原子弹和物理学家

物理学史

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• 理查德·罗兹，《原子弹秘史——历史上最致命武器的孕育》上、下册

人物及年代

• 普朗克 1858-1947
• 居里 1867-1934
• 卢瑟福 1871-1937
• 迈特纳 1878-1968
• 爱因斯坦 1879-1955
• 玻恩 1882-1970
• 玻尔 1885-1962
• 薛定谔 1887-1961
• 塔姆 1895-1971
• 泡利 1900-1958
• 费米 1901-1954
• 海森堡 1901-1976
• 奥本海默 1904-1967
• 伽莫夫 1904-1968
• 贝特 1906-2005
• 朗道 1908-1968
• 泰勒 1908-2003
• 金兹堡 1916-2009

战前的物理学家社群

那个时候，学物理的学生漫游于欧洲寻找大师，就像他们的先辈学者和手艺人自中世纪以来所做的那样⋯⋯

无论如何，科学起源于工艺传统；在20世纪的头三分之一的时间里，仍然保留着一种非正式的师徒关系体系（在一定程度上保留至今），在它之上建立了欧洲研究生院体系。⋯⋯他们（物理学家）是具有国际见识和价值的、几乎像行会一样的独特团体的成员。

德国的通货膨胀

• 1922年夏天，德国的货币兑换率降到了400马克对1美元。

• 1923年1月上旬，降到了7000马克对1美元，7月份为16万，8月份为100万。

• 1923年11月23日，4.2万亿对1美元。

只有那些持硬通货的人们——多半是外国人——在花几便士就可以乘坐列车头等车厢横跨德国之时显得神气活现，但他们也赚来了饥饿的德国人的敌视。

Der Bund——“科学家兄弟会”

利奥·齐拉（又译：西拉德 1898-1964），

如果我们拥有一种魔法，用它可以在成长的一代人年幼时就能识别其“最好”的个体⋯⋯那么，我们就训练他们独立思考，通过一种紧密社团形式的教育，我们能够用可以自我更新的内部聚集力造就一代精神领导阶层。

齐拉认为这样一个群体即使没有正式组织结构或法律地位，也有很好的机会影响公共事务。

物质的粒子理论

物质的微粒理论是英国人而不是欧洲大陆人的发明，它淡淡的英国气味惹得恐外的德国鼻子颇为反感。

波拉尼对科学家共同体的讨论

“科学家共和国”是“一个自由社会高度简化的范例”。

波拉尼认为，

成为一名科学家需要“一种充分的原创性”。这样一种原创性来自于将杰出大师的原创观点和实践与个人紧密结合起来。科学实践本身不是科学，而是一门技艺，就像绘画实践或法律和医学实践一样，由师傅传授给徒弟。你不能单纯从书上或课堂上学会法律，你也不能这样学会医学。你更不能这样学会科学。因为，在科学中没有什么是一成不变、万试万灵的，没有哪个实验是终极性的证明，一切都是简化的和近似的。

• 科学本质上不同于而且高于所有不真实的非科学陈述。信念是科学家忠诚的誓言。

• 他们建立一个受过教育的科学信徒的“共和国”，这些信徒通过师承学会仔细判断他们工作的难以捉摸的前沿。

• 关键是要能设计一种群体共同工作的方式。

科学的公开性

• “让他们在别人的视野内进行拼图的拼合，这样，只要拼图的一小片被一个（工人）拼接好，其他所有工人就立即考虑下一个可能的步骤。”⋯⋯群体既独立又协作，是拼合拼图的最有效的方法。

科学家的交流网络

“科学意见的权威性本质上是相互的；它建立在科学家之间，而不是科学家之上。”⋯⋯科学没有终极领袖。一切遵从多数人达成的（工作）共识。

设想科学家M宣布一项新的成果，他比世界上任何人都了解他的高度专业化的课题。⋯⋯仅次于M的科学家L和N，他们的课题与M的课题交叠（审稿人），因此，他们理解他的工作，足以评价它的质量和可靠性，并且懂得它哪些地方适合于科学。仅次于L和N的是其他科学家K、O、J和P，他们很好地了解L和N，足以决定后两者关于M的评价是否可信。一直推到A和Z，他们的课题几乎与M的完全无关了。

