曼哈頓工程

曼哈頓工程

    鑒於希特勒可能首先擁有原子彈，我簽署了一封有西拉德起草給總統的信。要是我知道這種擔憂是沒有根據的，當初我就會同西拉德一樣，不會插手去打開這隻潘多拉盒子。因為我對各國政府的不信任，不僅限於對德國政府。很遺憾，我沒有參與反對對日本使用原子彈的警告。這一榮譽應當歸功於詹姆斯弗朗克。要是他們聽了他的話，那就好了。

——愛因斯坦《愛因斯坦文集三卷》

    曼哈頓工程是是一項偉大的創舉，它開創了科學、軍事和工業的三位一體的“大科學”典範，具有領導統一、組織嚴密、分工明確、高效協調等優勢，為成功提供了可靠的組織保證。同時，這也是一個生命、死亡和戰爭的瘋狂的競賽。曼哈頓工程揭開了原子能的神奇之謎，也第一次把最具破壞力的武器——原子彈賦予了人類。

第一部分：前期情況：理論與籌備

    核裂變的發現與鏈式反應研究

    原子彈的發展可以追溯到1905年，著名物理學家愛因斯坦發表了劃時代的論文《論運動物體的電動力學》，提出了狹義相對論和著名的核動力公式E=mc^2，為原子能的發現和利用奠定了理論基礎。1938年意大利物理學家費米和德國物理學家哈恩、施特勞斯通過實驗發現用中子轟擊原子核就會產生核反應，這就是“裂變”。

曼哈頓工程的開端

    最早注意到核裂變價值的是德國科學家，他們在核裂變研究中也處於世界領先地位。後來，率先研製出原子彈的卻不是德國，主要原因就在於法西斯的殘暴把大批科學家“讓”給了美國。1933年希特勒上台後，瘋狂迫害猶太人，在國外訪問的愛因斯坦的書也被稱為“猶太人邪說”而遭禁，他因此定居美國。費米、波爾、格拉德等科學家也逃出納粹魔爪，到達了大西洋彼岸。居裏夫婦的女婿約裏奧(後為法國科學院院長、法共黨員，也是錢三強的導師)則在德軍占領挪威前夕，把製造核彈必須的200升重水運到美國，而此時全世界其他試驗室中的重水加在一起不過幾升。就此，美國在核研究方麵已有了最優越的人力物力資源。

    1939年初，丹麥著名的物理學家波爾從兩位剛從德國逃亡出來的物理學家那裏知道德國已經開始研製原子彈的確切消息，他立即前往美國，將這一消息告訴正流亡在美國的費米、西拉德等科學家，這些深知核能巨大威力的科學家對此憂心忡忡，他們知道如果納粹德國搶先製造出原子彈，那麽人類就將麵臨史無前例的核災難！

第二部分：曼哈頓工程的實施

關鍵工程介紹

    由於不知道鈾235三種裂變方法哪種效果最好，隻好采取三種方法同時進行，因此整個“曼哈頓工程”規模異常龐大，共分為十六個分支工程，其中關鍵工程有四個：

    其一是費米領導的原子反應堆，1942年12月2日，在芝加哥大學建成了世界上第一座鈾—石墨原子反應堆。從實驗上論證了鏈式反應理論，為原子彈的製造提供了可靠的基礎。

    其二是由佩汀領導的核反應材料工廠，先是在依阿華州立大學進行技術研究，後於1943年6月21日在田納西州諾克斯維爾市東北克林頓鎮建立了生產鈾235工廠，所以稱為“克林頓工程局”，代號“橡樹嶺”（Oak Ridge）。該工廠招募的工人最高峰時達到8.2萬人，原料是來自非洲比利時殖民地剛果的釩酸鉀鈾礦石，主要采取氣體擴散和電磁分離兩種方法從鈾的天然存在形式中分離鈾238和鈾235。（電磁法是采用類似質譜儀的原理，利用鈾235和鈾238質量上的差異而使之在磁場中分離。氣體擴散法則是根據輕的分子（像那些含鈾235的分子）比含鈾238的較重的分子容易、並較迅速地通過多孔障壁細孔的原理，於是把鈾製成六氟化鈾氣體，使它通過4000次多孔障壁就能得到純度為99％的鈾235。）

