一份简明扼要的讲稿为我们提供了一个窥探20世纪历史转折点的窗口。
1945年7月16日，一颗钚弹在新墨西哥州的“三位一体”试验场试爆，这是人类历史上首枚原子弹爆炸
1943年4月，科学家们聚集在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的一个绝密的新型实验室里，开始设计和研制世界上第一颗原子弹。他们中的大多数人都参与了核裂变研究，但由于保密限制，几乎没有人知道他们将要承担的工程的巨大意义。他们的目标是利用4年前发现的核裂变现象研制核武器，从而对第二次世界大战产生影响。28个月后，当广岛和长崎被历史上最强大的武器摧毁的时候，全世界都知道他们成功了。二战结束，冷战和核军备竞赛很快在全球爆发。
感兴趣的读者可以发现关于洛斯阿拉莫斯战时历史的书籍不在少数。大卫·霍金斯（David Hawkins）撰写于1946―1947年间的《Y计划》就是一部颇为详尽的关于洛斯阿拉莫斯的内部历史。理查德·休利特（Richard Hewlett）和奥斯卡·安德森（Oscar Anderson Jr）关于原子能委员会历史的记录描述了洛斯阿拉莫斯在曼哈顿计划的大背景下的工作状况。对技术细节感兴趣的人会珍视由莉莲·霍德森（Lillian Hoddeson）及合著者收集的信息宝库，而无数的个人回忆录则为这一段历史增添了引人注目的人文视角。但是，对于任何一个对核武器起源感兴趣的人来说，在众多关于洛斯阿拉莫斯的文献中，有一本书是必读的――《洛斯阿拉莫斯入门》（The Los Alamos Primer）。
1943年4月，洛斯阿拉莫斯实验室组建之初，参与者中对整个项目有大致了解的人只有少数几个，其中有当时34岁的罗伯特·塞伯尔（Robert Serber）以及该实验室的主任、塞伯尔的前合作者罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer）。为了使研究团队中的新人尽快熟悉情况，塞伯尔发布了一系列关于核武器物理学的讲座。讲座的内容是自1938年末发现核裂变到洛斯阿拉莫斯实验室成立这段时间所进行的相关研究。爱德华·康登（Edward Condon）把这些讲座笔记做成了一份报告。如今该报告的副本可以在不同的网站上找到，而在1992年该报告由塞伯尔作了注释并以书的形式得以出版，这就是《洛斯阿拉莫斯入门》一书的来历。
《洛斯阿拉莫斯入门》是一份非同寻常的文件。读过之后会有一种身临其境的感觉，似乎来到洛斯阿拉莫斯计划的执行之初。在其24页的篇幅中，塞伯尔巧妙地总结了已有的核裂变相关知识并为未来工作及可能出现的挑战制定了一份颇有先见之明的路线图。下面探讨的就是《洛斯阿拉莫斯入门》是怎样产生的并对其部分内容进行解析。
背 景
利奥·西拉德（Leo Szilard）和爱德华·泰勒（Edward Teller）说服阿尔伯特·爱因斯坦联名签署了一封写给总统富兰克林·罗斯福的信，提醒其德国研制裂变式原子弹的可能性，此事与曼哈顿计划的发起是密切相关的。罗斯福总统于1939年10月收到这封信之后，即授意成立了美国国家标准局铀咨询委员会，以资助和协调研究工作。1940年6月，该委员会被调往国防研究委员会（NDRC），一年后又转到NDRC的继任机构――科学研究与发展办公室（OSRD）。NDRC和OSRD都是由麻省理工学院的电气工程师万尼瓦尔·布什（Vannevar Bush）领导的。到日本偷袭珍珠港的时候，对核裂变和同位素分离的研究资金已经达到了30万美元。从1941年春季到年底，由亚瑟·康普顿（Arthur Compton）领导的一个委员会忙于准备关于反应堆和炸弹可行性的报告。布什在珍珠港事件爆发之前向罗斯福提交的最后一份报告详尽地阐述了裂变式原子弹的前景。
