氢弹原理的突破

苏联第一颗原子弹的爆炸成功，对美国的科学家与官方人士来说，都是骇人听闻和出乎意料的事件。在此之前，美国官方认为苏联如果完全依靠自己的力量研制原子弹，可能需要15～20年。美国科学家虽然认为苏联有一流的科学家，如果全力以赴工作的话，需要的时间可能会缩短，但他们又认为这种可能性很小，对原子弹的国际控制协议有可能在苏联原子弹出现以前实现。

事实已经很清楚，美国的核垄断被打破了。美国原子能委员会的一些军方代表，如施特劳斯等人，提出了加速研制“超级”原子弹——氢弹的问题。

关于氢弹结构的具体细节，各个核国家至今仍然严格保密。氢弹的设计与制造要比原子弹复杂得多。下面我们就简要地介绍一下氢弹原理突破的具体过程。

在20世纪20年代，大多数物理学家都认为原子是由质子和电子组成的。中子被发现后，人们又相信原子核是由一定数量的质子和中子组成的。但实验表明，一些轻原子核的质量并不完全是质子和中子质量的整倍数，而是小一些。根据爱因斯坦著名的质量能量转换公式，原子核质量的这种微小减少意味着，如果能设法用像氢核这样的小原子核合成更大的核的话，那么小核子在合成过程中将会以损失部分质量为代价，放出巨大的能量。一些想像力丰富的物理学家猜测，这可能是行星巨大能量的来源，甚至有人试图用正处于发展过程中的量子力学去定量地计算这个富有挑战性的问题。伽莫夫就是其中之一。

伽莫夫原籍苏联。他在20世纪20年代时就与英国、德国等西方物理学家有很密切的联系，对行星能量采源问题发生了很大的兴趣，并且在20年代末为行星的内部运动勾画出一幅大致的图像：行星的内部处于极高温的状态，元素以离子状态存在着，小的原子核在热运动帮助下克服了静电的排斥力，相互碰撞聚合成大的原子核，同时也放出巨大的能量。这就是现代科学中的核聚变过程。

伽莫夫这种理论模型的实验根据全部来自于天文观测，当时没有人梦想人们有朝一日能够在地球上得到这种高温，从而实现核聚变反应。

1933年，伽莫夫离开苏联来到欧洲，继续从事核反应的理论研究。美国华盛顿州的乔治•华盛顿大学想聘请他去工作，‘他也希望能建立一个专门研究核聚变和行星问题的研究中心，于是就以此作为他应聘的条件。乔治•华盛顿大学接受了他提出的条件，伽莫夫便于1934年来到了美国。他上任后立即开始网罗人才，进行这方面的研究。泰勒就是在这种背景下去美国的。1935年8月，泰勒应伽莫夫的邀请，来到美国乔治•华盛顿大学，担任理论物理学教授。

伽莫夫认为，首先应该搞清楚热核反应研究的困难，找到努力的方向。他于1938年春组织了一个专门讨论热核反应的讨论会，希望借此机会唤起美国物理学家对热核反应的兴趣。会议正像伽莫夫预计的那样，没有得到明确的结论，但热烈的讨论给了大家以推动和启示。德国核物理学家贝特在会议后短短的几个月内，就为行星的热核反应建立了一个很具体的、令人信服的模型。

