曼哈顿计划与原子弹的诞生(上)

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特别说明:转自大漩涡,原文摘录自《战争史研究》第 5期,非常难得的科普与记事文,详尽讲解了那段传奇历史。

第一部 原子群星闪耀时
原子分裂了

铀,Uranium,原子序数 92,银白色金属……1789 年被德国化学家克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)发现,并以 1781 年新发现的天王星(Uranus)命名。1841 年法国化学家佩利若(Eugene-Melchoir Pelgot)用钾还原四氟化铀首次制得金属铀……主要存在于沥青铀矿中,在波希米亚和比属刚果储量丰富。化学性质与镭近似,工业用途不大,主要用于钟表的夜光涂面与陶瓷生产……

—— 不列颠百科全书,1936 年版

简单的说,核武器工程是一个非常庞大和复杂的系统工程, 需要高效有序的管理,需要顶尖的科学家,也需要千千万万工程技术人员和工人的辛勤劳动,同样也需要投入大量的物力财力资源。

我们的国防将获得巩固,不允许任何帝国主义者再来侵略我们的国土。在英勇的经过了考验的人民解放军的基础上,我们的人民武装力量必须保存和发展起来。我们将不但有一个强大的陆军,而且有一个强大的空军和一个强大的海军。让那些内外反动派在我们面前发抖罢,让他们去说我们这也不行那也不行罢,中国人民的不屈不挠的努力必将稳步地达到自己的目的。

不列颠百科全书的优点在于,它的内容是每年更新一次的,这样就可以随时收进最新的科学发现,并更正过去的谬误,比如铀元素的用途。

爱因斯坦已经在 1936 版百科全书出版前 10 多年就论证了质能转换的可能性,虽然他在论文里并没有指出如何实现这种转变,但是以德国为首的欧洲顶级物理学家和化学家都在向这个方向进行探索。1932 年,英国科学家查德威克(James Chadwick)在剑桥大学实验室用 α 粒子轰击铍元素时发现了一种新的基本粒子,其导师卢瑟福将其命名为中子。1933 年 9 月,正准备从欧洲流亡到美国的匈牙利犹太裔科学家西拉德(Leo Szilard)在伦敦街头散步时,受《泰晤士报》上刊登的一篇卢瑟福论文的启发,忽然在脑子里涌现出链式反应的概念,于是立即展开了试验。

1934 年 1 月,弗雷德里克·约里奥和伊雷娜·居里夫妇通过用 α 粒子轰击铝元素的方法在法国制造出了人工诱导放射同位素。α 粒子是带正电荷的氦核,它们作为核炮弹的效率取决于其自身携带的正电荷的影响,因为原子核周围带负电的电子会使其速度放慢,这样它们在其经过的极短的路程上碰撞一个原子核的机会是微乎其微的。另一方面,如果一个 α 粒子最终碰撞到原子核,那么因为两者都带正电荷,排斥力也会使这种碰撞效果大为降低。电子的数目和原子核正电荷的数目在较重的元素内要大一些,这也是为什么用 α 粒子轰击重元素无效的原因。

费米夫妇 1954 年在洛斯阿拉莫斯核物理研究所的合影

一位年轻的意大利物理学家费米(Enrico Fermi)读到了约里奥-居里夫妇的研究报告后,决定试用中子来轰击原子核,因为中子不带电,既不会被电子所吸引,也不会被原子核所排斥。在意大利卫生部(该部向费米提供了 1 克镭,当时价值 67 万里拉,约合 3.4 万美元)的支持下,他用放射性气体氡(镭的天然衰变产物)和铍粉混合在一起,氡衰变时放出的α粒子轰击铍使其产生中子。费米按照元素周期表用中子轰击各种元素,从氢开始,一直轰击到氟才产生第一种放射性同位素。1934 年 5 月,当他轰击到第 92 号元素 – 铀的时候,发现它被激活了,产生了一种自然界没有的新元素,即第 93 号元素,这种元素在地球上并不存在,因为它是不稳定的。

1934 年 10 月 22 日,费米将装有放射性铍同位素(中子源)的银筒(银是轰击对象)放入石蜡中,发现的银同位素的人工诱导放射性提高了 100 倍。费米认为,中子穿过石蜡时候与石蜡中的质子(氢原子核)碰撞,失去一部分动能,使其速度减慢,这样,费米制造出了人工诱导放射性的一个重要诱发源 – 慢中子。

此时另外几位科学家在英国和德国进行着同样的工作。西拉德在英国的最初的试验对象是铍和铟,但是这两种金属在中子轰击下毫无结果,于是也转而研究自然界最重的几种元素 – 锕、钍、镤和铀。1936 年,西拉德将链式反应的专利转给了英国海军部,随后在 1938 年移居美国,就职于哥伦比亚大学。

1938 年年底,德国物理学家奥托·哈恩(Otto Hahn)和斯特莱斯曼(Fritz Strassmann)在柏林威廉皇帝物理研究院(Kaiser Wilhelm Gesellschaft)的实验室里用中子轰击钍 232 和铀 238 元素,获得了令人难以置信的成果:被慢中子轰击的钍和铀原子核发生裂变,从轰击后的铀粉残片中检测到了钡和氪的痕迹。由于这两种元素的质子数加起来正好等于铀的质子数(92),所以哈恩推测某些铀原子已经被中子轰裂为两部分。1939 年 1 月 6 日和 2 月 10 日,哈恩在德国的《自然科学》杂志(Naturwissenschaften)上公布了这一现象。

曾经和哈恩一道在威廉皇帝物理研究院实验室共事的还有奥地利女物理学家迈特纳(Lise Meitner),但因为她是犹太人,所以德奥合并后失去了奥地利国籍,成为无国籍保护的犹太难民,并面临被纳粹党棍们逮捕的威胁。在威廉皇帝物理研究院这一“日耳曼物理学”的圣堂中并没有其一席之地,于是迈特纳在几个友人帮助下带着她的量子物理学或曰“犹太物理学”的研究成果逃往瑞典。

德国人最终将自食其果。在二战爆发之前,德国曾经是诺贝尔奖获得者最多的国家,德语是欧洲科学界的通用语言,德国的哥廷根大学曾是与牛津、剑桥并称的欧洲顶尖学府,德国另两位最著名的原子物理学家海森堡(Werner Heisenberg)和玻恩(Max Born)都曾在这里工作。总的来说,战前原子物理学界最重要的科研工作都是在欧洲、尤其是德国进行的,但是从 30 年代开始,随着纳粹德国推行野蛮排犹的政策,大量出色的犹太科学家被免去公职,他们当中大多数人选择流亡国外。除了纳粹上台后滞留美国的爱因斯坦外,马克斯·玻恩去了意大利,随后前往美国定居并宣布永远不回德国,诺贝尔奖得主哈伯(Fritz Haber)、弗朗克(James Franck)、以及在德国从事科研工作的瑞士犹太科学家布洛赫(Felix Bloch,1952 年获诺贝尔物理学奖)和匈牙利犹太科学家特勒(Edward Teller,“氢弹之父”)、魏格纳(Eugine Weigner)也都流亡美国,他们当中绝大多数人参加了美国的原子弹计划。从 1935 到 1938 年间,仅洛克菲勒基金会就帮助了 300 多名犹太科学家逃离欧洲、移民美国。拜纳粹所赐,到二战结束后世界头号科技大国已经变成了美国。

法西斯意大利则向美国贡献了另外两位顶级物理学家:费米因发现放射性同位素和制造出慢中子获得 1938 年诺贝尔物理学奖,而此时法西斯意大利对学术和个人生活的干涉越来越严重,还在 1938 年 9 月通过了反犹太法律(费米的妻子劳拉是犹太人)。由于当时意大利实行严格的外汇管制,严禁携带里拉出境,因此费米夫妇去瑞典领奖时只带了 50 美元,家中为数不多的其他财产都换成了随身携带的金表、裘皮大衣等贵重细软。在斯德哥尔摩的颁奖仪式上,费米与瑞典国王握手而不是行法西斯敬礼,同时他穿的是“资产阶级”的夜礼服而不是法西斯制服,所以惹怒了意大利国内的一群法西斯愤青,再加上 1935 年诺贝尔和平奖授予德国记者冯·奥西埃茨基(Carl von Ossietzky,1938 年死于集中营)后希特勒禁止德国人接受这一奖金,所以费米被法西斯党徒认为犯下了对法西斯意大利和纳粹德国不敬的三重罪行。不过这些党棍根本没机会对之加以惩罚,因为费米一拿到奖金就退掉了返程票,直接去了美国。费米最聪颖的同事塞格雷(Emilio Segre,1959 年获诺贝尔物理学奖)因对法西斯政权的不满也在同一年移民美国。这样,欧洲通过最荒谬的方式向新大陆贡献了它最优秀的一批科学天才。

哈恩和斯特莱斯曼实现人工核裂变后,把他们的成果通知了流亡斯德哥尔摩的迈特纳,后者来到哥本哈根,在那里与她的侄子弗里施(也是从德国逃出来的犹太科学家)和尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)讨论了这一惊人事实。迈特纳做出了这样的推论:铀原子分裂时,一定会释放出大量的核能,而且铀原子的两块碎片会以极高的速度飞开。玻尔随即动身前往美国与爱因斯坦刚定居下来的费米会晤,商讨这一发现的重大意义。他于 1939 年 1 月 16 日抵达美国,迈特纳和弗里施的电报正在纽约等着他:在哥本哈根所做的试验同样证明了原子分裂现象,同时观测到这一过程中释放出了大约两亿电子伏的电。

玻尔认为费米在用中子轰击铀、得到 93 号元素时一定也产生了裂变过程,只是他只注意了产物中与铀相近的新元素,却忽略了另外 50 多种其他产物。费米没有为错过这一发现而懊悔,而是兴奋地提出了新的理论,即当铀一分为二时,可以放射出中子。据费米的妻子回忆,当时他坐在书房里眉飞色舞地对玻尔说:“打碎一个铀原子,需要一个中子;我们必须首先制出、然后用掉那个中子。然而让我们假定我的假说是正确的,一个铀原子在裂变时释放出两个中子,那么我们就无须制造新的中子,这两个中子能击中另外两个铀原子,释放出 4 个中子,再下一步就有 8 个中子……换句话说,开始时仅用几个人造中子来轰击一定数量的铀,我们就可以得到一连串的反应,它会自发地持续下去,直到全部铀原子都被分裂为止。”
这就是自持式链式反应的基本概念。链式反应的重要意义在于,如迈特纳所假设的那样,铀在分裂的时候会损失一点质量,同时释放出巨大的能量,这样,爱因斯坦的质能转换方程式第一次得到了证明。利用原子能的无限能源的可能性第一次展现在人类的眼前。在 1939 年初这一随时可能出现战争的时刻,一想到核裂变已经在德国被发现,就让流亡美国的欧洲科学家不寒而栗:德国人有能力用原子能驱动他们的战舰吗?或者更糟些,有能力制造原子炸弹吗?

