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1945年7月16日，第一颗原子弹“Trinity”在美国墨西哥州试爆成功。接下来不到一个月的时间内，8月6日和9日，首次用于战争的两颗原子弹“小男孩”和“胖子”分别在日本广岛和长崎上空爆响。原子弹的爆炸成功，成为压垮日本军国主义的最后一捆稻草，第二次世界大战的烽火随即烟消云散。今年是世界反法西斯战争胜利70周年，中华民族抗日战争胜利70周年，也是原子弹首爆70周年。以史为鉴，可知兴替，故为此辑，以向核物理事业的科学英雄们致敬。 说起原子弹的基础科学先驱，一个人物是无论怎样都不能被忽略，他就是神一样的人物：老爱，爱因斯坦。若将其称为原子弹乃至核能利用的“理论鼻祖”，一点都不为过。
图1 阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）
1、爱因斯坦奇迹年 1905年，尚在瑞士伯尔尼专利局担任三级技术员，年仅26岁的爱因斯坦完成了6篇学术论文，都发表在当时国际物理学界最有声望的刊物《物理学杂志》（Annalen der Physik）上。这6篇论文在物理学3个领域中做出4项开创性贡献。1967年，英国天文学家惠特罗（G. J. Whitrow）在他编的访谈录《爱因斯坦，其人以及其贡献》中，就把1905年称为“爱因斯坦奇迹年”（Einstein’s annus mirabilis）。 2004年6月10日联合国大会通过决议，宣告2005年为“国际物理年”（International Year of Physics），理由是：鉴于物理学对于了解自然和技术进步的重要性，以及物理教育对于人类发展的必要性，同时“意识到2005年是爱因斯坦作出了为现代物理学奠定基础的开创性科学发现的一百周年”。 后世也有人感叹，单凭爱因斯坦在1905年的科学贡献，完全值得授予3项诺贝尔奖。 2、质能方程 爱因斯坦在1905年完成的论文中，其中一篇就是“物体所含能量与它的惯性有关吗”？（Annalender Physik，18:639,1905）。这篇简短的论文中，老爱用仅有的7个公式推演，最后得到一个隐含的公式，即质能方程：E=mc^2. 在论文的最后，老爱断言“如果理论与事实相符，物体的辐射必与质量的损益相关”。 质能方程已经成为科学史上最为著名的物理方程之一。英国科学期刊《物理世界》曾组织一次史上“最伟大公式”的评选，质能方程名列第五，排序在前的依次是：麦克斯韦方程、欧拉公式、牛二定律、勾股定理。 质能方程预见了原子能时代的到来，但在当时该理论并不为人关注，更多的却被认为是无稽之谈。寻求严格实验支持的验证工作时至今日仍在持续，2008年11月《科学》杂志还报道了法国理论物理中心Laurent Lellouch团队的一项验证工作。文章当时能得以发表，可能有三方面的原因：其一、推理严密而简洁，实在找不到拒绝的理由；其二、彼时老爱的良好发表记录至少已在期刊编辑中树立声誉；其三、那个时代，也是草根英雄辈出的时代。 3、上马原子弹工程的最强音 1933年由于德国反犹运动日趋严峻，54岁的老爱被迫加入美国籍。彼时，老爱已经声名鹊起，成为科学界无人可匹敌的巨星。1939年8月，在一批科学家的强烈建议下，发出了那封著名的“爱因斯坦向罗斯福总统的署名信”。信件的要旨就是敦促美国政府尽快启动原子弹工程计划，信中甚至预言了原子弹的基本特征“这种新的现象将引导着炸弹的构造，并且这是有可能的--尽管还不是那么确定--威力十分巨大的炸弹将因此而可能被制造出来。这样一颗单个的炸弹，用船运载，并在港口爆炸，将可能会摧毁整个港口以及周围的环境。