《大科學》:愛因斯坦寫給小羅斯福的兩頁書信,是揭開原子時代的重要文獻

《大科學》:愛因斯坦寫給小羅斯福的兩頁書信,是揭開原子時代的重要文獻
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我們想讓你知道的是

信中指出:「最近費米與西拉德的一些研究,我讀到了他們的初稿,讓我預計鈾元素可能在不久的將來成為一種全新而重要的能源,至於這種情況的某些層面,似乎需要行政當局善加警惕,並在必要時快速採取行動。」

文:麥可・西爾吉克(Michael Hiltzik)

「厄尼斯特,準備好了嗎?」

一九四一年九月二十五日,芝加哥,亞瑟・康普頓很平靜地開始回顧他與勞倫斯以及哈佛校長科南特的會面經過,他說道:「那是個涼爽的九月傍晚。我太太迎接科南特和勞倫斯進屋,在我們坐到壁爐邊的時候,給了我們每人一杯咖啡。接著她就自己上樓去忙,讓我們三個人談話時無須顧慮。」

康普頓的這幾位貴客到芝加哥,是為了接受芝加哥大學榮譽博士學位。但這個契機促成更重要的會面,因為科南特是羅斯福政府的重要科學顧問,而康普頓則是一個藍帶委員會(blue-ribbon committee)的主席,負責評估原子能的軍事用途。要求展開這場緊急對談的是勞倫斯,而他帶來的是原子能領域取得巨大突破的消息。這場對話為時僅僅一個多小時,但對話結束時,美國的戰時計劃及這三個人的生命道路都走上了新的方向。美國決定建造原子彈。


這場會議的種子,早在兩年多前發現核分裂時便已種下。當時是一九三九年一月,物理學家開始思考鈾核吸收另一顆中子之後分裂、釋放出巨大能量的狀況。其中最令人感興趣的是鏈反應(chain reaction,一般譯為連鎖反應,核能領域稱為鏈反應)的可能:如果核分裂後放出的中子又撞擊到鄰近的原子核、進一步導致分裂,就可能繼續放出更多的中子、產生更多的分裂。如果能用適量的能量、從每個分裂的原子核產生出足夠的中子,核分裂的過程就有可能不斷持續,直到所有鈾原子核都已分裂為止。

然而,由於很難判斷放出的能量究竟能否控制而達到實用,眾人開始互相爭辯,想知道究竟這個過程是會造成爆炸、或僅僅是產生熱能。早成一九三三年,勞倫斯就曾反對拉塞福認為原子能是「瞎扯」的說法,現在出現了核分裂的消息,也算是還了勞倫斯一個公道。他在寫給同樣是迴旋加速器建造者的亞歷山大・艾倫的信中,就提到「核能達到實用的那天,可能不那麼遙遠。」

在所有讓想像力盡情發揮的人當中,也有歐本海默。當初,阿爾瓦雷茲衝進他的課堂,告訴他奧托・哈恩和佛里茨・史特拉斯曼率先發現核分裂,歐本海默當下立刻回應「這是不可能的。」但不到幾小時,他就收回了自己的第一反應。而根據他一個學生的回憶,不到一週,歐本海默在勒孔特館的研究室黑板就大大地畫著一幅「非常恐怖、令人厭惡的炸彈圖」。

歐本海默和許多人討論他的猜想。他寫信問另一位物理學家:「鈾可以有多少種分裂的方式?是像某些人猜的一樣、沒有固定方式,又或只會有某些特定方式?最重要的是,從分裂的過程或是激態的鈾上,是否會放出許多中子?……這應該是個很重要的議題。」寫給另一個人的信中,歐本海默則是談到其中的威脅:「我認為,真的不能說不可能,一個十公分的氘化鈾……就能爆成地獄。」

對於這種末日預言猜測,匈牙利物理學家李奧・西拉德(Leo Szilard)並未等閒視之,他精力充沛、思想靈活,就在勞倫斯實際發明出迴旋加速器之前不久,他也曾經想為自己的迴旋加速器原型申請專利。一想到希特勒取得鈾的爆炸潛力之後可能如何,西拉德就痛苦萬分。

