朗道參與蘇聯核武器研究之始末_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-07-05 09:41
撰文 | 劉寄星（中國科學院理論物理研究所）
來源 | 本文選自《物理》2021年第6期
朗道1929-1931年在歐洲訪問學習期間，曾經結識了兩位特殊的朋友並與他們有過科學合作1)。一位是匈牙利人愛德華·特勒 (Edwald Teller)，此人後來去了美國，積極推動美國政府發展熱核武器，成為赫赫有名的美國“氫彈之父”。另一位是他1930年在蘇黎世訪問泡利時結識的奧地利物理學家魯道夫·派爾斯，派爾斯不僅把當初朗道、伽莫夫、布隆斯坦等人組成的“爵士樂隊”的“桂冠女詩人”葉芙根尼婭·康涅吉塞 (Evgenia Kanegisser) 娶走，而且早在1939年底就與最早解釋了鈾核裂變的同胞奧托·弗裏施一起，率先計算了鈾的臨界質量，鼓動英國政府發展原子武器，促成英國的“合金管”核計劃。之後他作為英國方面的成員赴美參與“曼哈頓計劃”，受到漢斯·貝特的重用，在美國原子彈研製成功中功勳卓著，被英國皇家授予了爵位。至於朗道本人，雖然不像他那兩個朋友那樣在核武器界聲名顯赫，卻也在蘇聯核武器發展中起了重要的作用。
關於朗道參與蘇聯核武器研究的過程和在其中所起的作用，相當長時間以來存在不少傳聞，但缺少切實的記述。2008年郝柏林同志為《物理》撰寫特約文章“朗道百年”時，筆者曾協助他收集過有關資料，為該文“朗道與蘇聯社會”一節中一段不到300字的朗道參加蘇聯核武器研究情況提供了素材。當時雖然覺得這段話不足以概括朗道在這方面的全部貢獻，但苦於沒有詳實可信的新材料可以補充，頗覺遺憾。令人高興的是，根據俄羅斯總統1995年的指令，俄羅斯原子能總公司的利亞別夫擔任主編，歷經14年辛苦整理，於2009年出齊了以《蘇聯核計劃——文件與資料》為總書目的蘇聯從1942至1956年發展核武器的全部解密文件和資料共3卷11冊[1]，使得人們可以追溯蘇聯核武器研究的全過程。而且2008年之後，在正式學術刊物上出現了專門研究朗道參與核武器研究的論文[2]，且陸續有大量核武器研製親歷者的回憶錄發表，其中不少提及朗道的工作，特別是朗道的學生哈拉特尼科夫2)的回憶錄更具體地講述了他在朗道領導下從事核武器研究的全過程[3]。本文主要根據這些材料，試圖較為系統地將朗道為蘇聯核武器研製作出的貢獻介紹給對此感興趣的讀者。
1 朗道是如何加入核武器研究的？
早在二戰爆發之前，蘇聯已經開始了原子核物理學的研究，先是1932年烏克蘭物理技術研究所實現了鋰核的裂變，之後列寧格勒物理技術研究所在老約飛(阿布拉姆·約飛)的提議下，建立了以伊戈爾·庫爾恰托夫3) (圖1) 為領導的核物理研究室，他們建成蘇聯國內首台迴旋加速器，開展理論和實驗核物理研究，取得不少成果。特別是1939年之後加強了重核裂變的研究，其中標誌性的成果是青年研究員格奧爾基·弗列洛夫 (圖2) 和康斯坦丁·彼得扎克1940年首次在實驗中發現了鈾核的自發裂變。1939年，蘇聯科學院化學物理研究所的尤里·哈利頓4) (圖3)和雅科夫·澤爾多維奇5) (圖4) 計算了中子轟擊鈾235核的鏈式反應持續的條件，估算出了鈾235可作為爆炸物的臨界質量約為10公斤6)。1941年6月衞國戰爭爆發後，庫爾恰托夫緊急帶領他的團隊從事為蘇聯海軍軍艦防水雷消磁工作，被迫完全停止了核物理研究。
