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發現核分裂卻被軟禁的諾貝爾獎得主-奧托・哈恩誕辰|科學史上的今天:3/8

張瑞棋_96
・2015/03/08 ・1094字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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圖/ wikimedia

1945 年七月,倫敦近郊的一處農場突然被英軍徵用,並派士兵駐守巡邏。外界都不知道裏頭軟禁了十位德國科學家,他們自二次大戰末期陸續被英軍秘密逮捕,之後集中移送至此處。雖然德國早在五月就已無條件投降,但他們因被懷疑參與納粹的核子計畫,仍在接受偵訊調查中。

11 月 18 日這天,房舍突然傳出歡愉的德文合唱聲。倒不是他們即將被釋放,而是其中一位化學家哈恩榮獲諾貝爾化學獎,大夥兒唱歌慶祝;他們從報紙才知道三天前諾貝爾獎委員會宣布了這項消息。哈恩本人並沒有如慣例先接到電話告知,因為根本沒有人知道他的下落。英軍允許他寫信告知諾貝爾獎委員會他欣然接受,但因故無法前往領獎──當然不得透露他被軟禁於此。

哈恩提筆欲書,卻百感交集。當然所有人都認為他獲獎是實至名歸。1938 年以前,從事放射性研究的科學家都認為以中子或 α 粒子轟炸鈾元素,會使鈾原子核捕獲這些粒子而形成更重的超鈾元素。直到哈恩率領研究小組經過一連串的嚴密實驗,確認鈾原子核反而因為中子的射擊而撕裂開來,形成較輕的元素,並釋放出能量,科學家這才認識了難以置信的核分裂現象。哈恩就是因為這個重要發現而獲得諾貝爾化學獎。

因為哈恩的發現,核分裂的研究得以走向正確的方向而突發猛進,成果之一,就是製造出原子彈。當然納粹政權也想製造原子彈,但哈恩並未提供實質協助;他在德國戰敗之前就堅決反對納粹迫害猶太人,勇敢掩護許多猶太科學家,並協助他們逃離德國,他深知納粹德國一旦擁有原子彈的可怕。他根本反對任何國家發展核子武器,當他幾個月前在農舍內讀到日本原爆的慘狀時,幾乎崩潰了!他感覺自己就是始作俑者,而今他卻因發現核分裂而獲獎⋯⋯。

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哈恩還是將信寄出了。他應該藉由自己的地位與影響力協助科學走向正確的方向。1946 年初,哈恩終於獲釋,年底才前往瑞典的諾貝爾獎頒獎典禮補領他去年獲得的獎項。他回到德國將原來的國家科學研究院重新改造為普朗克研究院,並擔任院長直至 1960 年。在幫助祖國重新站起來的同時,他也加入鮑林與愛因斯坦等人的行列,呼籲停止核武試爆;他不斷大力奔走警告世人核武競賽對人類的威脅以及對我們這個星球的傷害,直到死前始終不懈。
本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 955 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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《奧本海默》中被遺忘的火星人數學家馮紐曼和波利亞——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/03 ・5466字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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  • 作者/劉柏宏
    • 勤益科技大學基礎通識教育中心教授
  • Take Home Message
    • 電影《奧本海默》中,對於幾位匈牙利數學家如馮紐曼、波利亞等人的描述篇幅較少,但他們其實對科學界影響深遠。
    • 馮紐曼在曼哈頓計畫中建議以內爆透鏡設計原子彈,不僅所需的裂變材料較少,又可以防止原子彈過早引爆,達成更對稱與高效的爆炸。
    • 波利亞提出以「捷思法」等強調歸納實驗的方式思考數學問題,例如觀察找出數學公式的形成,此法也掀起了數學教育革命。

遊艇緩緩流動在分隔布達區(Buda)與佩斯區(Pest)的多瑙河上,絲絨般的水波、柔棉沁涼的河風,兼容哥德式與文藝復興建築風格的匈牙利國會大廈(Hungarian Parliament Building)圓頂,在夕陽的烘托之下宛如紅寶石般璀璨,流瀉出昔日奧匈帝國的風華。

筆者來到此地,終於可以想像為何 100 年前這條河的兩岸能夠孕育出一批改變科學面貌,甚至改變人類歷史的數學家與科學家。趁著今(2023)年暑假到布達佩斯開會之便,筆者也試著踏尋這些科學家的足跡。

回臺灣之後恰逢電影《奧本海默》(Oppenheimer)上映,儘管許多人聚焦在主角奧本海默(Julius Oppenheimer)的內心世界,不過筆者更關心的是幾位被火星人遺留在地球上的匈牙利數學家。

地球上的火星遺民

20 世紀初歐美科學圈流傳著一個神祕的傳說,記錄下這傳說的是匈牙利物理學家馬克思(György Marx),但傳說起源卻得從義大利物理學家費米(Enrico Fermi)說起。

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1950 年某個夏日午後,費米在美國原子彈曼哈頓計畫(Manhattan Project)的基地——洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory),和幾位科學家聊到當時有關幽浮的報導時,提出了一個問題:

「宇宙如此浩瀚,包含無數恆星,許多恆星和太陽沒什麼差別,也有行星圍繞著它們旋轉。一部分的行星地表也會有水和空氣,而來自恆星的能量將促使有機化合物合成。

這些化學物質將相互結合產生一個自我複製系統。最簡單的生物會通過自然選擇繁殖、進化並變得更加複雜,直到最終出現活躍的、會思考的生物,文明、科學和科技隨之而來。

由於對美麗新世界的渴求,他們會旅行到附近行星,然後到另一個恆星的行星。他們最終應該遍布整個銀河系。這些非凡和傑出的人很難忽視像地球這樣美麗的地方。

所以,如果真是如此,他們必定來過這裡。那麼,他們到底在哪裡?」

關於這個「費米問題」,匈牙利物理學家西拉德(Leo Szilard)的回應是:「他們就在我們身邊啊!只是他們自稱匈牙利人!」(They are among us, but they call themselves Hungarians.)。

西拉德的高級幽默,點燃匈牙利人是火星遺民的想像,各種附和的說法紛紛出籠。有一種說法是 19 世紀末至 20 世紀初,一艘來自火星的太空船降落在地球,由於發現匈牙利的女子美麗又性感因而定居下來,繼而繁衍後代。

後來太空船要返回火星時超重,不得不將一些人留下,這些人包括建議當時美國總統羅斯福(Franklin Roosevelt)發展原子彈的信函主要起草人西拉德、協助潤稿的泰勒(Edward Teller)和諾貝爾物理學獎得主維格納(Eugene Wigner),還有化學獎得主歐拉(George Olah)與波拉尼(John Polanyi)、經濟獎得主哈薩尼(John Harsanyi);以及數學家艾迪胥(Paul Erds)、波利亞(George Pólya)、馮紐曼(John von Neumann)、哈爾默斯(Paul Halmos)、拉克斯(Peter Lax)等人。

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這幾位科學界的火星遺民有許多共同點:他們都出生於匈牙利。

除了喜歡雲遊四海的艾迪胥外,他們後來都移居並任教於美國的大學;他們思考問題時都喜歡來回踱步;另有一個最不可思議的共同點——他們都是猶太人。

至於為何火星人特別鍾情猶太人?這可能又是另一個「費米問題」。

《奧本海默》的最大遺珠——馮紐曼

筆者本次開會的地點在羅蘭大學(Eötvös Loránd University),該校在過去不同時期曾名為布達佩斯大學(University of Budapest)、帕茲馬尼-彼得大學(Pázmány Péter Catholic University)。

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該校培育出不少數學家與科學家,而馮紐曼是箇中翹楚。

馮紐曼出身於布達佩斯的富裕猶太家庭,父親是位對他有很深期待的銀行家,希望兒子能往化學工程發展,但馮紐曼卻對數學情有獨鍾。有許多關於他的數學傳奇事蹟,例如 6 歲能心算八位數除法,8 歲熟悉微積分,15 歲開始學高等微積分,19 歲已經發表兩篇數學論文。

最後馮紐曼不違父願也無逆己志,不僅在蘇黎世理工學院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, ETH)讀化工,同時也在帕茲馬尼-彼得大學研修數學博士。

有鑑於在 19 世紀末和 20 世紀初,德國數學家康托爾(Georg Cantor)的集合論導致某些推論會產生矛盾難題,即使在當時產生的矛盾並非集合論的核心,但在嚴格檢驗非核心的部分時,邏輯上還是會發現一些瑕疵,因此馮紐曼選定了與集合論基礎有關的內容深入研究。

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他的博士論題目為〈一般集合論的公理化構造〉(Az általános halmazelmélet axiomatikus felépítése),並於 1926 年同時取得兩所大學的博士學位。

而後在洛克菲勒基金會(Rockefeller Foundation)的資助下,他前往德國哥廷根大學(University of Göttingen),師從德國數學家希爾伯特(David Hilbert)。

1933 年為逃避納粹對猶太人的迫害,馮紐曼應聘前往美國普林斯頓高等研究院(Institute for Advanced Study),在那裡開始專研計算機科學,同時也結識了奧本海默。

馮紐曼(右)和奧本海默(左)。圖/科學月刊

建議原子彈採用「內爆式」設計的馮紐曼

由於馮紐曼的博學與優異數學計算能力,奧本海默聘請他作為曼哈頓計畫的顧問,主要負責兩項任務:一是研究內爆透鏡的概念和設計,二是負責預估炸彈爆炸的規模、死亡人數,以及炸彈爆炸的離地距離以達到最大效果。

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什麼是內爆透鏡?當時曼哈頓計畫考慮的核分裂方式有兩種,一種是「槍式核分裂」(gun-type fission)設計,另一種則是「內爆透鏡」(implosion lens)的設計。

槍式核分裂設計是仿造子彈的射擊方式,利用常規炸藥將一塊次臨界物質射向另一塊可裂變物質,使可裂變物質達到臨界質量(圖一)。

圖一、槍式核分裂設計的原子彈。原理是利用炸藥將一塊次臨界物質射向另一塊可裂變物質(鈾),使可裂變物質達到臨界質量,投擲於廣島的「小男孩」就是採用此設計。圖/科學月刊

槍式核分裂使用鈾(uranium, U)作為裂變材料,二戰時投擲於日本廣島的「小男孩」(Little Boy)就是採用槍式設計。但由於當時鈾的存量並不足夠,因此必須發展另一種形式的原子彈,也就是內爆透鏡設計。

內爆透鏡設計以鈽(plutonium, Pu)作為裂變材料,在空心的球狀空間內放置鈽,並在球形鈽彈周圍放置炸藥。這些炸藥爆炸同時產生的強大內推壓力將會擠壓球形鈽彈,引發連鎖反應造成核爆(圖二)。