康普顿的最后一份报告受到了英国的一份准备报告的影响。1940年3月，当时任职于伯明翰大学的奥托·弗里希（Otto Frisch）和鲁道夫·佩尔斯（Rudolf Peierls）正在准备一份著名的备忘录，其中他们估计铀235的临界质量大约是1磅。（众所周知，铀最丰富的同位素――铀238是非裂变物质。）由于对裂变横截面做了过高的假设，这个数值被证明是低估了；正确的临界质量是52公斤或超过100磅。英国政府防空作战科学调查委员会主席亨利·蒂泽德（Henry Tizard）看到了弗里希－佩尔斯备忘录之后，就要求物理学家乔治·汤姆森（George Thomson）去调查裂变式原子弹和同位素浓缩的可行性。汤姆森组建了一个委员会，该委员会于1941年7月就研制裂变式原子弹和必要工业基础设施的可能性发表了一份长篇报告。这份报告远远领先于美国当时的研发状况，布什于当年10月份才看到并向罗斯福简要介绍了其内容。
就在珍珠港事件之后，奥本海默加入了康普顿的委员会，招募了塞伯尔进行核裂变的项目研究。两人之前曾在一起工作过：塞伯尔于1934年加入了加州大学伯克利分校的奥本海默研究小组，该小组由国家研究委员会资助，从事博士后研究工作，塞伯尔甚至还曾一度负责监管奥本海默的研究生。塞伯尔于1938年离开伯克利，前往伊利诺伊大学香槟分校任教。1942年4月，他又重新回到了奥本海默的团队，其任务是研究汤姆森和康普顿关于临界质量和炸弹效率的评估报告。
a.《洛斯阿拉莫斯入门》的作者罗伯特·塞伯尔（左）同洛斯阿拉莫斯实验室主任罗伯特·奥本海默交谈。b.奥本海默与莱斯利·格罗夫斯在“三位一体”试爆试验场
当塞伯尔回到伯克利的时候，布什向罗斯福报告说，可以及时研制裂变式原子弹来影响战争，但需要庞大的工厂来分离铀235并合成出钚239。（后来，这些工厂设施建在了田纳西州的橡树岭和华盛顿州的汉福德，到1945年已经以近20亿美元雇用了数十万人。）罗斯福和布什一致认为，只有美国军队才能在必要的保密前提下执行这一计划，于是美军在1942年8月建立了曼哈顿工程区。这个地区之所以如此命名，是因为其第一任领导人詹姆斯·马歇尔（James Marshall）将总部设在了纽约的哥伦比亚大学附近，那里有一些研究正在进行；然而，这在陆军工程区中是极不寻常的，因为它对于其设施的位置没有任何限制。1942年9月，该地区转而由莱斯利·格罗夫斯（Leslie Groves）指挥，他负责国内所有的军事设施建设；其负责的最后一个大项目是五角大楼。1942年10月，奥本海默会见了格罗夫斯，并提出要建一个集中的实验室来协调研究――这就是洛斯阿拉莫斯实验室。
裂变式原子弹
对于想要了解裂变式原子弹物理学知识的读者来说，《洛斯阿拉莫斯入门》可能是一份很难理解的文件。当塞伯尔开讲座时，洛斯阿拉莫斯的实验小组正面临着工作之初的压力。他没有时间进行详细推理，其结论往往看起来就好像是凭空而来似的。
《洛斯阿拉莫斯入门》总共22章，涵盖了3个主要领域：裂变反应的特征；对临界质量、效率和破坏的估计以及引发爆炸涉及的相关问题。第1章被命名为“目标”，虽篇幅较短却颇具影响力，值得进行全面重述：
这个计划的目标是研制出一种以炸弹形式存在的实用的军事武器，其能量是在一个或多个已知的、能够显示核裂变的材料中由一个快速中子链式反应释放出来的。
