于敏與氫彈（二）氫彈的科學原理_風聞

【袁嵐峯，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長】

在上一期中，我們解釋了原子彈和氫彈的科學原理，即核裂變和核聚變。瞭解了這些科學原理之後，下一個問題是：氫彈和原子彈在工程上的設計關鍵是什麼呢？

對不起，我不知道。如果我知道，那麼我就是保密系統內部的人了，所以我還是不可能告訴你，對不對？嗯，真是好像《第二十二條軍規》。

無論如何，我想大家都能夠理解，核武器的設計訣竅對每一個有核國家來説，都是頂級機密。現在大家在網絡上看到的各種信息，其實全都是猜測，從來沒有得到官方的確認。

我們能夠談的，是一些歷史性、學術性的信息。

最先成功的氫彈構型叫做泰勒-烏拉姆構型（Teller-Ulam design），它是由美籍匈牙利裔猶太理論物理學家愛德華·泰勒（Edward Teller，1908-2003）和美籍波蘭裔數學家斯坦尼斯拉夫·烏拉姆（Stanisław Marcin Ulam，1909-1984）在1951年提出的。順便説一句，泰勒是楊振寧的博士導師，泰勒和烏拉姆都是我的專業領域“理論與計算化學”的先驅。

愛德華·泰勒

斯坦尼斯拉夫·烏拉姆

那麼，泰勒-烏拉姆構型説的是什麼呢？

對不起，我不知道。只是根據各種猜測，看起來以下這些説法似乎可能彷彿有點道理。

如果你根據我們前面描述的氫彈基本原理去設計氫彈，那麼你最容易想到的很可能是，在一顆原子彈的外面套上一層聚變材料的殼。但這樣的設計不會成功，即使能發生一點點聚變，效率也極低，因為絕大部分聚變材料都被炸得四散粉碎了，來不及發生聚變。

泰勒-烏拉姆構型的妙處，可能就在於把裂變與聚變材料分為兩個腔體存放。裂變發生以後，最先釋放出來的是X射線。我們不是指望裂變產生的高温本身導致聚變，而是指望把X射線的能量回收轉化成熱能，在聚變材料內部產生高温。這樣就有可能在聚變材料被炸散之前，讓它們達到足夠的温度，使大部分聚變材料都發生聚變。

用技術性的語言説，這種設計叫做“分級化”（staging）。用第一級的裂變，推動第二級的聚變。

更現代的設計可能還包括第三級，在熱核裝料外包上一層鈾-238的外殼。聚變產生的高能中子使鈾-238裂變，釋放出更多的能量和中子，進一步加劇聚變，使核彈的威力成倍地提高。這樣的武器被稱為三相彈（Tri-phase Thermonuclear Bomb），現在大多數的氫彈可能都是三相彈。

再次強調一下，這些全是猜測，不能當成確定的信息。我家用上5G技術了，水錶自動上報讀數，不用查水錶！（關於5G參見2019科技袁人年度盛典演講：沒有人能阻止你努力 | 袁嵐峯）

開門，查水錶！

還有一些有趣的相關信息是，有了泰勒-烏拉姆構型之後，氫彈的威力在原理上就可以無限提升了，而原子彈不能。即使你使用再多的裂變材料，也很難讓原子彈的當量超過前面説的“常春藤之王”的50萬噸。

氫彈威力的無限提升，有一個驚人的例子，就是前面説的人類歷史上最強的武器，當量5千萬噸的“沙皇炸彈”。這個數值，相當於二戰中使用的所有常規炸藥之和的十倍。但實際上，這顆炸彈還沒有發揮出它全部的威力。它最初的設計指標，是嚇死人的一億噸！在試驗的時候，人們做了一些改動，具體地説，是把某些部分的材料從鈾-238換成了鉛，導致它的當量降低了一半。

為什麼要做這個改動呢？一方面是考慮到對環境的影響，另一方面還有一個更直接的原因，就是扔炸彈的飛機乘務員還想活着回來呢。飛機在投彈之後即使拼命逃跑，也仍然有很大的可能被爆炸波及摧毀。如果用一億噸的完全設計，那麼飛行員基本上就死定了。如果減為5千萬噸，那麼根據計算，飛行員有50%的幾率逃生。

你看，一項有一半幾率送命的任務，這位蘇聯飛行員就這麼勇敢地去了，在這一點上不能不令人佩服。讓我們記住他的名字：安德烈·杜爾諾夫柴夫少校（Major Andrei E. Durnovtsev）。