“这个交流网络是科学见解的基座，”⋯⋯“这些见解并非单个人脑所持有，而是分散成数千个不同的片段，由许多个体所持有，每个这样的个人依靠相互影响的链，间接认可其他人的见解。这样的链通过一个相邻交叠的系列将每个人与其他所有人联系起来。”⋯⋯科学就像一个由许多个体智能联系在一起的巨脑一样运行。这就是科学的累积的和似乎是不可阻挡的力量源泉。

匈牙利的犹太人

• 1910年他们大约占匈牙利人口的5%，⋯⋯

• 1904年，犹太人拥有了匈牙利耕地的37.5%；

• 到1910年，尽管犹太人只占农业劳动者的0.1%，产业工人的7.3%，但他们占匈牙利律师的50.6%，贸易商的53%，医生的59.9%和金融家的80%。

• 1900年以前的数百年间，被封为贵族的犹太人家庭总共为126家；1900年到一战爆发的短短15年间，“出售”了多达220个贵族头衔。这346户贵族，最终包括了大约数千人。

冯·卡门（1881-1963）、尤金·维格纳（1902-1995）、冯·诺依曼（1903-1957）、爱德华·泰勒（1908-2003）

他们都早慧，⋯⋯冯·卡门6岁时以快速心算6位数乘法而使他父母聚会的客人大为惊讶。冯·诺依曼6岁能和他父亲用古典希腊语开玩笑，有照相般的记忆力：他能背诵他读过的一些书的全部章节。爱德华·泰勒，⋯⋯，学东西特别晚（指说话）⋯⋯但当泰勒最终在3岁开始说话时，他说出了完整的句子。

喀尔巴阡山脉环绕部分的匈牙利、捷克斯洛伐克和波兰，这些地方到处都是贫困的东正教村庄。

大约在第一次世界大战期间，从匈牙利移民出来的所有著名的犹太科学家、演员和作家，都直接或间接地来自于那些喀尔巴阡小社会群落，当他们的物质条件有所改善时迁居到布达佩斯。对这些人来说，进取是一种纯哲学的信念。

泰勒写道：

还是一个孩子时，我特别爱读科学幻想小说。我读儒勒·凡尔纳的小说，他的词句将我带到令人兴奋的世界。人类的进步似乎是无止境的。科学的成就奇妙无比，它们必将造福人类。

当他还只是一个11岁的小男生的时候，他已直接面对革命和反革命、动乱和暴力流血，面对个人恐惧。

维格纳、诺依曼和泰勒，青少年时期经历了匈牙利社会的崩溃。

泰勒的父亲“反复告诫他的儿子两条严格教训”：

1.长大后一定要迁居到某些更为适宜的国家；

2.作为不受欢迎的少数民族的一员，他必须胜过一般人，即使只是为了暂时住下来。

泰勒自己补充了一条，“我热爱科学”，

它也提供了逃离这个命中注定的社会的可能性。

冯·卡门在他的自传中也插入了一种类似的关于他情感生活中科学地位的惊人陈述。

我真高兴离开了匈牙利，⋯⋯我感到我已经受够了政治家和政府巨变⋯⋯突然，我被只有科学才是永恒的这样一种情感包围住了。

泰勒的转变

从爱因斯坦给罗斯福写第一封信（提醒核武器的可能和威力）的时候起，泰勒就在心里展开了从事武器研究的道德观斗争。⋯⋯他懂得战争之初德国的令人恐惧的技术优势（泰勒是海森堡的学生）。⋯⋯他相信，除非发生奇迹，希特勒会征服世界。但从事纯科学研究仍然使他平静。

将我的注意力从我所喜爱的职业的物理学转向从事武器研究方面的工作不是件容易的事情。在相当长的一段时间里我都没有下定决心。

1940年春，罗斯福总统在华盛顿的泛美科学大会上发表了讲话，此时正值德国横扫比利时、荷兰和卢森堡，侵入法国。此时聆听罗斯福的演讲怪诞地给他一种私人会见的感觉：

“我们从未谋面，但我有一种不合理性的感觉，觉得他正在对我个人讲话。”

罗斯福的演讲词是：

作为科学家，你们可能听人说起过，你们在某种程度上对今天的大灾难负有责任⋯⋯但是，我让你们确信，对此负有责任的不是世界上的科学家们⋯⋯发生的事情只是由那样一些人引起的，那些人打算利用或者正在利用你们出于完全不同的动机沿着和平的道路而取得的成就。

