【核武器】丢到日本的两颗原子弹，其实品种不一样

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精华笔记 

昨天我们讲了制造原子弹的基本原理，在节目的末尾我问了一个问题，就是原子弹它的爆炸威力有没有上限？别着急，在今天的节目当中我会好好解答，但是你一定要仔细听，答案藏的比较隐秘。

我们都知道1945年的时候，美国在日本的广岛和长崎扔了两颗原子弹，可以说是让二战提前结束了。今天我就给你讲讲看历史上真实的原子弹的制造过程，那就是美国的曼哈顿计划。可以说曼哈顿计划最后能够成功，一言以蔽之，是人类历史上最不可思议的一项科学奇迹，它是大力出奇迹的一个典型案例。

首先来说说曼哈顿计划为什么会诞生？起因是爱因斯坦给当时任美国总统的罗斯福写了一封信，信里面详细阐述了德国可能正在研制一种大规模杀伤性武器。为了防止像纳粹法西斯政权搞出这种可怕的杀人机器，你一定也要投入人力物力去把炸弹研究出来，哪怕它还只是一种可能性。

这封信其实是1939年写的， 1939年的时候，二战还远远没有发展成世界大战，所以可以说爱因斯坦是非常有先见之明的。但是你可能不知道，这封信其实不是爱因斯坦执笔的，而是三位匈牙利裔的美国科学家。在二战爆发之前，希特勒代表的纳粹党掌握了政权之后，这三个科学家马上就觉得不太对，然后就逃往了美国，加入了美国国籍。可能是他们觉得自己的咖位不够大，如果写信的话总统可能不重视，所以就拉上了爱因斯坦，让爱因斯坦署了个名，然后就把这封信交给了罗斯福总统。那爱因斯坦的名气肯定是够大的，所以获得了罗斯福的充分重视，在罗斯福的授意之下，曼哈顿计划正式启动。

曼哈顿计划其实一开始不叫曼哈顿计划，它的名字叫做Development of Substitute Materials，什么意思呢？直译过来就是“可替代材料的发展”。当然这种军事行动的代号肯定要让你听不明白到底是在干什么，它只不过是在曼哈顿计划的军事指挥这部分的名字叫曼哈顿计划，最后就把整个这个项目都简称为曼哈顿计划。

曼哈顿计划对于原子弹的研究，可以说是一项开展得非常快的工作。为什么这么说？根据我们的经验，在物理上发现了一个理论，或者说发现了一个现象，它要转化成生产力，转化成可以应用的东西，通常都要有一个非常漫长的过程。我们上一集说了原子弹的基本原理，它的能量来源是一个叫做核裂变的反应。核裂变其实1938年的12月才刚刚由一个德国科学家发现的，不是美国科学家。在美国开启曼哈顿计划之前，其实当时的纳粹德国在1939年的上半年，就已经开始投入原子弹的研发了。所以说曼哈顿计划要及时开启，可以说是刻不容缓。从现在的眼光看来，当时的这些科学家，对于世界局势的把控还是相当敏锐的。

接下来我们来看看曼哈顿计划，从1939年开始到1945年成功的这段时间，它具体做了什么工作？一句话简单来说，就是成功的试爆了原子弹，并在日本扔了两颗。但是在这个过程当中，其实是有大量的人力和物力投入到科学和实验当中的。

在这个过程中，曼哈顿计划成功地开发出了两款不同的原子弹，我们上一集其实只介绍了其中一种，就是用铀235这种放射性元素来作为爆炸材料的原子弹。这种原子弹其实是一种最基本的原子弹，它的威力非常有限。因为铀235这种原料它比较适合的炸弹结构，是我们上一期提到的那种最简单的，叫做靶式结构。就是把两块铀分开，然后再用普通炸弹产生高压，把一个圆柱形的铀压到一个凹槽当中，特别像用一颗子弹去打靶，所以叫做靶式结构。这种结构的原子弹威力有限，也顺便回答一下我们上一集提出的问题，为什么威力有限？你想想看，它是把两块小于临界质量的铀给分开，然后并在一块。如果这两块油都小于临界质量，它们合在一块，最终的质量一定不可能大于两倍的临界质量，所以威力相对来说比较小一点。美军当年在广岛扔下的那颗原子弹代号叫做小男孩，这颗原子弹就是靶式结构。

