科学物理史话的详细介绍

题记：

如果这也算一场物理学实验的话，它则是最大程度上影响了二十世纪全人类命运的实验。



(一)

二战结束后不久就有人用战争中死亡的人数除以希特勒那本臭名昭著的《我的奋斗》一书中的字数，便得出每个字的背后就藏着若干条人命的结论。其实真正要说杀人，古往今来也从来没有杀得过这个简单的e=mc^(2)的。

爱因斯坦(a.einstein)在构造出狭义相对论不久，就从中推导出了这个古里古怪的公式。当然从哲学上论起，人类也是第一次认识到质量居然和能量有如此密不可分的关系，质量再轻的物体蕴含的能量也是极度惊人的。

很快即使是小学生也拿这个这个著名的公式计算诸如一颗米粒到底含有多少能量，这些能量又足以让全国的灯光亮上多少时间之类的问题。饶舌的记者们采访爱因斯坦时问得最多的也是这个公式，爱因斯坦微笑着反复解释，这个能量只是纯粹是数学推理的结果，有很大的哲学意义，但是丝毫没有实用的价值，大家尽可以把它当个数字游戏来玩。记者们耸耸肩，和爱因斯坦一起轻松地笑着。

此时是公元1905年，无论小学生，记者，还是伟大的爱因斯坦，他们都没有意识到他们已经一起开始在玩人类历史上最危险的一个游戏。



（二）

哈恩(o. hahn)现在的人们大概是不熟悉了，但这个名字注定是要载入史册的，因为他是人类历史上第一个跨进核门坎的人。如果非要类比的话，不妨想像一下盗取天火的普洛米休斯。

哈恩是一个典型的严谨，执着，聪敏的德国科学家，早年学化学出身。在那段物理学的黄金岁月里，继1895年著名的伦琴射线(x光)被发现之后，居里夫人又陆续提炼出了钋，镭等放射性元素震动了全世界。当时核物理在整个物理学中一枝独秀，居里夫人本人也获得了1903年的诺贝尔物理奖和1911年诺贝尔化学奖双份荣誉（好厉害的mm：p）。哈恩的研究兴趣也开始转向了放射化学这方面来，不过他自己还没有来得及开始，轰轰烈烈的一次世界大战倒先开始了。

即使是从小就深受科学熏陶，凡事都要问个为什么的哈恩，当看到“一切为了德意志母亲”当时这个当时激动了每一个德国人的标语，一股爱国主义激情也不由得油然而生（好个油然而生/?！）。他毫不犹豫地穿上军装到了西线，作为深受参谋部欣赏的化学博士，亲自在战场上监督毒气弹的发射。每当对方阵地上一阵黄雾飘过，他就在望远镜里看到英法士兵痛苦地扔下步枪捂着眼睛在战壕里辗转翻滚。己方兴奋已极的士兵一面抓住他的手脚把他高高抛到空中一面齐声喊起了“德意志万岁”的口号。他也和士兵们一起真诚得兴奋过，然而在睡梦中这等惨状一次又一次深深刺痛了他。到底是什么使自己痛苦不堪，他苦苦思索后想到，也许是良心吧。

战后他发誓不再让自己的双手沾上血腥，埋头核物理的研究中。在此其间，哈恩和奥地利女物理学家梅特涅一起合作了很多研究放射性的实验。在1938年冬天一个寒冷的下午，他在实验室里用慢中子轰击铀核时发现异乎寻常的状况，铀核像被子弹击中的玻璃那样裂成碎片。等他耐心地“捡”起了所有碎片之后再称重，发现竟然比没有打碎前的铀核轻了少许，一瞬之间爱因斯坦的公式e=mc^(2)流星般地在脑中划过。联想到实验中莫名其妙地释放出来的巨大能量，难道这个就是传说中的核裂变？

