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做一颗原子弹有多困难？《奥本海默》背后的细节！原子弹究竟是文明之火，还是毁灭之火？

人类史上第一颗核武器 The Gadget 试爆。图/wikimedia

1945 年 7 月 16 日美国时间早上五点三十分，在新墨西哥州的托立尼提沙漠内，人类史上第一颗核武器 The Gadget 引爆，爆炸温度 7 千万 K，三位一体核试验宣告成功。这次爆炸不仅留下 80 米宽的核弹坑，彻底打开了潘朵拉之盒。

知名导演克里斯多福.诺兰的电影“奥本海默”，用镜头为我们带来奥本海默这位伟大科学家波澜壮阔的一生，从他为人类取来核武器火种以威慑纳粹，但意识到自己带来的不是文明之光，而是毁灭之火。最后拒绝继续参与氢弹的开发，却捲入共产思想疑云的政治风暴之中。

奥本海默的精彩故事，欢迎大家进电影院好好体会，但在进戏院之前，我们先来了解，这位原子弹之父，是怎么做出原子弹的。为何曼哈顿计划需要召集如此多的科学家，甚至招募多达 13 万名员工来完成这项壮举?预告片中出现的这个球体，是如何改变人类的历史?

电影《奥本海默》预告片中出现的这个球体，是如何改变人类的历史?图/奥本海默电影预告

原子弹如何被制造?

1945 年 8 月 6 日与 8 月 9 日，两枚原子弹小男孩与胖子分别在广岛与长崎的 550 米上空引爆，虽然终结了第二次世界大战，但造成的直接与间接死伤，更震撼了全世界。

虽然两颗笨重的原子弹重量超过 4 公吨，但真正的核燃料核心在原子弹小男孩中只占了 50 公斤，而且经过计算，实际参与反应的可能只有其中 1 公斤。另一个原子弹胖子的核心更小，只有 6.2 公斤，是个直径约 10 厘米的球体，实际参与反应的部分大约是 1.2 公斤。

根据爱因斯坦著名的质能等价公式 E=mc^2，我们可以计算出在反应中损失 1g 质量，会产生大约 90 兆焦耳的能量，相当于 2 万吨 TNT 的能量。1g 质量换 2 万吨 TNT，难怪不论哪个阵营都想尽快开发出这恐怖的炸弹。预告片里面也提到，许多科学家都担心“如果我们不现在加紧研发，被纳粹先做出来了怎么办”，而推动了这足以毁灭人类的军武竞赛。

但是，就算有了质能等价公式，却还是无法凭空造出原子弹。我们过去在讨论核能的影片中提过，核反应要持续，需要靠连锁反应。一个反应堆中，每吸收一个中子就会释放一个中子，让反应稳定进行下去，称为临界状态，也是一般核能发电厂希望达到的状态。如果吸收一个中子，却释放不到一个中子呢?，那就称为次临界。所有没在反应的燃料棒都应该处于这个状态。原子弹呢，当然是希望吸收一个中子，释放出超过一个中子，让反应快速连锁下去，在极短时间释放巨大能量。这个状态称为超临界或是过临界状态。

这边提个物理学家间的有趣讨论，预告片中，由麦特戴蒙饰演的格罗夫斯少将问奥本海默，在 The Gadget 试爆的瞬间，世界有没有可能就此毁灭，奥本海默回答“机率几乎是零”。这件事其实是出自奥本海默与另一位物理学家康普顿的讨论，他们想到，大气中有许多氢气、氦气、氮气等轻元素，核爆瞬间可能会因为高温在大气中引发核融合，甚至产生连锁反应，连海水中的氢都发生爆炸，让地球化为太阳，世界终结。奥本海默和其他科学家还实际严密计算，确认机率几乎是零。

预告片中，格罗夫斯少将问奥本海默，在 The Gadget 试爆的瞬间，世界有没有可能就此毁灭。图/奥本海默电影预告

虽然核融合与核分裂的条件不相同，这个假设放在现在可能觉得太过夸张，但这也说明要让核反应连续下去并不简单。

在核分裂中，要达成超临界状态并不容易。在理想条件下，铀 235 每吸收一颗热中子，会产出 2.06 个中子，吸收快中子则会产出 2.5 个中子。另一个原子弹核燃料钸 239，则在吸收热中子和快中子两种不同能量的中子后，分别产出 2.1 和 3 个中子。然而实际上，中子往四面八方移动，并不是所有的中子都会被原子核捕获。加上未浓缩的燃料中含有大量其他元素，例如铀 238，导致燃料堆很难进入超临界状态，大幅降低炸弹的效果。等等，既然如此，曼哈顿计划是怎么克服这件事的呢?

如何让原子弹进入超临界状态?

