互动科普

古怪的一对——费米与西拉德

William Lanouette

(美国总审计局能源与科学政策分析专家) 

第二次世界大战爆发前夕，欧洲的两位物理学家恩里科·费米和利奥·西拉德住进了纽约市哥伦比亚大学附近的皇冠酒店。虽然他们以前曾有书信往来，但1939年1月他们在酒店里相遇却纯属偶然。这次相遇引出了科学史上一段多姿多彩的同时也是充满争论的合作关系。

费米与西拉德都是为躲避当时横行欧洲的法西斯浪潮而移居美国的难民，而且两人对于最终实现原子能释放的理论难题各有其重要的贡献。不过他们很快就意识到，合作计划要求他们克服两人在世界观、工作作风和基本个性方面的深刻差异。如果费米和西拉德没有坚持他们这一段经常是令人不愉快的合作，世界上首次可控链式反应不会在1942年实现，而且曼哈顿工程也不会在1945年造出第一颗原子弹。正如西拉德后来指出的那样，如果说美国欠我们一笔人情债一一或许并非如此一一那是因为它总是在必要的时候让我们坚持合作下去。

十字路口

时年38岁的费米刚刚从罗马到纽约。途中他曾赴斯德哥尔摩领取1938年诺贝尔物理学奖，获奖原因是他用中子轰击铀元素而产生出超铀元素。由于担心法西斯统治的意大利新制定的种族主义法规，费米和他的犹太籍妻子决定拒不回国了。当时美国有四个单位向他发出邀请，他接受了哥伦比亚大学的邀请而到该校任职。

西拉德是一位40岁的匈牙利籍犹太人，他的纽约之行过程更是曲折。早在1919年他就离耳故乡市达佩斯赴柏林，在那里，他从事研究并曾与爱因斯坦共事。起初他们两人有一些共同的设想，并共同拥有一种电磁冰箱泵的几项专利[参看本刊1997年5月号《萤因斯坦和西拉德共同发明的电冰箱一文》。二十年后他们的这段关系产生了重要的历史意义。

当阿道夫·希特勒1933年上台后，一直在密切关注局势的西拉德立刻逃到了伦敦。那一年他提出了核“链式反应”的设想。据他1934年的专利申请所述，这种反应可以产生“电能”，乃至引起“爆炸”。链式反应最终可在核电站和核武器中发生。不过，当时首先必须找出一种能够促进链式反应发生的元素。西拉德先后在牛津大学、美国罗彻斯特大学和伊利诺斯大学做了四年实验，结果都未成功，最后他到了哥伦比亚大学。

费米是一位严谨的学者，他的一生都以辉煌的物理事业为核心。他对政治不感兴趣。他是一个极有家庭观念的人，很快就把一家老小从皇冠酒店迁到新泽西州郊区的一所住宅里。他每天早上5点半醒来，早饭前的两个钟头里潜心推敲他的理论并安排一天的实验。费米是一位天才的理论物理学家，但同时也喜欢亲自动手做实验，这在二十世纪的科学家中是不多见的。在不讲课的时候，他就同他的专职助手们在实验室里忙个不停，制作并使用各种设备。

身为单身汉的西拉德是一位没有工作的“客座学者”，他既无课堂也无自己的实验室，很少讲课，偶尔发表点论文，对生物学和经济学亦感兴趣。他住在旅店和教员俱乐部里，喜欢一连几个钟头泡在浴缸中苦思冥想各种新奇点子。（后来他曾突发奇想，建议国家科学基金会付钱给二流科学家，让他们不要搞研究了。)西拉德读起报来废寝忘食，常常思考政治、经济和军事方面的问题。他总是把两个大包塞得满满的，以便一旦法西斯浪潮又爆发时好赶快逃避。

西拉德喜欢睡懒觉，常常只是在近中午时才赶到哥伦比亚大学以便捞到午餐。午餐后，他常去拜访同事，提出一些很有见解的问题并建议他们该做些什么实验。后来获得诺贝尔物理学奖的Isidor Issac Ran终于忍不住对他说：“你的点子太多了，省着点吧。”

已故的麻省理工学院物理学家Bernard Feld曾作为西拉德在哥伦比亚太学的研究助手同费米与西拉德共事。他对两个人作了这样的总结：费米只有在他已经掌握了他所能知道的有关A点的一切情况，并且对B点也有了充分的把握之后，才会从A点转到B点；西拉德则会从A点一下蹦到D点，而且还奇怪为何别人把时问浪费在B点和C点上。“

