1945年7月16日，第一顆原子彈“Trinity”在美國(guó)墨西哥州試爆成功。接下來(lái)不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，8月6日和9日，首次用于戰(zhàn)爭(zhēng)的兩顆原子彈“小男孩”和“胖子”分別在日本廣島和長(zhǎng)崎上空爆響。原子彈的爆炸成功，成為壓垮日本軍國(guó)主義的最后一捆稻草，第二次世界大戰(zhàn)的烽火隨即煙消云散。今年是世界反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)勝利70周年，中華民族抗日戰(zhàn)爭(zhēng)勝利70周年，也是原子彈首爆70周年。以史為鑒，可知興替，故為此輯，以向核物理事業(yè)的科學(xué)英雄們致敬。
說(shuō)起原子彈的基礎(chǔ)科學(xué)先驅(qū)，一個(gè)人物是無(wú)論怎樣都不能被忽略，他就是神一樣的人物：老愛(ài)，愛(ài)因斯坦。若將其稱為原子彈乃至核能利用的“理論鼻祖”，一點(diǎn)都不為過(guò)。
圖1 阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）
1、愛(ài)因斯坦奇跡年
1905年，尚在瑞士伯爾尼專利局擔(dān)任三級(jí)技術(shù)員，年僅26歲的愛(ài)因斯坦完成了6篇學(xué)術(shù)論文，都發(fā)表在當(dāng)時(shí)國(guó)際物理學(xué)界最有聲望的刊物《物理學(xué)雜志》（Annalen der Physik）上。這6篇論文在物理學(xué)3個(gè)領(lǐng)域中做出4項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。1967年，英國(guó)天文學(xué)家惠特羅（G. J. Whitrow）在他編的訪談錄《愛(ài)因斯坦，其人以及其貢獻(xiàn)》中，就把1905年稱為“愛(ài)因斯坦奇跡年”（Einstein’s annus mirabilis）。
2004年6月10日聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)決議，宣告2005年為“國(guó)際物理年”（International Year of Physics），理由是：鑒于物理學(xué)對(duì)于了解自然和技術(shù)進(jìn)步的重要性，以及物理教育對(duì)于人類發(fā)展的必要性，同時(shí)“意識(shí)到2005年是愛(ài)因斯坦作出了為現(xiàn)代物理學(xué)奠定基礎(chǔ)的開(kāi)創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)的一百周年”。
后世也有人感嘆，單憑愛(ài)因斯坦在1905年的科學(xué)貢獻(xiàn)，完全值得授予3項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。
2、質(zhì)能方程
愛(ài)因斯坦在1905年完成的論文中，其中一篇就是“物體所含能量與它的慣性有關(guān)嗎”？（Annalender Physik，18:639,1905）。這篇簡(jiǎn)短的論文中，老愛(ài)用僅有的7個(gè)公式推演，最后得到一個(gè)隱含的公式，即質(zhì)能方程：E=mc^2. 在論文的最后，老愛(ài)斷言“如果理論與事實(shí)相符，物體的輻射必與質(zhì)量的損益相關(guān)”。
質(zhì)能方程已經(jīng)成為科學(xué)史上最為著名的物理方程之一。英國(guó)科學(xué)期刊《物理世界》曾組織一次史上“最偉大公式”的評(píng)選，質(zhì)能方程名列第五，排序在前的依次是：麥克斯韋方程、歐拉公式、牛二定律、勾股定理。
質(zhì)能方程預(yù)見(jiàn)了原子能時(shí)代的到來(lái)，但在當(dāng)時(shí)該理論并不為人關(guān)注，更多的卻被認(rèn)為是無(wú)稽之談。尋求嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)支持的驗(yàn)證工作時(shí)至今日仍在持續(xù)，2008年11月《科學(xué)》雜志還報(bào)道了法國(guó)理論物理中心Laurent Lellouch團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)驗(yàn)證工作。文章當(dāng)時(shí)能得以發(fā)表，可能有三方面的原因：其一、推理嚴(yán)密而簡(jiǎn)潔，實(shí)在找不到拒絕的理由；其二、彼時(shí)老愛(ài)的良好發(fā)表記錄至少已在期刊編輯中樹(shù)立聲譽(yù)；其三、那個(gè)時(shí)代，也是草根英雄輩出的時(shí)代。
