了不起的原子能

20世纪不仅是人类历史上技术进步最快的一个世纪，也是战争最多的一个世纪。通常，和平的环境更有利于科技的进步，但是在极端情况下，出于对生存的需要，战争也会使特定的技术进步在极短的时间里完成，而这在和平时代是完全做不到的。第二次世界大战期间，美国在对原子能一无所知的前提下，仅仅用了三年半的时间就完成了原子弹的研究和制造，这堪称人类科技史上的奇迹。

正如我们前面所讲，一个简单的衡量人类文明水平的标志，就是我们所掌握的能量的多少。人类文明的基础始于对火的利用，而人类文明的开始，无论是农业的起步还是城市化，都离不开畜力的使用。第一次工业革命和第二次工业革命，从本质上说，都是以动力为核心的革命，核心分别是蒸汽机和电，它们不仅标志着人类掌握了新的动力来源，也改变了几乎所有产业的面貌。

然而，宇宙中最大的能源既不是燃烧化石燃料所产生的化学能，也不是电能，那么，最大的能源在哪里呢？爱因斯坦早在1905年就给出了答案。他在狭义相对论中指出，能量和质量是可以相互转化的，当质量变成能量之后，将释放巨大的能量。不过，实现质量到能量的转变，不是容易的事情。事实上，包括爱因斯坦在内，科学家在随后30多年的时间里并不知道如何完成质能转化。

最早证实爱因斯坦质能转化理论的是德国物理家哈恩（Otto Hahn，1879—1968）和莉泽·迈特纳（Lise Meitner，1878—1968）。迈特纳非常值得一提，她是有史以来最杰出的几位女科学家之一。今天科学界普遍认为，如果不是因为那个年代歧视女性，她应该获得诺贝尔奖。后来，出于对她一生贡献的肯定，以她的名字命名了第109号元素（Mt）。迈特纳一生最大的贡献在于发现核裂变，并证实了爱因斯坦质能转化的理论。

哈恩和迈特纳最初的研究目标并非寻找核裂变的可能性，而是要搞清楚为什么在元素周期表中，92号元素铀之后就不再有新的元素了。我们今天知道的元素有100多种，但是在20世纪初，人类所了解的原子数中最大的元素就是铀了，再往后的元素人类就找不到了。根据卢瑟福的理论，只要往原子核里面添加质子，就应该有新元素，但是科学家的努力都失败了。1934年，美籍意大利物理学家费米（Enrico Fermi，1901—1954）宣布用粒子流轰击铀，“可能”发现了第93、94号元素，这在物理学界引起了轰动。虽然费米本身对此比较谨慎，但是当时法西斯统治的意大利为了显示法西斯制度的优越性，对此做了大量的宣传。费米也因此获得了1938年诺贝尔物理学奖。当然，费米能获奖的一个重要原因是当时小居里夫人的实验室似乎也证实了费米的实验，但后来又证明他们的实验误差很大，结果并不可信。

当时全世界大部分著名的物理学实验室都试图重复费米的工作，迈特纳和她的老板哈恩也不例外。但是他们做了上百次实验，却一直未能成功。随后就赶上纳粹德国开始迫害和驱除犹太人，拥有犹太血统的迈特纳只好逃往瑞典，哈恩只能独自在德国做实验。不过，哈恩和迈特纳一直有通信往来。1938年底，哈恩把失败的实验结果送给在瑞典的迈特纳，希望她帮助分析原因。

迈特纳拿着哈恩的实验结果坐在窗前苦思冥想，她看着窗外从房顶冰柱上滴下来的水滴，想到了伽莫夫和玻尔提出过一种不成熟的猜想：或许原子并不是一个坚硬的粒子，而更像一滴水。于是一个念头从她心中一闪而过，或许原子这滴液珠一分为二变成更小的液珠了。有了这个想法之后，迈特纳和另一位物理学家弗里施（Otto Robert Frisch，1904—1979）马上做实验，果然证实铀原子在中子的轰击下变成了两个小得多的原子“钡”（Ba，原子序数56）和“氪”（Kr，原子序数36），同时还释放出了3个中子，迈特纳证实了自己的想法。随后，当他们清点实验的生成物时，发现了一个小问题，而这个小问题其实是一个重大的发现。原来，生成物的质量比原来的铀原子加上轰击它的中子的质量少了一点点。在德国接受科班教育的迈特纳作风非常严谨，她没有放过这个细节。在寻找丢失的质量时，迈特纳想到了爱因斯坦狭义相对论里那个著名的方程E＝mc2。爱因斯坦预测质量和能量可以相互转换，那些丢失的质量会不会真的由质量转换成能量了呢？迈特纳按照爱因斯坦的公式计算出了丢失的质量应该产生的能量，然后再次做实验，最后证实多出来的能量正好和爱因斯坦预测的完全吻合。迈特纳兴奋不已，她不仅发现了核裂变，而且证实了核裂变能够产生巨大的能量。

