动员起来的物理学

动员起来的物理学

在讲述关于核能和核武器复杂计划的科学方面进一步的情况之前，我应综述一下有关的行政史的大概。我已经提及了物理学家们早期进行的，主要是关于他们自己的活动。那些发起者几乎都是欧洲人。这是很值得注意的事。美国政府支持的规模很小。1940年2月才批准给哥伦比亚大学6,000美元；从1940年11月到1941年11月的12个月中，4万美元算是其中较大的补助费了。

战争初期，美国政府和一些最有影响的美国物理学家都忙于雷达和其它最为急切的计划去了。那时他们对原子能释放的实际可能性持怀疑态度，而把当时的需要放在最重要的地位。在一个危急的时刻，核能和核爆炸看来太遥远和太没有把握，从而不能保证为之集中人员和资源。另一方面，在英国，科学机构一直在推动着核子方面的努力，甚至在这场战争最关键的时刻也是如此。这给不断与英国相应的负责人有所接触的许多美国科学界的负责人以深刻印象。

美国政府的正式参于是在1940年至1941年。在此前，大量的委员会或被委任、或被改组或者解散。但是到了1940年6月，颇有点影响的国防研究委员会（NDRC）建立起来了。它是由麻省理工学院的电气工程教授和发明家范纳伐·布什（Vannevar Bush）牵的头。总统给了国防研究委员会极大的权力，其中包括在铀问题上的权限。J.B.科南特（J.B.Conant），有机化学家和哈佛大学校长，在核事务上代表布什，美国科学院作出了确认核能的重要性和可能性的评论。

到了1941年的年底，发生了一次深刻的心理学上的变化。在史密斯的报告中这样写道：“可能维格纳、齐拉特和费米都不是象1940年他们所认为的那样完全确信原子弹是可能的，但是，许多其他的人们都已熟悉了这个概念及其可能的后果了。显然，英国和德国，这两个战争的敌对国家都考虑过这值得从事的工作……”。总之，已下决心要竭尽全力去干。统制委员会经过精简和改组，仍在布什和科南特的全部权力之下。另一些成员是前标准局的L.布里格斯（L.Briggs）；H.A.康普顿；尤里；劳伦斯和标准石油开发公司的E.V.墨菲里（E.V.Murphree）。

罗斯福总统定期得到这一计划的进展和前景的报告。1942年军队分配到一个采办和工程阶段的现役任务。为了完成这个任务，1942年9月建立了曼哈顿特区。主管陆军事务的陆军部长L.R.格罗夫斯（L.R.Groves）将军成了这个计划的负责人。格罗夫斯将军是位职业军官，以建造华盛顿五角大楼而著名。他是一个聪明、正直和无畏的人，也是一位有才干的行政官员。将军发觉自己处于一个同过去完全不一样的环境之中。但是，他以良好的判断力迅速把握住了那些事实和那里的人们（图10.6）。

要对复杂的核能事业给出一个粗浅的概念是困难的。有必要创造一整套全新的，与以前的产业规模从未遇到过的一些问题有关的工艺。这项工作，在哥伦比亚、芝加哥和伯克利大学的实验室着手进行。后来建立了一些专门的介于研究和生产之间的中等规模实验室。这些实验室分布在伊利诺斯州的阿贡；田纳西州的橡树岭；华盛顿州的里奇兰以及其它一些地方。随着工作的进展，把开发和运转委托给了较多的工业公司，大多数情况是在非盈利性的合同下进行的。这组计划要求相距很远的实验室和工厂之间很好的协作，竭尽全力来对付全新的技术。保密这方面也有着它的要求，必须尽可能加以保密；但是这又会给正常的运转带来额外的困难。

在和平情况下，所有的这些工作将需要好几年的时间才能完成，但是在战争要求的紧急需要之下，却跨越了一般的传统步骤。例如，这时，传统的一些试验性工厂（pilot plants）常常被省略了。从裂变的发现到第一座关键性的反应堆的建立花了四年时间，反应堆于1942年12月2日在芝加哥大学的斯塔格运动场动工；同样，从钚的发现到第一颗原子弹的制成用了四个年头。各个实验室有了明确的任务，一俟目标达到，实验室就解散，人员重新分配新的任务。

作为一个整体，这个计划是完成得相当出色的。我将在后面探讨其中的几个原因，并对它的成功谈谈我个人的看法。而且，从财政角度来看，所花的经费也是相当节制的：以整数表示约为1940年币值的30亿美元。

