今年6月7日,是我国著名核物理学家、教育家卢鹤绂先生96周年诞辰之际。为了纪念这位为我国核物理事业作出杰出贡献的科学家,本刊特约上海格物研究所所长、卢鹤绂先生之子卢永亮撰文回忆其父亲参与研制我国第一颗原子弹的前期培训工作及科研生平。除了“容变弛豫方程”被世界公认为“卢鹤绂不可逆性方程”和其主编的第一本在中国全面介绍热核反应的《受控热核反应》专著等工作为同行熟知外,文中还披露了他对原子弹的一些鲜为人知的看法和其行事准则,以便读者对卢鹤绂先生有一个更为全面的了解。――编者
1936年,卢鹤绂从燕京大学理学院物理系毕业后,经物理系主任班·维廉推荐留学美国明尼苏达大学,主修物理、副修数学。求学期间,卢鹤绂得到多位名师指点,如《物理评论》主编、《近代物理评论》创刊人泰特讲授理论物理,系主任俄瑞克森讲授原子物理实验,希尔和巴丁讲授量子力学。
第一个披露原子弹秘密的人
1937年,卢鹤绂用自己制造的聚焦型质谱仪研究热盐离子源的发射性能,他在带状薄钛片上焊上小白金盘,将含锂矿石粉末置于盘中通过电流加热钛片,进行粉末释放锂离子的实验。几经周折,终于发现热离子发射的同位素效应,还因此发明了时间积分法,在世界上第一次精确地测定了锂6、锂7的丰度比为12:29,从而纠正了当时一些学者所测定的结果。这一测定数值日后被选定为国际同位素表上的定值,沿用至今。
1938年,卢鹤绂在美国《物理评论》杂志发表文章“锂离子的低温热源”,介绍他研究热盐离子发射同位素效应的成果,公布了他测定的锂7、锂6的天然丰度值,引起了国际物理学界的关注。对此,美国一家报纸上在头版位置标示“中国人在称原子的重量!”
1939年,在指导导师尼尔和郎包教授的指导下,卢鹤绂提出扇状磁场对入射的带电粒子有聚焦作用这一普适原理,并据此发明了新型600聚焦高强质普仪,用以大规模分离微克量级的硼10和硼11,核实各自的原子核反应。其后,在此基础上又制备了同位素靶。卢鹤绂之所以研究这一课题,其目的在于解决制造原子弹所需铀235的难题。
1941年,卢鹤绂的博士毕业论文“新型高强度质普仪及在分离硼同位素上的应用”获得通过,取得哲学博士学位。他的这一论文被美国政府列为涉及制造第一批原子弹及原子反应堆的绝密资料,数年后才以摘要形式准予公布。
1942年4月,卢鹤绂撰写“重原子核内之潜能及其应用”论文,预言了大规模利用原子能的可能性,指出1公斤铀235全裂变产生的原子能相当于2500吨优质煤燃烧时释放的全部能量。他在这篇论文的结语中称:“就现世而论,此种浓度之能源必将有其特殊之用途。”当卢鹤绂把这篇论文寄到重庆中国科学社投稿《科学》杂志,由于该刊已停刊,直到1944年2月复刊后才登载。这是第一次在国内全面介绍核裂变的实验发现和理论认识及其大规模利用的可能性。
原子弹也称“裂变弹”,是利用重元素原子核裂变反应在瞬间释放出巨大能量起杀伤破坏作用的爆炸性武器。1938年12月,在德国柏林威廉大帝化学研究所,两位科学家奥托·哈恩和施特拉斯曼发现,用中子对铀原子核进行人工轰击,可以使铀原子核发生裂变。
由此,他们联想到爱因斯坦质能方程E=mc2(能量等于质量乘光速平方),并观察到一个铀原子核发生裂变可以释放出200兆电子伏特的能量。这是一项惊人的发现,向人类展示了原子核内部存在的巨大能量以及开发这种能量的可能性。但更为惊人的是,1939年初,科学家又发现了链式反应可以释放出巨大能量。
1937年7月,匈牙利物理学家西拉德和维格纳拜访了爱因斯坦,提出让爱因斯坦出面写信给美国总统罗斯福,敦促他下令研制原子弹,以便赶在纳粹德国之前。8月2日信件发出,罗斯福采纳了他们的建议,但没有引起美国军界足够的重视,直至1942年9月,美国成立了由3名军政官员和2名科学家组成的军事政策委员会,领导代号为“曼哈顿计划”的原子弹制造工程。
