于敏與氫彈（三）何祚庥談于敏如何研究氫彈_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】

在前兩期中，我們解釋了氫彈的科學原理、工程重點以及美國、蘇聯造出氫彈的過程。在瞭解這些背景之後，我們終於可以正面闡述于敏的工作了。

讚頌于敏成就的文章，大家很可能已經看過了很多。不過其中絕大多數都只是告訴你，于敏做了這個做了那個，但對這個那個的細節沒有解釋，所以大多數讀者的印象，恐怕只是“不明覺厲”，看再多也看不出個門道。然而，有一篇文章，卻完全打破了常規，描述了極其豐富的于敏工作的細節，信息量大得驚人。

這篇文章之所以這麼獨特，是因為它的作者是于敏的老同事和老朋友、著名的理論物理學家何祚庥院士。于敏生於1926年，何祚庥生於1927年，他們從青年時代開始就參與了中國的核武器工程，隱姓埋名艱苦奮鬥多年，做出了重要的貢獻。

何祚庥

2015年1月9日，于敏獲得2014年度國家最高科學技術獎。為此，《現代物理知識》雜誌在2015年2月2日採訪了何祚庥，請他談談于敏的工作和學風。何祚庥欣然長談，全文長達兩萬多字，可以在他的科學網博客見到（http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=43021&do=blog&id=878951）。

此文的風格跟絕大多數關於于敏的文章完全不同，非常幽默風趣，同時又充滿了技術性乾貨，而且直話直説，坦率程度也十分驚人，不愧是老同事老朋友的回憶。總而言之，對專業人士來説，這正是最好看的那種類型。當然，前提是你能看懂他在説什麼，而這一點對絕大多數讀者構成了最大的障礙。

因此，下面我就來把此文“翻譯”成普通讀者容易理解的故事。什麼故事呢？于敏與何祚庥等人如何像勇闖黃道十二宮似的一關關地打上去，從對氫彈所知甚少，到揭示出氫彈的秘密。

在開始描述這個故事之前，何祚庥首先對中國的核武器研發，給出了一個總的框架性描述。

記者問：中國的核武器是自己研發出來，還是蘇聯人給我們或自美國人那裏“偷”來的？

一般人想到的回答，可能只有一句：當然是自己研發出來的。但何祚庥講的，遠遠比這豐富。

蘇聯人認為中國的原子彈是他們給我們的。實際情況是，他們只是給了我們原子彈的一個教學模型的框圖。本來赫魯曉夫承諾給我們一個樣品，後來反悔取消了。但中國人根據這個教學模型的框圖，自己摸索、探索，掌握了原子彈的全部機理，最後獨立研製成功了內爆式的以U-235為燃料的原子彈。

中國第一顆原子彈爆炸

至於氫彈，那完全是中國人自己摸索出來的。有一位俄羅斯科學家，在和中國學者談及往事的時候，直截了當地承認了這一事實。有不少美國人，特別是美國議員，老是懷疑中國人“偷”了他們的“秘密”。朱鎔基總理曾經向這些人説：“你們的‘懷疑’，至少是犯了兩個錯誤。第一，你們過低地估計了中國科技界創新的能力。第二，你們也過低地估計了你們的強有力的保密制度的能力。我們雖然也想‘偷’，問題是，你們的保密能力太強！我們‘偷’不着！”

但是，我們也需要注意，中國研發氫彈，是以美國、蘇聯的成功為前提的。何祚庥和于敏私下曾多次交換過意見，如果沒有美蘇的成功範例在先，那我們也絕對不會敢於“闖”這個重大難關的。原因是，如果遭到了失敗，如果浪費了大量的錢，怎麼向國人交代？在這個意義上，我們不能對中國人的創新能力做過高的估計！當時的中國科技界，其實還沒有學會獨立自主地開拓原始性創新。

我對何祚庥的這個觀點完全贊同，這裏還可以稍稍再解讀一下。我經常強調，原創和追趕有本質的區別。

請問，**原子彈最大的秘密是什麼？其實就是一句話：“原子彈可以被製造出來。”**只要知道這一句話，你就已經獲得了最關鍵的信息。因為只要知道這一點，你就有了必勝的信心，知道肯定存在可行的技術路線，所有的困難都是可以解決的，唯一的問題就是把這個技術路線找出來。

