曼哈顿工程

曼哈顿工程

    鉴于希特勒可能首先拥有原子弹，我签署了一封有西拉德起草给总统的信。要是我知道这种担忧是没有根据的，当初我就会同西拉德一样，不会插手去打开这只潘多拉盒子。因为我对各国政府的不信任，不仅限于对德国政府。很遗憾，我没有参与反对对日本使用原子弹的警告。这一荣誉应当归功于詹姆斯弗朗克。要是他们听了他的话，那就好了。

——爱因斯坦《爱因斯坦文集三卷》

    曼哈顿工程是是一项伟大的创举，它开创了科学、军事和工业的三位一体的“大科学”典范，具有领导统一、组织严密、分工明确、高效协调等优势，为成功提供了可靠的组织保证。同时，这也是一个生命、死亡和战争的疯狂的竞赛。曼哈顿工程揭开了原子能的神奇之谜，也第一次把最具破坏力的武器——原子弹赋予了人类。

第一部分：前期情况：理论与筹备

    核裂变的发现与链式反应研究

    原子弹的发展可以追溯到1905年，著名物理学家爱因斯坦发表了划时代的论文《论运动物体的电动力学》，提出了狭义相对论和著名的核动力公式E=mc^2，为原子能的发现和利用奠定了理论基础。1938年意大利物理学家费米和德国物理学家哈恩、施特劳斯通过实验发现用中子轰击原子核就会产生核反应，这就是“裂变”。

曼哈顿工程的开端

    最早注意到核裂变价值的是德国科学家，他们在核裂变研究中也处于世界领先地位。后来，率先研制出原子弹的却不是德国，主要原因就在于法西斯的残暴把大批科学家“让”给了美国。1933年希特勒上台后，疯狂迫害犹太人，在国外访问的爱因斯坦的书也被称为“犹太人邪说”而遭禁，他因此定居美国。费米、波尔、格拉德等科学家也逃出纳粹魔爪，到达了大西洋彼岸。居里夫妇的女婿约里奥(后为法国科学院院长、法共党员，也是钱三强的导师)则在德军占领挪威前夕，把制造核弹必须的200升重水运到美国，而此时全世界其他试验室中的重水加在一起不过几升。就此，美国在核研究方面已有了最优越的人力物力资源。

    1939年初，丹麦著名的物理学家波尔从两位刚从德国逃亡出来的物理学家那里知道德国已经开始研制原子弹的确切消息，他立即前往美国，将这一消息告诉正流亡在美国的费米、西拉德等科学家，这些深知核能巨大威力的科学家对此忧心忡忡，他们知道如果纳粹德国抢先制造出原子弹，那么人类就将面临史无前例的核灾难！

第二部分：曼哈顿工程的实施

关键工程介绍

    由于不知道铀235三种裂变方法哪种效果最好，只好采取三种方法同时进行，因此整个“曼哈顿工程”规模异常庞大，共分为十六个分支工程，其中关键工程有四个：

    其一是费米领导的原子反应堆，1942年12月2日，在芝加哥大学建成了世界上第一座铀—石墨原子反应堆。从实验上论证了链式反应理论，为原子弹的制造提供了可靠的基础。

    其二是由佩汀领导的核反应材料工厂，先是在依阿华州立大学进行技术研究，后于1943年6月21日在田纳西州诺克斯维尔市东北克林顿镇建立了生产铀235工厂，所以称为“克林顿工程局”，代号“橡树岭”（Oak Ridge）。该工厂招募的工人最高峰时达到8.2万人，原料是来自非洲比利时殖民地刚果的钒酸钾铀矿石，主要采取气体扩散和电磁分离两种方法从铀的天然存在形式中分离铀238和铀235。（电磁法是采用类似质谱仪的原理，利用铀235和铀238质量上的差异而使之在磁场中分离。气体扩散法则是根据轻的分子（像那些含铀235的分子）比含铀238的较重的分子容易、并较迅速地通过多孔障壁细孔的原理，于是把铀制成六氟化铀气体，使它通过4000次多孔障壁就能得到纯度为99％的铀235。）

    三是由西伯格博士领导的核反应材料工厂，主要通过反应堆生产核反应的另一种优良原材料钚，1943年2月28日在华盛顿州汉福德开始建设提炼钚的工厂，该厂招募的工人最高峰时也达到了6万人，至1945年7月已生产出60千克钚239。

    其四是位于新墨西哥沙漠中的洛斯阿拉莫斯实验室，代号“Y计划”，这里既承担原子弹的总装任务，又负责原子弹的研制工作，是整个“曼哈顿工程”的核心，由奥本海默负责，实验室地址也是奥本海默亲自选定的。这里汇集了大批声名赫赫的科学家，因此洛斯阿拉莫斯实验室被戏称为“诺贝尔奖获得者集中营”。

