神秘的曼哈頓工程

王洪鵬 劉樹勇

采用內爆法的原子彈“胖子”

也許對戰爭的理解會因人而異，但是戰爭的殘酷性和血腥性以及它帶來的痛苦回憶是經歷戰爭的每個人都難以忘懷的。假如時光倒流到100年前，當時第一次世界大戰正酣，著名的索姆河之戰，兩軍對壘，“馬克沁”重機槍發揮了“奇效”，一排排士兵倒在了重機槍下，獻出了生命。在第二次世界大戰中，戰爭的特點是立體的，更多的新式武器運用到戰場上，科學家也在戰爭中扮演了特殊的角色。噴氣機技術、雷達技術都在戰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，二戰全面結束。

制造了原子彈的“曼哈頓工程”是20世紀最神秘、影響最深遠的一次科學工程，這些科學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）分裂成兩個或多個質量較小的原子核的一種核反應形式。核裂變的發現者之一是奧地利籍的猶太科學家莉澤·邁特納。1939年，莉澤·邁特納和她的侄子奧托·弗里施發表了一篇題為《中子導致的鈾的裂體：一種新的核反應》的論文，文中對德國物理學家哈恩的鈾核“破裂”實驗進行了理論解釋，第一次為核裂變提供了理論基礎，也為研制原子彈和利用原子能奠定了基礎。

核裂變的科學意義是顯而易見的，它還有極為重要的應用價值——核能。美籍匈牙利核物理學家利奧·西拉德認為，核裂變的發現“將導致大規模的能量和放射性元素的生產”，不幸的是，這還會導致原子彈的產生。

愛因斯坦與西拉德

在美國，一些核物理學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。當時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，這幾位科學家聯合起來還是人微言輕，這時，4個人想到了同樣“淪落”到美國的愛因斯坦。

西拉德一生反對獨裁，愛好和平，是一個具有社會責任感的物理學家，他也是“曼哈頓工程”的第一推動者。二戰期間，西拉德竭力勸說愛因斯坦給羅斯福總統寫信，勸告羅斯福總統，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”的實力。

其實，不只是愛因斯坦和西拉德注意到物理學上新發現的戰略意義，美國科學研究發展局負責人萬尼瓦爾·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。在此之前，羅斯福總統剛剛批準了萬尼瓦爾·布什的計劃。在這個計劃中，政府大量撥款用于研發和制造原子彈。計劃一旦啟動，這個帶著隆隆響聲的“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參與修建生產原子彈的工程。

由于修建工廠的工程龐大，組織這些工程的機構就要起個名字。當時，有人稱之為“代用材料發展實驗室”。由于名稱之中的“代用材料”不利于保密，當時工程的參與者和領導者萊斯利·R·格羅夫斯并不同意。后來，格羅夫斯到紐約曼哈頓區辦事，他發現一個辦公室掛了一塊牌子，寫著“曼哈頓工程區”。格羅夫斯靈機一動，索性就把原子彈的研制計劃叫“曼哈頓工程區”吧！這個名稱也常常被簡稱為“曼哈頓工程”或“曼工區”。又過了一個月，格羅夫斯走馬上任，成為“曼哈頓工程”的總負責人。事后證明，格羅夫斯確實有魄力和組織才能，他還受到過系統的軍事工程教育，參與過一些大型工程建設（如建設美國國防部的辦公樓——五角大樓），有著較為豐富的經驗。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院工作。20世紀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”，率先在世界上造出第一臺模擬式計算機。20世紀40年代早期，作為羅斯福總統的科學顧問，布什參與組織和領導“曼哈頓工程”。此后，他先后參與氫彈的研制工作、“阿波羅”登月計劃。美國政府還根據布什的建議批準成立國家科學基金會（NSF）和高級研究規劃署（ARPA）等科研機構，保證了美國在尖端科技領域的長期領先地位。

“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，美國物理學家麥克米倫就已經發現，鈾-238在俘獲一個中子后能得到一種新的放射性元素——镎-239。也是在1940年，核化學家西伯格發現，镎-239經過衰變（即釋放一個電子）就得到另一種新的元素——钚-239。钚-239的性質類似于鈾-235，可以實現核裂變。

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

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

鈾-235的生產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、氣體擴散法和熱擴散法。從工藝上講，在橡樹嶺是3種方法齊頭并進。在工廠建設過程中，有40萬人參加，僅僅在兩周內，運到橡樹嶺的物資就有128個車皮。在工廠的設備中要大量使用銅材，但正值二戰，銅的供應難以保證。所以，為了“曼哈頓工程”，美國政府決定使用國庫中的白銀，以彌補銅材的短缺。在工程中使用的白銀就達31.4萬噸，可見美國對原子彈研制的重視。在橡樹嶺工程中，建造第一個工廠就花了3億多美元，而建造另兩個工廠也是花費巨大。在生產過程中，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，然而此時誰也不知道該如何完成這個任務。

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驗室。在實驗室中要進行原子彈的爆炸研究、原子彈的結構設計和彈體的具體制造以及炸彈的總裝配。但是，確定實驗室的主任一職由誰來擔任頗費周折。在實驗室建立之初，一些人對奧本海默擔任負責人很不以為然。主要的反對意見是，奧本海默缺乏領導一個大型實驗室的經驗，更何況他的頭上并沒有諾貝爾獎的光環。最后，“曼哈頓工程”總負責人格羅夫斯力排眾議，堅持推薦奧本海默。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驗室主任。

