吴健雄的故事六:由核分裂刻曼哈顿计划

原子弹的制造,是出自一个被称之为曼哈顿的科学计划,这个在美国开始,并改变人类历史的科学计划,集合了当时同盟国许多第一流的科学头脑;在这些投身计划的科学精英当中,也有一位杰出的中国物理学家,那就是吴健雄。

吴健雄的参与曼哈顿计划,值得一提的,不只由于她当时是一位外籍的女性科学家,尤其特别的是,她在曼哈顿计划中参与的工作,并非寻常普通,而是相当关键的部分;这一方面由于她在原子核物理研究上,一开始便有极其重要的成就,另一方面也由于曼哈顿计划的主持人,有美国原子弹之父称号的大科学家奥本海默,对吴健雄这个曾经是他学生的物理新秀,特别赏识的缘故,也就是这个缘故,吴健雄才能以一个初到美国不过几年,不具备美国国籍的外国人身份,得到特殊的保密许可,参加如此机密的一个国防科学计划的核心工作。

吴健雄参与曼哈顿计划的故事,应该从1936年她由中国乘船越洋,到美国进入加州大学柏克莱分校念书说起。

吴健雄初抵柏克莱之时,正是物理科学在原子核研究方面大放异彩的年代。早几年的几项科学大发展,使得原子核物理成为当时最具挑战的前沿科学领域。

1939年1月16日,麦特勒和费许讨论原子核分裂的文章,正式出现在英国《自然》杂志上,原子核分裂于是也成了举世震惊的公开秘密。原子核分裂一经发现,举世的科学家纷纷投身进行这项研究;吴健雄和塞格瑞也是在这个时候,开始利用柏克莱的回旋加速器,进行中子撞击铀原子核,并分析其产出物的实验。他们的实验由1939年做到1941年,得出许多重要的结果,实验起初虽然多是塞格瑞的想法,但是后来的许多工作却是吴健雄独力完成。

在那段时间中,吴健雄自己**地在铀原子核分裂产物碘中,观察并且确定出两种放射性惰性气体氙的半衰期、放射数量和同位素数量。吴健雄的工作使得由东岸回来的塞格瑞大为激赏,认为她已经是可以**做出一流工作的杰出实验物理学家。

吴健雄在实验得到结果后,也立即写了一篇报告,列了塞格瑞和她的名字准备在物理期刊上发表。塞格瑞看到那篇论文,删去了自己的名字;后来这篇文章便以吴健雄一个人的名字,刊登在美国最有地位的《物理评论》之上。

1939年初始,几位在美国的大物理学家,对于核子分裂的知识,应不应该像一般科学知识一样公开的流通交换,有着不同的意见。像匈牙利裔的犬科学家齐拉(L.Szilard),就坚持主张核子分裂的知识应该保密;费米由于从计算中认为,核子分裂产生足够中子而引发连锁反应,几乎是不可能的,因此原本反对保密。他们的这些争论,都被4月22日刊登在英国《自然》杂志上的朱立奥和艾琳居里的一封信给统一了。朱立奥和艾琳居里两人证实每一个核分裂,平均可以产生三个半中子,这也就是说,核分裂的连锁反应是可能的。

由于第二次世界大战的欧陆战局日渐吃紧,占据优势的德国对于最早在柏林发现的核分裂反应,也表现出不寻常的兴趣,因此这个时期中,在美国进行原子核分裂的科学家,都心照不宣地将一些最敏感的实验结果保密。像吴健雄和塞格瑞做出来的,关于铀原子核分裂出产物的实验结果,虽然1940年间也在两篇论文中发表,但是其中一些有关分裂连锁反应,也就是和制造原子弹最密切相关的知识,则是等到1945年第二次世界大战后,才在另一篇论文中发表。

那时候在柏克莱的物理系,理论方面以奥本海默为其翘首,**了一批当时最聪明的科学头脑,这些科学精英不但是后来美国成功制造出原子弹的生力军,也是造就战后美国科学的精英。

