Part 5

上帝掷骰子吗?:量子物理史话  作者:曹天元

海森堡把计算临界质量的大小当成一个纯统计问题。为了确保在过多的中子逃逸而使链式反应停止之前有足够的铀235分子得到分裂,它至少应该能保证280个分子(大约1摩尔)进行了反应,也就是维持80次分裂。这个范围是多大呢?这相当于问,一个人(分子)在随机地前进并折返了80次之后大约会停留在多大的半径里。这是非常有名的“醉鬼走路”问题,如果你读过盖莫夫的老科普书《从一到无穷大》,也许你还会对它有点印象。海森堡就此算出了一个距离:54厘米,这相当于需要13吨铀235,而在当时要分离出如此之多是难以想象的。

但是,54厘米这个数字是一个上限,也就是说,在最坏的情况下才需要54厘米半径的铀235。实际上在计算中忽略了许多的具体情况,比如中子的吸收,或者在少得多的情况下也能够引起链式反应,还有种种海森堡因为太过“聪明”而忽略的重要限制条件。海森堡把一个相当复杂的问题过分简化,从他的计算中可以看出,他对快中子反应其实缺乏彻底的了解,这一切都导致他在报告中把几吨的铀235当做一个下限,也就是“最少需要”的质量,而且直到广岛原子弹爆炸后还带着这一观点(他不知道,佩尔斯在1939年已经做出了正确的结果)。

这样一个错误,不要说是海森堡这样的一流物理学家,哪怕是一个普通的物理系大学生也不应该犯下。而且竟然没有人对他的结果进行过反驳!这不免让一些人浮想联翩,认为海森堡“特地”炮制了这样一个错误来欺骗上头从而阻止原子弹的制造。可惜从一切的情况来看,海森堡自己对此也是深信不疑的。

1945年8月6日,被囚在Farm Hall的德国科学家们被告知广岛的消息,各个震惊不已。海森堡一开始评论说:“我一点也不相信这个原子弹的消息,当然我可能错了。我以为他们(盟国)可能有10吨的富铀,但没想到他们有10吨的纯铀235!”海森堡仍然以为,一颗核弹要几吨的铀235。哈恩对这个评论感到震惊,因为他原以为只要很少的铀就可以制造炸弹(这是海森堡以前说过的,但那是指一个“反应堆炸弹”,也就是反应堆陷入不稳定而变成爆炸物,哈恩显然搞错了)。海森堡纠正了这一观点,然后猜测盟国可能找到了一种有效地分离同位素的办法(他仍然以为盟国分离了那么多铀235,而不是自己的估计错了)。

9点整,众人一起收听了BBC的新闻,然后又展开热烈讨论。海森堡虽然作了一些正确的分析,但却又提出了那个“54厘米”的估计。第二天,众人开始起草备忘录。第三天,海森堡和沃兹讨论了钚炸弹的可能性,海森堡觉得钚可能比想象得更容易分裂(他从报纸上得知原子弹并不大),但他自己没有数据,因为德国没有反应堆来生产钚。直到此时,海森堡仍然以为铀弹需要几吨的质量才行。

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投向广岛的第一颗原子弹“小男孩”

但是,海森堡不久便从报上得知了炸弹的实际重量:200千克,真正分裂的只有几千克[200千克是当时报纸上的数字,指的显然是铀弹核燃料的重量。整个原子弹则有好几吨重。这个数字也并不准确,实际上投在广岛的“小男孩”含铀燃料约63.5千克,真正分裂的不到1千克。]。他显得烦躁不安,对自己的估计错在何处感到非常纳闷。他对哈特克说:“他们是怎么做到的?如果我们这些曾经干过同样工作的教授们连他们(理论上)是怎么做到的都搞不懂,我感到很丢脸。”德国人讨论了多种可能性,但一直到14日,事情才起了决定性的转变。

到了8月14日,海森堡终于意识到了正确的计算方法(也不是全部的),他在别的科学家面前进行了一次讲授,并且大体上得到了相对正确的结果。他的结论是6.2厘米半径——16千克!而在他授课时,别的科学家对此表现出一无所知,他们的提问往往幼稚可笑。德国人为他们的骄傲自大付出了最终的代价。