 工程实施经历

    在当科学家和技术专家们与阻碍生产裂变物质的各种难题——诸如铀矿石的来源、电磁分离器的导线等做斗争时，格罗夫斯将军和他的副官们也开始为建造大型工厂作准备。他们专门找荒凉偏僻的地方作为厂址。1942年9月，格罗夫斯他为“曼哈顿工程”购得了第一块土地，后来这里——田纳西州橡树岭（Oak Ridge）建成了饱含电磁与气体扩散两种铀同位素分离装置的厂区。

    接下来是芝加哥。1942年秋天，康普顿和费尔米正打算在芝加哥大学建造世界上第一个原子反应堆。经过在安全问题上的据理力争，他们建议将反应堆实验室建造在大学的一个阴凉、通风的地下室里，位于废弃的斯塔格足球场西侧。

    建造芝加哥反应堆是“曼哈顿工程”中最脏最累的工作。这个装置长10米、宽9米、高5.6米，形状如锥，内装52吨核反应材料，其中6吨是金属铀，另46吨是氧化铀。由一层铀一层石墨堆积而成，总共有57层，中间有洞，用来放置铀或铀氧化物的。堆中可以插入由镉制成的控制棒。为了建造它，技术员和技师们分成两组，每天24小时轮流摆放这些石墨砖块。一位科学家在轮班结束后，用力擦拭着粉尘大声说道：“如果人们知道我们花费了纳税人150万美元在干这种体力活，他们一定认为我们疯了！”

     1942年12月2日，反应堆基本完工，开始裂变反应。上午10：37，费米下令移出控制杆时，中子计算器开始发出震颤声，记录笔绘制出一条向上移动的线条。虽然链式反应还没有完全受控，但是反应堆的确在活动了。

    费米看着他的计算尺，平静地说：“这条轨迹应该到这点后趋于稳定。”房间里没有人能像他这么镇定，大家也许在想，如果反应失控该怎么办？这里的人都能幸存下来吗？但是轨迹笔正如费尔米预测的那样在那个点开始变平，计算器也平静下来。于是，费尔米下令再拔出一点点控制杆，正如他们所预测的那样——反应继续加速直到它再次平息下来……这是人类历史上首次由人工控制的核反应！那一刻，时钟停留在1942年12月2日下午3：25。

    这次核反应持续二十八分钟后于下午4时零4分结束，从实验上论证了链式反应理论，为原子弹的制造提供了可靠的基础。实验中，科学家表现出了勇敢无畏的献身精神，甚至有几位年轻科学家自告奋勇，攀上高高的铁架，居高临下严密监视着反应的进行，随时准备一旦裂变失控就将几大桶镉溶液倒在反应堆上，使之迅速消耗反应中的中子，以阻止核爆炸的发生！

    虽然还没有人知道制造一颗原子弹需要多少钚或铀235，需要1个反应堆抑或是1000个反应堆,但是在费米实验的提示下，科学家们预测大概需要六个核反应堆才能生产出足够的钚元素。每一个反应堆都将比那个藏在芝加哥大学足球场看台下500吨重的小家伙大上若干倍。把巨型的制钚反应堆安置在何处？这个问题又赫然出现在格罗夫斯的问题单上。早些时候，有人建议将反应堆仍安置在橡树岭，但这个提议遭到了否决。因为原子反应堆具有潜在的危险性，它们需要足够自由安全的空间。橡树岭作为生产铀235的基地，已经没有足够安全的空间安置巨型反应堆了。

1942年平安夜，地质勘测队在华盛顿州的汉福德的零星村庄附近，发现了一块面积为50万英亩的土地，认为那里可以作为理想的厂址。这个地方紧邻哥伦比亚河，这能为冷却反应堆提供足够的用水，并能从新建成的大峡谷和邦纳维尔水坝获得充足的能源动力。

    汉福德并不是格罗夫斯在那个冬天为“曼哈顿工程”获得的惟一一块土地。1942年12月7日，他签署文件，征用一所位于新墨西哥沙漠中的洛斯阿拉莫斯男子寄宿学校及其邻近土地。1943年春天，一位年仅39岁，精明强干的物理学家J.罗伯特奥本海默带领着一队人马进驻洛斯阿拉莫斯，他们将在这里进行一项由美国政府担保的最神秘、最危险的工程项目研究——设计并最终制造原子弹。