1945年7月16日,美国在新墨西哥州的荒漠上试爆了第一颗原子弹,其威力相当于2万吨级的TNT。1945年8月6日~9日,美国空军分别在日本广岛和长崎投下了两颗原子弹。至此,卢鹤绂预言的“浓厚之能源”的“特殊之用途”应验了。
其时,卢鹤绂任教于贵州湄潭浙江大学。1946年,他写了“原子能与原子弹”载于1947年第29卷第一期《科学》杂志上,第一次在国内阐述重核裂变所释放能量可供大规模利用的原理,以及原子堆和原子弹的发明经过。
1947年1月,卢鹤绂在上海《科学》杂志发表“重核二分之欠对称”的研究简报。其后不久,他又在《科学世界》和《原子核论丛》发表了“从铀之分裂谈到原子弹”一文,更加全面地介绍了发现裂变的经过,对裂变现象的理论认识及原子堆、原子弹的发明经过也作了介绍。
同年,卢鹤绂在美国《物理月刊》第15卷上发表了“关于原子弹的物理学”一文,在世界上首次估算铀235原子弹费米型链式裂变反应堆临界大小的简易方法的全部原理,被美国相关文献及专著广泛采用(由于有关原子弹及原子堆工作原理尚属保密范畴,该刊主编劳勒尔将此文递交美国原子能委员会审批后得其许可,于1947年最后一期发表)。这篇论文发表后震动了美国科学界,美国人认为卢鹤绂是“第一个披露原子弹秘密的人”。
为祖国培养核物理学人才
新中国成立后,卢鹤绂取得了多项科学成果:1951年,他的“容变弛豫方程”在世界上被公认为“卢鹤绂不可逆性方程”。卢鹤绂推算了比原子核的传统均匀模型更优越的最早期壳模型;首次肯定核半径公式应改为R=1.23×10-13A 1/3cm,并在美国《物理评论》杂志2月期发表了题为“关于核模型”的论文。
卢鹤绂利用王淦昌从美国带回来的电子元件,设计了充氩电子收集型裂变电子室;还设计并制造了线性电脉冲放大器,用这套自制的仪器在我国最早测得铀235自发裂变半衰期为(4.2±0.6)×1016年。1952年,卢鹤绂与曹萱龄在《Aeta Scientia Sinica》杂志第一期发表的文章,是我国最早对λf值进行测定的科学家。他们测得λf值为(1.7±0.2)×10-17a-1。
1953年卢鹤绂与曹萱龄合作,在中国《物理学报》第9卷第一期发表题为“铀核之自变”论文,介绍了他们用电离室方法测得铀235自发裂变半衰期。卢鹤绂发现的热盐离子发射同位素效应,被当年诺贝尔奖获得者雪格瑞主编的《实验核物理学》第一卷上承认为世界首次。
1955年卢鹤绂与姚震黄合作,在中国《物理学报》发表题为“关于热能中子所致铀235分裂时发出的中子数目的讨论”论文,他们的结论是:
(1)根据已有实验数据的计算,理论上V超过3已属不可能,更谈不到6了。
(2)仅分裂所得两放射系长短相同的假设,能在今日认为是正确数据的估计下给出了大于V2的结果。
(3)氢部分多放些中子的一件事不容易理解,根据正确数据的计算所示恰与此相反。但如果铀235的质量增大或裂变物总功能少了5MeV,则这事在理论上就不是不可能了。
(4)假设(2)不能给出V大于2的结果,故单就费米气模型考察V的数据来说,质子壳模型可能不合实际,但我们要留意它原来就与费米气模型很有些不一致。
朝鲜战争结束后。国家领导人对战争前期的美国核讹诈印象深刻。1955年1月15日,毛主席召开中共中央书记处扩大会议,研究发展原子能科学问题,决定造出自己的原子弹。为此,中央在北京大学、复旦大学、吉林大学、武汉大学、中山大学等高校挑选了一批优秀人才,在北京大学中子物理学教研室集中组建了一个代号为“546信箱”的培训班。
由于卢鹤绂是中国最早研究原子弹物理学的人才,他在1941年的博士论文又是涉及美国政府制造第一批原子弹和原子反应堆的秘密,以及他在原子核物理科研上作出的一系列杰出成就,当代中国的科研使命注定要卢鹤绂扮演“振兴中华”的重要角色。
1955年夏,卢鹤绂奉命调任北京大学中子物理学研究室(即546信箱)工作。为使他无后顾之忧,组织上对卢鹤绂的家庭生活非常照顾,时常指派朱光亚去卢鹤绂家中送生活补助金,每次300元以帮助其9口之家解困。在培训班里,卢鹤绂主要讲授“中子物理学”及“加速器原理”两门课程,同时还讲授“核物理”、“磁流体力学”、“等离子体物理学”等学科,为中国培养出近90名核物理学家,许多人后来成为“两弹元勋”,为中国原子能事业的发展作出了杰出贡献。
