日本理化學研究所:戰時日本核計劃的承擔者

[摘要]仁科芳雄的弟子湯川秀樹、朝永振一郎等人也參與到了戰時日本的核計劃，並且在戰後先後因為在原子物理學領域的突出貢獻獲得諾貝爾物理學獎。

6月8日，總部位於瑞士蘇黎世的國際純粹與應用化學聯合會宣布，將日本理化學研究所仁科加速器研究中心的科研人員合成的第113號元素Nihonium（縮寫Nh）提名為化學新元素。這也是亞洲科學家首次合成的新元素。

然而，在二戰時期，創立於1917年的日本理化學研究所不可避免地參與了戰時日本的軍事科學研究。其中最鮮為人知的，便是其主導了日本的核武器研發。

作為財閥的日本理化學研究所

明治維新以來，日本通過大規模汲取西方自然科學的最新成果，以及大量聘請外國顧問，使國家實力快速增強。隨著甲午戰爭和日俄戰爭的勝利，日本迅速崛起為亞洲第一強國，並且躋身世界諸列強的隊伍之中。

但日本在崛起過程中卻存在自身的短板，即主要通過引進西方的先進技術，而缺乏自主研發，且在自然科學研究方面遠落後於西方。在日本崛起的過程中，西方各國也逐漸意識到了日本的潛在威脅，開始有意識地收緊對日本的技術輸出，迫使日本開始走技術自主研發之路。

大正二年（1913），日本著名醫藥學家、腎上腺素的發現者高峰讓吉提出了日本應該建立「國民科學研究所」的構想，這一構想後來也得到了被稱為「日本資本主義之父」的澀澤榮一的響應。大正六年（1917），日本理化學研究所在東京都文京區駒込成立，第一任所長為數學家菊池大麓。

日本理化學研究所第一任所長菊池大麓

成立後的日本理化學研究所完善了對後來日本學術界影響深遠的「研究室」制度，而且其研究人員主要由日本各帝國大學的教員擔任。這對「研究室」制度從科研院所向大學普及，以及推進學術正規化產生了重要作用。

同時，日本理化學研究所也產生了諸多具有劃時代意義的研究成果。例如合成酒的釀造工藝，以及維生素A的提取工藝等。其中大規模工業化提取維生素A工藝的出現，為這種治療肺結核的特效藥進行工業化生產提供了可能。以維生素A的工業化生產為標誌，日本理化學研究所開始了成功的「產研結合」道路，甚至到後來成立「理研控股」，成為戰前日本的十五大財閥之一。

大正時期的日本理化學研究所

在踐行產研結合路線的同時，日本理化學研究所也並沒有放棄對理論科學的相關研究。其中，在原子物理研究方面，理化學研究所一直走在世界前列，同時也是當時亞洲唯一的原子物理研究機構。

領先世界的戰前日本原子物理學研究

1896年，法國物理學家亨利·貝克勒爾發現天然放射性，被認為是現代原子物理學的開端。1919年盧瑟福通過用α粒子轟擊氮核，使之放出質子的方式，首次用人工方式實現了核蛻變反應。這種利用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為原子物理研究的主要手段。

這一時期，各主要國家的物理學家們都意識到原子物理學的重要價值，並開始深入研究，日本也不例外。早在1903年，「日本物理學之父」長岡半太郎便提出了土星型有核原子結構模型的理論，並預言了質子的存在。這種土星型有核原子結構模型理論在世界上引起很大的反響。

而直到1911年，被稱為「原子核物理學之父」的盧瑟福才提出了與之相類似的「原子行星模型」理論（盧瑟福的模型也受到長岡半太郎模型的深刻影響）。當日本理化學研究所成立後，長岡半太郎曾擔任理化學研究所主任研究員和物理學部長，培養出了大量優秀弟子。也正因為如此，二戰前的日本原子物理學研究一直處於世界領先水平。

長岡半太郎及其土星結構原子模型

在長岡半太郎的諸多弟子中，最著名的則是被稱為「日本原子核物理之父」的仁科芳雄。仁科芳雄曾赴歐洲留學，是著名物理學家尼爾斯·玻爾的高徒，以及愛因斯坦的密友。在跟隨玻爾學習期間，仁科芳雄與瑞典的奧斯卡·克萊因共同推導出關於X射線的康普頓散射的「克萊因—仁科公式」。仁科芳雄回國後，便擔任理化學研究所主任研究員，並主持以研究迴轉加速器為代表的仁科研究室。而仁科研究室，也就是近來合成新元素的仁科加速器研究中心的前身。