然而，这样的炸弹对于空中运输可能显得太过于沉重”。 由于爱因斯坦的卓越声望，罗斯福总统收到信件后不得不认真考虑该建议，随即成立“铀顾问委员会”，专责原子弹的研究计划工作。 http://blog.sciencenet.cn/blog-760464-916935.html 此文来自科学网杨建军博客，转载请注明出处。 老爱的质能方程虽然指出了物质包含有巨大的能量，但如何实现这种质能转换在1939年前却仍是个未解之谜。现在作为已知的事实，只有实现原子核的裂变或聚变，这种质能转换才可能发生。而这一机理的揭示，需要提到几位先驱人物。 1.原子核手术刀 1919年，英国物理学家卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验。他从氮核中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。
图1 欧内斯特·卢瑟福（ErnestRutherford）
卢瑟福用α粒子轰击氮核产生质子的实验，解释了放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次。 更为重要的是，卢瑟福找到了解刨原子核的手术刀，这种用α粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，首次实现了人工核反应，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。 值得一提的是，卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。不仅他本人于1908年获诺贝尔化学奖，在他的助手和学生中，先后荣获诺贝尔奖的竟多达12人，这种培养诺贝尔奖得主的本领，可谓前无古人，后无来者。 2、失之交臂
图2 瓦尔特·博特（Walther Bothe）
1930年，德国物理学家瓦尔特·博特和他的学生贝克尔（H.Becker）用刚发明不久的盖革-缪勒计数器，发现金属铍在α粒子轰击下，产生一种贯穿性很强的辐射，当时他们认为这是一种高能量的γ射线，并未深究。这是错过重大发现的第一个研究组。 图3 约里奥·居里夫妇
1932年约里奥·居里夫妇(居里夫人的女儿和女婿)重复了这一实验，他们惊奇地发现，这种所谓的γ射线能量大大超过了天然放射性物质发射的γ射线的能量。同时他们还发现，用这种射线去轰击石蜡，竟能从石蜡中打出质子来。约里奥·居里夫妇把这种现象解释为一种康普顿效应。但是打出的质子能量高达5.7MeV，按照康普顿公式，入射的γ射线能量至少应为50MeV，这在理论上是解释不通的。约里奥·居里夫妇用实验证明这种射线不可能是电磁波，但困惑之余并未进一步探讨，仅就新的实验现象于1932年1月发表。这是距离重大发现仅有0.01公分的另一个研究组。 3、捕获破核子弹
图4詹姆斯·查德威克（James Chadwick）
好运气又要转回卢瑟福的实验室，当时是卢瑟福的研究助手，英国实验物理学家查德威克，当读到约里奥·居里夫妇在《法国科学院通报》（Compets Rendus）上的文章，立刻深被那种辐射的高能量特性所吸引。查德威克把这一情况立即报告了卢瑟福，卢瑟福听了表示不相信，建议尽快进行实验检验。 查德威克用仪器测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出了这种新粒子的质量。他还用别的物质进行实验，得出的结果都是这种未知粒子的质量与氢核的质量差不多。