從宇宙本源到原子彈,看愛因斯坦的生死方程如何掌控人類命運

1905年，人類歷史上最偉大的理論物理學家之一，26歲的阿爾伯特·愛因斯坦提出了狹義相對論，突破了近三百年來艾薩克·牛頓建立的經典物理學體系，與狹義相對論同時誕生的還有一個方程，那就是我們熟知的質能方程：E=mc^2。

核子的能量有多大

質能方程貌似很簡單，沒有難以理解且數目驚人的變量，它就是告訴我們物質擁有的總能量等於它的質量乘以光速的平方，而光速恆定不變。它還告訴我們任何物質哪怕質量極其微小，它所蘊藏的能量也大的驚人，因為光速的平方數值大的離譜。比如，1噸標準煤充分燃燒釋放的化學能約為29270MJ，而1g鈾235完全裂變釋放的能量約為81970MJ，這幾乎是前者的2.8倍。通過質能方程的計算我們還可以發現，即便通過核裂變，1g鈾所釋放的能量也只是它潛藏總能量的九牛一毛，因為無論如何裂變，都不可能將其質量完全轉化為能量！說句題外話，其實我們減肥的過程也是將質量轉化為能量的過程，只不過我們釋放的是熱能和生物能，而非核能。

撞開原子核有多難

出乎意料的是，E=mc^2誕生的前30多年，它的作用僅僅體現在理論價值，包括愛因斯坦本人在內眾多科學家都認為從原子核內釋放能量幾乎是不可能的，即便能夠實現也需要消耗更多的能量，那從原子中釋放能量還有什麼實際意義呢？對此，愛因斯坦曾經有一個非常有趣的比喻：「要從原子核內釋放能量就好比在一個國家漆黑的夜晚用槍打鳥，關鍵問題是這個國家只有幾隻鳥！」其難度可想而知！但是有些科學家就是不信邪，他們建立了粒子加速器，通過加速阿爾法粒子去撞擊原子核，結果是一次又一次失敗，偶爾的成功也要耗費更多的能量，自然是得不償失。

西拉德的靈感

19世紀30年代，納粹風暴席捲德國，戰爭陰雲密布，一觸即發。在戰爭爆發之前，愛因斯坦的質能方程就引起了科學界的廣泛關注，同時也勾起了希特勒的好奇心。為了獲得戰爭的絕對優勢，納粹黨在全世界範圍內招募頂級科學家開展核物理研究，以期能夠製造出「超級炸彈」，當時歐洲很多著名的科學家在納粹的蠱惑下踴躍加入了「超級炸彈」的研發團隊。但是，愛因斯坦和他的好友利奧·西拉德等一大批反戰科學家選擇移居他國，拒絕為納粹黨服務。最終，愛因斯坦去了美國，而西拉德移居英國。

1933年，西拉德反覆研究了之前阿爾法粒子撞擊原子核的實驗，他突然發現實驗之所以失敗是因為方法出現嚴重錯誤：原子核帶正電荷，而阿爾法粒子也帶正電荷，兩個正電荷粒子接近的過程中必然會互相排斥，因此阿爾法粒子總是無法準確命中原子核。

此前不久，英國物理學家歐內斯特·盧瑟福剛剛在實驗室中獲得中子，而中子是不帶電荷的。西拉德突發靈感，如果用中子去轟擊原子核，會不會取得意想不到的結果呢？在隨後的實驗中，西拉德證實了這一點，原子核被輕易而舉的撞開。實驗獲得了成功，但西拉德瞬間意識到這一結果的嚴重性，如此簡單的道理他能夠想到，留在德國的那些他曾經的同事也一定能夠想到。

西拉德（右）與奧本海默（左）

讓西拉德震驚的還不僅限於此，他發現用中子轟擊原子核，原子核在裂變的過程中還會產生1到2個中子，新生成的中子又可能會在能量的驅動下去撞擊新的原子核，進而無限制的引發連鎖反應，同時釋放出巨大的能量。按照這一理論，製造出一顆超級炸彈已完全可能，剩下的問題就是找到一種最佳的爆炸材料。為了防止這一研究成果被納粹黨利用，西拉德就此打住了後續研究，並放棄發表任何研究成果。

為什麼是鈾

1939年初，就在歐洲戰爭爆發的前夜，西拉德獲得了一個可怕的消息，德國的科學家哈恩和斯特拉斯曼已經成功在實驗室裡用中子撞開了鈾原子的原子核，完成了原子彈研究的第一步。

為什麼選擇鈾？理由是鈾同碘、鐳等元素一樣屬於重核的放射性元素，它們在自然條件下就可以完成衰變。不同的是，鈾是自然界中能夠找到的最重元素，它的一種同位素U-235極其活躍，一個原子核吸收一個熱中子發生裂變時放出約2.5個中子，並釋放出207MeV能量。

更重要的是，鈾在地殼中的含量很高，平均每噸地殼物質中約含2.5克鈾，這比鎢、汞、金、銀等元素的含量還高。所以用鈾-235作為原子彈的爆炸材料在當時看來是最最合適不過了，儘管後來發現鈽-239比鈾-235能夠釋放更多的能量，原子彈威力也更大。

德國人的研究成果在西拉德看來已經到了非常危險的境地，他們已經找到了科學的方法和適當的材料，剩下的就是儲備和提煉武器級純度的鈾以及如何在適當的條件觸發核子鏈式反應。果不其然，在此後的數月裡，納粹黨便開始四處開採並儲備鈾礦。