我們的宣傳經常説，其他國家造出原子彈用了多少年，我們只用了多少年，其他國家從原子彈到氫彈用了多少年，我們只用了多少年。時間比別人縮短了，當然很好。但是這個比較本身就是不公平的，因為第一個探路的難度遠遠大於後面跟着走的。

如果一個外星文明發現了地球，他們會問，哪個國家花了多少時間造出核武器嗎？恐怕不會。他們首先關心的應該是：地球人有沒有造出核武器？

所以，我們應該轉換思維方式，更多地要以花別人2倍的錢辦到別人1.5倍的事而自豪，而不是以花別人10%的錢辦到別人20%的事而自豪。我們現在完全有條件、有能力去原創，我們應該明確地去追求原創！

説完了這些思考，讓我們回到何祚庥的論述。

何祚庥説，他和于敏等人研發氫彈的過程，是中國人**“第一次”從“第一原理”出發**，獨立而完整地建立和開發了氫彈的理論、技術，直到建立和實現中國自己的核打擊力量。

許多人可能要問，“第一原理”是什麼？我來解讀一下。這個詞在我的學科“理論與計算化學”中是個常用詞，英文是first principles，中文也經常叫做“第一性原理”，意思是不依賴於參數的基本理論。

當我們學科的工作者説從第一原理出發計算了某種物質的某種性質的時候，意思是：我們只需要知道這種物質的化學組成，比如説食鹽是氯化鈉，石英是二氧化硅，然後這就夠了，我們就能定量地預測它的每一個原子位於什麼位置，預測它的密度、硬度、電導率、磁化率等等性質，不需要實驗提供任何參數。

NaCl晶體結構

當然，預測的準確度有多高是另一個問題。如果預測不準，往往是因為在計算過程中引入了一些近似，為了節約計算量。但無論如何，在原則上這些計算都是可以做的，這就是“第一原理”的意義。

如果你不知道“第一原理”，你就只能搞一堆經驗公式，知其然而不知其所以然。換個條件會變成什麼樣，你心裏完全沒底。像這樣就只能抄作業，想自己做些改進都困難重重，更不用説開發新的東西了。舉個例子，一些富裕的石油國家買了很多先進武器，但你什麼時候見過他們開發一種新的武器？

何祚庥説，正因為這次研發是從“第一原理”出發的，所以中國人不僅能研發出原子彈、氫彈，還能在核武器領域獨立而持續地發展，進一步又研發出中子彈等其它具備多種功能的核彈，還實現了核武器的輕型化、小型化。這就是“第一原理”的基礎作用。

然後記者問了何祚庥一個很常見的問題：為什麼中國人在原子彈爆炸後兩年零八個月便爆炸了氫彈？而其它國家往往在5～8年後才爆炸了第一枚氫彈？

一般人對此的回答，可能只是讚揚一番中國人民。何祚庥的回答卻是：中國對氫彈的研究並不是在1964年10月爆炸第一顆原子彈之後才開始的，預先研究從1960年12月就決策上馬了，也就是説提前了近四年。

實際上，何祚庥在此文中記述的他和于敏合作研發氫彈的歷程，就是這段預研的經歷。1964年10月以後，兩人就由於工作調動分開了，于敏研究氫彈，何祚庥參加基本粒子的理論研究。根據其他一些紀念于敏的文章（例如應陽君、藍可、李華 從理論物理到工程物理——于敏先生的學術生涯與傑出貢獻 | 中科院物理所），中國完全突破氫彈原理是在1965年，里程碑是當年10月于敏做的報告“氫彈原理設想”。但根據何祚庥此文，在預研期間，于敏等人就已經解決了大部分問題。

因此，何祚庥指出，**現在流行的宣傳説，中國人“僅在兩年零八個月時間內，獨立自主的研發出氫彈”，這樣的宣傳並不符合客觀事實，而且背離科學認識論的規律。**中國人的頭腦並不笨，但也決不會特別聰明。我們千萬不要把話説過頭。

