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看臺下的核反應堆 閣下： 費米和西拉德近期所做的一些工作的手稿已經寄給了我，這使我想到，在不久的將來，鈾元素可能被轉變成一種新的重要能源。已經出現的這種情況值得引起注意，如果必要，應迅速使其作用于政府機構的部門。我認為我有責任使您對下列事實和建議引起注意： 在 最近四個月中，法國的約里奧和美國的費米所做的工作在大量的鈾中產生了一個核連鎖反應，通過該反應可產生大量的能量，以及新的像鐳似的元素。……這一新現 象有可能使人們研制出一種新型的極有威力的炸彈，這是非常可信的。這種炸彈可由船載并在某個港口內爆炸，只要一枚炸彈就很可能摧毀整個港口及周圍的地區。 我知道目前德國已經停止出售它侵占的捷克鈾礦開采的礦石。如果同時注意到德國外交國務秘書馮·魏茨澤克的兒子正在柏林的威廉皇帝研究所工作，那里正在重復美國人在鈾方面所做的工作，就會明白德國人為何做出此舉了。 ——您真誠的愛因斯坦 在 芝加哥大學的校園里有一座古老傾圮的建筑，這座建筑掩蔽著一座早已不再使用的橄欖球場的西看臺，外形模仿中世紀城堡的式樣，有著哥特式的角樓和雉堞，巨大 的煙囪從窗口伸出來，伸到雉堞的上面，用灰粉刷過的墻上掛著一塊鏤花金屬匾：“1942年12月2日，人類在此實現了第一次自持鏈式反應，從而開始了受控 的核能釋放。”這座建筑已在1957年被拆除，其原址樹立著英國雕塑大師亨利·摩爾的作品“核能”，以紀念這一劃時代的偉大事件。 這就是原子時代的出生證。 德 國人可能將核裂變和鏈式反應用于軍事的可怕前景令玻爾、邁特納、費米等人憂心忡忡。費米曾寄希望于自持式鏈式反應只能在理論上實現，因為在實際情況中并不 是所有裂變產生的中子都能轟擊到鈾原子的原子核，有許多會被吸收掉，而且裂變產生的中子速度太快，不能有效地用作轟擊原子的子彈，除非能找到一種方法使它 們慢下來。 這個復雜問題的挑戰使得物理學家們立即行動起來，芝加哥大學、哥倫比亞大學、斯坦福大學都開始了這方面的研究工作，哥倫比亞大 學比較有優勢，因為它擁有回旋加速器和費米、西拉德這樣的一流原子物理學家。費米于1939年1月25日哥大物理實驗室所做的實驗再次表明核裂變釋放出巨 大的能量，該年3月16日，哥大物理學教授佩格拉姆（George Pegram）致信海軍軍械部部長胡珀上將，向軍方坦率地闡明了核裂變的軍事潛力。現在美國的科學家開始擔心這樣一個事實：納粹德國意識到這個潛力了嗎？ 1939 年夏天，德國突然宣布禁止出口波希米亞地區的瀝青鈾礦，流亡美國的歐洲物理學家認為這種做法只有一個可能：德國已經開始將鈾用于軍事目的。比起美國本土的 科學家來，這些來自德國、意大利、匈牙利的流亡科學家懂得獨裁國家的政治結構和運轉機制，那里存在著把研究工作與軍事應用連接起來的紐帶，尤其是他們當中 大多數人都曾親身體會過希特勒和德國的“新秩序”，在德國，一切科學研究都可以被納入戰爭的努力之中。這就是為什么羅斯福只能從愛因斯坦、費米、西拉德等 人那里得到警告的原因。這些人懂得軍事獨裁和權力的集中，而大多數美國土生土長的科學家卻從未找到走出學術象牙之塔的大門。 當年7月，西 拉德、魏格納這兩位流亡匈牙利人去普林斯頓大學拜訪了愛因斯坦，三人決定應當起草一封信給羅斯福總統，提醒他德國人有研制出原子炸彈的可能，并且由愛因斯 坦這位在美國最聲名卓著的科學家來署名。到這封信最終寫好的時候，愛因斯坦已經到紐約附近的長島度暑假去了，由于西拉德不會開車，所以找了第三個匈牙利人 ——年輕的愛德華·特勒開車，那一天是1939年8月2日，二戰爆發前一個月。 愛因斯坦仔細地閱讀了這兩張寫得密密麻麻的打字機紙，最后 評論道：“這將是人類歷史上第一次利用不是來自太陽的能量”，然后在第二頁下面簽了名。