實際發生的情況是：炸彈從10500米的高度被投下，在4200米左右的高度爆炸。此時投彈的Tu-95V飛機已經飛出了39公里。然後，衝擊波在115公里處追上了這架飛機，劇烈的震盪導致它在空中下降了一千米。幸運的是，這架飛機最終還是恢復了控制，並且安全着陸了。好一場俄羅斯輪盤賭！杜爾諾夫柴夫少校在任務結束後就地升任中校，並且獲頒蘇聯英雄勳章。

沙皇炸彈的爆炸地點

沙皇炸彈產生了一個直徑8公里的火球，在1000公里之外都能看見。

沙皇炸彈產生的火球

它產生的蘑菇雲高達67公里，超過珠穆朗瑪峯高度的七倍，這意味着它已經超出了大氣層的平流層，進入了中間層。蘑菇雲的頂部寬度達到95公里，底部寬度達到40公里。

沙皇炸彈產生的蘑菇雲，在161公里外看到，當時蘑菇雲的頂部高度是65公里

在爆炸地點數百公里內，木造的房屋都全毀，磚造或石造房屋的門窗與屋頂都被強風吹走，無線電通訊中斷了一個小時。儘管爆炸發生在距地面4.2公里的高空，但它在地面上引發了地震波，強度為5-5.25級，許多地面的核試驗也不過是這個震級。在衝擊波環繞地球三次後，傳感器仍然能夠探測到它的信號。

因此我們可以理解，氫彈跟其他的武器有本質的區別。常規武器對地球來説純屬撓癢癢，原子彈也只是能在大城市殺死很多人，對地球影響不大。氫彈卻真的是威力太大了，完全有可能破壞全球環境，毀滅人類。

當然，這種巨大的威力也可以用作建設性的目的。《三體》裏的面壁人之一雷迪亞茲的主意，就是用氫彈在水星上炸出很多大坑，把水星推出軌道，造成連鎖反應，摧毀整個太陽系，用這種焦土戰略嚇阻三體人的入侵。這個計劃最後還真的派上了用場，每一位面壁人的殫精竭慮都沒有白費，念念不忘，必有迴響，令人熱淚盈眶。

由於氫彈的威力如此之大，因此前所未有地出現了小型化的需求。以前的武器都希望威力越大越好，氫彈卻希望威力小點好，太大就沒法用了。此外，在總的當量固定的前提下，多個小彈頭的破壞力也大於單個大彈頭。因此，五常現在裝備的氫彈，大都是分導式多彈頭導彈。于敏的重要貢獻之一，就是在為中國開發出氫彈之後，又使得中國掌握了氫彈小型化的技術。

這就引出了一個專業問題。我們衡量一個武器的優劣，不僅應該看它的當量，還應該看它單位質量的當量，即當量質量比（yield-to-weight ratio）。

在實踐中，氫彈的當量質量比的上限大約是6百萬，也就是説，一噸質量能產生6百萬噸TNT爆炸的能量。原子彈的當量質量比就低得多，例如見維基百科上“核武器當量”（Nuclear weapon yield）的統計圖（https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_yield）。

美國核武器的質量與當量統計圖

請注意這個圖用的是對數座標，橫縱座標分別是武器質量和當量的對數。在質量差不多的情況下，原子彈的數據點明顯在氫彈的下方，差兩三個量級，當量質量比大約是幾千。

大家可以想想，常規武器的當量質量比是什麼量級？

當然是1的量級了！因為同樣是化學能，即使你用的化學炸藥的能量密度比TNT高很多，也不可能有數量級的差別，所以基本上只能一噸換一噸，還想啥自行車？

一個有趣的問題是，蘇聯是怎麼獲得氫彈技術的？

如果説愛德華·泰勒是人類的氫彈之父和美國的氫彈之父，那麼在媒體中也有一位蘇聯的氫彈之父，就是著名的理論物理學家、1975年諾貝爾和平獎得主安德烈·薩哈羅夫（Andrei Dmitrievich Sakharov，1921-1989）。沒錯，這位老兄得的諾貝爾獎是和平獎，而不是物理學獎，雖然他對物理學也有很大的貢獻。