看台下的核反应堆

阁下:
费米和西拉德近期所做的一些工作的手稿已经寄给了我,这使我想到,在不久的将来,铀元素可能被转变成一种新的重要能源。已经出现的这种情况值得引起注意,如果必要,应迅速使其作用于政府机构的部门。我认为我有责任使您对下列事实和建议引起注意:

在最近四个月中,法国的约里奥和美国的费米所做的工作在大量的铀中产生了一个核连锁反应,通过该反应可产生大量的能量,以及新的像镭似的元素。……这一新现象有可能使人们研制出一种新型的极有威力的炸弹,这是非常可信的。这种炸弹可由船载并在某个港口内爆炸,只要一枚炸弹就很可能摧毁整个港口及周围的地区。
我知道目前德国已经停止出售它侵占的捷克铀矿开采的矿石。如果同时注意到德国外交国务秘书冯·魏茨泽克的儿子正在柏林的威廉皇帝研究所工作,那里正在重复美国人在铀方面所做的工作,就会明白德国人为何做出此举了。

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p align=”right”>—— 您真诚的爱因斯坦

在芝加哥大学的校园里有一座古老倾圮的建筑,这座建筑掩蔽着一座早已不再使用的橄榄球场的西看台,外形模仿中世纪城堡的式样,有着哥特式的角楼和雉堞,巨大的烟囱从窗口伸出来,伸到雉堞的上面,用灰粉刷过的墙上挂着一块镂花金属匾:“1942 年 12 月 2 日,人类在此实现了第一次自持链式反应,从而开始了受控的核能释放。”这座建筑已在 1957 年被拆除,其原址树立着英国雕塑大师亨利·摩尔的作品“核能”,以纪念这一划时代的伟大事件。

这就是原子时代的出生证。

德国人可能将核裂变和链式反应用于军事的可怕前景令玻尔、迈特纳、费米等人忧心忡忡。费米曾寄希望于自持式链式反应只能在理论上实现,因为在实际情况中并不是所有裂变产生的中子都能轰击到铀原子的原子核,有许多会被吸收掉,而且裂变产生的中子速度太快,不能有效地用作轰击原子的子弹,除非能找到一种方法使它们慢下来。

这个复杂问题的挑战使得物理学家们立即行动起来,芝加哥大学、哥伦比亚大学、斯坦福大学都开始了这方面的研究工作,哥伦比亚大学比较有优势,因为它拥有回旋加速器和费米、西拉德这样的一流原子物理学家。费米于 1939 年 1 月 25 日哥大物理实验室所做的实验再次表明核裂变释放出巨大的能量,该年 3 月 16 日,哥大物理学教授佩格拉姆(George Pegram)致信海军军械部部长胡珀上将,向军方坦率地阐明了核裂变的军事潜力。现在美国的科学家开始担心这样一个事实:纳粹德国意识到这个潜力了吗?

1939 年夏天,德国突然宣布禁止出口波希米亚地区的沥青铀矿,流亡美国的欧洲物理学家认为这种做法只有一个可能:德国已经开始将铀用于军事目的。比起美国本土的科学家来,这些来自德国、意大利、匈牙利的流亡科学家懂得独裁国家的政治结构和运转机制,那里存在着把研究工作与军事应用连接起来的纽带,尤其是他们当中大多数人都曾亲身体会过希特勒和德国的“新秩序”,在德国,一切科学研究都可以被纳入战争的努力之中。这就是为什么罗斯福只能从爱因斯坦、费米、西拉德等人那里得到警告的原因。这些人懂得军事独裁和权力的集中,而大多数美国土生土长的科学家却从未找到走出学术象牙之塔的大门。

当年 7 月,西拉德、魏格纳这两位流亡匈牙利人去普林斯顿大学拜访了爱因斯坦,三人决定应当起草一封信给罗斯福总统,提醒他德国人有研制出原子炸弹的可能,并且由爱因斯坦这位在美国最声名卓著的科学家来署名。到这封信最终写好的时候,爱因斯坦已经到纽约附近的长岛度暑假去了,由于西拉德不会开车,所以找了第三个匈牙利人——年轻的爱德华·特勒开车,那一天是 1939 年 8 月 2 日,二战爆发前一个月。

爱因斯坦仔细地阅读了这两张写得密密麻麻的打字机纸,最后评论道:“这将是人类历史上第一次利用不是来自太阳的能量”,然后在第二页下面签了名。这几个人都不是外交方面的专家,对于罗斯福能否读到这封信一点把握都没有,西拉德劝爱因斯坦将这封信寄给他的老友比利时王太后伊丽莎白,通过她将其转交给罗斯福,同时将副本抄送美国国务院。过了几天,西拉德的一位朋友提出了一个更好的主意,把这封信交给了华尔街金融家亚历山大·萨克斯,此人是罗斯福的经济顾问,有机会直接与总统见面。

10 月 11 日,萨克斯将爱因斯坦的信交给了罗斯福,但是这两页东西太长,罗斯福听了一半就听不下去了,打发萨克斯次日再来见他。萨克斯深知此信的重大意义,一夜辗转反侧,搜尽枯肠,寻找可以打动罗斯福的语言。第二天早晨,他对罗斯福讲了拿破仑拒绝使用新发明的蒸汽船以至未能征服英国的故事,打动了这位总统。在回信中,罗斯福告诉爱因斯坦,他感到“这个情况十分重要,因此我成立了一个委员会,……让其全面论证你提及铀元素的那个建议的可行性。”

然而这个“委员会”(全称叫“铀顾问委员会”)成立的步伐一点也不快:听取证词、申请预算、审核报告、召开委员会会议、组织、改组董事会、种种变更指示……使得该委员会直到两年后的 1941 年 12 月 6 日,即珍珠港事件的前一天,才收到科学研究与发展总署(OSRD)署长、卡内基学院院长范尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)发布的“全力以赴进行原子能研究”的决定。

前面已经说过,在哥伦比亚大学和美国其他大学中所做的试验证实了费米关于在裂变过程中会释放出中子的假说,因此链式反应在理论上是可以实现的,困难在于:一、铀裂变时释放的中子速度太快,无法有效地引发其他铀原子的裂变;二、裂变产生的中子四散逃逸,大多数在有机会起作用之前就逃逸到空气中或被其他物质吸收掉了。如果要实现链式反应,就必须使中子慢化,并大幅度地减少它们的逸失,使得裂变增殖的中子数与上一代中子数之比(K 系数)大于 1,这样链式反应才能持续下去。

中子减速是费米的老手艺了,在意大利皇家科学院工作时他就用石蜡、水等多种物质进行过中子减速试验。但是在哥大实验室进行多次试验后,费米发现水和石蜡中的氢吸收的中子太多,于是西拉德建议用碳做减速剂,因为碳原子也会使中子慢下来,而且只要其纯度很高,吸收的中子就比水或石蜡少(不纯的碳则有惊人的吞噬中子的能力)。费米和西拉德两人共同想出了一种他们认为会产生链式反应的设计:把纯石墨砖与嵌入铀块的石墨砖分层叠放起来,换句话说,这东西是一个“堆”(费米和西拉德两人为此共同拥有核反应堆的专利权)。但这个堆应该多大、该有多少层、形状是方的、圆的还是锥形的,却没有一个人知道。当然,通过试验可以得到想要的答案,但困难在于当时美国只有很少的几克铀,而且没有接近所需纯度的石墨。

采购成了一件重大的工作,费米将其推给了西拉德,后者在美国军方有许多身居高位的朋友。1940 年初,美国陆军和海军向费米提供了首批购买材料的 6000 美元赠款,到开春时几吨高纯度石墨已经开始运抵哥大物理系大楼,费米和其助手成了泥瓦匠,亲自堆砌石墨砖。他们很清楚,在几个月、或许是几年内,是不会有足够的铀来尝试建造一座反应堆的,这倒暂不成问题,因为他们自己对于铀的性质也不甚了了,甚至连它的熔点都还没弄清,在建议铀顾问委员会对反应堆投入巨大的经费和精力之前,他们还有大量关于石墨和中子的研究工作需要完成。

由于材料不足,试验进行得很缓慢。到 1941 年春天,费米和他的小组建造了一个小型的反应堆,他们抠出一些石墨砖,在里面挖出小洞,放进铀块,然后再把石墨砖放回去。随着越来越多的纯净石墨送到哥大,这座反应堆越来越高,最后在该年秋天的时候顶到了天花板,但它还远远没有达到自持式链式反应的要求,太多的中子被吸收掉或逃逸了,需要更大的房间,更高的天花板。费米派他的助手在纽约四下寻觅这样的房子。

12 月 6 日,即“铀计划”领导人布什宣布“全力以赴进行原子能研究”的决定后不久,费米就得到通知,他本人、他的小组、他的设备以及他收集来的各种材料都要搬到芝加哥去,因为美国物理学会主席、芝加哥大学的诺贝尔奖获得者康普顿教授(Arthur Compton)被任命主管链式反应的基础物理研究工作,康普顿决定把所有的工作都搬到芝加哥大学来进行。康普顿还委托威斯汀豪斯电气公司制造3吨纯铀,并委托美国国家标准局和联合碳化物公司制造所需的纯净石墨。

芝加哥链式反应实验室命名为“冶金实验室”(Metallurgical Laboratory),不过里面一个冶金专家也没有。从纽约搬到芝加哥后,反应堆的高度增加了,但却仍然没有达到预期的效果,费米认为,石墨这种多孔物质中有很多空气,而空气中的氮起着吸收中子的作用,如果能在反应堆周围造成真空,也许能增进反应堆的性能。受食品罐头的启发,费米让芝加哥大学的铁匠制造了一个巨大的铁罐,抽出里面的空气,但中子逸失的现象还是很严重。有人建议用甲烷代替空气,但甲烷存在爆炸的危险,而费米的实验室已经发生过两次危险的爆炸事故了(一次钍粉爆炸,一次铍粉和镭粉爆炸),他最后否决了这个主意,决定建造一个更大的反应堆。

康普顿为这个反应堆找到的最理想的地方是芝加哥大学体育场(斯塔格体育场)西看台底下的一个室内网球场,这间屋子宽 9 米,长 18 米,高近 8 米,自从美国参战以后就被废弃了。物理学家们希望有更大的地方,但是其他几处更适于安装反应堆的地方都被芝加哥日益增多的军队部门征用了。

在新反应堆等待石墨和铀的同时,费米的助手安德森(Hebert Anderson)去固特异轮胎橡胶公司定制了一个正方形的气球,固特异公司的人用惊异的目光瞪着这个纤瘦的年轻人,因为他们还从来不曾听说过有正方形的气球。安德森把精确的规格要求讲了出来之后,固特异的人勉强答应用胶化织物制作一个正方形气球,不过固特异公司“不能担保这玩意儿飞得起来”。

费米并不需要让它飞起来。两个月后,这个巨大的气球运到了芝加哥大学,费米小组七手八脚把它搬到室内网球场,用脚手架和升降机将它固定在室内,只留下一个供人员出入的扇形吊门,随后开始在里面组装核反应堆。从已经完成的无数试验中,费米对于这个反应堆到底应该是个什么样子已经有了一定的概念:它是一个直径 26 英尺(7.9 米)的圆球,用一个正方形的木架支撑,外面罩着那个正方形气球。气球的作用是在必要的时候抽成真空,不过费米小组后来一直没有这么做。自愿来帮忙的中学生在室内网球场和附近的木工棚之间川流不息,搬来做好的木块,然后带走下一块木头支架的图纸。当物理学家们开始摆弄联合碳化物公司送来的纯石墨砖时,样样东西都变成了黑的:首先是网球场的墙壁和那个气球,接着是地面,石墨粉末铺满了地板,光滑得好像舞厅的地板一样,漆黑的人影在上面滑行着,他们的工作套衣和防护镜也是漆黑一片。气球里面,一堵高大的石墨黑墙正在迅速地增长,墙上还插着 7 根镉棒和 3 根硼钢棒,以控制中子增殖的数目。

随着反应堆的增高,费米进行了各种测试,那个石墨球的最上面几层始终没有加上去,因为反应堆达到临界大小的时间比预料的来得要快,从安放第一层石墨砖起仅仅过了 6 个星期,就到了 12 月 2 日凌晨。当时给反应堆做扫尾工作的是安德森,如果当时他抽出镉棒的话,那么他就会开动核反应堆,从而成为实现人工自持链式反应的第一个人,不过他决定把这个荣誉让给费米。

天亮之后,费米、康普顿及其助手们云集在网球场里,耐心地等待着最后一刻。在场的人中有一位是“冶金实验室”以外的人物:杜邦财团的克劳福德·格林沃尔特先生,他后来成为杜邦的董事长,而在历史性的那一天清晨,他恰好和杜邦公司的其他人在附近的一个房间里同军方的高级官员举行会谈,康普顿把他拉出来领到了现场。

格林沃尔特和杜邦公司的人当时正处于一种为难的境地:他们不知道怎样才能和军方达成协议。美国军方在 1942 年 8 月就接管了“铀计划”,并将其命名为“曼哈顿工程”。9 月,美国陆军工兵上校格罗夫斯(Leslie Groves)被任命为“铀计划”或曰曼哈顿工程的负责人。该工程包含着比核研究更多的东西,包括生产石墨和铀(既包括金属铀又包括氧化铀),还有铀同位素的分离,以及一种新元素——钚的生产。杜邦公司被告知在铀的裂变过程中会产生钚,而钚或许适合于制造原子弹,于是格林沃尔特及其同事就被军方请到加州大学伯克利分校参观已完成的钚研究工作,然后飞往芝加哥与军方谈判制造用于生产钚的核反应堆事宜。格林沃尔特对是否接受这一合同犹豫不决,毕竟这是一笔价值十多亿美元的大合同,而且他的公司也愿意帮助打赢战争,可是……这是在说反应堆和钚啊!鬼知道这是些什么东西!