中國的氫彈預研能夠成功，一個重要原因是：及早將於敏這樣“大師”級的研究人員請來。請注意，大師級是何祚庥的原文。雖然于敏當時只有34歲，但已經是大師級的研究者了！

于敏是著名物理學家張宗燧先生（1915-1969）的研究生。畢業後，張宗燧為于敏寫了封強烈的推薦信，然後他在近代物理研究所任助理研究員。在年青人中，于敏一直以業務能力特強而著名。

張宗燧

你覺得這是好事嗎？結果是，在那一時期，于敏便成為“專而不紅”的一面“旗幟”。順便説一句，1969年，張宗燧因受極左路線的迫害而服安眠藥自殺，年僅54歲。

1958年8月1日，于敏從原子能所一部調到二部。在1960年原子能所二部的“紅專大辯論”和“拔白旗”的運動中，于敏成為白專道路的一面旗幟而被“打倒”！

無論如何，當於敏這位經常被打倒的大師被調到氫彈的預研項目之後，立刻就做出了一個重要的貢獻。于敏的座右銘是諸葛亮的名言：“淡泊以明志，寧靜而致遠。”所以年青朋友們經常笑他“以諸葛亮自居”。但這位諸葛亮一出山，立刻就打響了一出“火燒博望坡”！

具體而言，于敏解決的是這樣一個問題：中國要不要生產氚？

我們來註釋一下，氫彈既然叫做氫彈，裏邊當然會用到氫的同位素。最常見的氫原子核只有一個質子，而同位素氘包含一個質子和一箇中子，符號是D，同位素氚包含一個質子和兩個中子，符號是T。

那麼，這些同位素發生聚變的難易程度如何呢？氫彈預研組通過調研“發現”，氘氚的反應截面（reaction cross section）很大，比氘氘高出幾十倍。而氚氚的反應截面更高，是氘氚的3倍。

你可能要問了：反應截面是什麼？

簡短的回答是，你可以把反應截面理解為攔截的面積。設想有一個粒子A靜止不動，另一個粒子B向着A過來。這時A張開一把傘。B如果撞到這把傘上，兩個粒子就會發生反應。如果B沒有撞到這把傘上，兩個粒子就不會反應。這把傘的面積，就叫做反應截面。顯然，這把傘的面積越大，反應就越容易發生。

反應截面

因此，涉及氚的反應截面很大，意味着用氚就很容易發生聚變。那麼，氚是不是氫彈的必需品？中國是不是應該部署生產氚？

但是，中國當時的科研經費極為緊張。而氚，在那一時期，簡直是比大熊貓還要難得的珍稀動物！中國連做一個實驗用的氚靶，都做不出來！既拿不出錢來製造一台有氚束的加速器，也不知道如何大量生產氚。所以，如果氚是氫彈的必需品，中國立刻就被擠進了死衚衕。

那麼，于敏幹了什麼呢？于敏證明了他們蒐集的數據肯定是錯的，氚氚的反應截面不可能有這麼大！

讓我們定量地説明一下。反應截面經常以“巴”為單位，1巴等於10的-28次方平方米，也就是説等於一個邊長為10的-14次方米的正方形的面積，這個長度是核反應常見的距離尺度。氫彈預研組從一本美國的權威雜誌《現代物理評論》上查到，氚氚反應截面高達15巴。

但是于敏注意到，有一個公式叫做Breit-Wigner公式，它可以通過兩個粒子的共振能量來計算它們反應截面的上限。這個公式的形式如下：

Breit-Wigner公式

利用Breit-Wigner公式，于敏證明了，所有輕核反應的截面都不可能超過5巴。而所謂氚氚反應截面高達15巴的數據，一定是錯的！

這就避免了一次“大浪費”！于敏避免了中國的氫彈研究走上一條歧路，節約了寶貴的資金和時間。

既然不需要生產氚，那麼氫彈應該用什麼材料製造呢？下一個選擇，必定是氘化鋰。也就是把氫化鋰中的氫原子換成同位素氘，化學式是LiD。

用氘化鋰的好處，首先在於它在常温下是固體，這就不需要像前面説的人類第一顆氫彈“常春藤麥克”那樣，帶着巨大的冷卻裝置了。如果用液態氫做氫彈，就少不了冷卻裝置，所以無法用於實戰。