对此事的进一步分析可以在1996年出版的《希特勒的铀俱乐部》(Jeremy Bernstein著)和1998年出版的《海森堡与纳粹原子弹计划》(Paul R ose著)二书中找到非常详尽的资料。大体上说,近几年来已经比较少有认真的历史学家对此事表示异议,至少在英语世界是如此。

关于1941年海森堡和玻尔在哥本哈根的会面,也就是《哥本哈根》一剧中所探寻的那个场景,我们也已经有了突破性的进展。关于这场会面的讨论是如此之多之热烈,以致玻尔的家属提前10年(原定保密50年)公布了他的一些未寄出的信件,其中谈到了1941年的会面(我们知道,玻尔生前几乎从不谈起这些),为的是不让人们再“误解它们的内容”。这些信件于2002年2月6日在玻尔研究所的官方网站(http://www.nbi.dk)上公布,引起一阵热潮,使这个网站的日点击率从50左右猛涨至15000。

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当年的玻尔和海森堡

在这些首次被披露的信件中,我们可以看到玻尔对海森堡来访的态度。这些信件中主要的一封是在玻尔拿到R obert Jungk的新书《比一千个太阳更明亮》之后准备寄给海森堡的,我们在前面已经说到,这本书赞扬了德国人在原子弹问题上表现出的科学道德(基于对海森堡本人的采访)。玻尔明确地说,他清楚地记得当年的每一句谈话,他和妻子玛格丽特都留下了深刻的印象:海森堡和魏扎克努力地试图说服玻尔他们,德国的最终胜利不可避免,因此采取不合作态度是不明智的。玻尔说,海森堡谈到原子弹计划时,给他留下的唯一感觉就是在海森堡的领导下,德国正在按部就班地完成一切。他强调说,他保持沉默,不是海森堡后来宣称的因为对原子弹的可行性感到震惊,而是因为德国在致力于制造原子弹这件事本身!玻尔显然对海森堡以及Jungk的书造成的误导感到不满。在别的信件中,他也提到,海森堡等人对别的丹麦科学家解释说,他们对德国的态度是不明智的,因为德国的胜利十分明显。玻尔似乎曾经多次想和海森堡私下谈一次,以澄清关于这段历史的误解,但最终他的信件都没有发出,想必是思量再三,还是觉得恩恩怨怨就这样让它去吧[这些文件可以在http://www.nbi.dk/NBA/papers/docs/cover.html找到。]。

容易理解,为什么多年后玻尔夫人再次看到海森堡和魏扎克时,愤怒地对旁人说:“不管别人怎么说,那不是一次友好的访问!”

这些文件也部分支持了海森堡的传记作者Cassidy在2000年的Physics Today杂志上的文章(这篇文章是针对《哥本哈根》一剧而写的)。Cassidy认为海森堡当年去哥本哈根是为了说服玻尔德国占领欧洲并不是最坏的事(至少比苏联占领欧洲好),并希望玻尔运用他的影响来说服盟国的科学家不要制造原子弹,只是他刚想进入主题就被玻尔愤怒地阻止了。

当然,仍然有为海森堡辩护的人。主要代表是他的一个学生Klaus Gottstein,当年一起同行的魏扎克也仍然认定,是玻尔犯了一个“可怕的记忆错误”。

不管事实怎样好,海森堡的真实形象也许也就是一个普通人——毫无准备地被卷入战争岁月里去的普通德国人。他不是英雄,也不是恶棍,他坚持教授所谓的“犹太物理学”,他对于纳粹的不认同态度也是有目共睹。对于海森堡来说,他或许也只是身不由己地做着一切战争年代无奈的事情。尽管历史学家的意见逐渐在达成一致,但科学界的态度反而更趋于对他的同情。R ice大学的Duck和Texas大学的Sudarshan说:“再伟大的人也只有10%的时候是伟大的……重要的只是他们曾经做出过原创的,很重要,很重要的贡献……所以海森堡在他的后半生是不是一个完人对我们来说不重要,重要的是他创立了量子力学。”

在科学史上,海森堡的形象也许一直还将是那个在赫尔格兰岛日出时分为物理学带来了黎明的大男孩吧?

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