    随后在汉福德、橡树岭和洛斯阿拉莫斯，大型工厂雨后春笋般急剧增长。很多村庄在一夜之间拔地而起，这些村庄设施齐备，不仅有学校，还有教堂，而且一般都能容纳成千上万的工人。招募队伍每天都在附近的农村宣传、游说，企图招募更多的新雇员。此外截止到1943年中期，一共有超过30家的美国公司为“曼哈顿工程”工作。高峰时期，“曼哈顿工程”雇用了60万美国人。  但是人虽多，格罗夫斯在保密监管的各方面仍近乎于一个宗教狂热者，他会尽他所能让所有人员（除了极其少数的关键人物）无法知晓其职权范围以外的任何一点小事。比如说，一些女雇员在为气态扩散所需的滤镜加工原材料时，从来都不知道为什么每次月经时都会被转到其他工作组，后来才知道，原来是女雇员们的手在经期排汗比平时多，即使她们都戴着白手套，但也会让这些灵敏异常的金属材料有可能沾染有机物，从而影响其性能。甚至，连当时的副总统杜鲁门也是到罗斯副总统去世后才知晓“曼哈顿计划”存在的。

    在这三个基地，技术人员们每天都会面临层出不穷的难题，他们不得不一一解决这些棘手的问题——但是至少关键性的问题最终都是能解决的。到了1943年11月，在田纳西州的橡树岭，一项错综复杂的大型工程终于要结出胜利的果实了。

    在那里，电磁分离工厂的第一期工程已竣工，这是有史以来最大的磁铁，每个磁铁重达3000吨到10000吨不等，它们各自缠绕的银线圈重量少则12吨，多则21吨，为了获得这些性能优异的电磁线圈，美国先后动用了国库白银和银币达1.4万吨！。这些巨型磁铁具有威力无穷的吸引力，女雇员们一旦靠得太近，她们的发卡就会被吸走，那时她们精心梳理的头发会变得一团糟。

   当第一期工程开始运转时，人们遇到了更为严重的挫折。巨型磁铁吸收能量不久之后，就出现了短路和停滞不动的现象。格罗夫斯下令切开放置磁铁的铁盒，结果发现很多铁锈微粒和金属碎屑渗到了用来冷却机器的循环油里。格罗夫斯暴怒不已，一开始他怀疑有人蓄意破坏，随后又责骂工人们工作懒散、不负责。最终，他们不得不将这些磁铁运回维斯康星州重新清洗和缠绕线圈，因而橡树岭的工程进度受到了拖延。至1945年6月底，橡树岭已生产出20千克铀235，足够一枚原子弹使用的了。

    1944年9月初，在汉福德地下的三个核反应堆中的第一个反应堆：“反应堆B”也已经准备就绪。直到9月27日凌晨两点，反应堆已经在不停地生产出比以往任何链式反应都要强大的能量。可在那天凌晨三点，“反应堆B”突然“死机”了。清晨六点半，反应堆还是没有丝毫活动的迹象。科学家们困惑不已，不知道究竟是什么原因造成反应堆“死机”？“反应堆B”看上去更像一堆价值300百万美元的垃圾。

    第二天，当这群沮丧万分的科学家们拼命寻找事故原因时，反应堆就像它当初神秘死去一样又神秘复活了。随后，反应堆又出其不意地冷却下来，变得一片死寂。

    于是，一大批科学家被召集到一起给“反应堆B”诊断毛病。他们发现了一种名为氙135的气体，它的半衰期是9.4小时，正是这种气体“毒死”了反应堆！费尔米经过仔细计算，提出将反应堆的铀装载量增加25%就可能解决氙气中毒现象。他们照此实验，“反应堆B”果然没有出错。不久后，经过一系列反应、分离程序，汉福德的工厂终于生产出了第一块钚金属。至1945年7月，汉福德已经生产出60千克钚239。

第一声轰鸣

    让我们把注意力集中到整个计划的“总装厂”——洛斯阿拉莫斯，这里的研究工作异常艰巨，实验室组建之初，除了链式反应的基本概念之外，几乎是一无所有！奥本海默领导了所有研究课题，常常以其敏锐的洞察力抓住要点，提出合理的见解，尤其是他在遵守保密规定的前提下，每周举行一次学术研讨会，使科学家们能自由地发表见解，相互启发，这一措施取得了极大成功。

    早在1943年9月，他们就设计出“枪式法”和“内爆法”两种引爆原子弹的方法。“枪式法”是把一块铀235装进枪口，然后从后膛把另一块铀235射进去，这样一旦爆炸两块铀235就会迅速合在一起，达到临界状态，发生链式反应，释放出巨大的原子核能。“内爆法”是在用裂变物质做成的空心球四周装上引爆装置，它会在百万分之一秒内爆炸，一旦爆炸就会把空心球向内压缩达到临界状态，发生链式裂变反应。1945年中期，奥本海默等人终于发现达到临界状态大约需要15千克铀235或5千克钚。

