把人類帶入原子彈時代的科學(xué)實驗

提起原子彈，人們首先想到的是質(zhì)能關(guān)系式 E=mc² 和愛因斯坦。大眾的普遍印象是原子彈是根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式制造出來的。E=mc² 確實能解釋原子彈的威力，但是它也能解釋農(nóng)村燒柴火做飯，內(nèi)燃機(jī)使用汽油、柴油驅(qū)動汽車。質(zhì)能關(guān)系式是普適公式，因此，它對于制造原子彈實際上并沒有什么指導(dǎo)意義。美國物理學(xué)家羅伯特·塞伯（Robert Serber，1909–1997）是曼哈頓工程負(fù)責(zé)理論的科學(xué)家，他給參加該工程的科學(xué)家講解制造原子彈的物理基礎(chǔ)的講義于1965年解密，并已出版，書名為《洛薩拉莫斯啟蒙：關(guān)于如何制造原子彈的第一批講義》（Los Alamos primer: the first lecture on how to build an atomic bomb）。以研究核物理與核武器歷史著稱的美國歷史學(xué)家理查德·羅德斯（Richard Rhodes，1937- ）在給該書寫的序言中指出：“這里完全不包括相對論（需要的所有知識是裂變釋放能量和釋放多少能量），只有很少一點量子力學(xué)。”對于制造原子彈起決定性意義的是二十世紀(jì)三十年代后期的幾個實驗，正是這幾個科學(xué)實驗的結(jié)果及其解釋，把人類帶入了原子彈時代。

圖1 洛薩拉莫斯實驗室關(guān)于制造原子彈的物理基礎(chǔ)講義的解密批準(zhǔn)頁

一、核裂變發(fā)現(xiàn)前人們對利用原子能的認(rèn)識

隨著放射性和鐳元素的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識到原子中蘊(yùn)藏著巨大的能量。1900年法國物理學(xué)家貝克勒爾（Antoine Henri Becquerel, 1852–1908,放射性的發(fā)現(xiàn)者，與居里夫婦同獲1903年諾貝爾物理獎）用物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰縼斫忉岃D持續(xù)釋放能量很高的射線而其質(zhì)量卻沒有可測量的減少這一現(xiàn)象。他所用的質(zhì)能轉(zhuǎn)化關(guān)系與 E=mc² 在同一數(shù)量級。即使如此，人們卻長期沒有找到大規(guī)模開發(fā)利用原子能的有效辦法。

1932年英國物理學(xué)家考克饒夫（John Douglas Cockcroft，1897-1967）和沃爾頓（Ernest Thomas Sinton Walton， 1903–1995）用質(zhì)子轟擊鋰靶，一個鋰核產(chǎn)生兩個8百萬電子伏特能量的 a-粒子（氦核）。考克饒夫和沃爾頓因這一工作獲得1951年的諾貝爾物理獎。雖然在考克饒夫和沃爾頓實驗中原子核分裂并產(chǎn)生大量能量，但是他們的老師盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）認(rèn)為不可能通過類似過程來利用核能。盧瑟福因證明放射性是由元素嬗變而致以及確定 a 和 b 射線的性質(zhì)獲得1908年的諾貝爾化學(xué)獎，但是他的 a 射線轟擊金箔實驗、由此提出原子行星模型的工作，以及 a 射線轟擊氮產(chǎn)生氧和氫核（質(zhì)子）從而發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的工作，是比他的獲獎工作更重要的發(fā)現(xiàn)。人們公認(rèn)他是唯一一個獲諾貝爾獎后的工作比獲獎工作更重要的科學(xué)家。匈牙利籍物理學(xué)家列奧·西拉德（Leó Szilárd，1898–1964）因為是猶太人受納粹德國排猶政策影響，當(dāng)時剛從德國來到英國不久，讀到了盧瑟福的觀點。他不贊同盧瑟福的觀點，他設(shè)想了核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其中中子可以激發(fā)產(chǎn)生能量的核反應(yīng)，同時也產(chǎn)生新的中子再激發(fā)新的核反應(yīng)，從而使能量產(chǎn)生過程自我維持下去。西拉德為中子激發(fā)的核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)登記了專利，但這只是一個設(shè)想，當(dāng)時還沒有發(fā)現(xiàn)可實現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核過程。西拉德試圖用鋇和銦來實現(xiàn)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，但是這些元素不能實現(xiàn)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

