[转帖]“纸老虎”研究五十年

<p>方 励 之</p><p>　　今年（2006）是北大物理系1952-1956届学生毕业五十年。我是其中之一。<br/>诸同窗好事者将于2006年四月聚首北京，忆半世纪岁月之沧桑。另外，北京天文<br/>台诸友，也于今日聚首叙旧。我均不能恭逢其盛，谨写下几段有关“纸老虎”研<br/>究的经历以谢之。也供其它友好一笑。</p><p>　　算盘年代</p><p>　　1999年，中华人民共和国成立五十年，TIME(Asia)杂志在那年九月出了一个<br/>专集，有五十篇文章，介绍大陆五十年中的五十个方面。其中有关中国进入核俱<br/>乐部的一篇，题为“The Big Bang”，是约我写的。其实，我对中国核历史内情<br/>所知甚少。他们约我写，只因为我是介入核项目的早期研究人员之一。所以，我<br/>也只能为TIME极简单地描写一下1955-57两年间的核经历。有关的几段原文如下：</p><p>　　“五十年代初，（在中国）核弹，即俗称原子弹，经常被批判为“纸老虎”。<br/>然而，就在那时候中国当局已经决定制造自己的“纸老虎”……1955年一百个物<br/>理系大学生被调集到北京大学的一个秘密单位——我也在其中。当局告诉我们，<br/>任务是学核物理，准备发展中国的核项目。当时，中国有资格的核物理学家，不<br/>会多于三十位。远不足以加入核俱乐部。</p><p>　　“一年之后, 我20岁，成为近代物理研究所的一名实习研究员。我所在的组，<br/>有12个成员。我们当时的任务是研究核反应堆理论。核反应堆能生产镤－239，<br/>通过裂变它可释出巨大能量。该组的日常事务由我负责。除了一个成员外，其余<br/>的年龄都小于25。</p><p>　　“最大的问题是数值计算。那时候，连电动计算器都缺。我们只能靠算盘。<br/>在计算高峰时，整个房间听起来像是一个老式的银行，充满算盘珠的劈啪声。谁<br/>想得到，这些噪声就是核爆炸巨响的前奏之一。”</p><p>　　TIME杂志的编辑不要求我写“算盘计算”的课题，写了也不会发表。他们可<br/>能怕担待不起“核（知识）扩散”的罪名。当时，最耗时的数值计算是用<br/>Runge-Kutta方法求解中子的输运方程。中子如何在输运过程中随时间变慢（能<br/>量减小）是设计反应堆的一个关键。由于，反应堆中物质分布极不均匀，加之非<br/>简单的边界条件，“算盘计算”决非易事。</p><p>　　“核机密”</p><p>　　其实，TIME杂志编辑可能不知道，物理方面的核机密，到1999年，早就扩散<br/>了。1992年，加州大学出版社出版了Robert Serber著“The Los Alamos Primer: <br/>The first lectures on how to build an atomic bomb”。 这是美国<br/>Manhattan计划的第一篇经典文献。当时是绝密。现在可以在amazon.com 网上用<br/>12美元买到。</p><p>　　借助Serber的书，我扩散一个“核机密”。制造核弹或核堆的一个重要参数<br/>是一个铀核裂变时释放出的中子数。这个数大于一，链式反应才有可能。这个数<br/>愈大，做核弹或核堆所要的材料愈少，或所需铀浓缩的程度愈低。反之要多，要<br/>高。所以它对设计核弹或核堆是至关重要的。伊朗的核项目就是在铀浓缩上与西<br/>方起了冲突。</p><p>　　二战之前，研究释放中子数的文献是公开发表的。大战爆发后，有关释放中<br/>子数的研究成为军事机密，不再也不准公开发表。1956年秋，在近代物理研究所，<br/>有关领导口头告诉我，这个数是2.3。绝密。只许记在脑子里，不准写在纸上。<br/>计算时直接打入算盘，不留痕迹。</p><p>　　对2.3一数，我一直好奇。