論英國在原子彈早期研究史上的地位

楊華文

(國防科學技術大學 人文與社會科學學院，湖南 長沙 410074)

原子彈的發(fā)明是人類歷史上劃時代的大事。英國在原子彈早期研究史上曾一度走在世界的前列，作出過重大貢獻，是世界原子彈研制真正的“源頭”。但在大部分人心目中，這好像是一個被人遺忘的“常識”，很少有人談及這段歷史，更沒有專文和專著來研討。本文試圖在既有研究成果的基礎之上，利用一些新的資料來考察英國在核武器研制早期階段中的地位和作用，以求教于方家。

一、英國科學家奠定了現(xiàn)代核物理學的重要基礎

原子彈的研究與發(fā)展是建立在19世紀末20世紀初，科學家們在核物理理論上突破性發(fā)展的基礎之上的。由于近代以來雄厚的科技實力和優(yōu)良的教育傳統(tǒng)，在早期的原子科學研究領域，英國始終處于世界的前列，其科學家們的杰出貢獻奠定了現(xiàn)代核物理學的重要基礎，影響巨大。

現(xiàn)代核物理的奠基肇始于對傳統(tǒng)原子理論的顛覆性認識和對原子結構的革命性破解。19世紀末，英國科學巨匠、劍橋大學卡文迪什(Cavendish)實驗室主任J．J．湯姆遜(Joseph John Thomson)首先對陰極射線，繼而對原子作了開創(chuàng)性研究。1897年，他在皇家學會提交的報告中寫到“陰極射線是帶負電的粒子”[1]3-4。當湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子后，他開始對原子結構這樣一個非常困難而又異常基本的問題開始進行探討。由于這些粒子是來自原子里面，因此他得出結論：“原子不是不可分割的。”[1]4湯姆遜還根據實驗假設了一個原子模型——葡萄干面包模型：原子是一個帶正電的球(面包)，在它的里面散布著很小的帶負電的電子(葡萄干)，這些電子排列成一層一層的環(huán)。湯姆遜為人類找到了第一個基本粒子——電子，從而也使人類對原子有了新的認識：傳統(tǒng)上不可分割的原子居然不是物質的最小單元。在物理學史中，人們常稱湯姆遜為“電子之父”，湯姆遜因此獲1906年諾貝爾獎物理獎。

20世紀初，被稱為“近代原子核物理學之父”的英國科學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)就在劍橋大學卡文迪什實驗室開始研究非常熱門的放射性現(xiàn)象。“放射現(xiàn)象對于發(fā)現(xiàn)原子結構的一般規(guī)律和證實質量與能量等價這一理論，起了主要作用。”[2]12-13這一現(xiàn)象首先由法國科學家亨利·貝克勒爾(Henri Becquerel)在1899年發(fā)現(xiàn)，他通過反復實驗得知鈾會自動的發(fā)射出一種穿透力很強的射線；后來法國著名物理學家皮埃爾·居里(Pierre Curie)及瑪麗·斯可羅夫斯卡·居里(Marie Sklodowska Curie)等人又進行研究，揭開了放射性的來源之謎。盧瑟福在前人的基礎之上于這一領域又有突出貢獻：發(fā)現(xiàn)了α射線和β射線，并發(fā)現(xiàn)放射性元素會緩慢地自行蛻變成一種新元素，譬如說鈾通過放射性發(fā)射而自行轉變?yōu)榱硪环N元素，譬如說鉛。元素自行轉變現(xiàn)象違背了歷史上最基本的原子不變信念，其科學意義也是革命性的。“原子不變性被打破就像物種不變性被打破一樣，向科學解釋又提出了一個大難題。”[3]407因放射性研究，盧瑟福獲1908年諾貝爾化學獎。1906年，盧瑟福開始研究原子內部結構，認定了原子核的存在，并提出了新的原子結構模型假說：原子由原子核和若干繞原子核旋轉的帶負電的電子構成，原子核的半徑約為10-12—10-13厘米之間。1911年，年輕的丹麥物理學家尼爾斯·波爾(Niels Henrik David Bohr)來到了劍橋求學，他起初也是在物理學家湯姆遜領導的卡文迪許實驗室工作，1912年4月轉到曼徹斯特大學盧瑟福的實驗室工作。他于1913年在原子結構問題上邁出了革命性的一步，并以量子理論解釋了盧瑟福原子模型中懸而未決的問題，因此獲1922年諾貝爾物理學獎。在1932年，另一位英國物理學家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)發(fā)現(xiàn)了中子。這被視為原子能研究的起點。因為中子不帶電荷而不相互排斥，很容易鉆進帶電的原子核，而且穿透力極強，利用中子轟擊鈾原子核所引起的鏈式反應(Chain Reaction)是制造原子彈的關鍵。1935年，查德威克因發(fā)現(xiàn)中子而獲得諾貝爾物理學獎。在原子科學史上，“如果說放射性的發(fā)現(xiàn)使人類跨入了原子世界的大門，那么中子的發(fā)現(xiàn)則是人類打開原子世界的第二道大門”[1]22。因為這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了人們對原子結構的認識，而且為原子能的利用開辟了廣闊的道路。鈾核裂變就是中子的應用為核科技史帶來了一個劃時代發(fā)現(xiàn)。

