四
原子弹的伦理问题一直纠结着科学共同体。战后海森堡访问洛斯阿拉莫斯实验室，那里的科技人员拒绝和他握手，因为他是“为希特勒制造原子弹”的人。这是海森堡无论如何也想不通的，因为正是洛斯阿拉莫斯的科学家造出的“小男孩”和“胖子”造成了日本两座城市的原子灾难。这些人可以蔑视德国科技上的无能，但有资格对海森堡做道德谴责吗？洛斯阿拉莫斯的科学家当然认为有这个资格。二战的两大阵营，毕竟有正义与邪恶之分。如果让以希特勒为首的轴心国得手，那将是世界性的人道灾难，是人类文明的大倒退。正是人道主义的立场，拯救全人类的旗帜，召唤着世界各国的科学家为美国的曼哈顿计划贡献了智慧和力量，美英科学家自不待说，德国的爱因斯坦、弗兰克、弗里希、派尔斯，奥地利的泡利和拉比，意大利的费米和塞格雷，匈牙利的西拉德、维格纳、特勒和冯诺伊曼，丹麦的波尔父子，荷兰的古德斯米特，等等等等，都是这个浩大工程的智囊和骨干。这就是为什么量子力学的诞生地德国生产不出原子弹，反倒是原先“物理四强”中最弱的美国造出来的根本原因。
1945年10月25日，美国总统杜鲁门接见奥本。整个过程奥本都不安地绞着双手，最后憋出了一句惊世骇俗的名言：“总统先生，我觉得我的手满是鲜血。”被激怒的总统回应道：“血在我的手上，让我操心吧！”用咱们的俗话说就是——“关你鸟事！”这种心理感受决定了奥本战后的反核武立场。奥本曾形像的比喻美苏之间的核军备竞赛：一个瓶子里的两只蝎子，都有能力杀死对方，但必须以生命为赌注。他号召大国以“坦诚精神”合作控制核军备，他的观点多少打动了艾森豪威尔总统，后者警告那些一天到晚妄想用核武器毁灭敌人的鹰派：“别干蠢事，否则我们没有足够的推土机清理城市的尸体！”
奥本坚定的反核武态度自然不招右派政治势力待见，1950年代在麦卡锡主义的浊浪中奥本自然就成了迫害对象。1953年美国原子能委员会启动对他的“忠诚调查”，经过冗长的调查、听证或审讯，于1954年判决奥本海默有罪，取消他的安全许可，这就意味着这位“原子弹之父”将被拒于美国原子能事务门外。这项判决反使奥本的形像更加光辉。之前他是二战英雄和原子弹之父，现在人们更把他比作为科学而受迫害的伽利略。洛斯阿拉莫斯282名科学家联名为他辩护，全美1100多名科学家联名抗议这个不公正的判决。
1963年，美国政府决定将费米奖授予这位曾经的美国英雄，等于给他平反昭雪恢复名誉。奥本领到了5万美元奖金的支票，颁奖的美国总统约翰逊当着劳拉的面“提醒”道：“小心夫人把支票藏起来喽。”1965年，美国与苏联开始进行核不扩散的谈判，奥本说“这晚了二十年”。这时这两个国家的核武库里都有了四位数的核弹头，不知能把地球炸烂多少遍。1967年1月，奥本海默因喉癌去世，年仅62岁。以每天四、五包的速率，他的这一生抽掉了过多的香烟。
奥本海默还有个美称——“现代版的普罗米修斯”。这位希腊神话里的英雄从奥林匹斯山为人类偷来宙斯的雷电之火，自己却承受被恶鹰啄肝的惩罚。这个故事是一个涵义深刻的隐喻——人类赖以生存的一切能量，都来自于太阳。按照热力学第二定律，一个封闭的系统只能趋向于熵最大的死寂状态，不断地从有序奔向无序。我们这个有着几十亿岁年龄的地球，之所以能反热力学定律而行之，熵非但不增加反而减少，从相对的无序走向更加有序，从无机物进化出了有机物，进化出了生物、动物、乃至最高级的人类，由人类又产生出了无比博大精深的人类智慧和社会文明，归根结底都靠的是太阳能这种地球系统外的力量逆转了熵增加的进程。
