica Physica Acta” t. 7, supl. 2, s. 24–30 (1934)
• Bemerkungen über Umwandlungstemperaturen, „Helvetica Physica Acta” t. 7, supl. 2, s. 81–83 (1934)
• The „Neutrino”, „Nature” t. 133, s. 532–533 (1934), współautor: H. A. Bethe
• The Neutrino, „Nature” t. 133, s. 689–690 (1934), współautor: H. A. Bethe
• Quantum theory of the diplon, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A148, s. 146–156 (1935), współautor: H. A. Bethe
• The scattering of neutrons by protons, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A149, s. 176–183 (1935), współautor: H. A. Bethe
• Statistical error in counting experiments, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A149, s. 467–486 (1935)
• Statistical theory of superlattices with unequal concentrations of the components, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A154, s. 207–222 (1936)
• Note on the derivation of the equation of state for a degenerate relativistic gas, „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” t. 96, s. 780–784 (1936)
• Magnetic transition curves of supraconductors, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A155, s. 613–628 (1936)
• Statistical theory of adsorption with interaction between the adsorbed atoms, „Proceedings of the Cambridge Philosophical Society” t. 32, s. 471–476 (1936)
• On Ising’s model of ferromagnetism, „Proceedings of the Cambridge Philosophical Society” t. 32, s. 477–481 (1936)
• Penetration into potential barriers in several dimensions, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A163, s. 606–610 (1937), współautor: P. L. Kapur
• Heat conduction in liquid helium, „Nature” t. 140, s. 62–64 (1937), współautorzy: J. F. Allen, M. Zaki Uddin
• The dispersion formula for nuclear reactions, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A166, s. 277–295 (1938), współautor: P. L. Kapur
• On a minimum property of the free energy, „Physical Review” t. 54, s. 918–919 (1938)
• Nuclear reactions in the continuous energy region, „Nature” t. 144, s. 200–201 (1939), współautorzy: N. Bohr, G. Placzek
• Critical conditions in neutron multiplication, „Proceedings of the Cambridge Philosophical Society” t. 35, s. 610–615 (1939)
• Interpretation of beta-disintegration data, „Nature” t. 143, s. 200–202 (1939), współautorzy: H. A. Bethe, F. Hoyle
• The size of a dislocation, „Proceedings of the Physical Society” t. 52, s. 34–37 (1940)
• Memorandum Frischa-Peierlsa (1940) – dwa teksty: On the construction of a „super-bomb”, based on a nuclear chain reaction in uranium, przedrukowany w aneksie 1 książki Margaret Gowing Britain and Atomic Energy, 1939–1945 (s. 389–393, 1964), oraz The properties of a radioactive „super-bomb”, przedrukowany w książce Ronalda W. Clarka Tizard (s. 215–217, 1965), współautor: O. R. Frisch
• The Bohr theory of nuclear reactions, „Reports on Progress in Physics” t. 7, s. 87–106 (1940)
• Separation of isotopes, raport Directorate of Tube Alloys MS. 12A (1941), współautor: K. Fuchs
• On Lorentz invariance in the quantum theory, „Proceedings of the Cambridge Philosophical Society” t. 38, s. 193–200 (1942), współautorzy: P. A. M. Dirac, M. H. L. Pryce
• The equation of state of air at high temperatures, raport Directorate of Tube Alloys MS. 61 (1942), współautorzy: K. Fuchs, G. J. Kynch
• Expansions in terms of sets of functions with complex eigenvalues, „Proceedings of the Cambridge Philosophical Society” t. 44, s. 242–250 (1948)
• The commutation laws of relativistic field theory, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A214, s. 143–157 (1952)
• The polyneutron theory of the origin of the elements, „Physical Review” t. 87, s. 46–50 (1952), współautorzy: K. S. Singwi, D. Wroe
• Properties of form factors in non-local theories, „Il Nuovo Cimento” t. 10, s. 668–676 (1953), współautor: M. Chrétien
• A study of gauge-invariant non-local interactions, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A223, s. 468–481 (1954), współautor: M. Chrétien
• Field equations in functional form, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A224, s. 24–33 (1954), współautor: S. F. Edwards
• Note on the vibration spectrum of a crystal, „Proceedings of the National Institute of Sciences of India” t. 20, s. 121–126 (1954)