1932年英國物理學(xué)家查德威克（James Chadwick，1891–1974）通過一系列實驗證明了中子的存在，并因此獲得1935年諾貝爾物理獎。中子為實驗物理學(xué)家提供了轟擊原子核的理想工具，物理學(xué)家試圖用中子轟擊鈾核來制作超鈾元素。1934年意大利物理學(xué)家費(fèi)米（Enrico Fermi，1901-1954，因用中子轟擊靶元素產(chǎn)生放射性和超鈾元素獲得1938年諾貝爾物理獎）報告中子轟擊鈾靶后產(chǎn)生新的 b 射線源，這些新產(chǎn)生的 b 核素可能是新的超鈾元素。他測定了轟擊鈾靶后樣品中是否含鉛（原子序數(shù)82）以上的已知元素，沒有發(fā)現(xiàn)這些元素，因此，他認(rèn)為新的 b 射線源應(yīng)該是超鈾元素。德國女物理學(xué)家和化學(xué)家伊達(dá)·諾達(dá)克（Ida Noddack， 1896-1978）發(fā)文批評了費(fèi)米的推理。她認(rèn)為應(yīng)該在測量原子序數(shù)更小的元素后才能作出產(chǎn)生新超鈾元素的結(jié)論，因為鈾核被轟擊后可能產(chǎn)生兩個較輕的元素。不過諾達(dá)克本人并未做實驗驗證自己的想法，其他人也沒有認(rèn)真地對待諾達(dá)克的意見。

二、哈恩和斯特拉斯曼的實驗與邁特納和弗里施的解釋

第一個預(yù)告原子彈時代來臨的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是1938年德國化學(xué)家奧托·哈恩（Otto Hahn, 1879-1968）和弗里茨·斯特拉斯曼（Friedrich Wilhelm “Fritz” Strassmann 1902-1980）在中子轟擊鈾靶的樣品中發(fā)現(xiàn)了元素鋇的實驗。哈恩1904年到發(fā)現(xiàn)惰性氣體的英國化學(xué)家威廉·拉姆齊（William Ramsay，1852-1916，因?qū)Χ栊詺怏w的研究獲得1904年諾貝爾化學(xué)獎）在倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）的實驗室工作，開始放射化學(xué)的研究。1906年到柏林大學(xué)工作。1912年成為新成立的威廉皇帝化學(xué)研究所放射系主任。他先后發(fā)現(xiàn)了釷-228、釷-227、鐳-228、錒-228、鏷-234、鏷-231等核素。哈恩是威廉皇帝研究院最后一任院長和馬克斯·普朗克研究院第一任院長。斯特拉斯曼1933年因不滿納粹對德國化學(xué)家協(xié)會的控制而退出，因此上了黑名單。哈恩和莉澤·邁特納（Lise Meitner， 1878-1968）幫他在實驗室安排了半薪實驗助理的工作。二戰(zhàn)期間斯特拉斯曼和妻子曾將猶太人朋友藏在家中予以保護(hù)。莉澤·邁特納是奧地利的猶太人，1905年在維也納大學(xué)得到物理學(xué)博士學(xué)位（她是維也納大學(xué)的第二位女物理學(xué)博士）。長期在德國工作，是德國大學(xué)中的第一個女物理學(xué)正教授，愛因斯坦曾稱她為德國的居里夫人。1938年前因為她是奧地利人，暫時沒有受到納粹德國排猶政策的影響。

1934-1938年期間，哈恩、邁特納和斯特拉斯曼用中子轟擊鈾靶，發(fā)現(xiàn)了很多嬗變產(chǎn)物。開始，他們和不少科學(xué)家一樣認(rèn)為這些嬗變產(chǎn)物是超鈾元素。1938年德國吞并了奧地利，邁特納不再受奧地利人身份的保護(hù)。1938年7月她經(jīng)荷蘭、丹麥逃到瑞典。在策劃逃跑時，哈恩將母親留下的鉆石戒指送給邁特納以備路上賄賂之用。戰(zhàn)后邁特納為自己在1938年前對納粹德國政策的沉默表示了深刻反省和自責(zé)，并對哈恩的不作為也做了嚴(yán)詞批評。

