絕密Y計劃,從小男孩到胖子到比基尼美女,燒了20億

來源: 2019-02-20 19:12:03 [] [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀: 次 (58852 bytes)

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秉公而言,如果科學家的影響能被更廣泛解釋為包括對科學以外的領域的影響,馮諾依曼可以說是有史以來最具有影響力的數學家。---- Miklós Rédei

時間:1943年地點:美國新墨西哥州郊區Site Y

人員:伐木工人,馮•諾伊曼,玻爾、費米,費曼,愛德華·泰勒,歐內斯特·勞倫斯,奧本海默等等大批世界頂尖科學家,還有共4000名科學家。

通信地址:所有人隻有一個通信地址:新墨西哥州,聖塔菲市,郵箱1663 

總工作人數:10萬

研究項目:Project Y

保密等級:絕密

隸屬:美國能源部

經費:20億美元

優先權:羅斯福總統賦予這一計劃以“高於一切行動的特別優先權”。

 

 

 

一年前,這裏還隻是一片蕭索的沙漠,大漠孤煙,黃沙漫天,名不見經傳。短短3年後,這裏蜚聲全球,全世界為之震撼。

當時這幫頂級科學家 (後來他們中有許多獲得諾貝爾獎) 還正處於精力旺盛,富有創造力的年齡,平均年齡隻有二十幾歲。我們的馮•諾伊曼39歲,當時他原本在英國,支持英國與德國鏖戰。被突然征召回美國並被任命為實驗室顧問。

這裏工作的10萬人當中,隻有12個人知道全盤的計劃。大部分人隻知道他們要解決許多物理,數學,計算,爆炸上的難題,而且要和時間賽跑。

理查德德•費曼(Richard Feynma),納米技術之父,當時年僅二十四歲,個性十足,愛出風頭,喜愛搞怪。他的自傳叫做《別鬧了,費曼先生》,裏麵很得意地提到他是撬鎖專家,開鎖英雄,專門研究開同事或者秘書的各種密碼鎖。費曼還總喜歡誇耀自己是加州理工最聰明的人。

 

但是他稱·諾依曼為:我們時代最偉大的數學家。那時,馮·諾依曼的老師希爾伯特還在世。不過馮·諾依曼自己一直很謙虛:“說真的,我隻知道一個“偉大的數學家”——大衛·希爾伯特。至於我自己,雖然被稱為“神童”,但我從來也沒有感覺到自己長大以後達到了人們對我所期望的那種高度。”)

對於費曼有這麽一句名言:費曼總以為自己是外星人,但其實他是地球人,

·諾依曼總是偽裝的像個地球人,但其實大家都知道他是外星人。

 

實驗室顧問的頭銜看起來並不起眼,但是馮·諾依曼在Y計劃中舉足輕重,取得了輝煌的成果。

二戰後,這裏被稱為洛斯•阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos NationalLaboratory),後來被譽為“諾貝爾獎獲得者集中營”。當時在這裏進行的研究項目Project Y 無論是在金錢還是人力(超級學霸數目)上都是空前絕後的。

華人科學家李文和就是在美國洛斯•阿拉莫斯國家實驗室為加州大學工作。他於1999年被指控竊取了關於美國核武庫的機密。這就是當時震驚美國和世界的“李文和間諜案”。

Project Y便是鼎鼎大名的曼哈頓計劃。

在“曼哈頓”計劃中,還有一位很值得中國人驕傲的“中國的居裏夫人”-- 吳健雄。作為“核子研究的女王” 她為曼哈頓計劃做出了重要貢獻。

1937年初,希特勒就批準了德國研製原子彈的“鈾計劃”,並且由我們已經很熟悉的量子物理學家海森堡牽頭。

1939年8月,愛因斯坦寫信給美國總統羅斯福,建議美國必須趕在納粹德國之前掌握核技術。

因為這封信和著名的 很多人誤以為原子彈和愛因斯坦關係很大,甚至廣為流傳。

 

實際上,原子彈沒愛因斯坦啥事。至少關係非常小。他寫完信一年過去了,美國政府機構之間還在互推皮球。四年後,當時舉世最重要的科學研究-曼哈頓計劃匯聚了全美幾乎所有最頂級的物理學家,卻將愛因斯坦排除在外。至於質能方程,就算愛因斯坦沒有提出,原子彈照樣會被研發出來,這就好比古人不懂複雜的化學反應方程式,亦能研製出火藥。

             (不關我的事)

                             

