神秘的曼哈頓工程

王洪鵬 劉樹勇

采用內(nèi)爆法的原子彈“胖子”

也許對戰(zhàn)爭的理解會因人而異，但是戰(zhàn)爭的殘酷性和血腥性以及它帶來的痛苦回憶是經(jīng)歷戰(zhàn)爭的每個(gè)人都難以忘懷的。假如時(shí)光倒流到100年前，當(dāng)時(shí)第一次世界大戰(zhàn)正酣，著名的索姆河之戰(zhàn)，兩軍對壘，“馬克沁”重機(jī)槍發(fā)揮了“奇效”，一排排士兵倒在了重機(jī)槍下，獻(xiàn)出了生命。在第二次世界大戰(zhàn)中，戰(zhàn)爭的特點(diǎn)是立體的，更多的新式武器運(yùn)用到戰(zhàn)場上，科學(xué)家也在戰(zhàn)爭中扮演了特殊的角色。噴氣機(jī)技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)都在戰(zhàn)爭的舞臺上一顯身手，然而，最為震驚世界的則是——原子彈。1945年8月，在遭受到兩顆原子彈轟炸后，日本宣布無條件投降。9月，二戰(zhàn)全面結(jié)束。

制造了原子彈的“曼哈頓工程”是20世紀(jì)最神秘、影響最深遠(yuǎn)的一次科學(xué)工程，這些科學(xué)家的科研成果不僅震驚了世界，也改變了世界。

“曼哈頓工程”的第一推動者

核裂變（又叫核分裂）是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小的原子核的一種核反應(yīng)形式。核裂變的發(fā)現(xiàn)者之一是奧地利籍的猶太科學(xué)家莉澤·邁特納。1939年，莉澤·邁特納和她的侄子奧托·弗里施發(fā)表了一篇題為《中子導(dǎo)致的鈾的裂體：一種新的核反應(yīng)》的論文，文中對德國物理學(xué)家哈恩的鈾核“破裂”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了理論解釋，第一次為核裂變提供了理論基礎(chǔ)，也為研制原子彈和利用原子能奠定了基礎(chǔ)。

核裂變的科學(xué)意義是顯而易見的，它還有極為重要的應(yīng)用價(jià)值——核能。美籍匈牙利核物理學(xué)家利奧·西拉德認(rèn)為，核裂變的發(fā)現(xiàn)“將導(dǎo)致大規(guī)模的能量和放射性元素的生產(chǎn)”，不幸的是，這還會導(dǎo)致原子彈的產(chǎn)生。

愛因斯坦與西拉德

在美國，一些核物理學(xué)家試圖從國家或私人基金會獲得資助，但是都未能如愿，這也加深了人們的憂慮。當(dāng)時(shí)還有一些人提出研制原子彈的建議，如從匈牙利來到美國的物理學(xué)家韋斯科夫、威格納和特勒，西拉德與這3人可謂“同是天涯淪落人”。但是，這幾位科學(xué)家聯(lián)合起來還是人微言輕，這時(shí)，4個(gè)人想到了同樣“淪落”到美國的愛因斯坦。

西拉德一生反對獨(dú)裁，愛好和平，是一個(gè)具有社會責(zé)任感的物理學(xué)家，他也是“曼哈頓工程”的第一推動者。二戰(zhàn)期間，西拉德竭力勸說愛因斯坦給羅斯?？偨y(tǒng)寫信，勸告羅斯?？偨y(tǒng)，德國可能在研制原子彈，并提出建議，美國也要研制并造出原子彈，以打擊“軸心國”的實(shí)力。

其實(shí)，不只是愛因斯坦和西拉德注意到物理學(xué)上新發(fā)現(xiàn)的戰(zhàn)略意義，美國科學(xué)研究發(fā)展局負(fù)責(zé)人萬尼瓦爾·布什也向羅斯福寫信提示，美國人可能要卷入一場競爭，表現(xiàn)出對德國可能要造出原子彈的焦慮。這也是他敦促美國政府大力推動核裂變研究的緣由。