3、上馬原子彈工程的最強(qiáng)音
1933年由于德國(guó)反猶運(yùn)動(dòng)日趨嚴(yán)峻，54歲的老愛(ài)被迫加入美國(guó)籍。彼時(shí)，老愛(ài)已經(jīng)聲名鵲起，成為科學(xué)界無(wú)人可匹敵的巨星。1939年8月，在一批科學(xué)家的強(qiáng)烈建議下，發(fā)出了那封著名的“愛(ài)因斯坦向羅斯福總統(tǒng)的署名信”。信件的要旨就是敦促美國(guó)政府盡快啟動(dòng)原子彈工程計(jì)劃，信中甚至預(yù)言了原子彈的基本特征“這種新的現(xiàn)象將引導(dǎo)著炸彈的構(gòu)造，并且這是有可能的--盡管還不是那么確定--威力十分巨大的炸彈將因此而可能被制造出來(lái)。這樣一顆單個(gè)的炸彈，用船運(yùn)載，并在港口爆炸，將可能會(huì)摧毀整個(gè)港口以及周圍的環(huán)境。然而，這樣的炸彈對(duì)于空中運(yùn)輸可能顯得太過(guò)于沉重”。
由于愛(ài)因斯坦的卓越聲望，羅斯?？偨y(tǒng)收到信件后不得不認(rèn)真考慮該建議，隨即成立“鈾顧問(wèn)委員會(huì)”，專責(zé)原子彈的研究計(jì)劃工作。
老愛(ài)的質(zhì)能方程雖然指出了物質(zhì)包含有巨大的能量，但如何實(shí)現(xiàn)這種質(zhì)能轉(zhuǎn)換在1939年前卻仍是個(gè)未解之謎?，F(xiàn)在作為已知的事實(shí)，只有實(shí)現(xiàn)原子核的裂變或聚變，這種質(zhì)能轉(zhuǎn)換才可能發(fā)生。而這一機(jī)理的揭示，需要提到幾位先驅(qū)人物。
1.原子核手術(shù)刀
1919年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福做了用α粒子轟擊氮核的實(shí)驗(yàn)。他從氮核中打出的一種粒子，并測(cè)定了它的電荷與質(zhì)量，它的電荷量為一個(gè)單位，質(zhì)量也為一個(gè)單位，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。
圖1 歐內(nèi)斯特·盧瑟福（ErnestRutherford）
盧瑟福用α粒子轟擊氮核產(chǎn)生質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)，解釋了放射性能使一種原子改變成另一種原子，而這是一般物理和化學(xué)變化所達(dá)不到的；這一發(fā)現(xiàn)打破了元素不會(huì)變化的傳統(tǒng)觀念，使人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)入到原子內(nèi)部這一新的層次。
更為重要的是，盧瑟福找到了解刨原子核的手術(shù)刀，這種用α粒子或γ射線轟擊原子核來(lái)引起核反應(yīng)的方法，首次實(shí)現(xiàn)了人工核反應(yīng)，很快就成為人們研究原子核和應(yīng)用核技術(shù)的重要手段。
值得一提的是，盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室被后人稱為“諾貝爾獎(jiǎng)得主的幼兒園”。不僅他本人于1908年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，在他的助手和學(xué)生中，先后榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的竟多達(dá)12人，這種培養(yǎng)諾貝爾獎(jiǎng)得主的本領(lǐng)，可謂前無(wú)古人，后無(wú)來(lái)者。
2、失之交臂
圖2 瓦爾特·博特（Walther Bothe）
1930年，德國(guó)物理學(xué)家瓦爾特·博特和他的學(xué)生貝克爾（H.Becker）用剛發(fā)明不久的蓋革-繆勒計(jì)數(shù)器，發(fā)現(xiàn)金屬鈹在α粒子轟擊下，產(chǎn)生一種貫穿性很強(qiáng)的輻射，當(dāng)時(shí)他們認(rèn)為這是一種高能量的γ射線，并未深究。這是錯(cuò)過(guò)重大發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)研究組。
圖3 約里奧·居里夫婦
