量子力学传奇-26
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1939年，党卫军找到海森堡，让他领导德国的核计划。说白了就是利用最新发现的科学成果来制造大规模杀伤性武器。毫无疑问，大家都清楚。这是个军方的项目，不大可能是民用目的。大家嘴上没说，心里也跟明镜似的。战争已经打响了，德国已经灭掉了波兰。打仗的情况之下，科学家得到的科研资金其实很有限。战争那是烧钱的机器，整吨的钢铁送进炮管里面打出去炸掉，那是相当花钱的，所以战争是个吞金的怪兽。而且德国是总体战，德国的一切都围绕战争展开，和平民用的东西，还是靠边站吧。所以军方能拿钱出来给科学家搞研究，科学家心里当然是愿意的。但是在当时核裂变刚刚发现不久，大家都不知道这东西能发展到什么程度。原子弹其实只是核能利用的成果之一，不是全部。要想让原子核里面的能量乖乖的放出来，那可不是简单的事儿。其实大家都是一头雾水，不知道到底该往哪个方向走？
先要在理论上建立一个体系，那就是传说中的链式反应到底能不能发生，而且发生以后能不能控制得住，这一切都是未知数。首先一个问题摆在大家面前，那就是到底什么东西才能发生核裂变，什么东西能发生链式反应呢？1939年底，海森堡就确认了核能这东西的确是存在的，是可以利用链式反应来获得大量的能量。普通的铀238肯定是不行，因为铀238要发生裂变必须用速度非常高的中子打它，打碎了以后产生的是速度非常低的东西，也就是说打碎一个铀238的核之后产生出来的中子对旁边的铀238的核没任何作用，打上去没用，不会形成增值型的链式反应，只有到氢弹的时候铀238才能派上作用，这是后话暂且不说。需要高浓度的铀235是可以用来做核裂变物质的，因为它可以进行链式反应，用慢中子打了以后可以分裂，分裂出来还是慢中子，慢中子再打其他的铀235原子核，就像多米诺骨牌一样链式反应就进行下去了。但是铀235在自然界的含量微乎其微，有个0.72%就算高的了，要想把这东西给提取出来，那是难上加难，这东西化学性质跟铀238一样。想靠化学提纯，那是不可能的。到底该用啥办法来提纯铀235呢，这东西还没啥头绪。另外还有一个办法，就是在铀238上做文章，这东西毕竟多。看看能不能把铀238变成能裂变的物质。海森堡把这个差事交给魏扎克，这个魏扎克是专门搞实验的。
卡尔·弗里德里希·冯·魏扎克
第二个问题就是光有了裂变物质还不行，还需要减速剂。费米一个很了不起的贡献，就是发现了中子的快慢对核裂变是很重要的，这个现象是费米发现的。当年费米用中子源来轰击金属，金属产生了人工放射性，这个最早是约里奥·居里夫妇发现的，结果费米在中子源和金属之间插了一块铅板，按理说把中子源挡住了，人工产生的放射性是不是会变差呢？结果金属的放射性反而增强了，这大大出乎了大家的意料。费米就觉得这东西太有意思了，后来又换了蜡来做这种实验，因为铅密度非常高，所以就换个低密度的蜡来做实验。结果他发现金属放射性更加强，比直接照射还要强。为啥隔了一层蜡反而更强，这个就很奇怪。费米发现，这东西跟中子的能量有关系。中子要是太快了，反而不容易被原子核俘获，就好比打斯诺克台球啊。要是球速太快了，反而不容易进洞。必须是速度角度都合适才能打进去。原子核也是这样，中子太快的话，容易错过，不容易俘获。加进一部分能够使中子减速的物质，反而使得更多的中子被原子核捕获。费米感觉应该是石蜡里面所含有的氢原子起了作用。中子跟质子质量差不多，撞上刚好可以减速。那么哪里的氢最多呢？氢气吗？氢气不行，密度太低了，那就是水了，水就是一氧化二氢。费米预言，拿水来做实验，应该效果更好。他们扛着中子源和金属桶，来到实验室后边的喷水池旁边摆开了阵势，把实验装置放进水里。果然，盖革计数器噼啪作响，放射性很强。就因为这个，费米获得了1938年的诺贝尔奖。费米可是德国的盟友意大利人，就因为他老婆是犹太人，他就跑美国去了，德国这边没捞到费米，绝对是一大损失。费米那是理论和实验两手抓两手都很硬的人物，是不可多得的。