安德烈·薩哈羅夫

他在設計出蘇聯的氫彈之後，變成了著名的和平運動人士。尤其是那顆5千萬噸的沙皇炸彈，作為設計師之一，薩哈羅夫原本力勸赫魯曉夫不要去試驗，因為對環境的破壞太大，但赫魯曉夫還是一意孤行炸了。薩哈羅夫非常憤怒，從此就成為了蘇聯政府強烈的批評者，雖歷經壓制而不改。

我們對薩哈羅夫的學術成就和道德勇氣，致以崇高的敬意。還有另外一位科學家，對蘇聯的氫彈可能也發揮了關鍵作用。他的作用非常特殊，並不是在蘇聯開發出了氫彈技術，而是把美國的相關信息傳遞給了蘇聯。也就是説，他是一位間諜。這位科學家叫做克勞斯·富克斯（Emil Julius Klaus Fuchs，1911-1988）。

克勞斯·富克斯

著名的物理學家、恆星核聚變的發現者、1967年諾貝爾物理學獎得主漢斯·貝特（Hans Albrecht Bethe，1906-2005）認為，富克斯是唯一的一位真正改變了歷史的物理學家。

漢斯·貝特

富克斯1911年出生在德國，從小信奉共產主義，1933年逃避納粹的迫害逃到英國，1942年獲得英國國籍。二戰期間，他參與了英國的原子彈項目“管合金”（Tube Alloys），同時和蘇聯情報機構接上了頭。富克斯做這些事不是為了錢，而是出於信仰。

1943年，富克斯被調到美國，參與了曼哈頓計劃。他在其中做出了很多貢獻，被漢斯·貝特稱讚為“我們部門最有價值的人之一”和“我們擁有的最好的理論物理學家之一”。

順便説一句，在洛斯阿拉莫斯，富克斯和當時還很年輕的理查德·費曼（Richard Phillips Feynman，1918-1988）成了好朋友。費曼的妻子艾蓮（Arline Greenbaum）當時身患重病，費曼去醫院看望她時，就是借富克斯的別克汽車去的（你幹嗎在乎別人怎麼想？ | 科技袁人）。

理查德·費曼

1946年，富克斯回到英國。從1947年到1949年，他向蘇聯提供了製造氫彈的主要理論大綱以及英國和美國發展氫彈的最初草稿。

富克斯的情報在多大程度上幫助了蘇聯的氫彈研發呢？其實我們不知道。因為當時美國還沒有找到氫彈的正確構型呢，富克斯怎麼可能把它告訴蘇聯人？也就是説，富克斯做的事情的重要性，從“真正改變了歷史”到“完全沒有用處”，都不排除可能。模糊性，正是關於氫彈的信息的一個常見特點。但無論如何，富克斯做的事，絕對是有改變歷史的潛力的。

1949年底，英國情報機構對富克斯產生了懷疑。1950年1月，富克斯主動承認自己是一名間諜。英國法庭判處他14年監禁，剝奪了他的英國國籍。1959年6月23日，在坐牢9年4個月後，富克斯被釋放，並迅速移民到了德意志民主共和國，也就是東德。後來富克斯在東德繼續他的科學生涯，並作為研究的領導者取得了相當大的成就。

在抵達柏林機場時，富克斯受到了他在學生時代的女性朋友格蕾特·凱爾松（Margarete (Grete) Fuchs-Keilson，1905-1999）的迎接。格蕾特也是一位堅定的共產主義戰士，曾經作過共產國際執行委員會總書記季米特洛夫（Georgi Dimitrov Mikhaylov，1882-1949）的助手。富克斯和格蕾特在1959年9月9日結婚，去世後合葬在一起。

格蕾特與富克斯在柏林的墓碑

雖然蘇聯和東德都已成為往事，但兩人在機場相見的畫面仍然令人感動不已。一個人做事只要是出於人類的利益和崇高的理想，而不是為了私利，那麼無論成敗利鈍，都應該得到我們的温情與敬意。所以，當然也應該有志同道合的人在温柔地等待着他。正如孔子所説：“德不孤，必有鄰。”

有些研究者認為，富克斯給錢三強和其他中國科學家講過課，幫助了中國在5年後爆炸原子彈。也有研究者質疑這種説法。當然，中國的原子彈項目本來就獲得過蘇聯的幫助，有沒有富克斯的幫助並沒有本質區別。

説完了美國和蘇聯是如何造出氫彈的，我們終於可以來討論于敏的工作了。這部分的技術性內容非常多，讓我們做好心理準備，下回分解。