邁特納逃走后，哈恩和斯特拉斯曼繼續(xù)進(jìn)行中子轟擊鈾靶的實驗。他們發(fā)現(xiàn)中子轟擊后的樣品中的元素像是鋇。1938年11月哈恩到哥本哈根與玻爾（Niels Henrik David Bohr， 1885-1962，因?qū)υ咏Y(jié)構(gòu)和量子理論的貢獻(xiàn)獲1922年諾貝爾物理獎，量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派領(lǐng)頭人）和邁特納討論了他們的發(fā)現(xiàn)。1938年12月，哈恩和斯特拉斯曼在仔細(xì)鑒定核反應(yīng)產(chǎn)物后，肯定其中之一非常可能是放射性鋇。樣品中發(fā)現(xiàn)了元素鋇，說明中子轟擊鈾靶產(chǎn)生的不都是超鈾元素，而可能是伊達(dá)·諾達(dá)克猜想的鈾核分裂為較輕元素。1938年12月19日哈恩將這一結(jié)果寫信告知自己的長期合作者邁特納：“我們越來越接近一個可怕的結(jié)論：我們的鐳同位素性狀不像鐳，而像鋇。…… 也許你能提供一個絕妙的解釋。我們自己認(rèn)識到它不可能實際上分裂成鋇。”（we aremore and more coming to the awful conclusion that our Ra isotopes behave notlike Ra, but like Ba. … Perhaps you can suggest some fantastic explanation. We ourselves realize that it can’t really burst into Ba.）1938年12月22日哈恩投稿 Naturwissenschaften（自然科學(xué)）報告他們的發(fā)現(xiàn)，中子轟擊鈾靶的產(chǎn)物可能不是以前認(rèn)為的超鈾元素，而是锝和鉑族金屬。到1939年1月，哈恩發(fā)表了修改版，肯定他們發(fā)現(xiàn)的是鋇、鑭、鈰等較輕的元素。1938年圣誕節(jié)，奧托·弗里施（Otto Robert Frisch， 1904 –1979）到瑞典看望自己姨母邁特納，他們認(rèn)為哈恩和斯特拉斯曼實驗中，中子轟擊鈾核使其分裂為質(zhì)量相近的兩個較輕元素，鋇和氪，并釋放數(shù)個中子和大量能量，弗里施使用”裂變”（fission）來命名這一過程。他們用原子核的“油滴模型”(droplet model)來解釋這一過程，并提出自然中沒有穩(wěn)定超鈾元素的原因是過多質(zhì)子形成的靜電斥力超過了強(qiáng)相互作用核力。邁特納和弗里施的猶太人身份，使哈恩和斯特拉斯曼不能與他們發(fā)表同一篇文章。邁特納和弗里施的文章發(fā)表在1939年2月11日的 Nature 雜志。瑞典皇家科學(xué)院在1945年11月15日宣布，因哈恩發(fā)現(xiàn)核裂變將1944年的諾貝爾化學(xué)獎授予哈恩。不少當(dāng)代學(xué)者認(rèn)為邁特納或邁特納和弗里施應(yīng)該因同一工作得到諾貝爾物理獎。

三、弗里施的中子轟擊鈾核產(chǎn)生較輕元素實驗

弗里施本來也在德國工作。希特勒1933年上臺后，弗里施因擔(dān)心受納粹迫害離開德國到英國。先在倫敦大學(xué)的 Birkbeck 學(xué)院工作，然后到丹麥哥本哈根大學(xué)玻爾的理論物理研究所工作。在與姨母邁特納完成對哈恩和斯特拉斯曼實驗結(jié)果的解釋后。弗里施回到實驗室用實驗證明他們的解釋，中子轟擊鈾核導(dǎo)致鈾核裂變成兩個較輕的元素。弗里施實驗用鈾襯電離室壁，電離室連接到線性放大器，放大器的靈敏度調(diào)到只對>5×10⁵個離子對的事件有反應(yīng)；以300毫克混有鈹?shù)蔫D做中子源，放在離鈾襯里1厘米處。弗里施發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)果符合中子轟擊鈾核產(chǎn)生原子序數(shù)40-45、原子質(zhì)量100-150的元素；用釷做襯里的結(jié)果與鈾相似。當(dāng)沒有中子源或鈾襯里時，放大器數(shù)小時內(nèi)沒有記錄到任何電脈沖。當(dāng)中子源放在4厘米處時，用石蠟包裹中子源可以將效應(yīng)加倍。記錄到的脈沖數(shù)與中子源的強(qiáng)度呈線性關(guān)系。弗里施的實驗在1939年1月13日完成。邁特納和弗里施解釋哈恩和斯特拉斯曼實驗結(jié)果的文章與弗里施的實驗文章都在1月16日投稿 Nature 雜志。弗里施的實驗文章發(fā)表在1939年2月18日的 Nature，兩篇文章同時投出，發(fā)表僅相距一星期。他們把文稿也送給了玻爾。玻爾在1月20日寫了一篇分析討論他們工作的文章，也投給 Nature。玻爾的文章發(fā)表在1939年2月25日的Nature，即弗里施的實驗文章一星期之后。據(jù)弗里施回憶，他的實驗是由當(dāng)時流亡丹麥的捷克物理學(xué)家普拉切克（Georg Placzek， 1905-1955)）建議的。這一建議是普拉切克在1939年1月離開丹麥去美國前做出的，玻爾當(dāng)時已去美國普林斯頓大學(xué)。普拉切克也是猶太人，父母和一個妹妹后來死在納粹集中營。

