納粹德國為什麼沒有造出原子彈?就因為這個醉漢

2020-12-23 科學背後的故事

1945年8月6日,一朵巨大的蘑菇雲在日本廣島上空騰空而起,霎時間廣島就變成了人間煉獄。

廣島上空的蘑菇雲

在此之前,希特勒已經自殺在了地下室,而墨索尼裡的屍體也被倒掛在義大利的洛雷託廣場,原子彈在日本的投放讓正義的人們看到了勝利的曙光。

不過,在歡呼之餘,人們感到更多的卻是震驚。研製原子彈的"曼哈頓計劃"的首席科學家奧本海默感到"我就是死神,就是世界的毀滅者",偉大的愛因斯坦則認為原子彈的產生可能毀滅人類的一切文明,以至於第四次世界大戰的武器將會是石頭。

不過最震驚的卻是被軟禁起來的德國物理學家海森堡。

德國物理學家海森堡

隨著納粹德國的戰敗,海森堡作為納粹德國原子彈計劃的負責人被英國軍方軟禁在了一個莊園之中,他是在收音機上聽到的廣島原子彈爆炸的消息的,聽到這個消息時,海森堡感到自己錯了,並不是他為德國製造原子彈這件事情錯了,而是他對原子彈的計算錯了。

1938年,人們發現了人工核裂變,這意味著開發原子核的能量成為可能,一般情況下最先進的科技都會首先應用到武器上,於是各國都開始了核計劃。

美國人的核計劃當然就是著名的"曼哈頓計劃",英國則建立了"合金管工程",日本啟動了"F計劃",蘇聯開始了"鈾炸彈",德國的核計劃簡單明了,就叫"鈾計劃"。

本來德國是最有可能首先研究出原子彈的,因為當時德國是當之無愧的世界科學中心,提出量子假說的普朗克偉大的愛因斯坦,當然還包括海森堡都是德國人,不過由於希特勒對猶太人的迫害,大量科學家被迫離開了德國,不過德國還真不在乎,因為他們還有海森堡。

作為首屈一指的量子力學大師,海森堡也確實足夠擔當這一重任,不過只靠海森堡也不行,但是德國有的是人才,發現人工核裂變的哈恩就是德國人。

不過僅僅是核裂變還製造不出原子彈來,打個比方吧,核裂變就好像是一個炮仗,點一次炮仗就響一聲。

可我們要的效果是噼裡啪啦響成一片,要想達到這個效果,就必須要一條導火索,只要點一次就會噼裡啪啦響成一片,可這條導火索在哪裡呢?

這條導火索核裂變自己就帶著呢,這就是鏈式反應。

還是先來看一下核裂變。核裂變就是把一個中子加速後打進鈾235中去,鈾235就會裂變為幾種元素和兩三個中子。

鈾235裂變示意圖

這裂變後的原子和兩個中子加起來的質量要略小於原來U235的質量,依據愛因斯坦的質能方程,這部分減少的質量會轉化為能量,這就是原子彈的基本原理,不過重點不在這裡,重點在裂變之後又產生了兩個中子,這兩個中子會繼續轟擊U235的原子核,然後會繼續釋放能量產生新的中子,以此類推,裂變就會一直進行下去,這就是鏈式反應。

可是事情並沒有簡單,一個中子衝進去之後,就是炮仗響了一聲,根本就沒有噼裡啪啦響成一片,好像裂變出來的中子都沒有幹活一樣,這樣導火索根本就沒有點燃,問題還是出在中子上。

裂變出來的中子速度非常快,"嗖"的一聲就躥了出去,就好像用火星去點炮仗一樣,根本就點不著,要想讓中子繼續轟擊U235產生核裂變,就要把中子速度降下來,這就相當於把火星變成火苗,這樣才會出現鏈式反應。

這就是鏈式反應

要把中子的速度降下來就要用到減速劑,最好的減速劑就是水,不過不是普通的水,而是重水,我們平常的水由兩個氫原子和一個氧原子構成,重水也是兩個氫原子和一個氧原子,只是平常的氫原子只有一個質子,而重水中的氫原子則是氫元素的同位素,它有一個質子和一個中子,這樣就比普通水重了一點,所以叫做重水。

氫的三種同位素,中間那個就是構成重水的元素

這對於德國來說是個好消息,因為當時世界上最大的重水工廠就在納粹德國的控制下,對於德國是好消息,對於美國來說就不是好消息了,於是盟軍就炸毀了重水工廠,不過這樣一來,德國確實沒有重水用了,可美國也用不上啊。

於是費米想到了用石墨用減速劑,費米本是義大利人,義大利可是和德國是盟友啊,大家都是軸心國,這樣看來是不是德國又離原子彈近了一步,可結果偏偏是又遠了一步。

原因還是因為義大利和德國是盟友,既然納粹德國討厭猶太人,作為盟友,義大利當然也不能喜歡猶太人,而費米的老婆就是猶太人,於是費米就帶著老婆逃到了美國,這就是傳說中的神助攻。

費米在美國使用石墨作為減速劑建造了核反應堆,實現了鏈式反應,美國人又距離原子彈近了一步,不過問題還不算大,畢竟德國還有海森堡啊,這個時候一個醉漢站了出來,擋在了海森堡面前。