他简直不敢相信自己的眼睛，马上把实验步骤和数据寄给了当时远在瑞典避难的合作者梅特涅查实。不知道后来希特勒是不是因为没留下这位在核物理上极其了得的犹太女人而后悔，哈恩反正是从来不理会纳粹党的警告的，一直保持着和她的联系。梅特涅很快回复，恭喜他观察到了人类历史上第一次导致质量亏损的核裂变，并认定参与裂变的铀核就是铀的同位素 u235。（梅特涅身为犹太mm物理学家，连犯希特勒两大忌讳，想在德国混下去也难。）

得知结果的哈恩极度兴奋之余，不免也暗暗心惊，当时战争的乌云已经又一次笼罩在欧洲上空。他实在无法想象自己的发现会被人们用来干什么……



（三）

无论从那个角度上讲，意大利人费米（e. fermi）都是物理学中不世出的奇才，而且很有可能是最后一个在实验物理和理论物理上都有过极大贡献的人。这种真正全才性的人物在他之前好像也只有伟大的牛顿。

核裂变发现不久后，人们就搞清楚了链式反应的机制，每当一个铀核被中子敲碎，它会自动释放出几个中子去击打其它铀核，核反应就像垮倒的多米诺骨牌一样滚滚前行，再也控制不了它的脚步，当然伴随反应的以e=mc^(2)为计算公式的骇人听闻的能量释放。

当然要实现链式反应的第一步就是要有大量的慢中子。中子源人们早就有了，不过中子减速一直是个超大难题。这个难题终于被费米在一次核物理实验中意外的解决。

当时在罗马大学的费米买到了一些放射性元素氡，马上高兴得像孩子一样用这门出了名的“中子炮”来轰击各种物质，短时间内就发现了不少新的放射性元素。一天为了研究银板被中子轰击后的放射性，他在银板背后放了个计数器来探测银板的放射性强度。这个实验本来很普通，他顺利做完了以后突发奇想，在银板和中子源之间插了块铅版，计数器上显示的银板的放射性反而增加了一些。费米微微一笑，这个是他意料中的，中子源里发出的快速中子被铅板一挡速度不免减慢，而正如前文所述慢中子撞击引起的放射性比快中子强得多的多，最后自然导致计数器上的数字增加。费米向来是个童心很重的人，玩了一下铅板，又把手头上所有能找到的东西都插在中子源和银板之间试了一下，例如铁片，铝片，铜片等等。当他偶然把石蜡板插在二者之间的时候，计数器突然疯了一样大声尖叫起来，他一看数据更是惊得目瞪口呆，计数器上显示的放射性比原来强了十倍不止。

整栋物理大楼的人都给这刺耳的啸声吸引到费米的实验室来，大家捂着耳朵讨论着这个不可思议的现象。费米一时陷入了深思，到底中子碰到了石蜡中的什么东西竟然减速的如此厉害。突然间他想到一定是石蜡中的氢，也就是质子！他猛地拍了拍自己的脑袋，想起早年在中学物理课上计算两个小球非弹性碰撞时就已经得出了的当两个小球质量相等时碰撞损失的能量最大的结论，损失能量最大不正意味着最大限度地被减速吗，要不是碰到和自己质量差不多的质子，中子哪里能减速的那么快！要说世界上氢最多的地方，那不就是最常见的水吗，当然如果是中子更丰富的重水(氘核，由一个质子一个中子组成)那就更理想不过了。（两个小球相撞后粘在一起的习题相信每一位上过高中的朋友都做过，想到利用两个质量相等的小球碰撞能损最大的原理来给中子减速也不复杂，其实有时候物理学就真的这么简单，但关键要想的到。）

找到了减速中子的关键所在，费米高兴地几乎要蹦起来，摩拳擦掌准备大干一常他让所有其他物理学家（包括玻尔，爱因斯坦等人）在内最羡慕的倒不是他极其深厚的理论素养和对数字天赋的敏感，甚至也不是他独步天下的实验技能，而是他把实验室里的东西马上工业化的超强能力。当年在哥本哈根的时候，连玻尔，海森堡这些大师级人物都敬服地称他为“量子工程师”。