四、哈爾班等人證明鈾核分裂二代中子足夠維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的實驗

邁特納和弗里施解釋哈恩和斯特拉斯曼實驗結(jié)果的文章與弗里施的實驗文章發(fā)表后，法國巴黎物理學(xué)家約里奧-居里（Jean Frédéric Joliot-Curie，1900 –1958）的實驗室也開始了這方面的研究。弗雷德里克·約里奧-居里是居里夫婦的長女伊雷娜·約里奧-居里（Irène Joliot-Curie，1897-1956）的丈夫，兩人因為對人工放射性的研究而獲得1935年諾貝爾化學(xué)獎。德國出生的物理學(xué)家哈爾班（Hans Heinrich von Halban，1908-1964）1937年到約里奧-居里的實驗室工作，哈爾班也是猶太人。當(dāng)時在約里奧-居里實驗室工作的還有俄羅斯出生的物理學(xué)家廖·科瓦爾斯基（Lew Kowarski， 1907-1979）和法國物理學(xué)家佩林（Francis Perrin， 1901-1992）。科瓦爾斯基也是猶太人。哈爾班、約里奧-居里和科瓦爾斯基測量了鐳-鈹中子源發(fā)出的中子束經(jīng)過不同距離的硝酸銨或硝酸鈾溶液后的中子密度。當(dāng)距離較短時，經(jīng)過硝酸銨溶液的中子密度高于經(jīng)過硝酸鈾溶液；當(dāng)距離較長時，經(jīng)過硝酸銨溶液的中子密度低于經(jīng)過硝酸鈾溶液。這一實驗證明中子轟擊鈾核分裂可以產(chǎn)生二代中子。這一工作發(fā)表于1939年3月18日的 Nature。哈爾班、約里奧-居里和科瓦爾斯基進(jìn)一步分析了中子轟擊鈾核二代中子的產(chǎn)量，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一代與二代中子比例必須大于1。他們的分析顯示一代與二代中子比例大于1，核能開發(fā)和原子彈的可行性是存在的。他們的文章發(fā)表在1939年4月22日的 Nature 上。

在德軍1940年5月占領(lǐng)巴黎之前，約里奧-居里讓哈爾班和科瓦爾斯基帶著他們的實驗記錄、論文、1克鐳和26桶重水（當(dāng)時世界全部的重水庫存）逃到了英國。英國政府邀請他們到劍橋大學(xué)繼續(xù)他們的研究。哈爾班和科瓦爾斯基的部分關(guān)于建設(shè)核反應(yīng)堆的論文在查德威克的建議下因當(dāng)時不適宜發(fā)表而封存。英美政府決定合作發(fā)展原子彈后，哈爾班1942年被英國政府任命為加拿大蒙特利爾實驗室負(fù)責(zé)人，蒙特利爾實驗室是曼哈頓工程的一部分。后來科瓦爾斯基也來到蒙特利爾實驗室。約里奧-居里在二戰(zhàn)期間一直留在法國，秘密參加了法國的抵抗運(yùn)動。不過負(fù)責(zé)曼哈頓工程的美軍將領(lǐng)格羅夫斯在他的回憶錄《現(xiàn)在可以說了》中卻表示了在盟軍解放巴黎后他對約里奧-居里的不信任。格羅夫斯回憶說，雖然約里奧-居里他們在巴黎解放時都戴著法國抵抗運(yùn)動的標(biāo)志，但是他知道約里奧-居里實驗室在德軍占領(lǐng)期間保持著與德國科學(xué)家的聯(lián)系。

哈恩-斯特拉斯曼實驗及邁特納和弗里施的理論解釋、弗里施實驗、哈爾班-約里奧-居里-科瓦爾斯基實驗提供了制造原子彈的實驗基礎(chǔ)。羅伯特·塞伯給參加曼哈頓該工程的科學(xué)家講解制造原子彈的物理基礎(chǔ)的講義主要是關(guān)于這幾個實驗及其分析。