他告訴另一位匈牙利流亡人士愛德華・泰勒(Edward Teller):「你知道這是什麼意思嗎?希特勒的成功就靠此舉。」西拉德呼籲研究同仁,應該儘速確認核分裂的爆炸狀況,而面對可能很快就會開始的德國研究,最好能夠搶得先機,此外也要自願將所有研究成果保密。

然而,他對於保密的呼籲多半沒人搭理,有部分原因就在於許多人並不認為有什麼好隱瞞的。例如他的朋友費米,就認為爆炸反應的可能性非常小,因此也認為西拉德的判斷不是基於物理、而只是因為太過恐懼。

然而西拉德正是因為吃過苦頭,才知道有時候多疑恐懼只是出於謹慎。一九三三年,希特勒上台;當時西拉德才剛當上柏林威廉皇帝物理研究所(Kaiser Wilhelm Institute of Physics)學院的教師,住在教師會所,就在房間裡放著兩個打包好的行李。

等到德國國會大廈燒毀,成了希特勒鎮壓政治異端的藉口,西拉德覺得自己的德國朋友竟看不清這場發展,令他十分不滿:「他們都認為,文明的德國人不會容許什麼真正粗暴的事情發生。」火災隔天,西拉德就已經跳上幾乎沒人的火車、成功逃至維也納;而再過一天,所有開往奧地利的火車都擠滿了難民,而且在邊界被攔下審問。西拉德寫道:「從這就看得出來,如果你想在這個世界成功,不必比其他人聰明太多,只要比大多數人早一天就行。」

西拉德認定,應該要讓美國的科學家有這種早一天的優勢。但也因為如此,看到自己的警告遭到忽視,也特別令他痛苦,特別是像費米這樣的難民,本來就該對於動作太慢的危險有更深的體悟。「我們都想走保守路線,但對費米來說,保守的作法是淡化它〔鏈反應〕發生的可能性,而對我來說,保守的作法是要假設它會發生,並採取一切必要的預防。」

那一年,無論放射實驗室或其他地方的物理學家都開始研究鈾分裂,希望能回答歐本海默與其他更根本的問題:是什麼引發反應?為什麼自然狀態下的鈾沒有見到這種狀況?全球各地都有天然鈾礦,但並未自然分裂,顯然代表這需要特殊的條件。

最後是波耳提出了重要的想法。天然鈾的核分裂截面(也就等於在特定環境下發生分裂的可能性),對於中子撞擊的能量非常敏感。波耳發現,答案在於不同的鈾同位素普遍程度有所不同。其中,鈾二三八最為常見,但必須要有速度較快、能量較高的中子,才會產生分裂。但天然的鈾礦也可能有鈾二三五,這種同位素不論碰上怎樣速度的中子,都很可能產生分裂。只不過,鈾二三五的比例只佔了鈾的大約百分之零點七,也就是一百三十九個鈾原子只會有一個鈾二三五。

波耳的洞見,讓物理學家開始研究如果讓濃縮的鈾二三五分裂、是否能產生足夠的中子來維持鏈反應;而如果確實如此,又要怎樣將分開鈾二三五與鈾二三八、或是提升鈾二三五的比例?由於同位素的化學特性都相同,必須運用非化學的方法才可能達成這種目的。核分裂所產生的中子稱為次級中子(secondary neutron),而根據阿爾瓦雷茲的回憶,這種中子就「成了全球搜尋的目標。」

但奇怪的是,這裡的全球並不包括放射實驗室。勞倫斯認為,必須有六十英寸迴旋加速器,才能滿足日益增長的醫用同位素需求,因此並不值得為了率先找到次級中子就延遲進度。而尋找分裂中子的任務,就被丟到了阿爾瓦雷茲的頭上,他當時是個新進研究員,還沒想好職涯想做什麼研究。

他並不覺得這項研究有什麼成名的希望,所以他做的是個所謂的「簡便實驗」,也就是把一具中子偵測器放在迴旋加速器室外的樓梯間,再花個五分鐘來撞擊氧化鈾;看到儀器沒顯示檢測到中子,他就放棄了。他後來才發現,如果他把計數器再靠近迴旋加速器一點、再撞擊多一點鈾、而且是撞個一小時而不是五分鐘,就能在當天找到全球都在找的次級中子。