泰勒下结论说：“如果自由世界的科学家不制造武器来捍卫他们的国家的自由，那么，必将失去自由。”⋯⋯如果没有科学家们的工作，战争和世界都会失败。

从此泰勒的观念形成了，并积极投身于美国的核武研究。

科学作为世界的庇护所

当世界处于无法抵抗的恐惧中时，⋯⋯科学作为摆脱困难的方法、一种能迁徙的文明、一种国际友谊、一种唯一遵循的必然性——必然会成为一种更孤注一掷、更彻底的依赖。

海森堡与《蒂迈欧篇》

海森堡喜欢读哲学，但他从古希腊哲学里读到的和量子力学（的创建）有何关系呢？按书中所写，基本是反面的，即海森堡通过背离柏拉图开始了其创造性的工作。

海森堡似乎开始对使用那些不可测量的事件形象化的做法感到厌恶。比如，还在上大学时，他在柏拉图的《蒂迈欧篇》一书中读到原子具有几何形状时颇为惊愕：

“我悲哀地发现一个拥有柏拉图那样的敏锐判断力的哲学家会屈服这样的空想。”

海森堡认为，玻尔的电子轨道同样是空想，并且他在哥廷根的同事玻恩和泡利也有同感。没有人能看到原子内部。能了解到的和可测量的是从原子内部发出的光，其频率和振幅与光谱线有关。海森堡决定全然拒绝（柏拉图意义下的“几何”）模型，并只从数字中寻找规律。

奥本海默（1904-1967）

奥本海默的父亲于1898年17岁离开德国来到美国，凭自己努力成为纺织品富商。其母来自巴尔的摩，是艺术家。

奥本海默的父母是有尊严而又有些小心谨慎的人，是未受洗的犹太人。

奥本海默是一个虚弱的孩子，经常生病。他的母亲不让他跑到大街上去。他呆在家里，收集矿石，10岁时写诗，但仍玩积木。

一台专业显微镜是他童年的玩具。他在小学三年级时做实验，四年级时开始有一本科学笔记本，五年级时开始学习物理学，但他更爱化学。

他拜美国自然历史博物馆晶体馆馆长为师，12岁时给纽约矿物学俱乐部开设讲座。

14岁时，野营时受到同营的孩子的殴打和折磨。起因是奥本海默向野营指导员打小报告，告发其他孩子讲下流笑话。

那些孩子将他拖到营地冰室，脱光他，打他，折磨他：

将他的生殖器和臀部涂成绿色，并整晚将他赤身裸体地锁起来。

但他仍然坚持到野营结束而未退缩。

奥本海默的形象

非常虚弱，常常脸红，非常羞怯，学业非常棒⋯⋯他和所有其他人都不同，非常出众。与学习有关的任何事他都做得很好⋯⋯除了他在体格上⋯⋯是相当发育不成熟之外。这种不成熟与他的表现好坏无关，而是在他干活的方式上，在他走路的方式上，在他坐着的方式上。他有些古怪的孩子气。

奥本海默此时18岁，他的脸仍然充满孩子气，但因引人注目的蓝灰色眼睛显得沉稳。他身高超过1米8，身材极其瘦长；他一生中，体重从没超过57千克，在生病或压力过大时，曾消瘦到52千克。

奥本海默在哈佛

在哈佛大学，他把自己想象成一个进入罗马的哥特人。“他像打劫一样地学习。”⋯⋯他按常规修了6门功课的学分（要求是5门），外加4门旁听课程。这些都不是容易的课程。

奥本海默主修化学，

一个典型的学年内他可以修4个学期的化学、2个学期的法国文学、2个学期的数学、1个学期的哲学和3个学期的物理学，这些还只是有学分的课程。他还自学，学习各种语言，⋯⋯当灵感来时，他写短篇小说或写诗，但羞于参加课外活动或课外团体。

他后来评价说：

尽管我很喜欢工作，但铺得太开，只能勉强涉险过关。

他的涉险过关多数是A，夹杂少数是B。他用三年时间以优异成绩毕业。

他曾这样评价他的哈佛求学时期：

我一生中度过的最激动人心的时期。我真正拥有了一个学习的机会。我爱他。我几乎充满活力。

但奥本海默并未发现自我，尽管他的学习生活很勤奋，很狂热。

我努力工作、写无数的论文、注解、诗歌、故事和废话⋯⋯在桌子里寻找我写的信，并且希望我死掉⋯⋯

夸张的死亡愿望部分地是因为奥本海默希望别人关注自己，也部分地是因为纯粹的痛苦。

奥本海默大学时的两个亲密朋友，弗格森和霍根都认为他有变态式夸张的倾向，使得许多事情大大超出其真实程度。因为这种倾向最终会毁了他的生活⋯⋯奥本海默不再是一个胆小的男孩，但他仍然是一个心神不宁的年轻男人。