制造原子彈是否可行？促成鏈式反應發(fā)生的臨界質量是多少？這是制造原子彈首先要解決的問題。1940年3月，英國伯明翰大學兩位科學家魯?shù)婪颉てぐ査?Rudolf E. Peierls)和奧拓·弗里希(Otto Frisch)就在備忘錄中(Frisch-Peierls Memorandum)最先指出了原子彈制造的可行性：僅用幾公斤鈾-235就能制造和起爆當量等于幾千噸炸藥的原子彈。這個備忘錄從學理上直接指出了制造原子彈的現(xiàn)實可行性，架起了一座理論與現(xiàn)實的橋梁，在核物理學史上的地位十分重要。用英國著名原子能官方歷史學家瑪格麗特·高英(Margaret Gowing)的話講：“皮埃爾斯—弗里希的論文，抓住了原理和性能，是科學之廣度和洞察之深度的杰出范例。……它以科學的信念昭示出制造出一枚原子彈的切實可行性和它會帶來的恐怖。”[4]37美國著名核戰(zhàn)略家麥喬治·邦迪(McGeorge Bundy)也不得不承認：“弗里希—皮爾斯備忘錄是朝著原子彈秘密邁出的第一大步。”[5]36

當然，需要指出的是，原子能事業(yè)是國際性的，現(xiàn)代核物理學的發(fā)展也是多國科學家努力的結果，其中德國、美國、法國、蘇聯(lián)、意大利等國科學家都起了很重大的作用，例如愛因斯坦的相對論，德國物理學家奧拓·哈恩(Otto Hahn)和麗絲·邁特納(L．Meitner)的“裂變”論。[3]427這些理論都是現(xiàn)代核物理學大廈的基石，是任何一部原子彈史書都繞不過去的鐵的事實。但我們這里要著重強調的是，英國科學家在原子的基本理論和制造原子彈的可行性等方面的杰出貢獻無疑也奠定了現(xiàn)代核物理學的重要基礎，這一點也是不容抹殺的。

二、英國“管合金”計劃是世界上最早且成效最大的原子彈研制計劃

第二次世界大戰(zhàn)初期，為研究開發(fā)原子能和盡快掌握制造原子彈技術，美國、英國、法國、德國以及蘇聯(lián)，展開了秘密而又激烈的競爭。但在當時鈾裂變研究工作的大部分領域，英國均處于領先的地位，其重要原因在于“1939年，英國科學家在兩個方面處境優(yōu)越：他們有著相當多的杰出物理學家，而這些物理學家能夠與政府進行有效地溝通”[5]34。許多杰出的科學家同時就是政府的顧問大臣，這是英國社會的一大特色和優(yōu)點，也是當時很多國家都不具備的。因此，皮埃爾斯—弗里希備忘錄甫一發(fā)表，就引起了人們極大的關注，被迅速遞交給英國當時致力于把科學用于戰(zhàn)爭的重要委員會——蒂澤德委員會(Tizard Committee)。該委員會由著名科學家亨利·蒂澤德(Henry Tizard)任主席，蒂澤德很快向英國戰(zhàn)時內閣匯報。