“曼哈頓工程”的命名

1941年12月7日， 珍珠港事件爆發(fā)。在此之前，羅斯?？偨y(tǒng)剛剛批準(zhǔn)了萬尼瓦爾·布什的計(jì)劃。在這個(gè)計(jì)劃中，政府大量撥款用于研發(fā)和制造原子彈。計(jì)劃一旦啟動，這個(gè)帶著隆隆響聲的“列車”就要開始艱苦而神奇的旅程。1942年6月，布什再次致信羅斯福，建議美國陸軍的工兵部隊(duì)參與修建生產(chǎn)原子彈的工程。

由于修建工廠的工程龐大，組織這些工程的機(jī)構(gòu)就要起個(gè)名字。當(dāng)時(shí)，有人稱之為“代用材料發(fā)展實(shí)驗(yàn)室”。由于名稱之中的“代用材料”不利于保密，當(dāng)時(shí)工程的參與者和領(lǐng)導(dǎo)者萊斯利·R·格羅夫斯并不同意。后來，格羅夫斯到紐約曼哈頓區(qū)辦事，他發(fā)現(xiàn)一個(gè)辦公室掛了一塊牌子，寫著“曼哈頓工程區(qū)”。格羅夫斯靈機(jī)一動，索性就把原子彈的研制計(jì)劃叫“曼哈頓工程區(qū)”吧！這個(gè)名稱也常常被簡稱為“曼哈頓工程”或“曼工區(qū)”。又過了一個(gè)月，格羅夫斯走馬上任，成為“曼哈頓工程”的總負(fù)責(zé)人。事后證明，格羅夫斯確實(shí)有魄力和組織才能，他還受到過系統(tǒng)的軍事工程教育，參與過一些大型工程建設(shè)（如建設(shè)美國國防部的辦公樓——五角大樓），有著較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。格羅夫斯對“曼哈頓工程”的順利完成起到了重要作用。

萬尼瓦爾·布什

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推動“曼哈頓工程”的科學(xué)顧問布什

1890年3月，萬尼瓦爾·布什出生在美國馬薩諸塞州。從1919年起直到1971年，布什長期在麻省理工學(xué)院工作。20世紀(jì)30年代，布什的研究小組研制成功能求解微分方程的“微分分析機(jī)”，率先在世界上造出第一臺模擬式計(jì)算機(jī)。20世紀(jì)40年代早期，作為羅斯福總統(tǒng)的科學(xué)顧問，布什參與組織和領(lǐng)導(dǎo)“曼哈頓工程”。此后，他先后參與氫彈的研制工作、“阿波羅”登月計(jì)劃。美國政府還根據(jù)布什的建議批準(zhǔn)成立國家科學(xué)基金會（NSF）和高級研究規(guī)劃署（ARPA）等科研機(jī)構(gòu)，保證了美國在尖端科技領(lǐng)域的長期領(lǐng)先地位。

“曼哈頓工程”啟動

能用于核裂變的材料主要是鈾-235，但與它的同位素鈾-238相比，其存儲量極低。為了能獲得更多的核裂變材料，就需要另覓途徑。早在1940年夏季，美國物理學(xué)家麥克米倫就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鈾-238在俘獲一個(gè)中子后能得到一種新的放射性元素——镎-239。也是在1940年，核化學(xué)家西伯格發(fā)現(xiàn)，镎-239經(jīng)過衰變（即釋放一個(gè)電子）就得到另一種新的元素——钚-239。钚-239的性質(zhì)類似于鈾-235，可以實(shí)現(xiàn)核裂變。

不過問題又來了，應(yīng)先生產(chǎn)鈾-235，還是钚-239呢？其實(shí)，無論生產(chǎn)哪一個(gè)，都需要建造核反應(yīng)堆，以獲得必要的數(shù)據(jù)。1942年11月，來自意大利的物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米看上了芝加哥大學(xué)體育場看臺下的一個(gè)小球場，他與西拉德在這里主持建成了世界上第一座核反應(yīng)堆。其中使用的裂變材料是鈾-235，減速劑是石墨。