我查过文献，直到战争前夕，在公开发表的文献<br/>中2.3 并不是公认的。1940年L.A.Turner在Reviews of Modern Physics, vol.12, <br/>p.1-29上的文章，可能是战前发表的最后一篇总结。其中列举的数据从2到3.5都<br/>有，很不准确。因为实验很难作，不能直接测到中子，只能用裂变核的质量亏缺<br/>反推。中国在1956年之前并不具备准确测量这个数的实验条件。所以，当时我想，<br/>这个数据多半来自苏联。因为，按照596计划，苏联的确给过中国一些核数据。<br/>也许，2.3 是苏联的秘密实验结果。</p><p>　　不过，我买到Serber一书后（1994年），发现历史并非如我五十年前猜测的。</p><p>　　第一， 在Serber一书中，“中子数”的数值也是2.3（他用2.2-2.4）。第<br/>二， 他说，直到那时(1943)，还没有很准确的实验结果。第三，所以，2.3实质<br/>上是当作缺省（default）值来用的。第四，书中有后人的注：2.3一数其实并不<br/>对。现在知道，对铀-235，准确值是2.52，对镤-239，它是2.95。</p><p>　　所以，如果2.3一数的确来自苏联，那么， 美，苏，中三方当年各自在秘密<br/>发展核弹时，都采用了一个同样的但并不正确的缺省参数2.3。所以，结论应当<br/>是，“核（知识）扩散”是从制造原子弹的第一篇文献的时代就开始了。</p><p>　　宇宙学与恐怖主义</p><p>　　我早就离开了“纸老虎”研究。当时的12个人中，有6个也很快离开了。因<br/>为，从物理学角度看，核项目是技术性的。</p><p>　　1970年代，我的兴趣转向相对论天体物理和宇宙学。九十年代初我来美国后，<br/>平均每年要请一位中国的年轻学者来我这里作宇宙学研究。九十年代一直没有签<br/>证困难。纽约911恐怖事件后，情况变了。签证一度极为困难。或拒签，或要等<br/>半年以上。问领事部门，他们说国土安全部要进行审查，因为宇宙学包含有对恐<br/>怖活动有用的知识。宇宙学是最公开的学科，居然也不准扩散？</p><p>　　国土安全部的专业分类，不是全无道理。当今美国最怕的是核恐怖。宇宙学<br/>虽多是纸上谈的“大爆炸”，但也许有真“老虎”在。二战后，不少从事制造核<br/>武器的人，“转业”下来后，都到了天体物理和宇宙学。从核爆炸转到超新星爆<br/>炸和宇宙学的标准模型——大爆炸。如今，Los Alamos 的强项之一就是超新星<br/>爆炸的数值模拟。俄国的Y. Zeldovich，是苏联氢弹的两位奠基人之一（另一个<br/>是A. Sakhrov）。六十代，Zeldovich转到物理宇宙学，又成了这一领域的奠基<br/>人之一。Zeldovich转到宇宙学后，立即（1968）提出了著名的<br/>Sunyaev-Zeldovich效应。这是Zeldovich的一个重要的宇宙学贡献。如果知道他<br/>的核经历，一点都不奇怪他的“手到擒来”。Sunyaev-Zeldovich 效应同上述的<br/>“算盘”课题，物理实质是一样的。后者是中子在冷核子中输运，导致中子能量<br/>减少，而前者是光子在热电子中输运，导致光子能量增加。在近似情况下，二者<br/>都是用Kompaneetz方程来计算。而且，宇宙学中，物质分布大多是均匀的，或对<br/>称的，没有复杂边界条件，好算。</p><p>　　我现在得到NSF支持的一个项目是用新算法研究宇宙学中的光子输运。又是<br/>要用到老朋友Runge-Kutta 方法。所以，宇宙学中发展的算法，真说不定对铀项<br/>目等还有用处。就此打住，不再多说，以防以今后来美宇宙学者再遇上签证麻烦。</p><p>　　五十年的“纸老虎”，悲耶？乐耶？