费米兴奋地开始规划在自己祖国的心脏罗马建成人类历史上第一个反应堆。他彻夜不眠地设计整个反应堆的工艺流程，认真考虑着可能遇到的每个技术性难题。大到整个工地的施工图，小到某个零件的设计图，他都亲自参与。不过这个时候莫意大利的法西斯头子墨索里尼开始收紧了套在知识分子脖子上的绞索，彻底寒了心的费米逃到大西洋彼岸的美国。

从某种意义上说，轻易放走费米是墨索里尼生平犯的最严重的一个错误，甚至比他在1940年冒然向英法宣战错得更远。





（四）

1941年的一天，大物理学家玻尔（n. bohr）在被法西斯德国占领已久的丹麦首都哥本哈根的家中静静地看书，仆人走过来说有个德国军人想见他。一向温文尔雅的玻尔也不禁急得跳起来喊道，“不是和你说了吗，我不见任何德国人，更不用说德国军人。”谁知那个穿着军装的德国人已经径直走到了玻尔的面前，玻尔放下眼镜歪着头看了半天，惊讶得几乎合不上嘴巴，因为来人正是大物理学家海森堡 ( w. heisenberg)。

二人在此种尴尬的情况下会面，不由得四目相对，千言万语一时也不知从何说起。纳粹占领哥本哈根之后，好端端的玻尔理论物理研究所就此精英四散，心直口快的泡利(w. pauli)避祸远走奥地利，海森堡也回去报效祖国了，犹太籍的物理学家精明点的早就打点行装逃往英美，迟钝点的现在都在集中营。即使巨人爱因斯坦也早就离开了他的祖国，在那里人们不仅烧光了他写的相对论书籍，还有人出十万马克买他的人头。玻尔想想当年和海森堡他们一起共创量子力学那段美好的时光，当真恍若隔世。这些人间最智慧的一群精英，每个人都可以毫不费力地精确预测电子运行的轨道，却没有一个人能够计算出自己的人生。

此时的海森堡已经因为他纯正的日尔曼血统和在物理学上的无上威望被希特勒任命为第三帝国铀计划的总负责人。玻尔也清楚不能再向以前那样畅所欲言了。慢慢地从海森堡的只言片语中玻尔终于了解到他正担负着一项绝密的计划，大概就是制造一种利用核裂变的巨大能量的炸弹。海森堡本人其实也正陷入了一场前所未有的痛苦之中，为了祖国他是一定要把原子弹造出来的，为了全人类就一定不能造出来。他这次来访是想邀请玻尔加入他们的核计划，但也可以理解有意把这个计划泄漏给玻尔。

海森堡走后，玻尔越想越是心惊：纳粹德国工业基础雄厚，资金充裕，海森堡，哈恩等人都是物理上一等一的人才，他们要是搞出这种威力奇大的原子武器实非难事，那人类只怕就真的要万劫不复了。想到这里他又不免自我安慰，海森堡未必一定会尽全力吧，但转念再想，以自己和海森堡相交数十年之久，他的脾气再清楚不过了，那是个标准的不达目的决不罢休的德国人阿，何况这次有可能事关全德的存亡。

玻尔早就有离开丹麦的打算，此时更是打定了非走不可的主意。在英国间谍的帮忙下，他被人像货物一样塞入一架运输机中。起飞前粗心的飞行员竟然忘记发给他氧气面罩，饶是这个前丹麦国家足球队守门员身体粗壮得非常人可比，下了飞机后仍不免去了性命半条。

爱因斯坦很快收到了玻尔通报的这一情况。他早就意识到了当年的那个e=mc^(2)闯下了何等大祸。早在1939年他就向美国总统罗斯福发出那封历史上著名的建议信，提醒他德国人可能正在研制一种威力之大亘古未见的武器，它的能量就像太阳一样浩瀚无穷，可以毫不费力地摧毁地球上每一个城市。罗斯福看到信之后微微犹豫了一下，身边的秘书及时点醒当年不可一世的拿破仑就是因为没有采用蒸汽船的提案到底也没能渡过英吉利海峡。

