论英国在原子弹早期研究史上的地位

杨华文

(国防科学技术大学 人文与社会科学学院，湖南 长沙 410074)

原子弹的发明是人类历史上划时代的大事。英国在原子弹早期研究史上曾一度走在世界的前列，作出过重大贡献，是世界原子弹研制真正的“源头”。但在大部分人心目中，这好像是一个被人遗忘的“常识”，很少有人谈及这段历史，更没有专文和专著来研讨。本文试图在既有研究成果的基础之上，利用一些新的资料来考察英国在核武器研制早期阶段中的地位和作用，以求教于方家。

一、英国科学家奠定了现代核物理学的重要基础

原子弹的研究与发展是建立在19世纪末20世纪初，科学家们在核物理理论上突破性发展的基础之上的。由于近代以来雄厚的科技实力和优良的教育传统，在早期的原子科学研究领域，英国始终处于世界的前列，其科学家们的杰出贡献奠定了现代核物理学的重要基础，影响巨大。

现代核物理的奠基肇始于对传统原子理论的颠覆性认识和对原子结构的革命性破解。19世纪末，英国科学巨匠、剑桥大学卡文迪什(Cavendish)实验室主任J．J．汤姆逊(Joseph John Thomson)首先对阴极射线，继而对原子作了开创性研究。1897年，他在皇家学会提交的报告中写到“阴极射线是带负电的粒子”[1]3-4。当汤姆逊发现电子后，他开始对原子结构这样一个非常困难而又异常基本的问题开始进行探讨。由于这些粒子是来自原子里面，因此他得出结论：“原子不是不可分割的。”[1]4汤姆逊还根据实验假设了一个原子模型——葡萄干面包模型：原子是一个带正电的球(面包)，在它的里面散布着很小的带负电的电子(葡萄干)，这些电子排列成一层一层的环。汤姆逊为人类找到了第一个基本粒子——电子，从而也使人类对原子有了新的认识：传统上不可分割的原子居然不是物质的最小单元。在物理学史中，人们常称汤姆逊为“电子之父”，汤姆逊因此获1906年诺贝尔奖物理奖。

20世纪初，被称为“近代原子核物理学之父”的英国科学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)就在剑桥大学卡文迪什实验室开始研究非常热门的放射性现象。“放射现象对于发现原子结构的一般规律和证实质量与能量等价这一理论，起了主要作用。”[2]12-13这一现象首先由法国科学家亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)在1899年发现，他通过反复实验得知铀会自动的发射出一种穿透力很强的射线；后来法国著名物理学家皮埃尔·居里(Pierre Curie)及玛丽·斯可罗夫斯卡·居里(Marie Sklodowska Curie)等人又进行研究，揭开了放射性的来源之谜。卢瑟福在前人的基础之上于这一领域又有突出贡献：发现了α射线和β射线，并发现放射性元素会缓慢地自行蜕变成一种新元素，譬如说铀通过放射性发射而自行转变为另一种元素，譬如说铅。元素自行转变现象违背了历史上最基本的原子不变信念，其科学意义也是革命性的。“原子不变性被打破就像物种不变性被打破一样，向科学解释又提出了一个大难题。”[3]407因放射性研究，卢瑟福获1908年诺贝尔化学奖。1906年，卢瑟福开始研究原子内部结构，认定了原子核的存在，并提出了新的原子结构模型假说：原子由原子核和若干绕原子核旋转的带负电的电子构成，原子核的半径约为10-12—10-13厘米之间。1911年，年轻的丹麦物理学家尼尔斯·波尔(Niels Henrik David Bohr)来到了剑桥求学，他起初也是在物理学家汤姆逊领导的卡文迪许实验室工作，1912年4月转到曼彻斯特大学卢瑟福的实验室工作。他于1913年在原子结构问题上迈出了革命性的一步，并以量子理论解释了卢瑟福原子模型中悬而未决的问题，因此获1922年诺贝尔物理学奖。在1932年，另一位英国物理学家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)发现了中子。这被视为原子能研究的起点。因为中子不带电荷而不相互排斥，很容易钻进带电的原子核，而且穿透力极强，利用中子轰击铀原子核所引起的链式反应(Chain Reaction)是制造原子弹的关键。1935年，查德威克因发现中子而获得诺贝尔物理学奖。在原子科学史上，“如果说放射性的发现使人类跨入了原子世界的大门，那么中子的发现则是人类打开原子世界的第二道大门”[1]22。因为这一发现不仅深化了人们对原子结构的认识，而且为原子能的利用开辟了广阔的道路。铀核裂变就是中子的应用为核科技史带来了一个划时代发现。