最後是約里歐的團隊在三月完成這項任務,估算出每次鈾二三五分裂約會產出三點五個次級中子。西拉德和費米在哥倫比亞大學的不同實驗室裡研究,得到的數字是將近二點零個次級中子,仍然是一個很大的數字。西拉德用電報通知一位友人:「有反應的可能性超過了百分之五十。」但他後來回憶,這項發現並未讓他有任何勝利感:「那天晚上,我心中幾乎完全確信,世界正走向悲痛。」

西拉德已經確信原子彈在理論上是可能的,而且有鑑於希特勒意圖征服世界,甚至有可能化為實踐。

七月初,他說服愛因斯坦署名,寫信向美國總統警告這項威脅。這正是後來揭開原子時代的重要文獻:一九三九年八月二日,愛因斯坦寫給小羅斯福的信。全封兩頁、八段的信件,由西拉德主筆、愛因斯坦也提供一些意見,行文枯燥、並設定了許多條件前提,並未直接點出局勢的緊迫,主要只有愛因斯坦在信末的簽名,讓人感受到這件事十分重要。

信中指出:「最近費米與西拉德的一些研究,我讀到了他們的初稿,讓我預計鈾元素可能在不久的將來成為一種全新而重要的能源,至於這種情況的某些層面,似乎需要行政當局善加警惕,並在必要時快速採取行動。」

信中也提到了可能出現「極其強大的新型炸彈」,並在最後提到德國科學家可能已經開始這樣的研究。

這封信交到了亞歷山大・薩克斯(Alexander Sachs)的手中,這位俄國出生的經濟學者具備科學背景,而且更重要的是,他是小羅斯福的顧問,算是白宮內部圈圈的人。

在納粹入侵波蘭、點燃歐洲戰爭幾週後,薩克斯終於在十月十一日進入了橢圓形辦公室。他先和小羅斯福閒聊幾句、也倒了兩杯拿破崙白蘭地之後,薩克斯向小羅斯福唸了自己準備的一封信,把愛因斯坦信中深奧的科學和迂迴的行文轉成總統能夠快速掌握重點的語言。

薩克斯轉譯得好極了。小羅斯福說:「薩克斯,總之你希望的就是納粹不會把我們炸上天。」薩克斯回答:「一點沒錯。」小羅斯福叫來了他的軍事副官埃德溫・華森(Edwin M.“Pa” Watson)將軍,把薩克斯的文件交給他,下令:「這需要採取行動。」

相關書摘 ▶《大科學》:歐本海默對於發明出原子彈,感受到痛苦與折磨

書籍介紹

本文摘錄自《大科學:從經濟大蕭條到冷戰,軍工複合體的誕生》,左岸文化出版

作者:麥可・西爾吉克(Michael Hiltzik)
譯者:林俊宏

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一段被遺忘的歷史,軍工複合體的誕生,
從原子彈到核能發電,從太空設備到網際網路,
「大科學」的追尋成就了科學?還是毀壞了科學?
普立茲獎記者揭露一段政治與科學交織的歷史。

這是一段被遺忘的歷史。從原子彈到登月計劃,從探測太陽系外的宇宙,到深入微觀尺度的原子,這些都是「大科學」的產物,至今引導著產官學界的合作。

「大」,不是一個誇張的形容詞,而是特指一九三○年代開始,科學界從人員編制、經費投入、儀器尺寸等各方面,皆往鉅型化發展的趨勢。

在「大科學」新典範下,政府(特別是軍事單位)成為經費最大來源,工商業也逐漸影響學術界。科學家如何反省自身角色的改變?科學還是單純追求自然界真相嗎?還是科學界也需要從商業競爭當中,謀取自身利益?對「大科學」的追尋,究竟成就了科學,還是毀壞了科學?科學家如何成為政治裡的科學家?政治圈又如何因為科學社群的介入而改變?

無論是褒是貶,勞倫斯創造了我們身處的世界,大科學是我們的進行式。

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責任編輯:羅元祺
核稿編輯:翁世航


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