1932年約里奧·居里夫婦(居里夫人的女兒和女婿)重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這種所謂的γ射線能量大大超過(guò)了天然放射性物質(zhì)發(fā)射的γ射線的能量。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)，用這種射線去轟擊石蠟，竟能從石蠟中打出質(zhì)子來(lái)。約里奧·居里夫婦把這種現(xiàn)象解釋為一種康普頓效應(yīng)。但是打出的質(zhì)子能量高達(dá)5.7MeV，按照康普頓公式，入射的γ射線能量至少應(yīng)為50MeV，這在理論上是解釋不通的。約里奧·居里夫婦用實(shí)驗(yàn)證明這種射線不可能是電磁波，但困惑之余并未進(jìn)一步探討，僅就新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象于1932年1月發(fā)表。這是距離重大發(fā)現(xiàn)僅有0.01公分的另一個(gè)研究組。
3、捕獲破核子彈
圖4詹姆斯·查德威克（James Chadwick）
好運(yùn)氣又要轉(zhuǎn)回盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)是盧瑟福的研究助手，英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家查德威克，當(dāng)讀到約里奧·居里夫婦在《法國(guó)科學(xué)院通報(bào)》（Compets Rendus）上的文章，立刻深被那種輻射的高能量特性所吸引。查德威克把這一情況立即報(bào)告了盧瑟福，盧瑟福聽(tīng)了表示不相信，建議盡快進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
查德威克用儀器測(cè)量了被打出的氫核和氮核的速度，并由此推算出了這種新粒子的質(zhì)量。他還用別的物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)果都是這種未知粒子的質(zhì)量與氫核的質(zhì)量差不多。由于這種粒子不帶電，正如盧瑟福1920年理論預(yù)言，并長(zhǎng)期苦苦搜尋的那種粒子——中子。后來(lái)更精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)出，中子的質(zhì)量非常接近于質(zhì)子的質(zhì)量，只比質(zhì)子質(zhì)量約大千分之一。
1932年2月17日，查德威克寫信給《Nature》,發(fā)表了題為“中子可能存在”的研究結(jié)果，其時(shí)離約里奧·居里夫婦的文章發(fā)表不超過(guò)一個(gè)月。接著，將他的更為詳細(xì)研究成果寫成論文“中子的存在”發(fā)表在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)通報(bào)》上。
中子具有高能量和不帶電的特性，不會(huì)受原子內(nèi)電磁力的影響，用于轟擊、破核，實(shí)在是一種高能、高效、精確的裂核粒子不二之選。至此，理想的破核子彈終于找到。
順便提一句，查德威克因發(fā)現(xiàn)“中子”的科學(xué)貢獻(xiàn)，獲得1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。科學(xué)界都銘記，約里奧·居里夫婦為中子的發(fā)現(xiàn)做出了重要的開(kāi)創(chuàng)工作，但千真萬(wàn)確的是“差一點(diǎn)”發(fā)現(xiàn)。遺憾的是還有類似的情形，約里奧·居里夫婦也“差一點(diǎn)”發(fā)現(xiàn)正電子，所以二人有“諾貝爾獎(jiǎng)鋪路石”的不算美的美譽(yù)。不過(guò)值的欣慰的是，約里奧·居里夫婦憑借1934年對(duì)“人工放射性”的重要發(fā)現(xiàn)，獲得1935年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，創(chuàng)下了約一年時(shí)間從取得科學(xué)發(fā)現(xiàn)到獲得諾獎(jiǎng)之間時(shí)程最短的歷史記錄，可能科學(xué)界也有急于為屢做諾獎(jiǎng)鋪路石的賢伉儷予以補(bǔ)償?shù)那閼选?br>