费米和西拉德在皇冠酒店偶然相遇之后不过几天，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔来到纽约，带来了出自欧洲的一条重要消息：从德国逃到斯德哥尔摩的犹太物理学家莱斯·梅特纳已经确定，柏林的两位化学家奥托·哈恩与费里茨斯特拉斯曼已经通过中于轰击使铀发生“裂变”。他们劈开了原子(1966年这三位科学家因此项工作而获得恩里科·费米奖。)玻尔带来的消息帮助费米对他在1934年进行的铀实验有了更全面的了解；除了产生出超铀元素外，他还在无意中使原子发生了裂变。

对于西拉德来说，这一消息更是不祥之兆。他意识到铀就是他在1934年的专利申请中提到过的那种能够为链式反应提供燃料的元素。西拉德确信他的政治判断不会错，因此秘密地把他的专利转让给了英国海军部，免得让德国科学家知道而可能研制出原子炸药。核裂变的发现证实西拉德的担忧——原子弹可能很快就会变成一个确然无疑的现实。

链式反应的概念首次出现在西拉德的脑海。l933午，当时他正站在伦敦的一个街角上。中子只是前年(1932年)才发现的：物理学家现在认为原子类似于太阳系，带负电的电子围绕着一个由带正电的质子和不带电的中子组成的原核运动。由于中子不带电，因此它在撞到原子后可能会深入核内不被排斥。西拉德想象，如果一个中子击中原子核后使该原于分裂，就可能释放出把该原子结合在一起的结合能。该原子的一部分中子也可能被释放出来击中其它的原子并使其分裂。如果每个发生分裂的原子释放出一个以上的中子，那么这一反应将按指数规律迅速增长．在极短时间内使成千万上千万的原子发生裂变(西拉德后来获悉，玻尔带来的消息同样使费米也设想这一种链式反应、尽管他考虑的是这种可能性极小的反应。)

当拉德托1934年提出他的专利申请时，费米还在罗马，成了世界上用中子轰击原子的专家。他发现，如果让中子穿过石蜡就能使中子的速度放慢，从而增大中子被靶核吸收的机会。费米对铀的研究结果令人困惑不解。有时铀核吸收了中子(由于原子的特征由质子决定，因此吸收中子只是产生出铀的同位素)，但是有时中子轰击却产生了全新的元素。德国化学家伊达·诺达克一直在通过杂志的报道注视着费米的实验，他建议对新元素进行化学分析，以检查它们是不是铀核分裂后产生的碎片。但是。费米全神贯注研究中子轰击与吸收的物理机理，没有去研究这些新元素的意义。如果他注意到这一点的话，他可能早在梅特纳之前若干年就发现了核裂变。

1939年春、费米和西拉德在哥伦比亚大学各自尝试了一些旨在加深对裂变的认识的实验。西拉德向加拿大物理学家沃尔特·齐恩提供了他刚从英国买来的一种镭一铍中子源。借助这一中子源，齐恩和西拉德证明了在裂变过程中有两个以上的中子逸出。费米和他的助手赫伯特·安德森利用一种更强的氡一铍中子源进行了类似的实验，但没有得到确定无疑的结果。西拉德猜测，这个中于源太强，因此使部分中子得以直接穿过原子核，这样实验人员就不容易分清他们探测到的中子究竟是来自核裂变的中子还是那个中子源发出的原始中子。于是，西拉德把他那个从英国弄来的中子源借给费米。而这个中子源果然得出了明确得多的结果。

从此这两个人就尝试合作。但由于个人风格的不同他们常发生剧烈的摩擦。西拉德是个不喜欢动手而喜欢用脑的人物，而费米却要求他的研究小组的每位成员都必须亲手参与实验。虽然他们彼此尊重对方的本领，但和对方在一起时总感到格格不入。然而，在他们意识到彼此都离不开对方后，他们找到哥伦比亚大学物理学系主任George Pegram，后者答应协调他们各自的研究工作。Pegram的外交使费米追求精确性的风格和西拉德追求先见之明的风格都得到了充分的发挥，加上安德森，这几个充满活力的同事成功地确定了利用中子可以把链反应维持下去。

实现核链式反应

虽然费米和西拉德之间的摩擦是家常便饭，但是中子和原子核之间的碰撞开始却很罕见。让中子穿过了所谓的慢化剂（例如，帕费米的石蜡）有助于减速，从而增大它们与原子核碰撞的机会。到1939年时，物理学家们还使用了一种搞笑的慢化剂“重水”。通常的水(即 “轻水”)由两个氢原子和一个氧原子组成，也就是人们熟悉的H2O，而重水则是由两个氘原子和一个氧原子组成，(在现今的核反应堆里，重水仍然是用作稀释铀燃料的慢化剂，而轻水则用作浓缩铀燃料的的慢化剂)，但重水昂贵而稀少。西拉德设想中的大规模试验需要使用更为普通廉价的慢化剂。他后来发现了一种被他的德国同行们忽视了的慢化剂。