他在信息、知识、年代、体系、语言、神秘的和合适的技能之间挑挑拣拣，看看穿上它们是否合适。

夸张行为表明， 他知道你知道这些夸张有多笨拙（同时，其包含的自毁成分增加了这种笨拙性）。也许这就是夸张的社会功能。

越博学就越糟糕，越博学就越自暴自弃，“一种强烈的厌恶感和失落感”。没有什么是他自己的，没有什么是独创的，他通过学习占有了的那些知识，他认为是偷来的⋯⋯他爱劫掠但又蔑视劫掠者⋯⋯掌握知识，在他看来是他在他的生命的那个点上必需的，他几乎不能放弃它们。

他的大学学识更像一个文人而不是科学家

奥本海默在卡文迪什实验室

奥本海默学了许多物理学，但很零乱随意。他毕业于化学专业，并傻气十足地认为卢瑟福会欢迎他来剑桥大学⋯⋯“但是，卢瑟福并没有打算接受我”

布里奇曼的推荐信

奥本海默有一种“十分巨大的同化能力”，⋯⋯“在许多情况下展示了高度的处理创意和很强的数学能力。”但“他的弱点是在实验方面。他的思维类型是数学解析胜于物理，他对实验操作并不得心应手”。

布里奇曼认为奥本海默“有一点儿投机”。然而“如果他确实真的取得成功，我相信他将会取得极其不同寻常的成功。”

实验室中笨拙的奥本海默

1921

“我正在过一种非常糟糕的日子”，⋯⋯“实验室工作是一件非常烦人的事情，我太笨手笨脚，完全没有正在学习一点东西的感觉⋯⋯这些讲座毫无价值。”⋯⋯“实验室的事情真的充斥着弄虚作假，”⋯⋯“但它使我能进入实验室，听人讲话并发现人们感兴趣的许多事情。”

我无力将两根铜导线焊在一起的事实使我发疯。

奥本海默与他在剑桥的导师布莱克特（Blackett）相处的也不好，以致于他试图用一只毒苹果去毒死布莱克特。此事在奥本海默父亲的介入下，奥本海默并未受到起诉。但被要求去看精神病医生。

