諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主肖克萊與核物理
——紀(jì)念肖克萊誕辰100周年＊

王曉義 白 欣

①碩士研究生,②副教授,首都師范大學(xué)物理系,北京100048

＊北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助計(jì)劃(BCD EG類,No.PYZZ090414001050)資助

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主肖克萊與核物理
——紀(jì)念肖克萊誕辰100周年＊

王曉義①白 欣②

①碩士研究生,②副教授,首都師范大學(xué)物理系,北京100048

＊北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助計(jì)劃(BCD EG類,No.PYZZ090414001050)資助

肖克萊 核裂變 菲斯克-肖克萊反應(yīng)堆 原子彈

作為一個(gè)固體物理學(xué)家,結(jié)型晶體管的發(fā)明人,1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的肖克萊,還曾與菲斯克一起在核物理的前沿做出過(guò)重大貢獻(xiàn)——發(fā)現(xiàn)了可控鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)的機(jī)理,并設(shè)計(jì)出了“菲斯克-肖克萊反應(yīng)堆”。在肖克萊誕辰100周年之際,特撰文紀(jì)念他對(duì)核物理的鮮為人知的貢獻(xiàn),同時(shí)也澄清“肖克萊關(guān)于戰(zhàn)爭(zhēng)成本的研究直接影響了美國(guó)對(duì)日本投擲原子彈的決策”的一些傳說(shuō),還歷史以本來(lái)面目。

威廉·肖克萊(1910—1989)

1910年 2月,肖克萊(William B.Shockley)生于英國(guó)倫敦。三歲時(shí),他隨父母回到美國(guó)。肖克萊是美國(guó)著名的固體物理學(xué)家,由于發(fā)明結(jié)型晶體管而被授予1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)①。1948年結(jié)型晶體管發(fā)明時(shí),肖克萊時(shí)任美國(guó)著名的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室——貝爾實(shí)驗(yàn)室固體物理組組長(zhǎng)兼半導(dǎo)體小組的組長(zhǎng)。

由于核裂變激動(dòng)人心的前景,使核物理的研究在二戰(zhàn)初期成了從科學(xué)家到政治家都關(guān)注的熱點(diǎn)。鮮為人知的是作為固體物理學(xué)家的肖克萊也曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)核裂變進(jìn)行了相關(guān)研究,并取得了一些前沿性的成果。更令人著迷的是,傳說(shuō)這些研究與原子彈都有著直接或間接的聯(lián)系。

肖克萊的天才還表現(xiàn)在他對(duì)二戰(zhàn)的貢獻(xiàn)。二戰(zhàn)爆發(fā)后,已經(jīng)30歲的他毅然于1942年5月自愿加入了軍事研究的隊(duì)伍。僅用幾天時(shí)間,他就指出了美國(guó)海軍反潛飛機(jī)低效問(wèn)題的關(guān)鍵所在。之后不久,在綜合多方面信息的基礎(chǔ)上,他指出德軍飛機(jī)沒(méi)有雷達(dá)裝置的關(guān)鍵性信息。1944年,肖克萊制定了一套高效訓(xùn)練B-29轟炸機(jī)飛行員使用新型雷達(dá)視鏡的科目,并花費(fèi)3個(gè)月的時(shí)間穿梭于盟軍各個(gè)軍事基地指導(dǎo)實(shí)施。也正是這項(xiàng)工作,他被授予了平民最高獎(jiǎng)——美國(guó)國(guó)家功勛獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

肖克萊一生對(duì)科學(xué)追求不輟。他的科學(xué)研究領(lǐng)域主要是對(duì)固體能帶、鐵磁疇、金屬的塑性、晶粒邊界理論、有序-無(wú)序合金、半導(dǎo)體理論的應(yīng)用以及電磁理論等,發(fā)表論文約100篇。1950年出版的《半導(dǎo)體中的電子與空穴》和1952年的《幾乎完全晶體的不完整性》都是有名的專著。他還取得了90多項(xiàng)美國(guó)專利。

由于卓越的學(xué)術(shù)成就,肖克萊獲得了諸多的榮譽(yù)和獎(jiǎng)勵(lì)：美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、美國(guó)物理學(xué)研究所研究員,以及諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、約翰·斯科特獎(jiǎng)?wù)?、莫里斯·利布曼紀(jì)念獎(jiǎng)金、奧利弗·E

·伯克利固體物理學(xué)獎(jiǎng)、科姆斯托克獎(jiǎng)金、霍利獎(jiǎng)?wù)?。此?肖克萊還被美國(guó)《時(shí)代》雜志評(píng)選為“20世紀(jì)最具影響力的百名人物”之一[1]。

