核武器理論與技術研究為何在納粹德國最先開始？

1896年3月的一個下午，巴黎博物院自然歷史部的應用物理學教授亨利·貝克勒爾打開抽屜，取出了與雙氧鈾硫酸鉀鹽放在一起的黑色紙包，驚奇的發現裝在其中的感光底板已經被感光了。

▲亨利·貝克勒爾亨利·貝克勒爾是一名物理學家，同時也是研究熒光和磷光的專家。

1896年初，倫琴發現X射線的消息傳到了巴黎，但這一科學發現原本和貝克勒爾沒有任何關系，是一個偶然的機會使他遭遇上了放射性問題：當時法國有一位著名數學物理學家叫彭加勒，收到倫琴的通信后，在法國科學院1896年1月20日的例會上向與會者報告了這件事，展示了倫琴的通信和X光照片。貝克勒爾正好在場，他問彭加勒，這種射線是怎樣產生的？彭加勒回答說，似乎是從真空管陰極對面發熒光的地方產生的，可能跟熒光屬于同一機理。彭加勒還建議貝克勒爾試試熒光會不會伴隨有X射線。因為彭加勒的這個建議，第二天貝克勒爾就在自己的實驗室里開始了試驗，試圖驗證熒光物質會不會輻射出一種看不見卻能穿透厚紙使底片感光的射線。他試來試去，終于找到了一種物質具有預期效果，這種物質就是鈾鹽。在最初的試驗中，貝克勒爾拿出兩張厚黑紙，把感光底片嚴嚴實實的包起來，即使放在太陽底下曬一天，也不會使底片感光。然后，他把鈾鹽放在黑紙包好的底片上，又讓太陽曬幾小時，就大不一樣，底片顯示了黑影。為了證實是射線在起作用，他特意在黑紙包和鈾鹽間夾一層玻璃，再放到太陽下曬。如果是由于某種化學作用或熱效應，隔一層玻璃就應該排除，可是仍然出現了黑影。于是貝克勒爾肯定了彭加勒的假定，在法國科學院的例會上報告了實驗結果。但貝克勒爾的試驗并沒有就此結束，又過了幾天，他正準備進一步探討這種新現象，巴黎卻連日天陰，無法曬太陽。于是，貝克勒爾只好把所有器材，包括包好的底片和鈾鹽都擱在同一抽屜里準備留待天氣轉好后繼續試驗。

▲射線在底片上的顯影

然而又過了幾天之后，也許是出于職業上的某種靈感，貝克勒爾突然產生了一個念頭，想看看即使不經太陽照曬，底片會不會也有變黑的現象。于是他把底片洗了出來，結果發現這些未經太陽照曬的底片其實已經被曝光了，底片上的黑影十分明顯。他仔細檢查了現場，肯定這些黑影是鈾鹽作用的結果。貝克勒爾面對這一突如其來的現象，很快就領悟到，必須放棄原來的假設，這種射線跟熒光沒有直接關系，它和熒光不一樣,不需要外來光激發。在新的假設推動下貝克勒爾繼續試驗，終于確證這是鈾元素自身發出的一種射線，他把這種射線稱為鈾輻射。鈾輻射不同于X射線，兩者雖然都有很強的穿透力，但產生的機理不同。同年5月18日，他在法國科學院報告說：鈾輻射乃是原子自身的一種作用，只要有鈾這種元素存在，就不斷有這種輻射產生。這就是發現放射性的最初經過。這一發現在當時雖然沒有倫琴發現X射線那樣轟動一時，但其意義還是很深遠的，因為這是人們第一次觀察到的核變化。現在通常就把這一重大發現看成是核物理學的開端，這一事件為核物理學的誕生準備了第一塊基石。時間繼續推移到1905年的6月末，在看似平淡無奇的一個下午，有位靦腆的年輕人來到郵局，向德國《物理年報》的編輯部投寄了一篇名為《論運體的電動力學》的論文，署名為阿爾伯特·愛因斯坦。

▲阿爾伯特·愛因斯坦

愛因斯坦這篇并不算長的論文卻在當時的物理學界引起了轟動，因為它標志著一種新的基礎物理學理論《相對論》的建立。這是愛因斯坦10年醞釀和探索的結果，它在很大程度上解決了19世紀末出現的古典物理學的危機，改變了牛頓力學的時空觀念，揭露了物質和能量的相對性，創立了一個全新的物理學世界，是近代物理學領域最偉大的革命，也是構成現代物理學的基本理論框架。更重要的是，在狹義相對論的基礎上，愛因斯坦提出了著名的質能方程式，從理論上揭示了原子能的巨大能量蘊藏。在此之后，核物理學得到了長足的發展。1911年，盧瑟福等人利用射線轟擊各種原子，觀測射線所發生的偏折，從而確立了原子的核結構，提出了原子結構的行星模型，這一成就為原子結構的研究奠定了基礎。而在1919年，盧瑟福等又發現用粒子轟擊氮核會放出質子，這是首次用人工實現的核蛻變(核反應)。此后，核物理學研究開始進入高速發展時期，用射線轟擊原子核來引起核反應的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。而更為重要的成果是1932年中子的發現和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質子組成的，中子的發現為核結構的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進入原子核而引起核反應。因此，中子核反應成為研究原子核的重要手段。而決定性的成果出現在1938年。莉澤·邁特納和奧多·哈恩同為德國柏林威廉皇帝研究所的研究員。作為放射性元素研究的一部分，邁特納和哈恩曾經奮斗多年創造比鈾重的原子（超鈾原子）。用游離質子轟擊鈾原子，一些質子會撞擊到鈾原子核，并粘在上面，從而產生比鈾重的元素。這一點看起來顯而易見，卻一直沒能成功。他們用其他重金屬測試了自己的方法，每次的反應都不出所料，一切都按莉澤的物理方程式所描述的發生了。可是一到鈾，這種人們所知的最重的元素，就行不通了。