至於原子彈的誕生,要歸功於一大批歐美科學家的研究和努力。

1932年英國物理學家查德威克(James Chadwick,1891–1974)通過一係列實驗證明了中子的存在,並因此獲得1935年諾貝爾物理獎。

1932年,考克饒夫(Cockcroft)和沃爾頓(Walton)用質子轟擊鋰靶,實現了人工核反應,考克饒夫和沃爾頓因這一工作獲得1951年的諾貝爾物理獎。

1934年,受前述實驗的啟發,西拉德(Szilárd)提出了由中子誘發鏈式反應的概念並在英國申請專利。

1939年初,德國化學家O.哈恩和物理化學家F.斯特拉斯曼發表了鈾原子核裂變現象的論文。

同年9月初,丹麥物理學家N.H.D.玻爾和他的合作者J.A.惠勒從理論上闡述了核裂變反應過程,並指出能引起這一反應的最好元素是同位素鈾235。

這樣,理論上製造出原子彈已經沒有任何障礙了,曼哈頓計劃開始上馬,

曼哈頓計劃最大的困難不是製造出核裂變反應,核裂變之前在實驗室裏麵已經都成功了,關鍵在於核裂變要人為可控,這是之前人類麵臨最大的難題。在第一顆原子彈誕生前,誰也沒有把握能不能實現可控核裂變。

當時造原子彈還有個很大的困難是獲得核原料,即鈾235或者鈈239 (中國第一顆原子彈是鈾彈,而朝鮮最近試爆的是鈈彈。),自然界根本找不到鈈239,鈈元素完全是人造的。鈾235可以找到,鈾礦很多,但是鈾235很少。而且提純鈾235非常困難。

所以在這種情況下,大規模實驗是幾乎不可能的,隻能靠模擬和計算。由於涉及的大量數學計算,所以找來許多女孩子來完成枯燥的數據計算。

美劇《曼哈頓計劃中》,科學家們還用絲襪“賄賂”女計算員們加班工作

 

 

但是如此龐大的數據運算全靠人力也是蠻拚的,所以當馮•諾伊曼聽說一個名叫ENIAC的巨型機器時簡直喜不自勝:用計算機去計算原子彈的非線性方程是最佳選擇。他馬上加入計算機小組,極大改善了ENIAC,ENIAC建完後第一項測試任務居然不是導彈軌道而成了核彈方程,大大縮短了計算時間。

後來的故事大家都知道了,憑著天才和敏銳,諾伊曼自己也傾注了大量的心血,終於研製成功全自動的通用計算機EDVAC,後人稱它為馮·諾依曼機。馮·諾依曼也成為當之無愧的“計算機之父”。

1952年在馮·諾依曼領導下又建成同期中最小、運算能力最強的計算機IAS,在調試階段,它做過一次著名的試驗,24小時連軸轉不間斷運行60天,對當時氫彈設計中的大量關鍵數據進行處理,為氫彈的研製立下了汗馬功勞。

 

 

二戰期間,如同絕大多數愛國的科學家,馮·諾依曼把他的天才大腦基本都貢獻給軍方了。他幫助軍方解決了許多彈道和爆炸的數學問題,順便也讓自己成為這方麵的專家。當時計算機還隻是存在於馮·諾依曼大腦中的某個深處,許多問題都需要像他這種天才先給出方向再進行計算。這樣他成為軍方最喜愛的數學家。而且作為猶太人他對納粹嫉惡如仇,他有不少朋友和親人都被關在集中營。要政審的話,絕對是根正苗紅。

王國維在《人間詞話》中說:古今之成大事業、大學問者,必經過三種之境界:“昨夜西風凋碧樹,獨上高樓,望盡天涯路。”此第一境也。“衣帶漸寬終不悔,為伊消得人憔悴。”此第二境也。“眾裏尋他千百度,驀然回首,那人卻在,燈火闌珊處。”此第三境也。

其實數學家也有三種境界。第一境是實用,開辟數學方向,發展數學工具,解決實際問題; 第二境是美學,例如提出命題比如希爾伯特23問,證明命題比如“1+2=3”等等; 第三境是荒謬,開始建構各種體係,華麗但無用。這三種境界和王國維的層層遞進返璞歸真的三境界不同,反而是第一境的研究最實用影響最大。

(所以朱八八很讚同作為數學家的馮·諾依曼的看法,他認為隻有當數學有應用價值時,數學才最有生命。)

馮•諾依曼以數學家出身,一生不停跨界,但是隻要他涉足並開創的科學理論,都具有強大生命力,一經問世就得到了科學家集體關注並隨後獲得廣泛應用。

馮·諾依曼在1947年的憂慮,(當時很多人還不以為然):  