康普顿觉察出格林沃尔特的犹豫不决,于是决定打破常规,把他拉到网球场,让他亲眼目睹反应堆的第一次运转(据康普顿回忆,当时之所以挑格林沃尔特,还因为他的岁数较小,“可以在更长的岁月中亲身向后人讲述这一不平凡的时刻”)。他们登上了网球场北端的看台,除了 3 个呆在反应堆上的人之外,费米和他的助手们也在那里。这 3 个年轻人被称为“自杀队”,其任务是一旦链式反应失控就将一桶桶的镉溶液浇到反应堆里。此外还有一个叫乔治·韦尔的年轻物理学家站在地面上一根镉棒的旁边。其他的镉棒和硼棒都早已抽出来,现在整个链式反应就被这根镉棒制止着。

演出开始了。韦尔将镉棒抽出来一点,它还有 13 英尺留在反应堆里,盖革计数器开始咔哒咔哒地响起来,描笔移升了一点,在卷纸上绘出一道直线。费米给出更多的指令,韦尔每次把棒往外多抽一点,描笔就升到费米预先算定的那一点上,这个点就代表了 K 系数的大小。格林沃尔特紧张地喘着粗气,费米则镇定地微笑着,因为他预先进行了严格周密的计算,即使那根镉棒一下子完全抽出来,他也可以保证反应堆可以从容自在地按预定速率开始反应,根据计算结果,反应堆发生爆炸是绝对不可能的,而且也不会失控到放射出致命剂量放射线的地步。然而网球场里的人都是在和一种未知的东西打交道,所以小心谨慎还是至关重要的。

这样就到了午饭时分,虽然没有一个人做出饥饿的表示,费米还是宣布“我们去吃午饭吧!”午饭过后,大家又各就各位,这时格林沃尔特已经非常激动了。到下午 3 点 20 分,费米对韦尔说:“把它再往外抽1英尺。”随后转向看台上焦急的人群,补充说:“这次就成了。现在反应堆将开始链式反应。”K 系数描笔上升到了 1.00,然后是 1.01、1.02、1.03……1.09、1.10,“自杀队”的 3 个人绷紧了肌肉等待费米发出指令。这群人注视着各种记录仪达 28 分钟之久,K 系数稳定在 1.09 和 1.10 之间,反应堆的行为正如人们所料的那样。

尤金·魏格纳(就是 1939 年曾致信罗斯福的那位匈牙利犹太科学家)拿出了一瓶藏在身后的意大利基安蒂葡萄酒,向费米敬酒。所有在场的人都喝了酒,用的是纸杯子,悄然无声,没有祝酒。随后大家都在酒瓶的纸标上签了名,然后四下走散了。格林沃尔特赶回和军方会谈的那间屋子里,一口气宣布说:是的,按照军方的要求着手建造反应堆,这对杜邦公司来说是完全应该的,反应堆是了不起的东西,走得像一只瑞士手表那样精确,而且只要有费米和他的小组那样能干的科学家,杜邦公司就不是在冒无谓的风险。康普顿则赶回办公室,给科学研究与发展总署成员、哈佛大学校长康南特(James Conant)通了长途电话。电话刚一接通,康普顿就说:“那位意大利航海家已经到达新大陆了。”

“那么他发现当地的居民怎么样?”

“非常之友好!”

第二部 曼哈顿工程
橡树岭

“上校,在国库里,我们计算银的单位不是吨,而是金衡盎司。”

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p align=”right”>—— 丹尼尔·贝尔,美国财政部副部长,1943 年 3 月

“铀顾问委员会”成员包括美国国家标准局、陆军和海军的代表,该委员会时常与物理学家和化学家开会讨论原子能和原子武器的发展问题。根据讨论中提出的意见,该委员会向陆军和海军申请适当的款项以购买研究材料。1940 年 6 月,在风闻威廉皇帝物理研究院已经承担了关于铀的庞大研究计划后,又成立了“国防研究委员会”(NDRC,National Defence Research Committee),由 OSRD 署长布什兼任该委员会主席,铀顾问委员会成为该会下属的一个分支机构。国防研究委员会通过与一些大学和学院订立合同的办法进行工作,最初使用陆海军划拨的经费,后来则从国会拨款委员会得到了专门的预算。

到 1941 年 11 月,由于“铀计划”已经变得极为重要,布什决定让铀顾问委员会(此时已改称S-1委员会)脱离 NDRC 的管辖,直接划归 OSRD 管理。布什同罗斯福商讨了军用原子能的问题,在扩充计划、调整组织、获得特别经费及与英国交换情报方面得到了罗斯福的批准,随后创立了一个原子弹计划的最高政策小组,成员包括总统本人、副总统华莱士、陆军部长史汀生、参谋总长马歇尔和康南特博士。

到 1941 年 11 月为止,所有在实验室进行的研究工作都是利用铀 235 来实现可控链式反应。铀 235 是一种稀有的同位素,在天然铀中的含量只有 0.7%。在费米的核反应堆中,就是靠这 0.7% 的铀 235 实现了核裂变,如果能够从天然铀中进行提纯,去掉较重的铀 238,则裂变的几率将大为增强。根据费米的估算,要实现核爆炸,可能需要几公斤到几十公斤纯度 90% 以上的铀 235,但是在此之前人类从未获得过哪怕是超微量的纯铀 235,要生产出以“公斤”计的这东西来不啻是天方夜谭。

然而还存在另外一条捷径:用高能中子轰击铀 238 后可以获得同位素铀 239,后者的半衰期约为 23 分钟,随后嬗变成新元素 93(镎),镎是一种不稳定的超铀元素,在 2 到 3 天内衰变为钚。1940 年 3 月,以西博格博士(Glenn Seaborg)为首的研究小组在加州大学伯克利分校用 60 英寸回旋加速器加速的氘核轰击铀 238,获得了钚 239(第106号元素后来以西博格命名,第 97 和 98 号元素分别以伯克利和加利福尼亚命名)。对这种物质的分析表明它的临界质量比铀小得多,在同样为球体时大约是后者的 1/5 左右,而且纯度只需要 10% 到 15%,所以可以用在自然界储量较高的铀 238 来制造新的核裂变材料。

美国卷入第二次世界大战后,终止了关于原子能动力方面的研究,集中人力物力加快制造原子弹的步伐。在 1941 年 12 月 16 日的最高决策小组会议上,布什建议将当时仍处于分散研究状态的核物理学家和工程师集中到某一地区以提高效率、加强保密工作。他推荐陆军工程兵团统管该地区的建设工作。此后不久,康南特博士又审核了布什的报告,提出了建设生产工厂的问题。当时有 6 种方法生产裂变物质:用离心法、气体扩散法、液体热扩散法和电磁法来分离铀 235,用铀 238 加石墨或重水反应堆来生产钚 239。

1942 年 6 月 17 日,布什送给罗斯福一份原子弹计划现状的报告,他在报告中指出,制造用于战争的核武器在技术上是可以实现的,并详细说明了生产这种武器的方法,在报告的最后,布什建议“及时把它制造出来以影响当前战争的结局。”罗斯福批准了该报告,次日美国陆军后勤部参谋长斯泰尔少将(W.D.Styer)指定工兵上校马歇尔(James Marshall)主管建设一个工程区,来“执行陆军在原子能发展方面的职责”。从这一天开始,“曼哈顿工程”正式启动。当然,此时该工程还不叫这个名字,而是叫“代用材料发展实验室”(Lab. of the Dev. of Substitute Materials),直到该年8月,项目负责人之一格罗夫斯上校担心这个名字会引起人们的好奇,建议以马歇尔上校的办公室所在地曼哈顿命名,于是“曼哈顿工程区”就这样诞生了。

1942 年 9 月 17 日,刚刚完成五角大楼施工项目的陆军工程兵团建筑部副主任格罗夫斯上校被任命为曼哈顿工程的军方负责人,接替即将调任海外的马歇尔上校,同时被提升为准将。格罗夫斯在华盛顿占用了陆军部大厦(现为美国国务院所在地)的 5120 和 5121 两个房间,作为曼哈顿工程的总部。

按照曼哈顿工程最初的时间表,将在 1942 年 10 月 1 日开始建造钚反应堆,11 月 1 日开始电磁分离工作,1943 年 1 月 1 日开始离心分离工作,3 月 1 日开始气体扩散工作。

根据专家估算,裂变物质工厂需要一片广阔无人的土地,此地必须远离东西海岸,和华盛顿、纽约、芝加哥之间的交通往来必须便利,该地必须有大量水源,地价低廉,最后,该地气候条件必须允许全年施工。格罗夫斯最后选中了田纳西州诺克斯维尔附近、濒临田纳西河的克林顿镇(Clinton)为铀工厂厂址,华盛顿州濒临哥伦比亚河的汉福德(Hanford)为钚工厂厂址。

克林顿是个典型的田纳西小镇,到处是散居的农户,只有几家小商店和一所主日学校,该地有公路和铁路与外地相连,交通十分便利,同时罗斯福“新政”时代兴建的田纳西河流域整治工程所建立起来的一系列水电站为该地提供了充足的电力保障。曼哈顿工程在克林顿镇地区征购了 54,000 英亩土地,由政府按居民产业的全部价值支付征地费和搬迁费。整个厂址起初命名为“克林顿工厂”,直到 1943 年夏季才改用“橡树岭”作为包括工厂、居民区在内的整片地区的对外通讯名称,但铀工厂的正式名称仍是“克林顿工厂”,直到 1947 年美国原子能委员会成立后才改名为“橡树岭工厂”。

当时已经研究出几种分离铀 235 和铀 238 的方法:化学家尤里(Harold Urey,氘的发现者,1934 年获诺贝尔化学奖)在哥伦比亚大学进行气体扩散试验,劳伦斯(Ernest Lawrence,回旋加速器的发明者,1939 年获诺贝尔物理学奖,第 103 号元素以其命名)在加州大学伯克利分校进行电磁分离试验。气体扩散的原理是用泵将六氟化铀气体抽过大约 4000 多层金属薄膜筛,每个筛子都有无数个微小(小于百万分之一厘米)的小孔,铀 235 形成的六氟化物分子量较小,因此可以以较快的速度通过筛孔。电磁法则利用回旋加速器的原理,借助铀 235 和铀 238 氟化物分子量上的细微差异,使它们在穿过电磁场时弯曲度稍有不同,随之将其分离。橡树岭电磁分离厂中安装了空前巨大的电磁铁,磁极的直径达 4.6 米,用这种方法终于生产出以公斤计的铀 235。离心方法则用离心机将铀 235 和铀 238 的混合物高速旋转(每分钟上万转到上百万转),铀 238 较重而被逐渐甩到外层,然后车削掉最外面极薄的一层纯铀 238,随后不断重复这一过程。这种方法当时虽然已经研究出来,但还没有发展到可用于工业生产的程度,为了避免分散精力,格罗夫斯最后决定只在橡树岭建造气体扩散厂(代号 K-25)和电磁分离厂(代号 Y-12),两厂相距约 27 公里。

电磁分离厂(Y-12)建在橡树岭的东南部,占地 825 英亩,动力设备由通用动力公司承包,阿利斯-查尔默斯公司生产磁铁,威斯汀豪斯公司生产操作箱和其他部件,斯通-韦伯斯特公司承包建筑施工。整个工厂在 1943 年 2 月开工建设,同年 11 月投产,建设费用达 3.04 亿美元。它是克林顿工厂中工人最多的(战时雇员最多达 8.2 万人),也是战争期间制造出武器级浓缩铀的唯一工厂。

整个 Y-12 工厂分为三大部分:进行初步浓缩的 α 车间、进行再提纯的 β 车间,以及辅助的化学、动力等车间。α 车间包括 5 座厂房,每座厂房安装 9 座被称为“跑道”的电磁分离装置,每套装置包括 96 个磁铁和 96 个气体收集器,β 车间则包括 3 座厂房,每座厂房安装 8 台“跑道”。这样一共需要 6624 个巨大的磁铁,如何获得生产这些磁铁所需的铜成了克林顿工厂起步时碰到的最大的难题。如果这些磁铁全都用铜带缠绕,那么 Y-12 工厂至少需要约 12 万吨铜。1942 年美国全年铜产量为300 万吨,但是其中绝大部分用于更紧急的军事项目了,最后格罗夫斯想到了美国财政部的白银。