• The coherent scattering of γ-rays by K electrons in heavy atoms. I. Method, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A227, s. 51–58 (1954), współautorzy: G. E. Brown, J. B. Woodward
• Interpretation and properties of propagators, materiały konferencji Nuclear and Meson Physics w Glasgow, s. 296–299 (1954)
• The Peierls Transition – wykład problemu w książkach Quantum Theory of Solids (rozdz. 5.3, 1955) i More Surprises in Theoretical Physics (s. 27–30, 1991)
• The collective model of nuclear motion, „Proceedings of the Physical Society” A70, s. 381–387 (1957), współautor: J. Yoccoz
• Two-stage model of Fermi interactions, „Il Nuovo Cimento” t. 10, s. 520–524 (1958), współautor: N. Byers
• Complex eigenvalues in scattering theory, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A253, s. 16–36 (1959)
• Selected topics in nuclear theory, wykłady w letnim instytucie fizyki teoretycznej Uniwersytetu Kolorado, t. 1, s. 238–314 (1959)
• Velocity-dependent nuclear forces, materiały Rutherford Jubilee Conference w Manchesterze, s. 739–741 (1961)
• Variational approach to collective motion, „Nuclear Physics” t. 38, s. 154–176 (1962), współautor: D. J. Thouless
• The Villars formalism for nuclear rotation, „Proceedings of the Physical Society” t. 1 (seria 2), s. 1–10 (1968), współautor: J. N. Urbano
• Time reversal and the second law of thermodynamics, materiały konferencji Methods and Problems of Theoretical Physics w Birmingham, s. 3–10 (1967)
• The momentum of a light wave in a refracting medium, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A333, s. 149–156 (1973), współautor: M. G. Burt
• Perturbation theory for projected states, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A333, s. 157–170 (1973)
• The force on a moving charge in an electron gas, „Journal of Physics C: Solid State Physics” t. 6, s. 2811–2821 (1973), współautor: A. K. Das
• Perturbation theory for projected states. II. Convergence criteria and a soluble model, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A335, s. 251–266 (1973), współautorzy: B. Atalay, A. Mann
• Test of projected perturbation theory on a simplified model of H₂, „Chemical Physics Letters” t. 24, s. 136–137 (1974), współautor: A. Mann
• Some simple remarks on the basis of transport theory, materiały szkoły letniej mechaniki statystycznej w Sitges, s. 1–33 (1974)
• The force in electromigration, „Journal of Physics C: Solid State Physics” t. 8, s. 3348–3352 (1975), współautor: A. K. Das
• The momentum of light in a refracting medium, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A347, s. 475–491 (1976)
• Resonant states and their uses, „Nuclear Physics” A265, s. 443–460 (1976), współautor: G. Garcia-Calderon
• Local approximation to a non-local potential, „Nuclear Physics” A343, s. 1–23 (1980), współautor: Nicole Vinh Mau
• Model-making in physics, „Contemporary Physics” t. 21, s. 3–17 (1980)
• The momentum of a sound pulse in a slightly dispersive medium, „Proceedings of the Royal Society of London. Series A” A390, s. 1–12 (1983)
• Momentum and pseudomomentum of light and sound, materiały szkoły letniej im. Enrica Fermiego, t. 89, s. 237–255 (1985)
• Observations in quantum mechanics and the „collapse of the wave function”, materiały sympozjum Foundations of Modern Physics, s. 187–196 (1985)
• Shape of solitons in classically forbidden states: „Lorentz expansion”, „Physica Scripta” t. 33, s. 282–283 (1986), współautorzy: F. Guinea, J. R. Schrieffer
• In defence of „measurement”, „Physics World” t. 4, s. 19–20 (1991)
• Broken symmetries, „Contemporary Physics” t. 33, s. 221–226 (1992)

Bibliografia

• Ian J.R.I.J.R. Aitchison Ian J.R.I.J.R., J.E.J.E. Paton J.E.J.E. (red.), Rudolf Peierls and Theoretical Physics. Proceedings of the Symposium held in Oxford on July 11th & 12th, 1974, to mark the occasion of the retirement of Professor Sir Rudolf E. Peierls, Oksford: Pergamon Press, 1977, ISBN 0-08-020606-9, OCLC 1975127  (ang.).
• R.H.R.H. Dalitz R.H.R.H., RudolfR. Peierls RudolfR. (red.), Selected Scientific Papers of Sir Rudolf Peierls. With Commentary, Singapur: World Scientific, 1997, DOI: 10.1142/3128, ISBN 978-981-02-2692-3  (ang.).