那么另外一种威力更大的原子弹，叫做内爆式结构，这种内爆式结构跟刚才说的那种靶式结构是不一样的。内爆式原子弹用的反应物也不一样，用的元素叫做钚239，这种元素它比铀235还要再重一点，反应起来比铀235的威力更大，放射性也更强，爆炸的破坏力、释放的能量也更多。它的结构是中间放一大块钚239，然后周围一圈可以放很多个小块的钚239。爆炸的时候是所有的普通炸药先爆炸产生高压，把所有的小块的钚239往中心压，瞬间超过临界质量，产生大规模的爆炸。

所以当铀235只有两块的时候，我们说它不能超过两倍的临界质量。但是钚元素，它采用环状的结构，理论上就可以用N块不超过临界质量的钚239压到一块比较大一点的钚239上，总体来说它可以做到N倍的钚239的临界质量。这样的话这种内爆式结构的原子弹，它的威力就更大。当年美军在长崎扔下的原子弹，代号叫胖子，可见威力比小男孩要大。所以曼哈顿计划其实是研究出了两款爆炸方式不太一样，威力等级也不太一样的原子弹。那为什么说曼哈顿计划是人类史上的一个非常了不起的科学奇迹呢？

有这么几个理由，因为曼哈顿计划很有可能是人类历史上投资最大，参与人数最多，见效最快的大型科学研究项目。在40年代耗资二十几亿美金，搁现在差不多要200多亿美金了，美国宇航局NASA每年差不多也要花这么多钱。然后200多亿美金里90%是用来获得铀235矿的，要知道在自然界当中广泛存在的铀矿是铀238，235跟238什么区别？它们分别代表了铀的两种同位素。什么叫同位素？同样是铀原子，它们当中的质子数是一样的，但是中子数不一样，铀238的中子数比铀235的中子数多3个，但正是因为这一点，导致铀238没有很强的放射性，是一个相对来说比较正常的金属。但是铀235却有非常强烈的放射性。

自然界当中铀235这种元素，在铀矿里面大概只有0.7%的含量。所以说大量的人力物力需要去把铀进行提纯，因为只有提纯变成了纯的铀235，才能够用来进行原子弹爆炸。而提纯的过程相当费时费力，90%的资金都用来获得铀235这种反应元素了。

曼哈顿计划整个工程耗时七年，先后有超过20万人参与，这个参与人数可不得了！你可以拿现在的科研项目去对比一下，比方说LHC欧洲原子能中心，它大型对撞机里面的工作人员也远远不到20万人。而且在曼哈顿计划当中，几乎可以说是全美国、或者说全世界盟军这一侧的神牛级的科学家都参加了。曼哈顿计划最早不是美国一个国家在搞，对于原子弹的研究其实是英国科学家率先开始的，但是由于英国离德国比较近，它是二战的一个主战场，一方面要应付德国人，所以没有那么好的环境继续进行科学研究。早期英国科学家的研究资料，后来都直接给美国科学家继续用了。加拿大在这个项目当中也有参与，它在提供铀矿方面提供了非常多的帮助，所以它可以说是一个全世界的顶级科学家通力合作的结果。

简单数一数，几乎全美最著名的大学都参与了这项计划，比方说UC伯克利、芝加哥大学、普林斯顿大学、哥伦比亚大学、麻省理工、加州理工等等。包括现在你去看上一个世纪著名的物理学家，那些拿过诺贝尔奖的，可能有一半以上都在曼哈顿计划里面待过。但是当时由于国籍和一些政治原因，导致很多优秀的物理学家就没有办法参与到其中。