经过一系列协商,美国财政部同意提供 4.7 万吨银币,以及 3.9 万吨银锭(美元银元券纸币的准备金),条件是在战争结束后 6 个月之内归还同等数目的白银。这些银币和银锭从西点银库中提出来,在严密的保护下运到美国金属精炼公司铸造为短银条,道奇铜制品公司把这些银条做成导流带、磁铁线圈以及类似的各种部件,最后交给阿利斯-查尔默斯公司制造电磁铁。由于保卫工作严密,整个过程(包括后来的生产过程)中没有发生过一起失窃案,价值 3 亿多美元的 8.4 万吨白银最后只损失了 0.035%,原因是铸造、加工和使用中正常的损耗。

在 Y-12 工厂投产的最初几个月里,格罗夫斯等人发现了一系列技术问题:磁铁铁芯的银带缠绕得过密,再加上用于冷却的循环油中混进了铁屑,造成了线圈短路;老鼠跑进了真空操作箱;鸟儿、暴风、雷击使得电线短路……最后格罗夫斯不得不加强保卫及废物回收措施,防止怠工者进行破坏(比如将铁屑投入循环油中),同时规定每 4 周清理一次 α 车间,每两周清理一次 β 车间。

气体扩散工厂(K-25)的开工时间比电磁分离工厂晚得多,因为 S-1 委员会将其优先度排在了电磁分离厂和钚工厂之后。该工厂的核心是几千个分级过滤设备,每套设备里都有用金属滤膜制成的管子,由于涉及到许多当时最先进的化工技术,所以美国最大的化工公司之一联合碳化物公司被指定为生产滤膜及级联过滤设备的主要承包商,扩散泵则由阿利斯-查尔默斯公司生产。由于需要多种频率的电源,更重要的是担心供电线路遭到破坏(气体扩散工厂一旦停工就可能需要几个月才能重新启动,这一点与电磁分离工厂不同,后者停工后只需几天便可重新开工),K-25 工厂没有使用田纳西河流域管理局提供的电力,而是单独建立了一座火力发电厂。为了避免气体腐蚀,有人建议将该厂几百英里长的工艺管道全都用镍制造,生产管道设备的克莱斯勒汽车公司经过计算发现,这样的话全世界的镍都不够 K-25 工厂所用。最后格罗夫斯找了新泽西州的一家小公司,给每个管子都镀了一层厚厚的镍。为了确保安全,在几百英里的管道中一个气孔都不能有,而且这些管道在投产前都经过了外科手术级的清洁工作,格罗夫斯为此又建立了专门的焊接和清洗车间……这样,在投产之前,K-25 工厂已经花了 2 亿美元。

战争末期克林顿工厂还建设了液体热扩散车间,作为气体扩散的辅助生产手段。热扩散的原理是不同分子量的同位素比热不同,这样较轻的铀 235 将向上流动。1941 年夏天,化学家阿贝尔森(Philip Ableson)已在华盛顿卡内基学院通过这种方式分离出了微量的铀 235,海军随后资助了这一试验,并在费城海军船厂建了一个实验工厂。建立一整套热扩散生产设备的话,大约需要 20 到 30 亿美元,但是该工艺可以作为取得低浓缩铀的第一步工序,这样就省钱得多。1944 年夏天,代号 S-50 的液体热扩散工厂在 K-25 工厂旁边开工,前者利用后者的蒸汽,后者利用前者的粗制产品进一步提炼浓缩铀。整个工厂共有 21 套同位素分离器,每套包括 102 座长 15 米的圆管,内为镍管,外为铜管,铜管外部包有白铁冷却水管。

到 1945 年 5 月,橡树岭已经为曼哈顿工程提供了足够的铀,用于制造投放在广岛的那颗原子弹,整个生产过程中只有 8 人因工伤死亡,其中 5 人触电,1 人中毒气,1 人被烧伤致死,1 人被落下的重物砸死。考虑到整个铀生产的过程中危机四伏,不仅要用到许多危险品和剧毒的化学品(比如碳酰氯/光气、液氮、氟化氢、四氯化碳等等),铀本身及其化合物也有毒性和爆炸性,能够保持这么少的工伤率实在是一件了不起的成就。

汉福德

“依照当前已掌握的工艺,钚生产是可以实现的,其成功的或然率为 99%,炸弹的成功或然率为 90%……在时间上,假设能够得到连续不断的全方位支持,1944 年将会交出第一颗原子弹,1945 年将达到每个月制造 1 颗的生产率……”

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p align=”right”>—— 阿瑟·康普顿,1942 年 12 月

1942 年 10 月 5 日,即曼哈顿工程预定的钚计划开工时间之后 4 天,格罗夫斯、康普顿、费米、西拉德和魏格纳等人在芝加哥“冶金实验室”开会讨论钚生产问题。当格罗夫斯问到制造一颗炸弹大致需要多少钚的时候,被物理学家们的回答吓了一跳:具体需要多少钚不清楚,能计算出来的最精确的因数是 10,也就是说,如果计算结果是 1 颗原子弹需要 10 公斤钚,则正确答案应该在 1 公斤到 100 公斤之间。即使只需要 1 公斤钚,在那时也是一个天文数字,因为当时人们只是用回旋加速器制造出了几毫克的钚,至于反应堆里面产生的钚则还没找到办法将其与铀分离出来。

格罗夫斯决定先撇下这群科学家,着手解决钚工厂的建设问题。为了减少工程、建设、运行三方面的协调问题,他决定让一家公司独自负责这三种工作,而当时美国国内有能力统管这些工作的只有杜邦化学公司一家。杜邦公司接受的委托包括一个大规模的钚工厂的设计、建造、运行等内容,杜邦公司根据“冶金实验室”的设计施工,美国联邦政府对此过程中可能产生的任何损害负全责。杜邦公司董事会表示,它将免费协助政府,不会为这项工作接受任何酬金或收取任何专利费,于是这一条款也写进了合同,但是出于法律方面的理由,杜邦公司又必须接受酬金才能使合同成立,于是合同中最后规定酬金为1美元。有趣的是,日本投降后不久,美国政府提前将这1美元酬金完全付给了杜邦公司,而财政部的官僚却认定合同没有期满,判定杜邦公司应退还政府 33 美分,幸而杜邦公司在和政府部门的多年相处中已养成了诙谐感,于是饶有风趣地接受了这一裁决。根据其他合同的安排,杜邦公司制氨部生产重水(当时已经决定用石墨作为减速剂,重水只是备用手段),TNX(三硝基二甲苯)炸药部生产钚。

曼哈顿工程起初准备将钚工厂的厂址设在芝加哥附近的阿贡山,但由于钚的生产过程比铀生产更具危险性,不适合将其安放在人口稠密的大城市周围。橡树岭是个比较合适的地点,不过如果将钚工厂安在那里的话,需要再征购 7.5 万英亩土地,同时田纳西州的电力负担将过重,而且万一钚工厂发生爆炸、泄露等事故,将势必影响当地铀工厂的运转。经过讨论,杜邦公司和曼哈顿工程成员对厂址的选择提出了以下几点意见:1、能够大量提供冷却水;2、至少能提供 10 万千瓦的电力;3、最危险的核心生产区至少为 16×12 英里见方;4、实验室至少离反应堆或分离工厂 8 英里远;5、生活和福利区应在离反应堆和分离厂至少 10 英里的上风处;6、反应堆或分离厂周围 20 英里内不应有人口在 1000 以上的小镇。当时美国最大的几个水电站 – 哥伦比亚河上的大柯利水坝(Grand Coulee Dam)、科罗拉多河上的博尔德水坝(Boulder Dam,现名胡佛水坝)- 都在西部地区,经过从华盛顿州到墨西哥边境的美国西部地区的仔细勘察,格罗夫斯决定将厂址设在华盛顿州中部的汉福德,这里可以从大柯利(设计装机容量 197 万千瓦,1943 年时可发电 82 万千瓦)及其下游的博纳维尔(52 万千瓦)两处水电站取得充足的电力供应。当时的汉福德是个很小的小镇,只有两家杂货店,由于土壤里多为沙石(这种地基对于安装反应堆的大型建筑来说比较理想),特别是灌溉用水都要从 20 公里外引来,所以只有几个种薄荷、樱桃和饲养火鸡的农庄,地价低廉。1943 年 2 月 8 日,美国陆军部长颁布了征地命令,在汉福德地区收购了 50 万英亩的土地。

汉福德工厂设在离河几公里的地方,哥伦比亚河冷冽纯净的河水很适合用来冷却反应堆,冷却水流出反应堆后收入贮水池,待里面的放射性同位素衰变后再排放到哥伦比亚河中,以免伤害河里的鲑鱼。整座工厂包括 6 座 20 万千瓦水冷石墨反应堆和 3 座分离工厂,每座反应堆占地 2.6 平方公里,由钢、压制木板和厚厚的混凝土屏蔽,以保护操作人员不受辐射的伤害。为确保安全,每座反应堆都配备了双套水冷系统,反应堆之间相距 10 公里。此前根本没有将反应堆用于工业生产的经验,比如管道材料在中子轰击下的强度问题就是以前完全没有考虑过的,所以汉福德工厂只得一边建设一边发现问题、并从芝加哥冶金实验室和克林顿工厂的小型试验反应堆那里获得经验。建设一座反应堆需要用到 45 万套各种组件,其中许多零件需要比制造精密钟表更精细的公差来进行装配,杜邦公司将这些部件转包给美铝、联合碳化物、通用汽车和其他上百家中小公司,在汉福德工厂建设的高峰时期,有 45 万人直接或间接地为其服务。

汉福德工厂原本计划建造 8 座分离厂,后来又减为 6 座、4 座,最后确定建设 3 座分离工厂,其中两座正常运行,另外一座做为后备工厂,每座工厂的厂房长达 240 米,用 2 米厚的混凝土分割成一个个小操作间,经反应堆处理的铀棒用专用的铁路车辆运到这里后用化学方法分离出钚,残渣和废液经过再萃取后放到钢筋混凝土容器中深埋地下。

除了建设钚工厂外,另一个紧迫的问题是为迅速涌入汉福德的上万名工人建设生活和福利设施,包括住宅、办公楼、工厂的总务和后勤机关、实验室、医院、仓库、商店、教堂、红十字会、储蓄所、供热厂、变电所、围墙、下水道、水塔……还有几百公里的专用公路、铁路和配电线路。这些基础设施的施工由陆军工程兵负责,汉福德工厂还从全国各地招募了好几千名妇女从事文书、打字、速记、事务员等工作,因此为她们建立了服装店和美容沙龙,每天傍晚还有一趟专车运送妇女们到 70 公里外的帕斯科镇,妇女们可以去那里采购、理发、看电影,或是参加帕斯科海军航空兵基地的定期舞会。

洛斯阿拉莫斯

“Y 基地是在某个陌生的荒野地带中间的一块地方,我们的许多朋友都在那里销声匿迹了。在那里,有几位来自欧洲的人感到很不快,因为在一块封闭起来的区域里生活使他们回想起了集中营……在 Y 基地里我肯定会很愉快的,这是一位沉思地叼着烟斗的年轻人的意见。我和他以前从未谋面,他到芝加哥来看望我们,对我们尽可能地解释了Y基地。他在那里是实验室主任,他的名字是罗伯特·奥本海默……”

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p align=”right”>——劳拉·费米,《费米传》

铀工厂和钚工厂的建设工作算是告一段落了,然而摆在格罗夫斯面前的还有另外一个更为重要的任务:那些原子弹专家,或者用他的话说,“花了好多的钱才好不容易搜罗来的科学狂人”,他们该在什么地方制造他们的原子怪物呢?