海森堡是物理学界的人，当然知道这一切了。他预计需要去找合适的减速剂来增强链式反应。费米用的是水，那水是不是最好的减速剂呢？他发现不是，有一种东西比水效果还好，那就是重水。重水就是两个氘核和一个氧结合，氘是氢的同位素，在自然界重水是存在的，而且盐比较少，提炼起来也很难，但它毕竟还是能提炼的。重水这东西能当作减速剂来用，另一方面碳原子也可以减速，石墨也可以做减速剂。知道了那就安排人手去做实验吧。法国人这时候，也在研究原子裂变方面的东西。领头的就是约里奥·居里，现在她基本上是法国原子物理界的掌舵人啊。她认为石墨不太纯，不好用，生产纯石墨比较麻烦，还是重水比较靠谱。不过重水比石墨贵的多，因为太罕见了，整个欧洲也没多少地方能生产重水，基本上也就挪威能生产出少量重水，产量很有限。大家就都盯上挪威的重水了。英国人、法国人、德国人都盯着挪威，挪威一摆手说我是中立国，两边不得罪啊。法国特工就潜入挪威，想尽办法把重水运出来185公斤，弄到了法国就交给了约里奥·居里了。海森堡也认为重水靠谱，石墨得做实验，后来做实验得到的数据总是不理想，就认为石墨的确不行。他哪知道，这不是石墨不行，而是有人给他下套。石墨是有人故意馋了杂质造成实验失败，不过海森堡他怎么也想不到会有这种事存在，当时他不知道。
二战时期挪威的重水工厂
到了1940年，德国的铀俱乐部工程已经有一些初步的结果了。他们发现，用铀238来制造钚239，也是个不错的路子。钚239这东西是人造出来的，不需要从自然界提纯。但是大规模的制备钚239非常的麻烦，还要想法子搞出个生产装置反应堆来才行，反应堆谁能搞出来呢？这方面最擅长的就是费米，结果把人家放跑了，所以目前在德国人看来还是铀靠谱儿。就在这一年的4月份，德国突袭丹麦，几个钟头就解决问题，丹麦的当天就宣布投降。德国人虽然占领丹麦，但是还是让他们自治，大批的犹太人还是留在丹麦没走。波尔也是丹麦人，所以他也在尽办法帮着犹太裔的科学家赶紧跑，再不跑万一德国翻脸来丹麦抓犹太人那就麻烦了。不过玻尔和海森堡这对师徒可就成了冤家了，玻尔的祖国正在被海森堡的祖国侵略，这两人见面那就太尴尬了。这是后话暂且不说。
德国在打丹麦的同时兵锋直指挪威，挪威也扛不住啊，王室和政府全都退到了北极圈内300多公里了。但是挪威算没能全部被德国占领，不过挪威的重水工厂就落到了德国人手里了。后来德国又发大军横扫西欧，没几天，荷兰、比利时、卢森堡全都投降了，他们根本撑不了几天。随后德军打到了法国境内，法国最多一个多月也亡国了，但是还没亡国那阵，巴黎城里的约里奥·居里就开始收拾东西了，各种数据报告全都打包藏起来，该销毁的全销毁，能运走的都运走，去英国吧，对了还有那185公斤重水，德国人已经冲过来要了，完全不能便宜了德国人，结果这185公斤重水就装上商船运到了英国。但是约里奥·居里自己没走，她坐镇巴黎，还剩下很多仪器设备搬不走，她要保证剩余的东西不能让纳粹给糟蹋了，自己也绝不跟纳粹合作，还得守着物理学研究所这个摊，她倒是跟游击队来往及其密切。果然后来德国人占领了巴黎，就老是有德国人来找约里奥·居里聊天，巴不得她为德国服务，但是约里奥·居里肯定是不干的。
