宇宙的精灵 #17.2

二

1939年1月2号刚到达纽约的费米夫妇于当月16号又在码头迎接波尔的到来，后者带来了刚刚命名的“原子裂变”假说——这是费米“铀后元素”的死亡证。费米何等聪明的人呐，灵犀一点通，他马上意识到，实际上1934年的那场核子大战中罗马军团已经制造出了裂变，只是没有足够的想像力去看懂它而已。但他很快从“领错奖”的不良情绪中摆脱，头脑里产生出一幅图像：一原子裂变成两半的同时，还会释放二到三个中子，每个中子又会轰击下一个原子产生裂变，又产生二到三个中子，又产生新的裂变，这种指数式的增长是爆炸性的。小时候看《十万个为什么》，说一个棋类发明家要求国王在一个36格的棋盘的每第n格放2n颗粮食，到第36格放236颗，这些粮食就足以从地球堆到月亮。这种爆炸式的连续裂变机制后来叫作“链式反应”。（图17.1）

图17.1  核裂变的链式反应

“链式反应”会是什么样的效果？迈特纳和弗里希一早算出了单个铀核裂变所能释放的能量，接着又用实验证实了这个计算，并且通过海底电报告诉了还在美国的波尔。这其实也很简单。铀235的质量为235.124，吸收的一个中子的质量为1.009，二者加和236.133。裂变为质量数为95和139的两个碎片（这二种元素被测到的最多）的质量分别为94.945和138.955，再加上释放的两个中子的质量2.018，裂变后的总质量为235.918。发现了没有？裂变后发生了0.215的“质量亏损”：

（235.124＋1.009）－（94.945＋138.955＋2.018）＝0.215

不是说质量守恒吗，怎么会有亏损呢？咱们从“质量数”说起吧。微观粒子的1个“质量单位”叫“1u”，是碳12原子核（6个质子、6个中子）总质量的1/12。我们说每个核子的质量数为1，不等于说具有1u的质量。实际上自由核子会略大于1u，质子为1.007274 u，中子为1.008665 u。核内核子的平均质量就一定会低于自由核子的质量，甚至低于1u。比如铁元素的质量数是56，总质量却只有55.85 u，平均每个核子不到1 u。就是说，核子组成原子核后，“质量亏损”是一个普遍规律。

Why？我们这样来理解，每一种原子核都是一个团体，自由核子要加入任何一种团体是要交费的，入会要交会费，入党要交党费，入团要交团费，入伙以后的核子都会比原先变“瘦”了，因为它们的部分质量变成“费”交给“组织”了，由此才能跟别的核子一起结合为一个原子核，这是核子为“结合”所必须付出的代价。核物理学把这种摊到每个核子头上的入会费叫作“平均结合能”或者干脆简称为“结合能”。

问题是，加入不同的原子核所需要的结合能是不一样的，规律是越稳定的元素结合能就越高。比如加入铀235俱乐部，这是一个有235个核子的大组织，结构就比较松散（不稳定），所以每个核子所需缴纳的入会费就比较低（结合能小）。现在在中子的轰击下分裂成了成员分别为139个和95个的两个组织，这是两个比铀235稳定的元素，要求每个核子缴纳更高的会费（更大的结合能），核子没有外援，只能进一步瘦身，因此就产生了“质量亏损”。当然也不一定是核越大核子的结合能就越低，比如氦核（α粒子）核子的结合能就比更轻的元素（比如氘）更高，所以轻元素“聚合”为氦元素反而会产生“质量亏损”。这就是核裂变与核聚变殊途同归的道理。（图17.2）

图17.2 原子核核子的平均结合能。横坐标为原子核的质量数，纵坐标为单个核子的平均结合能。曲线先由低到高，然后又由高走低，正好就是核骤变和核裂变的机理，也说明了由轻元素氘（H）到重元素氦（He）的聚变所释放的能量，远高于铀（U）裂变所释放的能量的道理。

回到质量守恒。走到现在，大家该不会为质能之间的转换而困惑了，质量就不过是“凝固的能量”。裂变后产生的两个新组织多收的会费，核子多付出的结合能或亏损了的质量，是不能被组织贪污的，它们一定要悉数贡献社会，即转化为向外释放的能量。按质能关系式换算，1u质量能转换为931.5兆电子伏（MeV）的能量，于是1个铀235裂变时所释放的裂变能为0.215×931.5＝200.3兆电子伏。

这是什么概念？化学能，一个碳原子与两个氧原子化合为二氧化碳所释放的能量，大概也就几电子伏，“质量亏损”是10亿分之一的数量级，根本无法测定。铀裂变的质量亏损则在千分之一的数量级。拿到裂变能研究成果电报的波尔马上感觉到了份量，急匆匆赶到哥伦比亚大学找费米求证，不巧只见到了费米的学生H.安德森（不是发现正电子的那个），波尔就让他转告。安德森看到的是一幅令人热血沸腾的科学前景，他找到费米，激动万分地建议：“你怎么不设计一个裂变实验呢？用回旋加速器，你的中子源的强度还可以再提高10万倍！”