五、費(fèi)米等人的實驗

意大利物理學(xué)家費(fèi)米因用中子轟擊靶元素產(chǎn)生放射性和超鈾元素獲得1938年諾貝爾物理獎。他到斯德哥爾摩領(lǐng)取諾貝爾獎后沒有回國，而是與全家前往美國，于1939年1月2日到達(dá)紐約市。五所大學(xué)向他提供了教授職位，他最后決定到哥倫比亞大學(xué)工作。費(fèi)米離開意大利的主要原因是意大利政府在1938年頒布了種族法，而費(fèi)米的妻子是猶太人。

玻爾1939年1月到普林斯頓大學(xué)講學(xué)，帶來了哈恩-斯特拉斯曼實驗及邁特納與弗里施的理論解釋和弗里施實驗的信息。兩位哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家，拉比（IsidorIsaac Rabi，1898 –1988）和蘭姆（Willis EugeneLamb, Jr. 1913 –2008），正在普林斯頓大學(xué)工作，他們把信息帶回給費(fèi)米。拉比是波蘭出生的猶太人，在美國長大，因發(fā)現(xiàn)核磁共振獲得1944年諾貝爾物理獎。蘭姆因氫光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)方面的發(fā)現(xiàn)獲得1955年諾貝爾物理獎。拉比和蘭姆帶回的這個消息對費(fèi)米來說是有點尷尬，因為這些發(fā)現(xiàn)說明諾達(dá)克是正確的，而費(fèi)米否定了她的意見，并且費(fèi)米剛得到的諾貝爾獎的部分原因是發(fā)現(xiàn)“超鈾元素”。

得到這個消息后，費(fèi)米和哥倫比亞大學(xué)的其他物理學(xué)家決定重復(fù)上述實驗，測定裂變釋放的能量。他們在1939年1月25日做了實驗，實驗團(tuán)隊包括美國物理學(xué)家安德森（Herbert Lawrence Anderson， 1914-1988）、布斯（EugeneTheodore Booth，1912-2004）、鄧寧（John Ray Dunning， 1907-1975）、格拉索（G. NorrisGlasoe，1902-1987）、斯拉克（FrancisGoddard Slack，1897-1985）。他們的文章《鈾的裂變》（Fissionof uranium）后來發(fā)表在1939年3月1日出版的《物理評論》（PhysicalReview），安德森為第一作者。第二天，喬治·華盛頓大學(xué)和華盛頓的卡內(nèi)基研究所資助的第五屆理論物理華盛頓會議在華盛頓市召開，玻爾和費(fèi)米在會上公開討論了鈾裂變。核裂變的消息得到更廣泛的傳播，更多人重復(fù)這些實驗。

哈爾班、約里奧-居里和科瓦爾斯基的實驗是在1939年3月8日完成的。費(fèi)米、安德森、漢斯坦（H. B. Hanstein）、西拉德、齊恩（Walter HenryZinn， 1906-2000）在1939年3月15日也完成了同一實驗。1939年3月18日費(fèi)米到美國海軍部做了關(guān)于核能潛在影響的講演，得到海軍1500美元的經(jīng)費(fèi)資助。安德森、費(fèi)米和漢斯坦的中子轟擊鈾核產(chǎn)生中子的文章發(fā)表在4月15日的《物理評論》。在1939年4月，哈爾班、約里奧-居里和科瓦爾斯基的得出每個裂變鈾核產(chǎn)生2-3個中子的結(jié)論，安德森、費(fèi)米和西拉德等人也獨(dú)立得到了同樣結(jié)論。美國、英國、法國、德國和蘇聯(lián)的科學(xué)家都開始尋求政府對裂變研究的支持。安德森、費(fèi)米和西拉德關(guān)于鈾產(chǎn)生和吸收中子的文章發(fā)表在8月1日的《物理評論》。