1940年4月，英國政府成立了一個負責核研究的委員會，即莫德委員會(Maud Committee)，隸屬空軍，主席是約瑟夫·湯姆遜(Joseph Thomson)，所以也叫湯姆遜委員會(Thomson Committee)，成員包括查德威克等一大批核物理學家。莫德委員會一成立，就在皮爾斯—弗里希備忘錄的基礎上進行了一系列實驗，取得了突出成績，因此該委員會被瑪格麗特·高英稱之為“史上最高效的委員會之一”。[4]801941年7月，莫德委員會出具的報告中指出：“制造原子彈的計劃是可行的，并有可能導致戰(zhàn)爭的決定性后果。”[4]788月，該報告抄送給了丘吉爾首相的私人科學顧問徹韋爾勛爵(Lord Cherwell)，主送給了內閣的科學咨詢委員會。不久，丘吉爾就下令英國政府成立了科研機構，積極開展旨在研制原子彈的“管合金”計劃(Tube Alloy)。該計劃由樞密院大臣兼戰(zhàn)時內閣成員約翰·安德森(John Anderson)主管。從世界范圍內看，應當承認，“英國是決定造原子彈的第一個國家”。[5]40

基于原子科學研究的復雜系統(tǒng)性及英國政界與科學界的良好溝通，英國的原子能研究從一開始就具有較強的整體性，這與當時德國等國家從事原子研究的研究所、大學各自為戰(zhàn)的做法大不一樣。參與研制工作的約翰·科克洛夫特(John Cockcroft)教授等人認為，分散在各個大學的獨立研究已經不能適應研制進程的需要，必須在政府的組織下，將研究人員集中到一起，分別對原子能的各個方面進行研究。根據這一建議，英國在倫敦成立了以帝國化學工業(yè)公司(Imperial Chemical Industries，ICI)華萊士·艾克斯(Wallace Akers)爵士為首的秘密理事會，由邁克爾·佩林(Michael Perrin)擔任其助手，負責組織協(xié)調整個原子彈研制項目。為了掩人耳目，秘密理事會對外稱為“管合金局”(the Directorate of the Tube Alloy)。[4]109

“管合金”計劃展開后，得到了政府大批撥款，并用以購置了一批先進的實驗設備，各國科學家對英國原子彈研制的支持也更加積極。比如，仍留在丹麥的著名物理學家尼爾斯·波爾曾經通報英國說德國重水和鈾的需求正在不斷增加。他還提出了“利用慢中子鏈式反應制造原子彈”的建議。這些技術情報，使得英國的原子彈研究如虎添翼。1942年夏，英國“管合金局”決定進一步擴大原子彈的研究計劃，力爭在理論研究上取得突破。到1942年末，英國核研究已形成規(guī)模，軍隊大規(guī)模投入反應堆、工廠、實驗室等工程的建設。短短一年多的時間內，英國無論在原子彈的結構上，還是在稀有鈾同位素的分離方法上，都取得了巨大進展，特別是英國物理學家提出先進的氣體擴散法(Gaseous Diffusion)分離鈾-235的理論對后來第一顆原子彈的研制影響重大，并預計用此法，1943年底可制造出首枚原子彈的核材料。[1]1581940—1942年那段時間是英國核研究的全盛時期。英國一度在核裂變研究的很多方面，特別是在原子彈的可行性研究上領先于世界，即使在德國空軍對英國各大城市進行狂轟濫炸的時刻其核研究也未中斷，甚至獲取了重水這種突破性進展。

1943年是第二次世界大戰(zhàn)的關鍵一年，也是英國原子彈研制即將取得重大進展的一年。正當英國考慮是否著手建設大規(guī)模試驗工廠的決定性時刻，德國對英國的空中偵察和轟炸也在不斷升級。嚴酷戰(zhàn)爭條件下的英國不可能有核研究的凈土，“英國的技術和戰(zhàn)爭資源由于戰(zhàn)爭的消耗已變得十分薄弱”[5]146。在這種情況下，英國的原子彈研制工作不可能順利進行下去，在英倫三島建立所需要的巨大工廠的可能性變得十分渺茫。種種跡象表明，英國的原子彈研究只有客居他國才能生存下去，條件更好的美國和加拿大成了未來英國原子武器研究得以繼續(xù)的棲息地。從歷史上看，根據莫德委員會的報告制定的英國“管合金”計劃可以說是世界上最早、成效最大的核研究計劃。法西斯德國雖然于1939年9月啟動了利用核裂變試驗的準備工作計劃(“U計劃”)，但由于戰(zhàn)時環(huán)境、希特勒的惡行以及科學家的不配合，始終成效不大。[1]39-50美國是世界上第一個成功研制出原子彈的國家，其“曼哈頓計劃”(Manhattan Project)眾人皆知。但從時間上看，此計劃是1942年6月實際啟動的，起步晚于英國，蘇聯(lián)的原子彈計劃又比美國晚了一年。[1]126其他國家的核武器計劃此時還沒有起步。所以，在論及世界原子彈研制歷史的時候，英國“管合金”計劃應該是“曼哈頓計劃”的雛形，是世界原子彈研制的“源頭”。