这些科学英才在每个礼拜一晚上,都会聚在莱孔特馆底层的图书馆,进行一次讨论会;这些讨论会有时是奥本海默报告他的新理论,有时则由一个年轻科学家报告他的实验结果。

有一天,在柏克莱的物理学家想听听原子核分裂的新发展,奥本海默知道吴健雄在这方面很有认识,便请她来讲,吴健雄先讲了一个小时关于原子核分裂的纯物理,然后她提到连锁反应的可能。接着她说现在我必须停下来,我不能再讲了。这时吴健雄看到在座上听讲的劳伦斯哈哈大笑,还回头看看坐在后面的奥本海默,奥本海默也笑起来,因为他们知道吴健雄的意思。虽然吴健雄的演讲没有说出下文,但是她的实验工作却并没有停止。对于当时方始起步的原子核分裂发展,吴健雄不但因为自己做了许多研究而有深刻认识,她还把当时许多新发展综合整理,因此她的演讲相当深刻精彩,后来有人要塞格瑞去演讲核分裂时,他都得向吴健雄借演讲资料去用。奥本海默对于吴健雄在核分裂方面的深刻知识,也十分清楚,每次开会讨论核分裂及原子弹相关问题时,他总是会说:去叫吴小姐来参加,她知道所有关于中子吸收截面的知识。

由于当时吴健雄在柏克莱的研究有相当杰出的成就,因此在中国已经有了她是东方居里夫人的说法。1941年4月26日,柏克莱所在地奥克兰郡的《奥克兰论坛报》刊出一篇报道,标题是娇小中国女生在原子撞击研究上出类拔萃,标题下刊登了一张相当大的照片。照片中的吴健雄明眸皓齿,聪慧秀丽的脸上,透出自信坚定的神情,相当迷人。

这篇发自柏克莱的报道中说:在一个进行原子撞击科学研究的实验室中,一位娇小的中国女孩,和美国一些最高水准的科学家并肩工作。这位年轻的女性,就是新近加入成为加州大学物理研究所成员的吴健雄。吴小姐,或者更恰当地称呼她吴健雄博士,外表看起来会以为她或许是一位女演员,一位艺术家,或者是一位追寻西方文化的富家女。

在陌生人面前,她显得害羞而沉默。但是在物理学家和研究生面前,她却是自信而机敏的。

接着报道说到有一天她在物理学家面前,讲述原子核分裂的新近发展;文章中说吴健雄在黑板上由后往前倒着写出一个物理公式,令大家印象深刻。那时候,同盟国的科学家虽然已经在讨论原子弹的可能,但是还没有正式开始进行制造的工作。后来由于同盟国在战事中一再失利,德国又开始禁止由他们占领捷克铀矿区的铀矿出口,使得同盟国意识到,德国可能已经在认真进行原子弹计划。

不久,一位德国科学家傅吉(Siegfried Flugge)出人意料地在德文科学期刊上,公开发表了一些德国核分裂研究的新近成果。这位科学家本来是故意突破当时德国尚未完全开始的信息封锁,让同盟国得知德国研究近况,但是同盟国科学家反倒因而误认,如果德国能够发布这么多资料,那么他们真正的发展情况,恐怕还要更加先进,这就更加促使美国原子弹计划开始酝酿产生。

匈裔科学家齐拉于是决定采取一些行动。首先他认为要能控制比属刚果的铀矿,于是请求和比利时皇家熟识的爱因斯坦帮忙,爱因斯坦欣然同意。接着他和银行家沙克斯(A.Sachs)共同具名拟就一信,准备敦促罗斯福总统在美国进行原子弹计划,为了增加这封信的分量,他们也要求爱因斯坦共同具名,爱因斯坦同意了。这一封有爱因斯坦共同具名的信函,确实是促成原子弹计划的一个关健因素,而这件事到战后曾引起爱因斯坦相当的后悔。

1942年6月,美国的原子弹计划正式开始,由于计划总部开始设在纽约市曼哈顿区,因此就叫做曼哈顿工程区域计划。首先计划是由马歇尔将军(General G.Marshall)担任主持人,但是不久便由顾伏将军(General L.R.Groves)负责其事,而后来这个计划的科学主持人,便是奥本海默。

这个时候,吴健雄和袁家骝刚于5月底在洛杉矶帕沙迪纳结婚。他们在加州度完短暂蜜月后,袁家骝应聘加入RCA公司战时的雷达发展工作,吴健雄也一同到美国东岸,应聘在波士顿附近专收女生,相当有名的史密斯学院担任助理教授。

吴健雄在史密斯学院教了一年书。1943年,她转到普林斯顿大学担任讲师,给一些参与国防计划的军官讲授物理学。1944年3月开始,吴健雄进入哥伦比亚大学任资深科学家,并且获特殊的保密许可,以一个外国人身份,参加当时美国最机密的、制造原子弹的曼哈顿计划。