贝特系统地研究了物理学家们以前提出的各种热核反应模型，收集和分析了大量有关太阳光谱、天文观测和核物理实验的数据，在此基础上提出了自己的新见解。在他的行星热核反应模型中，四个氢核经过所谓“碳循环”合成一个氦核。在这种核子的重新组合过程中，将有0.7％的质量被转化成各种形式的能量。正是它使太阳光芒四射，为人类提供了无限光明。根据贝特的计算，一些行星的内部温度能高达摄氏2000万度。根据热力学定律，每个原子核的平均动能超过1700电子伏特，由于原子核在这种热平衡状态下不会因碰撞等原因而损失能量，一些原子核将拥有足够的动能去克服原子核之间的静电势，从而实现核聚变反应。贝特假设在行星的内部存在着一些特殊性质的力，阻止了大多数聚变中放出的光量子逃出行星。简单地说，一个辐射量子在“诞生”后平均运动几个毫米就会被吸收掉，吸收辐射量子后的原子核又会放出一个方向无规的新辐射量子。由于这个原因，一个辐射量子要经过1万年的时间才能从太阳的中心“扩散”到太阳的边缘，整个太阳就像一个不透明体，其边缘的温度将大大地小于其中心的温度。贝特计算出太阳的中心温度为摄氏1700万度，太阳的表面温度仅为摄氏6000度，很小的核反应率和极小的辐射量子逃出比率，使得太阳在10亿年中才将1％的氢转化成氦，损失了微乎其微的质量。

贝特的计算和天文观测符合得很好。他指出，人们在地球上不可能得到这样高的温度。即使能使一些原子核发生热核聚变反应，由于反应产生的能量会立即扩散，反应只能维持几个毫秒时间，这只能是爆炸性的反应。由于处于非平衡状态下的原子核在实现核聚变反应前会因碰撞而损失能量，聚变反应所需的温度要比行星中缓慢地进行的反应所需的温度高得多。

一年之后，原子核裂变的研究转移了许多核物理学家的注意力和工作方向，美国的物理学家很快就卷入了旨在军事应用的核裂变研究和原子弹的研制工作。贝特的全部精力都集中到有关原子弹的理论计算上，没有功夫顾及热核反应。泰勒却溶深地被贝特的模型所吸引，幻想能在地球上模拟太阳的内部情况，实现热核反应，使人类可以从取之不尽、用之不竭的水中获得动力和能量。

从1941年起，泰勒就在哥伦比亚大学协助费米研究核裂变。1942年初，费米在反应堆研究上取得了原来预计到的进展，他确信原子弹会成功，对泰勒说：“我们现在在原子弹的研制上看到了很乐观的前景，这种核爆炸能否用来触发类似于在太阳中进行的那种反应呢？”泰勒立即认真地研究了这个问题。哥伦比亚大学的物理学家尤里不久前刚发现氢的同位素氘，它比普通的氢多一个中子，在原理上更容易发生聚变反应。于是，泰勒将氘用在他的计算中。由于没有找到合适的模型和缺乏足够的实验数据，泰勒从几个星期的计算中得到了否定的结果，即原子弹爆炸产生的高温不足以触发氢或者氘核的聚变。

1942年春，泰勒应奥本海默和康普顿之邀去芝加哥大学金属实验室和加州大学伯克利分校讨论原子弹的理论问题。在芝加哥，泰勒遇到了另一位热衷于热核聚变反应的物理学家科诺宾斯基。他们合作计算后发现，氘核的聚变反应很可能被原子弹爆炸所产生的高温触发。科诺宾斯基还提出，可以用氢的另一种同位素氚作聚变材料。贝特在与他们讨论时指出，这是降低热核聚变反应所需温度的有效办法。

1942年夏，奥本海默在伯克利组织了一个有关快中子和原子弹理论讨论会，泰勒在会上兴奋地向大家报告了他们的讨论结果。由于地球上存在着大量的水等含氢物质，奥本海默很担心原子弹爆炸时会触发它们的聚变反应，导致地球的毁灭。他曾专程去密歇根找康普顿讨论了这一可能的危险。

在洛斯阿拉莫斯的初期，奥本海默为了搞清聚变反应的原理和原子弹产生的次级粒子和高温对氢同位素的影响，优先安排了有关聚变的实验，如测量氚的性质，泰勒也埋头于这方面的理论工作。不久之后，由于研制原子弹的任务日益繁重，时间日益紧迫，因此洛斯阿拉莫斯在热核聚变方面的工作被迫停顿下来了。