</p><p>　　记于“从心所欲不逾矩”到来之日</p><p>方 励 之</p><p>　　今年（2006）是北大物理系1952-1956届学生毕业五十年。我是其中之一。<br/>诸同窗好事者将于2006年四月聚首北京，忆半世纪岁月之沧桑。另外，北京天文<br/>台诸友，也于今日聚首叙旧。我均不能恭逢其盛，谨写下几段有关“纸老虎”研<br/>究的经历以谢之。也供其它友好一笑。</p><p>　　算盘年代</p><p>　　1999年，中华人民共和国成立五十年，TIME(Asia)杂志在那年九月出了一个<br/>专集，有五十篇文章，介绍大陆五十年中的五十个方面。其中有关中国进入核俱<br/>乐部的一篇，题为“The Big Bang”，是约我写的。其实，我对中国核历史内情<br/>所知甚少。他们约我写，只因为我是介入核项目的早期研究人员之一。所以，我<br/>也只能为TIME极简单地描写一下1955-57两年间的核经历。有关的几段原文如下：</p><p>　　“五十年代初，（在中国）核弹，即俗称原子弹，经常被批判为“纸老虎”。<br/>然而，就在那时候中国当局已经决定制造自己的“纸老虎”……1955年一百个物<br/>理系大学生被调集到北京大学的一个秘密单位——我也在其中。当局告诉我们，<br/>任务是学核物理，准备发展中国的核项目。当时，中国有资格的核物理学家，不<br/>会多于三十位。远不足以加入核俱乐部。</p><p>　　“一年之后, 我20岁，成为近代物理研究所的一名实习研究员。我所在的组，<br/>有12个成员。我们当时的任务是研究核反应堆理论。核反应堆能生产镤－239，<br/>通过裂变它可释出巨大能量。该组的日常事务由我负责。除了一个成员外，其余<br/>的年龄都小于25。</p><p>　　“最大的问题是数值计算。那时候，连电动计算器都缺。我们只能靠算盘。<br/>在计算高峰时，整个房间听起来像是一个老式的银行，充满算盘珠的劈啪声。谁<br/>想得到，这些噪声就是核爆炸巨响的前奏之一。”</p><p>　　TIME杂志的编辑不要求我写“算盘计算”的课题，写了也不会发表。他们可<br/>能怕担待不起“核（知识）扩散”的罪名。当时，最耗时的数值计算是用<br/>Runge-Kutta方法求解中子的输运方程。中子如何在输运过程中随时间变慢（能<br/>量减小）是设计反应堆的一个关键。由于，反应堆中物质分布极不均匀，加之非<br/>简单的边界条件，“算盘计算”决非易事。</p><p>　　“核机密”</p><p>　　其实，TIME杂志编辑可能不知道，物理方面的核机密，到1999年，早就扩散<br/>了。1992年，加州大学出版社出版了Robert Serber著“The Los Alamos Primer: <br/>The first lectures on how to build an atomic bomb”。 这是美国<br/>Manhattan计划的第一篇经典文献。当时是绝密。现在可以在amazon.com 网上用<br/>12美元买到。</p><p>　　借助Serber的书，我扩散一个“核机密”。制造核弹或核堆的一个重要参数<br/>是一个铀核裂变时释放出的中子数。这个数大于一，链式反应才有可能。这个数<br/>愈大，做核弹或核堆所要的材料愈少，或所需铀浓缩的程度愈低。反之要多，要<br/>高。所以它对设计核弹或核堆是至关重要的。伊朗的核项目就是在铀浓缩上与西<br/>方起了冲突。</p><p>　　二战之前，研究释放中子数的文献是公开发表的。大战爆发后，有关释放中<br/>子数的研究成为军事机密，不再也不准公开发表。1956年秋，在近代物理研究所，<br/>有关领导口头告诉我，这个数是2.3。绝密。只许记在脑子里，不准写在纸上。<br/>计算时直接打入算盘，不留痕迹。</p><p>　　对2.3一数，我一直好奇。