• P.C.W.P.C.W. Davies P.C.W.P.C.W., J.R.J.R. Brown J.R.J.R. (red.), Der Geist im Atom, Bazylea: Birkhäuser, 1988, DOI: 10.1007/978-3-0348-6046-8, ISBN 978-3-7643-1944-1  (niem.).
• Otto R.O.R. Frisch Otto R.O.R., What Little I Remember, wyd. Canto (1991), Cambridge: Cambridge University Press, 1979, ISBN 0-521-40583-1  (ang.).
• MargaretM. Gowing MargaretM., Britain and Atomic Energy, 1939–1945, Londyn: Macmillan Publishing, 1964, OCLC 3195209  (ang.).
• DavidD. Hawkins DavidD., Edith C.E.C. Truslow Edith C.E.C., Ralph CarlisleR.C. Smith Ralph CarlisleR.C., Project Y: The Los Alamos Story, Los Angeles: Tomash Publishers, 1983, ISBN 978-0-938228-08-0  (ang.).
• LillianL. Hoddeson LillianL., Paul W.P.W. Henriksen Paul W.P.W., Roger A.R.A. Meade Roger A.R.A., Catherine L.C.L. Westfall Catherine L.C.L., Critical Assembly: A Technical History of Los Alamos During the Oppenheimer Years, 1943–1945, Nowy Jork: Cambridge University Press, 1993, ISBN 0-521-44132-3, OCLC 26764320  (ang.).
• VincentV. Jones VincentV., Manhattan: The Army and the Atomic Bomb, Waszyngton: United States Army Center of Military History, 1985, OCLC 10913875 [dostęp 2026-09-19] [zarchiwizowane z adresu 2025-10-01]  (ang.).
• ChristophCh. Laucht ChristophCh., Elemental Germans: Klaus Fuchs, Rudolf Peierls and the Making of British Nuclear Culture 1939–59, Londyn: Palgrave Macmillan, 2012, DOI: 10.1057/9781137028334, ISBN 978-1-349-34667-7  (ang.).
• SabineS. Lee SabineS., Rudolf Ernst Peierls. 5 June 1907–19 September 1995: Elected FRS 1945, „Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society”, 53, 2007, s. 265–284, DOI: 10.1098/rsbm.2007.0003, JSTOR: 20461379  (ang.).
• SabineS. Lee SabineS., The Spy that Never Was, „Intelligence and National Security”, 17 (4), 2002, s. 77–99, DOI: 10.1080/02684520412331306650, ISSN 0268-4527  (ang.).
• SabineS. Lee SabineS. (red.), Sir Rudolf Peierls: selected private and scientific correspondence. Volume 2, Singapur: World Scientific, 2009, ISBN 978-981-279-706-3, OCLC 938841452  (ang. • niem.).
• NevillN. Mott NevillN., Rudolf Peierls (1907–95), „Nature”, 377 (6550), 1995, s. 577, DOI: 10.1038/377577a0  (ang.).
• RudolfR. Peierls RudolfR., Recollections of early solid state physics, „Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences”, 371 (1744), 1980, s. 28–38, DOI: 10.1098/rspa.1980.0053, ISSN 0080-4630  (ang.).
• Rudolf E.R.E. Peierls Rudolf E.R.E., Atomic Histories, Nowy Jork: AIP Press / Springer-Verlag, 1997, ISBN 1-56396-243-8  (ang.).
• RudolfR. Peierls RudolfR., Bird of Passage: Recollections of a Physicist, Princeton: Princeton University Press, 1985, ISBN 0-691-08390-8, OCLC 925040112  (ang.).
• MikhailM. Shifman MikhailM. (red.), Love and Physics: The Peierlses, Singapur: World Scientific, 2019, DOI: 10.1142/11266, ISBN 978-981-327-990-2  (ang.).
• Ferenc MortonF.M. Szasz Ferenc MortonF.M., British Scientists and the Manhattan Project: the Los Alamos Years, Nowy Jork: St. Martin’s Press, 1992, ISBN 978-0-312-06167-8, OCLC 23901666  (ang.).
• David J.D.J. Thouless David J.D.J., Obituary: Sir Rudolf Peierls 1907–1995, „Nuclear Physics A”, 604 (1), 1996, s. 1–6, DOI: 10.1016/0375-9474(96)87269-1  (ang.).