当时德国还占领了捷克斯洛伐克，捷克斯洛伐克有一个非常大的铀矿，这是德国人搞核武器一个重要的资本，但是铀矿石品质最高的不是在捷克斯洛伐克这边，而是在非洲的比属刚果，就是现在的刚果，在当时是比利时的殖民地。其实美国方面也都知道这个矿很重要，老板自然是比利时人，所以盟国方面就问老板，你那里有多少有矿石在比利时存着啊？老板说有1200吨啊，英国人说赶紧运出来啊，老板说是分散在各地凑不齐啊，也来不及了。就这样这1200吨的铀矿石就留在了比利时。其实哪有凑不齐啊，这些矿石都在同一个冶炼厂里堆着，这个老板说谎，他没告诉英国人。结果比利时一陷落这1200吨矿石就全落到德国人手里了。这个老板吓的不行，赶紧跑到美国，自己一直在美国遥控指挥着非洲的矿开采。他下令，刚果矿上的铀矿石直接运到美国来，同时把矿山关闭、工人疏散、所有场地放水淹没。这里是比利时的殖民地，比利时被占领了，德国人很可能会把手伸过来，所以不能叫德国人弄了去。后来美国人说别啊，你放水，我们也没法开采了，还是我们去挖吧。于是美国人就搞到了3000多吨的优质铀矿石，这是美国后来搞原子弹一个雄厚的物质基础。
至此德国人已经掌握了两个重要的战略资源了，一个是铀矿石，一个是重水。而且呢，德国人最早建立了军方背景的项目工程也就是铀俱乐部工程，英国的合金管工程、美国的曼哈顿工程都在后面，美国也没觉得这东西是能派上用场，觉得太难太遥远，对德国人来说也算是没有输在起跑线上。铀俱乐部工程的推进工作可以大大加快了，毕竟有资源了。海森堡在柏林和莱比锡两边来回的跑。他有一位助手，叫多贝尔，他擅长实验，海森堡本人擅长理论，这两个人搭档是非常默契的。他们在莱比锡搞了个实验装置，叫莱比锡1号装置。其实就是个微型的反应堆。1940年8月，莱比锡1号(L-I型)反应堆成功通过实验证实重水用作中子减速剂的可行性。当时莱比锡工作组采用的是球形反应堆，按照海森堡的计算，假如采用莱比锡1号堆的数值模型推演，那么将需要5吨重水和13吨的铀才能实现链式反应。海森堡当时心里就凉了，要13吨纯的铀235那是多大的代价啊。铀235含量仅有0.72%。要想富集起来那是多么的困难，多么的不容易。需要13吨纯净的铀235才能爆炸，那看来在战争期间想造核弹是没戏了。当时海森堡拿莱比锡1号堆得出来这么一个结果，哪知道后来因为这么一个结果他悔的肠子都青了。
为啥会要这么多铀235呢？这要从一个概念，叫做“临界质量”讲起。一个铀235原子，被中子打中了，然后发生了分裂。在这个过程中，伴随着能量的释放。然后打碎的那些粒子继续撞击其他的原子核。继续把其他的原子核也打碎，这样就形成多米诺骨牌效应，如黄河泛滥一般一发而不可收拾。但是这样的链式反应有个前提条件的，那就是原子数得够多。要是只有一个原子，那么裂变了也就裂变了，那些碎片是谁都碰不到啊。假如有两个原子呢，其中一个发生裂变了，另一个被砸到的几率也很小很小啊，所以必须有足够多的铀235原子才行。那么算起来，这些原子最小有个总质量，那么这个连锁反应才能持续的下去。海森堡就大约估计了需要的总量，那就是13吨。13吨的纯铀235这东西不好找，特别是战争期间。但是海森堡不气馁，继续努力。莱比锡1型反应堆实验成功半年之后，改进的莱比锡2型(L-II型)推出，之后又有莱比锡3型(L-III型)。海森堡这边有进展，但是整个铀俱乐部工程却不是劲往一处使。一开始有人提议建立一个严密的组织管理体系，设立核心科学家，以担负起统筹规划、资源调配、冲突调解等任务，大家都听他的。汉堡大学的哈泰克教授就强烈反对，他强烈反对这一近似于军事化管理的提议，他觉得这个东西学术还是要自由的。