六、臨界質(zhì)量分析和英國的 MAUD 委員會與“管合金”計劃

要想制造原子彈，二代中子必須在飛出鈾材料之前撞擊到能裂變的鈾核，從而產(chǎn)生下一代中子。能維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裂變材料最小質(zhì)量為臨界質(zhì)量。不同裂變材料的臨界質(zhì)量不同，鈾材料中有效的裂變同位素是鈾-235。關(guān)于發(fā)現(xiàn)鈾-235是裂變材料有一個普拉切克到美國與玻爾會合后的故事。1939年2月3日早餐后，玻爾看到普拉切克和比利時物理學(xué)家羅森菲爾德（Léon Rosenfeld，1904–1974) 一起聊天。他們在討論邁特納和弗里施解釋哈恩和斯特拉斯曼實驗結(jié)果的文章與弗里施的實驗，玻爾聽到這里，笑道：“他們工作帶來的一個好處是我們不用操心超鈾元素了。”普拉切克回應(yīng)道：“是的，但是現(xiàn)在的情況更糟。你怎么把它與你的核反應(yīng)理論協(xié)調(diào)起來？”普拉切克問玻爾，怎樣解釋慢中子而不是快中子引起鈾核裂變？怎樣解釋慢中子引起鈾核裂變而被釷核吸收？據(jù)說玻爾聽到這里，臉馬上變白，拉起羅森菲爾德，穿過校園回到他的辦公室。他走到黑板前開始工作，畫了一些草圖，十分鐘后停了下來。他已經(jīng)得到普拉切克關(guān)于鈾核裂變問題的答案：慢中子的引致裂變截面一定是由于鈾中的少量鈾-235；隨著能量降低，慢中子波長增加，截面增加。玻爾的這一鈾-235是裂變材料的結(jié)論并沒有廣泛傳播出去。

有一項理論分析可能對發(fā)展原子彈競賽的結(jié)果產(chǎn)生了重大影響。1939年5月1日在約里奧-居里實驗室工作的佩林在法國科學(xué)院通報（Comptes Rendus）發(fā)表了對鈾臨界質(zhì)量的分析，他的結(jié)論是鈾維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界質(zhì)量在數(shù)頓以上。在這樣的質(zhì)量下，裂變材料可能在爆炸之前就會因過熱而散失，因此，不能制造核彈。佩林的計算使約里奧-居里實驗室的工作從此轉(zhuǎn)向可控核反應(yīng)堆，德國可能也因此沒有開展像樣的核武器計劃。歐戰(zhàn)結(jié)束時，格羅夫斯將軍隨盟軍到德國接收核物理研究設(shè)施，發(fā)現(xiàn)德國核武器研究沒有什么實質(zhì)進(jìn)展。

1939年夏天弗里施離開丹麥到英國短期訪問，戰(zhàn)爭爆發(fā)使他滯留。1940年2月，弗里施和魯?shù)婪颉づ蔂査梗≧udolf Ernst Peierls, 1907 –1995）計算出用鈾235維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界質(zhì)量為1千克左右，從理論上證明原子彈的實用性。派爾斯是德國出生的猶太人，希特勒上臺時，他正由洛克菲勒獎學(xué)金資助在劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)，就留在英國工作。弗里施和派爾斯合寫了弗里施-派爾斯備忘錄。在弗里施和派爾斯的工作之前，人們普遍認(rèn)為鈾的臨界質(zhì)量在數(shù)頓以上，即使可以制造原子彈，也不實用。弗里施-派爾斯備忘錄第一次指明用少量可裂變鈾-235制造原子彈，通過普通炸藥把裂變材料聚到一起形成臨界質(zhì)量。備忘錄也估計了爆炸的效應(yīng)，從開始的沖擊波到最后的放射性塵埃。他倆把文章送給他們的教授奧列芬特（Marcus”Mark” Laurence Elwin Oliphant，1901 –2000），奧列芬特通知了英國陸軍防空科學(xué)調(diào)查委員會主席蒂澤德（Henry Thomas Tizard，1885–1959）。1940年3月，弗里施-派爾斯備忘錄促使蒂澤德成立了鈾引爆軍事應(yīng)用（Military Application of UraniumDetonation, MAUD）委員會，主席為物理學(xué)家湯姆森（George Paget Thomson, 1892 –1975，因發(fā)現(xiàn)電子的波動性獲1937年諾貝爾物理獎），成員有奧列芬特、物理學(xué)家布萊克特（Patrick Maynard Stuart Blackett, 1897 –1974)）、查德威克、物理學(xué)家穆恩（Philip Burton Moon，1907 –1994）、考克饒夫。在弗里施-派爾斯備忘錄基礎(chǔ)上，英國開始了代號“管合金”（Tube Alloys）的原子彈發(fā)展計劃。