洛斯阿拉莫斯的目标不仅仅是制造武器，而且要使武器足够强大，能够被载在一架战斗状态的B-29轰炸机上执行远程任务。
《洛斯阿拉莫斯入门》的前几章对裂变物理学进行了概述。涵盖了以下内容：核反应的有效截面、中子发射和能量学；因为铀238的原子核在不经过裂变的情况下，非弹性地散射和捕获中子，因而普通的非浓缩铀无法维持快速的中子链式反应；通过在一个反应堆里铀238的慢中子轰击而产生钚的可能性。（“钚”这个词从未出现在《洛斯阿拉莫斯入门》中，塞伯尔只把它称为“物质49”。）在1公斤的铀235中潜在的裂变能量被正确地估计为相当于2万吨的三硝基甲苯（TNT，烈性黄色炸药），裂变产生的中子的平均速度是如此之快，约为每秒2×107米，以至于在每公斤的铀235中分裂所有原子核只需要1微秒的时间，这是对于一次核爆炸时间短促性的颇为惊人的证明。
然而，塞伯尔在《洛斯阿拉莫斯入门》中强调，随着链式反应的推进，由于原子弹的核芯温度升高并不断膨胀，实际上发生裂变的裂变物质的比例――设备的效率――本来就低。临界状态的条件，创造和维持链式反应的必要条件取决于核芯半径与密度的乘积。随着核芯的膨胀，它的密度必然降低，它会不可避免地达到无法继续维持临界状态的半径范围。对于两个临界质量的铀235的核芯来说，临界关闭的径向膨胀只有大约1厘米，效率最多只能达到几个百分点。
“小男孩”(左）和“胖子”，分别被投在广岛和长崎
效率问题的重要性可以通过源自《洛斯阿拉莫斯入门》中的一个粗略的数量级计算来说明。核芯的膨胀速度如此之快，以至于在整个核芯被裂变之前，临界状态就会丧失，效率就会被破坏。在1μs的时间内膨胀1厘米，可容许的膨胀速度可达每秒1万米。假设单个中子引发链式反应，每个裂变释放出n个中子并且产生G裂变连锁反应级，释放出的中子总数就是nG。假设这些裂变产生的所有能量都进入了膨胀核芯的动能，那么就可以估算出达到给定膨胀速度所需要的裂变连锁反应级的数量。对于一个60公斤的核芯（广岛原子弹的质量）和n=2中子的每次裂变，需要66个连锁反应级才能达到每秒104米的速度，释放的总能量相当于1吨的TNT。即使可容许的速度达到每秒106米，效率仍然不足1%。塞伯尔将情况总结如下：“因为只有最后几个裂变连锁反应级才能释放出足够的能量来产生大量的膨胀，所以在被活性物质的扩散阻止之前，反应才有可能在一个有趣的范围内发生。”他用“有趣”这个词来描述一场可能会造成巨大破坏的爆炸，令人感到吃惊，但是他的这种风格贯穿整个《洛斯阿拉莫斯入门》，使枯燥无味的知识变得生动起来。
实际问题
塞伯尔接下来介绍了用一个中子反射器来围绕核芯的想法，中子反射器是一种完备的金属外壳，它能将逃跑的中子反射回核芯里，以产生更多的裂变，从而降低临界质量，并提高炸弹的效率。一个只有几厘米厚的中子反射器就足以使临界质量降低到一半或更少。在广岛投下的铀弹“小男孩”和在长崎投下的钚弹“胖子”都使用了中子反射器，前者用的是碳化钨，后者用的是天然铀和铝的嵌套壳。“小男孩”的碳化钨中子反射器不仅对中子反射率很重要，而且对其强度也很重要。“小男孩”是由一种射击方式引爆的。其中，一个超临界的核芯是由大炮炮筒中可裂变物质的两个次临界部分组装而成的。其中，目标部分是固定的，而辅助的弹体部分则是由常规炸药推进的。这个中子反射器必须足够强大，才能阻止弹体从目标中吹过。“胖子”内部的铀238中子反射器大大增强了原子弹的能量，通过极高能的中子裂变了原本是非裂变的铀238核；估计“胖子”有20%的能量是由这种效应产生的。