日本核物理學之父——仁科芳雄

1937年，仁科芳雄主持研製了日本第一臺小型65cm回旋加速器，這也是世界歷史上的第二臺回旋加速器，意味著日本的原子物理研究進入世界領先水平。但在不久之後的1938年12月，德國化學家奧託·哈恩和弗裡茨·施特拉斯曼發現核裂變後，各主要國家的物理學家們很快就認識到了這一發現的軍事用途，日本也不例外。

直徑65cm的1號回旋加速器

差點打開的「潘多拉魔盒」

核裂變現象被發現後不久的1939年，仁科芳雄就提出將這一新發現進行軍事應用的可能性，但並未受到重視。直到1940年，日本陸軍航空技術研究所所長安田武雄中將命令部下鈴木辰三郎中佐開始研究日本製造原子彈的可能。在得到東京帝國大學物理學教授嵯峨根遼吉（長岡半太郎之子，因為早年被過繼到嵯峨根家，所以姓嵯峨根）的指導下，鈴木提交了以「原子彈製造的可能」的研究報告。到了1941年5月，時任理化學研究所所長的大河內正敏提交了「鈾炸彈製造的可能性」的報告。一個月後，仁科芳雄也開始著手進行原子彈製造的可行性分析。

1942年6月，美國的核武器計劃「曼哈頓工程」開始實施。半年後的1943年1月，以仁科芳雄為主導的日本核武器研製計劃「二號研究」[以仁科芳雄（にしな よしお）的第一個假名「に」來命名，而「に」在日文裡也就是「二」的意思]也正式開始。幾乎與此同時，日本海軍也啟動了自己的核武器計劃，由京都帝國大學的著名核物理學家荒勝文策主導，被命名為「F」計劃（F為核裂變fission一詞的首字母）。

F計劃的主持人荒勝文策

在進行核武器計劃時，首先需要分離出有足夠純度的鈾235。但是在自然界中鈾235的儲量非常少，大部分鈾礦石都是以鈾238的形式存在，這就需要從鈾238中分離出鈾235並且進行提純，才可以製成武器化的核材料。而鈾235的主要提純分離方法主要有四種，即熱擴散法、氣體擴散法、電磁法、高速離心法。但是戰時日本尋找不到足夠的鈾礦石，而且為了節省時間，仁科芳雄團隊決定採取最省事的熱擴散法。

熱擴散法的核心是將鈾238進行氟化處理成六氟化鈾，然後通過溫度差對流分離的方式，較重的鈾238會沉澱，而較輕的鈾235則會浮在水面上。但是六氟化鈾的腐蝕性非常強，用於分離的玻璃管道經常會被腐蝕，而等到六氟化鈾分離試驗取得成功的時候，已經過了一年。

然而就是製作六氟化鈾也存在著相當的困難，後來仁科芳雄實驗室的研究員木越邦彥發現通過砂糖可以讓鈾碳化，然後再用碳化的鈾進行氟化，最終可以製成六氟化鈾。但在戰爭時期，日本的砂糖供應是需要配給的，為了保證實驗所需的砂糖供應，軍部特批給仁科實驗室十公斤砂糖，而這也正好保證了實驗室相關人員家中的砂糖供應。不過這也只維持了很短的一段時間，之後木越發現用澱粉的碳化效果更好，于是之後的六氟化鈾製作便選擇了澱粉。

從1944年7月開始，提煉成功的六氟化鈾開始在分離塔進行分離試驗。但因為六氟化鈾的強腐蝕性，分離塔的管道也經常被腐蝕出孔洞，導致事故頻發，因此試驗進行很不順利，進展緩慢。

同時，仁科芳雄團隊對日本鈾礦石儲量的預測也存在很大誤差。之前仁科芳雄團隊認為日本有著豐富的鈾礦石儲量，但後來調查發現日本的鈾礦石儲量並沒有那麼多。這時軍部也命令日本在海外各地的佔領軍尋找鈾礦石，結果也是徒勞無功。為此，日本甚至開始在黑市上尋找氧化鈾賣家，並向盟友德國進行求助。到了1945年5月，德國向日本運送氧化鈾的U-234潛艇在大西洋向盟軍投降，使得整個戰爭期間，日本獲得的氧化鈾只有在上海黑市上買到的130公斤。