    三是由西伯格博士領導的核反應材料工廠，主要通過反應堆生產核反應的另一種優良原材料鈈，1943年2月28日在華盛頓州漢福德開始建設提煉鈈的工廠，該廠招募的工人最高峰時也達到了6萬人，至1945年7月已生產出60千克鈈239。

    其四是位於新墨西哥沙漠中的洛斯阿拉莫斯實驗室，代號“Y計劃”，這裏既承擔原子彈的總裝任務，又負責原子彈的研製工作，是整個“曼哈頓工程”的核心，由奧本海默負責，實驗室地址也是奧本海默親自選定的。這裏匯集了大批聲名赫赫的科學家，因此洛斯阿拉莫斯實驗室被戲稱為“諾貝爾獎獲得者集中營”。

 工程實施經曆

    在當科學家和技術專家們與阻礙生產裂變物質的各種難題——諸如鈾礦石的來源、電磁分離器的導線等做鬥爭時，格羅夫斯將軍和他的副官們也開始為建造大型工廠作準備。他們專門找荒涼偏僻的地方作為廠址。1942年9月，格羅夫斯他為“曼哈頓工程”購得了第一塊土地，後來這裏——田納西州橡樹嶺（Oak Ridge）建成了飽含電磁與氣體擴散兩種鈾同位素分離裝置的廠區。

    接下來是芝加哥。1942年秋天，康普頓和費爾米正打算在芝加哥大學建造世界上第一個原子反應堆。經過在安全問題上的據理力爭，他們建議將反應堆實驗室建造在大學的一個陰涼、通風的地下室裏，位於廢棄的斯塔格足球場西側。

    建造芝加哥反應堆是“曼哈頓工程”中最髒最累的工作。這個裝置長10米、寬9米、高5.6米，形狀如錐，內裝52噸核反應材料，其中6噸是金屬鈾，另46噸是氧化鈾。由一層鈾一層石墨堆積而成，總共有57層，中間有洞，用來放置鈾或鈾氧化物的。堆中可以插入由鎘製成的控製棒。為了建造它，技術員和技師們分成兩組，每天24小時輪流擺放這些石墨磚塊。一位科學家在輪班結束後，用力擦拭著粉塵大聲說道：“如果人們知道我們花費了納稅人150萬美元在幹這種體力活，他們一定認為我們瘋了！”

     1942年12月2日，反應堆基本完工，開始裂變反應。上午10：37，費米下令移出控製杆時，中子計算器開始發出震顫聲，記錄筆繪製出一條向上移動的線條。雖然鏈式反應還沒有完全受控，但是反應堆的確在活動了。

    費米看著他的計算尺，平靜地說：“這條軌跡應該到這點後趨於穩定。”房間裏沒有人能像他這麽鎮定，大家也許在想，如果反應失控該怎麽辦？這裏的人都能幸存下來嗎？但是軌跡筆正如費爾米預測的那樣在那個點開始變平，計算器也平靜下來。於是，費爾米下令再拔出一點點控製杆，正如他們所預測的那樣——反應繼續加速直到它再次平息下來……這是人類曆史上首次由人工控製的核反應！那一刻，時鍾停留在1942年12月2日下午3：25。

    這次核反應持續二十八分鍾後於下午4時零4分結束，從實驗上論證了鏈式反應理論，為原子彈的製造提供了可靠的基礎。實驗中，科學家表現出了勇敢無畏的獻身精神，甚至有幾位年輕科學家自告奮勇，攀上高高的鐵架，居高臨下嚴密監視著反應的進行，隨時準備一旦裂變失控就將幾大桶鎘溶液倒在反應堆上，使之迅速消耗反應中的中子，以阻止核爆炸的發生！

