信任，但要核實

美國實驗室正在徹底檢修核武庫。他們能在不進行炸彈試驗的情況下驗證這些武器嗎？

美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯——在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的廣闊場地中，某座警衛室和警告標志牌后面的森林地帶，科學家曾在此模擬核爆炸的最初階段。他們在雙軸閃光照相流體動力學測試（DARHT）設施中，對位于核彈核心、保齡球大小的钚球模型（也叫“彈芯”）進行起爆，并對結果進行X射線拍攝。

在真正的武器中，環繞實際彈芯的常規炸藥會使钚內爆至臨界密度，引發爆炸性的裂變連鎖反應。其能量將驅動武器在第二階段的氫同位素聚變，產生更多中子，從而分裂出更多的裂變燃料。

這個裂變-聚變-裂變的過程消耗了一部分原子的質量，根據愛因斯坦的著名方程式“E=mc2”，它會因此釋放出巨大的能量。這就是為什么一枚1米長的彈頭在爆炸時會爆發出相當于100萬噸TNT炸藥的威力。如果將它投放到像華盛頓這樣的城市，它會立即蒸發掉一塊直徑超過2.5千米的區域，同時，它的放射性沖擊波會摧毀更遠范圍的建筑物。它會殺死近50萬人，并導致幾乎同等數量的人受傷或患病。

DARHT實驗是在一個形似潛水鐘的鋼制容器內進行的。模擬彈芯由鉛、鉭或貧鈾等高密度金屬構成，它們的性質與钚類似，但不具備裂變傾向。當爆炸裝置被引爆時，兩束垂直的X射線會像高速攝像機一樣記錄彈芯的內爆。武器科學家會將這些圖片與機密的超級計算機模擬出的炸彈爆炸進行比較，以確定真實世界和數字世界爆炸情況的一致程度。

自1992年美國能源部的三個武器實驗室——洛斯阿拉莫斯、勞倫斯利弗莫爾和桑迪亞國家實驗室——停止全面測試核武器以來，諸如DARHT這樣的設施就變得十分重要。到了1996年，美國簽署了《全面禁止核試驗條約》，一般認為，該條約不僅制止了核試驗對環境的破壞，還抑制了新武器的設計。

然而，沒有了核試驗，唯一能確保彈頭可以正常工作的就是像DARHT這樣的設施、來自“武器代碼”的計算機模擬，以及過往核試驗的殘留數據庫。在對舊武器做相對較小的改動時（更換新引信、補充氫同位素氚），這些設施、模擬和數據就已經足夠了。每年，美國能源部的國家核安全管理局（NNSA）和國防部都會對核武庫進行認證，該評估意味著，他們確信這些核武器會在它們應該發揮作用的時候發揮預定的作用，并且不會在它們不該發揮作用的時候做任何事情。“鑒于我們已經試爆過這么多核武器，所以這些東西非?？煽??！闭O督項目下屬國防信息中心的主任杰夫 · 威爾遜（Geoff Wilson）說。國防信息中心主張削減核武器開支。

但是現在，核武庫正在進行數十年來規模最大的一次檢修。本財政年度（2022年10月—2023年9月），美國國家核安全管理局的預算達到了創紀錄的222億美元。大部分資金將用于生產新的钚制彈芯，以替換核武庫中的舊彈芯，并對四種核彈頭進行現代化改造。此外，另有第五種核武器，這個新設計方案被稱為W93，是一種潛艇發射彈頭。美國國家核安全管理局負責國防項目的副局長馬文 · 亞當斯（Marvin Adams）說：“自冷戰結束以來，這真的是我們擁有的第一個既非對現有核武器進行壽命延長，也非現代化改造的核彈頭方案?！?/p>

隨著冷戰后的平靜氛圍再次動蕩起來，這項工作變得愈發緊迫。俄羅斯已然退出了與美國簽訂的僅存的主要軍備控制條約，同時，在針對烏克蘭的特別軍事行動期間，俄羅斯還經常發出核威脅。據信，伊朗和朝鮮在繼續加強其核計劃?！斑^去25年里，所有人都在沉睡，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的武器物理學負責人查理 · 納赫勒（Charlie Nakhleh）表示，“我想我們現在醒來了?！?/p>

