核武器理论与技术研究为何在纳粹德国最先开始？

1896年3月的一个下午，巴黎博物院自然历史部的应用物理学教授亨利·贝克勒尔打开抽屉，取出了与双氧铀硫酸钾盐放在一起的黑色纸包，惊奇的发现装在其中的感光底板已经被感光了。

▲亨利·贝克勒尔亨利·贝克勒尔是一名物理学家，同时也是研究荧光和磷光的专家。

1896年初，伦琴发现X射线的消息传到了巴黎，但这一科学发现原本和贝克勒尔没有任何关系，是一个偶然的机会使他遭遇上了放射性问题：当时法国有一位著名数学物理学家叫彭加勒，收到伦琴的通信后，在法国科学院1896年1月20日的例会上向与会者报告了这件事，展示了伦琴的通信和X光照片。贝克勒尔正好在场，他问彭加勒，这种射线是怎样产生的？彭加勒回答说，似乎是从真空管阴极对面发荧光的地方产生的，可能跟荧光属于同一机理。彭加勒还建议贝克勒尔试试荧光会不会伴随有X射线。因为彭加勒的这个建议，第二天贝克勒尔就在自己的实验室里开始了试验，试图验证荧光物质会不会辐射出一种看不见却能穿透厚纸使底片感光的射线。他试来试去，终于找到了一种物质具有预期效果，这种物质就是铀盐。在最初的试验中，贝克勒尔拿出两张厚黑纸，把感光底片严严实实的包起来，即使放在太阳底下晒一天，也不会使底片感光。然后，他把铀盐放在黑纸包好的底片上，又让太阳晒几小时，就大不一样，底片显示了黑影。为了证实是射线在起作用，他特意在黑纸包和铀盐间夹一层玻璃，再放到太阳下晒。如果是由于某种化学作用或热效应，隔一层玻璃就应该排除，可是仍然出现了黑影。于是贝克勒尔肯定了彭加勒的假定，在法国科学院的例会上报告了实验结果。但贝克勒尔的试验并没有就此结束，又过了几天，他正准备进一步探讨这种新现象，巴黎却连日天阴，无法晒太阳。于是，贝克勒尔只好把所有器材，包括包好的底片和铀盐都搁在同一抽屉里准备留待天气转好后继续试验。

▲射线在底片上的显影

然而又过了几天之后，也许是出于职业上的某种灵感，贝克勒尔突然产生了一个念头，想看看即使不经太阳照晒，底片会不会也有变黑的现象。于是他把底片洗了出来，结果发现这些未经太阳照晒的底片其实已经被曝光了，底片上的黑影十分明显。他仔细检查了现场，肯定这些黑影是铀盐作用的结果。贝克勒尔面对这一突如其来的现象，很快就领悟到，必须放弃原来的假设，这种射线跟荧光没有直接关系，它和荧光不一样,不需要外来光激发。在新的假设推动下贝克勒尔继续试验，终于确证这是铀元素自身发出的一种射线，他把这种射线称为铀辐射。铀辐射不同于X射线，两者虽然都有很强的穿透力，但产生的机理不同。同年5月18日，他在法国科学院报告说：铀辐射乃是原子自身的一种作用，只要有铀这种元素存在，就不断有这种辐射产生。这就是发现放射性的最初经过。这一发现在当时虽然没有伦琴发现X射线那样轰动一时，但其意义还是很深远的，因为这是人们第一次观察到的核变化。现在通常就把这一重大发现看成是核物理学的开端，这一事件为核物理学的诞生准备了第一块基石。时间继续推移到1905年的6月末，在看似平淡无奇的一个下午，有位腼腆的年轻人来到邮局，向德国《物理年报》的编辑部投寄了一篇名为《论运体的电动力学》的论文，署名为阿尔伯特·爱因斯坦。

▲阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦这篇并不算长的论文却在当时的物理学界引起了轰动，因为它标志着一种新的基础物理学理论《相对论》的建立。这是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果，它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机，改变了牛顿力学的时空观念，揭露了物质和能量的相对性，创立了一个全新的物理学世界，是近代物理学领域最伟大的革命，也是构成现代物理学的基本理论框架。更重要的是，在狭义相对论的基础上，爱因斯坦提出了著名的质能方程式，从理论上揭示了原子能的巨大能量蕴藏。在此之后，核物理学得到了长足的发展。1911年，卢瑟福等人利用射线轰击各种原子，观测射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。而在1919年，卢瑟福等又发现用粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核蜕变(核反应)。此后，核物理学研究开始进入高速发展时期，用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。而更为重要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和质子组成的，中子的发现为核结构的研究提供了必要的前提。中子不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起核反应。因此，中子核反应成为研究原子核的重要手段。而决定性的成果出现在1938年。莉泽·迈特纳和奥多·哈恩同为德国柏林威廉皇帝研究所的研究员。作为放射性元素研究的一部分，迈特纳和哈恩曾经奋斗多年创造比铀重的原子（超铀原子）。用游离质子轰击铀原子，一些质子会撞击到铀原子核，并粘在上面，从而产生比铀重的元素。这一点看起来显而易见，却一直没能成功。他们用其他重金属测试了自己的方法，每次的反应都不出所料，一切都按莉泽的物理方程式所描述的发生了。可是一到铀，这种人们所知的最重的元素，就行不通了。

