花了差不多两个月时间,于上周看完了《The making of the atomic bomb》(中文名叫《原子弹秘史》),这本书是 1988 年美国普利策非虚构类最佳图书奖获奖作品。整本书很长,上百万字,作者在书中全景式展现了人类第一颗原子弹爆炸的完整历史,把原子物理学、核物理发现,犹太人的历史,原子弹的制造,还有科学家的成长历程,融为一体讲述,考证详实,虽然有大量的历史细节,读起来却很过瘾,一点也不枯燥。

整体内容

开始读之前,我以为它讲的只是原子弹具体是怎么造出来的,读了一大半,发现作者并不是按照这种狭窄的思路去写的:实际上,与原子弹制造直接相关的曼哈顿计划,在书中的篇幅不超过三分之一。

作者在全书第一部分主要回顾了二十世纪前半叶人类对原子结构认识的历史,重点讲了卢瑟福的原子电子轨道模型以及用传统物理学无法解释电子绕原子核的辐射问题1,这部分知识其实高中物理已经涉及到了。后来,玻尔为了解释卢瑟福的电子轨道理论,创建了玻尔模型。作者对量子物理的兴起和发展历史也有涉及,例如海森堡的测不准原理以及薛定谔方程。顺便说一句,玻尔提出电子的量子理论的时候,才 28 岁 (玻尔出生于 1885 年),真乃天才,一举奠定了自己作为量子物理开山大师的地位。

第二部分主要讲了中子的发现(由剑桥大学卡文迪许实验室的查德威克证实中子的存在),中子的发现为人类后续进一步研究微观原子结构提供了绝好的工具2,直接为原子核裂变(neuclear fission)现象的发现铺平了道路。原子核裂变的发现,是物理学的大发现,期间充满了曲折。在核裂变被确认之前,主流的物理学家都不相信原子核可以被分成两个质量更小的元素,聪明如费米也没能正确认识核裂变。为什么核裂变发现如此重要?因为质量大的原子核裂变为两个质量较小的原子核过程中,质量减少,根据爱因斯坦质能公式,此过程会释放出大量能量,因此核裂变的发现是原子弹制造的理论基础。

第三部分主要介绍了曼哈顿计划始末,美国的原子弹计划在 1939 即起步,刚开始进展缓慢,美国人并没有对此足够重视,后来在英国人的敦促下,原子弹计划才慢慢进入正轨,获得重视。随着洛斯阿拉莫斯实验室的建立,U235和钚(plutonium)浓缩工厂的建立,原子弹才从科学理论变成现实。另外,爱因斯坦并没有直接参与到原子弹的研制过程中,但是他也起到了作用,因为上书罗斯福总统要求开展美国的原子弹研制计划的信,经过了爱因斯坦的签名,借助了爱因斯坦的巨大声望。

科学团体的作用

科学家是一个群体,所谓 scientific community,看了这本书,发现很多著名的物理学家之间都有师承关系,玻尔曾经在卢瑟福的实验室做过博士后,奥本海默也曾在欧洲留学,师从马克思·波恩,另外,欧洲的科学团体之间交流频繁,这也是欧洲科学发展迅速的一个重要因素。

实验室的环境也非常重要,最明显的例子莫过于卢瑟福领导下的卡文迪许实验室,该实验室先后诞生了 11名诺贝尔奖获得者。玻尔在成名以后,也在丹麦建立了理论物理研究所,吸引了大量仰慕玻尔声望的青年物理学家,组成了量子物理所谓“哥本哈根学派”,其中就包括海森堡,玻尔和海森堡一起建立了矩阵力学。

犹太人的苦难

说起犹太人,人们总会想起银行家,科学家,很多人并不了解犹太民族的苦难历史。犹太人从中世纪开始就受到欧洲各国的迫害,尤其是基督教的迫害,在各个国家颠沛流离。20世纪 30 年代,随着希特勒纳粹德国的兴起,德国犹太裔逐渐被各种迫害,超过 500 万犹太人死于纳粹建立的集中营,大批犹太科学家逃离德国和其他欧洲国家,其中很多人选择了美国,这也是美国在二战后科技迅速崛起的重要原因。

美国原子弹的制造

美国原子弹研制的曼哈顿计划其实早就在 1939 年提上了日程,然而初期进展缓慢,一直到了 1943 年才进入了正轨。

原子弹的制造主要分为两条线索,一方面是由奥本海默3领导,在洛斯阿拉莫斯这个荒凉的地方,建立了实验室,主要用于解决原子弹研制过程中的种种理论难题(例如炸药如何放置,使得炸药能够产生球形冲击波,挤压钚核心)。