奥本海默被诊断为早发性痴呆（现在称为精神分裂），

医生描述其症状为：

早期的成人攻击、思维过程有缺陷、行为古怪、倾向于内心世界、不能维持正常的人际关系，预后极其不良。

奥本海默对医生的描述：

这家伙太迟钝，以至于不能领会他的话，并且他比[医生]更了解他的麻烦，⋯⋯

奥本海默来到哥廷根

师从玻恩，从事理论工作。

适合他的头脑发挥的，是在量子理论狭窄的初始背景下推广量子理论。

奥本海默和玻恩共同研究了分子的量子理论。奥本海默在1926-1929年间发表了16篇论文，为他赢得了理论家的声誉。

物理学和物理学家在美国

1914年（一战爆发年份），在美国国会拨款听证会上经常会有人问“物理学家是什么？”⋯⋯但是，战争使得物理学家是什么这一问题变得明显。

科学技术对军工技术发展的价值变得明显，政府支持和私人基金的支持随之而来。

在1920年到1932年间的12年中，美国物理学家的数量在先前60年的基础上翻了一番⋯⋯1932年，美国大约有2500名物理学家，3倍于1919年的。

他们是什么样的人？

心理学家曾对美国第一代现代科学家进行测试，他们大多是男性。

• 中西部和太平洋沿岸的小规模文理大学是当时科学家最多产的地方。相比之下，新英格兰地区（美国东北部）在培养律师方面表现杰出。

• 半数的实验物理学家和84%的理论家是专业人士的儿子，典型地是工程师、医生和教师的儿子，少数实验家是农民的儿子。

在一次包括22位物理学家在内的64位科学家的测试中。

• 物理学家的父亲没有一个是无需技能的体力劳动者；物理学家的父亲几乎没有商人。

• 几乎所有物理学家是头胎生的儿子，或长子。

• 理论物理学家的平均语言智商最高，总体大约为170，几乎比实验家高出20%；理论家的平均空间智商也最高，实验家排名第二。

科学家的典型画像

他可能曾是一名多病的孩子，或者早年就失去了双亲。他有非常高的智商并且在少年时代就开始了大量阅读。他倾向于孤独感和“异样”，并且倾向于腼腆和远离他的同学。他对女孩子只有适度的兴趣，并且在上大学前都不会开始约会她们。⋯⋯他在大学里的低年级或高年级课程确定后才决定以科学家为职业。对他起决定作用的是一个大学工程项目，在这个项目中，他有机会做某些独立的研究（为自己找到某些东西）。他一旦在这类工作中找到了乐趣，就决不回头。⋯⋯他努力地、一心一意地在他的实验室工作，常常一周7个工作日。⋯⋯他避开社会事务和政治活动，宗教在他生命或思考中不起任何作用。比起任何其他兴趣或活动，科学研究似乎更适合他本性的内在需求。

他们大部分是新教徒，他们具有不成比例的犹太少数族裔出身，都不是天主教徒。

科学家考虑问题的方式大致与艺术家相同

采用墨迹测验和主题类比测验以及访谈的方式，在一个总共40人的群组中进行了一次科学家心理测验，包括6位物理学家和12位化学家。

• 科学家和艺术家在个性方面比起在认知方面其相似性较小，但两个群体都同样地不同于生意人。

• 几乎半数的科学家在自己报告中说，还是孩子时身边就没有父亲，“他们的父亲或者死得早，或者工作远离家庭，或者保持疏远和不予抚养⋯⋯”那些成长过程中和父亲在一起的科学家描述他们父亲为“刚强、严厉、冷漠和情绪保守。”（这与先前被研究的一组艺术家缺乏父爱是类似的）

• “在社交活动中不活跃，⋯⋯”这些非常聪明的年轻人通过独立研究发现通常所说的乐趣，⋯⋯引导这种研究工作的往往是一位父亲般的科学教师。学生心目中这位指导教师应具备的品质，排在第一位的，不是教学能力，而是“权威性、温和和职业尊严”。⋯⋯“这些教师的成功主要依靠他们以父亲角色出现在他们的学生面前的能力。”缺少父爱的年轻男人找到一个权威的、温和而又尊严的代理父亲，认同他并且进而效仿他。⋯⋯

• “对体验（通常是感官体验）罕见的敏感”——是科学创造性发现的开始。“在思维时高敏感度会伴随着对问题的相对不重要或离题的方面的过分警觉。⋯⋯这高度激励了个性化甚至自我中心的思想方法。”

回到美国

奥本海默在欧洲读研究生的时候告诉过一个朋友，他梦想在美国建立一个理论物理的伟大学派。最后碰巧是在伯克利⋯⋯

奥本海默年轻时的文雅，在欧洲以及伯克利早期的那些年头成长为一种优雅的气质，通常是令人钦佩的，但有时显得过于敏感。

奥本海默为自己精心制作那种人格面具，至少部分地是由于讨厌庸俗，这可能起源于对他企业家父亲的反抗，也不是没有反犹的自我憎恨的因素。⋯⋯他认为雄心和世俗成就是庸俗的，可这信念又是靠每年高达一万美元的信托基金收益支撑的。因此，他困惑于自己的奋斗目标。

美国实验物理学家拉比（I. Rabi）曾问为什么“奥本海默这样的天才没有发现任何值得发现的东西”。他的回答是：

在我看来，在某些方面，奥本海默在一些领域受到了太多教育，这些领域是处于科学传统之外的，比如，他对宗教，特别对印度教的兴趣，这导致一种对宇宙的神秘感，这种种神秘感几乎像雾一样围绕着他。他清晰地了解物理学，关注已经做过的事情，但是在边缘，他倾向于感到那里存在着比起实际情况更多的神秘和新颖⋯⋯有些可以说是缺乏信念，但依我看来，它更是对艰深、粗糙的理论物理方法感到厌恶，而转向宽泛直觉的神秘领域。