迈特纳和弗里施在《自然》杂志上发表了他们的发现，并提出了“核裂变”的概念。这篇论文一共只有两页，却有划时代的意义，因为它找到了自然界存在的巨大的力量。

1939年4月，也就是迈特纳和弗里施的论文发表仅仅三个月后，德国就将几名世界级物理学家聚集到柏林，探讨利用铀裂变释放的巨大能量的可能性。出于战略考虑，德国决定不再发布任何关于核研究的成果。不过德国的第一次核计划只持续了几个月便终止了，原因居然是很多科学家都应征入伍了。没过多长时间，德国人又开始了第二次核计划，并一直持续到二战结束。但是由于投入的工程力量远远不足，直到战争结束时，德国整个核计划也没有取得实质性的进展，一直停留在科研阶段。

德国成功地实现了核裂变，并且开始研究原子能武器的消息很快便传到了美国。至于这个消息是如何传到美国的，历史学家大多认为，这要归功于当时到美国访问的丹麦物理学家玻尔。1939年初，玻尔到美国普林斯顿大学访问，并且在美国首都华盛顿做了一个学术报告，介绍了核裂变成功的消息。在听完玻尔报告的当天，科学家马上从报告会所在的华盛顿赶到几十英里外的约翰·霍普金斯大学，连夜重复并验证了迈特纳的实验，并且获得了成功。

实际上，即便没有玻尔传播消息，美国的科学家也会很快了解到这个划时代的发现，因为迈纳特等人的论文是公开发表在英国《自然》杂志上的，而在美国，许多物理学家一直在关注着核裂变链式反应的可能性。

接下来的事情就是看科学家如何说服美国政府启动核计划了。在这个过程中，发挥最大作用的是爱因斯坦的一位学生、物理学家利奥·西拉德（Leo Szilard，1898—1964），他起草了一封致罗斯福总统的信。考虑到自己的声望还不足以说服总统，他说服老师爱因斯坦一起署名，并且由爱因斯坦想办法将信转交给了罗斯福。罗斯福虽然当即批准了对铀裂变的研究，但是只给了6000美元的经费，将它交给了著名物理学家费米，并让他们在芝加哥大学进行研究。

真正让美国下决心研制核武器的还是战争。1941年底，珍珠港事件之后，美国才真正开始全民战争动员，并启动了庞大的核计划。由于计划的指挥部最早在曼哈顿，因此也被称为曼哈顿计划。

几乎整个物理学界，包括劳伦斯和阿瑟·康普顿（Arthur Holly Compton，1892—1962）等很多诺贝尔奖获得者，都参与了该计划，政府也为此拨了巨款。美国当时几乎所有最杰出的科学家都参与了曼哈顿计划，并且各自都发挥了巨大的作用。当然，制造能作为武器使用的原子弹和进行核研究完全是两回事，前者要复杂得多。当时，就连玻尔这样的物理学家都不相信能够在短时间内造出原子弹，他说，除非把整个美国变成一个大工厂。

不过玻尔低估了美国的工业潜力，二战时的美国还真是一个大工厂。和德国人不同，美国是把研制原子弹这件事作为一个大工程，而不仅仅是科学研究。既然是工程，就需要有工程负责人，美国非常幸运地挑中了格罗夫斯（Leslie Groves，1896—1970）。最初，军方看重格罗夫斯是因为他懂得工程，并主持建造了美国最大的建筑五角大楼。事后证明，格罗夫斯不仅会盖房子，还是一位有远见卓识的优秀领导。他从寻找铀材料，到挑选主管技术和工程的各个负责人，再到具体的武器制造，都做得十分出色。最重要的是，他对曼哈顿计划的技术主管奥本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904—1967）绝对信任，否则，美国原子弹的研究不可能那么顺利。格罗夫斯对奥本海默可以说言听计从，包括将研制原子弹的实验室建在偏远的新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯，都是奥本海默的主意。在整个曼哈顿计划实施的过程中，军方一直对亲共的奥本海默的忠诚表示怀疑，而这位我行我素的科学天才也不断地惹出些小麻烦。每到这种时候，格罗夫斯总是力排众议，支持奥本海默的工作，这才让原子弹的研究得以顺利进行。

至于为什么一定要让奥本海默全面负责原子弹的研究工作，可能考虑到他是当时美国物理学界公认的全才科学家。他不仅精通物理学的各领域，而且对化学、金属学和工程制造有全面的了解。美国参加曼哈顿计划的大科学家非常多，包括劳伦斯、康普顿、费米等诺贝尔奖获得者，但是要用全才的标准来考量，他们都不如奥本海默。在实施曼哈顿计划的过程中，科学家们一致认为奥本海默是一位好导师、好领导，既能把握大局，又了解每一个细节。奥本海默虽然没有得过诺贝尔奖，但是理论水平丝毫不逊色于任何一位诺奖获得者，并且对原子弹的理论贡献超过任何人，这主要体现在他对原子弹临界体积的理论计算上。