▲发现了核裂变的奥多·哈恩（右侧）

整个20世纪30年代，没人能解释为什么用铀做的实验总是失败。发现了核裂变的奥多·哈恩（右侧）从物理学上讲，比铀重的原子不可能存在是没有道理的。但是，100多次的试验，没有一次成功。显然，实验过程中发生了他们没有意识到的事情。他们需要新的实验来说明游离的质子轰击铀原子核时究竟发生了什么。最后，奥多想到了一个办法：用非放射性的钡作标记，不断地探测和测量放射性的镭的存在。如果铀衰变为镭，钡就会探测到。他们先进行前期实验，确定在铀存在的条件下钡对放射性镭的反应，还重新测量了镭的确切衰变速度和衰变模式。这花了他们三个月的时间。然而没等他们进行实质性的实验，莉泽就不得不逃往瑞典，躲避上台的希特勒纳粹党。奥多只得独自进行他们的伟大的实验。

当选德国总理后的希特勒拜见总统兴登堡奥托·哈恩完成实验两周后，莉泽·迈特纳就收到了一份长长的报告，其中记述了他实验的失败。哈恩用集束粒子流轰击铀，却连镭也没得到，只探测到了更多的钡，钡远远多出了实验开始时的量。他感到迷惑不解，请求莉泽帮他解释这究竟是怎么回事。一周后，莉泽穿着雪鞋在初冬的雪地里散步，这时一个画面从她心中一闪而过：原子将自身撕裂开来。这个画面来得那么生动、惊人和强烈，她几乎从想象中就能感到原子核的跳动，能听到原子撕裂时发出的咝咝声。她立即认识到自己已经找到了答案：质子的增加使铀原子核变得很不稳定，从而发生分裂。他们又做了一个实验，证明当游离的质子轰击放射性铀时，每个铀原子都分裂成了两部分，生成了钡和氪，这个过程还释放出巨大的能量。核裂变这一重要的核物理学现象终于展现在科学家们的眼前，经过漫长的摸索，人类终于摸到了原子能这一蕴含了无限能量的宝库的大门。

在核裂变反应被发现后，科学家们很快就弄清楚了这一现象的机制。原子核裂变时不但释放出巨大的能量，而且同时还发射出几个中子；既然中子能引起裂变，裂变又产生更多的中子，因此可以通过链式反应（见裂变反应堆）在宏观尺度上使原子核释放出能量来，这就找到了大规模利用核能的途径。匈牙利物理学家西拉德最早考虑到了实现链式反应(核裂变反应)的可能性。他首先从理论上进行探讨，设想一个中子引起一个原子核的裂变，在核反应的产物中又会产生一个以上的中子，使核的裂变反应继续维持下去，这样一来，原于核的裂变反应就象一根链条一样一环一环地持续下去。西拉德的设想，就是当时关于"链式反应"的雏型。

理论计算表明，1克铀裂变释放的能量相当于燃烧3吨煤释放的能量，况且这么多的能量要在非常非常短的时问里集中释放出来，所以它具有十分强大的爆炸能力，其威力相当于20吨TNT炸药。这是十分惊人的！然而，任何一种新出现的技术，往往都会被迅速运用到军事上。核裂变和链式反应能够产生大量的能量，同时也意味着惊人的破坏力。1939年1月6日，奥托·哈恩将其关于核裂变的系列实验结果发表，立刻在物理学界引起了轰动。仅仅不到3个月后，汉堡大学教授保罗·哈特克就上书第三帝国军事部，提出关于开发核爆炸物的可行性问题。他在信中说道：“我们提醒您注意核物理方面的最新事态发展，根据我们的看法，那些事实为制造一种破坏力大于常规炸弹很多倍的爆炸物开辟了可能”。信里还提到：“第一个利用这种核爆炸物的国家，将拥有其他国家无法超越的优势”。