在實(shí)驗(yàn)工作不斷取得進(jìn)展的同時(shí)，為了獲得鈾-235或钚-239，美國人先在田納西州的克林頓鎮(zhèn)建立中間試驗(yàn)工廠的核反應(yīng)堆，以從工藝上保證钚的生產(chǎn)和分離。為了生產(chǎn)足量的钚，又在華盛頓州靠近哥倫比亞河的漢福德地區(qū)建立了一座秘密的原子城。漢福德地區(qū)后來又建成了3座大型核反應(yīng)堆，曾有6萬人在這座原子城中工作。

鈾-235的生產(chǎn)基地是田納西州的橡樹嶺。在這里分離和濃縮鈾-235要借助3種方法，即電磁分離法、氣體擴(kuò)散法和熱擴(kuò)散法。從工藝上講，在橡樹嶺是3種方法齊頭并進(jìn)。在工廠建設(shè)過程中，有40萬人參加，僅僅在兩周內(nèi)，運(yùn)到橡樹嶺的物資就有128個(gè)車皮。在工廠的設(shè)備中要大量使用銅材，但正值二戰(zhàn)，銅的供應(yīng)難以保證。所以，為了“曼哈頓工程”，美國政府決定使用國庫中的白銀，以彌補(bǔ)銅材的短缺。在工程中使用的白銀就達(dá)31.4萬噸，可見美國對原子彈研制的重視。在橡樹嶺工程中，建造第一個(gè)工廠就花了3億多美元，而建造另兩個(gè)工廠也是花費(fèi)巨大。在生產(chǎn)過程中，還要消耗大量的電力，這也是一大筆開銷。但這僅僅是“曼哈頓工程”的開始，在有了核裂變材料之后，還要裝配成原子彈，然而此時(shí)誰也不知道該如何完成這個(gè)任務(wù)。

任用奧本海默

為了能裝配成原子彈，1943年，美國在西部新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯建立了實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室中要進(jìn)行原子彈的爆炸研究、原子彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和彈體的具體制造以及炸彈的總裝配。但是，確定實(shí)驗(yàn)室的主任一職由誰來擔(dān)任頗費(fèi)周折。在實(shí)驗(yàn)室建立之初，一些人對奧本海默擔(dān)任負(fù)責(zé)人很不以為然。主要的反對意見是，奧本海默缺乏領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，更何況他的頭上并沒有諾貝爾獎(jiǎng)的光環(huán)。最后，“曼哈頓工程”總負(fù)責(zé)人格羅夫斯力排眾議，堅(jiān)持推薦奧本海默。這樣，在1943年7月，不惑之年的奧本海默被任命為洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室主任。

奧本海默是一位著名的理論物理學(xué)家。他23歲就在德國哥廷根大學(xué)跟隨馬克斯·玻恩獲得了博士學(xué)位。他因與丹麥物理學(xué)家玻爾發(fā)明了處理分子的“奧本海默-玻爾方法”而聞名。1941年10月，物理學(xué)家康普頓組織了一個(gè)原子武器研討會，奧本海默在會上提出了制造一枚原子彈所需要的鈾-235的量。1942年秋，奧本海默向格羅夫斯建議，把美國、英國和加拿大的原子物理學(xué)家集中起來，加強(qiáng)協(xié)作，使理論研究、實(shí)驗(yàn)研究及工程技術(shù)的開發(fā)結(jié)合起來。這樣，科學(xué)家的作用將會極大地發(fā)揮出來，并且還有利于保密。奧本海默的這個(gè)建議得到格羅夫斯的支持，并且最終促成了洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的建立。

奧本海默

實(shí)驗(yàn)室建立后，臨時(shí)從4所大學(xué)調(diào)來4臺粒子加速器，后來又新建了3臺粒子加速器、2座小型核反應(yīng)堆。在奧本海默的領(lǐng)導(dǎo)下，科學(xué)家的才能被充分調(diào)動起來，特別是英國物理學(xué)家把钚裝料原子彈的內(nèi)爆原理解決之后，使原子彈的最后裝配取得了突破。在克服了理論、方法、材料以及技術(shù)工藝上的種種難題后，到1945年7月，他們造出了3顆原子彈。一顆原子彈的核裝料是鈾-235，被稱為“小男孩”，另外兩顆原子彈的核裝料是钚-239，被稱為“胖子”。奧本海默認(rèn)為，鈾裝料的原子彈似乎沒有什么問題，可以不經(jīng)過試爆就投入實(shí)戰(zhàn)，只是它的威力有多大，尚無把握。對于钚裝料的原子彈，能否投入實(shí)戰(zhàn)是需要試爆的，因?yàn)樗膬?nèi)爆原理比較復(fù)雜，需要安排試爆。為此，奧本海默將這次試爆命名為“三位一體”。他們還找到一塊試驗(yàn)場地，由于這個(gè)地方極度缺水，因而被稱為“死亡地帶”。在奧本海默心里，這里馬上就要成為名副其實(shí)的“死亡地帶”了。

