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科学家还是灭世者?记那些原子弹背后的人

第二次世界大战期间始终困扰同盟国的问题是:德国是否已经开始基于放射性元素释放的能量来研发新型炸弹(原子弹)了?20 世纪早期的物理学革命揭示原子中蕴含着巨大能量(见第11 章)。虽然大部分科学家都对此持怀疑态度,但是时不时地有人预测原子能量可以被释放,原子能炸弹可以拥有摧毁整个城市的威力。

最初(1940)计算出原子能炸弹可以被制造的是逃离纳粹德国的犹太科学家。但还有很多著名物理学家选择留在德国,其中最有名的就是维尔纳·海森堡。海森堡对国家的忠诚使得他在反对希特勒和纳粹政策的情况下还是在战时帮助德国开发了新炸弹。同盟国担心希特勒会得到超级武器,所以把大量资源投入到后来的曼哈顿计划中去研发原子弹。和 V-2 不同,原子弹很可能会帮助德国翻盘,甚至是在最后时刻扭转战局。

事实上,德国物理学家根本没有研发原子弹,他们唯一的核反应堆也毫无用处。海森堡及其同事后来被同盟国俘虏,同盟国审讯他们的过程中,发现他们大大高估了启动铀的链式反应所需的临界质量,并且早已告诉德国军方原子弹是不可能被制造的。后来,关于同盟国高估德军是否是一次单纯的失误,及同盟国加速原子弹研究是否是为了保证纳粹德国无法得到原子弹而进行的精密谋划,一直存在争议(Powers,1993;Rose,1998)。1941 年,海森堡似乎准备提出原子弹研发事宜,他的导师——丹麦原子物理学家尼尔斯·玻尔因此愤而与其对峙,知名百老汇歌剧《哥本哈根》就是根据这次著名的事件改编而成(Frayn,1998)。

在不知道德国没兴趣研究原子弹,且每天都被德军轰炸机威胁的情况下,英国首先迈出了研发原子弹的步伐(Gowing,1965)。到了 1939 年,玻尔和其他科学家开始意识到从放射性原子的核裂变中获得大量能量的唯一方法就是引发“链式反应”。通常情况下,这类原子的原子核会以缓慢的速率自行裂变,每一个原子核都会释放出少但意义重大的辐射。但一些放射性元素,特别是铀 235 和人造元素钚会释放中子,而且这些粒子轰击其他原子核时非常容易引发裂变反应。在少量的放射性元素中,大部分中子会在轰击其他原子核之前逃逸;但如果放射性元素达到一个“临界质量”,中子能够让足够多的原子核裂变,进而引发连环撞击——也就是链式反应。

在核反应堆中,链式反应会保持在一个稳定水平之上,能够稳定地产生大量能量。但在无法控制的链式反应中,所有的原子会在不到一秒的时间里裂变,以爆炸的形式释放出巨大能量。最简单的原子弹就是用一种装置把两个亚临界质量的原子堆整合成临界质量的原子堆,它会瞬间爆炸。到了 1940 年,一部分物理学家开始思考这种情况,其关键问题在于:什么是临界质量?海森堡估计临界质量大约有几吨,如果这样的话原子弹是不可能被制造的——但如果临界质量其实很小,比如只有几千克呢?

临界质量的计算最初是由两个德国科学家奥托·弗里施(Otto Frisch)和鲁道夫·派尔斯(Rudolf Peierls)在 1940 年完成的,他们逃离了纳粹德国来到英国利物浦大学工作。最终他们确定的临界质量是大约 5 千克,重量足够轻,可以使用其制作炸弹;不过当时科学界还没有从自然资源中提取 5 千克裂变材料的方法。

自然界大部分的铀是铀 238,无法进行链式反应;只有 0.7% 的铀是重要的铀 235,要想制造原子弹的话,科学家必须想出获得大量铀 235 的方法。弗里施和派尔斯的研究记录被送到了亨利·蒂泽德手中,很快,一个研究分离同位素和制造原子弹的委员会成立。该委员会名为“MAUD 委员会”——玻尔从丹麦发来一封电报,上面写了“Maud”四个字母,人们认为这是一个密语,但实际上Maud 是玻尔认识的一个英国女人的名字。MAUD 委员会的成员包括著名物理学家 G.P. 汤姆森、詹姆斯·查德威克、马克·奥利芬特(Mark Oliphant)和 P.M.S. 布莱克特等。他们在牛津大学开始研究发明一种通过气体扩散分离同位素的方法,最终将该方法命名为“管合金”。