蘇聯正式決定重新恢復核研究時間是1942年。促成恢復核研究的推動力有三：其一是當時蘇聯情報人員獲得了英國開展鈾計劃的情報，其二是蘇聯的敵後游擊隊從一名被打死的德國軍官的皮包中繳獲了德國人進行鈾彈研究的信息，其三是當時已經應徵入伍的弗列洛夫從1941年底開始，不斷向庫爾恰托夫、老約飛乃至直接向蘇聯高等教育委員會主席卡夫坦諾夫和最高領導斯大林寫信，提出根據國際形勢，蘇聯應當緊急開展原子彈研究，在信中具體地提出了他的原子彈設想 (圖5)。在弗列洛夫的推動下，負責蘇聯高等教育以及科學研究機構對戰爭支援的蘇聯國防委員會委員卡夫坦諾夫會同當時擔任蘇聯科學院副院長的老約飛於1942年春天致信國防委員會，正式向斯大林為首的國防委員會提出恢復以製造原子彈為目的的核科學研究的建議。多年之後，卡夫坦諾夫曾回憶國防委員會談論此事的情景：
“向國防委員會報告此問題時，我堅持我們的建議。我説：‘當然，這裏會有風險。鬧不好我們會損失幾千萬乃至幾億盧布……。但是如果我們不去冒這個險，我們就會冒更大的危險，那就是我們可能在掌握了原子武器的敵人面前變得手無寸鐵，毫無還手之力。’斯大林在會議室踱來踱去，最後下了決心，説：‘我們必須幹！’ ”
1942年9月28日，蘇聯國防委員會發布“關於組織鈾計劃”的命令，責成蘇聯科學院組建專門的原子核實驗室。此後短時間內此研究由老約飛領導，因約飛不是核物理學家，由庫爾恰托夫擔任其副手。1943年2月國防委員會決定成立研製原子彈的秘密實驗室——第二實驗室 (即後來的蘇聯科學院庫爾恰托夫原子能研究所)，正式任命庫爾恰托夫為實驗室主任，擔任蘇聯核計劃的科學領導人。從1943年到1945年由蘇聯人民委員會副主席莫洛托夫監管核計劃，日常領導則由當時的化學工業人民委員別爾烏辛擔任7)。
1945年7月24日波茲坦會議之後，特別是1945年8月美國在廣島和長崎投下原子彈後，在斯大林的指示下，核武器研製成為國家最優先的任務。庫爾恰托夫奉命組織全國力量，加速開展原子彈的研製8)。在組織領導方面，1945年8月19日在國防委員會下設立了專門委員會，由內務人民委員貝利亞9) (圖6) 擔任主席，國防武器彈藥人民委員萬尼科夫10) (圖7) 擔任副主席，全面領導核武器研製11)。在專委會之下成立了由學者和工程師組成的科技委員會12)，由萬尼科夫任主席，庫爾恰托夫任副主席，負責決定核武器研製中各類科技問題13)。同時在蘇聯人民委員會議 (後來的部長會議) 之下成立了第一總局 (1953年後稱為中等機械工業部)，負責核武器研究的行政領導，由萬尼科夫和扎維尼亞金分別擔任正副局長。為了開展核武器研製，第二實驗室於1946年4月9日在莫斯科西南方向約400公里的薩羅夫城地區建成了集武器的理論設計、實驗和生產為一體的核武器秘密研究基地，保密代號為第11設計局 (簡稱KB-11，另一保密代號為阿爾扎馬斯-16)。這樣，就形成了蘇聯核武器研製的總體領導體制，從1945年起到1953年被赫魯曉夫搞掉為止，貝利亞一直是該項事業的領導者，萬尼科夫和扎維尼亞金為其副手，而庫爾恰托夫為蘇聯核計劃的總的科學領導者，其副手為核武器研製的總設計師尤里·哈利頓和副總設計師基里爾·肖爾金14) (圖8)。
按照斯大林“政策確定之後，幹部就是決定一切的因素”的教導，庫爾恰托夫上任後的第一件事，就是為核武器研究組織科學骨幹隊伍。才能出眾且曾研究過恆星能源和温度的理論物理學家朗道15)和集科學家、工程師和組織者品質於一身的實驗物理學家卡皮察自然逃不出他的慧眼，成為他第一批徵集的對象。1943年3月20日，庫爾恰托夫給別爾烏辛寫信，提出約請朗道和卡皮察參與核武器研究的必要性，他在這封絕密信件中寫道：