    雖然還沒有人知道製造一顆原子彈需要多少鈈或鈾235，需要1個反應堆抑或是1000個反應堆,但是在費米實驗的提示下，科學家們預測大概需要六個核反應堆才能生產出足夠的鈈元素。每一個反應堆都將比那個藏在芝加哥大學足球場看台下500噸重的小家夥大上若幹倍。把巨型的製鈈反應堆安置在何處？這個問題又赫然出現在格羅夫斯的問題單上。早些時候，有人建議將反應堆仍安置在橡樹嶺，但這個提議遭到了否決。因為原子反應堆具有潛在的危險性，它們需要足夠自由安全的空間。橡樹嶺作為生產鈾235的基地，已經沒有足夠安全的空間安置巨型反應堆了。

1942年平安夜，地質勘測隊在華盛頓州的漢福德的零星村莊附近，發現了一塊麵積為50萬英畝的土地，認為那裏可以作為理想的廠址。這個地方緊鄰哥倫比亞河，這能為冷卻反應堆提供足夠的用水，並能從新建成的大峽穀和邦納維爾水壩獲得充足的能源動力。

    漢福德並不是格羅夫斯在那個冬天為“曼哈頓工程”獲得的惟一一塊土地。1942年12月7日，他簽署文件，征用一所位於新墨西哥沙漠中的洛斯阿拉莫斯男子寄宿學校及其鄰近土地。1943年春天，一位年僅39歲，精明強幹的物理學家J.羅伯特奧本海默帶領著一隊人馬進駐洛斯阿拉莫斯，他們將在這裏進行一項由美國政府擔保的最神秘、最危險的工程項目研究——設計並最終製造原子彈。

    隨後在漢福德、橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯，大型工廠雨後春筍般急劇增長。很多村莊在一夜之間拔地而起，這些村莊設施齊備，不僅有學校，還有教堂，而且一般都能容納成千上萬的工人。招募隊伍每天都在附近的農村宣傳、遊說，企圖招募更多的新雇員。此外截止到1943年中期，一共有超過30家的美國公司為“曼哈頓工程”工作。高峰時期，“曼哈頓工程”雇用了60萬美國人。  但是人雖多，格羅夫斯在保密監管的各方麵仍近乎於一個宗教狂熱者，他會盡他所能讓所有人員（除了極其少數的關鍵人物）無法知曉其職權範圍以外的任何一點小事。比如說，一些女雇員在為氣態擴散所需的濾鏡加工原材料時，從來都不知道為什麽每次月經時都會被轉到其他工作組，後來才知道，原來是女雇員們的手在經期排汗比平時多，即使她們都戴著白手套，但也會讓這些靈敏異常的金屬材料有可能沾染有機物，從而影響其性能。甚至，連當時的副總統杜魯門也是到羅斯副總統去世後才知曉“曼哈頓計劃”存在的。

    在這三個基地，技術人員們每天都會麵臨層出不窮的難題，他們不得不一一解決這些棘手的問題——但是至少關鍵性的問題最終都是能解決的。到了1943年11月，在田納西州的橡樹嶺，一項錯綜複雜的大型工程終於要結出勝利的果實了。

    在那裏，電磁分離工廠的第一期工程已竣工，這是有史以來最大的磁鐵，每個磁鐵重達3000噸到10000噸不等，它們各自纏繞的銀線圈重量少則12噸，多則21噸，為了獲得這些性能優異的電磁線圈，美國先後動用了國庫白銀和銀幣達1.4萬噸！。這些巨型磁鐵具有威力無窮的吸引力，女雇員們一旦靠得太近，她們的發卡就會被吸走，那時她們精心梳理的頭發會變得一團糟。

   當第一期工程開始運轉時，人們遇到了更為嚴重的挫折。巨型磁鐵吸收能量不久之後，就出現了短路和停滯不動的現象。格羅夫斯下令切開放置磁鐵的鐵盒，結果發現很多鐵鏽微粒和金屬碎屑滲到了用來冷卻機器的循環油裏。格羅夫斯暴怒不已，一開始他懷疑有人蓄意破壞，隨後又責罵工人們工作懶散、不負責。最終，他們不得不將這些磁鐵運回維斯康星州重新清洗和纏繞線圈，因而橡樹嶺的工程進度受到了拖延。至1945年6月底，橡樹嶺已生產出20千克鈾235，足夠一枚原子彈使用的了。