在这中间,作者着重介绍了内爆型原子弹的研制,不了解原子弹的人可能以为原子弹只有一种类型,其实并不是。科学家发现两种元素可以裂变,一种是 U235,另外一种是钚,U235 裂变比较简单,采用 枪式结构(也称为 “gun-type”),也就是把两块低于临界质量的高纯度 U235 利用炸药高速射在一起,使两块铀的质量超过临界质量,产生核爆;另外一种使用 plutonium 的原子弹,不能采用枪式结构,这会导致原子弹提前爆炸,达不到预想的效果,当时发现这个问题的时候,奥本海默非常痛苦绝望,甚至想辞去洛斯阿拉莫斯的职务。所幸当时的美国人才济济,Neddermeyer 提出内爆式(implosion)设计,也就是从外部引爆多个炸药,产生球形冲击波,挤压钚核心,使其达到临界质量,从而引爆原子弹4

顺便说一下,数学家冯诺伊曼为内爆型设计中炸药的流体动力学计算提供了帮助,哈佛大学的 George Kistiakowsky领导了炸药方案(也就是 implosion lens)的设计。为了原子弹的设计,科学家夜以继日工作,每周工作六天时间,周末只休息一天,周六晚上通常会举行聚会,是难得的放松的时间。

闲话不提,原子弹研制的另外一方面,则是核原料的提纯,由于自然界中 U235 含量只有 0.7%,而原子弹爆炸需要高纯度浓缩铀,当时的提纯方案有多种,electromagneticgaseous diffusion 以及 thermal diffusion。为了防止某一个方案的失败,三个方案同时进行研发,在华盛顿的 Hanford 以及田纳西州的 oak ridge 建立了提纯工厂。原子弹的研制,得益于美国强大的工业实力和国家资本,为了原子弹制造成功,可谓是不惜血本,例如,洛伦兹的回旋加速器用到的磁场,需要使用大量白银线圈,最后从美国财政部借了大约 14000 吨白银来制造线圈。整个曼哈顿项目的耗资在 20 亿美元以上,相当于今天的二百多亿美元,项目的参与人数上万人。

关于曼哈顿计划,有一部美剧 《曼哈顿》可以一看,个人认为很精彩。

原子弹爆炸

看过《太平洋战争》这部电视剧的人,应该对日本死不投降,奋战到底的民族气质有了解。在太平洋战争后期,不同于之前的自杀式袭击,日本的策略就是保存性命,尽可能多伤亡盟军。特别是在硫磺岛(Iwo Jima)战役中,美军伤亡两万多人,日军死亡 17000 多人,仅有 200 多人允许自己被俘虏,这是太平洋战争中唯一一场美军伤亡大于日本的战役。巨大的伤亡,让美国人认识到了日本的顽固与进攻日本本土可能存在的巨大代价,军方经过估算,认为进攻日本本土可能造成美军一百万左右的伤亡,这对于美国人来说是不可接受的代价。因此军方倾向于投放原子弹,彻底摧毁日本人的抵抗斗志,迅速结束战斗。

使用枪式设计的原子弹由于比较瘦长,被称为小男孩 (Little boy),使用内爆式设计的原子弹外形比较胖,被称为胖子 (Fat man),也有人戏称这正好对应美国总统杜鲁门和英国首相丘吉尔的身材。

由于小男孩 (Little boy) 原子弹制造相对简单,美国人选择先爆炸小男孩,值得说明,原子弹并不是从美国本土出发的,因为那时候美国的轰炸机并不能飞行那么远的距离,原子弹先被运送到太平洋的马里亚纳 (Mariana island)群岛的 Tinian 岛,在那里组装完成,再使用 B-29 轰炸机携带,投放到广岛市。胖子 (Fat man) 在几天之后,组装准备就绪,本来预定的目标是日本的小仓 (Kokura),由于爆炸当天小仓的天气状况不好,才选择在备用爆炸地点长崎丢下胖子。

原子弹的投放,给广岛和长崎带来了毁灭性打击,整个城市几乎被摧毁,上万平民在原子弹带来的瞬时高温或者冲击波作用下瞬间死亡,很多靠近原子弹爆心的人直接被烧成了焦炭,爆炸还带来了大火,将城市的大量木制建筑烧毁,许多平民死于大火之中,许多幸存者将当时的场景描述为人间末日、地狱。由于军国主义,无辜平民成了灾难的对象,不能不说是一种悲哀,可是这些人真的是完全无辜吗,也很难说,不投放原子弹,美日双方如果继续战争,不知道又要死伤多少生命。作者在最后花了大量篇幅引用原子弹爆炸幸存者的回忆,也正是为了说明战争的残酷,热爱和平,因为在战争中,受伤最多的还是普通民众。


  1. 绕原子核转动的电子,按照宏观的运动学,将会以电磁波形式释放能量,那么电子运动轨道势必越来越小,最后坍塌到原子核,但是实际上电子绕核运动很稳定。 ↩︎

  2. 由于中子不带电荷,不受原子核内的质子排斥,所以很容易用来轰击原子核,研究原子核的性质。 ↩︎

  3. 对奥本海默生平感兴趣的,可以看《奥本海默传》. ↩︎

  4. 可以参考回形针做的 这期视频 帮助理解原子弹原理。 ↩︎