制造原子弹是否可行？促成链式反应发生的临界质量是多少？这是制造原子弹首先要解决的问题。1940年3月，英国伯明翰大学两位科学家鲁道夫·皮埃尔斯(Rudolf E. Peierls)和奥拓·弗里希(Otto Frisch)就在备忘录中(Frisch-Peierls Memorandum)最先指出了原子弹制造的可行性：仅用几公斤铀-235就能制造和起爆当量等于几千吨炸药的原子弹。这个备忘录从学理上直接指出了制造原子弹的现实可行性，架起了一座理论与现实的桥梁，在核物理学史上的地位十分重要。用英国著名原子能官方历史学家玛格丽特·高英(Margaret Gowing)的话讲：“皮埃尔斯—弗里希的论文，抓住了原理和性能，是科学之广度和洞察之深度的杰出范例。……它以科学的信念昭示出制造出一枚原子弹的切实可行性和它会带来的恐怖。”[4]37美国著名核战略家麦乔治·邦迪(McGeorge Bundy)也不得不承认：“弗里希—皮尔斯备忘录是朝着原子弹秘密迈出的第一大步。”[5]36

当然，需要指出的是，原子能事业是国际性的，现代核物理学的发展也是多国科学家努力的结果，其中德国、美国、法国、苏联、意大利等国科学家都起了很重大的作用，例如爱因斯坦的相对论，德国物理学家奥拓·哈恩(Otto Hahn)和丽丝·迈特纳(L．Meitner)的“裂变”论。[3]427这些理论都是现代核物理学大厦的基石，是任何一部原子弹史书都绕不过去的铁的事实。但我们这里要着重强调的是，英国科学家在原子的基本理论和制造原子弹的可行性等方面的杰出贡献无疑也奠定了现代核物理学的重要基础，这一点也是不容抹杀的。

二、英国“管合金”计划是世界上最早且成效最大的原子弹研制计划

第二次世界大战初期，为研究开发原子能和尽快掌握制造原子弹技术，美国、英国、法国、德国以及苏联，展开了秘密而又激烈的竞争。但在当时铀裂变研究工作的大部分领域，英国均处于领先的地位，其重要原因在于“1939年，英国科学家在两个方面处境优越：他们有着相当多的杰出物理学家，而这些物理学家能够与政府进行有效地沟通”[5]34。许多杰出的科学家同时就是政府的顾问大臣，这是英国社会的一大特色和优点，也是当时很多国家都不具备的。因此，皮埃尔斯—弗里希备忘录甫一发表，就引起了人们极大的关注，被迅速递交给英国当时致力于把科学用于战争的重要委员会——蒂泽德委员会(Tizard Committee)。该委员会由著名科学家亨利·蒂泽德(Henry Tizard)任主席，蒂泽德很快向英国战时内阁汇报。

1940年4月，英国政府成立了一个负责核研究的委员会，即莫德委员会(Maud Committee)，隶属空军，主席是约瑟夫·汤姆逊(Joseph Thomson)，所以也叫汤姆逊委员会(Thomson Committee)，成员包括查德威克等一大批核物理学家。莫德委员会一成立，就在皮尔斯—弗里希备忘录的基础上进行了一系列实验，取得了突出成绩，因此该委员会被玛格丽特·高英称之为“史上最高效的委员会之一”。[4]801941年7月，莫德委员会出具的报告中指出：“制造原子弹的计划是可行的，并有可能导致战争的决定性后果。”[4]788月，该报告抄送给了丘吉尔首相的私人科学顾问彻韦尔勋爵(Lord Cherwell)，主送给了内阁的科学咨询委员会。不久，丘吉尔就下令英国政府成立了科研机构，积极开展旨在研制原子弹的“管合金”计划(Tube Alloy)。该计划由枢密院大臣兼战时内阁成员约翰·安德森(John Anderson)主管。从世界范围内看，应当承认，“英国是决定造原子弹的第一个国家”。[5]40