布莱克特和其他委员会成员认为随着德国入侵的威胁逐渐紧迫,实际制造原子弹的最佳地点应该是美国。奥利芬特 1941 年8 月访问美国,与美国商讨无线电探测器探测问题,同时他也接到指示去向美国传达英国原子弹计划的重要性。当时,美国人表现得并不积极,虽然 1939 年阿尔伯特·爱因斯坦受到匈牙利物理学家莱奥·齐拉特(Leo Szilard)的鼓励,向罗斯福总统写信警告说如果不抢在德国之前制造出原子弹会有很大危险。奥利芬特引起了欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)的注意,后来劳伦斯成功地让美国政府的主要科学顾问万尼瓦尔·布什和J.B. 科南特(J.B.Conant)相信英国的原子弹计划很有可能成功。1941 年 12 月 6 日(日本偷袭珍珠港的前一天),罗斯福总统批准了原子弹研究基金。到了来年夏天,美国已经规划好了制造原子弹的试验工厂。同时,研究设计原子弹本身的工作也开始了(Hoddeson, 1993)。

那个年代没人观测过链式反应,链式反应的理论也是 1942年 12 月才被确立。1942 年 12 月,恩里科·费米在芝加哥大学足球场的地下室里建设了一个核反应堆,并引发了一次可控的链式反应。反应堆的一个功能就是将铀 238 转化成钚——另一种制造原子弹的裂变物质。事实上,建立核反应堆来制造钚是一种制造裂变物质的优秀方法,因为制造出的钚可以轻松地用化学方法提取,而分离铀 235 和铀 238 则需要利用气体扩散或电磁技术,并经过一个精密的物理过程才行。研究计划沿着上述两个方向并行,目的就是用铀 235 和钚制造炸弹。美国准将莱斯利·格罗夫斯(Leslie Groves)被任命担任后来的曼哈顿计划的指挥官。格罗夫斯有丰富的大型项目管理经验,而且他的组织技术对计划非常重要——当时他还不是一个科学家,曼哈顿计划招募的许多科学家也不喜欢他,因为他们认为格罗夫斯的军事角度和他们的科学角度八字不合。格罗夫斯还是个反英派,一段时间里英国科学家都不能参与计划。不过后来这种情况发生了转变,连玻尔逃离德国占领的丹麦之后也加入了曼哈顿计划。

曼哈顿计划的规模变得非常庞大——田纳西州橡树岭市的铀235 提炼工厂和华盛顿特区汉福德市的钚制造厂各自的水电用量都超过了大城市(图 20.2;Hughes,2002)。科学家和设计设备的工程师的技术技能被利用到极致。同时,在 J. 罗伯特·奥本海默(J.Robert Oppenheimer)的领导下,原子弹的设计也在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市开始进行。奥本海默是美国物理学界的领军人物,当时的美国物理学界已经发展到了可以和历史悠久的欧洲物理学界相媲美的程度(Goodchild,1980;Kevles,1995)。奥本海默面临着一项新的挑战,在其中他卓越的领导能力真正发挥了作用。虽然曼哈顿计划在整体上是格罗夫斯和军方管理的,但是研究技术问题的科学团队都是普通市民,并且受科学家领导。这意味着他们不是简单地接受并服从军队命令,而是可以自由地思考他们行为的结果。最后,这种自由导致了研发原子弹的道德问题大辩论,不过很快纳粹德国的急迫威胁使得大部分科学家抛开疑虑投入了原子弹研发。

1944年美国Y-12工厂Alpha-1加速器[美国陆军工程师团,曼和顿工程区,橡树岭市,田纳西州。詹姆斯·E.韦斯特考特(James E. Westcott)摄]。Alpha-1加速器被用来分离轴同位素。这个设备展示了大科学在得到军工复合体的资源支持后可以以多大的规模运行。该设备用了来自美国国库的6000吨银

奥本海默是一个杰出的物理学家,但是他知道在这个实用结果至上的新环境中,科学家传统的个人主义将无法继续。他发现曼哈顿计划必须采用一种准军事化的管理方法,让整个团队一致集中到眼下目标的同时,还有空间发挥个人创造力来寻找解决问题的方法。奥本海默也逐渐变得善于与政府和军事委员会打交道,他成了新型科学领导者,既可以在权力中心发挥作用,也可以在实验室独当一面。在某种意义上,曼哈顿计划改变了科学的工作方式,要求顶尖科学家与军事和工业利益紧密结合。奥本海默意识到,如果科学家想对他们的工作发挥影响,就必须学会采用新的工作方式。

与此同时,技术问题的出现要求理论物理学家和工程师更加紧密地进行合作。这些新问题的解决需要新的理论概念,而新理论在没有生产原子弹硬件的情况之下无法进行检验。许多物理学家必须解决实际操作产生的新问题,科学家远没有把应用科学看作迫于战争压力下不得不去做的杂事,事实上,他们发现自己迷上了这类理论创新。