奥本海默的学术成就

泰勒非常喜爱和尊敬奥本海默。他总想与其他了解奥本海默的人谈论他，总在交谈中提起他的名字。

贝特认为，尽管泰勒和奥本海默外表有许多差异，但他们

基本上⋯⋯是非常相似的。泰勒对事物有极快的理解力，奥本海默也是这样⋯⋯他们在实际成就方面也有些相似，从他们的文章发表中无论怎样都不能衡量出他们的能力。我认为泰勒的智力非常高，而奥本海默也一样。在另一方面，他们的论文尽管包含某些非常好的内容，却从未达到过真正的顶级水准。他们两人都没有达到过获得诺贝尔奖的水平。我认为，除非你性格有些内向，不然你就说什么也达不到这个水平。

但路易斯·阿尔瓦雷茨认为，如果奥本海默活的时间足够长，等到他关于中子星和黑洞的预言得到证实，那么，他会因这些工作而得奖。

奥本海默和泰勒两人都爱好写诗，奥本海默爱好文学而泰勒爱好音乐⋯⋯

原子弹历史

时间线

• 1898，居里夫妇发现沥青铀矿，里面的镭（radium），有强烈的放射性；卢瑟福等证实原子发生了裂变，并变成了不同的元素。一些科学家和科学发烧友开始幻想这种物理过程会提供新的能量。

• 1914, H G Wells创作有原子武器的小说；

• 1933, 希特勒成为德国总理，开始排犹，犹太人不得在大学任教，担任公职等。

• 1934, 齐拉（Leó Szilárd）出逃伦敦，并为“核链式反应”申请了专利。在专利中他还引入了“临界质量”这一概念，即维持链式反应所需的最小的量。

• 1934，小居里夫妇发现人工放射性，用$\alpha$粒子轰击稳定元素会导致核反应。费米发现用中子轰击铀也可导致类似现象。

• 1938，哈恩等发现用中子轰击铀能产生钡。梅特纳等正确地将其解释为铀原子的分裂，并正式引入“裂变”（fission）描述这一现象。

• 1939年1月，美国第一次完成铀裂变实验。第二年（1940）他们确认是铀的同位素U235发生了这个裂变。

$${}^{235}_{92}U + n \to {}^{236}_{92} U^* \to {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3n$$

还有一个过程：

$$n + {}^{235}_{92}U \to {}^{236}_{92}U^* \to {}^{140}_{54}Xe + {}^{94}_{38}Sr + 2n$$

天然状态，铀有两种同位素，一种是U238（吸收一个快中子可发生裂变，快中子反应截面较小，导致U238发生链式反应的临界质量极大，到几吨，作为武器是不实用的），一种是U235，吸收一个慢中子就可发生裂变，放出能量，并放出3个中子（考虑到有多种裂变模式，平均是2.5个），这意味着产生的中子数比吸收的中子数多，说明链式反应可以发生。并且慢中子反应截面较大，导致临界质量很小。

• 1939年8月，在获悉德国可能研究核武器后，爱因斯坦在给美国总统的呼吁书上签了名。罗斯福总统立刻成立了相关的委员会，研究其可能性，初始资金仅6000美元。

• 1939年9月，德国入侵波兰，第二次世界大战爆发。

• 1940, 当时在英国的派斯(R Peierls)等计算了U235的临界质量（只有1、2磅），发现远比以前人们设想的要小。

• 1941年，冯·魏扎克（海森堡的助手）起草了一份专利申请，其中提到了钚炸弹；

• 1941年3月，冯·魏扎克于哥本哈根拜访玻尔；

• 1941年6月，德国入侵苏联；

• 1941年9月，冯·魏扎克和海森堡一起再次拜访玻尔（与此同时德国在基辅战役中取胜，纳粹德国达到二战时期权势的顶点）；

• 1941年12月6日，曼哈顿计划于洛斯阿拉莫斯启动；苏联在莫斯科反击纳粹德国的军队。丘吉尔写道：“战争肯定将是长期的。”

• 1941年12月7日，日本袭击珍珠港，美国决心研制核武器。

• 1941年12月8日，美国对德日宣战；

• 1942，英国管道合金计划（Tube Alloys project），曼哈顿计划的英国版本。

• 1942年2月和6月，海森堡在两次公开演讲中提到了核武器；

• 1942年9月，格罗夫斯（Groves）被任命领导曼哈顿计划，其中的科学团队由美国物理学家奥本海默负责。英国的管道合金计划被并入曼哈顿计划，查德威克、派斯等来到美国，英美达成协议分享曼哈顿计划的成果。