▲發現了核裂變的奧多·哈恩（右側）

整個20世紀30年代，沒人能解釋為什么用鈾做的實驗總是失敗。發現了核裂變的奧多·哈恩（右側）從物理學上講，比鈾重的原子不可能存在是沒有道理的。但是，100多次的試驗，沒有一次成功。顯然，實驗過程中發生了他們沒有意識到的事情。他們需要新的實驗來說明游離的質子轟擊鈾原子核時究竟發生了什么。最后，奧多想到了一個辦法：用非放射性的鋇作標記，不斷地探測和測量放射性的鐳的存在。如果鈾衰變為鐳，鋇就會探測到。他們先進行前期實驗，確定在鈾存在的條件下鋇對放射性鐳的反應，還重新測量了鐳的確切衰變速度和衰變模式。這花了他們三個月的時間。然而沒等他們進行實質性的實驗，莉澤就不得不逃往瑞典，躲避上臺的希特勒納粹黨。奧多只得獨自進行他們的偉大的實驗。

當選德國總理后的希特勒拜見總統興登堡奧托·哈恩完成實驗兩周后，莉澤·邁特納就收到了一份長長的報告，其中記述了他實驗的失敗。哈恩用集束粒子流轟擊鈾，卻連鐳也沒得到，只探測到了更多的鋇，鋇遠遠多出了實驗開始時的量。他感到迷惑不解，請求莉澤幫他解釋這究竟是怎么回事。一周后，莉澤穿著雪鞋在初冬的雪地里散步，這時一個畫面從她心中一閃而過：原子將自身撕裂開來。這個畫面來得那么生動、驚人和強烈，她幾乎從想象中就能感到原子核的跳動，能聽到原子撕裂時發出的咝咝聲。她立即認識到自己已經找到了答案：質子的增加使鈾原子核變得很不穩定，從而發生分裂。他們又做了一個實驗，證明當游離的質子轟擊放射性鈾時，每個鈾原子都分裂成了兩部分，生成了鋇和氪，這個過程還釋放出巨大的能量。核裂變這一重要的核物理學現象終于展現在科學家們的眼前，經過漫長的摸索，人類終于摸到了原子能這一蘊含了無限能量的寶庫的大門。

在核裂變反應被發現后，科學家們很快就弄清楚了這一現象的機制。原子核裂變時不但釋放出巨大的能量，而且同時還發射出幾個中子；既然中子能引起裂變，裂變又產生更多的中子，因此可以通過鏈式反應（見裂變反應堆）在宏觀尺度上使原子核釋放出能量來，這就找到了大規模利用核能的途徑。匈牙利物理學家西拉德最早考慮到了實現鏈式反應(核裂變反應)的可能性。他首先從理論上進行探討，設想一個中子引起一個原子核的裂變，在核反應的產物中又會產生一個以上的中子，使核的裂變反應繼續維持下去，這樣一來，原于核的裂變反應就象一根鏈條一樣一環一環地持續下去。西拉德的設想，就是當時關于"鏈式反應"的雛型。

理論計算表明，1克鈾裂變釋放的能量相當于燃燒3噸煤釋放的能量，況且這么多的能量要在非常非常短的時問里集中釋放出來，所以它具有十分強大的爆炸能力，其威力相當于20噸TNT炸藥。這是十分驚人的！然而，任何一種新出現的技術，往往都會被迅速運用到軍事上。核裂變和鏈式反應能夠產生大量的能量，同時也意味著驚人的破壞力。1939年1月6日，奧托·哈恩將其關于核裂變的系列實驗結果發表，立刻在物理學界引起了轟動。僅僅不到3個月后，漢堡大學教授保羅·哈特克就上書第三帝國軍事部，提出關于開發核爆炸物的可行性問題。他在信中說道：“我們提醒您注意核物理方面的最新事態發展，根據我們的看法，那些事實為制造一種破壞力大于常規炸彈很多倍的爆炸物開辟了可能”。信里還提到：“第一個利用這種核爆炸物的國家，將擁有其他國家無法超越的優勢”。