由于这种粒子不带电，正如卢瑟福1920年理论预言，并长期苦苦搜寻的那种粒子——中子。后来更精确的实验测出，中子的质量非常接近于质子的质量，只比质子质量约大千分之一。 1932年2月17日，查德威克写信给《Nature》,发表了题为“中子可能存在”的研究结果，其时离约里奥·居里夫妇的文章发表不超过一个月。接着，将他的更为详细研究成果写成论文“中子的存在”发表在《英国皇家学会通报》上。 中子具有高能量和不带电的特性，不会受原子内电磁力的影响，用于轰击、破核，实在是一种高能、高效、精确的裂核粒子不二之选。至此，理想的破核子弹终于找到。 顺便提一句，查德威克因发现“中子”的科学贡献，获得1935年诺贝尔物理学奖。科学界都铭记，约里奥·居里夫妇为中子的发现做出了重要的开创工作，但千真万确的是“差一点”发现。遗憾的是还有类似的情形，约里奥·居里夫妇也“差一点”发现正电子，所以二人有“诺贝尔奖铺路石”的不算美的美誉。不过值的欣慰的是，约里奥·居里夫妇凭借1934年对“人工放射性”的重要发现，获得1935年诺贝尔化学奖，创下了约一年时间从取得科学发现到获得诺奖之间时程最短的历史记录，可能科学界也有急于为屡做诺奖铺路石的贤伉俪予以补偿的情怀。
人类对天然核反应已有深切认知，人工操控核反应也变得越来越得心应手。然而寻求可观而实用的核能仍然一片迷雾，核能物理学的车轮便驶向破晓的1938年年底。 1. 核裂变的预言 图1 伊达·诺达克（Ida Noddack） 1934年，诺达克提交了一份进一步阐释费米等人研究工作的论文，她指出：“种种迹象表明，铀核分裂为几个大的碎片，即一些已知元素的同位素，而不是本底放射性元素的邻近元素”。这一论断明确指出铀核被轰击后可能产生两个较轻的元素。不过诺达克本人并未做实验验证自己的想法，其他人也没有认真地对待诺达克的意见。 2.发现铀核裂变 图2 奥托·哈恩（Otto Hahn） 1938年末，德国放射化学家核物理学家哈恩与另一位德国化学家弗里茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）合作开始一项早有筹划的实验，他们用一种慢中子轰击铀-235核时，竟出人意料地发生了一种异乎寻常的情况：反应不仅迅速强烈、释放出很高的能量，而且铀核分裂成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分。 核裂变现象的发现推翻了此前的经验认知：人工核反应不仅仅只能打出细碎的基本粒子，而且还可能由大核分解成两个或多个中等规模的核。这个中子激发铀核分裂实验就是原子弹和原子能的原理性实验，开创了人类利用原子能的新纪元。 值得一提的是，核裂变现象也算从约里奥·居里夫妇手中滑落的又一个重大发现。此前约里奥·居里夫妇在用中子轰击铀元素时，已经发现产物中好像有镧，这与哈恩按他们实验方法终于确定产物中是钡，在化学上来说，这差别并不是很大。 3.亲密合作者 图3 莉泽·迈特纳（Lise Meitner） 说起哈恩，就不得不提另外一个人物，那就是哈恩的长达近30年的合作者，奥地利女物理学家迈特纳。两人合作从事铀的放射试验从30年代初期就开始了，1938年初迈特纳因具有犹太血统的缘故，被迫离开德国，逃亡荷兰。就在哈恩铀核分裂实验取得初步结果时，哈恩就令人困惑的实验事实多次向迈特纳写信征求意见：“我们越来越接近一个可怕的结论：我们的镭同位素性状不像镭，而像钡…也许你能提供一个绝妙的解释。我们自己认识到它不可能实际上分裂成钡…”。该实验结果得到迈特纳的肯定与支持，1939年1月哈恩在德国《自然科学》杂志发表了其实验论文，确定他们发现的是钡、镧、铈等较轻的元素。 