基于原子科学研究的复杂系统性及英国政界与科学界的良好沟通，英国的原子能研究从一开始就具有较强的整体性，这与当时德国等国家从事原子研究的研究所、大学各自为战的做法大不一样。参与研制工作的约翰·科克洛夫特(John Cockcroft)教授等人认为，分散在各个大学的独立研究已经不能适应研制进程的需要，必须在政府的组织下，将研究人员集中到一起，分别对原子能的各个方面进行研究。根据这一建议，英国在伦敦成立了以帝国化学工业公司(Imperial Chemical Industries，ICI)华莱士·艾克斯(Wallace Akers)爵士为首的秘密理事会，由迈克尔·佩林(Michael Perrin)担任其助手，负责组织协调整个原子弹研制项目。为了掩人耳目，秘密理事会对外称为“管合金局”(the Directorate of the Tube Alloy)。[4]109

“管合金”计划展开后，得到了政府大批拨款，并用以购置了一批先进的实验设备，各国科学家对英国原子弹研制的支持也更加积极。比如，仍留在丹麦的著名物理学家尼尔斯·波尔曾经通报英国说德国重水和铀的需求正在不断增加。他还提出了“利用慢中子链式反应制造原子弹”的建议。这些技术情报，使得英国的原子弹研究如虎添翼。1942年夏，英国“管合金局”决定进一步扩大原子弹的研究计划，力争在理论研究上取得突破。到1942年末，英国核研究已形成规模，军队大规模投入反应堆、工厂、实验室等工程的建设。短短一年多的时间内，英国无论在原子弹的结构上，还是在稀有铀同位素的分离方法上，都取得了巨大进展，特别是英国物理学家提出先进的气体扩散法(Gaseous Diffusion)分离铀-235的理论对后来第一颗原子弹的研制影响重大，并预计用此法，1943年底可制造出首枚原子弹的核材料。[1]1581940—1942年那段时间是英国核研究的全盛时期。英国一度在核裂变研究的很多方面，特别是在原子弹的可行性研究上领先于世界，即使在德国空军对英国各大城市进行狂轰滥炸的时刻其核研究也未中断，甚至获取了重水这种突破性进展。

1943年是第二次世界大战的关键一年，也是英国原子弹研制即将取得重大进展的一年。正当英国考虑是否着手建设大规模试验工厂的决定性时刻，德国对英国的空中侦察和轰炸也在不断升级。严酷战争条件下的英国不可能有核研究的净土，“英国的技术和战争资源由于战争的消耗已变得十分薄弱”[5]146。在这种情况下，英国的原子弹研制工作不可能顺利进行下去，在英伦三岛建立所需要的巨大工厂的可能性变得十分渺茫。种种迹象表明，英国的原子弹研究只有客居他国才能生存下去，条件更好的美国和加拿大成了未来英国原子武器研究得以继续的栖息地。从历史上看，根据莫德委员会的报告制定的英国“管合金”计划可以说是世界上最早、成效最大的核研究计划。法西斯德国虽然于1939年9月启动了利用核裂变试验的准备工作计划(“U计划”)，但由于战时环境、希特勒的恶行以及科学家的不配合，始终成效不大。[1]39-50美国是世界上第一个成功研制出原子弹的国家，其“曼哈顿计划”(Manhattan Project)众人皆知。但从时间上看，此计划是1942年6月实际启动的，起步晚于英国，苏联的原子弹计划又比美国晚了一年。[1]126其他国家的核武器计划此时还没有起步。所以，在论及世界原子弹研制历史的时候，英国“管合金”计划应该是“曼哈顿计划”的雏形，是世界原子弹研制的“源头”。