电影预告中的芝加哥 1 号堆 CP-1。图/奥本海默电影预告

1942 年 12 月 2 日，人类史上第一个核反应堆-芝加哥 1 号堆 CP-1，在物理学家费米的主持下，初次达到临界状态，曼哈顿计划成功踏出第一步，人类正式进入原子能时代。预告中一闪而过的这个结构，就是 CP-1，由 4 万多个作为中子减速剂的石墨块组成，里面塞着一颗颗的铀块。

很难想象的是，在当时，控制临界状态的控制棒竟然是让人用手抓着的，反应堆的位置还在芝加哥大学的足球场底下 （Stagg Field）。

人类史上第一个核反应堆-芝加哥 1 号堆 CP-1，可以看见控制临界状态的控制棒是让人用手抓着的。图/wikimedia

在这之后，曼哈顿计划进入下一个阶段，洛斯阿拉莫斯国家实验室 LANL（也就是电影预告中的小镇）成立，奥本海默担任首任主任，并聚集了当时几乎所有能找到的物理、化学、工程学专家。

洛斯阿拉莫斯国家实验室 LANL。图/奥本海默电影预告

为了让原子弹能顺利进入超临界状态，科学家的第一步，就是要浓缩铀。将天然铀矿中占 0.7% 的铀 235，浓缩到将近 100%。这不简单，首先，铀的沸点是摄氏 4000 度，因此要先与氟反应成沸点只有摄氏 57 度的六氟化铀，接着利用两者质量的些微差异，使用气体扩散法或是离心法分离。

以气体扩散法为例，气体通过过滤材料的能力，正比于分子量的平方根，然而六氟化铀 235 和六氟化铀 238 的分子量分别是 349 和 352，只差了 0.85%。实际上两者穿越过滤膜的能力大约是 1 比上 1.003，也就是经过一次浓缩，浓度会从 0.7%，变成 0.7021%，经过 100 次浓缩，浓度才会从 0.7% 变成 0.945%，要浓缩到接近 100%，非常耗时又耗力!虽然后来还有发展热扩散法、透过雷射游离后分离的方法，或是结合质谱仪与回旋加速器磁铁的电磁分离法，但不论哪个，不是技术要求极高，就是需要重复多次，有些方法还会有临界事故的风险，选项其实也不多。

但积沙成塔，聚少成多，只要肯花时间与人力，迟早都能得到浓缩铀。有了宝贵的浓缩铀，和来自中子照射铀 238 产生的钸 239，终于，原子弹可以登场了。

原子弹如何运作的?

原子弹是如何运作的呢?我们先从“小男孩”开始说起。

原子弹小男孩采用的是枪式结构，里面有四个重要构造：核心、起爆剂、反射体、和起动物。在炸弹尚未引爆时，含有高浓度铀的核心会先被分为左右两块。爆炸时再透过起爆剂让两块核心撞在一起，进入超临界状态。

原子弹小男孩的枪式结构。图/wikimedia

为什么两块并为一块就会进入超临界?这是因为在连锁反应时，中子会不断从核心的表面逃脱，变成无效的中子，减缓连锁反应。对于核心这种球体来说，表面积与体积的比值，会与直径成反比。也就是当球体越大，表面逃逸的中子对于整体的影响就越小，内部就能有更强的连锁反应，直到临界状态。此时核心的质量，就称为临界质量。

也就是当球体越大，表面逃逸的中子对于整体的影响就越小，内部就能有更强的连锁反应，直到临界状态。图/wikimedia

在小男孩中，被拆成两半的核心各自都未达到临界质量，直到两块撞在一起，才进入临界甚至超临界状态。这时，旁边以铀为材料的反射体，则负责将溢出的中子反射回核心，进一步触发更强烈的连锁反应。

最后，为了让反应在核心撞在一起的瞬间，就以最激烈的方式进行，核心通常会设有“起动物”，由铍-9 和钋-210 组成。钋 210 会因为自然衰变，不断产生 α 射线，铍则会在吸收 α 射线后产生中子，作为整个连锁反应的开头。在原子弹爆炸前，铍和钋会跟着分成两半的核心分别放在两侧，随着核心碰撞的瞬间产生反应，释出大量中子。

但枪式构造的反应方式效率十分低下，原子弹小男孩中实际参与反应的燃料，根据事后计算，大约只有五十分之一。而且，枪式结构也无法使用连锁反应更强的钸作为燃料。

因此，电影中球型的内爆式原子弹就登场了。

球形的内爆式原子弹。图/奥本海默电影预告

什么是内爆式原子弹?