威爾遜擔心，國際動態和美國的核武庫大檢修可能最終導致核試驗復蘇，重新帶來危險，并引發新的軍備競賽?！斑@對我來說并非不可想象的事——這很可怕?！睂^往傳承下來的武器做微調是一回事，他說，對從未經過充分測試的改良武器做功能推斷則是另一回事。

實驗室的武器物理學家相信，他們可以在不進行測試的前提下改進現有武器并設計新武器。他們的計算機模擬要比過去那些強大得多，而且像DAHRT這樣的實驗也比過去效果更加強大。“你會在不上賽道的情況下設計一輛新的一級方程式賽車嗎？或者說，你會在不先飛一次的情況下設計新的波音噴氣式客機嗎？”利弗莫爾國家實驗室的武器模擬和計算項目主任羅布 · 尼利（Rob Neely）問道。他說，就核武器及其钚制彈芯而言，答案似乎是：“事實上，的確如此?！?/p>

隨著模擬和實驗的改進，他們也發現了核知識方面的漏洞，以及幾十年未更新的代碼中的粗略估算值。盡管尼利心存疑慮，但他仍充滿信心：“這些東西不僅行得通，而且功效會越來越好?！?/p>

光是替換原子彈的钚制彈芯就帶來了一個科學上的難題：人們需要理解細微變化如何影響它們的表現。它們并不容易制造，部分原因在于钚（一種1940年才出現的金屬）既神秘又難以處理。上一次有人大規模制造彈芯還是在20世紀80年代科羅拉多州的洛基平原工廠，那一次，美國能源部的承包商因違反環境規定而被關廠，并被迫支付1 850萬美元的罰款。

這一次，美國國家核安全管理局將生產工作分配給了洛斯阿拉莫斯和南卡羅來納州的薩瓦那河場址。管理局要求他們在2030年前每年制造80枚新彈芯，但管理局承認無法在這個期限內完成該目標。

洛斯阿拉莫斯的彈芯將在一個名為PF-4的設施中制造，這是一組安全性極高的建筑，周圍用刺鋼絲圍起了鐵絲網圍欄。PF-4內部有許多手套箱，這是一種屏蔽輻射的工作站，工人們在這里戴著厚厚的手套，透過玻璃窗往內看，從而操控這種奇異的金屬。該實驗室正在招聘數千名工人，由它出產的第一枚彈芯大概率會在明年準備好投入核武庫。

這項規模龐大的努力源于一個簡單的事實：現有的許多彈芯已有超過40年的歷史，而钚在老化以及放射性衰變之下會呈現出令人困惑的反應。隨著它的表面氧化，上面會長出一層綠色的、毛茸茸的涂層。當它吐出鈾同位素時，其金屬晶格中的原子會被擊出原位。當它在6種不同的固相之間滑動時，尺寸會發生變化。此外，這些彈芯不見得會平滑地降解?！拔覀冎溃谀硞€時刻，會出現一段非線性的部分，”洛斯阿拉莫斯的國家安全教育中心主任、《钚手冊》的編輯大衛 · 克拉克（David Clark）表示，“我們只是還沒親眼看到?！?/p>

到目前為止，這些銀色的球體似乎還能維持穩定。內部和外部評估都證實了它們的完整性，表明這些彈芯可能在接下來幾十年里仍然可用。“我們沒有發現任何問題?！笨死吮硎尽?/p>

但是伊阿宋國防咨詢小組提出了一些擔憂，這引發了美國能源部的關注。伊阿宋小組是一個神秘的物理學家團隊，為美國政府提供國家安全事務方面的咨詢。在2019年的一份報告中，該小組敦促能源部“盡可能迅速地”恢復彈芯生產，以“減輕钚老化帶來的潛在風險”。