人類對(duì)天然核反應(yīng)已有深切認(rèn)知，人工操控核反應(yīng)也變得越來(lái)越得心應(yīng)手。然而尋求可觀而實(shí)用的核能仍然一片迷霧，核能物理學(xué)的車輪便駛向破曉的1938年年底。 1. 核裂變的預(yù)言 圖1 伊達(dá)·諾達(dá)克（Ida Noddack） 1934年，諾達(dá)克提交了一份進(jìn)一步闡釋費(fèi)米等人研究工作的論文，她指出：“種種跡象表明，鈾核分裂為幾個(gè)大的碎片，即一些已知元素的同位素，而不是本底放射性元素的鄰近元素”。這一論斷明確指出鈾核被轟擊后可能產(chǎn)生兩個(gè)較輕的元素。不過(guò)諾達(dá)克本人并未做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的想法，其他人也沒(méi)有認(rèn)真地對(duì)待諾達(dá)克的意見(jiàn)。 2.發(fā)現(xiàn)鈾核裂變 圖2 奧托·哈恩（Otto Hahn） 1938年末，德國(guó)放射化學(xué)家核物理學(xué)家哈恩與另一位德國(guó)化學(xué)家弗里茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）合作開(kāi)始一項(xiàng)早有籌劃的實(shí)驗(yàn)，他們用一種慢中子轟擊鈾-235核時(shí)，竟出人意料地發(fā)生了一種異乎尋常的情況：反應(yīng)不僅迅速?gòu)?qiáng)烈、釋放出很高的能量，而且鈾核分裂成為一些原子序數(shù)小得多的、更輕的物質(zhì)成分。 核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)推翻了此前的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知：人工核反應(yīng)不僅僅只能打出細(xì)碎的基本粒子，而且還可能由大核分解成兩個(gè)或多個(gè)中等規(guī)模的核。這個(gè)中子激發(fā)鈾核分裂實(shí)驗(yàn)就是原子彈和原子能的原理性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)創(chuàng)了人類利用原子能的新紀(jì)元。 值得一提的是，核裂變現(xiàn)象也算從約里奧·居里夫婦手中滑落的又一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。此前約里奧·居里夫婦在用中子轟擊鈾元素時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中好像有鑭，這與哈恩按他們實(shí)驗(yàn)方法終于確定產(chǎn)物中是鋇，在化學(xué)上來(lái)說(shuō)，這差別并不是很大。 3.親密合作者 圖3 莉澤·邁特納（Lise Meitner） 說(shuō)起哈恩，就不得不提另外一個(gè)人物，那就是哈恩的長(zhǎng)達(dá)近30年的合作者，奧地利女物理學(xué)家邁特納。兩人合作從事鈾的放射試驗(yàn)從30年代初期就開(kāi)始了，1938年初邁特納因具有猶太血統(tǒng)的緣故，被迫離開(kāi)德國(guó)，逃亡荷蘭。就在哈恩鈾核分裂實(shí)驗(yàn)取得初步結(jié)果時(shí)，哈恩就令人困惑的實(shí)驗(yàn)事實(shí)多次向邁特納寫信征求意見(jiàn)：“我們?cè)絹?lái)越接近一個(gè)可怕的結(jié)論：我們的鐳同位素性狀不像鐳，而像鋇…也許你能提供一個(gè)絕妙的解釋。我們自己認(rèn)識(shí)到它不可能實(shí)際上分裂成鋇…”。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到邁特納的肯定與支持，1939年1月哈恩在德國(guó)《自然科學(xué)》雜志發(fā)表了其實(shí)驗(yàn)論文，確定他們發(fā)現(xiàn)的是鋇、鑭、鈰等較輕的元素。 圖4奧托·羅伯特·弗里施（Otto·Robert·Frisch） 同時(shí)，流亡的邁特納與其外甥——奧地利物理學(xué)家弗里施則合作在英國(guó)《Nature》發(fā)表另一篇題為《中子導(dǎo)致的鈾裂體：一種新的核反應(yīng)》的理論解釋文章，理論上闡明：這種新的裂解現(xiàn)象，并非以往那種大核被轟出小碎片，而是鈾核俘獲中子后，自身變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致核解體。 此外，邁特納和弗里施也是最先意識(shí)到老愛(ài)的質(zhì)能方程是重核裂變?cè)斐少|(zhì)量虧損并放出巨大能量的理論機(jī)制。他們的理論解釋工作為核能利用刻畫了清晰的圖景，其研究貢獻(xiàn)得到科學(xué)界的積極關(guān)注。 4. 諾獎(jiǎng)背后的紛爭(zhēng) 憑借核裂變的重要貢獻(xiàn)，哈恩于1944年一人獨(dú)得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。哈恩獨(dú)享諾獎(jiǎng)，并否認(rèn)邁特納的貢獻(xiàn)，一個(gè)可能的解釋是在當(dāng)時(shí)的社會(huì)氛圍中，擔(dān)心承認(rèn)與猶太人合作危及自身，邁特納一度對(duì)此表示釋懷。