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圖二、內爆透鏡設計的原子彈。它以鈽為裂變材料,空心的球狀空間內含鈽,並在鈽彈周圍放置炸藥,炸藥爆炸時產生的強大內推壓力會擠壓鈽彈,引發連鎖反應造成核爆,這也是投放到長崎的「胖子」設計原理。圖/科學月刊

馮紐曼評估之後,認為「內爆式」設計優於「槍式」設計,且內爆型原子彈所需的裂變材料較少,又可以防止過早引爆以達成更為對稱與高效的爆炸,因此建議奧本海默改發展內爆式核彈,這就是二戰時被投放到日本長崎的原子彈——「胖子」(Fat Man)。馮紐曼在曼哈頓計畫中的角色如此關鍵卻被電影所忽略,確實令許多人不平。

馮紐曼從小嶄露他的優異天賦且記憶力驚人,除數學領域之外在諸多科學分支也有所涉獵且精通。他的聰慧早已獲得同儕的認同與讚譽,常被稱為數學界最後一位通才。有一個流傳甚廣的傳說是某次宴會中女主人問馮紐曼一個問題:

「兩列相距 200 英里的火車正在相向行駛,每輛火車的行駛速度均為每小時 50 英里。一隻蒼蠅從其中一列火車的前面出發,以每小時 75 英里的速度在火車之間來回飛行,直到火車相撞並將蒼蠅壓死為止。蒼蠅在這段期間總共飛行了多少距離?」

一般人解這一題可能是先算第一段時間蒼蠅飛行的距離,再算第二段時間蒼蠅飛行的距離,由於蒼蠅來回飛行無限多次,距離愈來愈短,可以用無窮等比級數求和的方法得出解,但這樣的計算相當繁複。有一個更快捷的技巧是直接算出兩輛火車將於兩小時後相撞,因此得知蒼蠅總共飛行 150 英里。

馮紐曼聽完問題不一會兒就答出 150 英里,女主人對於馮紐曼沒有陷入計算無窮等比級數的陷阱感到失望,但馮紐曼竟回答:「我是用求和的啊!」若此傳說當真,顯見他驚人的計算能力。

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1963 年諾貝爾物理學獎得主維格納表示,他認識當代許多頂尖科學家,包含德國理論物理學家普朗克(Max Planck)、英國理論物理學家狄拉克(Paul Dirac)、西拉德、泰勒、愛因斯坦,但沒有一個人像馮紐曼般才思敏捷。曾有人問維格納為什麼匈牙利出現這麼多天才,維格納的回答是:「真正的天才只有馮紐曼一人。」

引發數學教育革命的波利亞

本文要介紹的第二位匈牙利數學家是波利亞。1912 年,他於布達佩斯大學取得數學博士學位後,便前往德國哥廷根大學從事博士後研究。他在哥廷根大學結識許多當代最傑出的數學家,例如希爾伯特和克萊因(Felix Klein),之後便到蘇黎世理工學院任教。相較於一般嚴謹木訥的數學家,波利亞相當擅長說故事,包含數學家的軼事和「說數學」的功力。

馮紐曼在蘇黎世理工學院修讀博士時,也曾上過波利亞的書報討論課。有次波利亞提到一個尚未解決的數學問題,他認為要證明這問題很困難,沒想到五分鐘之後馮紐曼舉手,然後在黑板上寫下證明,從此之後馮紐曼變成他最敬畏的學生。

另外,波利亞也曾談論有關希爾伯特的故事。在德國盛傳一個傳說,深受德國人敬愛的皇帝腓特烈一世(Friedrich I)沒有死亡、只是沉睡,等到德國需要他時他就會挺身而出。因此便有人問希爾伯特:「你若在死後 500 年復活,你會做什麼事?」希爾伯特說:「我會問是否有人證明了黎曼猜想(Riemann hypothesis)?」

黎曼猜想與質數分布具有密切的關係,是希爾伯特於 1900 年提出的 23 個最重要數學問題之一。有些數學家將證明黎曼猜想形容為「數學界的聖杯」,因此它的重要性可見一斑。2018 年 9 月 24 日,英國數學家阿蒂亞(Michael Francis Atiyah)宣稱他證明了黎曼猜想,此事件也曾轟動一時。

但阿蒂亞的證明還來不及得到同儕認證,便不幸於 2019 年 1 月 11 離世,截至目前為止數學界仍對阿蒂亞的證明有所質疑。所以如果希爾伯特現在真的死而復活,那他恐怕要失望了。

波利亞於 1945 年出版《怎樣解題》(How To Solve It)一書,展現他「說數學」的功力。他常強調數學有兩面,數學結果的呈現方式有如歐幾里得(Euclid)幾何學般的演繹論證形式,但數學知識發展過程卻更像是一門實驗歸納的科學。書中提倡以捷思法(heuristic)思考數學問題,例如高中時老師通常教學生如何證明 13+23+33+43+⋯+n3=,但卻很少說明究竟如何得到此公式。

波利亞則要學生先做探索觀察。例如從圖三可以發現前五個自然數的立方恰好都等於另一個自然數的平方,這樣的特殊性可以推廣為「前 n 個自然數的立方和等於某個自然數的平方嗎?」若可以推廣,某個自然數到底是哪個數?我們進一步觀察可以得到:1=1, 3=1+2, 6=1+2+3, 10=1+2+3+4, 15=1+2+3+4+5,將這觀察和圖三結合就得到圖四中令人驚訝的結果。