果然如西拉德所担心的那样，德国的原子弹研究计划到1939年春时已有了相当进展。德国和美国的物学家们也都认识到了石墨——一种较软的碳、用作铅笔芯——可以充当慢化剂。但是，德国科学家却放弃了石墨，因为它吸收的中子太多。他们转而把注意集中在重水身上：然而重水的供应总是不足。西拉德经常亲自火车到波士顿或布法罗采购费米作实验所需的原料，他发现商业石墨烯还含有少量硼，而硼正是一种极强的中子吸收剂。他订购了一些特制的无硼石墨，而这件事最终引发了费术和西拉德之间最激烈的一次对抗。

安德森对纯石墨吸收中子的情况进行了测量、并发现它的确可以作为一种优良的慢化剂。西拉德建议将这一实验结果保密。费米始终是一位职业学者。他不赞成违反学术界通过专业杂志发表成果的悠久传统。西德后来回忆说，“费米这回真的忍不住了。他的确认为我的建议十分荒唐。但由Pegram再次介入进行调解，费米最后违心地同意在当时的特殊情况下对此项结果加以保密。

有了石墨慢化剂，费米觉得链式反应现在至少该有一线希望了。但是，在这一希望究竟有多现实的问题上，费米和西拉德再次展示了他们截然不同的思维方式。西拉德担心德国人在核武器竞赛中已经领先，而对于西拉德的这种猜想费米则用美国土话(他喜欢尝试说美国士话)回答道：“白痴!”费米认为，造出原子弹是25年或50年后的事了，而且他还告诉同事说，真正实现自持链式反应的可能性“相当渺茫”，大概不过是10％左右。

Isidor Rabi回答说，“如果这种10％的机会意味着我们可能因此而送命的话，那么它就不能算小了。”西拉德注意到他和费米对于同一信息往往作出不同的解释，他后来回忆说，我们两人都希望尽量稳健一些，但是费米认为．所谓稳健就是要把某件事发生的可能性尽量说低一点，而我则认为稳健就是确认这件事将发生，并要采取必要的应对措施。”

这些措施之一是西拉德借来2千美元以支持费米的研究工作。不过，到1939年夏，费米却离开哥伦比亚大学，跑到密执安大学去研究宇宙线了。这件事表明他对核研究的重大意义不太关心。因而世界上第一个成功的核反应堆设计方案既不是在实验室也不是图书馆搞出来的，而是在书信往来中诞生的。

西拉德一如既往地坚持要求“马上”开始进行“大规模”的试验，而费米则总是持怀疑态度。西拉德提出的方案是把石墨和铀一层层地交替堆积起来，而这种石墨一铀堆的几何结构将决定中子的散射及随后发生的裂变事件。费米则针锋相对地提出了一种均匀的设计方案，也就是把铀和石墨象砾石那样混合在一起。这一方案使西拉德大为恼火，他指出费米喜欢这一方案仅仅是因为它的构比较容易进行计算。费米后来回答说经过更深入的思考，他接受了西拉德的网格方案。一旦被说服后，费米立即运用他的非凡天才确定了网格的物理性质并安排了制造一个反应堆所需的人员。

权势者中的朋友

西拉德意识到，尽管他和费米都有出众的智能，但为了使他们的合作取得成功，他们仍然需要一些举足轻重的盟友来协助他们。西拉德和费米从一个本不可能存在的“三人帮”那里获得了这种帮助，这三个人就是富兰克林 D. 罗斯福、J·埃德加·胡佛和阿尔伯特·爱因斯坦。

1939年夏，西拉德获悉德国正在限制铀的供应。他认为这表明德国在进行裂变研究，并想要提醒美国政府注意这一动向。凭着一个公关能手的本能，他开始向他的导师和朋友爱因斯坦求助。爱因斯坦当时住在纽约市以东约70英里的长岛的一幢消夏别墅里。西拉德向这位举世闻名的物理学家介绍了有关链式反应的情况。爱因斯坦回答说．“我根本没有想到这一点。”现在他终于看到了使他举世著名公式所表达的质能转换过程得以实现的一种机制。

西拉德曾两次拜访爱因斯坦，第二次拜访是为了讨论一封待他签署的信。他的一位同事——也是从匈牙利到美国避难的科学家——充当他第二次拜访时的司机。他回忆说．“西拉德什么都会做，就是不会开车，而我则会开车。这样我就驾车把他送到了爱因斯坦的避暑别墅。爰因斯坦很平易近人，他不仅招待西拉德喝咖啡．连他的司机也一并招待。”爱因斯坦穿着旧睡袍和拖鞋，读了那封现在举世皆知的致罗斯福总统的信并同意在其上签名，当时埃德加·泰勒也在场。这封日期为1939年8月2日的信一开始就说，“恩里科·费米和利奥·西拉德最近进行的某些研究……”，接下来该信警告说德国正在研究原子武器，并极力主张美国也开展自己的研究。