除此之外,肖克萊也因其固體物理學(xué)以外的研究而非議不斷。首先,盛傳他對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的相關(guān)研究促使美國(guó)制定并實(shí)施了對(duì)日投擲原子彈計(jì)劃。其次,他對(duì)優(yōu)生學(xué)的研究和鼓吹使他被誣為“納粹主義者”、“白人優(yōu)越論者”和“科學(xué)種族主義者”[2]。

其實(shí),時(shí)任美國(guó)五角大樓軍事顧問(wèn)和美國(guó)空軍顧問(wèn)的肖克萊也的確進(jìn)行了戰(zhàn)爭(zhēng)成本的研究和B-29戰(zhàn)略轟炸機(jī)低效的研究。而且,肖克萊也進(jìn)行了原子核裂變研究,盡管發(fā)生在“曼哈頓工程”之外。因?yàn)樾た巳R和菲斯克都不是核物理學(xué)家,也沒(méi)有進(jìn)入“曼哈頓工程”的研究隊(duì)伍。

自1896年貝克勒爾(Henri Becquerel)發(fā)現(xiàn)鈾鹽的天然放射性到1932年中子、正電子和氘的發(fā)現(xiàn),才真正開(kāi)啟了核物理的大門[3]。其間,盧瑟福(Ernest Rutherford)于1919年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次的人工核反應(yīng)——氮原子受α粒子轟擊嬗變?yōu)檠?7并放出一個(gè)質(zhì)子。但直到中子被用作“炮彈”后,原子核的大門才被打開(kāi)了!

核裂變

在錯(cuò)過(guò)了已在眼前的中子①約里奧-居里夫婦于1932年1月實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈹輻射是穿透能力極強(qiáng)的中性射線,能夠把質(zhì)子從石蠟中打出,誤以為是γ射線。2月17日查德威克受他們實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)認(rèn)為中性輻射是中子,并給予實(shí)驗(yàn)證實(shí)。和正電子②1932年8月2日,安德森(C.D.Anderson)通過(guò)云室觀測(cè)宇宙射線時(shí)發(fā)現(xiàn)正電子。之前,約里奧-居里夫婦曾在實(shí)驗(yàn)室中觀察到正電子射出的特別現(xiàn)象,卻未能夠正確認(rèn)識(shí)到。發(fā)現(xiàn)的遺憾之后,約里奧·居里夫婦(F.J oliot,I.Curie)堅(jiān)持研究,最終于1934年1月19日在《自然》雜志上通報(bào)了“人工放射性”的發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)直接的結(jié)果是重核裂變的發(fā)現(xiàn)[3]。就在這一月,費(fèi)米(Enrico Fermi)收到了約里奧·居里夫婦的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,很快設(shè)計(jì)了用中子代替α粒子轟擊原子核的實(shí)驗(yàn),并先后輻照了68種元素,其中有47種產(chǎn)生了新的放射性產(chǎn)物。當(dāng)輻照到92號(hào)元素時(shí),他們誤以為產(chǎn)生了93號(hào)元素即所謂的“超鈾元素”。這個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)使得核裂變的發(fā)現(xiàn)被推遲了,盡管1934年10月,費(fèi)米小組發(fā)現(xiàn)了慢中子效應(yīng)而更接近重核裂變的發(fā)現(xiàn)。

在1937年,伊倫·居里(I.Curie)和沙維奇(P.Savitch)用中子轟擊鈾鹽發(fā)現(xiàn)了新的放射性產(chǎn)物,性質(zhì)接近于鑭。1938年,德國(guó)化學(xué)家哈恩(Otto Hahn)和助手斯特拉斯曼(F.Strassmann)得知這一實(shí)驗(yàn)后立即重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)確實(shí)有鋇和鑭產(chǎn)生。而后,哈恩寫信告訴了他的“老搭檔”、奧地利物理學(xué)家邁特納(Lise Meitner)關(guān)于這一實(shí)驗(yàn)及他本人對(duì)鋇和鑭產(chǎn)生的疑問(wèn)。