非常有意思的是，曼哈顿计划当时科学团队的负责人叫罗伯特•奥本海默，他被称为“原子弹之父”。在他手下统领着一帮神牛级的物理学家，其中诺贝尔奖获得者都不在少数，唯独非常神奇的是，奥本海默自己自始至终没有得过诺贝尔奖。参与曼哈顿计划的大牛非常多，但是由于国籍和政治的原因，很多人没有办法成为总负责人，比方说总负责人不能由外国人担任，像著名的哥本哈根学派的创始人玻尔，以及在实验物理方面非常出色的吴健雄。华人女科学家吴健雄当年证明了杨振宁跟李政道的宇称不守恒定律，这位女实验科学家也不能成为领导人，然后刚刚加入美国国籍的人也不行，这些人都是不被信任的，大部分人都因为各种原因被排除了。

最后争下来候选人就剩奥本海默跟劳伦斯两个人了，劳伦斯当时已经是一个诺贝尔奖获得者了，而且他是回旋加速器的发明人，可以说对粒子物理贡献非常大，他还是搞实验的！搞实验的物理学家难道不应该负责做原子弹嘛？你本质上还是要做实验，但是最后为什么是奥本海默当了总管，而不是劳伦斯呢？其实充分体现那句话：技术公司的CEO不一定要懂技术，这可能是一个普遍规律。

虽然说劳伦斯名气更大，学术能力也更强，但他的人际关系相对来说比较局限。劳伦斯的人际关系，或者说学术关系主要在美国国内。我们知道全世界的学术中心是在二战之后才转移到美国的，在二战之前一直在德国和英国，所以你的人脉关系一直在美国国内的话可以说基本你认识的人都不太出名。但是奥本海默他经常出访外国，已经认识了三位诺贝尔奖得主和三位未来的诺贝尔奖得主，他的人脉比较广，在管理能力上以及人际关系上，他其实更适合来负责管理这个项目。

奥本海默的领导力也很强，他自己虽然不用一线去做科学研究，但是他可以靠自己的名气去吸引很多优秀的科学家来加入，所以后来也证明了选奥本海默做负责人是非常正确的，它并不是像20世纪大部分的科学成果，可能一两个人在纸上算一算，在实验室穿着白大褂蹲一蹲，就可以做出来。从1938年底科学家发现裂变现象到做成原子弹，一共才七年。曼哈顿计划这个项目能在七年之内搞出来，绝对是全世界科学家通力合作的结果，在科学界可以说是绝对的神速了！

举个例子对比一下，2013年有一项诺贝尔奖获奖的成果叫做希格斯粒子，也被称作“上帝粒子”。万事万物为什么会有质量的原因，就是上帝粒子，但是关于上帝粒子的理论，你猜是哪一年做出来的？1964年。也就是说这个叫希格斯的物理学家，他等了几乎整整50年，才等到自己的理论被验证，才获得了诺贝尔奖。他如果身体不是足够好的话，可能都熬不到自己获奖。这个故事告诉我们保持身体健康是非常重要的。当你三十几岁做出来一个成果之后，你可能要等50年。为什么会等50年？就是因为为了验证这个理论，需要耗费大量的人力物力去做一个超级巨型的对撞机。这个对撞机耗资大概在七八十亿欧元左右，花了二十几年时间，全世界3000多位各个领域的科学家才把它造出来。造出来之后第一件事就是验证希格斯的理论，结果成功了，他就得了诺贝尔奖。

总结一下，这一集介绍了非常著名的曼哈顿计划，曼哈顿计划制造出了两种不同类型的原子弹。从我的角度来说，我认为它是人类历史上最了不起的一次科学大工程！其实在二战结束之后，很多参与了曼哈顿计划的科学家都受到了良心的谴责，尤其是奥本海默本人，因为他看到了广岛和长崎被原子弹炸过之后的残状。奥本海默当时去研究原子弹，其实只是抱着一种物理学家的好奇和冒险意识，但当这个项目真的成功了之后，他就陷入了巨大的自责。这个里面你会发现，科学的进步往往伴随着职业道德和伦理的冲突。

最后请你猜猜看，为什么德国率先开始研究原子弹，但是最终没有做出原子弹，反而是美国后发制人？非常期待在留言区看到你的留言。