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核裂变的发现不是科学家能够接受或拒绝的浮士德式交易

理查德·罗兹

2024-01-03 16:07

【编者按】

1945年8月6日8时16分02秒，人类历史上第一枚用于实战的原子弹在广岛上空被引爆，爆炸当量相当于1.25万吨TNT。3天后，是长崎。8月15日，日本宣布无条件投降，两枚原子弹为死伤人数过亿的第二次世界大战画上了句号。

论及原子弹的诞生，很多人的第一反应往往是美国于1942年发起，倾举国之力的“曼哈顿工程”。但事实上，要想追溯原子弹之路，还需要把时间往前推半个世纪。在《横空出世：核物理与原子弹的诞生》中，作者从J. J.汤姆孙发现电子，拉开人类对原子构成认识的帷幕讲起，之后，在物理学史上最群星闪耀的半个世纪里，卢瑟福、居里夫人、爱因斯坦、玻尔、海森伯、薛定谔、查德威克、奥托·哈恩和莉泽·迈特纳等陆续登场，随之而来的是质子和中子、放射性、质能关系、量子世界以及核裂变的发现。人类，窥见了原子核中蕴含的巨大能量。本文为该书中文版序，澎湃新闻经中信出版集团授权发布。

1938年12月下旬，德国的一个化学实验室成功实现了核裂变，这开辟了探索威力强大的新能源的道路。这个发现很快就被公之于众。当时，世界并没有处于战争状态，况且科学的进步有赖于新的科学发现能自由地传播。1939年1月，核裂变的发现者，物理学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼将他们的实验结果发表在了德国科学期刊《自然科学》上。一个月后，又一份报告接踵而来。这份由奥地利理论物理学家莉泽·迈特纳和奥托·弗里施发表在英文科学期刊《自然》上的报告对新近发现的核反应做了物理学阐释。正是迈特纳和弗里施给这种新反应起名为“核裂变”，类比于被称作二分裂变的活细胞的分裂过程。

核裂变时，重金属元素（例如铀金属）的原子核因受到中子轰击而被扰动，摇晃并颤动成哑铃状，而后分裂成两个更小的部分。这两部分都带有正电荷，以巨大的能量排斥对方，同时各自重组成新元素的原子——氪和钡。这两种原子由铀原子核产生，原子序数之和等于铀的原子序数。（铀为92号元素，氪为36号元素，钡为56号元素，36+56=92。在哈恩和施特拉斯曼用中子轰击铀硝酸盐的实验中，正是钡的不期而至使他们意识到部分铀原子发生了分裂。）在裂变碎片的重组过程中，一小部分质量转化成了能量。迈特纳和弗里施利用爱因斯坦著名的方程E=mc²（能量等于质量乘以光速的平方）计算出了这一过程释放的能量的大小。他们发现，对于任何一个裂变的原子，释放的能量约等于处于轰击状态的中子能量的两亿倍之多。

在世界范围内，那些看过这些核反应报告的物理学家很快就明白了它所具有的革命性意义：有这么一个过程，只需借助低能量、室温下的少量中子，就能促使相当于上百万摄氏度的巨大能量释放出来。在黑板上和信封背面，各地的物理学家们迅速地计算出了它可能带来的结果：开发一种新能源，它驱动轮船以及发电的效率比煤炭燃烧高出6个数量级；再就是制造摧毁力不可想象的炸弹。此时距离“二战”在欧洲拉开序幕的标志性事件——1939年9月1日德国入侵波兰——还有不到9个月的时间。这种新发现的核反应被第一次尝试投入应用将不可避免地是制造一种新的具有强大摧毁力的爆炸物——原子弹。

今天，我们很难想象当初核裂变的发现引起了多大的轰动，各大报纸均以醒目的标题向全世界报道了此事。在哈恩—施特拉斯曼和迈特纳—弗里施论文发表的一年中，足足有100项更深入的调查研究发表在各种科学期刊上。一个加快个体裂变的关键过程在1939年4月发表的一篇文章中被揭示，这一过程是由不断产生的继发性中子形成一个呈指数式增长的链式反应。在这一发现之后不到一年的时间内，一名握有希特勒企图征服世界第一手资料的犹太流亡物理学家与爱因斯坦一同起草了一封信，向当时的美国总统罗斯福发出警报。到1941年初，加利福尼亚大学的化学家们已经通过用中子轰击铀分离出了一种新的人造元素钚，并且很快测定出它的分裂能力是铀的2倍多：如果他们需要约15千克的铀-235（一种稀有的铀同位素）来产生最大限度的核爆炸，那么只需要大约6千克的钚就能达到同样的效果。同样是到1941年，美国政府才在本土开始接管铀的研究工作，他们认为纳粹德国已经着手制造原子弹，因而下定决心要抢在德国之前制造出原子弹，否则将有一场浩劫。

那些在美国参与制造第一批原子弹的科学家后来遭到了指责，他们被质问为什么同意制造原子弹。责难者想知道的是，这些原子科学家在原本可以达成协议，对外隐瞒存在制造核弹的可能性时，为何又选择参与制造这种大规模杀伤性武器。这种指责是德国中世纪浮士德传说的一个变种。在这一古老的传说中，浮士德就是一个为了换取知识和权力，不惜出卖自己的灵魂，与魔鬼订立契约的学者。