無論是核裂變還是鏈式反應,這些理論問題都已經得到了解決,不過還有一個問題呢,那就是到底需要多少鈾235呢?這就是原子彈的臨界質量,要是鈾235的質量大於臨界質量,那麼就可以形成核爆炸,要是小於呢,就不可能造出原子彈。

到底怎麼計算這個臨界質量呢?這倒是難不倒首屈一指的量子力學大師,海森堡計算出需要80次鏈式反應就可以引發核爆炸,海森堡把這個問題歸結了一個數學問題——醉漢回家問題。

醉漢回家問題是由俄羅斯物理學家伽莫夫在1905年提出的,大意是:一個分不清方向的醉鬼從路燈下開始出發,由於是醉鬼,他每走一步都會隨機地換一個方向,那麼這個醉鬼最終會不會回到自己的家呢。

家在何方

這其實是一個概率問題,也恰好和中子的行走問題相似,由於中子在鈾元素內行進方向也是隨機的,這和醉鬼的行走方式一樣,現在鏈式反應的問題就轉化為醉鬼走80步的範圍有多大的問題,不過要比醉鬼走路要複雜一些,因為醉鬼只能向前後左右走,而中子則可以上下前後左右飛。

隨意亂飛的中子範圍

這樣一來,中子的範圍雖然比醉漢回家難了一點,不過這難不倒海森堡,他經過計算得出結論,要想完成80次鏈式反應中子的範圍大約是54釐米,這就是說要實現核爆炸必須要一個半徑54釐米的鈾235圓球。

看到這個答案,海森堡感到一陣沮喪,因為需要的鈾235太多了。鈾235的密度是19.05噸/m3,照海森堡計算出來這麼一大圓球,差不多得14噸,這個數有點太大了。

在天然鈾礦石中,鈾235的含量非常低,僅僅有0.7%,要想得到純鈾235,簡直就是沙裡淘金,不對,應該比沙裡淘金更難,因為沙子和金子的物理性質化學性質完全不同,可以輕易地從沙子中分離出金子來,而和鈾235並存的鈾的同位素鈾238性質幾乎和鈾235完全相同,要想把它們分離開來有點太難了。

不要說戰爭時期,就是和平時期,要想製造這麼多的鈾235也是一項不可能的任務,何況當時二戰正酣,德國人可沒有這麼強的實力來分離出足夠的鈾235來供海森堡使用,所以德國人的"鈾計劃"也就這樣不了了之。

不過海森堡也沒有在意,這麼多的鈾235,德國造不出來,美國也沒有這個實力造出來,既然都造不出來,那還有什麼擔心的。

可是在聽到廣島原子彈爆炸的消息時,海森堡驚呆了。

當時全世界最大的B29轟炸機載彈量也不過十噸,那怎麼可能帶動14噸的純鈾235上天呢,何況原子彈又不能只是鈾235,還需要一些外圍設備,絕對要超過14噸,美國人是如何把原子彈投送到日本的呢?總不能用航母拉去吧,那也不可能,只能用飛機空投,可是飛機怎麼可能有那麼大的載彈量呢?

轟炸東京的B 29

問題的答案只有兩個,要麼是美國有了更大的轟炸機,要麼是海森堡算錯了,美國確實沒有更大的轟炸機,也沒有必要,因為空投在廣島的原子彈才僅僅四噸,用的高純度鈾235也不過60公斤。

這就是用來實驗的原子彈「瘦子」,看起來確實沒有多大

這一定是海森堡算錯了。

這對於海森堡來說倒不是什麼稀罕事,他數學本來就不怎麼樣,當年就是因為數學不好,因此失去了量子力學矩陣力學的獨創權,不過這次錯的有點太離譜了,其實鈾235的臨界質量僅僅為15公斤,和海森堡計算的14噸比起來,他足足算大了一千倍。

得知此事後,他的同事哈恩,就是核裂變的發現者,憤怒地對海森堡說道"你不是一個一流的物理學家,你連三流都算不上",這話說的就有點過了,無論如何,海森堡都是一流的物理學家,不過製造原子彈不止需要的是物理學家,更多的是需要工程師的才能,你看美國人就沒有請愛因斯坦掛帥來研製原子彈。

海森堡確實算不上一個一流的工程師,即便是鈾235的臨界質量不是15公斤,美國人也有辦法解決,他們在鈾235外面包了一層中子反射材料,這樣中子飛到了邊界,又會反射回來繼續轟擊鈾235的原子核,這樣就大大減少了所需要的鈾235的數量。

不管怎麼說,也多虧海森堡計算錯了,否則納粹德國就有可能提前製造出原子彈了,那麼世界歷史就有可能改變了,要知道當時納粹德國已經有了飛彈了,要是希特勒喪心病狂地在飛彈上加裝了核彈頭,即便飛彈精度不高,也足以讓盟軍吃盡苦頭,當然最後戰爭還會取得勝利,不過正義的人們會付出更多的鮮血和生命。

雖然海森堡計算失誤,他的同事們紛紛指責他,這卻給了海森堡活命的機會,"因他(海森堡)領導上的偏差而沒有成功發明原子彈"的理由,海森堡沒有被判處死刑。

重生之後的海森堡幡然悔悟,不但繼續在科學道路上探索,而且致力於原子能的和平利用,並於1970年獲得了"玻爾國際勳章",這是以玻爾名字命名的授予"在原子能和平利用方面做出了巨大貢獻的科學家或工程師"的,真是個測不準的海森堡。

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