當一門數學學科遠離它的經驗來源,或者甚至它隻是由來自“實際”的思想間接激發產生的第二代和第三代,這門學科就危機四伏了。它會越來越走向純美學化,越來越純粹地為藝術而藝術……現在有一種巨大的危險:這門學科將沿著那條阻力最小的路線發展……將會分崩離析,成為許多無足輕重的分支……無論如何,我覺得惟一的補救辦法就是恢複青春回到起源,重新注入多少是直接經驗的思想。  

龐加勒在《科學的價值》中說過意思相同的話:

“如果允許我繼續拿這些優美藝術來比,那麽把外部世界置諸腦後的純數學家,就好比是懂得和諧地結合色彩與形態卻沒有模特兒的畫家。他的創造力很快就會枯竭。”

馮·諾依曼以前被他那銀行家父親逼著學的化學,後來也派上了很大用途,印證了那句話,一切都是最好的安排。他對炸藥爆轟物理作出的貢獻在他的傳記中都找不到,以至於很少人知道,而該貢獻與化學化工很有關係。

原子彈要計算炸藥爆轟驅動鈾塊,爆轟物理頓時成了曼哈頓計劃的重頭戲,而爆轟物理是複雜的力學過程,需要物理知識,化學知識,還要求很高的數學水平,上帝讓馮·諾依曼出場了,他作為顧問又來跨界指導了:原理論框架還行,但應該把化學反應速度無限大改為有限速度,建立起新的ZND模型。N是馮·諾依曼。

ZND模型是爆轟科學發展的裏程碑,寫入了爆轟教科書,成為現代爆轟科學的理論基礎。第一顆原子彈就是在ZND模型上設計爆炸成功。

馮·諾依曼指導完,就馬上飄然遠去,炸藥圈中他臉都沒混熟。

這次跨界,毫無意外的,也受到炸藥理論權威庫克的打壓,用了整整三十年才寫入爆轟教科書。

馮·諾依曼的全才和跨界,讓他在物理學家,化學家和數學家中左右逢源,長袖善舞。他同時坐鎮另外十幾個軍事項目,對全美的戰時科研進展了如指掌,每次他來到實驗室,都會被團團圍住,把他們的高等數學的問題一個個地列出來,就像靶場裏的鴨子一樣,排好隊,等著馮·諾依曼一個個地把它們打翻在地。他還是極少數的可以自由進出實驗室的科學家,人脈極廣,幽默風趣,消息靈通,在大漠中的實驗室,受歡迎程度,想象一下年輕時候的發哥。

 

原子彈的設計必須確立核裂變材料的臨界質量,就是維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量,確立臨界質量被證明是非常困難的。馮·諾依曼為原子彈的爆聚完成了關鍵的計算。

前麵說到,提純鈾235非常困難,整整三年的曼哈頓計劃,花費巨大,也沒提出多少鈾235,量剛剛夠造2顆原子彈。這或許也是為何代號為小男孩的第一顆原子彈在廣島引爆時,日本沒有馬上投降的原因。日本當時有3天的時間考慮,卻沒有同意接受波茨坦最後通牒,即無條件投降。他們竭力掩蓋廣島事實真相,對外宣稱是有一枚隕石隕落在廣島市。並認為美軍隻有一顆原子彈,還把希望寄托在蘇聯的調停上。

但是日本科學家不知道的是,曼哈頓計劃還在發展另一種使用鈈239的核彈,利用反應堆,通過化學方法分離獲取,美國人同時還造了鈈239,雖然量也不大。所以,美國人在對日本實戰前,隻做了一次核試驗,即著名的trinity test,當時用的是鈈239。

 

美國自從爆了第一顆原子彈後,在馬紹爾群島的比基尼環礁共進行了20多次原子彈和氫彈的爆炸,真正震動了全美,導致時裝界也跑來蹭熱度,發明了“比基尼泳衣”。因為這種泳衣相當暴露,完全突破當時人們的三觀,發明者認為其影響力無異於一次核爆。

 

 

鈈239當初曾遇到無法解決的難題,適用於鈾彈的“槍式”觸發(用一塊鈾射擊另一塊鈾)不適用於鈈彈。許多方法都宣告失敗,營長奧本海默甚至已經決定放棄了。

這時塞思·內德邁耳天才地提出了內爆法:一個中空的鈈球被炸藥包裹著,被一個堅固的外殼封閉起來。炸藥造成鈈的體積被壓縮得很小,從而達到臨界質量。

但是很多人覺得這樣的設計行不通。但是馮·諾依曼很喜歡,還記得這兩條關於諾伊曼的公式嗎?(A)馮·諾依曼可以證明任何事情(B)馮·諾依曼所證明的任何事情都是正確的。馮·諾依曼果然很快證明了內爆法是最正確的方法,馮·諾依曼利用他剛剛創造的電子計算機,進行了浩繁的計算分析,表明如果內部對稱性不超過5%,內爆就會起作用。這終於解決了製造原子彈的關鍵難題。