最初原子弹的设计以一种射出轴235子弹的“枪”为基础。这种枪从枪管里射出轴235子弹,然后子弹撞在同样材料的靶子(图20.3)。轴子弹和轴靶子加起来的质量超过临界点,所以会立刻开始不可控制的链式反应。但是在 1944 年春天,加入钚元素的实验证实上述方法不适用于钚元素,因为钚元素自动裂变速率很高,所以处于亚临界质量的两部分钚都会在与另一部分相撞之前就开始裂变。这会使得可裂变物质在狭小空间结合并在发生高效链式反应之前就扰乱其裂变过程。科学家需要设计一种“内向爆炸”的方法来制造原子弹,即用精心塑造的普通爆炸物压缩稍稍低于临界质量的裂变物质,使其达到临界状态。

图解引爆铀 235 炸弹的“枪”。用普通炸药将小型铀子弹射进枪管,进入右侧的大型结构内,使得右侧结构超过临界质量并引发链式反应

英国科学家(包括德国逃亡者派尔斯)重回曼哈顿计划,并承担了上述新设计的大部分工作。可是这种新设计太过激进,让科学顾问 J.B. 科南特等人怀疑它是否可行。这也解释了为什么 1945 年 7 月 16 日美国选在新墨西哥州阿拉莫戈多的沙漠上测试钚炸弹。钚炸弹爆炸释放出了等同于两万吨 TNT 炸药爆炸的威力,超过了科学家的预期(图 20.4 和 20.5)。看到这次爆炸后,奥本海默引用印度史诗《薄伽梵歌》的文字表达了自己的心情:“我是死神,世界的毁灭者。”(这个情景后来成了奥本海默的著名事迹之一)另一位物理学家肯尼斯·班布里奇(Kenneth Bainbridge)则用了接地气的评论:“现在,我们都成了婊子养的了。”(Schweber,2000,3)

很快,原子弹在“二战”末尾投入了实际应用(投到了日本,当时德国已经投降)。1945年 8 月 6 日,B-29 型“艾诺拉 ·盖号”轰炸机用铀弹“小男孩”摧毁了广岛。3 天后,钚弹“胖子”被扔到长崎。使用原子弹的真正动机陷入了争议。官方态度是他们想用原子弹迫使日本迅速投降,这样可以拯救成百上千个可能会在入侵日本时战死的美国士兵的生命。但这显然是夸大其词,有些人怀疑是当时的美国新总统哈里·杜鲁门想要用原子弹来在战后谈判中获取比苏联更多的筹码(Alperowitz,1996;Giovannittiand Freud,1965;Walker,1996)。

第一颗原子弹爆炸后,J. 罗伯特·奥本海默和格罗夫斯准将在三一点(Popperfoto/Retrofile.com)。奥本海默是杰出的物理学家,但在大科学的新世界中,他需要学会和军队及大公司的领导层合作

与我们的主题更相关的问题是:科学家自己对参与研发具有如此毁灭性的武器有何想法。不用怀疑,最初提议研发原子弹的就是那些意识到可以用这种方法研究核裂变的科学家。如果科学家没有提出这种想法,那么原子弹研发计划也不会启动——这是发生在德国的真事。但由于担心纳粹党人也会朝着相同方向探索,几乎没有英国(以及后来的美国)科学家不愿意推动原子弹计划发展。毕竟战争是残酷的,城市也早已被常规的轰炸摧毁。当纳粹德国分崩离析,日本(仅仅有一个小型的核项目)成为仅剩的唯一目标时,关键时刻到来了。

在那个时间点上,确实有一些科学家开始声明不应该使用原子弹,或者至少应该先把原子弹投掷到日本的偏远地区作为一次警告。莱奥·齐拉特,那个最初鼓励爱因斯坦给罗斯福总统写信谈论核武器可能性的人,变成了批评军方使用原子弹政策的领头人物。他向物理学家詹姆斯·弗兰克(James Franck)领导的社会和政治影响委员会施压,要求他们提交一份呼吁先进行原子弹投掷演示的报告(Giovannitti and Freud,111—115)。但是许多科学家拒绝接受齐拉特的提议,一些是因为接受了官方拯救美国士兵的说法,而另一些是因为他们还为最后的技术问题焦头烂额,没时间退一步思考自己的立场是什么。奥本海默本人认同拯救美国人生命的观点,并且不怎么鼓励在洛斯阿拉莫斯展开辩论——可是第二次世界大战后,奥本海默成了反对制造威力更大的氢弹的领头人物。

「 读钥 」很有逼格
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