這幾個人都不是外交方面的專家，對于羅斯福能否讀到這封信一點把握 都沒有，西拉德勸愛因斯坦將這封信寄給他的老友比利時王太后伊麗莎白，通過她將其轉交給羅斯福，同時將副本抄送美國國務院。過了幾天，西拉德的一位朋友提 出了一個更好的主意，把這封信交給了華爾街金融家亞歷山大·薩克斯，此人是羅斯福的經濟顧問，有機會直接與總統見面。 10月11日，薩克 斯將愛因斯坦的信交給了羅斯福，但是這兩頁東西太長，羅斯福聽了一半就聽不下去了，打發薩克斯次日再來見他。薩克斯深知此信的重大意義，一夜輾轉反側，搜 盡枯腸，尋找可以打動羅斯福的語言。第二天早晨，他對羅斯福講了拿破侖拒絕使用新發明的蒸汽船以至未能征服英國的故事，打動了這位總統。在回信中，羅斯福 告訴愛因斯坦，他感到“這個情況十分重要，因此我成立了一個委員會，……讓其全面論證你提及鈾元素的那個建議的可行性。” 然而這個“委員 會”（全稱叫“鈾顧問委員會”）成立的步伐一點也不快：聽取證詞、申請預算、審核報告、召開委員會會議、組織、改組董事會、種種變更指示……使得該委員會 直到兩年后的1941年12月6日，即珍珠港事件的前一天，才收到科學研究與發展總署（OSRD）署長、卡內基學院院長范尼瓦爾·布什（Vannevar Bush）發布的“全力以赴進行原子能研究”的決定。 前面已經說過，在哥倫比亞大學和美國其他大學中所做的試驗證實了費米關于在裂變過 程中會釋放出中子的假說，因此鏈式反應在理論上是可以實現的，困難在于，一、鈾裂變時釋放的中子速度太快，無法有效地引發其他鈾原子的裂變；二、裂變產生 的中子四散逃逸，大多數在有機會起作用之前就逃逸到空氣中或被其他物質吸收掉了。如果要實現鏈式反應，就必須使中子慢化，并大幅度地減少它們的逸失，使得 裂變增殖的中子數與上一代中子數之比（K系數）大于1，這樣鏈式反應才能持續下去。 中子減速是費米的老手藝了，在意大利皇家科學院工作時 他就用石蠟、水等多種物質進行過中子減速試驗。但是在哥大實驗室進行多次試驗后，費米發現水和石蠟中的氫吸收的中子太多，于是西拉德建議用碳做減速劑，因 為碳原子也會使中子慢下來，而且只要其純度很高，吸收的中子就比水或石蠟少（不純的碳則有驚人的吞噬中子的能力）。費米和西拉德兩人共同想出了一種他們認 為會產生鏈式反應的設計：把純石墨磚與嵌入鈾塊的石墨磚分層疊放起來，換句話說，這東西是一個“堆”（費米和西拉德兩人為此共同擁有核反應堆的專利權）。 但這個堆應該多大、該有多少層、形狀是方的、圓的還是錐形的，卻沒有一個人知道。當然，通過試驗可以得到想要的答案，但困難在于當時美國只有很少的幾克 鈾，而且沒有接近所需純度的石墨。 采購成了一件重大的工作，費米將其推給了西拉德，后者在美國軍方有許多身居高位的朋友。1940年初， 美國陸軍和海軍向費米提供了首批購買材料的6000美元贈款，到開春時幾噸高純度石墨已經開始運抵哥大物理系大樓，費米和其助手成了泥瓦匠，親自堆砌石墨 磚。他們很清楚，在幾個月、或許是幾年內，是不會有足夠的鈾來嘗試建造一座反應堆的，這倒暫不成問題，因為他們自己對于鈾的性質也不甚了了，甚至連它的熔 點都還沒弄清，在建議鈾顧問委員會對反應堆投入巨大的經費和精力之前，他們還有大量關于石墨和中子的研究工作需要完成。 由于材料不足，試驗進行得 很緩慢。到1941年春天，費米和他的小組建造了一個小型的反應堆，他們摳出一些石墨磚，在里面挖出小洞，放進鈾塊，然后再把石墨磚放回去。隨著越來越多 的純凈石墨送到哥大，這座反應堆越來越高，最后在該年秋天的時候頂到了天花板，但它還遠遠沒有達到自持式鏈式反應的要求，太多的中子被吸收掉或逃逸了，需 要更大的房間，更高的天花板。費米派他的助手在紐約四下尋覓這樣的房子。 