    当洛斯阿拉莫斯的实验者们发现铀235的生产速度只够制造一枚铀弹时，他们就把注意力转向了钚弹的研发制造。因为只需要1/3的钚就能达到临界状态，但是这种人造元素具有很多让人摸不着头脑的特性，其中之一是不能用“枪式法”引爆。于是，有600多人投入了研发制造内爆式钚弹的工作。经过夜以继日的努力，美国终于制造出3颗原子弹。这3颗原子弹分别冠以“小玩意”、“小男孩”、“胖子”的代号，其中 “小玩意”（用于首次试爆）和“胖子”采取内爆法，以钚239为核装药；而“小男孩”则采取的是枪法结构，以铀235为核装药。

    测试地点最终选在位于新墨西哥州的阿拉默果尔多军事基地，该地在洛斯阿拉莫斯以南200英里处，代号“三位一体”。1945年7月15日，在“三位一体”基地中央矗立着一个100英尺高的钢塔，“小玩意”安静地躺在上面，上方盖着一块薄铁皮屋顶，所有精密复杂的部件都极其仔细地安装在它的钚空壳四周，它在等待着最后时刻的到来。一个五人小分队守护在钢塔四周防止“小玩意”遭到破坏。

    其余工作人员都返回了指挥防空洞，此外五英里之外还有两个防爆地下碉堡，试验现场方圆10英里的区域都被规定为“零区”。格罗夫斯、奥本海默、布什、科南特、费米和其他参与研究的关键物理学家及其将要引爆炸弹的技术人员都来到指挥现场，等待着历史时刻的到来。为了这一刻，美国投入了巨大的人力、物力、财力，前后耗时三年，总计花费超过20亿美元。格罗夫斯看到奥本海默这位原子弹的总设计师因为过度紧张，脸色变得苍白、憔悴，几乎到了崩溃的边缘。

    试验因为下雨被推迟了两次，最终格罗夫斯和奥本海默把时间定在7月16日上午5：30。发射前30分钟，一个七人小组完成了对“小玩意”的最后检测，他们临走时打开了用来照亮钢塔的强力照明灯，然后坐着吉普车撤离了现场。炸弹孤独地矗立在沙漠中，直刺苍穹。那些即将用电缆引爆炸弹的技术人员来到地下室，他们发现奥本海默紧靠着一根柱子，看上去他似乎快被压垮了。现场的观察者们都感到非常紧张，他们面向远方的炸弹，却把眼睛闭得紧紧的不敢睁开，心揪成了一团。5：10倒计时开始，时钟一分一秒地走过，5：29计时者喊道：“零！”原子弹起爆了！

    在人类科学的发展和伟大的理论进步面前，我们所熟知的原子弹就像是个小小的婴孩——它只是现代物理学的诸多产物之一。但是这个婴孩诞生时却是世界上啼声最大的一个，全世界都听到了来自“泰坦”的震动。那些亲眼目睹了它的光芒的科学家们，忘记了他们的科学语言，脑海里争相浮现出宗教和神话的描绘：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有1000个太阳，才能与其争辉！”

    《纽约时报》的科学记者威廉劳伦斯当时任“曼哈顿工程”的记录者，他的描述最为接近：“那一刻成为永恒。时间停止了，空间收缩成一个点，瞬时间天崩地裂，人们似乎有幸看到了地球的诞生。”

    也许奥本海默的预言才是最有先见之明的。当炸弹的火球腾空而起时，沙漠上空变得通亮炽白，这位惊骇万状的科学家想起了印度史诗《薄枷梵歌》中的一句不祥预言：“我就要死去了，世界也将毁灭。” 作为足以毁灭人类的武器的始作俑者，他还对与其一起工作的其他科学家说了一句著名的深刻自责的话：“妈的，现在，我们都成了狗娘养的了！”

    核爆炸产生了上千万度的高温和数百亿个大气压，致使一座30米高的铁塔基本被熔化为气体，并在地面上形成一个巨大的弹坑。核爆炸腾起的烟尘若垂天之云，极为恐怖。在半径为400米的范围内，沙石被熔化成了黄绿色的玻璃状物质，半径为1600米的范围内，所有的动物全部死亡。这颗原子弹的威力，要比科学家们原估计的大出了近20倍。（约2~2.2万吨TNT当量）

    爆炸时，费米撕了几片碎纸抛在空中，迫不及待地想在冲击波来临时测算爆炸的威力。爆炸一结束，费米就坐上坦克去检查效应，爆炸的威力超出了他原来的想象。费米本来是一个冷静而有理智的人，这时也受到了很大的惊动，甚至无法自己开车回家。他对所有持反对意见的同事只能重复这样的回答：“不要让我跟你们一块受良心的折磨吧。无论如何，这毕竟是物理学上的一个杰出成就……”

   原子弹对美国来说，是取得了一项工业技术史上最炫目的成就；而对于毫不知情的日本人而言，它预示着一场噩梦的到来；对于世界而言，它带来了和平；同时更开启了战后的危险时代——核原子时代。