七、愛因斯坦-西拉德給羅斯福總統(tǒng)的信和美國政府的行動

哈恩和斯特拉斯曼、邁特納和弗里施、弗里施、哈爾班等人的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)界像受了電擊一樣，在美國工作的物理學(xué)家尤其是從歐洲來到美國的猶太人物理學(xué)家對他們工 作的意義有更深刻的認(rèn)識。因為這些發(fā)現(xiàn)可用于制造核武器，而德國具有這方面的知識和人才，所以一旦德國早于其他國家發(fā)展出原子彈，世界歷史的進(jìn)程就會受到 影響。1939年7月西拉德在與特勒（Edward Teller， 1908-2003，物理學(xué)家，后來的美國氫彈之父）和維格納（Eugene Paul “E. P.” Wigner,1902-1995，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家） 商討后，決定勸說愛因斯坦與西拉德一起寫信給羅斯福總統(tǒng)，提醒他最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)使制造威力巨大的核武器成為可能，德國可能正在開展原子彈研究，建議美國開展 核武器研究，敦促美國政府獲取和儲存鈾礦石，并支持費(fèi)米等人進(jìn)行核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的研究。特勒和維格納都是匈牙利出生的猶太人。西拉德兩次拜訪愛因斯坦，1939年8月2日寫成給羅斯福總統(tǒng)的信。10月11日該信由美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家和銀行家薩克斯（Alexander Sachs， 1893-1973，猶太人）轉(zhuǎn)交給羅斯福總統(tǒng)。

羅斯福總統(tǒng)收到信后，決定成立鈾顧問委員會，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局局長布里格斯（Lyman James Briggs， 1874-1963）擔(dān)任鈾顧問委員會主任。布里格斯在1939年10月21日召集了鈾顧問委員會第一次會議，出席的成員有西拉德、維格納和特勒。鈾顧問委員會給羅斯福總統(tǒng)的報告認(rèn)為，“鈾可能提供制造比任何已知的東西破壞力更為巨大的炸彈的材料”，并決定提供6000美元經(jīng)費(fèi)支持哥倫比亞大學(xué)費(fèi)米和西拉德的中子實驗。

1940年6月27日羅斯福總統(tǒng)發(fā)布命令成立國防研究委員會（ National Defense Research Committee ）作為國防委員會（Council of National Defense）的一個組成部分，并任命卡內(nèi)基研究所主任布什（Vannevar Bush, 1890-1974)為國防研究委員會主席。成員包括海軍少將博文（Harold G. Bowen）、專利署長科（Conway P. Coe）、馬薩諸塞理工學(xué)院校長卡爾·康普頓（Karl Taylor Compton， 1887 –1954，著名物理學(xué)家，1930-1948年任馬薩諸塞理工學(xué)院校長，但不是發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的阿瑟·康普頓）、哈佛大學(xué)校長化學(xué)家科南特（James Bryant Conant， 1893-1978，1933-1953年任哈佛大學(xué)校長）、國家科學(xué)院院長和貝爾實驗室總裁朱厄特（Frank Baldwin Jewett，1879-1949）、陸軍準(zhǔn)將斯特朗（George Veazey Strong，1880-1946）、加州理工學(xué)院物理化學(xué)和數(shù)學(xué)物理教授托爾曼（Richard ChaceTolman， 1881-1948)）。1940年7月2日的第一次會議上托爾曼被選為國防研究委員會副主席。斯特朗1941年1月17日由陸軍準(zhǔn)將摩爾（R.C.Moore）接替。

1941年3月卡內(nèi)基研究所地磁系測量了鈾-235快裂變截面。根據(jù)他們的測量結(jié)果，派爾斯計算鈾-235臨界質(zhì)量作為裸球為18磅，被包裹在反射裝置內(nèi)時為9磅。同月，MAUD 委員會形成一份關(guān)于快速裂變對原子彈設(shè)計的重要性的報告，并送給美國鈾委員會一副本。在英美科學(xué)家的推動下，國防研究委員會主任布什決定進(jìn)一步調(diào)查核能前景，由康普頓和國家科學(xué)院的人參與。他們發(fā)表了一個報告，但沒用涉及原子彈的設(shè)計和制造。

1941年6月28日羅斯福總統(tǒng)發(fā)布命令成立科學(xué)研究與發(fā)展辦公室（Office of Scientific Research andDevelopment）取代國防研究委員會所有職能并有更大權(quán)力，由布什擔(dān)任主任并由羅斯福總統(tǒng)直接領(lǐng)導(dǎo)。國防研究委員會則重組為科學(xué)研究與發(fā)展辦公室的咨詢顧問機(jī)構(gòu)，主席為科南特，副主席托爾曼，成員有化學(xué)家亞當(dāng)斯（Roger Adams， 1889 –1971）、卡爾·康普頓、朱厄特、專利署長和陸海軍代表。1941年7月1日布什決定親自負(fù)責(zé)所有裂變研究，鈾顧問委員會成為國防研究委員會的負(fù)責(zé) S-1工程的 S-1鈾委員會，其主任布里格斯的直接領(lǐng)導(dǎo)是布什。