“在鈾彈爆炸的初期大部分物質尚未發生反應，此時物質處於其原子幾乎完全電離的狀態，爆炸過程的進一步發展以及原子彈威力均依賴於這種物質狀態。
在原子彈實現之前，在實驗(哪怕是微不足道規模的實驗)上根本觀察不到任何與這種物質狀態相似的的情況。這種物質狀態被認為只有在恆星中才會實現。這一階段爆炸過程的發展只能從理論上對其一般特性進行研究。這個困難的任務看來只能交給著名的理論物理學家朗道教授，他是類似問題的專家和真正的內行。
……在解決選擇同位素分離的途徑及相應的機器的設計方面，第二實驗室急需向具有深刻的物理知識、實驗經驗和工程師才能的大學者諮詢並取得其幫助。將這些品質集於一身的人是卡皮察院士。
因此我請求你考慮邀請卡皮察院士擔任同位素分離方面的顧問及授權朗道教授開展鈾彈中爆炸過程發展的計算。”
作為深受斯大林信任的科學家，卡皮察加入這一絕密任務絕對沒有問題，他很快被列選為專門委員會和科技委員會成員，參與核武器研製的領導決策。然而，從監獄裏被保釋出來的朗道能否加入絕密任務成了問題，別爾烏辛遲遲沒有對庫爾恰托夫的要求做出回答。聰明的庫爾恰托夫當然知道問題的癥結何在。一年半之後的1944年11月24日，他直接給貝利亞呈送了一個題為“關於必須吸引參與核問題研究的學者”的絕密報告，在這個報告中，他列舉了朗道、卡皮察、約飛、希涅爾尼科夫、瓦爾特、阿爾齊莫維奇、基爾皮喬夫、斯梯里科維奇、謝苗諾夫、涅斯米揚諾夫共10位學者的名字，並敍述了為何要吸引他們的原因。關於朗道，他是這樣寫的：
“蘇聯科學院物理問題研究所理論部主任，數學物理博士朗道教授是蘇聯最深刻、最有天才和最知名的理論物理學家之一，關於吸引他參加工作的事我已在給莫洛托夫同志的報告中提出16)。他參加鈾計劃對於鈾原子中發生的基本過程這一深刻的物理問題的解決極為有益。”
這個報告中提出的其他九人很快被吸收到計劃中來，唯獨對吸收朗道的請求貝利亞仍然沒有答覆。事情又拖了一年多，到了1945年12月18日，庫爾恰托夫專門就朗道參與核武器研究的問題致信專門委員會主席貝利亞：
致貝利亞同志
如果能接受蘇聯科學院物理問題研究所理論部主任、數學物理博士列夫·達維多維奇·朗道教授加入工作，則我們實驗室所進行的一系列工作特別是與“工廠產品”17)有關的那些工作的完成將會顯著地成功。
朗道教授是我國最有聲望的理論物理學家。
我請求你批准第二實驗室吸收朗道教授對上述問題開展理論研究並參加實驗室的討論會。
蘇聯科學院第二實驗室主任I. 庫爾恰托夫院士
庫爾恰托夫這封信是在斯大林批准解除卡皮察的專門委員會成員職務之前三天發出的18)，正是由於他的不懈堅持，1946年2月11日召開的專門委員會科技委員會作出決定：“責成朗道領導的理論物理學家小組準備‘工廠產品’實驗樣品的定量計算資料”，也就是從這一天開始，朗道被正式批准參加蘇聯核武器研究 (圖9)。
2 朗道在蘇聯核武器研究中做了些什麼工作？
朗道在蘇聯核計劃中發揮了相當重要的作用，根據已公開發表的文獻，他在以下三個方面有突出貢獻：
(1)領導一個理論物理學家小組和由數學家梅曼帶領的15個計算員組成的計算站，直接參加了由KB-11設計的多種型號的原子彈、氫彈爆炸機理的探索和有效作用係數的理論計算