三、英國及其科學家對美國“曼哈頓工程”貢獻巨大

由于英美戰(zhàn)時屬于同一陣營，加上兩國基于共同文化和血緣的“特殊關系”，“1939年至1941年英國進行的工作(即核研究)對美國產生了決定性的影響”。[5]34“英國的各種信息通過種種途徑到達華盛頓。”[4]116至少是在英國的部分影響下，1940年10月美國政府成立了由林曼·布里格斯(Lyman Briggs)領導的“鈾委員會”(Uranium Committee)，這是美國正式進入核研究領域的標志。次年6月美國國防研究委員會主席萬尼瓦爾·布什(Vannevar Bush)創(chuàng)建“科學研究與發(fā)展辦公室”(Office of Scientific Research and Development，OSRD)，直接向總統(tǒng)負責，對政府所有科研活動進行管理，哈佛大學校長詹姆斯·科南特(James Conant)領導的“國防研究委員會”(National Defense Research Committee，NDRC)隸屬其下。“鈾委員會”則成為“科學研究與發(fā)展辦公室”的一個分部(S-1委員會)。“珍珠港事件”前一天，即1941年12月6日，羅斯福總統(tǒng)組建了一個高級政策小組，作為其核顧問班子。但由于美國一直是把主攻方向放在原子能研發(fā)而非武器制造方面，故方向不明，進展不快。1942年6月，美國開始實施利用核裂變反應來研制原子彈的計劃，即曼哈頓計劃。

英國及其科學家對美國“曼哈頓工程”的貢獻是通過英美核合作的途徑實現(xiàn)的。當然，由于國家利益的考慮，這種合作并非一帆風順。在最初的英美核關系中，英國由于研究領先，是處于主動有利的一方，所以不愿意跟美國人充分分享研究成果。早在1940年，羅斯福就致信丘吉爾，建議兩國之間就研制原子彈問題交流情況和看法，希望“在今后的科研工作中進行協(xié)調，甚至合作”，但兩個月后丘吉爾才回信說：“我不能對你保證說，我們很樂意同美國政府在這件事上搞合作。”[6]42

不過很快，英國就變成了主動要求美國與之在原子研發(fā)領域合作的一方。其原因在于：首先，德國的轟炸與封鎖使英國的處境日益艱難，“管合金”計劃難以實施，而美國置身戰(zhàn)事之外，其和平安寧的環(huán)境正適合研發(fā)原子彈；其次，美國原子研究突飛猛進，有趕超英國的趨勢。一流的科學家團隊和充足的經費，使在制造原子彈競賽中早先一直落后于英國的美國于1942年春末就已經趕上英國，并且“事實上正超過英國”。[4]132

但這時美國出于種種原因，對英國萌發(fā)的與美國合作研制原子彈的想法已有所顧慮。羅斯福的高參們認為，獨立進行核項目最符合美國利益，沒有英國人的幫助，也能在戰(zhàn)爭結束前制造出原子彈。1942年3月英國提出將重水小組遷往美國，美國予以否決。甚至連英國提出的建立一個聯(lián)合核委員會將英國核項目并入美國的建議美國也拒絕。直至1942年，羅斯福才與丘吉爾在紐約的海德公園(Hyde Park)會晤，商討在原子彈研究方面合作的議題。1943年8月19日，在加拿大的魁北克會議上，羅斯福與丘吉爾簽訂了一個協(xié)議，即“魁北克協(xié)議”(Quebec Agreement)，規(guī)定兩國在原子彈研究領域進行全面合作，原子彈研制成功后，其使用必須征得兩國政府的同意；英國只能獲得關于原子彈的科學知識，而獲取制造原子彈的技術則受到限制，必須得到美國人的同意；兩國不相互使用原子彈；除非相互同意，任何一方都不能向第三方泄露有關“管合金”的情報。[4]439-440