原子科学家们真的是在进行浮士德式的交易吗？这种推测源于对科学家工作方式的一种误解。科学是按照人类学家称之为“礼物交换”（gift exchange）的方式运作的：某位科学家将其实验结果公之于众，其他科学家通过研究这些成果找到线索，做进一步的研究，得到进一步的发现，并相应地将结果公布出来。只有这样，科学知识才会朝更加广阔的前沿和更尖的尖端迈进，每位科学家的发现都会促使这项集体工作向前发展。也正是因为每位思维敏捷的科学家能够在同一知识层面工作，科学上的突破才往往在差不多同一时段在世界各地不同的实验室内相继发生，有时只差几天或几小时。

1938年，许多物理学家都在思考用中子轰击铀会发生什么。如果哈恩与施特拉斯曼没有意识到他们的铀实验中产生了钡，也会有其他人独立发现这一点。为了写这本书，我曾采访过几位1938年正在加利福尼亚大学工作的科学家，他们向我表达了与核裂变的发现失之交臂的极大失望之情。在他们看来，这个发现仅用实验室里现成的仪器和材料便能完成。其中一个人形容条件已经“成熟过头”。当哈恩和施特拉斯曼的实验结果传来时，他们立即冲进实验室，重复了这项实验并进行了必要的检测，然后才意识到核裂变一直都在眼前，只是自己过去没能理解这一异常现象。

第一份发现核裂变的报告公布后，1939年1月至2月间，世界上每一个技术先进的国家都对核裂变开展了不同程度的研究。它们之所以这样做，显然是因为这种新反应从一开始就很可能会被用来发展一种威力强大、没有任何防御措施可以抵挡的新型炸弹，除非大家以此武器互相要挟。在这一最初阶段，中国是罕见的没有采取行动的国家。中国当时已经卷入战争，正全力以赴与日本作战。法国在遭德国入侵并沦陷后也停止了核研究，战后才得以继续。苏联在1941年6月被德国突袭后也因疲于自保而没有开展核研究。1943年，在通过一些间谍情报获悉英美在进行一项高级计划后，苏联才投入了有限的人力物力。日本在实验室内对从浓缩铀到核弹的可能性进行了研究，但由于战争中物资匮乏而无力开始工业级别的生产。德国科学家则害怕给杀人成性的独裁者希特勒承诺太多却不能兑现，因而没有继续下去。不管怎样，这个德国元首对火箭的兴趣远胜于核弹。当时只有英美两国联手才有能力和机遇在战争时期研发核武器，即使这样，原子弹也只是在德国被打败、“二战”已接近尾声之际才研制成功，勉强来得及用来对付日本。

因此，无论是否被用于军事目的，核裂变的发现都不是科学家能够接受或拒绝的浮士德式的交易。核裂变的发现不是孤立的，是从科学知识的历史积淀中涌现出来的，况且，在科学发现中也不存在甄别道德好坏的过滤器。领导在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯制造第一批原子弹的美国理论物理学家奥本海默曾一针见血地指出：“科学中深层的内容被发现并不是因为它们有用，而是因为它们能被发现。这是一个深刻而必然的真理。”

为检验核裂变发现的历史以及科学背景，这本书并不以这次发现作为开场，而是追溯到38年前。那时，电子和X射线的发现使世界范围内的科学家紧锣密鼓地开始了测定原子辐射的各种能量以及这些能量的组成的工作。这个新的学术领域被称为核物理。它在世界大战和全球动荡的局面下得到发展。数百万人在泥泞的战壕中丧生，不断的空袭已经使政府对城市被毁以及大量平民死亡变得麻木。战火蔓延到非军事区，死亡人数与日俱增。如果用图表来描述从1世纪到20世纪因战争死亡的人数，可以发现它大约是按指数增长的，在1940年至1945年间达到顶峰，约有7500万人因战争而丧生。

核武器在1945年的出现突然扭转了死亡人数增加的局面。此后，每年在战争中死亡的人数不过一二百万。这样的数字固然触目惊心，却与每年因吸烟而死亡的人数相当。1945年后发生的某事使这些国家发动大规模战争的意愿降低了。

各民族国家之间不再进行大规模屠杀，对此，最可靠的解释是大家不愿意冒险使自己的家园毁于核武器的报复式打击中。权力之所以起作用，往往在于它能提供一个稳定的权力基础，让一个地区或者一个国家掌握在权力精英能控制的范围内。核武器使这一权力基础处于极其危险的境地，权力精英也相应地控制了他们的野心。这就是为什么一个国家拥有了核武器之后往往并不像它的对手们常预期的那样引发更多的战争，而是正好相反。中国在1964年10月准备试验第一批核武器的举动被美国政府认为是对美国安全的一次极大胆的挑衅，以至于当时的美国总统林登·约翰逊很认真地考虑是否用常规武器或者核武器来袭击罗布泊的试验场。理智终究占了上风。中国也成了一个常规核武器国，给其他有核国家树立了一个榜样：限制核武器的数量，以最低威慑的姿态出现，这比美国和苏联更具恐吓性的强大威慑姿态要好得多。