现在，让我们再回到这个计划的各种技术性问题上来，并谈谈一些科学方面负责人的事。

费米主要负责生产钚所需要的链式反应的工作。问题是要去调集足够的天然铀和合适的中子减速剂以获得一种自持反应，或者被称之为临界装置。这种临界装置应是一个过量的中子源，在U238中被吸收时，将首先形成U239，尔后通过了衰变形成Np239和Pu239。这后一种同位素具有一个2万4千年的半衰期，并能够从铀中经化学法分离出来，它是一种核炸药。选用来作为反应堆的物质是普通的铀和作为中子减速剂的石墨。要用这些物质来达到链式反应是困难的，但是，科学家想要避开任何的同位素分离或者浓缩，这在当时还存在着无法解决的技术难题。主要问题是尽量减少中子的寄生吸收、几何漏失等等的损耗。尤其是，铀及石墨的最大纯度是必不可少的。在这种场合下，也证明了费米不仅是一位大科学家，而且也是一位优秀的工程师。就中子而论，费米就象他的庄稼人的祖辈务农那样勤劳地研究并卓有成效。在罗马获得的关于慢中子的专门知识这时就很有用处了，考虑到可以通过裂变材料产生中子，对在意大利所做的这方面的理论研究作了扩充和修改，从而构成了建造第一座反应堆的理论基础。当然，这项工作并不是由费米一个人来做的，他的许多学生和年轻的同事们勇敢地协助了他，其中有H.L.安德森（H.L.Anderson）；W.津恩（W.Zinn）；L.马歇尔（L.Marshall）；A.沃顿堡（A.Wattenberg）；B.T.费尔特（B.T.Feld）以及其他一些重要人物。E.维格纳，A.温伯格（A.Weinberg）和另一些人则主要负责与工业界进行联系。

在我们发现Pu239之后，重要的是需要从原先的几微克量到原子弹需用的几公斤纯金属的化学开发问题。在放射性铀中提取钚的首批研究中，芝加哥大学的冶金实验室（代号名）处于领先地位；工业上，通过杜邦公司管理田纳西州的橡树岭试验工厂，以及后来在华盛顿州的生产工厂。冶金方面的事由洛斯阿拉莫斯实验室完成。G.T.西博格，J.W.肯尼迪和C.S.史密斯是科学方面的负责人。杜邦公司、联合碳化物公司和另一些公司的许多工程师们是取得成功的基本力量。

用质谱仪进行铀同位素的分离，开始是在伯克利的劳伦斯领导下进行的，助手是R.L.桑顿（R.L.Thornton）；W.布罗贝克（W.Brobeck）和其他一些人。成品送至橡树岭的伊斯特曼公司。

用气体扩散的同位素分离由J.R.杜宁、H.尤里和其他人领导。在橡树岭的那些工厂有克勒克斯（Kellex）公司和碳化物与碳化学公司负责管理。(https://www.daowen.com)

一旦核炸药实用化，还必须把它们制造和装配成原子弹。这个原子弹的设计和制造是一个新的远非简单的工程计划。而且对原子弹方面的研究又不能等到有了材料再进行。装配方法必须在这种材料可供使用的同时准备好。预先小规模的理论研究，是在J.罗伯特·奥本海默（1904～1967）的领导下在伯克利进行的。几个月之后，需要有一个专门从事制造原子弹的实验室这件事变得很明显了，负责曼哈顿计划的格罗夫斯选择了奥本海默作为主任。

奥本海默是最受人议论和引起争论的原子时代的人物之一。他出生于纽约的一个富有的犹太人家庭，祖籍德国。从幼年起他就进了最好的学校，有最好的教师，得到了最好的教育机会。奥本海默是个早慧的人。家庭觉得他天资聪颖，给了他极大的鼓励。他有着相当折衷的脾性；他不仅研究自然科学，而且也用一种老练的，可能稍为肤浅的方法研究过其它学科，诸如哲学、语言学和艺术。他的头脑异常灵活，记忆力非凡。他对自己的能力很为了解，易于骄傲，这一缺点使他招来许多对头。

他是在哈佛大学学物理的，是美国首批掌握量子力学的人物之一。在他获得了哈佛大学的博士学位之后，奥本海默作为“博士后”研究人员[2]曾在哥廷根的玻恩手下，和在哥本哈根的玻尔手下工作过。在返回美国之后，他在伯克利和帕萨迪纳的加利福尼亚理工学院建立了一些很有生气的理论物理方面的学派，他自己分头到这两处工作。在年轻时代，奥本海默政治上是很单纯的，有着强烈的，在我看来显得浪漫和全然不加鉴别的左的倾向。

