忧苍生科学家上书大总统传佳音航海者登上新大陆

第二十七回　忧苍生科学家上书大总统传佳音航海者登上新大陆——第一个原子反应堆的诞生

上回说到西拉德等人请求爱因斯坦出面向罗斯福总统写信，吁请美国政府加紧核武器研究，爱因斯坦一时拿不定主意。他说：“你们向美国官方提过这个建议没有？”

“费米教授拜会过海军上将，但是毫无结果。”

“为什么？”

“因为我们现在也说不出具体的想法和有多大的把握，这一切只有干起来才会知道。”

“那么总统会不会以同样的理由拒绝这个建议呢？”

“现在形势与上次拜会时又有不同，几个月过去了，德国方面的研究我们不得而知。也许他们已造出了这种新武器。”

“好吧，你们先代我起草一封信再说。”

8月2日一封仔细推敲过的信送来了：

总统阁下：

我读到了费米和西拉德近来的研究手稿，这使我预计到，元素铀在最近的将来，将成为一种新的、重要的能源。考虑到这一情势，人们应该提高警惕。必要时，还要求政府方面迅速采取行动，因此，我的义务是请您注意下列事实和建议。

近四个月来，由于法国的约里奥及美国的费米和西拉德的工作，用大量的铀达到原子核链式反应似乎已成为可能，由此便可产生极其巨大的能量和大量新的类镭元素。看来，这项成就的取得，已是指日可待了。

这种新的物理现象的发现也将会导致炸弹的制造。纵然把握不足，但可以想象，一种新型的极有威力的炸弹是可以这样制造出来的。这种炸弹仅需一枚，用船运载到港口爆炸，就可以完全摧毁港口连同它周围的部分地区。但这类炸弹也许过于笨重，不便空运。

美国的铀矿含铀贫乏，且数量不多。加拿大及前捷克斯洛伐克有好铀矿，而最重要的铀资源则在比属刚果。

有鉴于此，您也许将认为有必要让政府与那批在美国从事链式反应研究的物理学家保持某种经常的接触。对您来说，做到这一点的一个可取的办法是，把这项工作委托给一位您完全信任的人，他不妨以非官方的身份出面。他的职责是：

一、沟通政府各部门，及时将进展情况告许他们，并向政府提出行动建议，特别要注意确保美国的铀矿供给。

二、为加速目前一直在大学预算范围内进行的实验工作，可由他组织愿意为这项事业做出贡献的私人提供资金，如果需要这样的资金的话，并且，或许也可靠他取得具有必要设备的工业实验室的合作。

我得知，德国如今对它占领的捷克斯洛伐克的铀矿所出产的铀实际上已经禁售。竟然采取这一先发制人的行动，其原因大概毋庸解释。因为德国外交部国务秘书的儿子魏扎克被任命参与柏林凯撒·威廉研究所的工作，在该研究所里，眼下正进行着若干美国对铀进行过的研究。

忠诚于您的爱因斯坦

这封信于1939年10月11日交到罗斯福总统手里。美国政府立即任命了一个“铀顾问委员会”，陆军、海军也首批拨出6000美元的赠款，供科学家们购买实验用材料。

实验选择在芝加哥大学进行。一是因为芝加哥位于美国腹地，敌机不易轰炸；二是学校已经放假，而且人们也不会想到在这里进行这种实验。实验的代号是“冶金实验室”，但是这里面没有一个冶金专家。实验场地很费了一番周折，需要一间很大的房间，而大一点儿的房子都让军队征用了。最后他们选中了芝加哥大学足球场看台下面的一个室内网球场。它有30英尺宽，60英尺长，26英尺高，估计能摆开战场。校长宣布从今以后再不许任何人来足球场踢球，网球场自然更不能靠近了。人们只见一群科学家在看台后面搬运东西，进进出出，决想不到他们在干一件将要载入史册的大事。这项工作由芝加哥大学的康普顿教授负责，费米具体指挥。

各位读者，我们知道哈恩和迈特纳已经证实中子能使铀核裂变，并能放出能量。但只用少量的中子实行一次轰击，产生的能量当然有限。费米现在需要大量的中子，大量的裂变，他推想，当铀核受到一个中子轰击而分裂开来时，它自己同时也会放出一个或几个中子，这些中子再去轰击其他的铀核，又放出中子，于是裂变就可以不断进行下去，不断放出能量——这叫链式反应。这就是说哈恩是发明了一根火柴，能擦着火苗，但是立即就熄灭了，而费米则要想法点燃一堆干柴，让它能持久地燃烧。

怎样点燃呢？这就用得着费米发明的慢中子的办法了。那个在鱼池中的发现，虽然当年柯比诺教授曾要求申请专利，可是战乱骤起，他们哪有心思去管这个。想不到这时派上了用场。当初的小小实验是用石蜡和水来减慢中子，现在费米准备用石墨代替。将铀块和石墨块间相隔堆放——这就名副其实地成了一个“堆”：原子能反应堆。只要用一个中子源（它相当于一根点火的火柴）一点燃，堆中就可以不断地裂变，不断地放出中子，实现链式反应了。