唉，真是少年不知愁滋味呐！安德森生长在一个自由民主的国家，许多感受是没有的。费米听说后高兴不起来——他感觉到了恐惧！费米听到的，就不是一个铀核裂变的能量，而是这个能量的“链式”叠加——一个如此强大的裂变能量如果“链式”产生将会是怎样的情形？与化学炸药重量相等的铀链式裂变，将会产生强几百万倍的能量！现在意大利的法西斯报纸仅仅因为费米在领诺奖时没行法西斯礼而对他大肆攻击，认为属十恶不赦之列。德国和意大利都一样，变态领袖下的变态国家，太多的仇恨，太少的理性，太多的残忍，太少的人道，太多的邪恶，太少的正义。如果让希特勒和墨索里尼这样的狂人掌握了这么一种巨大的能量，什么事情他们都敢干。问题是，这恰恰是很有可能的。费米是从一个极权主义国家里逃出来的，深知这种政府有集中力量办大事的优势，只要领袖有了某种欲望，就可以倾举国之力去实现它，大学和研究所也决不敢有二话。裂变首先是由德国人发现的，希特勒已经悍然侵占捷克斯洛伐克，控制了那里的铀矿，德国依然拥有世界一流的物理学家，一旦理论和实验取得突破，纳粹的“万字”旗插遍全球几乎就是必须接受的现实。那么费米又得重新走上逃亡之路。相形之下，美国这样的宪政国家行政效率就低多了，舆论压力，国会讨论，法律制衡，黄花菜都凉了。实际上，无论在美国还是英国，最初提出研制原子弹动议的，恰恰都是从德、奥、意、匈这些极权主义国家逃出来的科学家。他们在这个问题上，显然要比美英本国科学家更加敏感。

1939年3月16日，费米会见美国海军上将胡珀，试图说服军方着手原子弹的研制，以免被轴心国占了先机。但这种哪怕在科学界都知之甚少更别说达成共识的理论在上将听来渺茫得很，故并未引起重视。这年8月2日，三位匈牙利难民科学家西拉德（Szilard）、维格纳（狄拉克的大舅子）和特勒找到爱因斯坦，希望他在一封事先起草好的致罗斯福总统的信上签名。这封信认为一种威力巨大的炸弹有可能出现，而纳粹德国可能抢占先机，因此美国相应的研究刻不容缓。爱因斯坦也是第三帝国的难民，心同此理，很爽快地支持了他们。这封信于10月份送达罗斯福，这时第二次世界大战已经爆发，总统当即决定成立“铀顾问委员会”。这只是一个咨询机构，直到1941年12月6日，珍珠港事件的前一天，才升级为举国制的核武器研制工程——“曼哈顿计划”。西拉德的另一项功绩，他从1939年初起倡导的核研究保密纪律（这意味着科学家可能会丧失发明的优先权），逐渐为同盟国科学家们广泛认同并自觉遵守，并于1940年上升为美英两国的国家政策。

在英国，首先推动核武器研究计划的是两个德国难民科学家——弗里希（迈特纳的侄子）和派尔斯。1940年，他俩的一篇论文《论超级炸弹的建造》使英美两国政府意识到了核武器的可行性。

可是现在所谓“链式反应”还停留在纸面上呢。芝加哥普林斯顿大学康普顿的“冶金实验室”首先实现了这个跨越。康普顿建立这个以链式反应为目标的实验室作出的第一个正确决策就是启用费米，虽然康普顿的年龄比费米大，但算来费米还是他“玻恩幼儿园”高年级的学长呢。在他看来，费米将成为这项实验的核心人物。这并不是一件容易办到的事情，因为美国政府于1941年12月7日向德、意、日轴心国宣战，此时费米已成“敌国侨民”，但康普顿克服了重重困难做到了。他说：“我们在此时重用费米的聪明才智，整个世界将因此获得一份贵重的资产。”

费米现在还住在新泽西州，按战时管理条例，作为敌国侨民的他要去芝加哥还得提前10天向当地检察院申请通行证，夫人劳拉一肚子的委屈，但费米理解这种特殊条件下的措施。他说人人平等，不能还分出好敌侨和坏敌侨。费米果然不负重托，在芝加哥体育场的看台下，费米设计建造了世界上第一座铀裂变反应堆CP-1（芝加哥1号堆)。中子在“中子之父”的调教下服服帖帖——用石墨作中子慢化剂提高轰击效果，用镉棒作中子吸收剂控制它们的作用，裂变反应是要来就来要停就停。1942年12月2日，反应堆以小于0.5瓦的功率连续运行了28分钟，世界上第一个人工链式核裂变反应在“冶金实验室”产生，链式反应理论第一次获得实验证实！难抑兴奋的康普顿用密语向华盛顿报告了这一振奋人心的好消息：“意大利领航员已经到达新大陆！”——1492年，意大利航海家哥伦布发现美洲新大陆，把这个年份中间的两位数字调过来，1942年意大利科学家费米领航的实验小组成功地登上原子核新大陆！这天晚上，劳拉接受了无数莫名其妙的“祝贺”，但没有一个人告诉祝贺的内容，只有一个憋不住话的女物理学家以戏谑的语调告诉她：“费米击沉了一艘日本旗舰！”直到1945年劳拉才知道真相，其实意义还远大于此。

现在，谁也不怀疑原子炸弹的可能性了。反应堆后来还用于制备核燃料——钚。这些都是德国海森堡和哈恩他们直到战争结束时都未做到的事件。