在 1942 年 6 月“曼哈顿工程区”成立之前,美国的原子物理学家们并没有将多少精力投入到原子弹的制造方面,因为当时连最基本的链式反应都没实现,铀 235 的分离或钚的工业化生产也没有开始,此前所做的全部工作只不过是论证原子弹的可行性。至于如何设计原子弹、原子弹应该有多大,当时谁也不知道,军方一些乐观的人甚至认为不必着急,等搜集到足够的铀和钚后,只要 20 个科学家花 3 个月时间就可以做出原子弹。但是格罗夫斯将军接管这一工程后,决定立即着手原子弹的设计和制造工作,宁可让原子弹等材料,也不能让材料等原子弹。

原子弹的设计工作被称为 Y 计划,这一计划的领导人有很多人选,例如阿瑟·康普顿或者欧内斯特·劳伦斯,但是格罗夫斯和布什、康普顿、康南特等人反复协商后,最终决定指派当时还不很出名的朱利叶斯·罗伯特·奥本海默为 Y 计划的负责人。

奥本海默毕业于哈佛大学,后在剑桥和哥廷根深造,1927 年返回美国后在加州大学和加州理工学院从事原子和原子核的研究工作,此时(1942 年 10 月)正在康普顿的领导下研究铀的临界质量和同位素分离技术,而且已经做出了一定的成绩。格罗夫斯了解到,奥本海默有着惊人的智力和管理才能,在理论物理学方面具有精湛的知识,在学术界也很受尊敬。康普顿虽然有着更为丰富的行政领导经验,但他不能长时间离开芝加哥的“冶金实验室”,另一个合适人选劳伦斯则在伯克利从事至关重要的电磁分离研究工作,也无暇抽身。哥伦比亚大学的尤里虽然是一位杰出的化学家,但是他在技术上还没有资格领导这一工作,而且他的健康状况也不是很好。奥本海默最大的缺点是没有获得过诺贝尔奖,这样的资历在其众多获得诺贝尔奖的同事中未免显得有些黯淡,格罗夫斯担心他可能得不到应有的尊重。当格罗夫斯把奥本海默的名字提交给军事政策委员会时,有很多人反对这一提名,于是格罗夫斯请每个委员提出一个更好的人选。几周之后军事政策委员会再次开会的时候事情变得很清楚:再也找不到比奥本海默更合适的人了,于是他被正式任命为Y工程的科学部门负责人。

然而还有另一个问题:奥本海默的档案里有许多让人不喜欢的东西:战前他与自由主义的、左派的和亲共产主义的许多政治组织有过联系,给它们捐过钱,还曾两次差点跟一个叫琼·塔特罗克的女共产党员结婚。格罗夫斯倒是认为这些事没什么,可是“上面的”一些人却对此感到不舒服,于是给奥本海默布下了最严密的监视网,联邦调查局中有关奥本海默的档案足有 4 英尺 6 英寸(1.37 米)厚。在战后的麦卡锡时代,奥本海默为此受到了极为不公正的迫害。

对奥本海默的任命一经确定,他就开始着手寻找原子弹实验室的合适地址。与裂变材料工厂一样,这个地方必须有足够的水源,允许全年施工的温和气候,而且必须远离主要的城镇,一方面是为了保密,另一方面也是在万一“魔法师打翻他的炼药坩埚”(格罗夫斯语)时不至殃及池鱼。但是,由于该地要住进一些最重要的科学家,必须保证他们能有一个满意的生活条件。

对美国西南部地区进行了广泛的考察后,格罗夫斯亲自选定了 3 个地点,加利福尼亚的那个后来因离洛杉矶过近而否决了,内华达州的另外一个地方则有冬季大雪封路的问题。最后只剩下了新墨西哥州北部、靠近该州最大城市及交通枢纽阿尔伯克基(Albuquerque)和圣菲(Santa Fe)的地区。奥本海默向格罗夫斯指出,在圣菲北边的洛斯阿拉莫斯峡谷(Los Alamos)中,有一座小小的牧场子弟寄宿学校,他在孩提时代曾经随童子军在此住过一段时间。奥本海默家在附近的佩科斯河谷有一座牧场,因此对这一带了如指掌。事实上奥本海默曾建议将自家牧场作为 Y 计划的基地,但因周围印第安人的小块牧场太多、征地工作困难而作罢。洛斯阿拉莫斯的优点很多:远离人口中心;只有几条道路和少数峡谷可以通达,周围十分僻静,便于保安和保密;第一批施工人员可以住进寄宿学校,不必另行搭建房屋;四周有大量的荒地可供征用;而且还有水源,虽不充足,但也够满足生活所需(奥本海默当时没有预料到该地的扩展规模,以及科学家们用起水来大手大脚的习惯)。新墨西哥州的国民警卫师于珍珠港事件后在菲律宾被日本人俘虏,该州官员反日情绪很强烈,非常乐于配合军方的征地工作(虽然他们并不知道这块地被征来干什么)。

格罗夫斯对奥本海默介绍的情况很感兴趣,于是在 1942 年 11 月和他乘火车去圣菲实地考察当地的情况。圣菲北面的里奥格兰德河谷是一片宽阔的盆地,底部炎热而荒凉,东边是绵延起伏的桑格雷-德克里斯托山脉,西边和西北部则被绿色的赫梅斯山岗包围。赫梅斯山岗被一条条峡谷切割成一系列平行的台地,峡谷底部大部分时间是干涸的,洛斯阿拉莫斯牧场子弟学校就坐落在这样的一块台地上,有 10 多间木板和土坯建造的教室和宿舍,一间小礼拜堂,还有水井、修理场和一间小小的发电机房。由于美国参战后师资缺乏,所以寄宿学校的主任很高兴地关闭了学校,把校舍卖给军方。

1943 年 1 月,美国陆军工程兵部队开始进驻洛斯阿拉莫斯,在稠密的泥浆大海中建造了大批实验室、住宅、工厂和其他设备,一座城市就这样在海拔 2000 多米的高原上平地而起。新的家庭源源不断地涌到这里,住宅建设永远跟不上人口增长的速度,军营一样的平房和楼房在原来那几座很少的房子周围胡乱地矗立起来,街道没有名称,漫无目的地向四面八方延伸,把台地划分成错综复杂的格局。所有的住房都是木结构的,外面刷成绿色,以 45 度的角度斜对着街道,以便最大限度地利用土地。几乎所有的街道都是一个样子,房子也没有门牌号,新来的人只有借助耸立在全城最高部位的高大水塔才能辨明方向。整个洛斯阿拉莫斯光秃秃的一棵树都没有,原来的树也在施工时死光了。马路没有铺柏油,路面是胶质粘土,夏天下雨后变成厚厚的一层泥浆,冬天下雪后也变成厚厚的一层泥浆,路旁乱糟糟地堆满了建筑材料和砍倒的树木,起重机、压路机和载重卡车忙乱地驶过……1944 年 8 月费米一家从芝加哥搬到洛斯阿拉莫斯时,看到的就是这样一幅令人泄气的画面。

除了费米外,还有许许多多来自美国、英国、加拿大和其他国家的科学家带着家眷住进了这里,在长达两年半的时间里,美国地图上没有洛斯阿拉莫斯这座城市,这里的居民没有选举权,对于一般的外人来说,它根本不存在;对于极少数知道它的人来说,这里是 Y 基地;对于不得不与洛斯阿拉莫斯居民通信的人来说,这里是 1663 号邮政信箱。整个洛斯阿拉莫斯峡谷都与外界隔开,主要的城镇入口是东大门,这里有公路一直通到圣菲,西大门每天只在特定的几个小时里对非军人开放,穿过它就可以到达风景秀丽的赫梅斯山岗和里奥格兰德河谷,那里有青色的云杉、黄松和白杨,人们可以钓鱼、滑雪、爬山。

出入洛斯阿拉莫斯镇的人都要向值勤宪兵出示通行证并登记,只有带特别证章的人才能进入用铁丝网围起来的技术区,整个镇子外面环绕着另外两层铁丝网,但是洛斯阿拉莫斯所有的孩子都知道哪里有破洞,于是他们经常充当成年人的向导,带着童心未泯的科学家们和工程师们溜出去玩儿。

所有的知名科学家在离开洛斯阿拉莫斯时都要使用化名,恩里科·费米改名尤金·法默,哈罗德·尤里改名休·厄尔曼,康普顿则有两个名字,在东海岸旅行叫科马斯先生,在西海岸旅行时叫康斯托克先生。然而有一个人在 Y 基地里也要使用化名,他叫尼古拉斯·贝克先生,那些过去就认识他的人称他为“尼克大叔”,因为“贝克先生”这样的称呼很难说出口,而他的真名实姓又是严禁提及的。尼克大叔的名字是洛斯阿拉莫斯保密保得最好的事情之一,要是当时有哪位无关的人知道尼尔斯·玻尔这样一位举世闻名的原子物理学家正在洛斯阿拉莫斯,那就是美英两国特工部门战时最重大的泄密事件之一了。

玻尔与重水工厂

罗斯福:“你很了解原子科学的发展情况?”
威廉·斯蒂芬森(英国特种行动执行局负责人):“是的,我跟那些精通原子科学的人保持联系。其中最重要的是在丹麦的玻尔博士。”

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p align=”right”>—— 斯蒂芬森回忆录

玻尔逃离丹麦的整个故事可以写成一部畅销的惊险小说。

这位欧洲最负名望的原子物理学家早在 1939 年 1 月 16 日抵达美国时,就曾忧心忡忡地和刚刚来到美国的费米谈到了未来事物的某些征兆,在瑞典-美洲邮船公司码头一间大而嘈杂的屋子里,费米的妻子隐隐约约地听到他们讨论的一些字眼:“战争……希特勒……丹麦……危险……占领……”。玻尔随后前往普林斯顿拜会爱因斯坦,其间还拜访了多位原子物理学家和化学家,在这些会晤中,他以越来越带《启示录》语气的口吻谈到了欧洲的劫数,提到了欧洲安全体系的崩溃,很为他的家庭、他的祖国和整个欧洲担忧。

1940 年 4 月 9 日清晨,德国人静悄悄地占领了丹麦,盟国科学家万分惊恐地发现玻尔这位欧洲最杰出的原子物理学家和哥本哈根大学刚刚建成的回旋加速器一道落入了纳粹的手中。不过直到 1943 年秋天,德国在丹麦的占领力图保持一种平静的假象,似乎他们并没有把丹麦纳粹化的意图,德国占领军接到严格的命令要尽可能地避免得罪丹麦人,德国党卫军没有搜捕丹麦犹太人。玻尔、他的研究所和他的回旋加速器也没有被触动,甚至在德国和美国宣战后仍然可以继续接受洛克菲勒基金会的资助。当然,这些伪善的行为并不能掩盖这样的事实:丹麦已成为纳粹德国的殖民地,正在经受占领者的掠夺和折磨。

1943 年 2 月,原子物理学的先驱查德威克爵士草拟了一封致玻尔的措辞谨慎的信,邀请他去英国。此时玻尔还在哥本哈根理论物理研究所埋头工作,研究原子分裂的问题。英国情报部门和丹麦地下抵抗运动担心玻尔的工作热情会将他引向成功,从而有利于德国人对原子弹的探索,丹麦地下军甚至在他的实验室连接重水和回旋加速器的管道底下埋了炸药,以防万一。

玻尔拒绝了查德威克来信中措辞微妙地要求他停止工作的请求,并且婉拒去英国继续他的研究。查德威克不敢提到英美研制原子弹需要玻尔的工作,因为后者是个反暴力的和平主义者。英国特种行动执行局(SOE)和美国战略情报局(OSS)在伦敦和纽约举行了紧急会议,商谈在紧急情况下绑架玻尔并炸毁哥本哈根实验室的可能。最后德国人自己解决了盟国的道义难题。1943 年 8 月,德国驻丹麦的太上皇贝斯特博士向国王克里斯蒂安十世提出在政府内安插纳粹分子的问题,国王高傲地拒绝了他,说:“丹麦没有纳粹分子。”恼羞成怒的贝斯特下令党卫军随意抓捕“破坏分子”,把丹麦人送往德国的劳工营。这些措施激怒了丹麦人民,破坏活动在全国各地展开,一个德国军官在安徒生的故乡欧登塞差点被工人拿棍棒打死。8 月 28 日,德国大使向丹麦首相递交最后通牒,要求停止抵抗运动,否则将实行军事管制。在最后通牒期满前 15 分钟,德国人得到的答复是“不!”