根據專委會的決定，朗道在物理問題研究所組建了他的研究組，一開始的成員只有慄夫席茲和哈拉特尼科夫 (圖10)，後來在承擔氫彈任務時，又增添了謝爾蓋·季雅科夫 (圖11) 和德米特里·西烏欣 (圖12) 兩位副博士。同時，根據專委會決定，給這個理論小組配備了由數學家梅曼19) (圖13) 帶領的由15人組成的計算站。按照哈利頓1946年向貝利亞提交的“KB-11開展工作的建議，”曾將朗道小組列為“KB-11第14理論小組”，準備和其他理論物理學家一樣遷往基地20)，後來不知為何，朗道小組留在了莫斯科，未進入核武器研究基地。
從1946年8月到1949年初，朗道小組對KB-11設計的RDS-1，RDS-2，RDS-3，RDS-4以及RDS-521)五種型號的原子彈進行了理論計算，計算其能量釋出的有效程度即所謂有效作用係數。為了提煉爆炸過程的理論，朗道從理論上研究了在爆炸所能達到的條件下的核爆炸物的性質 (壓強，熱容和熱傳導性)，他們充分發揮理論物理學家處理複雜問題的特長，採用簡化模型，將複雜的偏微分方程化作對於座標作了平均的變量的常微分方程 (朗道—慄夫席茲—哈拉特尼科夫方程)，進而發展了使用常微分方程組描述爆炸過程的方法。通過積分這些方程求得核物質球膨脹的規律、圍繞球的殼層運動的規律、核物質球及殼層中的温度改變、中子增殖進程以及核反應發展進程。計算的結果確定了核物質的總燃燒量和能量釋放的總量。他們共提供了22篇研究報告，趕在1949年8月29日蘇聯第一次進行原子彈實驗前，圓滿完成了國家任務。與朗道小組進行平行計算的是由蘇聯科學院地球物理研究所特殊任務實驗室的吉洪諾夫22)領導的計算站，他們採用不同方法，驗證了朗道小組的計算結果。1949年8月29日第一顆原子彈RDS-1的試驗23)結果和1951年10月18日第二顆原子彈RDS-3的試驗24)結果均證實了朗道小組的理論計算是正確的。
1949年完成原子彈的計算任務後，朗道小組投入了氫彈的理論計算。早在1945年，蘇聯情報部門就得到美國的愛德華·特勒利用氫的同位素聚變搞“超級炸彈”的消息，庫爾恰托夫要求哈利頓探索此種可能性。結果古列維奇、澤爾多維奇、波梅蘭丘克和哈利頓共同準備了一個報告，於1945年12月17日向第一總局科技委員會報告，科技委決定由澤爾多維奇領導的化學物理所理論組 (包括康帕涅茲和季雅科夫) 對此構想進行深入探討，結果他們於1947年底至1948年初提出利用原子彈引爆儲存在圓柱體中的液態氘氚混合物以產生熱核反應的氫彈設計，簡稱“管子”。1948年庫爾恰托夫請列別捷夫物理研究所的伊戈爾·塔姆25) (圖15) 組織一支理論隊伍，驗證並改善澤爾多維奇小組對“管子”的計算結果。結果該組的安德烈·薩哈羅夫26) (圖16) 提出了新的氫彈設計，他採納金茲堡27) (圖17) 提出的使用固態氘化鋰代替氘、氚作為聚變材料的想法，提出將裂變材料和聚變材料分層擺放、用原子彈引爆聚變材料的氫彈設計，簡稱“夾心餅乾”。1950年2月26日，斯大林簽署了蘇聯部長會議“關於建造氫彈”的決定，加快氫彈研究。決定中將氫彈的兩種設計分別稱為RDS-6T (管子) 和RDS-6C (夾心餅乾)，要求兩種設計的理論和實驗工作同時開展，同時決定增補朗道為KB-11科技委委員。
從1950年2月開始，朗道及其小組參與了RDS-6T的理論計算，主要是解決圓柱形彈體中氘氚混合物爆轟無限傳播可能性的基本問題，為此他們根據實驗數據重新計算了高温下熱核反應的速度，並計算了核反應所獲得的快速粒子的慢化距離、慢化時間和快速粒子向原子核和電子的能量傳遞。精確化了初次量子輻射的計算。詳細考慮了加熱物質中量子一重散射的規律。朗道小組還研究了激波存在時能量的傳播方式，提出解決複雜的氣體動力學的方法，即解決非穩恆過程的方法 (圖18)。然而由於問題的高度複雜性，圓柱形彈體中爆轟無限傳播可能性問題到1951年年底仍未得到解決28)。