1944年美国原子弹计划已进入相当成熟的阶段,科学家对于这样一种威力惊人的炸弹,已有了肯定的认识。那时比较关键的问题,一是如何浓缩铀元素,并使其达到临界质量,另外则是有效引爆的技术问题。吴健雄在哥伦比亚大学参与的工作,就是浓缩铀的制造,不过她的工作主要是在发展十分灵敏的射线探测器。 曼哈顿计划那时的重心,是在新墨西哥州一个小城圣塔菲外不远的洛斯阿洛摩斯实验室,顾伏将军和奥本海默都在那里坐镇主持。洛斯阿洛摩斯实验室主要是进行原子弹本体的计算、模拟和制造引爆技术发展。

另外在芝加哥新成立的冶金实验室,由当时已得诺贝尔奖的费米和匈裔科学家齐拉和威格勒(E.Wi)几位顶尖科学家,领着许多当时最聪明的年轻物理学家,建立起一个原子反应堆。反应堆一方面用来实验可以控制的核分裂连锁反应,这是和平用途的着眼;另一方面则是生产可用作原子弹原料的一种新的可分裂元素钚(Plutonium)。

吴健雄在哥伦比亚大学参与的铀元素气体扩散制程,是在离哥大北方十几条街的136街、一个向汽车公司租来的房子中进行的。另外还有一个实验室,则是在哥大学校里著名的普平物理实验室。那时候吴健雄是在哥伦比亚大学中,一个以特殊同盟材料为代号的计划中工作,这个计划主持人叫邓宁(J.Dunning),吴健雄是在黑汶斯(W.Havens)手下做事,合作的还有多年后获得诺贝尔物理奖的阮瓦特。进行制程的则有重氢的发现者尤瑞和莫菲(G.M.Murphy)等人。

那时候在哥大代表国防部的军方人士,是尼柯斯上校(Colonel.K.D.NUCHOLS),他就像是在洛斯阿洛摩斯的顾伏将军,负责这个国防计划的许多行政事宜。 1944年9月27日费米在华盛顿州汉福得建立的反应堆,如期开始运作,原子核连锁反应开头进行得很好,但是几个小时便停止了。只不过这个停下来的反应,过了几个小时又再开始进行。由于观察到这种现象是与时间相关的一种变化,主持者费米和挥勒(J.Wheeler)于是怀疑,是核反应中的某种产物,会吸收大部分中子而造成反应停止。

吴健雄的老师塞格瑞便告诉他们说,应该去问吴健雄!因为塞格瑞知道吴健雄在中子吸收截面方面,做过相当深入的研究。于是他们就打了电报到纽约来。

尼柯斯上校接到电报,就去找吴健雄,他说:吴小姐,我接了个电报,费米和塞格瑞希望要你在柏克莱作实验结果的那篇文章,你可不可以给我。

吴健雄和塞格瑞本来已商议好了,那篇实验结果文章虽然在《物理评论》发表,但其中关键结果,则要等打完仗才发表的。以她说:除非费米、塞格瑞亲口告诉我,我不能给你。

尼柯斯上校没办法,只有去找理论组组长莫菲教授。莫菲还约了和吴健雄熟识的黑波斯一起来看吴健雄。他说:吴小姐,你和我很熟。尼柯斯博士对我们很帮忙,现在洛斯阿洛摩斯要这个资料,是不是可以给他们。

吴健雄于是在黑波斯作保守秘密的保证之下才同意提供那篇实验结果的数据。由尼柯斯开车送吴健雄回到她的公寓,文章早打好了。吴把文章交给尼柯斯,再转送到洛斯阿洛摩斯去。

吴健雄这篇关于铀原子核分裂后,产生的氙气对中子吸收横截面的资料,对于曼哈顿计划的顺利进展,有相当大的贡献。

1945年7月16日,在新墨西哥州的一个沙漠中,人类第一颗原子弹试爆成功。它惊人的威力,使人目盲的闪光和巨大的蘑菇状云层,象征一个新时代的降临。三个礼拜之后,投在日本广岛和长崎的两颗原子弹,终于促成了二次大战的结束。

原子弹是20世纪科学家协同努力的产物,它所展现的悲惨毁灭景象,不但使世人惊骇,许多参与计划的科学家,也有**生灵的罪疚。但是,在美国发展原子弹之时,德国也在进行类似计划,这些科学家认为,如果不抢先完成,万一纳粹德国得到成功,恐怕是更大的一场浩劫。

有人以为,吴健雄对曼哈顿计划的贡献,对中国有着难以估量的重大贡献。因为,日本的提早投降,使得中国战场上少牺牲了不计其数的中国人。

吴健雄对于有人问起她做原子弹之事,心中是有着伤痛的。谈起原子弹的摧毁性,她也极其痛心。她会用近乎恳求的口吻回问:你认为人类真的会这样愚昧的自我毁灭吗?不,不会的。我对人类有信心。我相信有一天我们都会和平地共处。