然後，氘化鋰中不僅氘是聚變材料，鋰也可能成為聚變材料，例如中子和Li-6反應形成氚。這就是為什麼要用氘化鋰，而不是氘化鈉、氘化鉀等等。

那麼，最簡單的設想就是：能否在原子彈外面加上一個氘化鋰的球殼，用原子彈產生的高温，直接點燃氘化鋰的熱核反應？

但是，他們的理論研究發現，原子彈爆炸傳給氘化鋰的熱量會迅速被電子和光子分走，導致氘化鋰發生不了聚變。甚至，即使在氘化鋰中摻入一部分氚化鋰，都無法點燃。這就完全粉碎了最初的期望！

那麼，出路何在？

下一個想法是，如果引入更多的核反應，把新釋放的能量轉移或集中在氘化鋰的等離子體裏，也許可以使氘化鋰裏積累的熱量大過損失的熱量，從而維持一個鏈式反應，形成大爆炸。

具體地説，例如這樣一個循環：裂變中子→被鋰6吸收形成氚→由氘氚反應釋放出14.1 MeV中子（MeV表示百萬電子伏特，電子伏特是一個能量單位）→14.1 MeV中子轟擊到重核元素，如鈾238→產生4.5個裂變中子。這其實就是當今受控熱核反應界熱衷研究的**“聚變裂變混合堆”**，就是由聚變和裂變共同組成鏈式反應。看起來，這就像是前面説的三相彈的原理。

那麼，怎麼知道這個設想是否可行呢？

要判斷一個理論模型對不對，不應該一上來就去做耗費巨大的實驗，那樣你有多少錢都不夠燒的。你應該先做數值模擬，把模擬結果當做一種數值實驗，看看模型是否抓住了其中的基本物理。那麼，為什麼中國研究者可以做數值模擬，那些富裕的石油國家做不了呢？這就回到前面説的了，因為中國研究者知道“第一原理”。

但是，這個鏈式反應機制的計算量非常大，需要求解某個有一定結構下的中子輸運方程和輻射流體力學的聯立方程。當時，在我們極其有限的計算機條件下，相當難以解決。

這時，于敏立即説，先研究一個理想模型！

于敏建議完全略去介質的運動，先構造一個靜態的無限大的中子增殖的模型，專門計算中子的增殖速度，同時也就給出升温速度。這就可以略去求解輻射流體力學方程帶來的巨大麻煩，大大節省了計算量。

對這個理想模型的數值模擬，看起來很有希望。那麼，下一步就是建立一個接近真實的模型。為了設計一個真正可以作戰的氫彈，必須研究和推導出描述氫彈升温、點火以及爆炸過程的動力學方程。

下面是何祚庥的一段原文：

“當時，我曾和于敏共同從事這一重大理論問題的探討。但很抱歉，我的理論物理的水平太低了。可以説，在演算過程中所遇到的各種難點，包括積分方程的求解，都是于敏一人完成的！我只能是一位‘高水平’的旁觀者、見證者、欣賞者兼讚揚者！”

我們現在看到何祚庥説“我的理論物理的水平太低了”，實在不禁哈哈大笑，也不禁對他的誠懇與謙虛深感敬意。這正是科學家的本色，有一説一，光風霽月。

再來看何祚庥的一段原文：

“于敏和我又設法……計算出所需的熱傳導係數。……我直接負責這方面的研究。但在碰到難以克服的難題時，就找于敏請教和討論。而於敏總是能找出一些巧妙的簡化問題的方法，給出回答。有一次，我遇到等離子體態內存在多個能級均有貢獻，但不知如何相加的困難。而到了于敏那裏，他立即用‘求和規則’，求出一個簡單的可信的結果，從而大大節省了計算的工作量！”

好吧，感覺于敏就像哆啦A夢！你有什麼問題去找他，他總是立即掏出個解決辦法……

何祚庥又説道：“我和慶承瑞曾給出一個測量中微子質量時檢驗其測量精度的一個求和規則。而這一方法的運用，其實是學自於敏。”

