科學家還是滅世者？記那些原子彈背後的人

作者 | 彼得·J·鮑勒

來源 | 科學大院

第二次世界大戰期間始終困擾同盟國的問題是：德國是否已經開始基於放射性元素釋放的能量來研發新型炸彈（原子彈）了？20 世紀早期的物理學革命揭示原子中蘊含著巨大能量（見第11 章）。雖然大部分科學家都對此持懷疑態度，但是時不時地有人預測原子能量可以被釋放，原子能炸彈可以擁有摧毀整個城市的威力。

最初（1940）計算出原子能炸彈可以被製造的是逃離納粹德國的猶太科學家。但還有很多著名物理學家選擇留在德國，其中最有名的就是維爾納·海森堡。海森堡對國家的忠誠使得他在反對希特勒和納粹政策的情況下還是在戰時幫助德國開發了新炸彈。同盟國擔心希特勒會得到超級武器，所以把大量資源投入到後來的曼哈頓計劃中去研發原子彈。和 V-2 不同，原子彈很可能會幫助德國翻盤，甚至是在最後時刻扭轉戰局。

事實上，德國物理學家根本沒有研發原子彈，他們唯一的核反應堆也毫無用處。海森堡及其同事後來被同盟國俘虜，同盟國審訊他們的過程中，發現他們大大高估了啟動鈾的鏈式反應所需的臨界質量，並且早已告訴德國軍方原子彈是不可能被製造的。

後來，關於同盟國高估德軍是否是一次單純的失誤，及同盟國加速原子彈研究是否是為了保證納粹德國無法得到原子彈而進行的精密謀劃，一直存在爭議（Powers，1993；Rose，1998）。1941 年，海森堡似乎準備提出原子彈研發事宜，他的導師——丹麥原子物理學家尼爾斯·玻爾因此憤而與其對峙，知名百老匯歌劇《哥本哈根》就是根據這次著名的事件改編而成（Frayn，1998）。

在不知道德國沒興趣研究原子彈，且每天都被德軍轟炸機威脅的情況下，英國首先邁出了研發原子彈的步伐（Gowing，1965）。到了 1939 年，玻爾和其他科學家開始意識到從放射性原子的核裂變中獲得大量能量的唯一方法就是引發「鏈式反應」。

通常情況下，這類原子的原子核會以緩慢的速率自行裂變，每一個原子核都會釋放出少但意義重大的輻射。但一些放射性元素，特別是鈾 235 和人造元素鈽會釋放中子，而且這些粒子轟擊其他原子核時非常容易引發裂變反應。在少量的放射性元素中，大部分中子會在轟擊其他原子核之前逃逸；但如果放射性元素達到一個「臨界質量」，中子能夠讓足夠多的原子核裂變，進而引發連環撞擊——也就是鏈式反應。

在核反應堆中，鏈式反應會保持在一個穩定水平之上，能夠穩定地產生大量能量。但在無法控制的鏈式反應中，所有的原子會在不到一秒的時間裡裂變，以爆炸的形式釋放出巨大能量。最簡單的原子彈就是用一種裝置把兩個亞臨界質量的原子堆整合成臨界質量的原子堆，它會瞬間爆炸。到了 1940 年，一部分物理學家開始思考這種情況，其關鍵問題在於：什麼是臨界質量？海森堡估計臨界質量大約有幾噸，如果這樣的話原子彈是不可能被製造的——但如果臨界質量其實很小，比如只有幾千克呢？

臨界質量的計算最初是由兩個德國科學家奧託·弗裡施（Otto Frisch）和魯道夫·派爾斯（Rudolf Peierls）在 1940 年完成的，他們逃離了納粹德國來到英國利物浦大學工作。最終他們確定的臨界質量是大約 5 千克，重量足夠輕，可以使用其製作炸彈；不過當時科學界還沒有從自然資源中提取 5 千克裂變材料的方法。

自然界大部分的鈾是鈾 238，無法進行鏈式反應；只有 0.7% 的鈾是重要的鈾 235，要想製造原子彈的話，科學家必須想出獲得大量鈾 235 的方法。弗裡施和派爾斯的研究記錄被送到了亨利·蒂澤德手中，很快，一個研究分離同位素和製造原子彈的委員會成立。

該委員會名為「MAUD 委員會」——玻爾從丹麥發來一封電報，上面寫了「Maud」四個字母，人們認為這是一個密語，但實際上Maud 是玻爾認識的一個英國女人的名字。MAUD 委員會的成員包括著名物理學家 G.P. 湯姆森、詹姆斯·查德威克、馬克·奧利芬特（Mark Oliphant）和 P.M.S. 布萊克特等。他們在牛津大學開始研究發明一種通過氣體擴散分離同位素的方法，最終將該方法命名為「管合金」。