点燃之后又怎样控制呢？一旦中子释放过多，铀核迅速裂变，这就是科学家所说的“临界状态”，将有爆炸的危险。这时的办法就是赶快吸收中子，所谓控制就是控制中子的多少。世上的事物总是有矛就有盾，一物降一物。中子能将铀核打开，有如此威力，可是专有一种物质能吃中子，这就是镉。在石墨和铀堆中插进一些镉棒，只要调整镉棒就可以控制反应的强弱了。

简单道理交代过后，我们再看费米他们是如何建造和控制这个堆的。

1941年12月7日，日本飞机突袭珍珠港，太平洋战争爆发，美国对日宣战，德、意和日是法西斯同盟，当然不能坐视不理，立即也向美宣战；美国随即又向德、意宣战。一场世界大战的链式反应马上升到“临界状态”。这时美国总统就更关心那个铀的链式反应有何进展。“铀顾问委员会”汇报了工作，总统命令集中一切必要的人力物力加速进行。

芝加哥大学的室内网球场现在完全成了一个军用场所，老远就岗哨层层，闲人不得靠近。汽车不断将一些黑色的砖块运到足球场的看台后面。这些黑砖就是石墨块。它柔软光滑，就是我们平常用的铅笔芯。为了建造这个反应堆他们几乎征调了全国可以找到的石墨，那些石墨商不知道为什么这个地方突然像水库出现了一个大漏斗一样，石墨流水般地被吸进这个无底洞里。事后他们才知道这个堆用的石墨足够为地球上的每一个人做一枝铅笔。

再说网球场内现时已完全成了一个煤黑世界。20个物理学家，还有几个必要的帮工助手，现在早已统统变成黑人。他们的脸上、脖子上、手上、鼻孔里全都是石墨细粉。石墨砖要用机器切削成一定规格，自然就粉末四扬。这时的地板上比任何打蜡的舞池都要光滑。这些物理学家们常常不小心摔一个跟斗，汗水在他们的脸上冲出一条条小沟。“冶金实验室”的学者们，要论外表，和一个井下的挖煤工人已完全没有两样。

铀块和石墨块一层层地往上叠放，共叠了57层，现在这个堆已经快顶住屋顶了。费米想到空气会吸引中子因而影响继续裂变，应设法使堆与空气隔绝。能干的助手安德森立即找到橡胶商，要定做一个六边形的橡胶布“盒”，以便把整个反应堆全都罩进去。橡胶商从未承揽过这种加工品，瞪着大眼睛问：“干什么用的？”

“一个大氢气球。”

“气球怎么是六边形呢？”

“您不必多问，反正给您钱就是。不然，我去找别人订货。”

六边形“气球”拿来了，反应堆的最后安装就在这个大“气球”里进行，不过后来发现不抽掉空气也可正常反应，所以“气球”有一面始终没有封口。

1942年12月6日这个历史上有纪念意义的日子来到了。

这天一早那些浑身污黑的物理学家突然变得干干净净。反应堆的建造工作已经完成，现场也已打扫干净，地板重又露出木纹。核反应堆马上就要开始点火，人类是否可以从原子内部得到可供使用的能量，就决定在今天上午。

科学家们大部分都撤离到反应堆对面的平台上。堆旁边只留一个人——韦尔，他手扶着从堆里伸出来的一根长棒，这是镉棒。反应的快慢将由他通过这个棒来控制。但是这还不保险，堆上又爬上去三个年轻人，他们自己称为“自杀小组”，准备在反应堆一旦失去控制就从上往下灌镉液，以“扑灭”这场原子火灾。

在现场观看实验的除这群亲手建造起反应堆的科学家外，还有冶金室的领导人康普顿教授，还有军方领导人格罗夫斯将军（军方1941年8月就接管了铀计划，并把它改名为曼哈顿工程）。还有一个特殊人物，他是这里唯一与研究工作无关的邦财团的代表格林沃尔特先生。战时，杜邦公司承担军方的许多生产任务，而前不久格罗夫斯将军又提出要他们以生产规模来建造一座反应堆。将军说反应堆里的铀裂变后会产生一种新元素钚。钚可用来生产原子弹。可是格林沃尔特这时还根本没有听说过反应堆这个词呢。他不敢冒险，与军方的谈判陷入僵局，这天他也被通知来到现场，好看看反应堆到底是怎么一回事。

费米担任现场指挥。他说：“现在我们将抽出镉棒，链式反应就会自动进行，盖革计数器会用声音报告反应的强弱，而这支描笔将在纸上自动描出一条指示辐射强度的曲线。好，韦尔，开始吧！”

韦尔将镉棒抽出一英尺，计数器开始咔哒咔哒地响动，描笔画出一条向上的曲线。

“再抽一英尺！”

计数器的声音响得更急，大家都屏息静气，有的人额头上已经渗出汗珠。大厅里静得就是有根针落地也会哐然有声，这时计数器一声声地响着，像锤子敲在人的心上。谁知道这个堆会不会突然像一颗大炸弹那样爆炸呢？

费米宣布：“现在反应堆已进入正常的链式反应。”