西拉德把这封信交给了投资银行家亚历山大萨克斯，他是新政顾问，能够见到罗斯福总统。1939年9月1日第二次世界大战爆发，10月罗斯福终于收到了这封信．并同意应该采取某种行动“以保证纳粹不会把我们炸平”。为此，他下令设立了一个联邦铀委员会，任命西拉德和其它移民科学家为其成员。几周之内他们就设法得到了一项拨款6千美元用于在哥伦比亚大学开展研究的承诺。

战后爱因斯坦曾说，他当时“真的只是充当了西拉德的信差。”然而，1940年，当美国军方几乎要以政审不合格为由把费米和西拉德排除在核研究以外之际，爱因斯坦不得不再次出面充当了一个决定性的角色。军方调查人员的结论据称是以“高度可靠人士”提供的资料为基础的，但他们的结论漏洞百出，比如说费米这位因躲避法西斯而逃到美国的难民“毫无疑问是法西斯主义者，又说西拉德因畏惧纳粹而“非常亲德”。或许是因为西拉德曾断言德国可能打赢战争而促使军方误认为他“亲德”。(该报告还把西拉德的名字弄成两种不同的写法，但都是错的。)军方对两个人的调查结论都是：“不宜任用这样的人参与秘密研究”，而事实都是当时美国与核有关的唯一的秘密研究工作只存在于费米和西拉德的大脑中。

当然，如果军方的主张占了上风，研究经费就将枯竭，而费米和西拉德所进行的正在起步阶段的美国原子能研究也将陷于停顿。但这一错误得以避免，联邦调查局在来自白宫的压力下奉命“澄清费米和西拉德对美国的忠诚”。联邦调查局局长J埃德加·胡佛派遣探员向爱因斯坦了解费米和西拉德的情况(后来爱因斯坦的和平主义观点使他自己在政治上是否可靠都受到了质疑)。在爱因斯坦说了一大堆好话后，联邦政府终于在1940年11月向哥伦比亚大学注入了资金，但是对费米和西拉德的不信任直到他们已经成为美国公民后许多年才逐渐消散。

有了资金在手，费米研究小组就开始集中力量建造铀和石墨堆(也就是西拉德的网格)，以检验最适于产生链式反应的比率和几何结构。就在日本偷袭珍珠港前一天，罗斯福批准联邦政府全力以赴投入研究原子弹的计划。1942年春，费米、西拉德以及哥伦比亚小组的其它成员迁到了芝加哥大学，并在该大学建立一个绝密的“冶金实验室”，实际上是研究链式反应。军方的曼哈顿工程于1942年6月接管了这个实验室。颇有讽刺意味的是、就在这个紧要的历史关头，德国削弱了它自己的原子弹研究计划，认为这项工程对当前这场战争没有什么实际意义。

1942年秋，一座反应堆终于建成，堆中的铀呈球形，嵌在石墨块中。1942年12月2日．在芝加哥大学斯塔格菲尔德橄榄球场下的一座橡皮球场内，费米组组织启动世界上第一次可控自持式链式反应的实验。在这次具有历史意义的实验之后，费米和西拉德两人孤零零地呆在反应堆旁边。西拉德回忆说，他们握了握手，“我说，我认为这一天将作为一个黑色的日子载人人类史册。”

后继的冲突与和解

在1945年二战临近结束之际，费米和西拉德又一次发生了分歧。西拉德主张加快原子弹的研究把它作为对付德国的防御武器，而随着希特勒的垮台，西拉德认为原子弹不应该用作打击日本的进攻性武器。他认为应该组织一次试验，向日本人实际展示原子弹的威力以促其赶快投降。费米当时是美国政府关于原子弹使用方案的高级委员会的科学顾问，他认为这种炫耀原子弹威力的做法是不切实际的。美国政府同意费米的意见。1945年8月，两颗原子弹将日本的广岛和长崎市夷为平地。

战后，费米赞同军方继续把持原子研究，而西拉德则成功地游说国会设立了一个新的文职部门——美国原子能委员会。1950年，这两位学者找到了一个共同点——反对西拉德的老朋友泰勒。当时他们两人都抨击美国发展氢弹的计划。费米称氢弹“就其实际效果而言几乎是一种种族灭绝的武器。”

1955年，关于费米一西拉德“中子反应堆的一项联合专利”首次公开，而一年前费米已经与世长辞。西拉德此后潜心钻研分子生物学和核武器控制问题，直到1964年去世。费米对西拉德作了这样的概括：西拉德“极有才华”，但“似乎总喜欢让人吓一跳”。西拉德在回忆费米时则写道，“我只有在他发了疯这种极罕见的场合才最喜欢他(当然不包括他向我发疯的情形)。”

郭凯声／译  冉隆华／校