實際上，英國從1941年初開始就為美國提供原子情報和科學幫助，英國許多重要報告被送往美國，而美國很少有報告送到英國。[4]66“魁北克協(xié)議為英美兩國在戰(zhàn)爭時期的原子能計劃方面的關系建立了官方基礎”，[2]262標志戰(zhàn)時英美核合作進入聯(lián)合開發(fā)階段。協(xié)議簽訂后，英國終止了獨立的“管合金”計劃，實際上是把之并入“曼哈頓工程(Manhattan Project)”中了，由英國派出科學家小組到美國研究工作。來到美國的英國科學家小組數(shù)量不多(大約50人)，但整體素質很高，在核領域都是世界一流的科學家。他們有的去了紐約的氣體擴散總部，有的到了加利福尼亞的勞倫斯電磁試驗場，不過更多的人是去了“曼哈頓工程”的核心研究場所和總裝車間——洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)，主要有：恩葛·布瑞斯切爾(Egon Bretscher)、詹姆斯·查德威克(James Chadwick)、安東尼·富瑞赤(Anthony P. French)、奧拓·弗里希(Otto Frisch)、 克勞斯·富克斯(Klaus Fuchs)、詹姆斯·胡戈斯(James Hughes)、迪瑞克·李特爾(Derrik J. Littler)、威廉·馬勒(William G. Marley)、唐納德·馬歇爾(Donald G. Marshall)、菲利普·莫恩(Philip B. Moon)、魯?shù)婪颉て査?Rudolf E. Peierls)、威廉·佩里(William G. Penney )、喬治·普雷澤克(George Placzek)、邁克爾·普勒(Michael J. Poole)、約瑟夫·羅特布拉特 (Joseph Rotblat)、哈羅德·舍爾德(Harold Sheard)、托尼·斯凱母(Tony H.R. Skyrme)、厄內斯特·泰特頓(Ernest W. Titterton)、詹姆斯·塔克(James L. Tuck)。[7]兩國核合作的協(xié)調工作是由3名美國人、2名英國人和1名加拿大人組成的聯(lián)合政策委員會(Combined Policy Committee)負責。

英國科學家到達美國之后，無論是在核物理的理論研究還是在核工程技術方面，都作出了積極的貢獻。連美方自己都承認，英國科學家小組為加快原子彈的研制發(fā)揮了突出的作用。“曼哈頓工程”負責人萊斯利·格羅夫斯(Leslie R. Groves)將軍曾說：“沒有英國人的積極和不斷的關心，大概就沒有投于廣島的原子彈。”[8]340他還列出了英國人的具體貢獻：(1)最高級的官方鼓勵和支持；(2)在科學上的幫助；(3)關于分離鈾-235的氣體擴散法的初步研究以及對此項工作的極大熱情；(4)對于重水核性質的某些初步研究；(5)各種各樣的科學技術情報；(6)提供的用于氣體擴散設備的材料。[8] 337-338據估計，英國科學家的加盟至少使第一批原子彈的研制成功比預計提前了兩個月到一年的時間。[5]148

當然，合作一般都是互利的，助人者也助己。德國投降后，英國在美國的科研力量陸續(xù)撤回本國。盡管美國人還有許多所謂核心的特殊資料對英國人保密，英國科學家還是在與美科學家的合作中已基本上掌握了制造原子彈的各種知識和經驗。二戰(zhàn)結束后，隨著原子能國際控制政策的失敗以及英美戰(zhàn)時核合作關系的破裂，加上蘇聯(lián)威脅的不斷加劇，促使英國政府制定了獨立的核威懾政策。經過長期艱苦努力，1952年10月3日，英國第一枚钚-239原子彈在澳大利亞的蒙特貝洛島(Monte Bello Islands)附近海域停泊的一艘軍艦上試爆成功，成為世界上繼美、蘇之后第三個擁有核武器的國家。

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