“看见原子弹爆炸他就害怕”
翌年,卢鹤绂被评为国家一级教授。当时他才40多岁,是一级教授中最年轻的,此外,卢鹤绂还担任了中子物理教研组主任。末年暑期教学任务完成,忽透出高层欲指派他参与主持一项国防绝密工程的消息(实为原子弹制造工程),包括北京大学副校长江隆基时常去卢鹤绂家动员他去兰州大学主持铀235气体扩散工作。卢鹤绂闻讯后,自思只擅长理论与教学研究且与素志相背,认为原子弹制造是工程上的事,他所培养的学员都能胜任。几经婉陈,卢鹤绂提出了回复旦执教的愿望,并写信给蒋南翔、宋任穷,始得批准。经教育部、二机部特批,他回到了复旦讲坛。
1958年,卢鹤绂回到阔别三年的复旦大学,被复旦大学任命为原子核物理教研组主任,参与了原子能系的筹建工作,为学生作了关于加速器、同位素分离、粒子探测等专题讲解,还为上海市工程师讲解回旋加速器及原子核链式裂变反应堆结构的原理。
1959年~1962年,卢鹤绂致力于受控热核反应的研究,提出快脉冲、慢脉冲和稳脉冲三大分类方法,并认为研究的注意力应集中在等离子体表面不稳定性与反常扩散这二个致命点上。由此,他论证了受控热核反应成功的可能性――一本由他主编的100万字的《受控热核反应》大型著作在中国第一个全面介绍受控热核反应――这被视为中国科学家的骄傲。在当时就世界范围来讲,能从1958年解密出现的几千篇论文中总结出那样全面的书也非常少见,美国有关方面曾为此去香港购买该书。
此后,卢鹤绂还在研究柱形片状等离子体的稳定性、探索等离子体反常扩散的存在、研究高温等离子体和幽禁磁场间交界面稳定性问题诸多方面获得一批成果。
1960年卢鹤绂被任命为中国科学院原子核研究所(原名理化所)副所长,并兼一室主任,参加该所的草创工作。
1964年10月16日中国第一颗原子弹试爆成功。
1967年6月17日中国第一颗氢弹试爆成功。
2003年,有人采访王零(原复旦大学党委书记)提及此事时,他有如下一段话:“这里有件事必须要说清楚,那就是卢先生不喜欢参加生产实验原子弹,他喜欢培养人才,喜欢教书,喜欢研究理论。卢先生曾经说过,‘看见原子弹爆炸他就害怕’。”当时卢鹤绂说了两件事:其一,第一次投掷原子弹的飞机驾驶员,事后看到原子弹杀伤力这么强,在伤及无数无辜后他疯了;其二,设计原子弹的工程师奥本海默,在核爆炸成功的第二年后也后悔了。
更深层的恐怕是卢先生的行事准则:他将儒家传统道德之仁爱与西方自由平等博爱之精神相融合,铸成了自己的行为准则,实乃仁者之智。也正因为如此,卢鹤绂的一生艰难坎坷,他在核物理学上所作出的贡献,特别在中国原子弹物理学的研究所起的作用,被“模糊”地记载在中国科学史上,有的甚至被“遗忘”。
国人也许对卢鹤绂是陌生的,但他的学生、他的同事同行对卢鹤绂是敬重的,他不愧是一个伟大的科学家、伟大的教育家、伟大的爱国主义者,同时也被称为中国的核能之父。
早在1945年,英国科学家李约瑟访问贵州湄潭浙江大学时称:“那里有世界第一流的原子物理学家卢鹤绂、王淦昌”。在21世纪的今天,在美国主流社会依然竖立着2座卢鹤绂铜像。卢鹤绂是美国休斯敦市荣誉市民,美国夏威夷市把6月15日命名为卢鹤绂日。一个中国科学家在美国享有如此高的荣誉,这不仅是中国人的骄傲,也是世界人民的骄傲。
责任编辑 则 鸣
卢鹤绂(1914.6.7~1997.2.13),字合夫,英文名HOFF LU,山东掖县人,辽宁沈阳出生。理论物理学家,一级教授,中国科学院院士,原上海物理学会理事长,九三学社中央委员会委员,九三学社上海分社副主任委员,曾是第三届全国人大代表,全国政协五、六、七届委员。卢鹤绂教授是中国著名的物理学家、教育家和国际知名学者,一生从事科研与教育工作,成绩卓越,有多项创造性研究被国际承认。