8 月 29 日,德军占领了哥本哈根的要塞和军事基地,并将丹麦军队解除武装。克里斯蒂安十世国王草草地写了一张便条,劝玻尔立即出逃,因为他本人再也无法保护他。玻尔首先把其助手斯蒂芬·罗森塔尔(流亡丹麦的德国犹太人)叫来,给他一笔钱让其流亡,然后匆匆地收拾起他的全部手稿、通信和其他文件,将其封存在一根金属管里,埋在嘉士伯大厦(丹麦啤酒巨头嘉士伯赠给玻尔的豪华府邸)的花园里,然后把自己的金质诺贝尔奖章溶在硝酸里,藏到地窖内。在 9 月份德国人开始兜捕犹太人之前乘坐小船登上了瑞典海岸,那时逮捕玻尔的命令正放在哥本哈根盖世太保总部的办公桌上。

玻尔逃到瑞典后找到了英厄堡公主(克里斯蒂安十世的妹妹,瑞典国王古斯塔夫五世的弟媳),她已经加入了英国情报组织,为盟国工作。英厄堡领他去见瑞典国王,玻尔恳求国王让德国人把在丹麦逮捕的几百名犹太人送到瑞典,古斯塔夫五世答道,在挪威开始驱逐犹太人时他就提出过这样的建议,但遭到了侮辱性的拒绝。这时英厄堡公主插嘴说道:“尼尔斯,你完全脱离了现实生活。你身居第三帝国之内,但你却根本不了解它。”

这句话第一次刺痛了玻尔。此前他只是出于和平主义的理想才拒绝与轴心国和盟国双方合作,现在事情越来越明显,如果需要一方用原子弹这样的浩劫来劫数战争,那么这一方最好是反对独裁的一方。他决定去英国,帮助同盟国制造原子弹。他被驻瑞典的英国特工人员领到斯德哥尔摩郊外一个荒废机场,一架蚊式飞机正等在那里。玻尔穿上了一件厚厚的大衣,戴上保护帽和面罩,被绑在炸弹舱里,开始踏上漫长的旅程。

蚊式飞机起飞后不久,就爬升到需要使用氧气的高度,,以使敌人难于截击。驾驶员用机内对讲系统告诉玻尔:“现在你应该戴上氧气面罩”,但没有反应。驾驶员又试了一下机内对讲系统,还是没有回答。蚊式飞机还要飞两个钟头,如果仍保持这样的高度,玻尔就会因缺氧而死,如果降低高度,他可能会缓过气来,但可能被敌人的夜航战斗机打死。掉头往回飞等于自投罗网,在纳粹的压力下,瑞典不会再次放跑玻尔。飞行员最后贴着海面全速飞行,沿着德国战斗机航程之外的航线飞往苏格兰。在奥克尼群岛上空,他打开敌我识别器,此时没有任何迹象表明玻尔还活着。

特种行动执行局头子斯蒂芬森正在爱丁堡附近一个荒凉的夜间战斗机基地上焦急地等待着。飞机降落后,救护人员和机械师齐奔这架风尘仆仆的飞机,炸弹舱的门被打开,玻尔博士软绵绵的身躯被抬了下来,放到等候着的担架上,医生迅速地给他输氧、注射强心剂。斯蒂芬森问道:“有希望吗?”那个年轻医生拔出针管,说:“脉搏微弱,不过我们会使他转危为安的。”

几天之后,玻尔的儿子也从斯德哥尔摩接了出来,他熟悉他父亲的工作进度。父子两人被安置到威斯敏斯特附近的一家旅馆里,英国科学家和情报人员向他们询问德国原子弹的进展情况。5 天之后,丘吉尔同玻尔见了面。按丘吉尔的意见,因为此前玻尔多次拒绝去英国,结果险些滑到帮助德国的地步,所以“应当被禁闭,或者无论如何得使他看到他险些儿犯了弥天大罪。”玻尔的儿子事后这样描述他父亲同丘吉尔见面后回来时的情景:“……垂头丧气……他挨了一顿骂,马上就开始口授一份书面意见,阐述原子能工程以及反对原子弹的观点……”

1943 年底,玻尔父子前往纽约,给他们的假身份证上用了“贝克”这个名字,因为别的化名他都记不住,无论是在斯德哥尔摩还是在伦敦,往往一接电话就习以为常地说“我是玻尔……”。“尼克·贝克”大叔和年轻的“吉姆·贝克”被吸收进曼哈顿工程,在 18 个月后终于帮美国人制造出了第一颗原子弹。

玻尔逃亡前把实验室里的几瓶重水灌进啤酒瓶后藏进地下室,这些重水在战争期间一直藏在那里,没被德国人发现。重水是德国人尝试建造核反应堆时所用的主要减速剂,因为玻尔的门生海森堡曾经通过计算断定纯碳(石墨)是“用不得的”,其助手卡尔·冯·魏茨泽克的计算和海德堡大学的实验又支持了这一错误结论。,建造一座反应堆大约需要 5 吨重水,海森堡在 1940 年初曾建议在德国建立一个重水工厂,几个月后德国入侵挪威后接管了当时世界上唯一的重水工厂 – 位于奥斯陆以西 120 公里的尤坎镇(Rjukan)的挪威水电公司(Norsk Hydro),并直接将其纳入德国原子弹计划的轨道。

英国谍报机关发现,法本化学公司早在战前就曾悄悄地向这家挪威工厂投资,条件是法本无限期享有重水的专卖权,并改进电解生产程序,立即增产 10 倍。1940 年 2 月,挪威水电公司向法国的约里奥-居里提供了第一批重水,用于建造法国的第一座反应堆,3 个月后入侵挪威的德国人就占领了工厂所在地,断绝了该厂向第三帝国之外的重水供应。

此后不久英国的原子弹工程也开始运转,代号为“管道合金”(Tube Alloy Project),成员不仅包括查德威克这样的英国物理学家,也包括流亡自德国的犹太科学家弗里施和鲁道夫·派尔斯,以及 1940 年 6 月以后逃到英国的几名法国科学家(他们还带来了 200 公斤重水)。然而这项工作开始之后不久,散布在各乡间实验室里的科学家就发现,要把原子弹从设计图纸变为实用的武器需要巨大的资源。仅生产 1 公斤铀 235 就需要 2 万名工人、50 万千瓦的电力以及 1.5 亿美元的金钱,而英国的原子弹工程既没有杜邦和威斯汀豪斯那样的大公司提供技术支持(仅帝国化学公司提供了一些帮助),也没有政府和军方的资助,因为这样高的花费是英国负担不起的。1940 年 7 月,英国驻美大使洛西恩侯爵为此向罗斯福总统提出建议,在包括原子武器在内的军事科技领域进行全面合作。

1941 年夏天,哈罗德·尤里和佩格拉姆教授到英国访问,了解英国在这一领域中的工作。当时英国主要在进行气体扩散法分离铀 235 以及用重水反应堆生产钚的理论工作,对于石墨反应堆和电磁分离法则一点没有进展。令两人感到可笑的是,一些英国科学家竟然认为他们的工作进展已经远远地超过了美国,因此不愿意与他们分享原子弹情报,一些美国人也因为同样的原因不愿意和英国人在一起工作。最后还是丘吉尔和罗斯福在 1943 年的魁北克会议上友好地协商了这个问题:在华盛顿建立了“联合政策委员会”,史汀生、布什、康南特、格罗夫斯、查德威克、英国陆军元帅迪尔(John Dill)、加拿大军需部长豪厄(Clarence Howe)以及丘吉尔的科学顾问林德曼都是该委员会的成员,原子弹研究的成果由美英(包括加拿大)分享,至于工业和商业领域的原子能技术,考虑到美国为该计划提供了绝大多数的人力、物力和财力,美国总统可以“在公平合理的基础上”单方面决定向英国提供哪些情报。

美英两国在原子弹计划方面进行合作有一个更为重大的意义,即破坏纳粹的重水供应,美国在这件事情上要完全借助英国谍报机关的力量,因为后者此时已经在欧洲沦陷区建立了一个卓有成效的间谍网,不仅可以刺探情报,而且可以执行破坏任务。

1940 年夏末德国空军的第一批炸弹落到伦敦时,挪威的重水产量已经增加到每月 300 公斤,足够德国的“铀计划”所需。在挪威地下抵抗运动领袖利夫·特隆斯塔德(Leif Tronstad)的配合下,英国开始认真地计划摧毁挪威重水工厂。在加拿大多伦多附近一个绰号“小挪威”的地区,上百名自挪威流亡出来的青年男女接受了空降和破坏训练,其中 4 个曾经住在尤坎镇附近的人被挑出来接受进一步的严格训练,随后空投到尤坎镇周围潜伏下来,刺探重水工厂的情报。1942 年 10 月,这个小组发回电报,称“德国人要运走全部的重水,相信重量足够满足柏林目前的需要。”该电报在特种行动执行局里引起了一阵恐慌,战时内阁举行了紧急会议,决定派遣一支正规突击队乘坐滑翔机,对挪威水电公司的重水车间发动一次全面的武装袭击。

1942 年 11 月 9 日深夜,两架“哈利法克斯”式轰炸机牵引两架霍尔萨滑翔机从英格兰起飞,向东北飞去,每架滑翔机上搭载着 17 名突击队员。结果这支突击队全军覆没:第一架滑翔机的拖曳缆绳因结冰而被坠断,滑翔机在山上坠毁,17 人中有 8 人幸存,他们刚从残骸中爬出来就被德国人逮捕了,4 个人被送进野战医院,血管里注入空气而死,另外 4 人被处决。第二架滑翔机的牵引机撞山坠毁,滑翔机在附近的山上强行着陆,14 名幸存者全被枪杀。德国人从滑翔机的残骸里搜出了尤坎镇的地图,德国驻挪威专员约瑟夫·特波文(Josef Terboven)与驻挪威德军司令冯·法尔肯霍斯特(Nikolaus von Falkenhorst)亲临尤坎镇,下令军队和盖世太保在该地严密搜捕可疑人员,挪威水电公司重水工厂则住满了驻军,成了一座大兵营。

为了声东击西,伦敦指示挪威地下组织对尤坎镇附近的摩斯湖水坝展开袭击活动,以引开守厂德军兵力,德国人果真中计,在挪威地下组织几次“暴露”袭击水坝的企图后,重水工厂内的几百名党卫军士兵都调到大坝附近,厂内仅留几十名德军看守。1943 年 2 月 16 日,英国又派去了 6 名突击队员,次日凌晨 1 时在离尤坎 28 公里的斯克吕肯湖附近空降,随后在高山上建造了一座雪屋,等待与潜伏在当地的4名挪威潜伏人员会合。2 月 23 日,挪威人滑雪找到了英国突击队,这时他们已经靠吃地衣过活了一个星期,好几个人都生了冻疮。当天晚上,这支 10 人的突击小组徒步穿过一片地形复杂的森林,越过一条汹涌的急流,爬上一堵高达 300 米的冰崖,出其不意地从下水管道出口摸进了重水工厂的厂区。

2 月 24 日零时 30 分,身穿白衣白裤的突击队员迅速接近工厂便门,麻利地剪断铁链、铁锁,推门进入车间。厂内的机器轰鸣声掩盖了他们的动静,由于工厂布局与在英国搭建的模型一丝不差,突击队顺利地找到了与浓缩室相通的电缆隧道,摸到了位于7楼的电解水车间,两个打瞌睡的挪威保卫还没明白是怎么回事就被按到地上喝令不准出声。根据流亡英国的建厂工程师的指示,突击队员将 20 包炸药安装在 18 个高浓缩电池和其他一些管道设备上面,点燃导火线,命令俘虏赶快上楼逃命,然后从原路逃出。他们刚钻出电缆隧道,身后就传出一阵爆炸声,但声音轻微得出奇,丝毫没有引起德军的注意。次日早上,德国人才发现电解水车间已经被炸毁,450 公斤宝贵的重水(每公斤价格达 4500 美元)从炸毁的水槽中流出,排入了工厂下水道。

挪威水电公司在这次袭击后差不多一年才恢复生产,此后盟军对该工厂又进行了多次空袭,但效果并不理想,还白白牺牲了许多飞行员和挪威平民。最后英国人停止了轰炸工作,转而准备破坏该厂的运输线。1943 年底,从挪威传出的情报显示,有一批相当于半年产量(5000 磅,约合 2270 公斤)的重水将和重水工厂的设备一道运往德国,其运输路线中最薄弱的环节是廷斯贾克湖的火车轮渡。1944 年 2 月 20 日,挪威地下组织通过事先安装在“海德罗”号渡船上的炸药将德国最后一批珍贵的重水炸入了 400 米深的湖底。

德国原子弹计划与阿尔索斯小组

“神明保佑,英国和美国的科学家战胜了德国的一切努力!”