三、英国及其科学家对美国“曼哈顿工程”贡献巨大

由于英美战时属于同一阵营，加上两国基于共同文化和血缘的“特殊关系”，“1939年至1941年英国进行的工作(即核研究)对美国产生了决定性的影响”。[5]34“英国的各种信息通过种种途径到达华盛顿。”[4]116至少是在英国的部分影响下，1940年10月美国政府成立了由林曼·布里格斯(Lyman Briggs)领导的“铀委员会”(Uranium Committee)，这是美国正式进入核研究领域的标志。次年6月美国国防研究委员会主席万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)创建“科学研究与发展办公室”(Office of Scientific Research and Development，OSRD)，直接向总统负责，对政府所有科研活动进行管理，哈佛大学校长詹姆斯·科南特(James Conant)领导的“国防研究委员会”(National Defense Research Committee，NDRC)隶属其下。“铀委员会”则成为“科学研究与发展办公室”的一个分部(S-1委员会)。“珍珠港事件”前一天，即1941年12月6日，罗斯福总统组建了一个高级政策小组，作为其核顾问班子。但由于美国一直是把主攻方向放在原子能研发而非武器制造方面，故方向不明，进展不快。1942年6月，美国开始实施利用核裂变反应来研制原子弹的计划，即曼哈顿计划。

英国及其科学家对美国“曼哈顿工程”的贡献是通过英美核合作的途径实现的。当然，由于国家利益的考虑，这种合作并非一帆风顺。在最初的英美核关系中，英国由于研究领先，是处于主动有利的一方，所以不愿意跟美国人充分分享研究成果。早在1940年，罗斯福就致信丘吉尔，建议两国之间就研制原子弹问题交流情况和看法，希望“在今后的科研工作中进行协调，甚至合作”，但两个月后丘吉尔才回信说：“我不能对你保证说，我们很乐意同美国政府在这件事上搞合作。”[6]42

不过很快，英国就变成了主动要求美国与之在原子研发领域合作的一方。其原因在于：首先，德国的轰炸与封锁使英国的处境日益艰难，“管合金”计划难以实施，而美国置身战事之外，其和平安宁的环境正适合研发原子弹；其次，美国原子研究突飞猛进，有赶超英国的趋势。一流的科学家团队和充足的经费，使在制造原子弹竞赛中早先一直落后于英国的美国于1942年春末就已经赶上英国，并且“事实上正超过英国”。[4]132

但这时美国出于种种原因，对英国萌发的与美国合作研制原子弹的想法已有所顾虑。罗斯福的高参们认为，独立进行核项目最符合美国利益，没有英国人的帮助，也能在战争结束前制造出原子弹。1942年3月英国提出将重水小组迁往美国，美国予以否决。甚至连英国提出的建立一个联合核委员会将英国核项目并入美国的建议美国也拒绝。直至1942年，罗斯福才与丘吉尔在纽约的海德公园(Hyde Park)会晤，商讨在原子弹研究方面合作的议题。1943年8月19日，在加拿大的魁北克会议上，罗斯福与丘吉尔签订了一个协议，即“魁北克协议”(Quebec Agreement)，规定两国在原子弹研究领域进行全面合作，原子弹研制成功后，其使用必须征得两国政府的同意；英国只能获得关于原子弹的科学知识，而获取制造原子弹的技术则受到限制，必须得到美国人的同意；两国不相互使用原子弹；除非相互同意，任何一方都不能向第三方泄露有关“管合金”的情报。[4]439-440