有人可能會認為，新的彈芯可以避免钚老化帶來的不確定性，從而使核武庫的認證變得更加容易。但它們也有自己的不確定性。新彈芯不會是它們前輩的雙生子，因此，武器科學家必須要了解這些變化如何改變了彈芯的表現。新彈芯是用舊彈芯中回收和提純的钚制造的，而不像原本的彈芯那樣，是用新鮮钚材料所造。此外，它們的制造工藝將與原來不同，在某些情況下，規格也會設計得略有不同。“如果你去看新需求，”亞當斯說，“你常常會發現，我們現有的舊彈芯真的、真的不太理想。”

在某種程度上，隨著科學家的工作越來越出色，理解核武器的性能反而變得越來越困難。例如，日益強大的超級計算機帶來了更高質量的模擬，但它們有時會揭示出新問題。這就是“增壓物理”所面臨的情形，它指的是熱核炸彈在第一階段的工作過程。在此過程中，钚的裂變觸發了氘-氚助推器中的聚變反應，釋放出的中子會在核彈的彈芯部位引發更多裂變。

長期以來，如果不應用數字敷衍因子，這些模擬就無法重現物理學家在地下核試驗數據中看到的情況。2006年，科學家提高了模擬的分辨率。“你瞧，我們發現了一些顯然很有意思的事情，它們讓一群人摸不著頭腦。”尼利說。由此催生出了一項名為“國家助推計劃”的多年研究項目，該項目旨在理解熱核燃燒的基本物理特性，并將更多的基礎物理學納入模擬，而非依賴校準和近似。

尼利說，討人厭的近似值在武器代碼中隨處可見。近似值是模擬的性質固有的。模擬都是“網狀的”——模擬成網格狀的部分，就像數字圖像中的像素那樣。在每個網格單元中，物理屬性被假定為相同。網格正變得越來越精細，但它仍然并非對現實的精確表征?！澳阒荒懿蹲降礁频慕浦?，”尼利說，“但它仍然是一個近似值?！?/p>

支配模擬的物理特性中也存在模糊性。為了使模擬更有效地運行，科學家常常依賴于數學技巧和近似，而非明確的、基于第一性原理的解。

洛斯阿拉莫斯非線性研究中心主任克里斯托弗 · 弗萊爾（Christopher Fryer）發現，這些武器代碼中仍然包含著數十年前由曼哈頓計劃中的杰出人物提出的計算技巧，比如漢斯 · 貝特（Hans Bethe）和理查德 · 費曼（Richard Feynman）。他表示：“我們不能靠依賴他們來變聰明，我們必須靠自己來重新變聰明。”

繁榮時期

貝特提出的算法之一涉及帶電粒子的運動，該算法至今仍被用在某些聚變模擬中。這個算法假設，如果一個粒子行進X距離，它會失去Y能量——這是一種平均散射，但不總是真實，尤其是在快速發生的反應中。“它非常符合數據，直到某一刻，你發現它其實并不符合?！备トR爾說。替換它可能意味著要模擬每一個粒子及其特性，即使對于最新的超級計算機來說，這也是一項過于艱巨的任務?！斑@就是為什么我們還沒有這么做?！备トR爾說。

但是，其他的近似物理公式可以被更好或更真實的公式替代。洛斯阿拉莫斯的理論物理學家馬克 · 帕里斯（Mark Paris）正在研究一種數值方法，以求解貫穿整個武器代碼的非線性微分方程。“你實際上是在求解支配這個系統的方程組，”他說，“而非從方程組近似推導出的對物理機制的模擬?！?/p>

然而，模擬并不是理解炸彈的唯一工具。納赫勒說，所有人類，甚至包括武器物理學家在內，都是講故事的人，而這些模擬可以幫助他們創造出他們確信的敘事。但它們能做的僅此而已。“在某個時刻，”納赫勒說，“你必須踏入未知的領域——走進黑暗的房間，然后拭目以待，‘實驗能告訴我們什么？’”

這就是像DARHT這樣昂貴又高功率的行動的意義所在。為了幫助闡明核彈初級階段的內部工作原理，洛斯阿拉莫斯國家實驗室希望增加每年的DARHT測試次數（目前為7次），并提高其成像能力，以便在任何給定的測試中拍攝更多的X射線照片。