核武器的出现带给世界的恐惧被称为存在性威慑（existential deterrence）。它并没有终结战争，但限制了战争的规模。在长达65年的时间里，出乎意料地没有一颗核弹爆发于怒火之中。尽管如此，存在性威慑有一个致命的缺点：它要求敌方有资产，从而不敢冒被核武器报复的风险。这么说吧，需要有个可以作为核攻击目标的“家庭住址”。这表明在阻止侵略方面，威慑理论对于民族国家来说是成立的，但对于一个恐怖组织来说，它未必起作用。

一个恐怖组织拥有极少需要保护的资产。如果一个恐怖组织获得了核武器——或者通过窃取，或者（可能性不大）通过窃取来的高浓缩铀（由于技术原因，不可能窃取到钚）制造出一个或多个核武器——理论上他们可以毫无顾忌地使用这些武器。然而，一个即使仅有几千吨当量的核武器在世界上任何一个主要城市爆炸，都将是一个世界性的灾难，很可能会带来大范围的经济崩溃以及一场新的核军备竞赛。

伴随着美苏冷战的结束以及十年之后宗教激进组织的出现，来自恐怖分子的核攻击威胁已经成为有核国家相信自己会面临的主要挑战。尽管老牌的核大国不愿意考虑放弃他们的核武库，但对于恐怖分子的核威胁而言，除此之外别无他法。世界开始向消除核武器的方向发展，这一趋势的产生虽然有其他一些原因，但在任何一个国家首脑眼中，没有什么比恐怖分子的核弹威胁更为紧迫。

追踪并锁定世界上每一千克的高浓缩铀并不是一项轻而易举的任务。难度稍小的是监控全世界的核燃料生产设施和核电站。核裁军本身就像悬崖勒马，危险至极，当各国核武库中核弹的数量降到几百甚至几十时尤为危险。最艰难的部分或许将是商讨常规武器的数量限制，因为一旦缺乏限制，在没有核武器的世界中，美国与其他国家的军事实力差距将比现在更为悬殊。尽管如此，仍然只有完全的核裁军才能使世界免受核武器之灾。正如美国前总统奥巴马2009年4月在布拉格清楚地指出的那样：

数以千计的核武器的存在是冷战留给后人最危险的遗产。尽管美苏之间并没有爆发核战争，但那一代人都知道，他们的世界可以在顷刻间被毁灭。像布拉格这样一个有着悠久的历史，体现了人类如此多的美与天赋的城市，那时可能会不复存在。

今天，冷战已经过去，但数以千计的那些武器还在。历史处于一个奇特的转折点上，全球性核战争的威胁已经降低，遭受一次核袭击的可能性却在增大。许多国家已经拥有这些武器，核试验仍在继续。核机密和核原料的黑市交易大量存在，制造核弹的技术被传播开来。恐怖分子已经下定决心要拥有核武器，无论是通过购买、制造还是盗取。为了遏制这些危险，我们正在努力构建一个全球范围内的核不扩散体制，但随着越来越多的人及国家破坏规则，我们可能会走向这个体制无法控制的危险和混乱的局面。

现在我们知道，这对不论身处何方的人都至关重要。一颗核弹如果在某个城市爆炸——也许是纽约或莫斯科，伊斯兰堡或孟买，东京或特拉维夫，巴黎或布拉格——会使数以十万计的居民丧生。而且不管发生在哪儿，它对我们的全球安全、我们的安保、我们的社会、我们的经济甚至人类的生存可能带来的后果都会是无法想象的。

一些人认为，无法阻止也无法核查这些武器的扩散。他们说，我们注定要生活在一个越来越多的国家、越来越多的人拥有这种终极毁灭工具的世界里。这种宿命论是我们致命的敌人，因为如果我们相信核武器的扩散是不可避免的，那么在某种程度上，我们就已经承认核武器的使用是不可避免的。

在过去的两个世纪里，人类已经在控制流行病方面取得了显著的进步。在20世纪的前 50 年中，战争造成的死亡（人为制造的死亡）人数在早逝的总人数中显得十分突出，其中的一个原因是，通过国民保健体系，疾病造成的死亡（生理性死亡）已经得到了越来越好的控制。从1945年开始，对核武器报复的恐惧也限制了人为制造的死亡人数，但为此付出的代价是局部甚至世界范围内人为制造死亡的风险大大增加了。罪魁祸首是所谓的一触即发式的威慑性核武库。21世纪初，自杀式恐怖主义的抬头意味着此种核武库对特定地区某些一穷二白的组织是毫无威慑性的。

核武器的辩护者声称，核武器存在的唯一价值是用来威慑有同样武器装备的敌手。如果是这样的话，消除核武器在逻辑上就更没有反对的理由了。

所有这些挑战和转变的出现，是由于一些科学家在探索物质的基本结构时，碰巧用意想不到的方式释放了原子核中潜在的巨大能量。这一切是如何发生的以及它究竟带来了什么直接的后果，都是这本书要探讨的内容。希望读者能从中获益。