圖三、前五個自然數的立方和。圖/科學月刊
圖四、前五個自然數的立方和等於前五個自然數和的平方。圖/科學月刊

這麼美麗的結果應該不會只是巧合,所以一個合理的臆測也因此誕生:「前n個自然數的立方和等於前n個自然數和的平方」,也就是 13+23+33+43+⋯+n3=(1+2+3+4+⋯+n)2。由於 1+2+3+4+⋯+n=,所以得到 13+23+33+43+⋯+n3這個「合理的」公式,接著就可以證明此結果的正確性。

由此我們看到捷思法可以展現一個數學公式形成的過程,如同在《奧本海默》電影中丹麥物理學家波耳(Niels Bohr)建議奧本海默改到哥廷根大學跟從玻恩(Max Born)學習理論物理。

波耳問奧本海默數學程度如何,並提醒他:「代數就像一本樂譜,重點不是你能否讀懂音樂,而是能否聽懂音樂。」(Algebra is like a sheet music. The important thing isn’t if you can read music; it’s if you can hear it.),波利亞的捷思法就是教我們如何聽懂音樂而不光是讀懂音樂。

在 1960 年代,美國由於憂慮太空競賽落後蘇聯,因而發起所謂「新數學」的中學數學課程改革,強調數學的抽象性,試圖讓學生早一點熟悉數學邏輯的演繹過程,但這種罔顧知識發展脈絡的改革註定以失敗告終。

1980 年代,波利亞強調歸納實驗思考過程的捷思法逐漸受到重視,掀起一波「數學問題解決」(mathematical problem-solving)的浪潮,而這股浪潮的影響也猶如核分裂的連鎖反應,持續至今。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 11 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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做一顆原子彈有多困難?《奧本海默》背後的細節!原子彈究竟是文明之火,還是毀滅之火?
PanSci_96
・2023/08/27 ・6337字 ・閱讀時間約 13 分鐘

人類史上第一顆核武器 The Gadget 試爆。圖/wikimedia

1945 年 7 月 16 日美國時間早上五點三十分,在新墨西哥州的托立尼提沙漠內,人類史上第一顆核武器 The Gadget 引爆,爆炸溫度 7 千萬 K,三位一體核試驗宣告成功。這次爆炸不僅留下 80 公尺寬的核彈坑,徹底打開了潘朵拉之盒。

知名導演克里斯多福.諾蘭的電影「奧本海默」,用鏡頭為我們帶來奧本海默這位偉大科學家波瀾壯闊的一生,從他為人類取來核武器火種以威懾納粹,但意識到自己帶來的不是文明之光,而是毀滅之火。最後拒絕繼續參與氫彈的開發,卻捲入共產思想疑雲的政治風暴之中。

奧本海默的精彩故事,歡迎大家進電影院好好體會,但在進戲院之前,我們先來了解,這位原子彈之父,是怎麼做出原子彈的。為何曼哈頓計畫需要召集如此多的科學家,甚至招募多達 13 萬名員工來完成這項壯舉?預告片中出現的這個球體,是如何改變人類的歷史?

電影《奧本海默》預告片中出現的這個球體,是如何改變人類的歷史?圖/奧本海默電影預告

原子彈如何被製造?

1945 年 8 月 6 日與 8 月 9 日,兩枚原子彈小男孩與胖子分別在廣島與長崎的 550 公尺上空引爆,雖然終結了第二次世界大戰,但造成的直接與間接死傷,更震撼了全世界。

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雖然兩顆笨重的原子彈重量超過 4 公噸,但真正的核燃料核心在原子彈小男孩中只占了 50 公斤,而且經過計算,實際參與反應的可能只有其中 1 公斤。另一個原子彈胖子的核心更小,只有 6.2 公斤,是個直徑約 10 公分的球體,實際參與反應的部分大約是 1.2 公斤。

根據愛因斯坦著名的質能等價公式 E=mc^2,我們可以計算出在反應中損失 1g 質量,會產生大約 90 兆焦耳的能量,相當於 2 萬噸 TNT 的能量。1g 質量換 2 萬噸 TNT,難怪不論哪個陣營都想盡快開發出這恐怖的炸彈。預告片裡面也提到,許多科學家都擔心「如果我們不現在加緊研發,被納粹先做出來了怎麼辦」,而推動了這足以毀滅人類的軍武競賽。

但是,就算有了質能等價公式,卻還是無法憑空造出原子彈。我們過去在討論核能的影片中提過,核反應要持續,需要靠連鎖反應。一個反應堆中,每吸收一個中子就會釋放一個中子,讓反應穩定進行下去,稱為臨界狀態,也是一般核能發電廠希望達到的狀態。如果吸收一個中子,卻釋放不到一個中子呢?,那就稱為次臨界。所有沒在反應的燃料棒都應該處於這個狀態。原子彈呢,當然是希望吸收一個中子,釋放出超過一個中子,讓反應快速連鎖下去,在極短時間釋放巨大能量。這個狀態稱為超臨界或是過臨界狀態。

這邊提個物理學家間的有趣討論,預告片中,由麥特戴蒙飾演的格羅夫斯少將問奧本海默,在 The Gadget 試爆的瞬間,世界有沒有可能就此毀滅,奧本海默回答「機率幾乎是零」。這件事其實是出自奧本海默與另一位物理學家康普頓的討論,他們想到,大氣中有許多氫氣、氦氣、氮氣等輕元素,核爆瞬間可能會因為高溫在大氣中引發核融合,甚至產生連鎖反應,連海水中的氫都發生爆炸,讓地球化為太陽,世界終結。奧本海默和其他科學家還實際嚴密計算,確認機率幾乎是零。