于是在这种氛围下，铀俱乐部进入了N分天下、各自为战的局面，说海森堡是技术负责人但实际上他负不了这个责，大家有时候相互都不买账。哈泰克教授跟海森堡他们是平行的另外一个小组，他们也在研究减速剂、反应堆之类的。他们提出要用干冰作为减速剂，干冰这东西本来就是二氧化碳，碳原子能起到减速的作用，但是在低温下氧原子不太起作用。二氧化碳的好处在于，特别容易提纯，比石墨要方便。哈泰克觉得这个想法挺好，就想实验一下。但是他需要300公斤铀啊。他找领导批，领导手里也没有那么多的铀。他去找海森堡，海森堡不配合，他觉得哈泰克有个100公斤就够了，俩人为此还闹矛盾。结果后来哈泰克东拼西凑的到处去凑铀，人家化学品公司送来的15吨干冰就在那放着，还是大夏天，然后就慢慢的气化，眼看干冰越来越少他铀还凑不齐，之后也没剩多少干冰了，最后哈泰克的实验结果不太理想。他不得不转而搞起了重水方面的研究。这也算是德国铀俱乐部内部协调管理上的问题吧，一开始就拧不成一股绳。当然啦，还是和德国人自视太高有关系。他们认为，自己的科技水平天下第一。自己搞不出来，别人也搞不出来，况且德国人并没花太多的钱，几百万马克并不能真的算是啥大钱，整个工程的研发团队也就100多人，现在一个大点的公司研发团队还超过100多人了，这些人根本就不够用。后来海森堡的莱比锡4号装置成功实现了中子在核裂变中的增值。整个反应，中子越来越多，算是个阶段性成果，这已经是1942年的事了。
德国人完全不知道他们对手的情况，他们还以为自己的科技成就是领先的。在大西洋对岸的美国，成千上万的科技人才正聚集起来，他们展开一场超大规模的科研行动。美国总统罗斯福一开始只是拨款给希拉德等人去研究一下可行性，办公室开始设在了美国纽约的曼哈顿，因此原子弹工程又被称为曼哈顿工程。不久以后工程就开始升级了，美国人感到战争打的越来越激烈，美国虽然当时是中立国，但也要时刻准备，所以武器研发工作也就越来越紧了。特别是珍珠港事件爆发，美国人立马调整团队往里扩充人员、投钱，整个项目就是以研发核武器为明确目标的，而且他们有非常强的组织管理。项目的总负责人是美国人奥本海默，奥本海默是工程协调管理啊、理论啊都很强，人家跟海森堡也算是同门师兄弟，都是哥廷根出来的。
曼哈顿工程部分科学家，左三为奥本海默
还有一位海森堡的师兄弟也参加了曼哈顿工程，他就是约翰·惠勒。他是玻尔的学生和助手，他岁数比海森堡这一辈小，号称哥本哈根时代的最后一位大师，因为他活的够长，活到了2008年。1939年他和老师玻尔，还有苏联的弗朗克尔一起提出了核裂变的液滴模型，核裂变到底是怎么样的?你以为一个中子打过去原子核啪一下就碎了吗？不是这样的。原子核包括了中子和质子，他们认为原子核呈液滴状。当外面一个中子发射出来击中这个“液滴”，它就会开始剧烈振动，并逐渐拉伸成花生状，最终一分为二。这就是他俩研究出的“液滴模型”，它为后来的原子弹制造打下了基础。惠勒后来也当老师，他教了好多好学生，其中一个好学生叫费曼也参与了核弹的研究。我们后文还要提到他。他是个量子物理学界非常重要的人物。
液滴模型
要知道美国人果然财大气粗，花钱研制原子弹那几乎是倾全国之力召集了大约15000多名优秀的科学家参与，德国人就显得很寒酸了，但德国人自己还不知道呢。1941年，海森堡去了一趟哥本哈根，他去见了老师玻尔，他们还能像过去那样坦诚相见吗？他们又会谈些啥呢？请看下回分解。
内容出自《科学史评话》吴京平老师，本文仅个人学习及娱乐之用
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