與此同時，荒勝文策團隊試圖利用高性能離心分離機的方式來分離出濃縮鈾，但荒勝文策設計出來的離心機轉速遠低於理論需要的10萬轉/分，離心機分離濃縮鈾的實驗也宣告失敗。而在1945年4月，用於熱擴散法提純鈾235的分離塔也在美軍的空襲中被摧毀，使得日本無法完成核武器製造最基本的原料生產。由此，某種程度上來說，日本的核武器計劃已經宣告失敗。

離心機工作原理簡圖

「原子彈雨」的威脅

儘管日本原子物理學家在製造核武器的問題上收效甚微，但在廣島和長崎「原爆」後，他們為政府提供的專業意見卻非常重要。1945年8月6日，「小男孩」原子彈在廣島上空爆炸，日本政府面對這種情況不知所措，只能宣布廣島遭到了某種「新型炸彈」的打擊。

廣島原子彈爆炸後形成的巨大蘑菇雲

一天後，日本核計劃的兩位主持人仁科芳雄和荒勝文策被緊急召集起來，成立了一個緊急專家小組奔赴廣島。他們經過調查分析認為，廣島遭受打擊的「新型炸彈」是一種裝藥基於鈾235的炸彈。但同時他們也得出了一個非常致命的假設，認為生產鈾235在技術上非常困難，因此美國只有一枚類似的炸彈。這個結論雖然正確，但也讓日本政府誤以為有足夠的時間可以與盟軍方面商談結束戰爭的相關事宜。

到了8月9日，「胖子」原子彈在長崎上空爆炸，日本的核物理學家們對此的分析也是正確的：這枚炸彈的裝藥是基於鈽239的某種爆炸物。而鈽239的生產只可能來自於反應堆，但反應堆是可以持續製造鈽239的。這就意味著，美國的核武器可能不止一枚，並且其他的核武器仍在持續製造之中。如果日本不停止戰爭，那麼日本本土就有繼續遭受核武器打擊的可能。

這個結論也並非空穴來風。在8月9日長崎被原子彈轟炸之前，3個長方形金屬容器被投放到長崎周邊地區。裡面除了測量儀器外，還有一封由3名參與了「曼哈頓工程」的美國原子物理學家致他們曾經在加州大學伯克利分校的同事、東京帝國大學知名原子物理學家嵯峨根遼吉的信。

在信中，三位美國原子物理學家希望嵯峨根遼吉可以警告日本政府，如果繼續作戰將造成很嚴重的後果。甚至在信的結尾還寫道：「如果日本還不立即投降，那麼日本將遭受『原子彈雨』的打擊。」這種「原子彈雨」的威脅在信中雖然被過分誇大，但這也是加速日本終戰進程的重要原因。作為日本核武器計劃的主持人，仁科芳雄在8月15日的終戰廣播中特地解說了原子彈對日本終戰的重要作用。

三位美國物理學家致嵯峨根遼吉的信

雖然戰時日本的核計劃全盤失敗，但在日本理化學研究所進行核武器研究的同時，日本的原子物理學研究也獲得了巨大發展。1943年，仁科芳雄團隊設計建造了直徑150cm的二號回旋加速器（雖然在1945年底，一號和二號加速器被佔領軍強行拆毀並沉入大海）。而仁科芳雄的弟子湯川秀樹、朝永振一郎等人也參與到了戰時日本的核計劃，並且在戰後先後因為在原子物理學領域的突出貢獻獲得諾貝爾物理學獎。而以日本理化學研究所為代表的日本原子物理學研究也一直在世界上處於領先地位。

仁科芳雄的弟子，諾貝爾物理學獎獲得者湯川秀樹與朝永振一郎

二戰前的日本理化學研究所的命運只是戰爭時期各國諸多科研機構的縮影。科學只是一種手段，在戰爭時期為戰爭服務；到了和平時代，就將造福人類。由此，日本理化學研究所的科學家們能夠成功合成新元素，也就不難理解了。（文/鄒仲蘇）

轉自澎湃新聞：http://www.thepaper.cn