罗斯福认为必须考虑时间，

整个事情最为紧迫的不仅要考虑开发，而且还要相应地考虑时间，这是非常基本的问题。

是时间，而不是金钱成了原子弹研究开发的决定因素。

当时有五种方法看来都有希望，1.离心分离机方法、2.气体多孔膜扩散方法、3.电磁分离法以及4.石墨或5.重水钚反应堆方法。

在时间优先的考虑下，所有5种方法都立即抓紧进行，尽管会需要5亿美元的拨款和一大堆机器。

• 1943年6月，开始建造气体扩散法U235浓缩设施K-25，耗资5亿多美元;

同位素分离

电磁分离法（Electromagnetic separation）

原理：

有电荷的原子在磁场中做圆周运动，其半径取决于它的质量。

假设原子经过加速电压$V$，进入磁场前动能为$q V$：

$$\frac{1}{2} m v^2 = q V$$

进入磁场后，洛伦兹力为$q v B$：

$$m \frac{v^2}{R } = q v B$$

解出在磁场中运动半径$R$：

$$R = \frac{m v}{q B} = \frac{1}{B} \sqrt{ \frac{2 m V}{q} }$$

现在$q$, $B$, $V$（加速电压）都相同，不同$m$将有不同$R$。$m$越小，$R$也越小。

具体做法：

先将气化的铀化合物电离，再让这些离子在加上了强磁场的真空盒子的一端开始运动，当这些离子作曲线运动时，它们将分裂成两束。较轻的U235原子将比较重的U238原子经历更小的弧线；

跨越一个1.2米的半圆后，两种同位素分离的距离可以达到大约8毫米。

在相应位置放一个收集袋，你就能够获得想要的同位素。

有人将这种方法戏称为：

劳伦斯推出了一种将铀原子逐个分离的方法。

气体扩散法（Gaseous diffusion）

分子无规则运动的动能

$$k_B T \propto \frac{1}{2}M_1 V_1^2 = \frac{1}{2}M_2 V_2^2$$

扩散速率比：

$$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2} = \sqrt{ \frac{M_2}{M_1} }$$

实际是对氟化物$UF_6$进行分离的，$M_1$是${}^{235} U F_6$的摩尔质量，$M_2$是${}^{238} U F_6$的摩尔质量。

计算得：

$$\frac{R_1}{R_2} = \sqrt{ \frac{352}{349} } = 1.004$$

方法简述

气态铀被用泵抽向多孔膜，较轻的包含U235的气体分子将比较重的U238分子较快地通过多孔膜。

$UF_6$是一种气体，它被泵抽送通过一个长系列或者一个级联的管子，由于${}^{238} U F_6$和${}^{235} U F_6$的质量差太小了，以至于我们需要好几千个连续的级联装置。

离心机法

略

玻尔的评论

• 1943年12月，玻尔参观洛斯阿拉莫斯；

玻尔在1939年时曾坚持认为，只有将这个国家完全变成一座巨大的工厂，U235才可能与U238分离开。

多年后，泰勒写道：

当玻尔来到洛斯阿拉莫斯时，我准备说，“你看⋯⋯”，但在我开口之前，他说：“你看，我曾告诉你们如果不将这个国家整个变成一座工厂，你们就不能做到。你们正是这样做的。”

钚

U238虽然不支持链式反应，但U238在反应堆里生成的钚239（Pu239）却可支持核反应，更重要的是U238很多，并且U238和Pu239的分离是不同元素的分离，可用化学方法（化学萃取法）分离，这样就大大降低了难度。