哈恩同時(shí)也否認(rèn)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)合作者斯特拉斯曼的實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，據(jù)此，哈恩一直被后人以貪功獨(dú)食而詬病。玻爾也曾正式寫信給《Nature》雜志，認(rèn)為這個(gè)成就應(yīng)歸功于邁特納和弗里施。因此，基于核裂變的發(fā)現(xiàn)，成為諾獎(jiǎng)史上最具爭(zhēng)議的話題之一。 哈恩與邁特納一起共事15年，保持30多年的合作關(guān)系，取得諸多科學(xué)成就，一度被認(rèn)為科學(xué)合作的杰出典范。邁特納逃離德國(guó)時(shí)，哈恩將其母親遺贈(zèng)的戒指送與邁特納，以備不時(shí)之需。納粹倒臺(tái)后，哈恩繼續(xù)否認(rèn)邁特納的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致兩人關(guān)系最終決裂。毒舌的人將哈恩稱為“可恥的叛徒”。憑心而論，縱觀其人之一貫行為，哈恩不啻一位具有同情心和正義感的科學(xué)家，他反對(duì)納粹德國(guó)制造核彈，拒絕參與相關(guān)研究，一度被納粹拘禁。哈恩因諾獎(jiǎng)而飽受非議，與戰(zhàn)后科學(xué)界同情受害科學(xué)家而憎惡納粹德國(guó)科學(xué)家不無(wú)關(guān)系。 邁特納曾有“原子彈之母”的盛名，恐有過(guò)譽(yù)之嫌，但其卓著科學(xué)貢獻(xiàn)值得肯定，老愛(ài)也曾將其稱為“德國(guó)的居里夫人”。邁特納獲得科學(xué)界的普遍同情，或許更多與其二戰(zhàn)期間科研生活的悲情際遇有關(guān)。邁特納曾三次被諾獎(jiǎng)提名，最終與諾獎(jiǎng)無(wú)緣，其在核裂變發(fā)現(xiàn)中有廣為人知的貢獻(xiàn)，但沒(méi)有得到諾獎(jiǎng)的垂青，確實(shí)是科學(xué)界的遺憾，與雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)中的羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）可有一比。好在邁特納是個(gè)長(zhǎng)壽的人，享年90歲，后期紛至沓來(lái)的諸多榮譽(yù)足以聊慰平生。 重核裂變的發(fā)現(xiàn)，為熱鬧的核物理研究又添加一把烈火，世界上所有的前沿物理實(shí)驗(yàn)室都沸騰起來(lái)。1939年便成為一個(gè)熾熱的年份，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，所發(fā)表的有關(guān)核裂變的科學(xué)論文，總共達(dá)一百多篇。 1.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)假說(shuō) 圖1 恩利克·費(fèi)米（Enrico Fermi） 在1939年1月26日召開(kāi)的第五屆華盛頓理論物理學(xué)會(huì)議上，新發(fā)現(xiàn)的鈾核裂變成為會(huì)議討論的熱烈話題。在與玻爾討論時(shí)，費(fèi)米特別提到重核裂變放出中子的可能性：當(dāng)鈾核裂變時(shí)，會(huì)放射出中子。這些中子又會(huì)擊中其它鈾核，于是就會(huì)發(fā)生一連串的反應(yīng)，直到全部原子被分裂，這就是著名的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論。 雖然費(fèi)米提及的只是一種理論假說(shuō)，但當(dāng)時(shí)費(fèi)米是最具聲望的中子研究權(quán)威，討論對(duì)象又是量子物理學(xué)的大明星、哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人——玻爾。于是費(fèi)米作為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)者之一，被明確的記錄在科學(xué)史上。 費(fèi)米憑借“證明了可由中子輻照而產(chǎn)生的新放射性元素的存在，以及有關(guān)慢中子引發(fā)的核反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”而獲得1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)兩個(gè)月后，費(fèi)米聽(tīng)說(shuō)了哈恩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這無(wú)異于當(dāng)頭一棒，因?yàn)樾碌难芯拷Y(jié)果表明鈾核受中子激發(fā)，不會(huì)產(chǎn)生新的超重元素。