    1944年9月初，在漢福德地下的三個核反應堆中的第一個反應堆：“反應堆B”也已經準備就緒。直到9月27日淩晨兩點，反應堆已經在不停地生產出比以往任何鏈式反應都要強大的能量。可在那天淩晨三點，“反應堆B”突然“死機”了。清晨六點半，反應堆還是沒有絲毫活動的跡象。科學家們困惑不已，不知道究竟是什麽原因造成反應堆“死機”？“反應堆B”看上去更像一堆價值300百萬美元的垃圾。

    第二天，當這群沮喪萬分的科學家們拚命尋找事故原因時，反應堆就像它當初神秘死去一樣又神秘複活了。隨後，反應堆又出其不意地冷卻下來，變得一片死寂。

    於是，一大批科學家被召集到一起給“反應堆B”診斷毛病。他們發現了一種名為氙135的氣體，它的半衰期是9.4小時，正是這種氣體“毒死”了反應堆！費爾米經過仔細計算，提出將反應堆的鈾裝載量增加25%就可能解決氙氣中毒現象。他們照此實驗，“反應堆B”果然沒有出錯。不久後，經過一係列反應、分離程序，漢福德的工廠終於生產出了第一塊鈈金屬。至1945年7月，漢福德已經生產出60千克鈈239。

第一聲轟鳴

    讓我們把注意力集中到整個計劃的“總裝廠”——洛斯阿拉莫斯，這裏的研究工作異常艱巨，實驗室組建之初，除了鏈式反應的基本概念之外，幾乎是一無所有！奧本海默領導了所有研究課題，常常以其敏銳的洞察力抓住要點，提出合理的見解，尤其是他在遵守保密規定的前提下，每周舉行一次學術研討會，使科學家們能自由地發表見解，相互啟發，這一措施取得了極大成功。

    早在1943年9月，他們就設計出“槍式法”和“內爆法”兩種引爆原子彈的方法。“槍式法”是把一塊鈾235裝進槍口，然後從後膛把另一塊鈾235射進去，這樣一旦爆炸兩塊鈾235就會迅速合在一起，達到臨界狀態，發生鏈式反應，釋放出巨大的原子核能。“內爆法”是在用裂變物質做成的空心球四周裝上引爆裝置，它會在百萬分之一秒內爆炸，一旦爆炸就會把空心球向內壓縮達到臨界狀態，發生鏈式裂變反應。1945年中期，奧本海默等人終於發現達到臨界狀態大約需要15千克鈾235或5千克鈈。

    當洛斯阿拉莫斯的實驗者們發現鈾235的生產速度隻夠製造一枚鈾彈時，他們就把注意力轉向了鈈彈的研發製造。因為隻需要1/3的鈈就能達到臨界狀態，但是這種人造元素具有很多讓人摸不著頭腦的特性，其中之一是不能用“槍式法”引爆。於是，有600多人投入了研發製造內爆式鈈彈的工作。經過夜以繼日的努力，美國終於製造出3顆原子彈。這3顆原子彈分別冠以“小玩意”、“小男孩”、“胖子”的代號，其中 “小玩意”（用於首次試爆）和“胖子”采取內爆法，以鈈239為核裝藥；而“小男孩”則采取的是槍法結構，以鈾235為核裝藥。

    測試地點最終選在位於新墨西哥州的阿拉默果爾多軍事基地，該地在洛斯阿拉莫斯以南200英裏處，代號“三位一體”。1945年7月15日，在“三位一體”基地中央矗立著一個100英尺高的鋼塔，“小玩意”安靜地躺在上麵，上方蓋著一塊薄鐵皮屋頂，所有精密複雜的部件都極其仔細地安裝在它的鈈空殼四周，它在等待著最後時刻的到來。一個五人小分隊守護在鋼塔四周防止“小玩意”遭到破壞。