图4奥托·罗伯特·弗里施（Otto·Robert·Frisch） 同时，流亡的迈特纳与其外甥——奥地利物理学家弗里施则合作在英国《Nature》发表另一篇题为《中子导致的铀裂体：一种新的核反应》的理论解释文章，理论上阐明：这种新的裂解现象，并非以往那种大核被轰出小碎片，而是铀核俘获中子后，自身变得不稳定，从而导致核解体。 此外，迈特纳和弗里施也是最先意识到老爱的质能方程是重核裂变造成质量亏损并放出巨大能量的理论机制。他们的理论解释工作为核能利用刻画了清晰的图景，其研究贡献得到科学界的积极关注。 4. 诺奖背后的纷争 凭借核裂变的重要贡献，哈恩于1944年一人独得诺贝尔化学奖。哈恩独享诺奖，并否认迈特纳的贡献，一个可能的解释是在当时的社会氛围中，担心承认与犹太人合作危及自身，迈特纳一度对此表示释怀。哈恩同时也否认关键实验合作者斯特拉斯曼的实质性贡献，据此，哈恩一直被后人以贪功独食而诟病。玻尔也曾正式写信给《Nature》杂志，认为这个成就应归功于迈特纳和弗里施。因此，基于核裂变的发现，成为诺奖史上最具争议的话题之一。 哈恩与迈特纳一起共事15年，保持30多年的合作关系，取得诸多科学成就，一度被认为科学合作的杰出典范。迈特纳逃离德国时，哈恩将其母亲遗赠的戒指送与迈特纳，以备不时之需。纳粹倒台后，哈恩继续否认迈特纳的贡献，导致两人关系最终决裂。毒舌的人将哈恩称为“可耻的叛徒”。凭心而论，纵观其人之一贯行为，哈恩不啻一位具有同情心和正义感的科学家，他反对纳粹德国制造核弹，拒绝参与相关研究，一度被纳粹拘禁。哈恩因诺奖而饱受非议，与战后科学界同情受害科学家而憎恶纳粹德国科学家不无关系。 迈特纳曾有“原子弹之母”的盛名，恐有过誉之嫌，但其卓著科学贡献值得肯定，老爱也曾将其称为“德国的居里夫人”。迈特纳获得科学界的普遍同情，或许更多与其二战期间科研生活的悲情际遇有关。迈特纳曾三次被诺奖提名，最终与诺奖无缘，其在核裂变发现中有广为人知的贡献，但没有得到诺奖的垂青，确实是科学界的遗憾，与双螺旋结构发现中的罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）可有一比。好在迈特纳是个长寿的人，享年90岁，后期纷至沓来的诸多荣誉足以聊慰平生。 重核裂变的发现，为热闹的核物理研究又添加一把烈火，世界上所有的前沿物理实验室都沸腾起来。1939年便成为一个炽热的年份，在不到一年的时间内，所发表的有关核裂变的科学论文，总共达一百多篇。 1.链式反应假说 图1 恩利克·费米（Enrico Fermi） 在1939年1月26日召开的第五届华盛顿理论物理学会议上，新发现的铀核裂变成为会议讨论的热烈话题。在与玻尔讨论时，费米特别提到重核裂变放出中子的可能性：当铀核裂变时，会放射出中子。这些中子又会击中其它铀核，于是就会发生一连串的反应，直到全部原子被分裂，这就是著名的链式反应理论。 虽然费米提及的只是一种理论假说，但当时费米是最具声望的中子研究权威，讨论对象又是量子物理学的大明星、哥本哈根学派的创始人——玻尔。于是费米作为链式反应机制的发现者之一，被明确的记录在科学史上。 费米凭借“证明了可由中子辐照而产生的新放射性元素的存在，以及有关慢中子引发的核反应的发现”而获得1938年诺贝尔物理学奖。获奖两个月后，费米听说了哈恩的实验结果，这无异于当头一棒，因为新的研究结果表明铀核受中子激发，不会产生新的超重元素。换言之，这项诺贝尔奖一半是对的，一半是错的。但反过来说，费米关于“慢中子”比“快中子”更容易引发核反应的超越当时认知的发现确实是一个了不起的贡献，并直接启迪了哈恩的新发现。 