換言之，這項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)一半是對(duì)的，一半是錯(cuò)的。但反過(guò)來(lái)說(shuō)，費(fèi)米關(guān)于“慢中子”比“快中子”更容易引發(fā)核反應(yīng)的超越當(dāng)時(shí)認(rèn)知的發(fā)現(xiàn)確實(shí)是一個(gè)了不起的貢獻(xiàn)，并直接啟迪了哈恩的新發(fā)現(xiàn)。 1942年12月2日，在芝加哥大學(xué)，費(fèi)米指導(dǎo)下設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的人類第一臺(tái)可控核反應(yīng)堆首次運(yùn)轉(zhuǎn)成功，命名為“芝加哥一號(hào)堆”。這是原子時(shí)代的真正開(kāi)端，因?yàn)檫@是人類第一次成功地進(jìn)行了一次核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。費(fèi)米也是直接參與曼哈頓工程的著名科學(xué)家之一，并曾擔(dān)任洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副主任。 2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的驗(yàn)證 圖2 約里奧·居里三人研究組 （左一為約里奧，左二為哈爾班，左三為科瓦爾斯基） 重核裂變的實(shí)驗(yàn)一經(jīng)報(bào)導(dǎo)，關(guān)于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作旋即在許多先知先覺(jué)的實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展起來(lái)。效率最高且最為引入注目的當(dāng)屬法國(guó)約里奧·居里夫婦的實(shí)驗(yàn)室。主持該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的是男主人費(fèi)雷德克里·約里奧·居里，直接參與實(shí)驗(yàn)的有研究助理法國(guó)物理學(xué)家哈爾班（Hans Heinrich von Halban）和俄裔法國(guó)物理學(xué)家科瓦爾斯基（Lew Kowarski）。 他們于1939年3月18日在《Nature》上發(fā)表了中子轟擊鈾核可以產(chǎn)生二代中子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，4月22日在《Nature》上發(fā)表了每個(gè)鈾核裂變產(chǎn)生2-3個(gè)中子的結(jié)論，給出鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可能性的確證結(jié)果。 3.臨界質(zhì)量 科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)因絕大多數(shù)中子的逃逸，少量的裂變材料不能維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。最后一個(gè)棘手問(wèn)題是：維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)究竟需要多少鈾燃料？這個(gè)最小的鈾燃料質(zhì)量即稱為臨界質(zhì)量。約里奧-居里實(shí)驗(yàn)室的法國(guó)物理學(xué)家佩林（Francis Perrin）于1939年5月1日在《法國(guó)科學(xué)院通報(bào)》（Comptes Rendus）上發(fā)表了對(duì)鈾臨界質(zhì)量的分析，他的結(jié)論是鈾燃料維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界質(zhì)量在數(shù)噸以上。顯然，尋找如此巨量的鈾燃料太不切實(shí)際，制造原子彈幾無(wú)可能。不過(guò)，很快就有人推翻了這一錯(cuò)誤結(jié)論。 圖3 魯?shù)婪颉ざ魉固亍づ蔂査梗?