加入洛斯阿拉莫斯实验室
美国并未对欧洲的危机做出回应,这令乌拉姆和冯·诺依曼感到难过。“那时……这个国家宣称……会派20艘鱼雷船去英国,我就禁不住想,哪怕是50辆自行车也好。”乌拉姆在1941年写给冯·诺依曼的信中说道。他报了私人飞行课程,在1941年加入美国国籍后,他又通过了陆军体能检测,还去应募空军。他当时想,就算当不了飞行员也要当一名航海员。然而,因为年龄问题和严重的视力不齐,他被拒绝了。
当时已是美国海军研究办公室、陆军导弹研究实验室以及科学研究与发展办公室顾问的冯·诺依曼,在1942年4月对乌拉姆说:“战争的工作让我越来越忙。”而乌拉姆则不停地问他是如何加入进去的。一天,约翰尼暗示性地回答我,“有趣的工作还在后面——但他却不能告诉我究竟是什么”。
“这项计划非常重要,或许我都找不到词语来形容,”冯·诺依曼于1943年11月9日写道,“或者说这项计划需要高度保密。”收到这封信后,乌拉姆又收到了汉斯·贝特(Hans Bethe)发来的邀请函,内容是“参加一项负责重要工作的神秘计划,物理学可以用来研究星星的内部”。
乌拉姆不知道自己要做什么,也不知道要去哪里,就接受了这个职位。“稍后,我所熟悉的其他人就开始一个接一个地消失。最后,我知道我们要去墨西哥,去一个离圣塔菲不远的地方。”
于是,乌拉姆一家,连同尚未出世的第一个孩子,接受了安全调查,前往西部。“我们坐了很长时间的火车,然后在一个离圣塔菲大约18千米、叫作拉米的小城下了车,那天是1944年2月4日,当时那里好像人烟稀少,”弗朗索瓦丝回忆道,“地上覆盖着积雪,阳光却依旧温暖,天空一片蔚蓝,如斯坦所说,‘空气给人的感觉就像香槟’。”
洛斯阿拉莫斯山背倚赫梅斯山脉(Jemez Mountains)东面的斜坡,地处瓦尔斯火山口(Valles Caldera)的边缘,它是由160万年前和110万年前的两次剧烈喷发形成的。另一边则是中央有着一个熔岩穹丘的平坦草原——缩小版的塞伦盖蒂平原(Serengeti),它也是火山爆发留下的。巴耶格兰德(Valle Grande)是洛斯阿拉莫斯居民喜爱的地方和新墨西哥州最大的麋鹿群的避难所,也是地球上一次最剧烈的火山爆发的残余。1943年夏天,到达这座山的科学家们接下来想要在这里进行一次核爆炸试验。
“这个地方就像一片神秘的营地,仿佛迷人之地( Land of Enchantment)里的幻山(Magic Mountain),”弗朗索瓦丝说,“令我惊讶的是,这里的居民都是来自世界各地的科学家——美国、加拿大、德国、瑞士、匈牙利、奥地利、意大利,凡是你能说出名字的,应有尽有。有的人来到这里是为了躲避希特勒和墨索里尼,以及他们的法西斯政权。有的人早已经出了名。有的极为年轻,才二十几岁,出名却已经指日可待了。”
斯坦仿佛又回到了利沃夫的咖啡馆。“纵观整个科学史,从没实现过哪怕一点点的集中,”他感叹道,“34岁的我已经步入老年人的行列。”乌拉姆发现,战时洛斯阿拉莫斯的临时建筑与学术界的拘谨形成了鲜明的对比,而且大家紧密结合在一起,这也与他的波兰根源相符。“这里的人们为了集体的利益,都愿意扮演微小的角色,”他说道,“儒勒·凡尔纳(Jules Verne)曾写道,《月球旅行》(A Voyage to the Moon)需要集体的努力,那时他就已经预计到了这一点。”
实验室的官方指挥是美国陆军上将莱斯利·格罗夫斯,而直接指挥却是格罗夫斯的上级罗伯特·奥本海默。“格罗夫斯从没意识到自己曾被指派来负责这项科学任务,”哈利斯·迈耶说,“临终时,他才真的相信自己确实参与了原子弹的制造。”
一开始,斯坦·乌拉姆被分到了T部(又名理论部),由汉斯·贝特领导。后来,在部门重组的时候,他又被分到了F部,在恩里科·费米手下做事。名义上他要对爱德华·泰勒负责,可实际上他却把他当作同事,而不是领导。“作为一名理论家的斯坦在任何地方都能工作,”弗朗索瓦丝说,“他想去办公室的时候就去。他中午回家吃饭,下午却又早早地回来了。”
克莱尔出生在7月,而有关她的出生地,出生证明上写的是圣塔菲、邮政信箱1663(Post Office Box 1663)。
洛斯阿拉莫斯提供免费的医疗、住房补贴和社区儿童保育,这样一来,就将战后出现的“婴儿潮”挡在了门外。医院开始以每天1美元的方式对尿布进行收费。“洛斯阿拉莫斯变成了一家大型的育婴院,”弗朗索瓦丝说,“这点让格罗夫斯上将非常厌烦。”