$${}^{238}_{92} U + n \to {}^{239}_{92}U + \gamma$$

经历一个半衰期为23.5分的$\beta$衰变：

$${}^{239}_{92}U \to {}^{239}_{93}Np + e^- + \bar \nu_e$$

在经历一个半衰期为2.36天的$\beta$衰变：

$${}^{239}_{93}Np \to {}^{239}_{94}Pu + e^- + \bar \nu_e$$

Pu239可支持链式反应，平均产生2.9个中子，放出198.5MeV。

制备方法

通过反应堆，100天，每4000个原子就会有一个原子转变为钚，⋯⋯60天后，反应后的铀块被捞出并送去进行化学分离。

原子弹的设计

两种设计，枪式设计（上）和内爆式设计（下）。

• 1945年7月16日，第一次核爆炸（Trinity test，内爆）

• 1945年8月6日，小男孩（Little Boy，枪式），广岛

• 1945年8月9日，胖子（Fat Man，内爆），长崎

• 1945年8月14日，日本投降。

其他国家的核计划

德国

1941年，随着苏德战争的展开，德国的经济明显已经达到了它膨胀的极限。

帝国军需研究主管向正在从事铀研究的物理学家公布了规则：

这种工作⋯⋯所提出的要求在当前人员和原材料出现危机的状况下，只有在它不久的将来能够带来确定效益的前提下，它才能被证明是正当的。

1942年2月，海森堡在一次会议上说，

纯净的U235是一种完全难以想象的威力的爆炸物，⋯⋯美国似乎以一种特别的紧迫感正沿着这条研究思路做不懈的努力⋯⋯

同时他还提到了钚，

在一个铀反应堆内产生了一种新的元素（钚），⋯⋯它很可能具有与纯净的U235同样的爆炸性，同样巨大的威力⋯⋯将两块通常为10千克到100千克的这种爆炸物聚在一起，就足以引起爆炸。

海森堡需要的是经费和材料。

生产哪怕10千克的U235或钚，将会需要将近数十亿德国马克的资金。

而一辆虎式坦克的造价仅25-30万马克，换句话说一个德国版本的曼哈顿计划相当于上万辆虎式坦克。（二战期间德国只制造了不到2000辆虎式坦克）

• 1942年6月，海森堡在一次会议上介绍说“一个菠萝大小”的核武器就能摧毁一座城市。但海森堡也强调了技术的困难：

科学的解决方案固然已经找到了⋯⋯但是生产的技术性先决条件将要用数年时间来发展，最早也要两年时间，甚至还要假定这个计划得到了最大的支持。

施佩尔（德国军备和军工生产部长）决定先建造回旋加速器。

施佩尔将有关核武器的信息向希特勒进行了汇报，但显然未受到希特勒的重视。

希特勒对他所统治的地球可能变成一颗炽热耀眼的星球坦露出不悦。⋯⋯他偶尔开玩笑说，那些怀着揭示天下所有秘密的天真欲望的科学家们总有一天会使世界陷入火海。希特勒说，⋯⋯他在有生之年想必无法看到它了。

• 1945年3月，德国在东部图灵恩测试了一个核装置；

• 1945年5月7日，德国投降；

**海森堡**1947年在《自然》杂志上写道，

（德国物理学家们）无权决定他们是否应该将生产原子弹作为研究目标。在关键的1942年，决策环境自动地将他们的研究工作引向核能的利用问题。

但是，同盟国并不知道这一切。

苏联

• 1939年，库尔恰托夫提醒苏联政府，核裂变可能具有军事意义，库尔恰托夫认为裂变研究可能在纳粹德国早已进行。

当美国一些卓越的物理学家、化学家、冶金学家和数学家的名字从国际期刊上消失时，苏联物理学家于1940年认识到，美国也在进行一项计划（保密本身泄露了秘密）。

日本

• 1941年，日本陆军开始研究从U238中分离提纯U235的方法，由仁科芳雄领导。

日本海军的兴趣主要在核动力推进，日本海军技术研究所委任了一个由日本一流科学家组成的秘密委员会，每月集会一次，跟踪进展，直到它能决定性地报告是支持还是反对日本制造原子弹。

日本注意到美国可能正在从事一种炸弹的研发，并一致认为，日本是否生产以及用多长时间能够生产出这样一种武器，至今还难以确定。为了完成这个评估，海军方面拨出约相当于4700美元的经费。

• 从1942年12月到1943年3月，海军委员会组织了一个分10期的物理学讨论会。此时，他们懂得制造这样一种炸弹需要选择场地、采矿和处理成百吨的铀矿石，

日本年发电量的十分之一和国家铜产量的一半将被用于U235的分离。

他们断定：如果确实可能制造出原子弹，日本需要10年时间才能制造出一枚。

他们相信：无论德国还是美国都没有足够的后备工业能力，以至于能及时制造出原子弹并用于这场战争。

作为会议的一个结果，海军解散了这个委员会，并要求他的成员致力于更为直接有价值的研究，尤其是雷达的研究。

• 1943年，仁科芳雄的计算表明用10千克至少50%纯度的U235应该能够制造出一颗原子弹，但需要用回旋加速器确定“10千克是否足够，或者是否需要20千克，甚至50千克”。