布萊克特和其他委員會成員認為隨著德國入侵的威脅逐漸緊迫，實際製造原子彈的最佳地點應該是美國。奧利芬特 1941 年8 月訪問美國，與美國商討無線電探測器探測問題，同時他也接到指示去向美國傳達英國原子彈計劃的重要性。

當時，美國人表現得並不積極，雖然 1939 年阿爾伯特·愛因斯坦受到匈牙利物理學家萊奧·齊拉特（Leo Szilard）的鼓勵，向羅斯福總統寫信警告說如果不搶在德國之前製造出原子彈會有很大危險。奧利芬特引起了歐內斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）的注意，後來勞倫斯成功地讓美國政府的主要科學顧問萬尼瓦爾·布希和J.B. 科南特（J.B.Conant）相信英國的原子彈計劃很有可能成功。1941 年 12 月 6 日（日本偷襲珍珠港的前一天），羅斯福總統批准了原子彈研究基金。到了來年夏天，美國已經規劃好了製造原子彈的試驗工廠。同時，研究設計原子彈本身的工作也開始了（Hoddeson， 1993）。

那個年代沒人觀測過鏈式反應，鏈式反應的理論也是 1942年 12 月才被確立。1942 年 12 月，恩裡科·費米在芝加哥大學足球場的地下室裡建設了一個核反應堆，並引發了一次可控的鏈式反應。反應堆的一個功能就是將鈾 238 轉化成鈽——另一種製造原子彈的裂變物質。

事實上，建立核反應堆來製造鈽是一種製造裂變物質的優秀方法，因為製造出的鈽可以輕鬆地用化學方法提取，而分離鈾 235 和鈾 238 則需要利用氣體擴散或電磁技術，並經過一個精密的物理過程才行。研究計劃沿著上述兩個方向並行，目的就是用鈾 235 和鈽製造炸彈。

美國準將萊斯利·格羅夫斯（Leslie Groves）被任命擔任後來的曼哈頓計劃的指揮官。格羅夫斯有豐富的大型項目管理經驗，而且他的組織技術對計劃非常重要——當時他還不是一個科學家，曼哈頓計劃招募的許多科學家也不喜歡他，因為他們認為格羅夫斯的軍事角度和他們的科學角度八字不合。格羅夫斯還是個反英派，一段時間裡英國科學家都不能參與計劃。不過後來這種情況發生了轉變，連玻爾逃離德國佔領的丹麥之後也加入了曼哈頓計劃。

曼哈頓計劃的規模變得非常龐大——田納西州橡樹嶺市的鈾235 提煉工廠和華盛頓特區漢福德市的鈽製造廠各自的水電用量都超過了大城市（圖 20.2；Hughes，2002）。科學家和設計設備的工程師的技術技能被利用到極致。

同時，在 J. 羅伯特·奧本海默（J.Robert Oppenheimer）的領導下，原子彈的設計也在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市開始進行。奧本海默是美國物理學界的領軍人物，當時的美國物理學界已經發展到了可以和歷史悠久的歐洲物理學界相媲美的程度（Goodchild，1980；Kevles，1995）。

奧本海默面臨著一項新的挑戰，在其中他卓越的領導能力真正發揮了作用。雖然曼哈頓計劃在整體上是格羅夫斯和軍方管理的，但是研究技術問題的科學團隊都是普通市民，並且受科學家領導。這意味著他們不是簡單地接受並服從軍隊命令，而是可以自由地思考他們行為的結果。最後，這種自由導致了研發原子彈的道德問題大辯論，不過很快納粹德國的急迫威脅使得大部分科學家拋開疑慮投入了原子彈研發。

1944年美國Y-12工廠Alpha-1加速器[美國陸軍工程師團，曼哈頓工程區，橡樹嶺市，田納西州。詹姆斯·E.韋斯特考特（James E. Westcott）攝]。Alpha-1加速器被用來分離軸同位素。這個設備展示了大科學在得到軍工複合體的資源支持後可以以多大的規模運行。該設備用了來自美國國庫的6000噸銀

奧本海默是一個傑出的物理學家，但是他知道在這個實用結果至上的新環境中，科學家傳統的個人主義將無法繼續。他發現曼哈頓計劃必須採用一種準軍事化的管理方法，讓整個團隊一致集中到眼下目標的同時，還有空間發揮個人創造力來尋找解決問題的方法。奧本海默也逐漸變得善於與政府和軍事委員會打交道，他成了新型科學領導者，既可以在權力中心發揮作用，也可以在實驗室獨當一面。在某種意義上，曼哈頓計劃改變了科學的工作方式，要求頂尖科學家與軍事和工業利益緊密結合。奧本海默意識到，如果科學家想對他們的工作發揮影響，就必須學會採用新的工作方式。

與此同時，技術問題的出現要求理論物理學家和工程師更加緊密地進行合作。這些新問題的解決需要新的理論概念，而新理論在沒有生產原子彈硬體的情況之下無法進行檢驗。許多物理學家必須解決實際操作產生的新問題，科學家遠沒有把應用科學看作迫於戰爭壓力下不得不去做的雜事，事實上，他們發現自己迷上了這類理論創新。