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預告片中,格羅夫斯少將問奧本海默,在 The Gadget 試爆的瞬間,世界有沒有可能就此毀滅。圖/奧本海默電影預告

雖然核融合與核分裂的條件不相同,這個假設放在現在可能覺得太過誇張,但這也說明要讓核反應連續下去並不簡單。

在核分裂中,要達成超臨界狀態並不容易。在理想條件下,鈾 235 每吸收一顆熱中子,會產出 2.06 個中子,吸收快中子則會產出 2.5 個中子。另一個原子彈核燃料鈽 239,則在吸收熱中子和快中子兩種不同能量的中子後,分別產出 2.1 和 3 個中子。然而實際上,中子往四面八方移動,並不是所有的中子都會被原子核捕獲。加上未濃縮的燃料中含有大量其他元素,例如鈾 238,導致燃料堆很難進入超臨界狀態,大幅降低炸彈的效果。等等,既然如此,曼哈頓計畫是怎麼克服這件事的呢?

如何讓原子彈進入超臨界狀態?

電影預告中的芝加哥 1 號堆 CP-1。圖/奧本海默電影預告

1942 年 12 月 2 日,人類史上第一個核反應堆-芝加哥 1 號堆 CP-1,在物理學家費米的主持下,初次達到臨界狀態,曼哈頓計畫成功踏出第一步,人類正式進入原子能時代。預告中一閃而過的這個結構,就是 CP-1,由 4 萬多個作為中子減速劑的石墨塊組成,裡面塞著一顆顆的鈾塊。

很難想像的是,在當時,控制臨界狀態的控制棒竟然是讓人用手抓著的,反應堆的位置還在芝加哥大學的足球場底下 (Stagg Field)。

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人類史上第一個核反應堆-芝加哥 1 號堆 CP-1,可以看見控制臨界狀態的控制棒是讓人用手抓著的。圖/wikimedia

在這之後,曼哈頓計畫進入下一個階段,洛斯阿拉莫斯國家實驗室 LANL(也就是電影預告中的小鎮)成立,奧本海默擔任首任主任,並聚集了當時幾乎所有能找到的物理、化學、工程學專家。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室 LANL。圖/奧本海默電影預告

為了讓原子彈能順利進入超臨界狀態,科學家的第一步,就是要濃縮鈾。將天然鈾礦中佔 0.7% 的鈾 235,濃縮到將近 100%。這不簡單,首先,鈾的沸點是攝氏 4000 度,因此要先與氟反應成沸點只有攝氏 57 度的六氟化鈾,接著利用兩者質量的些微差異,使用氣體擴散法或是離心法分離。

以氣體擴散法為例,氣體通過過濾材料的能力,正比於分子量的平方根,然而六氟化鈾 235 和六氟化鈾 238 的分子量分別是 349 和 352,只差了 0.85%。實際上兩者穿越過濾膜的能力大約是 1 比上 1.003,也就是經過一次濃縮,濃度會從 0.7%,變成 0.7021%,經過 100 次濃縮,濃度才會從 0.7% 變成 0.945%,要濃縮到接近 100%,非常耗時又耗力!雖然後來還有發展熱擴散法、透過雷射游離後分離的方法,或是結合質譜儀與迴旋加速器磁鐵的電磁分離法,但不論哪個,不是技術要求極高,就是需要重複多次,有些方法還會有臨界事故的風險,選項其實也不多。

但積沙成塔,聚少成多,只要肯花時間與人力,遲早都能得到濃縮鈾。有了寶貴的濃縮鈾,和來自中子照射鈾 238 產生的鈽 239,終於,原子彈可以登場了。

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原子彈如何運作的?

原子彈是如何運作的呢?我們先從「小男孩」開始說起。

原子彈小男孩採用的是槍式結構,裡面有四個重要構造:核心、起爆劑、反射體、和起動物。在炸彈尚未引爆時,含有高濃度鈾的核心會先被分為左右兩塊。爆炸時再透過起爆劑讓兩塊核心撞在一起,進入超臨界狀態。

原子彈小男孩的槍式結構。圖/wikimedia

為什麼兩塊併為一塊就會進入超臨界?這是因為在連鎖反應時,中子會不斷從核心的表面逃脫,變成無效的中子,減緩連鎖反應。對於核心這種球體來說,表面積與體積的比值,會與直徑成反比。也就是當球體越大,表面逃逸的中子對於整體的影響就越小,內部就能有更強的連鎖反應,直到臨界狀態。此時核心的質量,就稱為臨界質量。

也就是當球體越大,表面逃逸的中子對於整體的影響就越小,內部就能有更強的連鎖反應,直到臨界狀態。圖/wikimedia

在小男孩中,被拆成兩半的核心各自都未達到臨界質量,直到兩塊撞在一起,才進入臨界甚至超臨界狀態。這時,旁邊以鈾為材料的反射體,則負責將溢出的中子反射回核心,進一步觸發更強烈的連鎖反應。

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最後,為了讓反應在核心撞在一起的瞬間,就以最激烈的方式進行,核心通常會設有「起動物」,由鈹-9 和釙-210 組成。釙 210 會因為自然衰變,不斷產生 α 射線,鈹則會在吸收 α 射線後產生中子,作為整個連鎖反應的開頭。在原子彈爆炸前,鈹和釙會跟著分成兩半的核心分別放在兩側,隨著核心碰撞的瞬間產生反應,釋出大量中子。

但槍式構造的反應方式效率十分低下,原子彈小男孩中實際參與反應的燃料,根據事後計算,大約只有五十分之一。而且,槍式結構也無法使用連鎖反應更強的鈽作為燃料。

因此,電影中球型的內爆式原子彈就登場了。

球形的內爆式原子彈。圖/奧本海默電影預告

什麼是內爆式原子彈?