12月6日，即“鈾計劃”領導人布什宣布“全力以赴進行原子能研 究”的決定后不久，費米就得到通知，他本人、他的小組、他的設備以及他收集來的各種材料都要搬到芝加哥去，因為美國物理學會主席、芝加哥大學的諾貝爾獎獲 得者康普頓教授（Arthur Compton）被任命主管鏈式反應的基礎物理研究工作，康普頓決定把所有的工作都搬到芝加哥大學來進行。康普頓還委托威斯汀豪斯電氣公司制造3噸純鈾， 并委托美國國家標準局和聯合碳化物公司制造所需的純凈石墨。 芝加哥鏈式反應實驗室命名為“冶金實驗室”（Metallurgical Laboratory），不過里面一個冶金專家也沒有。從紐約搬到芝加哥后，反應堆的高度增加了，但卻仍然沒有達到預期的效果，費米認為，石墨這種多孔物 質中有很多空氣，而空氣中的氮起著吸收中子的作用，如果能在反應堆周圍造成真空，也許能增進反應堆的性能。受食品罐頭的啟發，費米讓芝加哥大學的鐵匠制造 了一個巨大的鐵罐，抽出里面的空氣，但中子逸失的現象還是很嚴重。有人建議用甲烷代替空氣，但甲烷存在爆炸的危險，而費米的實驗室已經發生過兩次危險的爆 炸事故了（一次釷粉爆炸，一次鈹粉和鐳粉爆炸），他最后否決了這個主意，決定建造一個更大的反應堆。 康普頓為這個反應堆找到的最理想的地 方是芝加哥大學體育場（斯塔格體育場）西看臺底下的一個室內網球場，這間屋子寬9米，長18米，高近8米，自從美國參戰以后就被廢棄了。物理學家們希望有 更大的地方，但是其他幾處更適于安裝反應堆的地方都被芝加哥日益增多的軍隊部門征用了。 在新反應堆等待石墨和鈾的同時，費米的助手安德森 （Hebert Anderson）去固特異輪胎橡膠公司定制了一個正方形的氣球，固特異公司的人用驚異的目光瞪著這個纖瘦的年輕人，因為他們還從來不曾聽說過有正方形的 氣球。安德森把精確的規格要求講了出來之后，固特異的人勉強答應用膠化織物制作一個正方形氣球，不過固特異公司“不能擔保這玩意兒飛得起來”。 費 米并不需要讓它飛起來。兩個月后，這個巨大的氣球運到了芝加哥大學，費米小組七手八腳把它搬到室內網球場，用腳手架和升降機將它固定在室內，只留下一個供 人員出入的扇形吊門，隨后開始在里面組裝核反應堆。從已經完成的無數試驗中，費米對于這個反應堆到底應該是個什么樣子已經有了一定的概念：它是一個直徑 26英尺（7.9米）的圓球，用一個正方形的木架支撐，外面罩著那個正方形氣球。氣球的作用是在必要的時候抽成真空，不過費米小組后來一直沒有這么做。自 愿來幫忙的中學生在室內網球場和附近的木工棚之間川流不息，搬來做好的木塊，然后帶走下一塊木頭支架的圖紙。當物理學家們開始擺弄聯合碳化物公司送來的純 石墨磚時，樣樣東西都變成了黑的：首先是網球場的墻壁和那個氣球，接著是地面，石墨粉末鋪滿了地板，光滑得好像舞廳的地板一樣，漆黑的人影在上面滑行著， 他們的工作套衣和防護鏡也是漆黑一片。氣球里面，一堵高大的石墨黑墻正在迅速地增長，墻上還插著7根鎘棒和3根硼鋼棒，以控制中子增殖的數目。 隨 著反應堆的增高，費米進行了各種測試，那個石墨球的最上面幾層始終沒有加上去，因為反應堆達到臨界大小的時間比預料的來得要快，從安放第一層石墨磚起僅僅 過了6個星期，就到了12月2日凌晨。當時給反應堆做掃尾工作的是安德森，如果當時他抽出鎘棒的話，那么他就會開動核反應堆，從而成為實現人工自持鏈式反 應的第一個人，不過他決定把這個榮譽讓給費米。 天亮之后，費米、康普頓及其助手們云集在網球場里，耐心地等待著最后一刻。在場的人中有一 位是“冶金實驗室”以外的人物：杜邦財團的克勞福德·格林沃爾特先生，他后來成為杜邦的董事長，而在歷史性的那一天清晨，他恰好和杜邦公司的其他人在附近 的一個房間里同軍方的高級官員舉行會談，康普頓把他拉出來領到了現場。 