格罗夫斯选择奥本海默很可能显得有点出人意料。但是，他是一个非常恰当的人选。当时，奥本海默已是一个相当心不在焉、超凡的理论物理学家，对此局面应付裕如，从技术和管理两方面来看，充分证明了他确实是一个高超的实验室主任。他也深知如何去与各种各样的人，如玻尔或格罗夫斯将军相处。

新实验室的地址需要一个与外界隔绝，特定的地理位置。奥本海默从少年时代就知道了新墨西哥州的高原，并在一个壮观的地方为实验室选了点。那里有一所私立男子学校，洛斯阿拉莫斯小学。在这个点上很快就上马搞了起来。并配备了一批难得的科学天才（图10.7）。首批的三个原子弹就是在这里制造出来的。

战后，由于种种原因，奥本海默成了政治界和科学界十分重要的人物。在一些人对他极其钦佩与忠诚的同时，也引起了另一些人对他根深蒂固和难以改变的憎恨。他也觉得在政治事务上自己处于争论中心。他的敌人决定：为了挽救整个国家需要用他的毁灭来作为代价。在对他的忠诚问题上的审讯，始于艾森豪威尔政府，结果对奥本海默很不利。他被宣布为危及国家安全的“危险人物”，并被排除在政府机关之外。这一行动，在科学界中引起了人们的强烈反感。最终意见分成了两派。几年以后，在肯尼迪和约翰逊当总统时，美国政府因为他在核子工作上的成绩而授予他费米奖，由此纠正了对一个服务于政府的雇员所定下的不公正罪名。然而，那时奥本海默已退出了政治活动舞台而回到了物理学上，当上了普林斯顿高级研究所所长。他于1967年在那里逝世。关于奥本海默的案件，出版过多种戏剧、自传和大量的文学作品。我已在本书末的参考书目（略）中列出了某些在我看来是真实而不完全是虚构的作品。

在一些新技术的创建过程中，往往出现一些偶然的危机，可能会临时打乱原来的计划，甚至会使人对结果产生怀疑。我个人就卷入过一次这类的危机中。那时，我的小组，包括O.张伯伦（O.Chamberlain）和C.维根特（当时他们还是学生）在研究Pu239的自发裂变。我们发现了Pu240同位素。这种东西是在反应堆里形成的，随Pu239一道以如此高的速度自发裂变，以致于应排除用当时所考虑的方法对原子弹进行装配：要不然原子弹就会预爆而导致失败。这的确是一个严重的问题，找不到一种有效办法的话，则要想用于战争，一半计划就会落空。后来，办法终于有了，但其需要真正的新发明。其中C.D.安德森过去的学生尼德迈耶完成了核心工作。

另一个危机发生在第一个反应堆的启动上。一些裂变的产物以一个完全未预料的高速度吸收着中子，致使链式反应很快就停止下来。这些裂变产物使这个反应堆“中毒”了。在这种情况下，只能让这些生成物自发衰变完之后再恢复正常运行，在裂变物再次形成时反应又重新停止。这个困难后来也被克服了，因为工程师们早就稳妥地作好扩大这个反应堆能力的准备，可以在发生未预料的情况下增加它的反应率。物理学家们并不赞赏工程师们的这个保守态度，认为他们“不必要地”增加了代价、浪费了材料。但是那些工程师们为此作了充分的辩白。上述危机仅仅是许多例子中的两个。

随着1945年7月16日黎明时分第一个原子弹爆炸成功，洛斯阿拉莫斯的原定目标已经达到（图10.8）。按照美国宪法，作为武装力量总司令的总统才能发布最终使用原子弹的命令。杜鲁门总统与几个顾问小组，包括一个科学家小组进行磋商，在充分了解了可供选择的各种方案以及产生的后果之后，得出了他的结论。他的决定的明智性从那时起就一直有所争议。然而，很难想象当时他会选择另一种行动步骤。

这里不是讨论随后发生的军事和政治事件的场合。战后，洛斯阿拉莫斯仍是作为美国主要的国家实验室之一，服务于战争及和平目的。但是，如战争期间那样的实验室及洛斯阿拉莫斯城已不复存在了（图10.9）。它们或多或少地被普通城市所替代；城市中的政府建筑师和设计师们已经无情地破坏了这里独特的自然美景。这点在许多其它城市的建设过程中是共同存在的问题。洛斯阿拉莫斯，在许多早年参加者的记忆中已成了一种对他们一生中独特的年轻和浪漫蒂克时期的回忆了。