胖子原子彈的燃料使用率大約是 1/5,是小男孩的十倍,這是因為它採用了內爆式結構。

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回頭說一下,小男孩的槍式結構雖然效率不高,但結構簡單不易出錯,因此甚至沒有測試過就被投入實戰。

而內爆式的胖子因為容錯率低,因此前面才有三位一體試驗中原子彈 The Gadget 的試爆。

內爆式結構複雜在哪呢?在內爆式結構中,最內層一樣是用金屬層隔開的起動物鈹-9 和釙-210,外面是由鈾和鈽組成的混合氧化物核燃料 MOX,更外圈是用來反射中子的反射體。在反射體外面,占整顆炸彈體積最大的,是一般的炸藥。作用是在起爆時,將核心用力往內擠壓,將核心推向超臨界狀態,讓起動物的金屬隔層破裂,誘發中子釋放。在原子彈誘爆初期,因為外頭炸藥的擠壓,中子會在反射層內快速反彈,大大增加燃料的使用率。

內爆式結構示意圖。圖/wikimedia

在預告畫面中的球體,就是標準的內爆式原子彈。在結構正中央的圓形物體,其實是反射層,核心和起爆物都被包裹起來,在看不見的更裡頭。而外面一塊塊的多邊形結構,其實都是炸藥,負責擠壓核心,但如何在內爆時讓核心維持完美球形,不會因為壓力不均而從某側破裂,卻是一項巨大挑戰。

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內爆式原子彈。圖/奧本海默電影預告

為了確保達到預期效果,原子彈中含有爆炸速度快與慢的兩種炸藥,透過時間差,讓反射層在壓縮核心時能維持對稱的圓形。為了解決這個艱鉅的挑戰,數學家約翰.馮紐曼發展了 ZND 模型,用來計算火藥與震波的模型,成功計算出快、慢火藥的比例與配置。沒錯,就是那位提出電腦馮紐曼架構的那位馮紐曼。

橘色是「慢速火藥」,黃色是「快速火藥」,另外 Detonator 為「雷管」。圖/PanSci YouTube
放置炸藥引信。圖/奧本海默電影預告

更進一步,為了達到計算的效果,32 塊炸藥需要在千萬分之一秒內同時引爆,然而當時的雷管引爆誤差可能有 1/10 秒以上。這時,另一位物理學家阿爾瓦雷茨出馬了,他開發出 EBW 式雷管,解決了問題。這種雷管允許大電流通過,但同時也需要總重量一公噸的電池和電容器才能運作。預告片這句「起爆器已充電」指的應該就是這些電池與電容。

雷管允許大電流通過,但同時也需要總重量一公噸的電池和電容器才能運作。圖/奧本海默電影預告
雷管。圖/wikimedia

至此,濃縮燃料、內爆式結構和啟爆裝置都就緒了,接下來的故事大家都知道了。1945 年 7 月 16 日早上五點三十分,刺眼的火球照亮整個沙漠(聽說只有費曼裸眼看了這場人類核彈首爆秀),人類在核武器的發展上已經無法停下腳步。

人類在核武器的發展上已經無法停下腳步。圖/奧本海默電影預告

導演克里斯多福.諾蘭的最新大作《奧本海默》,改編自這本獲得普林斯頓獎的傳記「American prometheus The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer 」,《奧本海默的真相與悲劇》,並冠上副標 American prometheus 美國普羅米修斯,象徵為人類取來原子之火。

三位一體核試驗成功的 20 年後,奧本海默回憶到:「我們知道世界自此就不再一樣了。有的人笑,有的人哭,但大部分人沉默無言。我想起了印度教古典《薄伽梵譚》中,毗濕奴對阿周那王子所說:『我現在成了死神,世界的毀滅者。』我想,我們大家都多多少少是這樣想的。」

奧本海默的回憶。圖/atomicarchive.com

兩顆原子彈在日本被投下的隔年,奧本海默拒絕參與第四次核試驗,也拒絕杜魯門總統邀請的氫彈計畫。從此,這位原子彈之父人生出現重大轉變。小勞勃道尼飾演的原子能委員會主席,路易斯.史特勞斯,也將為奧本海默的人生帶來許多風雨。

電影原作書籍的兩位作者 Kai Bird 和 Martin J. Sherwin,雖然不是奧本海默的好友,但兩位都是歷史學家,也是政治、核武和冷戰的研究專家。書中從奧本海默小時候的成長與求學開始、講到他參與曼哈頓計畫與擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室主任、成為原子彈之父、受到政治迫害,最後獲得平反,鉅細靡遺地介紹了他的一生與心境變化。整本書花了 25 年完成,蒐集了成千上萬份收藏於美國國會圖書館,來自奧本海默的文件、以及 FBI 超過 25 年累積了數千頁的監控紀錄、還採訪了將近一百位熟悉奧本海默的密友、親戚與同事。光是聽以上的說明,就已經能想像其豐富又崎嶇的生活歷程了。

歷時 25 年,蒐集了成千上萬份資料完成的電影原作書籍。出自原文書第xii頁,中文版第6頁。

關於這些科學家之間的互動與理念的碰撞,我們就等著進電影院,看諾蘭大師如何透過鏡頭,介紹這段人類的重要歷史吧!