广岛事件不仅给世界和平带来了阴影，也从心理上挫伤了参加并主持核研究的物理学家，很多人再也不愿意去研究那些威力比原子弹更大的新武器了。对热核聚变反应有很重要见解的贝特和费米，都急于返回到大学的教室和实验室，奥本海默不久后也离开了洛斯阿拉莫斯。在奥本海默的提议下，物理学家布雷德伯里接任洛斯阿拉莫斯实验室主任。实验室一方面继续改进和完善原子弹，另一方面开始向基础科学研究、特别是核物理和高能物理转变。

这时氢弹在技术上的前景也是很暗淡的。贝特估计，即使是用氘和氚作聚变材料，热核聚变反应所需的触发温度也要在摄氏1亿度以上，而美国在广岛投下的原子弹爆炸所产生的最高中心温度才达到摄氏5000万度。1945年11月，贝特在美国参议院原子能特别委员会作证时说，尽管氢弹可以成为核聚变的一个实际应用，但最重要的是要产生其温度比太阳中心温度高得多的热源，这在目前是难以做到的。

一直致力于揭开热核聚变秘密、模拟太阳内部情况的泰勒认为，现在是开展氢弹研究的好时机。他呼吁：“实际上没有根据将我们的注意力只放在现有的原子弹上，它只是首次尝试的结果。……在原子弹这样新的领域里，我们应对新的惊人发展有所准备。”他指出，物理学家们的努力可使我们对氢弹的认识逐步清晰，并走原子弹走过的同样的道路。泰勒提出，如果洛斯阿拉莫斯实验室同意他的氢弹研究计划，他可以留下来担任理论部主任。布雷德伯里则认为，原子弹是在战争情况下研制出来的，尚未真正成为一件可信赖的实用武器，美国国防需要的是完善后的原子弹。因此，他不想将日益减少的人力物力投到前途尚很暗淡的氢弹研究方面。

布雷德伯里很希望泰勒能够担任贝特原来的职务——理论小组负责人，他们二人之间进行了一次极不友好的谈话。泰勒用他所常用的那种咄咄逼人的口吻说：“我还得看一看，什么更好些，究竟是试验十几个普通的原子弹呢，还是致力于热核问题的全面研究！”

布雷德伯里也没好气地回答说：“很遗憾，这个问题正像您应该知道的那样，是不在讨论范围以内的。”

于是，泰勒拒绝了他的邀请，回到芝加哥大学，一边从事教学和培养研究生，一边继续进行氢弹的研究。

1946年，奥地利物理学家瑟林从基础物理学研究出发，探讨了氢弹的问题，并把其结论发表在一份科普杂志上。瑟林在文章中首先追述了用人工实现粒子之间的相互作用问题，分析了热核聚变反应所需要的条件，特别是能量和温度。他将可能的核聚变反应分成三类：

氘-氘反应。把氘放在钚弹的外围，钚弹爆炸后的碎片带有1亿电子伏特的能量，它们在出射过程中可能会与氘碰撞而传递一部分能量给氘，后者将通过氘-氘反应产生氦核和一个中子，同时释放出300万电子伏特左右的能量。

钚-氘弹。将钚与氘混合在一起，氘有很大的机会与裂变碎片直接碰撞；聚变反应的几率因此而增大。这种炸弹的困难很难将原料的临界体积减小，将核反应维持在一定的时间内，从而限制和减小了核弹的威力和效率。

锂-氢弹。锂的原子量为7，原子序数为3。在几百万度的高温下，锂核会与氢核发生作用产生一个质量数为8、电荷数为4的中间核，这个中间核立即会衰变成两个氦核，同时放出1700万电子伏特的能量。锂和氢都是可以在工业规模上生产的，它将使氢弹的造价降低，而它的单位质量的爆炸力将比原子弹大1000倍。瑟林想像将触发热核聚变反应的原子弹做成一个中空球壳，聚变材料放在它的中心，原子弹爆炸时产生的高温将足够触发氢弹的爆炸。瑟林认为它将是氢弹研究的方向和希望。

瑟林的目的本来在于介绍物理学的新发展，但就是这个粗略的讨论却很正确地指出了氢弹的发展方向。