总统点点头在文件上签上了自己的名字，耗资达20亿美元之巨的曼哈顿工程滚滚启动。



（五）

随着守门员的一声哨响，这场史无前例的a-b杯(a bomb)足球赛决赛就此拉开序幕。实力超群的德国队一边有威名赫赫的老队长海森堡（量子力学创始人之一，1932诺贝尔物理奖获得者），率先向核时代攻入第一球的放射化学之王超级前锋哈恩 （1944年诺贝尔化学奖得主），钢铁后腰盖革（h.geiger，粒子探测器之父，费米那个中子减速实验里呜呜叫的就是著名的盖革计数器），中场核心博克(w. bothe, 中子的发现者之一，1954年诺贝尔 物理奖得主)，老而弥坚的金牌守门员劳厄 ( m. laue, 发现晶体中的x射线衍射现象，后世生物学的极大发展首功应该算他, 1914年诺贝尔物理奖得主)，他们的教练是现代物理学中的教父级人物普郎克(m.plank, 1918年诺贝尔物理奖得主)。

（插一句，德国人当真了得，即使按照希特勒那么严格的血统标准清洗掉一半左右的德籍犹太科学家甚至如爱因斯坦，剩下的所谓“纯种”日尔曼科学家也足可以对抗全世界，何况还跑了一个标准的日尔曼人大科学家玻尔。二十世纪没有了日尔曼人和犹太人的物理学简直不可想象。纳粹德国敢以一国之力对抗全世界绝非偶然。）

阵容豪华的美国队有新人秀的第一名队长奥本海默(r. oppenheimer，著名的原子弹之父)，跑在左边的是梦幻边锋劳伦斯 (e.o. lawrence, 回旋加速器的发明人，1939年诺贝尔物理奖得主)，现在控制球的是新进前锋西伯格 (g.t.seaberg, 有钚之父之称，对第一颗原子弹的研制成功居功至伟，1951年诺贝尔化学奖得主)，刚转会的那是著名的中场发动机量子工程师费米（首创历史上第一个反应堆，1938年荣获诺贝尔物理学奖），那个摇摇晃晃心不在焉的是右路主攻手贝特（h.bethe ，理论部的负责人，1967年诺贝尔物理奖得主），身穿绿色球衣积极跑动的是扎实的后卫冯·诺伊曼 （ j. von neumann，大数学家，计算机的发明人，原子弹研制计算工作的负责人），那个无所事事的在球架上演算数学题的正是豪华版守门员玻尔（量子力学的主创者，1922年诺贝尔物理奖得主）。替补队员中有前途无量的小伙子费曼（r. feynman ，1965年诺贝尔物理奖得主）。再来看一下观众席，观众气氛十分热烈，天哪，坐在那里替美国队摇旗呐喊的不就是爱因斯坦吗（＃％×！）



被称作原子弹之父的奥本海默这等人物的成长和成功标志着美国已经开始取代德国成为全球物理学的研究中心。奥本海默自小就以神童自负，学识渊博，兴趣广泛，尤好各国文学，有过目不忘的本领，于物理学更是天赋惊人，几乎是一点就会，一会就通，更难得的是他风度翩翩，有一种领袖群伦的气质，能协调好各种关系，规划各方面进度，这一点在后来被称为人类第一系统工程的曼哈顿计划中显得尤其重要。开始时即使奥本海默本人仍对困难估计不足，认为只要6名物理学家和100 多名工程技术人员就足够了。但到1945年时，他愕然发现麾下竟然有了1000多名科学家，自己担任主任的洛斯阿拉莫斯实验室更是有“诺贝尔奖获得者的集中营”之称。（这些人中有一些中国人，其中包括著名的实验物理学家吴健雄mm。当时人们打仗打昏了头，什么都换算成军事单位，邱吉尔一直抱怨斯大林什么都听不懂，只听得懂对方有多少个师，美国人也习惯把钱学森当成五个陆军师来算，那这一千多科学家抵多少个师，嗯，掰着指头好好算一下。。。。。。）