1951年12月29日，蘇聯政府決定1952年最重要的任務是完成RDS-6C的研製，爭取在1953年進行氫彈試驗，為此解除了朗道小組的RDS-6T計算任務，要求該組人員從1952年2月開始參加RDS-6C (“夾心餅乾”) 的理論研究。朗道小組與塔姆小組緊密配合 (圖19)，朗道特別指出該結構中“輕元素層”和“重元素層”湍動式混合過程具有極端重要性，並提供了具體計算方法。正如哈拉特尼科夫在其回憶錄中所説：“氫彈的計算比原子彈的計算複雜許多個數量級，我們用‘手工方式’完成這一任務，當然是一種奇蹟”[3]。在研究過程中，他們曾與承擔同樣任務的吉洪諾夫計算站就偏微分方程解的穩定性問題產生過矛盾，他們提出巧妙的克服不穩定性的計算方法，使得對方信服。1952年5月朗道曾親筆致信扎維尼亞金，報告他們克服困難完成計算的新進展 (圖20)。
1953年1月，朗道小組和吉洪諾夫計算站從同樣的初始方程出發，採用不同的方法，完成了對RDS-6C爆炸當量的計算，在輸入相同初始數據後，朗道小組的結果是25萬噸TNT，而吉洪諾夫小組的結果為22萬噸TNT。他們的結果得到由布洛欣採夫29)、博戈留波夫、澤爾多維奇、凱爾迪什、薩哈羅夫和塔姆組成的評估專門小組的一致肯定。1953年8月12日蘇聯在謝米巴拉金斯克試驗場進行了RDS-6C氫彈試驗，實測爆炸威力為35—40萬TNT當量 (圖21)。而根據試驗前朗道小組的理論計算結果估計，此次爆炸的威力應當在30±10萬噸TNT當量。
朗道及其小組為核武器研究所作的這些理論貢獻，受到KB-11及第一總局的高度評價，KB-11的副總設計師肖爾金在1952年5月向第一總局的報告中稱：“朗道所進行的工作涉及到KB-11所有最重要部門”，“朗道在建立有關技術的理論基礎中所作出的極為重要的貢獻是與他對物理現象的深入分析的藝術相結合的，他善於找到極為複雜的問題的有效的定量計算方法，這些方法給出相對簡單的規律，而這些規律均可以直接應用於實際問題的解決”。同月第一總局副局長扎維尼亞金呈送貝利亞的報告也説：“根據參加第一總局工作的物理學者們的觀點，朗道是蘇聯最有影響的理論物理學家，他高水平地完成的第一總局的工作，現已成為計算“產品”30)壓縮和作用有效係數以及對氘爆轟中發生過程計算的理論基礎”。
(2)兼任第三實驗室理論部主任，領導並參與了重水反應堆的理論設計
1945年12月蘇聯政府決定成立蘇聯科學院第三實驗室 (後改名熱工實驗室，即現在的俄羅斯科學院理論和實驗物理研究所)，任命阿布拉姆·阿里漢諾夫31)為實驗室主任 (圖22)，規定其主要任務為建成重水反應堆並研究在此反應堆中製備原子彈需要的鈈239和鈾233。朗道在參與原子彈威力計算的同時，受阿里漢諾夫的邀請，兼任了第三實驗室理論部的主任，領導波梅蘭丘克、阿希澤爾、加拉寧、別列斯捷茨基等人鑽研反應堆理論，取得大量理論成果，在他的指導下，由波梅蘭丘克和加拉寧完成了重水反應堆的理論設計任務。阿希澤爾和波梅蘭丘克經兩年努力，於1947年寫成《核反應堆理論基礎》書稿，可惜受保密制度限制，長期未能出版，在庫爾恰托夫和朗道的堅持下，才於1950年將其中的非保密部分以《原子核理論的若干問題》為書名出版。1948年4月科技委員會指派由謝苗諾夫、庫爾恰托夫、朗道和澤爾多維奇組成的特別驗收小組對第三實驗理論設計工作進行了全面考察，科技委員會根據驗收組報告，一致認為第三實驗室的理論計算準確可靠。
