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納粹德國的原子彈研究小組「鈾俱樂部」—《為第三帝國服務》

  • 【科科愛看書之本月選書】當科學家面對納粹統治,應該共謀還是抵抗?在《為第三帝國服務:希特勒與科學家的拉鋸戰》中以三位諾貝爾獎得主:彼得.德拜、馬克斯.普朗克和華納.海森堡為主角,敘述他們在納粹統治時期如何面對科學、面對政治。德拜是個局外人,雖然在德國擁有傑出的職業生涯,卻堅持拒絕入籍德國。面對國家社會主義者的干擾和要求,普朗克的反應是苦惱且支吾。海森堡尋求官方的認同,卻又拒絕承認自己的妥協所帶來的後果。

針對戰爭開始前物理學家在德國工作的道德性所提出的關鍵歷史問題是,他們的實務和體制要如何適應納粹政權的種族主義政策和獨裁的行政管理。但是,一旦戰爭開始,焦點便有所不同:更狹義的看待,就更緊密和科學本身結合,而造成的影響遠遠超出德國。對於研究這一時期的歷史學家來說,有個關鍵問題是,這些科學家是否準備好並有能力為希特勒製造核彈。這個問題所引發的爭議看起來不會平息,而在那場風暴的中心,是德拜在萊比錫大學的前同事及最終取代他在柏林職位的海森堡。

哈恩和斯特拉斯曼於 1938 年底發現鈾分裂,立刻帶來爆炸性的意義。與此同時,在漢堡大學的哈特克和格羅斯告訴戰爭帝國國防部,如何將這個發現運用到能源和武器裝備上。法蘭克在哥廷根大學的繼任者喬治.朱斯(Georg Joos)聽說實驗物理學家威廉.漢勒(Wilhelm Hanle)遞交了一份關於如何設計核反應器──也就是鈾機──的論文。朱斯和漢勒致函向帝國教育部的達姆解釋這項提案,而達姆把這封信轉給了帝國研究委員會的以薩。1939 年 4 月 29 日,達姆和以薩召開了專家會議──鈾俱樂部──來討論此事,成員包括朱斯和漢勒、博特和蓋革。德拜受到邀請,但沒有出席。鈾分裂的探索性研究開始於哥廷根大學,但是在深入發展之前,物理學家們就於 8 月時被徵召入伍。

鈾分裂。圖/Public Domain, wikimedia commons.

哈特克和格羅斯的書信送達陸軍軍械局武器研究的負責人艾里希.舒曼(Erich Schumann)的手上。他懷疑這個大膽的想法沒有發展的可能,但還是尋求柏林的物理和技術學院的炸彈專家暨物理學家迪布納的意見。迪布納的助手艾里希.巴格(Erich Bagge)才剛剛在萊比錫大學的海森堡指導下獲得核子物理學博士學位,於是迪布納和他討論這件事。他們於 9 月 16 日在柏林匯聚第二組專家,討論將核分裂用於軍事的可能性。就在同一天,特爾朔通知德拜,威廉皇帝物理研究所將要交由陸軍軍械局管理,進行軍事研究。

第二個鈾俱樂部的成員包括博特、蓋格、哈特克及哈恩。成立十天後的第二次會議,巴格建議也邀請他的前教授海森堡加入,而海森堡很快就主導了俱樂部。海森堡首先帶頭寫了一份報告給陸軍軍械局,討論藉由控制鈾機中的分裂來釋放能量的可行性。他解釋說,這種設備可以提供熱源,為坦克和潛艇提供能量。海森堡寫於 1939 年 12 月的備忘錄也指出,如果鈾-235 中的鈾能夠充分濃化,那麼連鎖反應可能會成為失控的過程,同時釋放所有的能量:易裂材料將會成為「比現有炸藥強大超過十倍」 的炸藥。

德國物理學家,由左而右為海森堡(Werner Heisenberg)、勞厄(Max von Laue)、哈恩(Otto Hahn),其中海森堡和哈恩為鈾俱樂部成員。圖/Mirror

沒有承諾

鈾的濃化能夠實現嗎?哈特克等人開始研究分離鈾的同位素的方法。這是極其困難的挑戰,因為它們的原子重量僅有非常微小的差別。然而,許多一開始的鈾研究都聚焦於製造反應器,而非武器,使用重水作為緩和劑,去減緩分裂中子,讓它們能夠被鈾原子核捕獲,以維持衰變過程。(也曾考慮使用石墨作為緩和劑,但是很快就已放棄,詳見本書第322頁。)

直到戰爭即將結束之前,德國才擁有唯一一座能夠分離重水與普通水的設施:一個在德國占領挪威之後取得的水力發電廠,由一間位於柏林的礦業和化學公司奧爾(Auer)接管。然而,在柏林的第一個反應器原型用石蠟為緩和劑,就像費米在他的早期實驗中用來減緩中子所使用的一樣。這項研究在威廉皇帝生物學和病毒研究所所在地一間木結構建築中進行,就在位於達勒姆的物理研究所隔壁。為了威懾好奇的窺探者,這棟建築被稱為病毒房。