1942年11月，在美国芝加哥大学的地下实验室里，费米的夙愿总算达成，人类第一个原子反应堆成功运转。看着抽插自如的铀棒灵活地控制着整个链式反应的进程，费米微笑了，他跑遍整个芝加哥城才买到战时的奢侈品——一瓶香槟。在开香槟前，心情激荡的每个人都在香槟酒的标签上写下自己的名字，当然也包括费米本人。

原子弹原理上早就很明了，中子减速剂也已经找到，似乎唯一的问题就是提纯铀235了。这个着实让人头疼，因为天然铀中每一千个铀原子当中只有七个是铀２３５，其余的都是铀２３８。铀238吸收中子的能力大大强过兄弟铀235。原子弹中的铀只要稍微掺杂一点铀238，就休想爆炸。提纯铀235的技术相当复杂，主要是利用二者质量不同采用离心分离，具体细节也是二战结束后通过好多年的技术积累才完善。

但很快美国人很快就不必因此而烦恼了，西伯格找到了替代品钚。1942年8月，大批量的钚在费米的那个实验室第一次被分离出来。人类历史上第一颗原子弹就是钚弹。

形势是相当喜人，曼哈顿工程总负责人奥本海默在辛苦工作之余，有时也会开车到附近的高岗上，望着新墨西哥州一望无际的沙漠，一边品着啤酒，一边想着另外一个半球的竞争者们不知道干得怎么样了。



德国的铀计划起点很高。在那里人类第一次在实验室里分离出纯铀235，也第一次观察到核裂变，即使从铀矿石储量来说德国也相当丰富，何况他们还控制了几乎整个欧陆的工业。平心而论，即使纳粹党最疯狂的时候，希特勒等纳粹党魁对科学家还是相当尊重的(犹太人当然除外)。因此海森堡对率先研制出原子弹颇具信心。

自从费米发现中子减速的机制以后，摆在人们面前的减速剂有石墨和重水两种。德国著名核物理学家布雷格教授根据自己的推算认识到石墨实在是一种最佳的减速剂，当真英雄所见略同，此时的费米正从美国杜邦公司一口气买了十吨上等石墨。布雷格马上要求位于拉齐步日的一家军工厂制造出一批特殊规格高纯度的石墨片，谁知道被该厂的总工艺师施密特狠狠摆了一道。施密特估计这些奇怪的石墨片有军事用途，于是在其中掺杂。布雷格拿到这些石墨片后实验当然是屡试屡败，越来越怀疑自己的计算出了问题，于是彻底放弃了石墨，转而指望重水。重水当然也是不错，但整个欧洲只有远在挪威的一家重水工厂。英国的特工忒也了得，一次引爆就把几吨重水白白地流到了地下，海森堡听到这个消息，气得说不出话来。此时费米的反应堆已经在成功运转了。

再后来盟军的飞机加强了对德空袭。一次空袭警报之后，海森堡掸掸头上的尘土，走出防空洞，却发现自己的秘密实验室已经炸的连它妈妈都不认得了，他长长叹了口气，知道第三帝国的铀计划到此彻底破产。（从此刻开始，战争时摧毁敌方的核设施成了第一要务，二十年前以色列空军奇兵突出炸毁了伊拉克的核反应堆，此刻仍生死不明的萨达姆当时几乎气得倒仰。嗯，联网打红警时偶们也是这么干的！！！）

在战争后期，海森堡一帮人倒也逍遥，他们躲到乡下一个偏僻的地方，似乎已经被全世界遗忘。连粮食都成了问题，海森堡只好亲自出去挖土豆，在田里有时候抬头望望蔚蓝的天空他也在想，盟军的飞机会不会突然丢下这种超级炸弹，如果这样又会有多少同胞死于非难？不管怎样，他也只能安慰自己，多少也算是尽力而为了。

晚餐后哈恩，博克等人点起蜡烛在海森堡悠扬的钢琴声中开始讨论一些理论上的问题。随着战线逐渐延伸到德国境内，他们也听到了隆隆的炮声。海森堡想起了家里的娇妻爱子，一刻也不能等了，冒着炮火骑着自行车回到家里，刚抱起最小的那个儿子还没来得及亲吻，美军的吉普车就开到了房门口。