堆顶上的“自杀小组”更加警惕，准备好的镉液已经提在手中，现在正是最紧要的关头。全体人员都注视着各种记录仪，这样共28分钟之久。费米将手举在空中又向下一劈说：“停止！”

试验成功了。大家互相握手、拥抱、祝贺。而威格纳（就是劝爱因斯坦上书总统的那个匈牙利物理学家）突然拿出一瓶基安提酒。原来今天上班时他就悄悄在大衣口袋里塞了一瓶酒，他想一定能够成功。威格纳将酒分倒在许多纸杯里，在场的人每人一杯。喝完后大家又在酒瓶的硬纸护壳上签了名，然后就去忙着收拾现场，整理数据。格林沃尔特也立即握着格罗夫斯将军的手说：“太精确了，简直像一只瑞士手表，我们公司同意生产了，马上就签字！”

正当各人都在忙自己的事情的时候，谁也没有注意，有一个叫沃特姆伯格的青年物理学家将那个有大家签名的空酒瓶收了起来，这是一件最好的纪念品。10年后的又一个12月2日，芝加哥大学举行反应堆实验10周年庆祝会。沃特姆伯格当时正在外地，他特意将这只空酒瓶寄给庆祝大会。但是他又怕酒瓶会打碎，于是就加了保价费1000美元。一只空酒瓶竟值千元，这件事立即成了轰动报界的新闻。而专营基安提酒的商人因此却大赚其钱。芝加哥大学的这个足球场的看台后面，若干年后挂了一块金属牌，上面刻着这样几行字：“人类在这里实现了第一次链式反应，从而开辟了在受控条件下释放原子能的道路。”这里因此闻名，成了一个旅游者的参观点。这是后话。

1942年12月2日试验成功的核反应堆产生的动力是很小的，它刚能点亮一只小电灯，几天之后也才可以点亮4盏家用电灯。但是这不要紧，只要迈出第一步就不愁走不完万里路，只要摸清原理就会畅行无阻。瓦特最初发明的蒸汽机只能为煤矿排水，但是以后它几乎用于所有的工业、交通，关键是它开辟了一条新路——将热能转变为机械能；法拉第最初用磁铁和线圈做实验时只能使电流计的指针微微偏动，但他也开辟了一条新路——使磁变电，于是带来了一个电气时代；现在费米的原子反应堆虽然功率还很小，但是他也开出了一条新路——使原子核能转变成热能或其他能，带来了一个原子时代。这验证了爱因斯坦的伟大理论，，质能是可以互变的。

自从费米那个只能点亮一个灯泡的反应堆问世以来，各种反应堆立即发展起来，有专门提供动力的动力堆，有用于科学实验的研究堆，有生产核燃料的增殖堆，新能源展示出广阔的前景。以核能发电来说，一座功率为100万千瓦的大型火力发电站，每年要烧300万吨煤。为此电厂得有运煤专线，一辆火车得运上千个来回。而同样功率的核电站，只要6部卡车一次就能把全年的燃料运来。而且这样可以省出大量的煤去作化工原料。用蓄电池发动的潜水艇，只能在水下潜行几天，然后再浮出水面充电。可是，换成核动力可以10年不换燃料。

反应堆除提供大量能源外，还可以用来制造同位素。我们把各种元素放在反应堆的管子里，经过中子照射就变成了新的放射性同位素。这些同位素由于它们的放射性表现出来的穿透作用、能量、荧光效应、特殊生理效应等等，它们在工业、农业、医学、生物学、考古学、宇宙探索等许多领域都有重要作用。比如害虫常会钻到种子、土壤、树皮里面，一般化学杀虫剂无能为力，这时用穿透力很强的射线一照射，便使它断子绝孙。还有金属内部在铸造、焊接时会出现极小的砂眼、裂缝，肉眼是绝对不能发现的。这时只要用射线拍一张片子就会清清楚楚地显示出来。如同人们对力学、光学、电学的探索一样，对原子内部的探索已经给人类带来了受益无穷的好处。

让我们现在再回到费米的这个反应堆上来。正当大家在一片兴奋、激动中忙着收拾现场时，康普顿教授突然想起应该给美国政府方面打个电话，报告这一喜讯。他立即给负责这一工作的科南教授挂了一个长途电话。当他拿起话筒时才想到这个绝密的大事怎么能在电话里说呢？对方已经在问话了：“喂，您是康普顿教授吗？”

康普顿灵机一动回答道：“是的，我是康普顿。科南教授，我想您一定很愿意知道，那位意大利航海家已经登上新大陆了。”

“是这样吗？”对方听懂了，高兴地大喊起来。“当地的居民对他友好吗？”

“很友好，每个人都安全登陆，并且感到很愉快。”

这是一个很聪明的，在科学史上留下的一次著名的电话。意大利人哥伦布1492年发现新大陆，过了450年后，正好是中间两位数倒换一下，另一个意大利人费米在原子世界里又发现了一块新大陆。

康普顿教授还处在兴奋之中，这时格罗夫斯将军走过来，他伸出一只大手说：“祝贺您，康普顿教授，但是既然试验已经成功，我们的下一步计划就该立即实施了吧？”

格罗夫斯说的下一个计划是什么？且听下回分解。