引爆原子弹：a.在射击方式中，可裂变物质的弹体由常规炸药推进到目标中。目标和弹体这两个本身都不能单独构成临界质量，但当它们结合时，就会形成临界质量。b.引发链式反应的引发剂，包含了几毫克的钋，周围用一层铍包裹。当钋与铍之间的屏障被组装的核弹核芯破坏时，元素就会混合，而阿尔法n效应会产生大量中子来引发反应。c.在内爆方法中，通过引爆炸药，使得楔形部分同时向中心合拢，形成一个临界质量。内爆比射击方式速度更快，更适合于钚弹的引爆
《洛斯阿拉莫斯入门》第12章对核爆炸的预期效果进行了发人深省的分析。塞伯尔研究了造成破坏的3种原因：中子辐射、放射性和冲击波。高能中子会造成细胞损伤；从一项基于空气里中子散射特性的简单分析中，塞伯尔确定“严重的病态效应”将发生在距离爆心投影点半英里的范围。放射性的影响会有更大变数，取决于当地的地理、天气和爆炸高度。塞伯尔估计，核爆10天后，剩余辐射将会达到100万居里级别，相当于1000公斤的镭。
后来由塞缪尔·葛莱斯栋（Samuel Glasstone）和菲利普·多兰（Philip Dolan）所做的一项分析发现，相关数值要稍高一些，但与塞伯尔的分析大致一致。1000吨爆炸后的放射性会在一分钟后达到300亿居里的级别，之后会随着时间的推移而衰减――几分钟后变为12亿居里。2万吨的爆炸在10天之后放射性为600万居里，在30天之后则为160万居里。
数百万居里是大量的辐射，但人类受危害的程度也取决于辐射的分布范围。广岛和长崎的原子弹设定在1600英尺的高空引爆，以尽可能减少在土壤和碎片中由中子俘获引起的放射性，并使裂变产物得以广泛分散。1945年9月，在原子弹爆炸后的一个月，作为访问广岛和长崎的一个调查小组成员之一，塞伯尔并没有发现任何残留的放射性。绝大多数的受害者死于爆炸和烧伤，而不是辐射。
为了估计物理爆炸造成的破坏，塞伯尔从常规炸弹的冲击波峰值压力、炸弹当量和距离这三者之间的已知关系中进行了推断。对于10万吨的当量，他估计冲击波会传播两英里。塞伯尔为什么选择10万吨的当量？这比《洛斯阿拉莫斯入门》中出现的其他任何当量都要高得多，对此他并未做出解释。长崎原子弹爆炸产生了大约2万吨的能量，并对距离爆心投影点超过1英里的钢架建筑造成了严重的结构性破坏。
在《洛斯阿拉莫斯入门》中，塞伯尔说自己忽略了另一种损伤效应：在核爆炸中释放出的耀眼强光和巨大热量。就在爆炸发生后，一英里外的观察者会看到一个火球，其大小是太阳的350倍，亮度是太阳的3倍。在广岛，距离爆心投影点1.5英里范围以内的人都遭到了烧伤。
引发爆炸
《洛斯阿拉莫斯入门》的最后几章讨论了有关如何引爆核弹并使其效率最大化的几个相互关联的问题。一个核心问题就是避免所谓的预爆轰――核芯组装只有部分完成时，链式反应就开始了――会导致爆炸比预期效率低得多。
在上图a所示的射击方式中，弹体可达到的最大抛射速度约为每秒1千米。对于尺寸为10厘米数量级的弹体而言，从弹体第一次进入目标到组装完成，需要100μs的时间。如果在这段时间内，一个杂散中子在接近完成组装的核芯中引起裂变，那么就会导致预爆轰。
杂散中子可能有3种来源：宇宙射线，裂变物质本身的自发裂变以及所谓的阿尔法n反应――由可裂变物质自然释放的阿尔法粒子会撞击光元素核和杂质，并释放中子。这些过程本质上都是随机的，必须从概率上进行分析。宇宙射线是无关紧要的，它们的流量过低，不可能有机会造成预爆轰。同样地，铀235和钚239的自发裂变和阿尔法衰变率要足够低，以确保预爆轰的低概率。钚239的相对较短的阿尔法衰变半衰期――2.4万年（铀235的是7.05亿年）――要求钚弹中的任何一种轻元素杂质含量都不超过百万分率（ppm）的水平。事实上，一旦核芯组装完成，阿尔法n过程作为引发剂的中心，就会用来引爆核弹。一个高尔夫球大小的囊，如上图b所示，包含了阿尔法放射钋和轻元素铍，最初由一层金属箔隔开。囊被组装完成的核芯压碎，因此混合了元素，释放了中子，并引发了链式反应。