我查过文献，直到战争前夕，在公开发表的文献<br/>中2.3 并不是公认的。1940年L.A.Turner在Reviews of Modern Physics, vol.12, <br/>p.1-29上的文章，可能是战前发表的最后一篇总结。其中列举的数据从2到3.5都<br/>有，很不准确。因为实验很难作，不能直接测到中子，只能用裂变核的质量亏缺<br/>反推。中国在1956年之前并不具备准确测量这个数的实验条件。所以，当时我想，<br/>这个数据多半来自苏联。因为，按照596计划，苏联的确给过中国一些核数据。<br/>也许，2.3 是苏联的秘密实验结果。</p><p>　　不过，我买到Serber一书后（1994年），发现历史并非如我五十年前猜测的。</p><p>　　第一， 在Serber一书中，“中子数”的数值也是2.3（他用2.2-2.4）。第<br/>二， 他说，直到那时(1943)，还没有很准确的实验结果。第三，所以，2.3实质<br/>上是当作缺省（default）值来用的。第四，书中有后人的注：2.3一数其实并不<br/>对。现在知道，对铀-235，准确值是2.52，对镤-239，它是2.95。</p><p>　　所以，如果2.3一数的确来自苏联，那么， 美，苏，中三方当年各自在秘密<br/>发展核弹时，都采用了一个同样的但并不正确的缺省参数2.3。所以，结论应当<br/>是，“核（知识）扩散”是从制造原子弹的第一篇文献的时代就开始了。</p><p>　　宇宙学与恐怖主义</p><p>　　我早就离开了“纸老虎”研究。当时的12个人中，有6个也很快离开了。因<br/>为，从物理学角度看，核项目是技术性的。</p><p>　　1970年代，我的兴趣转向相对论天体物理和宇宙学。九十年代初我来美国后，<br/>平均每年要请一位中国的年轻学者来我这里作宇宙学研究。九十年代一直没有签<br/>证困难。纽约911恐怖事件后，情况变了。签证一度极为困难。或拒签，或要等<br/>半年以上。问领事部门，他们说国土安全部要进行审查，因为宇宙学包含有对恐<br/>怖活动有用的知识。宇宙学是最公开的学科，居然也不准扩散？</p><p>　　国土安全部的专业分类，不是全无道理。当今美国最怕的是核恐怖。宇宙学<br/>虽多是纸上谈的“大爆炸”，但也许有真“老虎”在。二战后，不少从事制造核<br/>武器的人，“转业”下来后，都到了天体物理和宇宙学。从核爆炸转到超新星爆<br/>炸和宇宙学的标准模型——大爆炸。如今，Los Alamos 的强项之一就是超新星<br/>爆炸的数值模拟。俄国的Y. Zeldovich，是苏联氢弹的两位奠基人之一（另一个<br/>是A. Sakhrov）。六十代，Zeldovich转到物理宇宙学，又成了这一领域的奠基<br/>人之一。Zeldovich转到宇宙学后，立即（1968）提出了著名的<br/>Sunyaev-Zeldovich效应。这是Zeldovich的一个重要的宇宙学贡献。如果知道他<br/>的核经历，一点都不奇怪他的“手到擒来”。Sunyaev-Zeldovich 效应同上述的<br/>“算盘”课题，物理实质是一样的。后者是中子在冷核子中输运，导致中子能量<br/>减少，而前者是光子在热电子中输运，导致光子能量增加。在近似情况下，二者<br/>都是用Kompaneetz方程来计算。而且，宇宙学中，物质分布大多是均匀的，或对<br/>称的，没有复杂边界条件，好算。</p><p>　　我现在得到NSF支持的一个项目是用新算法研究宇宙学中的光子输运。又是<br/>要用到老朋友Runge-Kutta 方法。所以，宇宙学中发展的算法，真说不定对铀项<br/>目等还有用处。就此打住，不再多说，以防以今后来美宇宙学者再遇上签证麻烦。</p><p>　　五十年的“纸老虎”，悲耶？乐耶？</p><p>　　记于“从心所欲不逾矩”到来之日</p>