实际上，英国从1941年初开始就为美国提供原子情报和科学帮助，英国许多重要报告被送往美国，而美国很少有报告送到英国。[4]66“魁北克协议为英美两国在战争时期的原子能计划方面的关系建立了官方基础”，[2]262标志战时英美核合作进入联合开发阶段。协议签订后，英国终止了独立的“管合金”计划，实际上是把之并入“曼哈顿工程(Manhattan Project)”中了，由英国派出科学家小组到美国研究工作。来到美国的英国科学家小组数量不多(大约50人)，但整体素质很高，在核领域都是世界一流的科学家。他们有的去了纽约的气体扩散总部，有的到了加利福尼亚的劳伦斯电磁试验场，不过更多的人是去了“曼哈顿工程”的核心研究场所和总装车间——洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)，主要有：恩葛·布瑞斯切尔(Egon Bretscher)、詹姆斯·查德威克(James Chadwick)、安东尼·富瑞赤(Anthony P. French)、奥拓·弗里希(Otto Frisch)、 克劳斯·富克斯(Klaus Fuchs)、詹姆斯·胡戈斯(James Hughes)、迪瑞克·李特尔(Derrik J. Littler)、威廉·马勒(William G. Marley)、唐纳德·马歇尔(Donald G. Marshall)、菲利普·莫恩(Philip B. Moon)、鲁道夫·皮尔斯(Rudolf E. Peierls)、威廉·佩里(William G. Penney )、乔治·普雷泽克(George Placzek)、迈克尔·普勒(Michael J. Poole)、约瑟夫·罗特布拉特 (Joseph Rotblat)、哈罗德·舍尔德(Harold Sheard)、托尼·斯凯母(Tony H.R. Skyrme)、厄内斯特·泰特顿(Ernest W. Titterton)、詹姆斯·塔克(James L. Tuck)。[7]两国核合作的协调工作是由3名美国人、2名英国人和1名加拿大人组成的联合政策委员会(Combined Policy Committee)负责。

英国科学家到达美国之后，无论是在核物理的理论研究还是在核工程技术方面，都作出了积极的贡献。连美方自己都承认，英国科学家小组为加快原子弹的研制发挥了突出的作用。“曼哈顿工程”负责人莱斯利·格罗夫斯(Leslie R. Groves)将军曾说：“没有英国人的积极和不断的关心，大概就没有投于广岛的原子弹。”[8]340他还列出了英国人的具体贡献：(1)最高级的官方鼓励和支持；(2)在科学上的帮助；(3)关于分离铀-235的气体扩散法的初步研究以及对此项工作的极大热情；(4)对于重水核性质的某些初步研究；(5)各种各样的科学技术情报；(6)提供的用于气体扩散设备的材料。[8] 337-338据估计，英国科学家的加盟至少使第一批原子弹的研制成功比预计提前了两个月到一年的时间。[5]148

当然，合作一般都是互利的，助人者也助己。德国投降后，英国在美国的科研力量陆续撤回本国。尽管美国人还有许多所谓核心的特殊资料对英国人保密，英国科学家还是在与美科学家的合作中已基本上掌握了制造原子弹的各种知识和经验。二战结束后，随着原子能国际控制政策的失败以及英美战时核合作关系的破裂，加上苏联威胁的不断加剧，促使英国政府制定了独立的核威慑政策。经过长期艰苦努力，1952年10月3日，英国第一枚钚-239原子弹在澳大利亚的蒙特贝洛岛(Monte Bello Islands)附近海域停泊的一艘军舰上试爆成功，成为世界上继美、苏之后第三个拥有核武器的国家。

[参考文献]

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[3] 詹姆斯·E·麦克莱伦,哈罗德·多恩.世界史上的科学技术[M].王鸣阳,译.上海:上海科技教育出版社,2003.

[4] Margaret Gowing. Britain and Atomic Energy,1939—1945[M]. London : Macmillan, 1964.

[5] 麦乔治·邦迪.美国核战略[M].褚广友,译.北京:世界知识出版社,1991.

[6] 约翰·纽豪斯.核时代的战争与和平[M]. 军事科学院外国军事研究所,译.北京:军事科学出版社,1989.

[7] Ferenc Morton Szasz. British Scientists and the Manhattan Project: The Los Alamos Years[M]. New York: St .Martin’s Press, 1992.

[8] 莱斯利·格罗夫斯.现在可以说了[M].钟毅,译.北京:原子能出版社,1978.