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身在臺灣也不能阻止他進行核分裂實驗,日本高能物理學奠基者——荒勝文策
PanSci_96
・2023/03/10 ・4147字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/陳立欣

你知道亞洲第一次成功的核分裂實驗是在臺灣完成的嗎 ?

1934 年 7 月 25 日晚間,就在今天的臺灣大學二號館 101 室,舉行了一項令人興奮的偉大實驗。科學家用高壓直線型加速器使質子加速前進,撞擊鋰原子而得到了兩個 α 粒子!這是亞洲第一次,也是世界第二次成功分裂原子核的實驗。而進行這項實驗的科學家,就是時任臺北帝大物理學講座首任教授——荒勝文策(Bunsaku Arakatsu)

醉心物理學研究,歐洲行開啟高能物理之路

荒勝文策出生於 1890 年 3 月 25 日,日本兵庫縣印南郡的一個小漁村。他從御影師範學校與東京高等師範學校畢業後,一度曾在佐賀縣擔任教職。後來在興趣的推動下,1915 年進入京都帝國大學物理學系就讀。1918 年他從京都帝國大學物理學系畢業,並旋即擔任該校講師。其後陸續擔任京都帝國大學物理學系助理教授、甲南高等學校教授、臺灣總督府高等農林學校教授。

從事教職之後,他還是對研究比較感興趣,後來因緣際會之下,他以臺灣總督府在外研究員的身分前往歐洲留學,正式開啟了他與高能物理學的淵源。

荒勝到了歐洲之後,曾經短暫留學於德國的柏林大學(今柏林洪堡大學),跟隨物理學巨擘阿爾伯特・愛因斯坦(Albert Einstein)作研究,當時也正是哥本哈根詮釋風靡全世界的時候。荒勝在自傳中表示,無論在物理或是思考面,都受到愛因斯坦相當大的影響,使得原本矢志攻讀理論物理學的他,轉而對原子核實驗產生了相當大的興趣。

1900 年的德國柏林大學(今洪堡大學)。圖/wiki

因此,一年後他到瑞士蘇黎世聯邦理工學院師從保羅・謝樂(Paul Hermann Scherrer),並進行有關鋰原子中自由電子分布的研究。緊接著他到英國劍橋大學卡文迪西實驗室,師從約瑟夫.湯姆森(Sir Joseph John Thomson)歐尼斯特・拉塞福(Ernest Rutherford)詹姆士.查兌克(Sir James Chadwick)等人共二年半的時間。(編按:此三人正是中學物理課本中介紹近代物理中,對原子核構造發現有重大貢獻的三位物理學家。湯姆森以陰極射線實驗發現了電子、拉塞福以金箔實驗確立了原子核的存在、查兌克則發現了中子。)

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他於 1928 年 8 月獲得京都帝國大學理學博士學位,而畢業論文的主題,就是運用愛因斯坦狹義相對理論裡的「質能互換公式」理論,撰寫出以原子釋出巨能的理論公式。他從事高能物理學研究之路,自此開啟。

臺灣首任物理學教授,完成亞洲首次核分裂實驗

1928 年 12 月,荒勝來到了臺灣總督府轄下的臺北帝國大學,擔任物理學講座的首任教授,並開設普通物理與原子論等相關課程,也是臺北帝國大學首次開設物理學相關課程。荒勝趁著在歐洲進修的機會,大肆採購了許多教學研究相關的圖書與器具,為臺北帝國大學的物理學發展帶來很大的幫助。

1932 年 4 月《自然》雜誌裏有一篇論文,描述英國劍橋大學卡文迪西實驗室怎樣用 Cockcroft-Walton 的加速器,製造快速質子,打入鋰(Lithium)原子核後引發核反應,產生一對 α 粒子來促成鋰蛻變。

經典的核反應之一——鋰同位素的 α 衰變示意圖。此一核反應示意圖中,Li-6()與氘()反應,形成高度激發狀態的中間產物 原子核,並立即再衰變為兩個 α 粒子()。圖中的紅色球體代表質子,藍色球體則代表中子。圖/wiki

在瞭解了這個過程內容後,荒勝就對助手木村毅一說:「這是個大變動之事,我們也來試看看吧!」

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荒勝決定在臺北帝大二號館 101 室建造 Cockcroft-Walton 型加速器。當時臺灣設備簡陋資源不足,有許多問題需要克服。除了器材需要打造,實驗室裡面也沒有天然的放射線源,荒勝借鑑臺北帝國大學理農學部無機化學講座的研究,嘗試從北投石中提煉釙充當 α 線源。此外實驗中需要的重水,也自行設計器材提煉取得。

最後就是電力的問題,Cockcroft-Walton 型加速器需要穩定而充沛的直流電力,進行實驗電壓不足將無法擊碎原子核。幸虧當時臺北工業職業學校提供器材奧援,才解決了直流電的問題。在萬事皆須重頭準備的臺北帝大也能完成此一實驗,由此可見荒勝文策不屈的意志。

1934 年 7 月 25 日夜裡,荒勝成功完成人工撞擊原子核(Li(p, α)He)的實驗。該次實驗重現並證實了 的反應,並發現用高速「氘離子」撞擊「鋰」,也能使鋰同位素產生 的反應。