格林沃爾特和杜邦公司的人當時正處于一種為難的境地：他們不知道怎 樣才能和軍方達成協議。美國軍方在1942年8月就接管了“鈾計劃”，并將其命名為“曼哈頓工程”。9月，美國陸軍工兵上校格羅夫斯（Leslie Groves）被任命為“鈾計劃”或曰曼哈頓工程的負責人。該工程包含著比核研究更多的東西，包括生產石墨和鈾（既包括金屬鈾又包括氧化鈾），還有鈾同位 素的分離，以及一種新元素——钚的生產。杜邦公司被告知在鈾的裂變過程中會產生钚，而钚或許適合于制造原子彈，于是格林沃爾特及其同事就被軍方請到加州大 學伯克利分校參觀已完成的钚研究工作，然后飛往芝加哥與軍方談判制造用于生產钚的核反應堆事宜。格林沃爾特對是否接受這一合同猶豫不決，畢竟這是一筆價值 十多億美元的大合同，而且他的公司也愿意幫助打贏戰爭，可是……這是在說反應堆和钚啊！鬼知道這是些什么東西！ 康普頓覺察出格林沃爾特的 猶豫不決，于是決定打破常規，把他拉到網球場，讓他親眼目睹反應堆的第一次運轉（據康普頓回憶，當時之所以挑格林沃爾特，還因為他的歲數較小，“可以在更 長的歲月中親身向后人講述這一不平凡的時刻”）。他們登上了網球場北端的看臺，除了3個呆在反應堆上的人之外，費米和他的助手們也在那里。這3個年輕人被 稱為“自殺隊”，其任務是一旦鏈式反應失控就將一桶桶的鎘溶液澆到反應堆里。此外還有一個叫喬治·韋爾的年輕物理學家站在地面上一根鎘棒的旁邊。其他的鎘 棒和硼棒都早已抽出來，現在整個鏈式反應就被這根鎘棒制止著。 演出開始了。韋爾將鎘棒抽出來一點，它還有13英尺留在反應堆里，蓋革計數 器開始咔噠咔噠地響起來，描筆移升了一點，在卷紙上繪出一道直線。費米給出更多的指令，韋爾每次把棒往外多抽一點，描筆就升到費米預先算定的那一點上，這 個點就代表了K系數的大小。格林沃爾特緊張地喘著粗氣，費米則鎮定地微笑著，因為他預先進行了嚴格周密的計算，即使那根鎘棒一下子完全抽出來，他也可以保 證反應堆可以從容自在地按預定速率開始反應，根據計算結果，反應堆發生爆炸是絕對不可能的，而且也不會失控到放射出致命劑量放射線的地步。然而網球場里的 人都是在和一種未知的東西打交道，所以小心謹慎還是至關重要的。 這樣就到了午飯時分，雖然沒有一個人做出饑餓的表示，費米還是宣布“我們 去吃午飯吧！”午飯過后，大家又各就各位，這時格林沃爾特已經非常激動了。到下午3點20分，費米對韋爾說：“把它再往外抽1英尺。”隨后轉向看臺上焦急 的人群，補充說：“這次就成了。現在反應堆將開始鏈式反應。”K系數描筆上升到了1.00，然后是1.01、1.02、1.03……1.09、1.10， “自殺隊”的3個人繃緊了肌肉等待費米發出指令。這群人注視著各種記錄儀達28分鐘之久，K系數穩定在1.09和1.10之間，反應堆的行為正如人們所料 的那樣。 尤金·魏格納（就是1939年曾致信羅斯福的那位匈牙利猶太科學家）拿出了一瓶藏在身后的意大利基安蒂葡萄酒，向費米敬酒。所有 在場的人都喝了酒，用的是紙杯子，悄然無聲，沒有祝酒。隨后大家都在酒瓶的紙標上簽了名，然后四下走散了。格林沃爾特趕回和軍方會談的那間屋子里，一口氣 宣布說：是的，按照軍方的要求著手建造反應堆，這對杜邦公司來說是完全應該的，反應堆是了不起的東西，走得像一只瑞士手表那樣精確，而且只要有費米和他的 小組那樣能干的科學家，杜邦公司就不是在冒無謂的風險。康普頓則趕回辦公室，給科學研究與發展總署成員、哈佛大學校長康南特（James Conant）通了長途電話。電話剛一接通，康普頓就說：“那位意大利航海家已經到達新大陸了。” “那么他發現當地的居民怎么樣？” “非常之友好！” |
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