美军士兵冲进来的时候，哈恩还在和人在黑板上写写画画，争个不休，对此情形他先是一愣，然后用英语和美国大兵说道，“请少等一下，ok/?我们的问题很快就讨论完了。”当夜这些人被临时关在附近一家农户的马厩里，一间隐隐散发着粪臭的马厩竟然一口气圈起来七个诺贝尔奖获得者，也算是千古奇观。

即使在战俘营里，这些生性高傲的德国人还是不服气，在他们眼里，实力强劲如他们都造不出原子弹固然是天意使然，那帮美国佬们估计也没戏。在一九四五年八月的一天，他们和往常一样安静地吃着早餐，突然听到广播里报道，美国人在日本广岛投下了一颗被称作原子弹的超级炸弹，广岛全城尽毁，他们一齐放下刀叉，面面相觑，谁也说不出话来。





（六）

把时钟再往前拨一下，在公元１９４５年７月１６日５时许，在新墨西哥州一个荒僻的沙漠里，奥本海默，费米，西伯格，贝特，费曼一干人等在微风中一齐望着远处那个尖塔顶端名叫胖子的怪东西出神。

每个人都是激动的难以自抑，其实激动倒是在其次，更多只怕是紧张。在打碎魔瓶之前，谁也不知道会钻出是怎样的一个怪物。但是有一点大家均无异议，今天五点三十分之前的人类和五点三十分之后的人类永远不会一样了。

一向持重的奥本海默对这个爆炸比较悲观，认为不一定成功，军方代表，总统特别顾问基斯塔科夫斯基大大不以为然，他始终充满了信心，两人就此打了十美元的赌。费米则和人打了另一个赌：理论部的贝特估算此次的爆炸当量大约两万吨tnt，很多人根本不信会那么大，费米通过自己的计算支持贝特的结果，并和他们打赌，在第一时间让他们得知爆炸的当量。坐在吉普车里的费曼打得赌更奇怪，他和身旁的人赌自己敢不用防护镜直接肉眼观看人类第一次核爆，旁人当然不信，费曼通过计算认定自己是在安全范围以外的。

五点三十分正，人类第一颗原子弹“胖子“点火成功，首先是一道闪电掠过人们的眼睛，还没等人反应过来，就出现了一个巨大的火球，一边缓缓上升，一边变换着自身的颜色，金色，金黄，深蓝，再到紫色，整片沙漠被照得通亮无比，然后火球变成了著名的蘑菇云，一直冲到三千多米高的空中，引起的气流甚至搅动了高达一万多米的同温层。

人们刚回过神，惊天动地的地震波就迎面扑来，这股震波不知掀碎新墨西哥州多少人家的玻璃，甚至远在澳大利亚的一家研究所里的地震记录仪也忠实地记录了这次核爆。性情粗暴的基斯塔科夫斯基也顾不上震波，一下子从两米高的观测台上跳下来，朝奥本海默胸口就是一掌，急着向他讨要十美元。奥本海默早就被眼前的奇观惊得呆住，只是用梵语反复念着古印度名诗<罗摩衍那>中的一段“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”不怕地震波的倒也不止基斯塔科夫斯基一个，费米从壕沟中一跃而起，把早就握在手中的碎纸片向空中撒去。望着被风刮得四面散开的纸屑，费米微一沉吟，就欢喜地喊叫道，“我赢了，这次爆炸的当量在一万八千吨和两万吨之间！”后来仪器测量的结果证实了费米的估算。至于坚持要用肉眼的费曼，最后还是摘下了黑色护目镜，躲在吉普车玻璃的后面，成了用肉眼观察核爆的第一人。旁人忙紧张地问他到底怎么样，费曼慢条斯理的回答道，这种千载难逢的奇观不用肉眼看看，那才后悔终身那。

人类的一个新时代，原子时代，终于到来了。