1938年的圣誕節(jié)前后,邁特納和她的外甥——物理學(xué)家?jiàn)W托·弗里施(Otto Frish)根據(jù)玻爾液滴模型正確解決了哈恩實(shí)驗(yàn)存在的疑問(wèn),并認(rèn)為：用中子轟擊鈾原子核可能使鈾原子核分裂成兩半。他們還給予了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。弗里施把這個(gè)過(guò)程稱為“裂變”。邁特納把這個(gè)發(fā)現(xiàn)寫信告訴了《自然》雜志。同時(shí),弗里施把信件草稿帶給了在哥本哈根的玻爾(Niels Bohr)。玻爾即刻認(rèn)識(shí)到這一發(fā)現(xiàn)的重要性并迅速給予實(shí)驗(yàn)證實(shí)。他決定在邁特納的發(fā)現(xiàn)發(fā)表之前告訴美國(guó)的科學(xué)家,于是把信件夾在包裹里寄到了紐約[1]。1939年1月6日,哈恩宣布了他們發(fā)現(xiàn)鈾裂變的結(jié)果[4]。

同年1月26日,在華盛頓第五屆理論物理會(huì)議上,費(fèi)米提出了自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基本理論和假說(shuō)[4]。1939年3月間,約里奧所在的巴黎核化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,費(fèi)米所在的哥倫比亞大學(xué)和西拉德(L.Szilard)所在的紐約大學(xué)同時(shí)對(duì)自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的研究做出了貢獻(xiàn)。約里奧小組最先提出了“中子過(guò)剩”問(wèn)題。費(fèi)米小組證明鈾核每次裂變產(chǎn)生中子數(shù)可能是2。

1942年8月13日,在美國(guó)軍方的支持下,“曼哈頓工程”開(kāi)始了。同年12月2日,費(fèi)米研究組率先在芝加哥大學(xué)制造成功了功率為0.5瓦的自持鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)堆,實(shí)現(xiàn)了人類第一次可控制地釋放核能[3]。

菲斯克-肖克萊反應(yīng)堆

肖克萊、布拉頓和菲斯克有幸在哥倫比亞大學(xué)玻爾的研討班上獲知了核裂變的消息并把它帶回了貝爾實(shí)驗(yàn)室。

1940年5月,在時(shí)任貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁兼美國(guó)國(guó)家科學(xué)院主席的朱厄特(Frank Jewett)的首肯下,貝爾實(shí)驗(yàn)室研究部主任凱利(Mervin J oe Kelly)要求肖克萊和菲斯科解決“核能能否從核分裂中可靠地獲得”的問(wèn)題[1]。

貝爾實(shí)驗(yàn)室為他們準(zhǔn)備了房間和所需的設(shè)備。他們的任務(wù)是找到一種產(chǎn)生核能的方法,而不是去制造一個(gè)核反應(yīng)堆或者一枚炸彈。幾天以后,肖克萊就發(fā)現(xiàn)了“減慢快中子的倍增速度就可以既使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度被控制,同時(shí)也能使核裂變反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行”的獲得核能的方法[1]。

又花了兩個(gè)月時(shí)間,肖克萊和菲斯克初步解決了凱利提出的問(wèn)題。他們?cè)趫?bào)告中建議：“用含氫原子的石蠟給鈾塊分層或者使用石墨來(lái)減慢中子。一層是稀有的鈾(U235),下一層是它的極常見(jiàn)的同位素鈾(U238),這樣交替疊放來(lái)設(shè)計(jì)反應(yīng)堆?！辈⑶宜麄冎赋?除了用做電源之外,這樣的反應(yīng)堆還可有以下的用途：①作為爆炸物;②作為一個(gè)人工放射源,他們認(rèn)為,如果鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能被激發(fā)和運(yùn)行,大量的放射性物質(zhì)將會(huì)按可控制的比例產(chǎn)生;③作為中子源[1]。

在他們的報(bào)告中,他們提出“鈾層在幾百萬(wàn)度的高溫下包含的能量會(huì)顯示出極高的爆炸特性”。肖克萊和菲斯克最重要的發(fā)現(xiàn)是：幾噸的鈾在最初的投入中是不必要的,幾百磅的鈾就足夠了[1]。

他們的報(bào)告交給凱利和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局主任兼鈾顧問(wèn)委員會(huì)主任的萊曼·布里格斯(Lyman Briggs)后,貝爾實(shí)驗(yàn)室就停止了他們的這一研究。他們最先提出的“菲斯克-肖克萊反應(yīng)堆”專利申請(qǐng)也因涉密而未獲批準(zhǔn)。

這一貢獻(xiàn)并未被忘記,6年后,時(shí)任貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁的巴克萊(Oliver Buckley)收到了時(shí)任鈾貿(mào)易委員會(huì)主席的布里格斯的感謝信“：我現(xiàn)在記錄了對(duì)菲斯克和肖克萊所做貢獻(xiàn)的極大的贊賞!”[1]另外,曾參加“曼哈頓工程”的尤金·魏格納(Eugene Wigner,時(shí)任原子能委員會(huì)的負(fù)責(zé)人)寫信給菲斯克,對(duì)他和肖克萊送給他們的報(bào)告表示祝賀![1]