最初原子彈的設計以一種射出軸235子彈的「槍」為基礎。這種槍從槍管裡射出軸235子彈，然後子彈撞在同樣材料的靶子（圖20.3）。軸子彈和軸靶子加起來的質量超過臨界點，所以會立刻開始不可控制的鏈式反應。但是在 1944 年春天，加入鈽元素的實驗證實上述方法不適用於鈽元素，因為鈽元素自動裂變速率很高，所以處於亞臨界質量的兩部分鈽都會在與另一部分相撞之前就開始裂變。這會使得可裂變物質在狹小空間結合併在發生高效鏈式反應之前就擾亂其裂變過程。科學家需要設計一種「內向爆炸」的方法來製造原子彈，即用精心塑造的普通爆炸物壓縮稍稍低於臨界質量的裂變物質，使其達到臨界狀態。

圖解引爆鈾 235 炸彈的「槍」。用普通炸藥將小型鈾子彈射進槍管，進入右側的大型結構內，使得右側結構超過臨界質量並引發鏈式反應

英國科學家（包括德國逃亡者派爾斯）重回曼哈頓計劃，並承擔了上述新設計的大部分工作。可是這種新設計太過激進，讓科學顧問 J.B. 科南特等人懷疑它是否可行。這也解釋了為什麼 1945 年 7 月 16 日美國選在新墨西哥州阿拉莫戈多的沙漠上測試鈽炸彈。

鈽炸彈爆炸釋放出了等同於兩萬噸 TNT 炸藥爆炸的威力，超過了科學家的預期（圖 20.4 和 20.5）。看到這次爆炸後，奧本海默引用印度史詩《薄伽梵歌》的文字表達了自己的心情：「我是死神，世界的毀滅者。」（這個情景後來成了奧本海默的著名事跡之一）另一位物理學家肯尼斯·班布裡奇（Kenneth Bainbridge）則用了接地氣的評論：「現在，我們都成了婊子養的了。」（Schweber，2000，3）

很快，原子彈在「二戰」末尾投入了實際應用（投到了日本，當時德國已經投降）。1945年 8 月 6 日，B-29 型「艾諾拉 ·蓋號」轟炸機用鈾彈「小男孩」摧毀了廣島。3 天后，鈽彈「胖子」被扔到長崎。使用原子彈的真正動機陷入了爭議。官方態度是他們想用原子彈迫使日本迅速投降，這樣可以拯救成百上千個可能會在入侵日本時戰死的美國士兵的生命。但這顯然是誇大其詞，有些人懷疑是當時的美國新總統哈裡·杜魯門想要用原子彈來在戰後談判中獲取比蘇聯更多的籌碼（Alperowitz，1996；Giovannittiand Freud，1965；Walker，1996）。

第一顆原子彈爆炸後，J. 羅伯特·奧本海默和格羅夫斯準將在三一點（Popperfoto/Retrofile.com）。奧本海默是傑出的物理學家，但在大科學的新世界中，他需要學會和軍隊及大公司的領導層合作

與我們的主題更相關的問題是：科學家自己對參與研發具有如此毀滅性的武器有何想法。不用懷疑，最初提議研發原子彈的就是那些意識到可以用這種方法研究核裂變的科學家。如果科學家沒有提出這種想法，那麼原子彈研發計劃也不會啟動——這是發生在德國的真事。但由於擔心納粹黨人也會朝著相同方向探索，幾乎沒有英國（以及後來的美國）科學家不願意推動原子彈計劃發展。畢竟戰爭是殘酷的，城市也早已被常規的轟炸摧毀。當納粹德國分崩離析，日本（僅僅有一個小型的核項目）成為僅剩的唯一目標時，關鍵時刻到來了。

在那個時間點上，確實有一些科學家開始聲明不應該使用原子彈，或者至少應該先把原子彈投擲到日本的偏遠地區作為一次警告。萊奧·齊拉特，那個最初鼓勵愛因斯坦給羅斯福總統寫信談論核武器可能性的人，變成了批評軍方使用原子彈政策的領頭人物。他向物理學家詹姆斯·弗蘭克（James Franck）領導的社會和政治影響委員會施壓，要求他們提交一份呼籲先進行原子彈投擲演示的報告（Giovannitti and Freud，111—115）。

但是許多科學家拒絕接受齊拉特的提議，一些是因為接受了官方拯救美國士兵的說法，而另一些是因為他們還為最後的技術問題焦頭爛額，沒時間退一步思考自己的立場是什麼。奧本海默本人認同拯救美國人生命的觀點，並且不怎麼鼓勵在洛斯阿拉莫斯展開辯論——可是第二次世界大戰後，奧本海默成了反對製造威力更大的氫彈的領頭人物。

本文轉載自「科學大院」微信公眾號 ID:kexuedayuan

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