爱因斯坦在签署西拉德他们起草的核能研究的呼吁信时有过一句评论：“这是历史上人类将第一次利用并不是来自太阳的能量。”经典物理二百年，解决的只是把太阳为我们积蓄的能量，机械能、电能、化学能、生物能等等，按人类的需要有目的地转化和释放的问题，人类并不能在此之外增加一丝一毫——能量守恒与转换定律就是告诉我们这个道理。科学的社会目的是让人类的生活更美好，这句很煽情的口号用物理学术语表达就是，增加有序度，或者说减少熵。有序度的增加或者熵减少需要补充的能量，经典物理告诉我们太阳能就是一个上限。
现在这个上限被打破了，能量还有第二个来源——质量（m）。这可不是来自太阳，而是来自宇宙、自然、或称上帝也无妨。实际上，太阳的能量也是来自于这个m，在那里每秒钟内约有六亿五千万吨氢聚合成氦，相应地每秒亏损掉的约四百六十万吨的质量，以E＝mc2的方式转换成巨大的辐射能普照宇宙，有很小概率的能量到达地球。太阳已经燃烧了46亿年，还可以再燃烧50亿年。想想占地球表面三分之二的海洋蕴藏着巨量的氢同位素，如果能像太阳那样利用，现在价格飞涨的汽油可以拿来当洗脚水。核能利用的实现，开辟了人类控制自然战役的第二战场，相当于二战的诺曼底登陆。无怪乎人们称奥本的事业是“物理学三百年最重大的成果”，奥本是普罗米修斯第二，为人类偷来了宙斯的雷电之火。
当然奥本只是一个代表，代表着自1900年以来的量子物理学家领这个奖。量子力学的理论体系，或者说科学范式，在1930年之前已经基本建构完成。简单的说这个理论范式是为了解释电子运动现象而建立起来的，这是理论的经验适宜性的一面，问题是科学理论不仅有解释经验的功能，她还有预言新颖现象的功能，核物理就是这种功能的一种表现，是量子力学强大力量的体现。没有量子力学，原子核现象根本就无从解释，更不用说科学利用了。原子核的运动变化固然比电子要复杂得多，但基本原理还是一致的，即都是以量子化的方式存在和变化。我们说的“基本粒子”，无非就是分立间断的一份一份的能量——E＝nhv，而核反应也可以理解为核子在不同能级间或不同量子态间的跃迁，如电子跃迁产生的光谱一样。二者的区别仅在于，电子“轨道”的能级差一般都在电子伏的级别，而核子“轨道”的能级差则往往在兆电子伏的级别，也就是量上有百万倍的差别。所以核反应的产物我们既可以用波的称谓叫作射线，也可以用粒的称谓叫作粒子，同样有着E＝nhv的形式。因此可以也只能用量子力学这根钥匙，打开原子核世界的大门。
例如原子核的裂变，费米在1934年没有听信诺达克的核分裂的假说，奥本在1939年第一次听到迈特纳的裂变假说时的第一反应也是“这不可能”，实际上裂变就是经典理论不能解释的隧道效应。同样，核聚变同样也只能用隧道效应才能解释。太阳的能量来源，人们早就知道不可能是化学反应，因为按太阳的质量，要辐射出如此巨大的能量早就燃烧殆尽，氢聚变为氦释放结合能似乎是唯一的可能，但天文学家测得的太阳温度，却没有达到克服质子间的排斥势垒的高温。直到1929年伽莫夫提出隧道效应假说，核聚变假说才变得顺理成章。1930年代初，英国天文学家阿特金森（Atkinson）和奥地利物理学家候特曼斯(Houtermans)就是用这个原理解决了恒星的能量产生问题，他们论文的标题就叫《怎样在一个势场锅里烹调出氦原子核？》，论文开宗明义：“最近伽莫夫证明了，即使传统观点认为它们的能量不够，带正电的粒子还是可以穿透势垒进入原子核。”利用这个原理，美国于1952年制造出第一颗以氢的同位素氘（1个质子和1个中子）和氚（1个质子和2个中子）为装料的核聚变炸弹即氢弹。主力科学家是劳伦斯和特勒，后者在洛斯阿拉莫斯的原子弹时代就一心研究比原子弹高级的“超级炸弹”。现在问题又来了，太阳为什么不像氢弹那样在一次爆炸中瞬间毁灭呢？原来聚变的产物——氦由两个质子和两个中子组成，而氢弹的装料氘和氚含有质子和中子，现成有氦需要的原料。而太阳的聚变原料是氢，只有一个质子，还不能直接聚变为氦。首先还需要有质子发生β+衰变，即一个质子衰变为中子（是中子衰变为质子的β-衰变的逆过程），同时释放一个带正电的β粒子和一个中微子。在太阳中，平均一个质子发生β衰变的概率约为10亿年才有一次。这种在宏观世界被认为是不可能的小概率事件，在微观世界里却在每时每刻地发生着。这就是太阳可以缓慢燃烧的秘密。