雖然肖克萊的洞見(jiàn)不是獨(dú)一無(wú)二的,但當(dāng)時(shí)在美國(guó)也僅有幾個(gè)科學(xué)家(包括費(fèi)米在內(nèi))指出減慢快中子可以實(shí)現(xiàn)可控核裂變反應(yīng)的方法(由于當(dāng)時(shí)的保密要求和自愿保密,肖克萊和菲斯克無(wú)法知道其他科學(xué)家的研究結(jié)果)。肖克萊和菲斯克還設(shè)計(jì)出了可控鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)堆,使核能的可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)時(shí)這是獨(dú)立的發(fā)現(xiàn),盡管沒(méi)有對(duì)“曼哈頓工程”產(chǎn)生影響。費(fèi)米和塞繆爾·阿森(Samuel Arthen)是在1942年春才分別獨(dú)立建造了冪級(jí)的核反應(yīng)堆。肖克萊以核物理學(xué)家之外的身份,在如此短的時(shí)間內(nèi)研究了核物理的部分難題,不能不說(shuō)他是個(gè)科學(xué)天才!

原子彈

1939年10月由薩克斯(Alexander Sachs)起草,愛(ài)因斯坦(Albert Einstein)等簽名的關(guān)于啟動(dòng)“原子彈計(jì)劃”以應(yīng)對(duì)納粹德國(guó)可能同樣的研究的報(bào)告遞交給羅斯福(Franklin D.Roosevelt)總統(tǒng)。這導(dǎo)致了美國(guó)鈾顧問(wèn)委員會(huì)的建立,開(kāi)始了保密的原子彈研究工作[4]。到1942年8月13日,軍方介入并給予該研究計(jì)劃一個(gè)新名稱“曼哈頓工程”。

美國(guó)的“曼哈頓工程”最終于1945年7月16日成功爆炸了第一顆內(nèi)爆式原子彈。后來(lái),美國(guó)于1945年8月6日和9日把兩顆原子彈分別投向了日本的廣島和長(zhǎng)崎。原子彈的巨大威力雖然加速了日本軍國(guó)主義投降的步伐,但也帶來(lái)了20多萬(wàn)日本平民傷亡的悲劇。

曾經(jīng)廣為流傳的說(shuō)法是：二戰(zhàn)期間,肖克萊關(guān)于戰(zhàn)爭(zhēng)成本的研究成果直接影響了美國(guó)對(duì)日的原子彈轟炸。

肖克萊是于1945年7月21日向鮑爾斯(Bowles,時(shí)任美國(guó)國(guó)防部高層顧問(wèn)組負(fù)責(zé)人)提交了一個(gè)報(bào)告,他估計(jì)了盟軍入侵日本列島所造成的傷亡與日軍可能的傷亡。肖克萊于報(bào)告結(jié)尾總結(jié)道：“我們也許不得不殺死五百萬(wàn)到一千萬(wàn)的日本人。我們的代價(jià)可能是一百七十萬(wàn)到四百萬(wàn)的人員傷亡,其中包括四十萬(wàn)到八十萬(wàn)人的死亡?！盵1]

如果肖克萊的7月備忘錄在五角大樓被傳閱,除了鮑爾斯的檔案之外,歷史學(xué)家們并未找到任何別的副本。這只能說(shuō)明向日本投放原子彈的決定已經(jīng)做出了,肖克萊的備忘錄可能并未產(chǎn)生作用。同年2月,肖克萊關(guān)于B-29轟炸機(jī)轟炸效果低下的研究是另外一回事[1]。

這時(shí),肖克萊對(duì)“曼哈頓工程”的了解,僅通過(guò)排除和推理就能知道的：大約從1942年起,美國(guó)所有的核物理學(xué)家都神秘的消失,去從事一項(xiàng)秘密的工程而工作于遙遠(yuǎn)的新墨西哥州的分部或者是在芝加哥大學(xué)的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。由于“曼哈頓工程”是保密的,雖然肖克萊認(rèn)識(shí)參與工程的塞茨(Frederick Seitz),但是由于保密要求和自愿保密,他們也都極力避免談?wù)摴ぷ鳌＿@樣,肖克萊就更沒(méi)有理由知道原子彈的研制進(jìn)程和使用原子彈轟炸日本的決定。

就在肖克萊的備忘錄發(fā)出的兩周后,第一顆原子彈落在了廣島,三天后另一顆落在了長(zhǎng)崎。時(shí)間的巧合也許是誤會(huì)發(fā)生的原因。