第二個設施是內華達州一個叫作U1A的地下綜合設施，也正在進行改造。很快，它將成為次臨界實驗能力增強計劃（ECSE）的實施場地，科學家會在此設施中讓真實的钚發生內爆，在不真正觸發鏈式反應的前提下盡可能向它靠近。在次臨界實驗能力增強計劃中，科學家將拍攝比例模型彈芯崩塌時的X射線照片，并研究中子在核爆炸前的關鍵時刻的行為。由于沒有核爆炸產生，這種實驗在技術上是符合禁止核試驗條約的。

也許最著名的實驗場地是利弗莫爾的美國國家點火裝置，它將192束激光聚焦到一個裝有氫同位素的頂針大小的目標上，從而引發微小的聚變爆炸。利弗莫爾國家實驗室的綜合武器科學項目副主任勞拉 · 貝爾扎克 · 霍普金斯（Laura Berzak Hopkins）說，國家點火裝置可以制造出地球上其他任何地方都不存在的溫度和壓力。她說：“這些環境條件是天體內才有的環境條件——比如木星的中心，或是太陽的核心?！?/p>

2022年，國家點火裝置在頂針中產生的能量超過了激光輸入的能量，這是一個關乎民用聚變發電努力成果的里程碑事件，引起了媒體的關注。但是，這項成就比科學家最初預計的晚了大約十年，花費了數十億美元。而且，他們仍然無法準確預測能從一次給定的聚變射擊中得到多少能量。“我們不知道其中的物理原理?！备トR爾說。這一物理原理對于理解核武器的聚變部分十分重要，對于理解核武器自身如何抵抗核爆炸也很重要，后者是一個被稱為“武器生存能力”的研究領域分支。

納赫勒說，不管理論、模擬和實驗結合得有多好，它們多半永遠無法完全呈現核武器運行的過程。他說：“要達到全知還有很長的路要走，我們的目標是盡可能地推進這一知識的邊界。”

這些知識不僅對于維護軍火庫很重要，對于昭告全世界“我們確信這些核武器可以起作用”也很重要。只有當其他國家真正認為你的威脅可信時，核威懾——即一個國家可以通過威脅進行類似規模的攻擊來阻止他國襲擊——才可以成立。

在爆炸性核試驗的時代，傳達這條信息是件很簡單的事。其他國家可以從半個地球之外的地震爆炸中接收到地震信號。亞當斯說，這使“我們的對手或盟友對我們的能力毫無懷疑”。沒有了核試驗，美國就必須以一種更為安靜的方式展示自身的信心?！叭绻隳芟蛩麄冏C明你足夠了解其中的物理原理，你就肯定不是在虛張聲勢?！备トR爾說。

這就是為什么國家實驗室也致力于研究恒星形成和超新星等主題，這些基礎科學領域與武器科學有所重疊，但并非機密。實驗室的科學家可以發布相關的研究成果、對它們進行討論、將它們印在國際會議的海報上。弗萊爾說，在這種意義上，洛斯阿拉莫斯的理論天體物理中心“是一種威懾”。

然而，仍有人懷疑，隨著核武器大檢修不斷推進，這種基于物理學的“威懾”是否能繼續充分替代測試。“‘砰，這是新的彈頭。我們非常確定它能順利工作?！獙τ诠こ處焸儊碚f，這樣就夠了?！蓖栠d說。但這對軍方而言也許還不夠可信。威爾遜說，到了某個時刻，可能會有人說：“更劃算的做法就是讓我們引爆一枚試試。”

此外，政界對于核試驗也表現出了一定的興趣：例如，阿肯色州的共和黨參議員湯姆 · 科頓（Tom Cotton）曾建議美國退出禁止核試驗條約。2020年，他提出了一項針對《國防授權法案》的修正案，為可能進行的核試驗提供資金。該修正案在參議院獲得通過，但眾議院版本的法案禁止此類支出。

弗萊爾說，促使他深入研究物理學的動力在于以此推遲任何推動核試驗的嘗試。“對我來說，歸根結底就是我不想重啟核試驗?！比绻硪环N選擇是更好地理解物理學，那就這么做吧。

資料來源 Science

本文作者莎拉 · 斯科爾斯（Sarah Scoles）是丹佛的一名記者