廢棄的鈾礦井

一封寫給總統的信

1939年7月，西拉德在美國哥倫比亞大學的實驗室裡證實了通過中子轟擊鈾原子核能夠觸發鏈式反應。隨後，他立即趕往愛因斯坦的住處，把這一研究成果和希特勒即將在歐洲發動戰爭的消息告訴了愛因斯坦，同時向愛因斯坦提出了一個請求，請求愛因斯坦向美國總統羅斯福致信，提醒和警告核戰爭已經成為可能，建議美國動用國家力量著手原子彈的研究，力求在德國之前研製出原子彈。

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愛因斯坦聽到這個請求後，開始極力反對科學家淪為戰爭的機器，並拒絕寫這封信，但是經不住西拉德用希特勒即將發動核戰爭這個致命理由的一再勸導，最終還是謹慎地同意了寫這封信。信中提及了德國將很快研製出原子彈的可能性、原子彈爆炸所產生的巨大威力、美國和世界鈾礦的分布以及如何在美國建立原子彈研製機構等內容。

1939年10月11日，羅斯福總統收到了愛因斯坦的來信，以愛因斯坦在科學界的名望，總統沒有任何理由質疑信中提到的建議。原子彈有如此巨大的威力，美國即便不處於對歐洲戰事的考慮也沒有理由拒絕這項絕對領先世界的武器的誘惑。於是，美國政府迅速設立了代號為「曼哈頓」的原子彈研製絕密計劃。

航拍」曼哈頓計劃「場地

最豪華的科學團隊

愛因斯坦的來信促成了世界上前所未有的科學團隊和軍隊之間規模空前的合作。美國政府當時總共投入了大約22億美元超過今天500億美元的資金，把旅居美國的所有頂級物理學家召集在一起共同參與研究。

參與「曼哈頓」計劃的科學家簡直是群星璀璨，人類歷史上從未有如此重量級的科學家齊聚一堂，他們中有「原子彈之父」羅伯特·奧本海默、「氫彈之父」愛德華·泰勒、「現代計算機之父」馮·諾依曼、「現代原子能之父」恩利克·費米、量子力學的奠基人尼爾斯·玻爾、愛因斯坦之後最睿智的理論物理學家理察·費曼等等，像西拉德這樣率先發現原子核裂變的頂級科學家都得往後排，唯獨愛因斯坦沒有正式參與這項計劃。在這些大師級的科學家中，領銜的幾乎沒有美國本土的科學家，像愛因斯坦、奧本海默、泰勒、波爾、馮·諾依曼、費米、費曼等超一線的物理學大師全是猶太人，更多的科學家參與到這個研發團隊就是懷著一種理想主義，為制止希特勒發動的暴行而從歐洲各地趕赴美國，他們幾乎每個人身上都帶著諾貝爾獎的光環。

20世紀最偉大科學家合影

始料未及的結局

1945年5月，就在原子彈即將研製成功的前夕，德國首都柏林被蘇聯紅軍攻破，希特勒自殺，德國戰敗投降。消息顯示，德國的原子彈自從完成了鈾原子核的第一次裂變，之後再無實質性進展。主要原因是希特勒對這一計劃並不十分有信心，加之戰爭後期德國的境遇每況愈下，投入的財力和人力都遠不能滿足原子彈研製的需要。德國的投降使「曼哈頓」計劃的使命落空，即將誕生的原子彈該用於何處成了一個新的問題。

蘇聯紅軍攻破柏林

這時以愛因斯坦和西拉德為首的科學家開始提議一定要慎重使用原子彈，但美國對日的戰事仍在進行，為了減少美國士兵的傷亡，更是為了讓世界親身感受到原子彈的巨大威力和美國的軍事威懾力，美國政府最終決定在日本的廣島和長崎投放新研製的原子彈，所有反對的科學家此時已經無力回天。

1945年8月，日本成了原子彈的試驗場，廣島和長崎分別被兩顆小型原子彈夷為平地，數十萬平民因此而死亡，當然這也直接導致了日本軍國主義的投降，第二次世界大戰就此結束。

愛因斯坦的悔恨

當愛因斯坦得知原子彈導致兩座城市毀滅數十萬平民傷亡的消息，他感到深深的悔恨和自責。他覺得如果當初拒絕給羅斯福總統寫那封信，就不會有原子彈的誕生，至少不會讓原子彈有真正的用武之地。

他曾經說道：「子彈能夠殺人，而核子武器卻能滅城。」他還說過：「他本想阻止一個瘋子使用原子彈，卻不小心把原子彈交到另一個瘋子的手中。」

在他生命的最後十年當中，愛因斯坦再度用上了他的聲望，這一次是警告全世界正面臨著人類滅絕的危險，他積極活動以反對核子武器的擴散和發展，並號召全世界的國家領導人作出抉擇：我們應該使人類滅亡，還是人類應該棄絕戰爭？

不朽的質能方程

E=mc^2能夠讓物質轉化為能量，滿足了人類戰爭的欲望；但它也告訴我們能量同樣可以轉化為物質，在愛因斯坦生前，人們一直忽視這一價值。今天我們知道宇宙誕生於137億年前的一次大爆炸，因此早期宇宙是否可以認為就是一個漫長的質能方程的實現過程呢？宇宙從一個能量奇點爆炸，隨後能量快速不斷地轉化為物質，於是就有了星辰大海和萬般生靈。我們銀河系中的一切以及我們星球上的一切，甚至於我們人類，在某種意義上所有的一切物質都起因並永恆運行於愛因斯坦等式的魔力。遺憾的是愛因斯坦生前只見證了他的等式是毀滅性的等式，卻未能見證這個等式也是創造性的等式。

政治著眼於當下，而一個方程是卻能立足於不朽。一百多年前當愛因斯坦演繹出那個等式的時候，他絲毫不知這個等式會將人類引向何方，原子彈可以作為終極武器滅絕人類，但原子能卻是清潔高效能源可以造福人類。為善、亦可為惡，人類未來的命運不在於我們發明了什麼，而在於我們使用了什麼。

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