/span>Rudolf Ernst Peierls） 1940年3月，已在英國(guó)伯明翰大學(xué)物理系工作的弗里施（鈾核裂變理論奠基工作中邁特納的合作者）和英國(guó)物理學(xué)家派爾斯聯(lián)合寫就一份短文，通過(guò)仔細(xì)計(jì)算，得出一個(gè)令人恐怖的結(jié)論：鈾燃料的臨界質(zhì)量?jī)H約為1千克，理論上證明了原子彈的可行性。這篇短文因保密需要，并未公開(kāi)發(fā)表，而是轉(zhuǎn)交到了英國(guó)陸軍防空科學(xué)調(diào)查委員會(huì)主席蒂澤德（Henry Thomas Tizard）手中，這篇短文史稱“弗里施-派爾斯備忘錄”。弗里施和派爾斯憑借這一研究工作成為英國(guó)原子彈計(jì)劃的靈魂人物，直接推動(dòng)了英國(guó)鈾引爆軍事委員會(huì)（MAUD）的成立，并引發(fā)代號(hào)“管合金”（Tube Alloys）原子彈工程項(xiàng)目的上馬。 1943年8月，隨著英美聯(lián)合開(kāi)展原子彈建造計(jì)劃的“魁北克協(xié)議”簽署，弗里施和派爾斯均以英國(guó)科學(xué)家代表身份參與了美國(guó)的“曼哈頓工程”，其間便有一則廣為人知的人工停止核反應(yīng)逸聞。弗里施當(dāng)時(shí)主要負(fù)責(zé)“臨界質(zhì)量”的精確測(cè)定，一次實(shí)驗(yàn)中，由于身體反射中子的效應(yīng)，導(dǎo)致他搭建的燃料堆“高迪瓦夫人裝置”啟動(dòng)反應(yīng)，當(dāng)測(cè)試儀器的警報(bào)燈逐步加速閃爍時(shí)，他馬上意識(shí)到問(wèn)題所在，迅即用手分離了反應(yīng)堆，從而避免了一場(chǎng)大災(zāi)難。幸運(yùn)的是，他本人在此過(guò)程中所受的輻射尚不緊要。 隨著原子彈基礎(chǔ)理論的障礙清除，一切看似水到渠成。但是，事情遠(yuǎn)非想象的那么簡(jiǎn)單，從科學(xué)家的理論構(gòu)想轉(zhuǎn)變?yōu)橹卮蠊こ碳夹g(shù)行動(dòng)，尚需幾個(gè)關(guān)鍵人物的登場(chǎng)。
【原子彈英雄譜5】先見(jiàn)之明
1.第一推動(dòng)力
科學(xué)界已經(jīng)確知鈾核裂變會(huì)釋放出巨大的能量，一個(gè)鈾核裂變大約釋放200兆電子伏的能量，1克鈾235完全裂變所釋放的能量，相當(dāng)于2噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)所釋放的能量（即核裂變能大約要比化學(xué)能大二百萬(wàn)倍）。如果以1公斤臨界質(zhì)量的鈾燃料制造一枚原子彈，可以釋放出約2萬(wàn)噸TNT炸藥的爆炸能量。
最早意識(shí)到鈾核裂變可運(yùn)用于軍事目的并積極付諸說(shuō)服行動(dòng)的是費(fèi)米，1939年3月18日，費(fèi)米在給美國(guó)海軍的一場(chǎng)報(bào)告中，警示軍方領(lǐng)導(dǎo)要注意核能的巨大威力。但其時(shí)因幾個(gè)關(guān)鍵理論問(wèn)題尚不清晰，費(fèi)米的建議并未引起足夠重視。
圖1 利奧·西拉德（Leo Szilard）
真正推動(dòng)美國(guó)原子彈工程上馬的一個(gè)關(guān)鍵人物是匈牙利裔美國(guó)核物理學(xué)家——西拉德，他有敏銳的科學(xué)嗅覺(jué)，熱心于社會(huì)活動(dòng)，作為流亡科學(xué)家，個(gè)人情感上深切痛恨法西斯。1939年7月，西拉德與另一位匈牙利裔美國(guó)理論物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家——魏格納，拜訪了當(dāng)時(shí)在普林斯頓大學(xué)工作的愛(ài)因斯坦，會(huì)見(jiàn)的目的就是說(shuō)服老愛(ài)參與建議美國(guó)搶在納粹德國(guó)之前研制原子彈，以期利用老愛(ài)足夠強(qiáng)大的聲望，喚醒尚在夢(mèng)中的政府當(dāng)局。
作為科學(xué)家的西拉德是個(gè)總有許多奇思妙想的人，他喜歡發(fā)明并在許多國(guó)家獲得發(fā)明專利，僅在德國(guó)就獲得了31項(xiàng)專利，其中很多是與愛(ài)因斯坦合作的。西拉德在1936年還提出鈾—水系統(tǒng)中維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的設(shè)想，而且還登記了專利，但他自己沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且當(dāng)時(shí)這種設(shè)想又太過(guò)超前，并未引起同行過(guò)多的關(guān)注。西拉德后來(lái)也參與了曼哈頓工程，加入了費(fèi)米在芝加哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的核反應(yīng)堆項(xiàng)目，并在其中做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)，他與費(fèi)米一道成為世界上第一個(gè)核裂變反應(yīng)堆專利的共同持有者。