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p align=”right”>—— 温斯顿·丘吉尔,1945 年 5 月

具有讽刺意味的是,盟国为之耗费了极大精力和生命的重水与原子弹本身无关,只是德国人最初级的原子物理实验的材料,因为海森堡根本没有想到过利用重水反应堆生产钚,他在 1941 年之前甚至没有考虑过将钚作为裂变材料。海森堡最初的研究是将原子能作为军舰动力使用,原料应当是很纯的铀 235(至于怎么将其提纯出来则还是一脑子浆糊),重水只是控制裂变速度的减速剂,否则链式反应就会越来越大,以至发展到失控的地步,将反应堆或者“铀机器”(海森堡取的名字)熔化掉。

当然,海森堡也向德国军方提议过将原子能用于炸弹,但是从现在得到的情报来看,即使海森堡得到这些重水,也只会继续摸索下去,因为制造原子弹最关键的一个问题他在战争期间一直没能解决,那就是铀 235 的富化和同位素分离,这一点在很大程度上要归功于第三帝国的种族政策:诺贝尔奖得主古斯塔夫·赫兹(他的叔叔海因里希·赫兹就是发现电磁波的人)自 30 年代初就开始研究同位素的气体扩散和电磁分离法,但是到了 1935 年,由于有部分犹太人血统,他被免去了公职。虽然赫兹没有被送进毒气室,但是他离开了柏林工业技术学院,在战争期间再也无法从事同位素分离的研究了。

作为重水的代用品,海森堡及其“铀俱乐部”曾经尝试过水和石蜡。1940 年 10 月,“铀俱乐部”在柏林达勒姆区的威廉皇帝生物研究院附近修建了一座“病毒室”,在其旁边挖了一个水坑,坑中放进一个直径和高度都是 1.4 米的铝罐,罐内交替装有八氧化三铀(代号制品 38)粉末和石蜡减速剂。1941 年初,莱比锡大学实验小组将装有氧化铀粉末和重水的小球塞进一个大铝球中,然后将其吊入水罐(L-2 模型),该年年底又试验了内外两侧都被重水包围、中间装有铀粉的球壳(L-3 模型)。这几次试验都没有成功,海森堡经过计算发现,球壳里的铝吸收了 99% 以上的中子。

经过这几次试验,“铀俱乐部”手头的铀很快告罄。1940 年初海森堡曾经向军方申请 1 吨纯氧化铀,但那时全德国才只有 150 公斤氧化铀。1940 年 1 月,柏林的奥厄公司从捷克的约阿希姆斯塔尔矿山(Joachimsthal)弄来一批沥青铀矿石,加紧将其处理为氧化铀,并向比利时的上加丹加联合矿业公司订购了 60 吨铀矿石。到那年晚些时候,德古萨公司(DEGUSSA,德国金银精炼公司,参见《战争史研究》3)又从布鲁塞尔弄到了一批比属刚果的优质铀矿石,从中提炼了 9 吨氧化铀。

比利时沦陷后,存放于布鲁塞尔附近欧伦镇的铀矿石成为盟国担心的问题之一,这批矿石来自比属刚果南部加丹加地区的欣科洛布韦矿区(Shinkolobwe),是世界上品位最高的铀矿石,其氧化铀含量达 65%(曼哈顿工程从科罗拉多和加拿大开采的铀矿石品位只有 0.2%,南非兰德金矿的尾矿矿渣中氧化铀含量为 0.03%,仍被认为有提取价值),数量约为 1200 吨。德军入侵比利时后,留在纽约的上加丹加联合矿业公司总经理塞涅尔(Edgar Sengier)曾下令将其运到英国,但还未来得及安排船位比利时就沦陷了,但塞涅尔还是设法把价值 180 万美元的 120 克镭抢运到英国。此时在欣科洛布韦还有另外 1250 吨矿石没有起运,盟国决定采取一切措施阻止德国人获得这些矿石。由于联合矿业公司其他董事都身陷比利时德占区,因此塞涅尔得以全权处理这批存货,他在 1940 年 9 月指示公司在非洲的代表将这些贵重的矿石(除铀外还含有大量的镭)装入 2000 多个铁桶,经铁路运到葡属安哥拉的洛比托港,然后装船运往纽约,储存在斯塔腾岛的一个货栈中,曼哈顿工程制造原子弹的铀就来自这些矿石。

1943 年 5 月,美英两国还与比利时流亡政府首脑、外交大臣斯巴克(Paul Henri Spaak)签订了协议,盟国获得欣科洛布韦矿石的采购优先权,美国军方为此拨给格罗夫斯 3750 万美元作为采购矿石的费用(只要是有关原子弹的项目,军方就扔钱扔得欢天喜地的)。该年秋天,美国专家动身前往刚果,查看欣科洛布韦矿的剩余储量,发现所有的富矿都已开采一空,但令他们感到惊讶的是,连堆在那里废弃不要的尾矿渣都含有 2% 到 3% 的氧化铀,于是将这些尾矿装船运回美国。除欣科洛布韦铀矿外,曼哈顿工程所需的铀矿石还来自加拿大的大熊湖,以及联合碳化物公司科罗拉多工厂以及美国钒公司炼钒厂的废渣堆。在南非总理史末资(Jan Smuts)批准下,兰德金矿的含铀废矿渣也被运到美国进行提炼。除了控制铀的供应外,美国还设法和巴西、荷兰(流亡政府)、英国签署协定,垄断了钍的主要来源 – 独居石的生产,当时这种矿石主要分布在巴西、荷属东印度群岛和印度的特拉万戈尔土邦。

由于德国人从天然铀中提取铀 235 的努力一次次地宣告失败,德国离建成反应堆和原子弹似乎还相当遥远。但是 1941 年 8 月,另一个独立研究机构 – 德国邮政部柏林研究所的豪特曼(Fritz Houtermans)却用铀-甲烷反应堆得出了重要的研究结果:铀 238 可以通过吸收中子变成钚,而钚也是可以裂变的。海森堡意识到这个发现的重大意义,决定去哥本哈根拜访他的导师,讨论这个问题。

二战期间理论物理学界最著名的一次会晤发生在玻尔和海森堡之间,时间是 1941 年 9 月 16 日晚上,地点是被德国占领的哥本哈根,会谈的气氛因此可想而知。这次会晤的内容如黑泽明的《罗生门》一样有多种不同的诠释,按海森堡在战后的说法,他告诉玻尔说德国在战争结束之前无力制造出原子弹,想通过玻尔向盟国透露这一信息,以使德国免遭核武器的打击。按玻尔的说法,海森堡向他炫耀了德国在核研究方面的最新突破,称在他和原子弹之间隔着的只是时间和努力而已。

玻尔是个宽厚的人,不愿意说海森堡的坏话,不过两人此前 20 年的深厚交情在这次谈话后就宣告终结了。战后曾经广泛流传过一种神话,该神话的源头是海森堡的门徒和谋士卡尔·冯·魏茨泽克在广岛原子弹后炮制的一篇声明,内称纳粹德国没能制造出原子弹是因为海森堡具有“人类的良知”,是个反纳粹的“民主斗士”云云,可是根据俄文刊物最新的披露,1961 年玻尔访问苏联时曾透露过一点有关 1941 年那次著名会晤的不为人知的内容:当时海森堡曾私下劝玻尔不要对德国占领者那么强硬,因为希特勒在全世界取胜已成“定局”。海森堡与爱因斯坦、玻尔被称为“20 世纪 3 位最伟大的理论物理学家”,但一些世界知名的物理学家和物理史学家对于海森堡在二战期间的那段历史却颇多争论,甚至连为人谦逊、宽厚、温和的玻尔也无法原谅海森堡的所作所为。在战时另外一次去荷兰莱顿大学的访问中,海森堡还向荷兰物理学家卡斯密尔(Hendrik Casimir)说他知道集中营的情况,也知道德国对占领地区的掠夺,但他“还是希望德国能够统治下去”,因为“民主制度不能发挥足够的能量来管理欧洲,因此只有两种可能:德国和俄国。那么,一个在德国领导之下的欧洲或许更不邪恶一些。”甚至在战后,海森堡还对一位犹太物理学家说本应该让希特勒继续统治 50 年,那时希特勒这个人就会变得“好”起来云云。

讽刺的是,海森堡一直自负地以为德国在核物理学方面的进展远远领先于盟国,但实际上德国的原子弹研究与美国正好相反:既没有把几个不同的研究小组(包括军械部的、威廉皇帝学会的、邮政部的、以及莱比锡大学、海德堡大学、汉堡大学和慕尼黑大学的众多小组)合并为一、以提高效率,德国政府和军方也没有为其提供很多的经费和资源,尤其是在德军于 1941 年底被阻挡在莫斯科城下之后,德国“铀计划”的地位不得不屈从于更紧迫的军事生产要求。德国军械部武器研究处处长舒曼博士(Erich Schumann,著名音乐家舒曼的后人)在 1942 年初放弃了对核研究的大部分控制权,此后五花八门的政府机关就抢夺起果实来,最后德国教育部下属的国家研究委员会(RFR)物理部头头艾骚(Abraham Esau)被总管四年计划的戈林指定为掌管核研究的国家全权代表。

为了争取更多经费,艾骚在 1942 年 2 月安排了一次非专业性的演讲,受邀请的听众包括戈林、鲍曼、希姆莱、斯佩尔、凯特尔、约德尔等第三帝国党政军要员,为了吸引他们前来,艾骚开列了一份给人深刻印象的演讲者名单:海森堡、哈恩、盖革……。也许是造化弄人,送去的节目表同国家研究委员会的老对头–军械部的会议演讲目录搞混了,结果第三帝国的显贵们发现自己要去听 25 篇深奥的专门演讲,包括中子扩散长度、富化的同位素、中子倍增以及莱比锡模型的中子吸收系数,可想而知这些高官一个也没出席,“铀计划”的优先度遂被军工生产负责人斯佩尔列为最低等的“Kriegswichtig”(对战争是重要的),艾骚的职位则被慕尼黑大学的诺贝尔奖得主格拉赫(Walther Gerlach)接替。

1942 年 7 月,莱比锡大学的 L-4 模型发生了爆炸事故,铀粉在水中发生爆炸,把实验室炸毁了,海森堡(此时他已从莱比锡大学调到柏林,担任威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学理论物理学教授)下令将反应堆试验搬到柏林继续进行。此后不久,海森堡小组在柏林郊区达勒姆的威廉皇帝生物研究院“病毒室”试验了 B-5 和 B-6 模型,这时盟军已经开始了对德国城市的轰炸。

海森堡的实验材料一直是铀板,效果总是不理想,而德国军方的核物理学和爆炸物专家狄布纳(Kurt Diebner)于 1943 年 2 月用冻住的重水和立方体铀金属块建造了一座反应堆,得到了大约为 0.36 的 K 系数,比海森堡以往任何一次的成果都高出许多,海森堡很不情愿地承认铀块比铀板的效果好得多。在狄布纳的第二次尝试中,他用细金属丝把铀块吊进了液态的重水中,得到了 1.10 的 K 系数,但是这个反应堆没有达到临界状态,如果其尺寸再大一些,德国人就可以实现自持式链式反应了。1943 年 10 月,盟军的轰炸机摧毁了生产铀立方体的德古萨公司铀加工车间,于是狄布纳的研究工作也陷入停顿状态。

1944 年 1 月,海森堡收到了奥厄金属公司加工的最后一批铀板,海森堡及其助手将这些1厘米厚的铀板装入直径 1.24 米的镁合金圆桶容器,然后沉入水池中,向容器里灌入重水(B-6 模型)。经过 4 次试验,在铀板间距为 26 厘米时得到了高达 2.06 的 K 系数。同年 12 月的 B-7 模型形状与此相同,但是用石墨代替了水,这是德国人第一次将石墨用作减速剂,结果K系数反而降低了,原因仍然是西门子公司生产的石墨纯度不够。

