本書講述了一個與能源、經(jīng)濟(jì)和國家安全等密切相關(guān)的、天然存在的*重的元素鈾的科學(xué)故事。書中追溯了一大批偉大科學(xué)家如費米、邁特納、海森堡、哈恩、居里夫婦和女兒、玻爾等的科學(xué)探密之路,講述了那些為鈾而戰(zhàn)的科學(xué)家們艱苦的奮斗、面對的挑戰(zhàn)、取得的勝利以及發(fā)生在他們之間的科學(xué)博弈。正是他們開創(chuàng)性的研究導(dǎo)致了原子核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)現(xiàn),這是核能發(fā)電和核武器應(yīng)用的兩個基本要素。然而,科學(xué)家的成果被政治所利用,導(dǎo)致了廣島和長崎的原子彈爆炸,產(chǎn)生了其后40多年的冷戰(zhàn)歷史以及我們現(xiàn)在所處的核時代一個既要面對核武器擴(kuò)散和核力量擴(kuò)張,又必須利用核能應(yīng)對全球變暖的極具挑戰(zhàn)的時代。
美國暢銷科普作家阿米爾·D. 阿克塞爾的又一力作。
或許你的職業(yè)和生活跟科學(xué)研究相去甚遠(yuǎn),只是出于偶然你打開了這本書,你發(fā)現(xiàn)鈾這個字眼只是在中學(xué)的化學(xué)課上見過。
但是不容爭辯的是,你我都毫無選擇地生活在一個核時代。
每個人都有一顆與生俱來的好奇心。你不想知道這個核時代是怎么到來的嗎?你不想知道科學(xué)家們是怎樣從那些不起眼的鈾礦石里找到巨大能量的嗎?大家都知道第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時那兩顆摧毀日本廣島和長崎的原子彈,也可能知道制造原子彈的工程稱為曼哈頓計劃。然而,鮮為人知的是這背后的完整故事:鈾是如何被發(fā)現(xiàn),人們又是怎樣企圖了解它的性能以及各國科學(xué)家們在鈾研究這個問題上曾有過怎樣的博弈,*終科學(xué)又是如何為政治所利用,導(dǎo)致了原子彈的出現(xiàn)、產(chǎn)生了其后40多年的冷戰(zhàn)歷史以及我們現(xiàn)在所處的核時代一個既要面對核武器擴(kuò)散和核力量擴(kuò)張,又必須利用核能應(yīng)對全球變暖的極具挑戰(zhàn)的時代。
核能的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)的一個奇跡。講述核能的科普讀物有很多,但本書并不簡單地是一本介紹核能的高級科普讀物。它將為您講述有關(guān)鈾元素的傳奇科學(xué)故事,講解科學(xué)家們在其中究竟做了什么。它實際上在探討人、自然與科學(xué)以及政治之間的關(guān)系,這些故事關(guān)乎你我。
本書圍繞鈾的探密這條線索將20世紀(jì)國際上一大批物理學(xué)、化學(xué)的偉大奠基人的科學(xué)故事串了起來,其中不乏他們生活中的一些趣事,讓讀者在輕松讀故事中體會科學(xué)歷程的艱辛,了解科學(xué)家們對追求真理、探索未知所作出的奉獻(xiàn),感知科學(xué)大師的人格魅力。本書集故事性、趣味性、勵志性于一體,兼具科學(xué)與史學(xué)價值。在核能日益成為應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境污染這一必然趨勢的歷史時期,本書將帶你從一個全新的角度認(rèn)識核能。
廣島原子彈爆炸
1911年首屆索爾維會議
【引言】
那刺眼的閃光
1945 年8 月6 日,一個晴朗炎熱的夏日。上午8 點15 分,日本西南部富饒的太古川三角洲城市廣島的高空中有敵機(jī)出現(xiàn),警報立即響徹整個城市。緊接著刺眼的閃光出現(xiàn)了,就是那個后來常被描述為巨大螺栓的閃光。一些幸存者說他們看到了一串閃光,接著是爆炸聲和伴隨著強(qiáng)烈火焰的沖擊波。幾分鐘之內(nèi),大火蔓延整個城市,廣島處處都是燒焦的肉體、燃燒的金屬和木頭。