    其餘工作人員都返回了指揮防空洞，此外五英裏之外還有兩個防爆地下碉堡，試驗現場方圓10英裏的區域都被規定為“零區”。格羅夫斯、奧本海默、布什、科南特、費米和其他參與研究的關鍵物理學家及其將要引爆炸彈的技術人員都來到指揮現場，等待著曆史時刻的到來。為了這一刻，美國投入了巨大的人力、物力、財力，前後耗時三年，總計花費超過20億美元。格羅夫斯看到奧本海默這位原子彈的總設計師因為過度緊張，臉色變得蒼白、憔悴，幾乎到了崩潰的邊緣。

    試驗因為下雨被推遲了兩次，最終格羅夫斯和奧本海默把時間定在7月16日上午5：30。發射前30分鍾，一個七人小組完成了對“小玩意”的最後檢測，他們臨走時打開了用來照亮鋼塔的強力照明燈，然後坐著吉普車撤離了現場。炸彈孤獨地矗立在沙漠中，直刺蒼穹。那些即將用電纜引爆炸彈的技術人員來到地下室，他們發現奧本海默緊靠著一根柱子，看上去他似乎快被壓垮了。現場的觀察者們都感到非常緊張，他們麵向遠方的炸彈，卻把眼睛閉得緊緊的不敢睜開，心揪成了一團。5：10倒計時開始，時鍾一分一秒地走過，5：29計時者喊道：“零！”原子彈起爆了！

    在人類科學的發展和偉大的理論進步麵前，我們所熟知的原子彈就像是個小小的嬰孩——它隻是現代物理學的諸多產物之一。但是這個嬰孩誕生時卻是世界上啼聲最大的一個，全世界都聽到了來自“泰坦”的震動。那些親眼目睹了它的光芒的科學家們，忘記了他們的科學語言，腦海裏爭相浮現出宗教和神話的描繪：“漫天奇光異彩，有如聖靈逞威，隻有1000個太陽，才能與其爭輝！”

    《紐約時報》的科學記者威廉勞倫斯當時任“曼哈頓工程”的記錄者，他的描述最為接近：“那一刻成為永恒。時間停止了，空間收縮成一個點，瞬時間天崩地裂，人們似乎有幸看到了地球的誕生。”

    也許奧本海默的預言才是最有先見之明的。當炸彈的火球騰空而起時，沙漠上空變得通亮熾白，這位驚駭萬狀的科學家想起了印度史詩《薄枷梵歌》中的一句不祥預言：“我就要死去了，世界也將毀滅。” 作為足以毀滅人類的武器的始作俑者，他還對與其一起工作的其他科學家說了一句著名的深刻自責的話：“媽的，現在，我們都成了狗娘養的了！”

    核爆炸產生了上千萬度的高溫和數百億個大氣壓，致使一座30米高的鐵塔基本被熔化為氣體，並在地麵上形成一個巨大的彈坑。核爆炸騰起的煙塵若垂天之雲，極為恐怖。在半徑為400米的範圍內，沙石被熔化成了黃綠色的玻璃狀物質，半徑為1600米的範圍內，所有的動物全部死亡。這顆原子彈的威力，要比科學家們原估計的大出了近20倍。（約2~2.2萬噸TNT當量）

    爆炸時，費米撕了幾片碎紙拋在空中，迫不及待地想在衝擊波來臨時測算爆炸的威力。爆炸一結束，費米就坐上坦克去檢查效應，爆炸的威力超出了他原來的想象。費米本來是一個冷靜而有理智的人，這時也受到了很大的驚動，甚至無法自己開車回家。他對所有持反對意見的同事隻能重複這樣的回答：“不要讓我跟你們一塊受良心的折磨吧。無論如何，這畢竟是物理學上的一個傑出成就……”

   原子彈對美國來說，是取得了一項工業技術史上最炫目的成就；而對於毫不知情的日本人而言，它預示著一場噩夢的到來；對於世界而言，它帶來了和平；同時更開啟了戰後的危險時代——核原子時代。