八、MAUD 委員會報告和曼哈頓工程的開始

MAUD 委員會在1941年7月最后形成了兩份報告，一份關(guān)于核武器，認(rèn)為制造原子彈是可能的，并且可以及時制造出來影響戰(zhàn)爭結(jié)果，主張與美國合作發(fā)展；另一份關(guān)于和平利用核能。MAUD 委員會的報告送給擔(dān)任美國國家標(biāo)準(zhǔn)局局長和鈾委員會主任的布里格斯（Lyman James Briggs， 1874 –1963），但沒有引起足夠重視。1941年8月奧列芬特飛到美國，發(fā)現(xiàn)布里格斯把 MAUD 委員會的報告鎖在自己的保險柜里，還沒有與鈾委員會成員分享。奧列芬特會見了鈾委員會的成員，包括新成員美國物理學(xué)家阿里森（Samuel King Allison，1900 –1965），強(qiáng)調(diào)發(fā)展原子彈的重要性、可行性和緊迫性及英國目前缺乏足夠資源完成原子彈開發(fā)項目。然后奧列芬特訪問了朋友，物理學(xué)家勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence， 1901 –1958，因發(fā)明回旋加速器獲得1939年諾貝爾物理獎）、科南特和費(fèi)米。勞倫斯也聯(lián)系了科南特和物理學(xué)家康普頓（Arthur Holly Compton， 1892 –1962，因發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)獲1927年諾貝爾物理獎）。奧列芬特成功地讓他們相信發(fā)展原子彈的重要性、可行性和緊迫性，一起推動美國政府開始發(fā)展原子彈。

1941年10月9日科學(xué)研究與發(fā)展辦公室主任布什把 MAUD 委員會的最終報告送交羅斯福總統(tǒng)，羅斯福總統(tǒng)、華萊士副總統(tǒng)和布什開會討論了發(fā)展原子彈問題。羅斯福總統(tǒng)批準(zhǔn)了發(fā)展原子彈計劃，并同意與英國合作。1941年10月11日羅斯福總統(tǒng)致電英國首相丘吉爾建議雙方在原子能問題上合作。1941年12月6日布什召集會議決定加速阿瑟·康普頓負(fù)責(zé)的鈾-235研究計劃，物理化學(xué)家尤里（Harold Clayton Urey，1893 –1981）研究氣體擴(kuò)散法富集鈾-235，勞倫斯研究電磁富集技術(shù)。尤里因發(fā)現(xiàn)氘獲得1934年諾貝爾化學(xué)獎，他在生命的化學(xué)起源理論方面也做出了重要貢獻(xiàn)。1941年12月18日決定S-1分部（S-1 Section）的主要任務(wù)是發(fā)展鈾為材料的炸彈。1942年1月羅斯福總統(tǒng)授權(quán)全力發(fā)展核武器，開始了以制造原子彈為目標(biāo)的大規(guī)模研發(fā)工程。1942年6月17日羅斯福總統(tǒng)批準(zhǔn)布什的建議，解散S-1分部，成立以柯南特為主席的S-1 執(zhí)行委員會（S-1 Executive Committee），成員有布里格斯、阿瑟·康普頓、勞倫斯、尤里、化學(xué)家莫弗瑞（Eger Vaughan Murphree， 1898 –1962）。1942年8月13日美國陸軍工程兵團(tuán)設(shè)立了以研制原子彈為目標(biāo)的曼哈頓工程。1942年9月23日格羅夫斯上校（Leslie Richard Groves, Jr. 1896 –1970）被任命為曼哈頓工程負(fù)責(zé)人，并被提升為準(zhǔn)將。1943年蘇聯(lián)內(nèi)務(wù)部情報人員得到了MAUD委員會的報告，蘇聯(lián)也開始了發(fā)展、制造原子彈的項目，由核物理學(xué)家?guī)鞝柷⊥蟹颍↖gor Vasilyevich Kurchatov，俄語И?горьВаси?льевич Курча?тов; 1903 –1960）負(fù)責(zé)。

弗里施-派爾斯備忘錄的理論計算是美國大力投入曼哈頓工程的重要原因之一。對原子彈發(fā)展最重要的實驗發(fā)現(xiàn)及理論解釋是哈恩和斯特拉斯曼、邁特納和弗里施、弗里施、哈爾班和約里奧-居里及科瓦爾斯基、弗里施和派爾斯等人的工作，《洛薩拉莫斯啟蒙：關(guān)于如何制造原子彈的第一批講義》講的也就是這些工作。到此，制造原子彈的實驗基礎(chǔ)、理論基礎(chǔ)和政治決心都已經(jīng)完成，the rest is history。