罪魁禍?zhǔn)拙褪窃訌,這枚原子彈投向了35 萬名毫無防備的城市平民。美軍戰(zhàn)機(jī)艾諾拉蓋運載著用鈾-235 這種稀有元素制造的原子彈,投向廣島市中心,而鈾-235 就是在曼哈頓計劃秘密實施的這兩年多時間里提純出來的。國家最先進(jìn)的戰(zhàn)略轟炸機(jī)承擔(dān)了這一使命,當(dāng)時有15 架類似的飛機(jī)可以攜帶原子彈,待命執(zhí)行這次或后續(xù)任務(wù)。
1945 年8 月6 日凌晨,其他兩架B-29 轟炸機(jī)伴隨這架艾諾拉蓋飛機(jī)從位于馬里亞納群島的提尼安島美國大型空軍基地起飛。其中一架B-29 的任務(wù)是拍攝爆炸照片。經(jīng)過大約6小時的飛行后,它們于上午8 點15 分到達(dá)了廣島上空32 000英尺的地方。當(dāng)艾諾拉蓋飛機(jī)飛至市中心時,指揮官一聲令下,這枚代號為小男孩的原子彈被扔了下來。
飛機(jī)迅速扭轉(zhuǎn)方向揚長而去以避免受到核輻射。小男孩在空中跌落了將近1 分鐘。當(dāng)下落到1 900 英尺高度時,按照設(shè)計,一個小型常規(guī)炸彈被引爆,將原子彈內(nèi)兩塊鈾-235匯合。這個過程使得鈾的總量超過了產(chǎn)生裂變所需要的最小值。這時參與連鎖反應(yīng)的無數(shù)個原子核在瞬間都被一分為二,微小的質(zhì)量因而轉(zhuǎn)換成巨大的能量,引起了可怕的爆炸。爆炸摧毀了整個城市,也開啟了我們今天生存的核時代。
距爆炸中心1英里范圍內(nèi)的人完全消失了。由于強(qiáng)輻射,有一個人在斷壁殘墻上留下了他的身影。爆炸半徑1英里內(nèi)的所有建筑物都被炸得粉碎。
西本節(jié)子回憶了當(dāng)時的情況。她當(dāng)時住在距離城市幾英里以外的一個村莊。她的丈夫那天本不想出去工作,后來很勉強(qiáng)地和老鄉(xiāng)一起乘牛車去廣島拆除一座老樓。
當(dāng)時我正在家里上廁所,節(jié)子回憶道,開始我還以為是閃電,接著砰的一聲巨響,屋里頓時變得伸手不見五指。推拉門和屏風(fēng)都倒了,巨大的風(fēng)力甚至吹倒了墻。我朝廣島方向看去,只見一朵黑云升起。
節(jié)子看到廣島周圍都是大火,似乎整個城市都在燃燒。她為她的丈夫擔(dān)心,不過還沒有領(lǐng)悟到事態(tài)的嚴(yán)重性,猜想她的丈夫應(yīng)該是被叫去參加救火了。下午有人從廣播喇叭里聽到:廣島已被徹底摧毀。爆炸的幸存者在夜間被疏散到一個工廠接受醫(yī)務(wù)人員的治療。
節(jié)子去找她的丈夫。她后來回憶道:在人山人海中我看到了一片狼藉。大部分人衣服被撕裂,尸體被燒焦,臉腫得看不到眼睛,手和腳由于燃燒和輻射變得腫脹恐怖。一位女士描述她所看見的被嚴(yán)重?zé)齻囊粋人:他的皮看起來像層玻璃紙。節(jié)子沒有找到丈夫,那個時候即使能夠找到自己的親人,結(jié)局也只能是悲劇。沒有人能躲過輻射效應(yīng)。一周后,節(jié)子發(fā)了高燒,她的頭發(fā)開始一碰即掉。與許多當(dāng)時沒有在爆炸中心的人一樣,節(jié)子暫時躲過了一死,但是躲不過嚴(yán)重的輻射病。那些幸存下來的人均在極度痛苦之中度過殘年。
據(jù)估計廣島大約有15 萬人被燒死,還有至少10 萬人死于輻射。
在廣島爆炸3 天后,美國在日本長崎投下了第二顆原子彈,代號為胖子。胖子帶有一個钚芯,比第一顆原子彈還大。第二次攻擊導(dǎo)致7.5 萬人喪生,在隨后幾年里有更多的人死于輻射疾病和癌癥。
在廣島和長崎,癌癥發(fā)病率被證明與這兩個城市的居民所受的總輻射直接相關(guān),發(fā)病率在最接近爆炸中心的群體中急劇上升。日本作家大江健三郎說,幸存的原子彈受害者伴隨可怕的記憶活著,帶著疾病在等死。
廣島和長崎向世人展示了一種科學(xué)導(dǎo)致的毀滅一個用飛機(jī)或?qū)椷\載的裝置足以摧毀整個城市。它完全不同于當(dāng)時的傳統(tǒng)化學(xué)炸彈,這種武器誕生于一次科學(xué)的飛躍。
是什么造成了這種可怕的結(jié)果?在摧毀這兩座日本城市之前究竟發(fā)生了什么?科學(xué)在其中起了什么作用?那些色彩絢麗的遠(yuǎn)古鈾礦石在沉睡了許多世紀(jì)后,又如何變成一個產(chǎn)生巨大殺傷力的元兇?究竟是什么導(dǎo)致其轉(zhuǎn)變成一種不可控制的爆發(fā)?