核武器的科学伦理不是这里能解决的问题，核能的和平利用则无疑是造福人类的功德。费米在1942年造出第一个反应堆登上核子“新大陆”时，就说控制裂变反应像控制汽车的方向盘向左向右转一样方便。虽说费米还是实验控制，但也为未来的实用控制提供了基本原理，无非两个方面——一是临界质量，二是中子数量。中子源的中子首先要做慢化处理，如此核反应的概率（叫“反应截面”）可以提高几百倍。石墨、轻水（H2O）和重水（D2O）都是很好的慢化剂，其中重水最好。经过慢化的热中子反应截面大，核电站可以使用天然铀作燃料。当核燃料超出临界质量时，就会产生指数性增加的链式反应，平均每次裂变会产生2.4个中子，不加控制，核燃料会瞬间裂变完毕也就是爆炸。裂变产生的中子主要是“瞬发中子”，与裂变几乎同时产生，这种中子是很难控制的。另外有占2.4个中子约0.66%的中子是“缓发中子”，在裂变后的几十秒到几分钟产生，这种中子比较容易控制。因此燃料棒的临界质量按这个原理设计——不计入缓发中子时处于次临界质量，计入缓发中子时处于超临界质量，也就是是说只有当瞬发中子和缓发中子同时起作用时才会有自持式链式反应。然后就是用吸收截面很大的镉做成控制棒，缓发中子会被镉棒吸收而不与铀燃料起反应，因此镉棒的插入或拔出就决定了核燃料处于次临界质量还是超临界质量，以及超临界的程度。自1954年前苏联建成了世界上第一座核电站，到现在全世界的核电站已经近500座，发电量4亿多千瓦，约占全世界的发电量1/5，其中美国的核电占世界总核电的1/3，法国的核电占到了本国总发电量的77%。
核聚变能利用的前景更为广阔。裂变原料铀矿的含量十分稀少，能工业利用的几率更低。而聚变燃料——氘，大海中的含量就有35万亿吨，而一克氘聚变的能量就可以发10万度电，因此相对人类的需要，可称之为取之不尽用之不竭。但聚变的控制却非易事。裂变能的利用关键是自持式裂变反应，同样聚变能的利用的关键也在于自持式的聚变反应。裂变的链式反应的条件是中子的数量，聚变反应的条件则是高温。尽管有隧道效应，聚变仍需要上亿摄氏度的高温，氢弹的聚变靠的是一个裂变原子弹爆炸产生的瞬时高温，在很短的时间内完成。但用来发电，就必须有持续的高温，最直接的想法，就是要有一个反应锅把高温约束在一个有限的空间内，维持核聚变所需要的超临界的高温条件。问题是，我们根本找不到什么材料来造成这个能耐上亿度高温的容器，并且这种材料还不能有热传导，否则容器内的高温一定会流向低温的环境从而降到次临界温度。但也并不是完全没有办法。想想人家太阳，也没有一口能耐高温的锅，靠的是强大的万有引力把高温介质凝聚在一起。当然人类不可能复制太阳的引力，但原子在高温下都变成了等离子态，即被拆分成了自由的电子和质子，这都是带电的玩意儿，受电磁场作用，所以通过高能磁场约束高温介质是一个思路。另一个思路就是氢弹的微型化。既然一个氢弹爆炸不可能持续的进行，我就让这种爆炸不断地发生，不过是用比如激光的方式使每次爆炸只控制在很小的一个范围内，让小型的爆炸持续不断地发生，从而产生自持式的聚变反应。这些思路都付诸了实验，但离工业利用估计还有很长的路程。
（第十七章完）
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