此时第三帝国的局势已经一天天地变坏,威廉皇帝物理研究所的人员已于 1943 年年底从柏林疏散到了德国西南部黑森林地区风景如画的小城黑兴根(Hechingen),海森堡及其研究小组则仍然留在柏林。到 1944 年 1 月,格拉赫下令将所有的核反应堆搬出柏林,此时海森堡已经在柏林的达勒姆组建了尺寸最大的 B-7 反应堆,据他的回忆,当时格拉赫“身穿军装,屁股后头别着手枪来到达勒姆实验室,语气狂乱地下令将反应堆拆开运到南方。

1945 年 2 月底,B-7 反应堆运到黑兴根,那时离战争结束只有两个月了。在黑兴根附近的海格尔劳赫村有一块巨大的山岩,上面建有中世纪的教堂和修道院,岩石底下水平地挖了一个山洞,当作附近小旅馆主人的酒窖。格拉赫征用了这个山洞,先喝光了店主的酒,然后让工人扩大山洞,挖掘水池,安装水管、电缆、绞车和起重设备。1945 年 3 月中旬,海森堡和他的技术人员在这间“原子酒窖”里完成 B-8 反应堆的最后组装工作,把一块块用石墨覆盖的铀立方体吊入了反应堆的圆筒容器中,然后慢慢地灌进重水。在灌水的过程中,K系数慢慢地升高了,一直升到骇人的 6.70,不仅达到了临界状态,而且面临失控的可能,这时海森堡惊恐地想到他们一点安全准备都没有,于是下令取出铀块,此时盟军先头部队离黑兴根只有不到 80 公里了。

盟军从诺曼底向德国本土突进时,其情报部门取得了关于德国核研究进展的大量情报。盟国早已从威廉皇帝物理研究院前所长、荷兰籍物理学家德拜(Peter Debye,1940 年德国入侵荷兰后因拒绝加入德国国籍而被解职,后前往美国)那里知道威廉皇帝研究院在从事原子物理的秘密研究工作,也知道海森堡是德国原子弹计划的关键人物之一,甚至在 1942 年年底海森堡去瑞士苏黎世演讲时,海森堡的两位流亡美国的前同事就建议盟国情报机关绑架他。美国战略情报局派往欧洲搜集原子弹情报的年轻特工伯格(Morris Berg,普林斯顿大学毕业生,会说 7 种语言)曾奉命竖起耳朵旁听这次演讲,在稍微有一点迹象表明海森堡是在制造原子弹时,伯格就应拔出手枪将其击毙。幸运的是海森堡这次只谈论了他晦涩难懂的 S 矩阵理论。

从 1939 年 1 月开始,到 1945 年春天美军进入德国并逮捕了德国最后一些核科学家为止,盟国一直担心德国会抢先一步制造出原子弹,因此格外重视这方面的情报搜集工作。起初这一工作由陆军情报局、海军情报局和战略情报局各自分头进行,1943 年 9 月,马歇尔将军建议格罗夫斯将这些部门接管过来,成立专门的原子情报部门,该部门被命名为“阿尔索斯小组”(Alsos),这个单词在希腊语中相当于英语的“格罗夫斯”(意思为“小树丛”)。阿尔索斯小组的首任组长是俄裔美国人帕什中校(Boris Pash),其手下包括 1 个行政官员、4 个翻译、4 个反情报部门人员和4 名科学家。1943 年 11 月,该小组前往意大利进行调查工作,但是没有取得多少成果,因为意大利根本没有进行原子武器方面的研究工作,于是阿尔索斯小组被召回国内解散了。

1944 年 4 月 4 日,阿尔索斯小组再度成立,领导人仍是帕什,这次增加了科学情报部门,其负责人是电子自旋的发现者、1927 年起就在美国密执安大学任教的荷兰犹太物理学家高德斯密特(Samuel Goudsmit)。高德斯密特高龄的父亲和失明的母亲留在荷兰,1943 年被德国人从海牙的家中拖了出来,他留在荷兰的朋友给海森堡写信让他帮忙向希姆莱求情,但是杳无音信。1943 年 2 月 11 日,即高德斯密特父亲 70 岁生日那天,他的父母被送进了奥斯维辛的毒气室。当然,格罗夫斯的任命与这种对德国人的深仇大恨无关,高德斯密特被选中是因为他熟悉欧洲的物理学家,也完全不了解曼哈顿工程的进度,一旦被俘没有泄密之虞。

1944 年 6 月 4 日,盟军攻克罗马,阿尔索斯小组迅速进驻罗马大学物理实验室,向意大利原子物理学家盘询其研究工作,并从他们那里了解德国在这方面的进展。随着盟军越来越深入欧洲,阿尔索斯小组的规模也越来越大,到解放巴黎时已经增加至 40 人,其中 33 人为科学家。8 月 24 日,阿尔索斯小组抵达约里奥在巴黎郊外的别墅,那里的仆人说教授可能在巴黎他的实验室里。8 月 25 日早上,帕什和 3 名手下乘坐吉普车,赶在法国军队头里抵达了奥尔良门,随后夹在勒克莱尔将军的坦克车队里开进巴黎,转来转去摸到了法兰西科学院,找到了约里奥的实验室,发现约里奥和他的几个助手都在那里,满脸胡碴,浑身肮脏,胳膊上还戴着法国国内军的臂章:他们已经在巴黎警察总署大楼内随起义的巴黎警察和市民战斗了两天,用实验室的硫酸和氯酸钾制造燃烧瓶。那天晚上,阿尔索斯小组和约里奥一起痛饮香槟酒庆祝解放,为了适应这个科学圣堂的气氛,他们用实验室的烧杯当酒杯。

根据阿尔索斯小组询问的结果,一些德国科学家(包括舒曼和狄布纳)曾经使用过约里奥实验室的回旋加速器,约里奥悄悄地记下了他们的试验成果,这些成果显示德国人在原子弹方面并没有取得很大进展。此后阿尔索斯小组的总部就设在巴黎,并派出多个小组跟在盟军突进部队的后头搜集情报。1944 年 11 月 23 日盟军攻克斯特拉斯堡前夕,在斯特拉斯堡大学从事研究的卡尔·冯·魏茨泽克匆忙地逃回了德国,临走时丢下了大批笔记、资料和报告,高德斯密特及其助手闻讯在 11 月 25 日赶到斯特拉斯堡,在烛光下彻夜翻译这些东西。忽然间,这群科学家大声地纵身叫嚷起来,令旁边神经紧张的美军如临大敌,原来他们发现了德国“铀计划”的完整卷宗,这些案卷揭示了第三帝国核物理和裂变材料研究的全部工作进度。

根据这些文件的内容,阿尔索斯小组分析出德国离建成反应堆或原子弹至少还有两年的距离,而从盟军和苏军进攻的速度看,纳粹是永远无法获得这两年的时间了。这些报告证实了德国人进行研究工作的一些地点,其中大部分在此时已经划定的美军占领区里,然而有一个特别重要的目标却在未来的苏占区,即奥厄公司的奥兰宁堡工厂,该厂当时正在从事钍和铀的生产。由于美军无法深入到该地,格罗夫斯建议空军将其炸毁。1945 年 3 月 15 日下午,美第 8 航空队的 612 架 B-17 轰炸机在奥兰宁堡工厂上空投下了 1560 吨高爆炸弹和 178 吨燃烧弹,摧毁了所有的厂房。为了防止德国人或苏联人了解到这次轰炸的真实意图,还以同样猛烈的火力轰炸了奥兰宁堡附近的德军最高统帅部所在地佐森。

1945 年 3 月,阿尔索斯小组进入德国本土,占领了汉堡大学的实验室,并俘获了物理学家玻特(Walther Bothe)、威廉皇帝生物研究所主任库恩(Richard Kuhn)等人,从他们那里得知奥托·哈恩已经撤退到特尔丰根,海森堡和冯·劳厄在黑兴根,柏林的反应堆也搬到了那里,他们还供称德国缺乏重水,重水的唯一来源是在挪威。玻特透露说,德国在原子物理方面的全部力量有他自己和 3 个助手、海森堡及其 10 多名助手、莱比锡大学和维也纳的另外 3 名科学家和 8 名助手,奥托·哈恩则主要从事化学方面的工作,并没有直接参加原子弹计划。

格罗夫斯刚松了一口气,又从上面得知另外一个坏消息:美国将把其占领区的一部分转给法国,其中包括德国原子弹计划的主要几个地区:斯图加特、蒂宾根和黑兴根。由于担心法军缴获的东西最终落到苏联人手里(法国这时已经威胁美国人,如果不与其分享原子弹情报,那么法国将被迫与苏联合作),美军必须率先进入法占区,逮捕隐居在那里的德国最后一批科学家,找到他们的资料和设备,将其运走或销毁。格罗夫斯得出该结论后,与史汀生和马歇尔讨论了这一问题,在史汀生的办公室里有一张挂满一面墙的德国大地图,3 个人在上面找了半天黑兴根的位置,但都没找到。最后史汀生叫来了他的副官凯尔上校,后者在离地面不到半米高的地方找到了这个不知名的德国小镇,于是 4 个人都趴在地上聚精会神地凝视着接近地面的这个小黑点(可惜当时没人拍下这一有趣的镜头)。

史汀生建议对黑兴根进行一次空降突袭,但是法国人前进的速度太快了(他们急着要赶到维希分子的躲藏地西格马林根去逮捕这些卖国贼),来不及向部队布置任务,最后帕什上校带着第 1279 战斗工兵营于 4 月 23 日抢在法军前面 1 个小时赶到了黑兴根。他们逮捕了哈恩、冯·劳厄和冯·魏茨泽克,拆卸了海格尔劳赫的反应堆,炸毁了山洞中剩余的圆筒和水池,在法国指挥官还没意识到出了什么事之前,黑兴根的重水和铀就已经在运往巴黎的途中,那些俘虏和他们的文件也都送到了美占区内古老的大学城海德堡,由高德斯密特等人进行审讯和检查了。

至于德国人 1940 年从比利时掠夺的高品位铀矿石,阿尔索斯小组在德国中部图林根州施塔斯富特的露天仓库中找到了 1100 吨,其他 100 多吨矿石早在 1944 年就在比利时和法国的图卢兹被发现了。由于施塔斯富特不久就将被移交给苏军,阿尔索斯小组命令当地的工厂立即开工赶制 2 万个铁桶,又想法从美国陆军运输处弄来了一支卡车队,利用抓来的德国战俘花了三天三夜装车,抢在红军到来之前把这些矿石运到了汉诺威。这些铀矿石后来与在黑兴根发现的金属铀和重水一道在安特卫普港装船送到了英国,随后又运至美国,用在了曼哈顿工程里。

此时还有 3 个重要目标逍遥法外:在慕尼黑的格拉赫、狄布纳和不知道在什么地方的头号目标海森堡。经多方审问,阿尔索斯小组得知海森堡在 4 月 19 日就骑着自行车离开了黑兴根,一路上躲开到处劫掠的小股德军和低空飞行的美国战斗机(两者都是见到任何活动的东西就开枪),一直骑到了 250 公里外的乌尔菲尔德,他的妻子和孩子从莱比锡疏散到了那里。不服输的帕什将手下分为两组,一组到慕尼黑搜捕格拉赫和狄布纳(两人在 5 月 1 日被捕),另一组由他亲自带领,去仍在德军控制之下的乌尔菲尔德逮捕海森堡。

这个 8 人小组在 5 月 2 日抵达乌尔菲尔德,与一个 10 人的侦察小分队会合,在当天傍晚进入乌尔菲尔德镇,并找到了海森堡。大约 1 小时后,一名德国将军来拜见他,代表他手下的一个师向这 18 名美军投降,帕什急中生智推说天色太晚,让他次日早晨再来。接着又有一名德军上校带 800 多人前来投降,也被帕什支开。帕什担心自己这支小小队伍的安全,决定在夜间悄悄地向美军战线撤退,当天夜里,美军工兵修好了通往乌尔菲尔德的桥梁,次日清晨 6 时,帕什带着一个营的兵力再次抵达乌尔菲尔德,海森堡已经收拾好了行李,坐在小屋的前廊上平静地看着远处的湖水,他一见到帕什便起身说:“我一直在等着您呢。”

5 月 7 日,海森堡和其他重要的德国科学家被送到凡尔赛近郊一个叫“垃圾桶”的营地(这个名字有一种预示性的味道,宣告了这些德国科学家对盟国的价值),当天晚上,德国人在法国兰斯签署了无条件投降的文件,欧洲的战争、第三帝国、以及第三帝国的原子弹计划就这样结束了。

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