奧本海默是一位著名的理論物理學家。他23歲就在德國哥廷根大學跟隨馬克斯·玻恩獲得了博士學位。他因與丹麥物理學家玻爾發明了處理分子的“奧本海默-玻爾方法”而聞名。1941年10月，物理學家康普頓組織了一個原子武器研討會，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家集中起來，加強協作，使理論研究、實驗研究及工程技術的開發結合起來。這樣，科學家的作用將會極大地發揮出來，并且還有利于保密。奧本海默的這個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驗室的建立。

奧本海默

實驗室建立后，臨時從4所大學調來4臺粒子加速器，后來又新建了3臺粒子加速器、2座小型核反應堆。在奧本海默的領導下，科學家的才能被充分調動起來，特別是英國物理學家把钚裝料原子彈的內爆原理解決之后，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”。奧本海默認為，鈾裝料的原子彈似乎沒有什么問題，可以不經過試爆就投入實戰，只是它的威力有多大，尚無把握。對于钚裝料的原子彈，能否投入實戰是需要試爆的，因為它的內爆原理比較復雜，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場地，由于這個地方極度缺水，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的“死亡地帶”了。

未來的爆炸點也正在施工，主要任務是在混凝土的基座上豎起一座高達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值2萬美元的電動絞車。不過，爆炸試驗前的工作并不順利，主要是一些設備沒能按時送達。為此，相關負責人把原定于1945年7月6日的試爆時間推至7月16日。

7月13日，密封在盒子中的原子彈部件被運到一個房間之中，人們把原子彈的部件與起爆裝置組裝在一起。第二天，高能炸藥運到現場。正是這個炸藥裝置將要把兩個半球狀的钚部件擠壓成一個球形，并使之在瞬間產生鏈式的核裂變。

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“曼哈頓工程”中的諾貝爾獎“光環”

對于鈾和钚的分離以及相關的基礎物理研究工作，美國國防研究發展局相應地成立了3個單位，并由3位科學家負責。這3位科學家都獲得過諾貝爾獎。H·C·尤里由于發現氘而獲得1934年諾貝爾化學獎，他負責擴散法和離心法的研發;E·O·勞倫斯由于發明回旋加速器而獲得1939年諾貝爾物理學獎，他負責電磁分離法的研發;A·H·康普頓由于發現X射線的散射效應（也被稱為“康普頓效應”）而獲得1927年諾貝爾物理學獎，他負責鏈式反應的基本物理研究。

熱脹冷縮的“考驗”

當專家們都到達現場后，他們進入了組裝原子彈的房間中。大家看到一個棕色的紙包，打開紙包后就看到兩個钚半球，在表面鍍上了鎳層，看上去閃閃發光。另外，還有作為起爆裝置的放射性鈹和一個反射器圓塞筒。專家們的工作是把這幾樣東西拼接在一起。

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高能炸藥中心的深孔之內，但他們吃驚地發現，這個圓塞筒無法插進深孔之內。這是為什么呢？好像造物主有意要考考這些科學家的智慧。

經過仔細的分析，原因找到了，實際上是氣溫在“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。第二天，原子彈被升到高高的塔架之頂。此時，可以說“萬事俱備，只欠東風”了。

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關于原子彈爆炸當量的“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。一些實驗室的負責人還把自己的預想用“賭注”的方式說出來。有人猜測原子彈的爆炸當量相當于4.5萬噸梯恩梯炸藥（TNT），還有人猜測爆炸當量為8000噸或1400噸，只有奧本海默最保守，他下的“賭注”只有區區300噸。過了幾天，著名的科學家拉比也來到現場，自然也要下個“賭注”，他認為爆炸當量應該在1.8萬噸左右。

“曼哈頓工程”大功告成

試爆時間定于7月16日凌晨4時，然而凌晨2時暴風雨突然降臨，這使在場的人們頓時緊張起來。引爆的時間不得不推遲了。不多時，氣象人員報告，暴風雨將在5時30分消失。相關負責人便把引爆時間推遲到5時30分，并開啟倒計時器。5時25分，試驗場上空發射了一枚綠色信號彈，而在控制室附近則拉響了警報，同時，在廣播中響起了倒計時的聲音。5時29分，又一枚信號彈升起。在控制室內，奧本海默低聲說到：“上帝啊！這種事情太折磨神經了。”當數到最后一秒時，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30分，只見一個巨大的火球騰空而起，亮如白晝已經無法形容當時的景象。隨之而來的是一聲巨響，據說，在370千米之外的人也能聽到。大地的震動異常劇烈，就像引發了一場震級為10級的地震。不久，在試驗場上空出現“蘑菇云”，高達萬米。“永遠不可能從記憶中抹去這丑惡猙獰的一幕”，“養在深閨人不識”的原子彈今天“一舉成名天下知”……現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”，他不禁吟誦起：“漫天奇光異彩，有如圣靈逞威;只有一千個太陽，才能與其爭輝。”當看到冉冉升起的蘑菇云，他又接續上這首詩中的另兩句：“我是死神，是世界的毀滅者！”

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

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

【責任編輯】張小萌