胖子原子弹的燃料使用率大约是 1/5，是小男孩的十倍，这是因为它采用了内爆式结构。

回头说一下，小男孩的枪式结构虽然效率不高，但结构简单不易出错，因此甚至没有测试过就被投入实战。

而内爆式的胖子因为容错率低，因此前面才有三位一体试验中原子弹 The Gadget 的试爆。

内爆式结构复杂在哪呢?在内爆式结构中，最内层一样是用金属层隔开的起动物铍-9 和钋-210，外面是由铀和钸组成的混合氧化物核燃料 MOX，更外圈是用来反射中子的反射体。在反射体外面，占整颗炸弹体积最大的，是一般的炸药。作用是在起爆时，将核心用力往内挤压，将核心推向超临界状态，让起动物的金属隔层破裂，诱发中子释放。在原子弹诱爆初期，因为外头炸药的挤压，中子会在反射层内快速反弹，大大增加燃料的使用率。

内爆式结构示意图。图/wikimedia

在预告画面中的球体，就是标准的内爆式原子弹。在结构正中央的圆形物体，其实是反射层，核心和起爆物都被包裹起来，在看不见的更里头。而外面一块块的多边形结构，其实都是炸药，负责挤压核心，但如何在内爆时让核心维持完美球形，不会因为压力不均而从某侧破裂，却是一项巨大挑战。

内爆式原子弹。图/奥本海默电影预告

为了确保达到预期效果，原子弹中含有爆炸速度快与慢的两种炸药，透过时间差，让反射层在压缩核心时能维持对称的圆形。为了解决这个艰巨的挑战，数学家约翰.冯纽曼发展了 ZND 模型，用来计算火药与震波的模型，成功计算出快、慢火药的比例与配置。没错，就是那位提出电脑冯纽曼架构的那位冯纽曼。

橘色是“慢速火药”，黄色是“快速火药”，另外 Detonator 为“雷管”。图/PanSci YouTube

放置炸药引信。图/奥本海默电影预告

更进一步，为了达到计算的效果，32 块炸药需要在千万分之一秒内同时引爆，然而当时的雷管引爆误差可能有 1/10 秒以上。这时，另一位物理学家阿尔瓦雷茨出马了，他开发出 EBW 式雷管，解决了问题。这种雷管允许大电流通过，但同时也需要总重量一公吨的电池和电容器才能运作。预告片这句“起爆器已充电”指的应该就是这些电池与电容。

雷管允许大电流通过，但同时也需要总重量一公吨的电池和电容器才能运作。图/奥本海默电影预告

雷管。图/wikimedia

至此，浓缩燃料、内爆式结构和启爆装置都就绪了，接下来的故事大家都知道了。1945 年 7 月 16 日早上五点三十分，刺眼的火球照亮整个沙漠（听说只有费曼裸眼看了这场人类核弹首爆秀），人类在核武器的发展上已经无法停下脚步。

人类在核武器的发展上已经无法停下脚步。图/奥本海默电影预告

导演克里斯多福.诺兰的最新大作《奥本海默》，改编自这本获得普林斯顿奖的传记“American prometheus The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer ”，《奥本海默的真相与悲剧》，并冠上副标 American prometheus 美国普罗米修斯，象征为人类取来原子之火。

三位一体核试验成功的 20 年后，奥本海默回忆到：“我们知道世界自此就不再一样了。有的人笑，有的人哭，但大部分人沉默无言。我想起了印度教古典《薄伽梵谭》中，毗湿奴对阿周那王子所说：『我现在成了死神，世界的毁灭者。』我想，我们大家都多多少少是这样想的。”

奥本海默的回忆。图/atomicarchive.com

两颗原子弹在日本被投下的隔年，奥本海默拒绝参与第四次核试验，也拒绝杜鲁门总统邀请的氢弹计划。从此，这位原子弹之父人生出现重大转变。小劳勃道尼饰演的原子能委员会主席，路易斯.史特劳斯，也将为奥本海默的人生带来许多风雨。

电影原作书籍的两位作者 Kai Bird 和 Martin J. Sherwin，虽然不是奥本海默的好友，但两位都是历史学家，也是政治、核武和冷战的研究专家。书中从奥本海默小时候的成长与求学开始、讲到他参与曼哈顿计划与担任洛斯阿拉莫斯国家实验室主任、成为原子弹之父、受到政治迫害，最后获得平反，巨细靡遗地介绍了他的一生与心境变化。整本书花了 25 年完成，搜集了成千上万份收藏于美国国会图书馆，来自奥本海默的文件、以及 FBI 超过 25 年累积了数千页的监控纪录、还采访了将近一百位熟悉奥本海默的密友、亲戚与同事。光是听以上的说明，就已经能想象其丰富又崎岖的生活历程了。

历时 25 年，搜集了成千上万份资料完成的电影原作书籍。出自原文书第xii页，中文版第6页。

关于这些科学家之间的互动与理念的碰撞，我们就等着进电影院，看诺兰大师如何透过镜头，介绍这段人类的重要历史吧!