未來的爆炸點(diǎn)也正在施工，主要任務(wù)是在混凝土的基座上豎起一座高達(dá)30多米的鐵塔。由于要把原子彈安放在塔頂，所以塔中安裝了一臺價(jià)值2萬美元的電動絞車。不過，爆炸試驗(yàn)前的工作并不順利，主要是一些設(shè)備沒能按時(shí)送達(dá)。為此，相關(guān)負(fù)責(zé)人把原定于1945年7月6日的試爆時(shí)間推至7月16日。

7月13日，密封在盒子中的原子彈部件被運(yùn)到一個(gè)房間之中，人們把原子彈的部件與起爆裝置組裝在一起。第二天，高能炸藥運(yùn)到現(xiàn)場。正是這個(gè)炸藥裝置將要把兩個(gè)半球狀的钚部件擠壓成一個(gè)球形，并使之在瞬間產(chǎn)生鏈?zhǔn)降暮肆炎儭?/p>

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“曼哈頓工程”中的諾貝爾獎(jiǎng)“光環(huán)”

對于鈾和钚的分離以及相關(guān)的基礎(chǔ)物理研究工作，美國國防研究發(fā)展局相應(yīng)地成立了3個(gè)單位，并由3位科學(xué)家負(fù)責(zé)。這3位科學(xué)家都獲得過諾貝爾獎(jiǎng)。H·C·尤里由于發(fā)現(xiàn)氘而獲得1934年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他負(fù)責(zé)擴(kuò)散法和離心法的研發(fā);E·O·勞倫斯由于發(fā)明回旋加速器而獲得1939年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他負(fù)責(zé)電磁分離法的研發(fā);A·H·康普頓由于發(fā)現(xiàn)X射線的散射效應(yīng)（也被稱為“康普頓效應(yīng)”）而獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他負(fù)責(zé)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基本物理研究。

熱脹冷縮的“考驗(yàn)”

當(dāng)專家們都到達(dá)現(xiàn)場后，他們進(jìn)入了組裝原子彈的房間中。大家看到一個(gè)棕色的紙包，打開紙包后就看到兩個(gè)钚半球，在表面鍍上了鎳層，看上去閃閃發(fā)光。另外，還有作為起爆裝置的放射性鈹和一個(gè)反射器圓塞筒。專家們的工作是把這幾樣?xùn)|西拼接在一起。

俗話說“好事多磨”。工作人員先把高能炸藥放在一塊墊木上，再將裝著钚的圓塞筒插進(jìn)高能炸藥中心的深孔之內(nèi)，但他們吃驚地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)圓塞筒無法插進(jìn)深孔之內(nèi)。這是為什么呢？好像造物主有意要考考這些科學(xué)家的智慧。

經(jīng)過仔細(xì)的分析，原因找到了，實(shí)際上是氣溫在“搗鬼”。房子中的溫度較高，而反射器的“孔”仍然保持著它在生產(chǎn)車間的溫度。反射器的絕熱性能很好，它的溫度幾乎沒有變化。所以，原因找到了——是熱脹冷縮在“作怪”。接下來的工作就簡單了，即設(shè)法使圓塞筒的溫度降下來，降到與反射器的溫度差不多，這樣就可以使圓塞筒順利地落入圓孔之內(nèi)。第二天，原子彈被升到高高的塔架之頂。此時(shí)，可以說“萬事俱備，只欠東風(fēng)”了。

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關(guān)于原子彈爆炸當(dāng)量的“賭注”