德國很適合進行鈾的研究,因為它占領了捷克斯洛伐克,能夠取得世界上最大產區希姆斯塔爾的鈾礦。但是要使用鈾機中的重金屬,就必須先處理過,也就是透過標準的冶金技術提取並轉化為金屬板。然而在戰爭期間,德國的金屬鑄造有更多當務之急。

隨著德拜離開,以及迪布納被舒曼任命為威廉皇帝物理研究所的所長,研究所的科學家也開始測試反應器的設計。他們最初認為,最好的幾何學會是一系列由重水分離的同心殼層──一種核子洋蔥。費米對超鈾元素所做的研究激發了物理學家的思考,認為由主要、非分裂的同位素鈾-238 造成的中子吸收會產生第 93 個元素,也會像鈾-235 一樣分裂。1940 年 7 月,外側克向武器局建議,可以用這個元素製造炸彈,而這個元素就是今天所謂的錼。前一個月,加州大學柏克萊分校的研究人員發現,錼因為 β 發射到另一個超鈾元素,也就是第 94 個元素,而快速衰變,這個元素被柏克萊分校的研究人員命名為鈽。這種物質也可以作為反應器燃料或炸藥。

在這裡使用鈽而非鈾-235 的優點是,它在化學上不同於鈾,所以從鈾-238 分離出來應該比分離兩個同位素容易得多。外側克一直到戰爭結束後才知道美國的發現,但即使在 1941 年,他也知道第 93 個元素會衰變到第 94 個元素,而且能夠運用在炸彈中,而且他針對那樣的效應起草了一份專利申請。

這種可能說服了海森堡,原子彈或許不是那麼遙不可及的願景。他了解到,人造的超鈾元素也可能藉由在粒子加速器用質子或 α 粒子轟擊鈾而製成。在戰爭大部分的時間裡,德國並沒有這樣的設備在運作,但是波耳在哥本哈根的研究所裡有一台,另一台則由巴黎的約里奧─居禮運作。當法國遭到入侵,博特和另一位鈾俱樂部的成員暨同事沃爾夫岡.根特(Wolfgang Genter)檢查這項設備,並徵召受到扣留的約里奧─居禮來協助讓該設備運作,並於 1941 年底開始運作。

粒子加速器被用來把氘核光束──包含一個質子和一個中子的重氫原子核──射擊到鈾和釷上。反應後的產物接著被送給柏林的哈恩分析。同時,哈恩的威廉皇帝化學研究所於 1942 年開始建造自己的加速器,也就是由陸軍軍械局資助的密涅瓦計畫(Minerva project)。這項計畫從未完成,但是當 1944 年,研究所因為炸彈襲擊而被迫搬遷時,設備就被帶到南符騰堡州的泰爾芬根。博特開始在海德堡建造加速器,並於 1944 年夏天開始運作。雖然他們的努力並未生產出數量驚人的分裂材料,卻讓世人知道,德國物理學家了解鈽彈的原理,儘管還在初步階段,卻朝著目標而努力。

如果鈾-235 可以分離,也將能組成「力量難以想像的炸彈」。如果成功了德國就會擁有可怕的原子彈,世界將會變成如何?圖/By Charles Levy, Public Domain, wikimedia commons

隨著陸軍聯合閃擊戰在 1941 年無情的俄羅斯冬季愈陷愈深,陸軍軍械局更加急於知道「在可預見的未來」是否有任何可能看到結果。 物理學家用 144 頁的文件回答,就為了「整體的能源經濟以及特別的國防軍事」所做的鈾研究的「重大意義」而辯護。 他們正走在鋼索上。如果他們承諾超過他們所能做到的,將被追究責任;但如果他們能夠做到的太少,又會失去資金。這份報告證實,鈾機「可以在短期內看見成果」,而海森堡讓當局聞到先進武器的香氣,卻不指明距離有多遠:「一旦開始運作,」他寫道,「這個機器終將也能生產令人難以置信的強大炸彈。」 他補充說,如果鈾-235 可以分離(儘管在這個方向的努力並未造成多大進展),也將能組成「力量難以想像的炸彈」。

在 1942 年 2 月,在帝國研究委員會的要求下,哈恩、哈特克和海森堡在代表許多高級官員的高層和精通技術的幕僚面前演講,包括希姆勒、戈林和軍備首領史佩爾。史佩爾也到威廉皇帝學會位於柏林的哈納克機構參加一系列的會議,而在那裡(與一些報導所說相反),他似乎對於核子實驗的潛力頗感興趣。史佩爾本人在他的回憶錄中聲稱,那些科學家要求的微薄資金讓他懷疑他們的信念和能力,然而戰時文件顯示,事實上,他密切關注了那個研究,要求定期通報進展。儘管如此,這項工作從未能夠取得像華納.馮.布勞恩(Wernher von Braun)的火箭計畫一樣的巨大資源,而陸軍軍械局最終完全放棄核子計畫。


 

本文摘自《為第三帝國服務:希特勒與科學家的拉鋸戰》,麥田出版。本書為泛科學 2017 年 2 月選書。

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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