虽然实验证实铀原子核在受到一个快速运动的中子撞击后，可以释放出3个快中子，然后形成链式反应，但是因为原子核的直径只有原子直径的万分之一左右，中子撞到原子核的概率，就相当于一个盲人往足球场上随便开一枪，恰巧命中了一个小拇指粗细的标准杆的概率。因此，铀金属需要足够“厚”，一个中子可以穿透很多铀原子，这样它撞上铀原子核的概率就大得多，并让链式反应能够进行。当然，铀金属的厚度和原子弹中铀的质量相关，当质量达到某个临界点，链式反应就会自行进行下去；达不到这个质量，中子撞到原子核的概率就会很小，链式反应进行一会儿就停止了。这个质量在物理学上被称为临界质量。至于这个“临界”是多大，没有人知道，既不能猜测，也无法通过实验来测试，毕竟不能把一堆纯铀堆在一起，看看堆到什么时候会爆炸，因此，唯一的办法就是通过理论计算出来，而奥本海默解决了这个难题。

即使在理论上计算出链式反应能进行下去，也还需要大量的实验去证实，最好的实验办法就是建立一个“可控”的原子反应堆。建造反应堆的任务交给了费米，后来，康普顿也加入了进来。美国当时为了建造一个小型的供实验使用的反应堆（功率只有0.5瓦），仅作为减速剂的纯石墨就用掉了40000块，每块大约有10千克重，即总重量400 吨左右。在费米和康普顿的带领下，科学家、工程师和学生们经过几个月没日没夜的工作，终于在1942年12月2日建成了人类第一个可以工作的核反应堆。

除了理论和实验的问题，制造原子武器还需要大量的高浓缩的铀235（或者钚239）。在天然铀矿中，铀235的浓度极低，无法制造武器，而浓缩铀的任务就交给了劳伦斯，他发明了用回旋加速器实现武器级核材料的铀浓缩方法。但是，制造一个大型回旋加速器需要大量的铜。劳伦斯设计的加速器仅线圈就高达80米，建造这个线圈大约需要一万吨铜。当时美国的铜都用于制造武器了，很难在短期内调配这么多纯铜。战争并没有给美国更多的时间去准备，为了解决这个难题，劳伦斯想出了一个很疯狂的方法，采用比铜导电性能更好的纯银做线圈的导线。劳伦斯将这个疯狂的想法告诉格罗夫斯，格罗夫斯马上安排人从美联储借出了14700吨白银，这占到了美国国库白银储备的1/3。这批白银直到1970年才全部归还国库。

在格罗夫斯和奥本海默的领导下，原子弹的研究工作进展迅速。13万直接参与者在美国、英国和加拿大30个城市同时展开工作，居然在不到4年的时间里，完成了制造原子弹这个几乎不可能完成的任务。

1945年7月16日，代号“三位一体”（Trinity）的世界上第一颗原子弹试爆成功（见图8.3）。虽然爱因斯坦早就预言原子弹将释放出巨大的能量，但是没有人知道它真实的威力如何。在引爆前，科学家们打起赌来，他们猜测这颗原子弹的威力从0（完全失败）到4.5 万吨TNT当量不等。早上5点29 分，一位物理学家引爆了这颗原子弹。刹那间，黎明的天空顿时闪亮无比。根据当时在场的人们的描述，它“比一千个太阳还亮”，这成了日后记述曼哈顿计划传记图书的书名。当时，远在十几千米外的费米博士扬起了一些纸片，根据纸片飞出的距离，最早估算出其爆炸当量在1万吨TNT 以上。很快，更精确的结果出来了，爆炸当量近2万吨TNT。大家都震惊了，奥本海默更是觉得他把魔鬼释放出来了。

▲图8.3 代号“三位一体”的原子弹试爆成功

接下来的故事大家都知道了，美国在日本广岛和长崎投下的两颗原子弹，促成了日本的投降，当然也成了日本永远的痛。

原子能技术在二战后很快被用于和平目的。1951年，美国建立了第一个实验性的核电站。1954年，世界第一个连入电网供电的核电站在苏联诞生。随后，世界各地陆续建立起多个商业运营的核电站。到2016年底，全世界有450个核电站在运营，提供了全球发电量的12%，此外还有60个正在建设中。从1939年人类实现核裂变，到第一个核反应堆开始商业运营，只经过了15年时间。相比之下，人类利用火、畜力以及使用化石燃料的过程，都显得非常漫长。从这一点我们能够看出，人类科技进步的速度在加快。需要指出的是，二战本身也极大地推进了人类使用核能的速度。

核裂变的本质是将大质量数的原子通过裂变损失质量、释放能量。在自然界中，还有另一种核反应通过将多个氢、氦和锂这样小质量数的原子聚合成一个大质量数的原子，更有效地释放能量，被称为核聚变。氢弹就是根据核聚变原理制造的。今天，人类虽然可以实现人造核聚变，却无法控制核聚变的反应，因此核聚变产生的巨大能量无法被利用。但是相比核裂变，核聚变不仅产生的能量更多，原材料成本更低，而且从理论上说没有污染。因此，在过去的半个世纪里，人类一直没有中断可控核聚变的研究，但是离商业化发电依然有很长的距离。

在第二次世界大战中，还诞生了很多影响至今的新发明、新技术，其中影响最深远的有雷达、青霉素、计算机、移动通信和火箭，我们在后面会一一讲到。