在首次試爆之前，能否成功似乎并沒有懸念，但對于爆炸的威力卻有著不同的看法。一些實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人還把自己的預(yù)想用“賭注”的方式說出來。有人猜測原子彈的爆炸當(dāng)量相當(dāng)于4.5萬噸梯恩梯炸藥（TNT），還有人猜測爆炸當(dāng)量為8000噸或1400噸，只有奧本海默最保守，他下的“賭注”只有區(qū)區(qū)300噸。過了幾天，著名的科學(xué)家拉比也來到現(xiàn)場，自然也要下個(gè)“賭注”，他認(rèn)為爆炸當(dāng)量應(yīng)該在1.8萬噸左右。

“曼哈頓工程”大功告成

試爆時(shí)間定于7月16日凌晨4時(shí)，然而凌晨2時(shí)暴風(fēng)雨突然降臨，這使在場的人們頓時(shí)緊張起來。引爆的時(shí)間不得不推遲了。不多時(shí)，氣象人員報(bào)告，暴風(fēng)雨將在5時(shí)30分消失。相關(guān)負(fù)責(zé)人便把引爆時(shí)間推遲到5時(shí)30分，并開啟倒計(jì)時(shí)器。5時(shí)25分，試驗(yàn)場上空發(fā)射了一枚綠色信號彈，而在控制室附近則拉響了警報(bào)，同時(shí)，在廣播中響起了倒計(jì)時(shí)的聲音。5時(shí)29分，又一枚信號彈升起。在控制室內(nèi)，奧本海默低聲說到：“上帝??！這種事情太折磨神經(jīng)了?！碑?dāng)數(shù)到最后一秒時(shí)，奧本海默自己有些神不守舍，他扶住了柱子，這才不至于倒下。

5時(shí)30分，只見一個(gè)巨大的火球騰空而起，亮如白晝已經(jīng)無法形容當(dāng)時(shí)的景象。隨之而來的是一聲巨響，據(jù)說，在370千米之外的人也能聽到。大地的震動異常劇烈，就像引發(fā)了一場震級為10級的地震。不久，在試驗(yàn)場上空出現(xiàn)“蘑菇云”，高達(dá)萬米。“永遠(yuǎn)不可能從記憶中抹去這丑惡猙獰的一幕”，“養(yǎng)在深閨人不識”的原子彈今天“一舉成名天下知”……現(xiàn)場人員的腦海中都對原子彈的爆炸留下了難以磨滅的印象。

奧本海默還想起古印度圣詩“勃哈加瓦基達(dá)”，他不禁吟誦起：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威;只有一千個(gè)太陽，才能與其爭輝?！碑?dāng)看到冉冉升起的蘑菇云，他又接續(xù)上這首詩中的另兩句：“我是死神，是世界的毀滅者！”

在原子彈爆炸的當(dāng)天，身穿防護(hù)衣的科學(xué)家乘坐密封的坦克進(jìn)入了現(xiàn)場?？茖W(xué)家通過潛望鏡看不到原來聳立的高塔和絞車，只看到那個(gè)基座的殘骸。原來鋪好的柏油路地面已與底下的沙土熔為一體了，呈現(xiàn)著翡翠般的樣子，碧綠透明。他們用坦克的機(jī)械手舀起一些碎片。后經(jīng)人們對這些碎片進(jìn)行放射性分析，確定了這顆原子彈的爆炸當(dāng)量相當(dāng)于1.86萬噸的梯恩梯炸藥，與科學(xué)家拉比的估計(jì)非常接近。

在和平時(shí)期，一個(gè)科學(xué)家是屬于全世界的，但在戰(zhàn)爭時(shí)期，他卻屬于他的祖國。當(dāng)科學(xué)家遇上戰(zhàn)爭，科學(xué)家不用像士兵一樣沖鋒陷陣，但是他們也會為戰(zhàn)爭做出特殊的貢獻(xiàn)。也許，參加“曼哈頓工程”的科學(xué)家就是這樣一群做出特殊貢獻(xiàn)的人士，他們完成了自己的科學(xué)任務(wù)，但卻無法決定這些科學(xué)成果的最終命運(yùn)。人們期待用原子彈結(jié)束戰(zhàn)爭，然而卻很難想象和平代價(jià)到底有多么昂貴。

【責(zé)任編輯】張小萌