圖2 尤金·鮑爾·魏格納（Eugene Paul Wigner）
維格納也是參與曼哈頓工程的著名科學(xué)家之一，他領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)小組主要負(fù)責(zé)將鈾轉(zhuǎn)換為武器級(jí)钚的工作。此外，他憑借“對(duì)原子核和基本粒子理論的貢獻(xiàn)，特別是對(duì)基礎(chǔ)的對(duì)稱性原理的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用”，與另外兩人分享1963年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
2.超豪華快遞
圖3西拉德和愛(ài)因斯坦討論署名信
1939年8月2日，西拉德寫好那封著名的愛(ài)因斯坦簽名信，信件開(kāi)頭寫道：“通過(guò)和E.費(fèi)米、L.西拉德進(jìn)行關(guān)于研究草稿的交流，最近的工作使我相信在不久的將來(lái)，鈾元素將成為一種新型的重要的能源。由此引起的許多問(wèn)題需要我們提高警覺(jué)性，假如有必要的話，政府部門應(yīng)當(dāng)采取迅速的行動(dòng)。因此我相信我有責(zé)任提醒您關(guān)注以下的事實(shí)和建議…”。
信件需要找在長(zhǎng)島度假的老愛(ài)簽名，因西拉德不會(huì)開(kāi)車，就臨時(shí)喊了自己的小老鄉(xiāng)泰勒去跑腿。這份名垂青史的信，除了具有非凡的歷史意義，就連參與其中的人物個(gè)個(gè)都是了不起的角色。寫信的是西拉德，簽名的是愛(ài)因斯坦，轉(zhuǎn)交信件的是總統(tǒng)經(jīng)濟(jì)顧問(wèn)薩克斯，收信人是羅斯?？偨y(tǒng)，就連開(kāi)車跑腿的司機(jī)泰勒，日后也成為了美國(guó)的“氫彈之父”。
3.曼哈頓工程
因?yàn)閷懶艜r(shí)，“臨界質(zhì)量”的問(wèn)題尚未解決，所以設(shè)想的原子彈足夠龐大，可能需要輪船運(yùn)載，建議則重點(diǎn)落在鈾礦的勘探開(kāi)發(fā)和相關(guān)研究的跟進(jìn)。老愛(ài)出馬，不同凡響，1939年10月11日，羅斯?？偨y(tǒng)下令成立“鈾顧問(wèn)委員會(huì)”，全面協(xié)調(diào)和負(fù)責(zé)相關(guān)事務(wù)。1941年10月9日，在總統(tǒng)辦公會(huì)上，羅斯?？偨y(tǒng)同意著手規(guī)劃原子彈項(xiàng)目，設(shè)立由他本人參與的“最高決策組”，并決定由陸軍部負(fù)責(zé)執(zhí)行。
當(dāng)時(shí)，美國(guó)置身于戰(zhàn)火連天的歐亞大陸之外，正享受著難得的和平時(shí)光，尚缺乏堅(jiān)定的政治決心著力研發(fā)原子彈，所以鈾顧問(wèn)委員會(huì)成立后的相當(dāng)一段時(shí)間并無(wú)多大實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，不過(guò)轉(zhuǎn)機(jī)很快來(lái)臨。1941年12月7日，日本軍隊(duì)突襲珍珠港，美國(guó)海軍遭受重創(chuàng)。次日，美國(guó)對(duì)日本宣戰(zhàn)。12月11日，德國(guó)對(duì)美國(guó)宣戰(zhàn)，數(shù)小時(shí)后，美國(guó)對(duì)德國(guó)宣戰(zhàn)。樹(shù)欲靜而風(fēng)不止，兩年來(lái)一直隔岸觀火的美國(guó)，最終被拖入了第二次世界大戰(zhàn)。
1942年6月17日，羅斯?？偨y(tǒng)簽字批準(zhǔn)了S-1委員會(huì)提交的原子彈發(fā)展計(jì)劃議案，自此，原子彈工程正式上馬。起初，該項(xiàng)目叫“替代材料項(xiàng)目”，但顧忌到這個(gè)名稱可能會(huì)引起外界不必要的關(guān)注，并考慮該項(xiàng)目臨時(shí)總部設(shè)在紐約曼哈頓，就用“曼哈頓工程區(qū)”指代，8月13日，該名稱被正式確認(rèn)。從此，“曼哈頓工程”就成為了美國(guó)原子彈工程的代名詞。
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