這次實驗在當時轟動整個日本的物理學界。這是日本史上第一個加速器(全世界第二座這一型的加速器),而這一次追試成功,距離《自然》雜誌刊登論文也只不過經過 2 年。

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與原子彈無法迴避的淵源 二戰未能成功的 F 計畫

1941 年,荒勝成功使鈾原子與釷原子產生核分裂反應,這使得荒勝註定要在原子彈計畫的篇章中留下身影。二戰後期,大日本帝國海軍招集荒勝進行研究,成立了一個研發小組,成員也包含了湯川秀樹

荒勝一開始就決定採用離心機來提煉鈾 235,而不是世界上普及的熱擴散法。他的研究成果,也曾被美國研究原子彈的曼哈頓計劃作為數據計算參考。

鈾-235()的核分裂反應示意圖。鈾-235 受到中子(n)撞擊後,形成極度不穩定的鈾-236,此不穩定的鈾隨後分裂為兩個較輕的原子(Ba-144 與 Kr-89)、產生三個新的中子,並伴隨能量釋放。這些新的中子會再去撞擊周圍其他的鈾-235,如此不斷重複進行,產生連鎖反應,引發巨大的能量。圖/wiki

荒勝文策曾自言:

我自小喜歡旋轉的東西,也許這是我選擇離心機的真正原因。我一輩子喜歡的研究,就是轉動體。

然而,由於當時日本政府內部的混亂以及資源的相對缺乏,致使日本核計畫未能如美國、英國與納粹德國一樣發展迅速。以至於在荒勝的 F 計畫先從日本遷到朝鮮,後因大戰結束也被迫中止了 F 計畫。

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1945 年 8 月 6 日,美軍在廣島投下原子彈,驚人的爆炸力與毀滅性的災難,引起了日本學界的重視。日本陸軍動員了東京理化研究所的仁科芳雄前往觀察研究,而日本海軍則是委任京都帝國大學的荒勝文策,並組織「京都帝國大學原爆災害調查班」進行調查。

荒勝與仁科皆震驚於爆炸威力之強悍,且不斷進行爆炸的計算分析,兩人共同的結論就是「這應該就是原子彈」,經過計算荒勝精確指出爆炸時的高度與位置,並得出閃光時間約在五分之一秒和二分之一秒之間,其調查報告數據計算之精確,震驚世界。

可惜的是,雖然有著最頂尖的相關學識,卻因戰爭的局勢而不得不被迫放棄研究。

戰後,聯合國軍最高司令官總司令部(GHQ)於 1945 年 9 月 28 日下令禁止日本進行有關原子物理與航空學的研究,並拆除京都大學荒勝研究室的迴旋加速器,將之傾倒入琵琶湖。荒勝文策的大量報告與研究筆記也遭到沒收,該次拆除行動也引來了國際間的一陣撻伐。甚至引發了包含美國麻省理工學院在內的科學家們對美國陸軍的抗議,美國陸軍長官並因此引咎道歉,承認拆除行動的錯誤。

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雖然在戰後無法持續相關的研究,荒勝文策仍影響了日本高能物理學的發展。無論是在京都大學發展的 Cockcroft-Walton 型加速器,或是發表在《自然》雜誌與木村和植村一同利用宇宙射線進行的研究。甚至是湯川秀樹,也在畢業後特地回母校旁聽其課程,並深受其影響。荒勝的努力為日本高能物理學在荒野中展開了道路,也讓原子能科學在日本持續發展。

荒勝文策與他在京都大學研究室的迴旋加速器。圖/wiki

在 1949 年湯川秀樹獲得諾貝爾物理學獎後,荒勝感嘆到道:

晚輩得了諾貝爾獎一切都值得了(後輩がノーベル賞を受賞したことで全てが埋め合わされた)。

雖然是欣慰之語,或許也透露出這位奠基者心中仍有所遺憾。

角落也無法掩蓋裡的光芒,開創日本高能物理的荒野道路

鑽石即使擺放在角落,也會發出迷人的光芒。我想,用這句話來形容荒勝文策再適合也不過了。身處日本學術邊陲的臺北帝國大學開設理科講座,在講座成員只有 4 個人的情況下,在不到兩年的時間內就完成了 Cockcroft-Walton 型加速器的設置;甚至完成了全球第二次、亞洲第一次的核分裂實驗,真的非常的不容易。在人手不足、資源不足、連放射線源都沒有的狀態下,還能使用北投石完成實驗,荒勝的堅持態度也為科學研究鍥而不捨的精神立下標竿。

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荒勝文策在臺北帝國大學物理科講座的原子核加速實驗,在物理史上的意義是多重的。對臺灣而言,這是臺灣的名字第一次在物理學學術論文期刊。而遺留在臺灣的加速器殘骸與相關器材,成為戰後臺灣成立物理系、發展核子物理實驗的契機。雖然荒勝藉著這次的實驗重返日本,就未再返回臺灣,但他對於臺灣高能物理學發展,仍舊猶如荒野中的第一道腳印,留下了不可磨滅的痕跡。

參考文獻

  1. 鄭伯昆,〈台大核子物理實驗室 (四)有關的日本科學家〉,《物理雙月刊》,卅卷五期,2008 年 1 月,頁 574-580。
  2. 松本巍著,蒯通林譯《臺北帝國大學沿革史》,頁 7-11。
  3. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變——以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 101。
  4. 轉引木村毅一,〈廣島原爆後日譚〉,《神陵文庫》第五卷,1988 年 2 月 29 日,京都三高自昭會,頁 14。
  5. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變-以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 106。
  6. Info,(阿文開講——F計畫〉,《臺灣物理學會雙月刊》,2016 年 9 月 7 號。
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