我們註釋一下，慶承瑞就是何祚庥夫人，她和何祚庥都是中國科學院理論物理研究所研究員。許多人直接用了別人的東西都不提，而何祚庥間接借鑑了于敏的思想都致謝，看看人和人之間的風度差別有多大！

慶承瑞與何祚庥

在有了氫彈點燃和爆炸機理和運動方程式後，于敏與何祚庥等人就開始嘗試設計各種可能的幾何結構，試圖求解氫彈滿足的運動方程式。也就是説，他們推進到了下一步，即實際設計構型。

他們猜測了幾種可能的構型，卻屢戰屢敗！

為什麼呢？

有了運動方程式，並不等於認識到由運動方程式所描述的爆炸的機理。用物理學家的“行話”來説，就是要從已有的方程式中找出隱藏在方程後面的“新物理”。

這時，于敏又提出了一個關鍵的主意。他建議，用一維模型探究隱藏在運動方程式後面的新物理。也就是説，先去研究一維的情況，也許會對三維的情況提供啓發。

何祚庥在這裏寫道：

“這其實是理論物理學家們深入研究複雜運動的‘本質’時，最常用的研究方法。不過，水平甚低的何祚庥，卻不知如何具體運用這一方法。”

好嘛，“水平甚低的何祚庥”又來了！再次令人哈哈大笑，以及深感欽佩。

但即使是一維的模型，這些方程也非常難解。怎麼辦呢？

于敏又出主意了。有一個研究領域叫做“常微分方程的定性理論”，也就是説，不需要精確解出方程，通過一些定性分析就能知道方程解的很多重要性質。

經過這樣的學習和研究，他們對氫彈的爆炸機理，有了比較深入的瞭解。為什麼一個發散的爆震波會使等離子體中的熱量由遞增而遞減？而一個向心的爆震波卻能使等離子體內的温度不斷上升從而誘發大爆炸？如此等等。

現在，只剩下一個大問題：對這個設想中的氫彈，外來的向內的壓縮波將從何而來？

這時，黃祖洽忽發奇想。

黃祖洽是誰？黃祖洽（1924-2014）是氫彈理論組的組長，也就是于敏和何祚庥的頂頭上司。在23位兩彈一星元勳的名單裏沒有黃祖洽，這不是因為他的貢獻不夠，而是因為他發現文革造成了嚴重的人才斷層，1980年到北京師範大學當了教授，教書育人去了。經常有人問他對沒有被評為元勳是否感到遺憾，他的回答是：“不是因為可以當功臣，我才去做這件事。它是國家的需要，也是我個人的興趣。”

黃祖洽

2004年黃祖洽80歲生日時，100人出席祝壽，其中院士就有50多人。黃祖洽與西南聯大時的同學李政道手拉着手，兩人笑着走進了慶祝會場。緊隨其後的是楊振寧學長。（http://zqb.cyol.com/content/2004-10/10/content_962692.htm）楊振寧説：“老黃會對自己在中華民族確立世界地位中的貢獻，感到驕傲與欣慰。”李政道説：“黃祖洽對原子彈和氫彈的研究都有極重要的、歷史性的貢獻。”

2014年9月7日，黃祖洽去世，享年90歲，習近平聞訊後立即表示深切悼念。《新聞聯播》的報道中把他稱為：“兩彈一星”傑出貢獻者。

讓我們回到何祚庥的文章。黃祖洽提出的設想是：我們是否可以用大量的U-235，比如1噸重的U-235做成一個大殼子，在裏面（而不是外面）放上大量的氘化鋰？這一特製的原子彈會產生向心的壓縮波，也許能點燃裏面的氘化鋰？

于敏和何祚庥都説“好”！當他們用計算機算出這個設計的爆炸當量時，發現竟然高達幾千萬噸！也就是説，他們在“紙上”做出了一個氫彈！

不過一噸U-235相當於30枚原子彈的用量，這是無法實現的。因此，剩下的關鍵問題仍然是：巨大的向內壓縮的壓力從哪裏來？

請看何祚庥的原文：

“在那一時期，我們未能獲得真正解答。不過，我們確曾注意到，原子彈爆炸後首先放出的是強射線，其總量約佔總能量的6%。所以，一個2萬噸級的原子彈首先放出約等於一千二百噸TNT當量的射線！果能設法將這一巨大的射線能量投射到某個鈾238外殼，也許如此巨大的當量的‘炸藥’可以將氫彈壓縮成為一個超超臨界的小球，從而誘發鏈式反應式的爆炸。”