我們見過很多其他關(guān)于原子彈的書,也有一些書專門探討投放原子彈的戰(zhàn)略決策。而本書與那些書不一樣,本書的目的是向讀者講述這背后的科學(xué)故事。此外,大多數(shù)關(guān)于原子武器的書是在蘇聯(lián)核威懾的年代從冷戰(zhàn)的角度來寫的。誰的原子彈大,從邏輯上就可能嚇倒對方。而現(xiàn)在冷戰(zhàn)已經(jīng)結(jié)束了,我們完全可以從另一個不同的角度來思考:核能不再作為一個破壞性武器,而是作為一種能量資源。如果有一天安全問題解決了,核能可以滿足我們不斷增長的工業(yè)、商業(yè)以及住宅對能源的需求,同時還能保護(hù)我們的地球使之不再變暖。我們也應(yīng)該學(xué)會控制核擴(kuò)散。來自昔日冷戰(zhàn)的威脅雖已基本消失,但我們需要確保永遠(yuǎn)遠(yuǎn)離那些制造核浩劫的幽靈。
原子核裂變有一段復(fù)雜但極具故事性的歷史。是哪些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了放射性和原子核裂變?為什么科學(xué)家能夠想到一個原子可以分裂,并產(chǎn)生那么大的能量?是什么導(dǎo)致研究人員和思想家假設(shè)原子并不是一塊堅如磐石、不可改變的物質(zhì),而是在適當(dāng)條件下能變成完全不同的東西:如熱、光、電和沖擊波這些形式的能源?為什么鈾能夠產(chǎn)生毀滅性的力量?難道是科學(xué)家們試圖制造這種毀滅世界的武器,還是他們只是政治棋盤上的一粒棋子?是否可以避免產(chǎn)生對原子彈的恐懼?
原子彈的誕生是一個持續(xù)經(jīng)歷了幾十年歷史的偉大科學(xué)發(fā)現(xiàn),而這種不起眼的灰色鈾元素也把人類推向了戰(zhàn)爭的前夜……
阿米爾·D. 阿克塞爾(19502015),出生在以色列,畢業(yè)于美國加州大學(xué)伯克利分校,是一位擁有多學(xué)科背景的美國知名科普作家。他一生中出版過近二十部數(shù)學(xué)、物理學(xué)方面的著作,其中許多都成為科普暢銷書,被譯成多國文字,如譯成中文出版的《費馬大定理》《目睹創(chuàng)世歐洲核子研究中心及大型強(qiáng)子對撞機(jī)史話》《上帝的方程式:愛因斯坦、相對論和膨脹的宇宙》,深受世界各地科學(xué)愛好者的歡迎。
譯者孫揚,上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院特聘教授,德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)核物理專業(yè)博士畢
業(yè),曾在美國橡樹嶺國家實驗室工作過8年,是一位資深核物理學(xué)家并具有深厚的英文功底;
譯者楊迎春,副編審,上海交通大學(xué)核物理專業(yè)博士畢業(yè)。
引言 那刺眼的閃光………………………………………………………001
1 物理和鈾……………………………………………………………006
2 探秘原子核之路……………………………………………………016
3 莉澤·邁特納………………………………………………………031
4 邁特納和哈恩的發(fā)現(xiàn)………………………………………………041
5 恩里科·費米………………………………………………………055
6 羅馬實驗……………………………………………………………070
7 多事的1938 年……………………………………………………080
8 1938 年圣誕………………………………………………………087
9 海森堡其人…………………………………………………………098
10 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)……………………………………………………………108
11 納粹核計劃…………………………………………………………117
12 哥本哈根……………………………………………………………129
13 成功的那一刻………………………………………………………139
14 制造原子彈…………………………………………………………148
15 投放原子彈的決策…………………………………………………167
16 來自間諜行動的證據(jù)………………………………………………182
17 冷戰(zhàn)…………………………………………………………………192
18 鈾的未來……………………………………………………………201