1942年12月2日，在芝加哥大学，费米指导下设计和制造出来的人类第一台可控核反应堆首次运转成功，命名为“芝加哥一号堆”。这是原子时代的真正开端，因为这是人类第一次成功地进行了一次核链式反应。费米也是直接参与曼哈顿工程的著名科学家之一，并曾担任洛斯阿拉莫斯国家实验室副主任。 2.链式反应的验证 图2 约里奥·居里三人研究组 （左一为约里奥，左二为哈尔班，左三为科瓦尔斯基） 重核裂变的实验一经报导，关于链式反应的试验验证工作旋即在许多先知先觉的实验室中开展起来。效率最高且最为引入注目的当属法国约里奥·居里夫妇的实验室。主持该项目实验的是男主人费雷德克里·约里奥·居里，直接参与实验的有研究助理法国物理学家哈尔班（Hans Heinrich von Halban）和俄裔法国物理学家科瓦尔斯基（Lew Kowarski）。 他们于1939年3月18日在《Nature》上发表了中子轰击铀核可以产生二代中子的实验结果，4月22日在《Nature》上发表了每个铀核裂变产生2-3个中子的结论，给出链式反应可能性的确证结果。 3.临界质量 科学家已经发现因绝大多数中子的逃逸，少量的裂变材料不能维持链式反应。最后一个棘手问题是：维持链式反应究竟需要多少铀燃料？这个最小的铀燃料质量即称为临界质量。约里奥-居里实验室的法国物理学家佩林（Francis Perrin）于1939年5月1日在《法国科学院通报》（Comptes Rendus）上发表了对铀临界质量的分析，他的结论是铀燃料维持链式反应的临界质量在数吨以上。显然，寻找如此巨量的铀燃料太不切实际，制造原子弹几无可能。不过，很快就有人推翻了这一错误结论。 图3 鲁道夫·恩斯特·派尔斯（Rudolf Ernst Peierls） 1940年3月，已在英国伯明翰大学物理系工作的弗里施（铀核裂变理论奠基工作中迈特纳的合作者）和英国物理学家派尔斯联合写就一份短文，通过仔细计算，得出一个令人恐怖的结论：铀燃料的临界质量仅约为1千克，理论上证明了原子弹的可行性。这篇短文因保密需要，并未公开发表，而是转交到了英国陆军防空科学调查委员会主席蒂泽德（Henry Thomas Tizard）手中，这篇短文史称“弗里施-派尔斯备忘录”。弗里施和派尔斯凭借这一研究工作成为英国原子弹计划的灵魂人物，直接推动了英国铀引爆军事委员会（MAUD）的成立，并引发代号“管合金”（Tube Alloys）原子弹工程项目的上马。 1943年8月，随着英美联合开展原子弹建造计划的“魁北克协议”签署，弗里施和派尔斯均以英国科学家代表身份参与了美国的“曼哈顿工程”，其间便有一则广为人知的人工停止核反应逸闻。弗里施当时主要负责“临界质量”的精确测定，一次实验中，由于身体反射中子的效应，导致他搭建的燃料堆“高迪瓦夫人装置”启动反应，当测试仪器的警报灯逐步加速闪烁时，他马上意识到问题所在，迅即用手分离了反应堆，从而避免了一场大灾难。幸运的是，他本人在此过程中所受的辐射尚不紧要。 随着原子弹基础理论的障碍清除，一切看似水到渠成。但是，事情远非想象的那么简单，从科学家的理论构想转变为重大工程技术行动，尚需几个关键人物的登场。 1.第一推动力 科学界已经确知铀核裂变会释放出巨大的能量，一个铀核裂变大约释放200兆电子伏的能量，1克铀235完全裂变所释放的能量，相当于2吨优质煤完全燃烧时所释放的能量（即核裂变能大约要比化学能大二百万倍）。如果以1公斤临界质量的铀燃料制造一枚原子弹，可以释放出约2万吨TNT炸药的爆炸能量。 最早意识到铀核裂变可运用于军事目的并积极付诸说服行动的是费米，1939年3月18日，费米在给美国海军的一场报告中，警示军方领导要注意核能的巨大威力。但其时因几个关键理论问题尚不清晰，费米的建议并未引起足够重视。