大家還記得在第二期中對泰勒-烏拉姆構型的猜測嗎？把原子彈放出的X射線的能量回收變成熱能，也許就可以引發聚變。他們終於找到了這個關鍵！

不計其數的演算，換來一瞬間爆發的絢爛。1967年6月17日，中國成功爆炸第一顆氫彈。當全國上下為此沸騰歡呼時，黃祖洽卻顯得十分平靜：“搞理論的人，覺得理論上應該是可以成功的。”正因為有了前期一百二十分嚴謹踏實的準備工作，才會有一百分的“意料之中”。（http://news.ifeng.com/a/20140909/41913447_0.shtml）

中國第一顆氫彈爆炸

後面，何祚庥寫道：

“時光如駛，現在已過了50年的保密期。回顧這裏研究所得結果，均已在國外公開發表，或寫成科學論文，甚而已寫成一本本的專著。”

所以擔心我“開門查水錶”的同學們，大可不必杞人憂天。再次強調，我家用上5G技術了，水錶自動上報讀數，不需要開門！

​

開門，查水錶！

後來，發生過一場氫彈理論發明權的爭論。何祚庥向鄧稼先詳細介紹了于敏在原子能研究所做的全部工作。

鄧稼先

何祚庥寫道：

“從我來看，我認為于敏是當之無愧的中國氫彈構型的最主要的發明者。

回顧那一時期所做各項工作，可以説，在氫彈的預先研究過程中，幾乎所有的難點的解決都出自於敏的貢獻，而我僅是站在一旁的積極的促進者！”

然後，還有一個經典的問題是：于敏是不是中國的“氫彈之父”？

何祚庥的回答是：

“于敏曾多次否認他是中國的‘氫彈之父’。因為氫彈的研究，包括氫彈的預先研究，的確是很多人集體研究的結果。……

那麼，于敏做貢獻‘何在’？也許我們可以打一個‘比喻’。一個由11人組成的‘足球隊’，在場上踢球，互相將足球傳來傳去。但起關鍵作用的人員，卻往往是，場外教練和衝在前面的舉足射門的前鋒。于敏正是這支足球隊的教練兼中鋒。至於我，雖然也忝在前鋒之列，但我這位‘邊鋒’，雖然也曾多次和于敏並肩作戰，相互配合傳球，但到了關鍵時刻，‘臨門一腳’，‘應場入網’的卻總是于敏院士。至於我，最多隻能將足球踢到能由於敏‘舉足破門’的最佳位置。

所以，從我來看，將中國的氫彈稱之為于敏構型，是完全準確而恰當的。”

最後，記者問何祚庥：在工作中，您和于敏先生有過分歧嗎？您是如何看待這些分歧的？

何祚庥回答：

“在工作中我和于敏當然有過分歧，于敏不可能什麼都正確，我和他在個性上都會堅持自己的意見，常會互相指責對方不對，有時爭論急了，相互指責對方為‘狗屁不通’。但第二天一大早，又相互找對方又繼續討論研究，找出解決分歧的方法。因為我們兩人都是一心做研究，一心求真理，彼此都會堅持真理，彼此也都會在真理面前而妥協。現在回憶起來，仍然認為，那段歲月，是我們的科學生涯中，最為愉快的一次合作。”

人生有這樣真正的朋友，真正的戰友，是何等的幸運！讓我們為前輩科學家們鼓掌！

我們介紹完了何祚庥這篇長文和奇文。大家是不是感到蕩氣迴腸，受益匪淺？

下一期將是本系列最後一篇文章。現在，我們先出一個思考題，也就是本系列文章一開始就提出的問題：世界上是不是存在兩種氫彈構型，即泰勒-烏拉姆構型和于敏構型，而且於敏構型優於泰勒-烏拉姆構型？