但是在1944年的夏天，钚被发现有一个比杂质严重得多的问题――杂散中子。当一个反应堆的钚239原子核被中子击中时，它就有机会俘获中子而变成钚240。因此，核反应堆产生的钚则不可避免地含有一些钚240，其自发裂变率接近于每千克每秒近50万次。长崎爆炸的原子弹包含6公斤的钚。如果这样的质量受到哪怕是1%的钚240的污染，那么中子的发射率将会超过每秒7万次，或者是超过0.07μs的核芯组装时间，足以确定会引发预爆轰。
大约在塞伯尔讲座期间，钚的发现者格伦·西博格（Glenn Seaborg）从理论上预期了钚240的污染及自发裂变的可能性，但当时还没有实验数据。这种影响被认为是一场严重的危机，奥本海默迅速将几个洛斯阿拉莫斯研究小组进行了重组，以应对这一危机。唯一可行的选择是开发一个新流程，能够在不超过几微秒的时间内完成对一个核芯的组装。结果就有了内爆方式，其最初构思如上图c中所示：将可裂变物质的亚临界部分安装在管或球体的内部，并将其同时推入一个超临界的整体。在长崎投下的钚弹就是在该种引爆方式的基础上做了改进：它的次临界核是一个实心球，被周围的一层常规炸药高速粉碎到临界密度。内爆机理不仅解决了预爆轰问题，而且还利用了由一个被快速粉碎的核芯的较高密度而导致的较低临界质量。这一机理于1945年7月16日在新墨西哥州南部的“三位一体”试验场进行了引爆测试。相比之下，在广岛投下的铀弹，采用更缓慢、更简单的组装射击方式去引爆就足够了。由于其设计的简单性和铀235的缺乏，它在没有测试的情况下就被部署了。
不朽的传奇
在塞伯尔讲座期间，洛斯阿拉莫斯实验室的科学家们有大量的工作要做。他们必须精确测量裂变和散射截面，次级中子数以及中子能谱。他们需要改进理论计算，设计高速电子设备用于诊断试验和引发机理，研制引发剂并进行危险的、裂变物质的近临界组装的试验。他们需要去发现自发裂变中出现的问题并加以解决。最终，他们要将所了解到的一切与现有的军事后勤和实践相结合。研制原子弹是一场巨大的赌博。如果发生在洛斯阿拉莫斯或太平洋地区的历史稍有差池，那么这个实验室的科学家们可能与第二次世界大战的结束就没有任何关系了。
塞伯尔预见到了许多未知和挑战，充分证明了他对该计划的实验、理论和操作问题有极其深刻的理解。《洛斯阿拉莫斯入门》中的分析准确、简练而紧凑，与之形成鲜明对比的是维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）的分析――即便是对于像临界质量这样一个基本的物理量。“三位一体”试爆以及广岛、长崎核弹的爆炸将洛斯阿拉莫斯的工作推向了高潮。该实验室的影响将会以世界核武库的形式一直存在，而围绕和平利用核能的争议也将持续不断。
二战后，塞伯尔在位于伯克利的欧内斯特·劳伦斯辐射实验室工作了几年，之后在哥伦比亚大学任职，从事核结构、宇宙射线和粒子加速器等领域的研究，并在众多的政府委员会和董事会任职。他于1978年退休，1997年去世，但他的名字将永远与物理学史上最重要的进展和事件联系在一起。
资料来源 Physics Today
责任编辑 彦 隐
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本文作者卡梅伦·里德（Cameron Reed）是美国阿尔玛学院物理学教授。