結(jié) 語(yǔ)

首先,肖克萊以固體物理學(xué)家的身份能在如此短的時(shí)間內(nèi)和菲斯克在核物理研究中作出如此重要的發(fā)現(xiàn)是很難得的,盡管他們發(fā)現(xiàn)的僅僅是實(shí)現(xiàn)可控制鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)的原理和獲得核能的核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)方法。

其次,肖克萊的研究也告訴我們科學(xué)的各門學(xué)科是相通的,并沒(méi)有不可逾越的鴻溝。比如,他以理論物理學(xué)家的身份進(jìn)行軍事技術(shù)研究,以物理學(xué)家的身份進(jìn)行“優(yōu)生學(xué)的研究”等等都取得相當(dāng)?shù)某删汀１M管我們現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入大科學(xué)時(shí)代,學(xué)科細(xì)化成了時(shí)代的主流,跨越學(xué)科領(lǐng)域的研究也并非是無(wú)能為力。

再次,戰(zhàn)爭(zhēng)的需要和任務(wù)的需要很多時(shí)候也會(huì)給科學(xué)家們帶來(lái)前所未有的研究動(dòng)力和機(jī)會(huì)。如果沒(méi)有二戰(zhàn)的軍事需要,肖克萊也就不會(huì)關(guān)心智能炮彈、雷達(dá)視鏡、轟炸機(jī)效率等軍事技術(shù)問(wèn)題。如果沒(méi)有貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究指令,肖克萊也許終生也不會(huì)關(guān)心核物理的研究課題。假如沒(méi)有納粹德國(guó)的核計(jì)劃的威脅,美國(guó)的科學(xué)家們也不會(huì)集中精力在短暫的時(shí)間里研制成功“原子彈”。如果沒(méi)有美蘇的爭(zhēng)霸,人類走向太空的腳步也許會(huì)慢得多。

最后,從肖克萊的研究中我們?cè)僖淮慰吹娇茖W(xué)的方法是比科學(xué)知識(shí)更重要的。其實(shí),肖克萊也個(gè)凡人,他的成功是源于他對(duì)科學(xué)方法的篤信。正如1977諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者菲利普·安德森(Philip Andersen)所說(shuō)的,“肖克萊是一個(gè)篤信簡(jiǎn)化方法的人”[5]。也正是對(duì)簡(jiǎn)化方法的利用,肖克萊在核裂變研究和軍事研究中取得了成功。更重要的是,利用簡(jiǎn)化方法,肖克萊發(fā)明了結(jié)型晶體管,點(diǎn)燃了晶體之火,照亮了現(xiàn)代化信息之路,而且還率先研制出場(chǎng)效應(yīng)管,制造了集成電路的雛形——四層結(jié)構(gòu)的二極管。

從1965年起,肖克萊把他的大部分精力都投入到了優(yōu)生學(xué)的研究中,走過(guò)了極不平凡的30多年的余生。在他逝世后,巴丁認(rèn)為“他(肖克萊)去從事一個(gè)自己不擅長(zhǎng)的專業(yè)——人類遺傳學(xué)——是一個(gè)悲劇”,“他本可以在物理學(xué)和電子學(xué)方面取得更大的成就”[5]。

(2010年1月10日收到)

[1]JOEL N S.Broken genius：the rise and fall of William Shockley,creator of the electronic age[M].New York：Macmillan,2006.

[2]WILLIAM S.Wikipedia the Free Encyclopedia[EB/OL][2009-5-4].http：//www.wikipedia.org/wiki/William Shockley.

[3]郭奕玲,沈慧君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[4]莫少群.兩度輝煌——費(fèi)米學(xué)派[M].武漢：武漢出版社,2002.

[5]HODDESON L,DAITCH V.曠世奇才——巴丁傳[M].文慧靜,沈衡,譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔?2007.

William Shockley and Nuclear Physics：to Commemorate the 100th Anniversary Shockley’s Birth

WANG Xiao-yi①,BAI Xin②
①M(fèi)aster Candidate,②Associate Professor,Department of Physics Capital Normal University,Beijing 100048,China

William Shockley,nuclear fission,Fisk-Shockley reactor,atom bomb

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.012

①同年被授予諾貝物理學(xué)獎(jiǎng)的還有巴丁(John Bardeen)和布拉頓(Walter H.Brattain),獲獎(jiǎng)理由是對(duì)表面態(tài)理論的突破和點(diǎn)接觸型晶體管的發(fā)明。

(責(zé)任編輯：溫文)