图1 利奥·西拉德（Leo Szilard）
真正推动美国原子弹工程上马的一个关键人物是匈牙利裔美国核物理学家——西拉德，他有敏锐的科学嗅觉，热心于社会活动，作为流亡科学家，个人情感上深切痛恨法西斯。1939年7月，西拉德与另一位匈牙利裔美国理论物理学家、数学家——魏格纳，拜访了当时在普林斯顿大学工作的爱因斯坦，会见的目的就是说服老爱参与建议美国抢在纳粹德国之前研制原子弹，以期利用老爱足够强大的声望，唤醒尚在梦中的政府当局。 作为科学家的西拉德是个总有许多奇思妙想的人，他喜欢发明并在许多国家获得发明专利，仅在德国就获得了31项专利，其中很多是与爱因斯坦合作的。西拉德在1936年还提出铀—水系统中维持链式反应的设想，而且还登记了专利，但他自己没有进行实验验证，而且当时这种设想又太过超前，并未引起同行过多的关注。西拉德后来也参与了曼哈顿工程，加入了费米在芝加哥大学领导的核反应堆项目，并在其中做出了关键贡献，他与费米一道成为世界上第一个核裂变反应堆专利的共同持有者。
图2 尤金·鲍尔·魏格纳（Eugene Paul Wigner）
维格纳也是参与曼哈顿工程的著名科学家之一，他领导一个小组主要负责将铀转换为武器级钚的工作。此外，他凭借“对原子核和基本粒子理论的贡献，特别是对基础的对称性原理的发现和应用”，与另外两人分享1963年诺贝尔物理学奖。 2.超豪华快递
图3西拉德和爱因斯坦讨论署名信
1939年8月2日，西拉德写好那封著名的爱因斯坦签名信，信件开头写道：“通过和E.费米、L.西拉德进行关于研究草稿的交流，最近的工作使我相信在不久的将来，铀元素将成为一种新型的重要的能源。由此引起的许多问题需要我们提高警觉性，假如有必要的话，政府部门应当采取迅速的行动。因此我相信我有责任提醒您关注以下的事实和建议…”。 信件需要找在长岛度假的老爱签名，因西拉德不会开车，就临时喊了自己的小老乡泰勒去跑腿。这份名垂青史的信，除了具有非凡的历史意义，就连参与其中的人物个个都是了不起的角色。写信的是西拉德，签名的是爱因斯坦，转交信件的是总统经济顾问萨克斯，收信人是罗斯福总统，就连开车跑腿的司机泰勒，日后也成为了美国的“氢弹之父”。 3.曼哈顿工程 因为写信时，“临界质量”的问题尚未解决，所以设想的原子弹足够庞大，可能需要轮船运载，建议则重点落在铀矿的勘探开发和相关研究的跟进。老爱出马，不同凡响，1939年10月11日，罗斯福总统下令成立“铀顾问委员会”，全面协调和负责相关事务。1941年10月9日，在总统办公会上，罗斯福总统同意着手规划原子弹项目，设立由他本人参与的“最高决策组”，并决定由陆军部负责执行。 当时，美国置身于战火连天的欧亚大陆之外，正享受着难得的和平时光，尚缺乏坚定的政治决心着力研发原子弹，所以铀顾问委员会成立后的相当一段时间并无多大实质性进展，不过转机很快来临。1941年12月7日，日本军队突袭珍珠港，美国海军遭受重创。次日，美国对日本宣战。12月11日，德国对美国宣战，数小时后，美国对德国宣战。树欲静而风不止，两年来一直隔岸观火的美国，最终被拖入了第二次世界大战。 1942年6月17日，罗斯福总统签字批准了S-1委员会提交的原子弹发展计划议案，自此，原子弹工程正式上马。起初，该项目叫“替代材料项目”，但顾忌到这个名称可能会引起外界不必要的关注，并考虑该项目临时总部设在纽约曼哈顿，就用“曼哈顿工程区”指代，8月13日，该名称被正式确认。从此，“曼哈顿工程”就成为了美国原子弹工程的代名词。
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