然後他還成功設計了一枚棱鏡構成內爆裝置。他有一個重要的觀點:爆炸產生的壓力會使鈈的密度遠大於正常狀態,這將大大提高連鎖反應的速度。由於這一現象,原子彈將從較少的裂變材料中產生極大的衝擊波。

 

當事實證明沒有足夠的鈾235製造一個以上的鈾彈時,馮·諾依曼的計算證明發揮了重大貢獻。他的方法將研製出原子彈的時間縮短了大約一年。

他還指導了原子彈最佳結構的設計,確保其體積不大可以被裝進一架轟炸機。

馮·諾依曼還戰略性建議過原子彈的轟炸地點,其中包括京都、廣島、橫濱、小倉。京都最後逃過一劫,因為它在人類文化史上的重要性。

1945年5月,德國投降,證據顯示海森堡領導的德國隊“鈾俱樂部”還未能製造出原子彈。海森堡宣稱他其實並不信任希特勒政權,因此在盡力拖延納粹德國的研究計劃。但曼哈頓計劃重要領導人古德施密特等人對這種說法嗤之以鼻,這也被稱之為“海森堡之謎”。

參加曼哈頓計劃的猶太物理學家除了馮·諾依曼,還有:奧本海默、西拉德、維格納、貝特、墨格雷、費曼、拉比、布洛赫、尼爾斯·玻爾父子、愛德華·特勒……而且年齡多在 32歲左右,曆史的吊詭就在於,希特勒屠殺了600萬猶太人,而最重要的上百位猶太科學家卻成功逃亡,並圓滿地完成了“曼哈頓計劃”,

1945年8月6日,艾諾拉·蓋號轟炸機在廣島上空投下人類曆史上第一枚用於戰爭的槍式原子彈(小男孩)。

1945年8月9日,內爆式鈈彈--“胖子”原子彈在長崎上空投下。

1945年8月15日,裕仁天皇宣布日本戰敗,第二次世界大戰結束。

原子彈之父奧本海默在看到第一顆核彈爆炸時,站在榮譽之巔的他引用了印度史詩《薄伽梵歌》裏的詩句自我懺悔,“漫天奇光異彩,猶如聖靈逞威,隻有千隻太陽,始能與它爭輝。現在我成了死神,世界的毀滅者。”。

 

 

愛因斯坦也發表著名感言:“我現在最大的感想就是後悔,後悔當初不該給羅斯福總統寫那封信。……我當時是想把原子彈這一罪惡的殺人工具從瘋子希特勒手裏搶過來。想不到現在又將它送到另一個瘋子手裏。”

奧本海默懺悔也就罷了,畢竟他是真正的原子彈之父,而愛因斯坦後悔就有點多餘了,畢竟原子彈真的和他沒啥關係。

拋開戰爭的殘酷來看,原子彈對二戰的結束起了關鍵作用,也同時加速終結了日本法西斯在中國和東南亞掀起的侵略狂潮,並為締造世界的和平作出了貢獻。

當然,在日本領土投下的兩顆原子彈所起到的作用以及美國針對這兩顆原子彈所持的“道德理由”已經被公眾和學者討論了數十年,正反兩方一直爭鋒相對。這種宏大的問題,超出了本文的範圍。但我們知道的是,中國和美國幾十年來紛爭不斷,但在這個問題上幾十年來居然保持了驚人的一致--不後悔。

(朱八八按:馮·諾依曼也沒有為原子彈後悔,甚至和奧本海默以及愛因斯坦截然相反,我們下篇會再詳細地八一八,當然,馮·諾依曼也不是從來不後悔的人,在他生命的最後一年多,他經過一生的思考,改變了自己的信仰,這裏留個懸念,留待最後一篇揭曉,)

曼哈頓計劃無論是在政治上還是文化上都帶來了深刻而廣泛的影響。阿拉莫斯實驗室的建立是美國曆史上的一個重要的裏程碑。同時它開啟了人類戰爭史的又一個裏程碑—人類進入了核武器威懾時代。

作為曼哈頓計劃中最重要的科學家之一,馮·諾依曼和曼哈頓計劃一同光耀人類史冊,直到今天依然照耀著我們前行。




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