在洛斯阿拉莫斯,斯坦对物理学非常痴迷。“我发现,重要的是,我们要能够用视觉又近乎触觉的方式去想象物质的状况,而不仅仅是用一幅逻辑图来描绘问题,”他说,“人们能够清楚地想象出亚原子世界,然后从大小和性质两方面对想象中的图画进行调整,再推算出更加精确的关系。”乌拉姆的直觉与冯·诺依曼精确的逻辑观相得益彰。“约翰尼给人的印象就是不停地进行纯粹的形式推导,”乌拉姆将这两种方法的不同描述为,“就像头脑中的物理棋盘和头脑中用代数标记法表示的棋子移动的记号之间的区别!”蒙特卡洛法对这两种领域都很擅长,它利用冯·诺依曼的形式与计算系统来捕获乌拉姆直观的、概率性的方法。
乌拉姆并未直接参与原子弹的设计和建造,也没有亲眼目睹“三一试爆”。“那天清早,原子弹爆炸时,我们还在家里睡觉,”弗朗索瓦丝说,“后来,约翰尼在返回的路上顺便来看我们,当时,他就和那些重要人物一起在爆炸现场,只见他面色苍白、疲惫不堪,身体还在剧烈发抖。”三周后,第二颗原子弹在广岛上空爆炸了。然后,8月9号,第三颗又在长崎被引爆。
战争结束后,1946年,整个理论部门的人员已经缩减到了8人。奥本海默回了伯克利,费米和泰勒回了芝加哥,贝特也回了康奈尔。美国国务院成立了一个原子能委员会,其成员包括范内瓦·布什、詹姆斯·科南特和格罗夫斯上将,另外,奥本海默也在委员会的顾问之列,他后来提出了巴鲁克计划(Baruch Plan),号召世界各国以各种形式控制原子能。阿尔伯特·爱因斯坦、利奥·西拉德、哈罗德·尤里(Harold Urey)、莱纳斯·鲍林、维克托·魏斯科普夫(Victor Weisskopf)和汉斯·贝特组成了原子能科学家紧急委员会(Emergency Committee of Atomic Scientists),并于1946年在普林斯顿高等研究院召开了创立会议。于是,洛斯阿莫斯的控制权就由军队转移到了刚成立的原子能委员会手里,且控制权自1947年1月起生效。然而,谁来控制原子能委员会呢?
奥本海默去世后,诺里斯·布拉德伯里(Norris Bradbury)暂时替代了他的位置——而且一待就是25年。他特别成立了洛斯阿拉莫斯大学,为管理权从军队到原子能委员会的过渡期间取得一定发展,也为给原子弹的继续研发和试验创造条件。“除了满足我们的科技兴趣,偶尔进行一次原子弹(而非武器)的示威还会给全世界人民带来有益的精神影响,”他说,“合理的见证、适当的公开和进一步的试验能让人们相信,原子能只有掌握在全面合作的国家手中,才是安全的。”随后,他还提出了一个预见性的建议:“另外一个实验甚至可能会更有趣。”
“超级炸弹”和“超级超级炸弹”
乌拉姆的脑炎渐渐痊愈后,再度被聘回这个地方,彼时,他已经当上了组长:全组只有他一个人。他感兴趣的领域目前处于第二重要的位置,由卡森·马克引领,马克不在时由爱德华·泰勒监督,目标是建立一个热核炸弹的可行性分析。“斯坦没有顾忌地回到洛斯阿拉莫斯,”弗朗索瓦丝说,“他想要专注于理论方面的工作,而且他不认为这有什么不对。”
泰勒分不清乌拉姆是一位需要被鼓舞的年轻科学家,还是一位被抢了风头的对手。“乌拉姆先生是一位聪明的数学家,可对于我们现在所做的工作来说,他没有合适的背景,而他自己似乎也不能适应这份工作。”1945年2月,泰勒在乌拉姆的人事档案上这样写道。接着,他的态度又变得模棱两可,他说,“他是一位独立的思考者,他能想出非常有价值的东西。”正如弗朗索瓦丝所说:“依我看,他是觉察到自己遇上对手了。”
对于泰勒来说,无论国家是否处于战争状态,研制氢弹都是一场不惜一切代价也要展开的圣战。而在乌拉姆看来,热核反应能否进行只能由自然法则决定。至于军事影响,乌拉姆说,如果有人开始提出质疑,认为科学研究有可能使用不当,那么微积分早就应该被取消了,这样才不会出现破坏性的结果。“我知道他是认真的,可我内心却不是很赞同。”弗朗索瓦丝又说道。尽管如此,乌拉姆还是参与了与氢弹有关的ENIAC试验:“我和我的朋友们都感到惊讶,这一纸草书如何能变成一种物理现象,而且还能产生如此剧烈的反应?”
氢弹第一次出现是在赫伯特·乔治·威尔(H.G.Well)的《解放全世界》(The World Set Free)一书中,这本预言性的小说出版于第一次世界大战初期,当时的乌拉姆还是一个孩子。“那一晚,科学投放到世界的原子弹,甚至连那些研究科学的人们都感到惊讶。”威尔写道。此番话预言了原子能将会改变人类的未来,直到人性经历必要的转变,得以将“最后的战争”扼杀在摇篮之中——想象中的第三次世界大战。1914年,人类还无法进行核裂变,所以,威尔笔下的原子弹是凭借核聚变产生能量的,就像太阳一样。它们经由人手从飞机上投下,在地面蔓延成火,摧毁了一座又一座城镇。“那是一个直径60厘米的黑色球体,”威尔这样写道,“中欧的原子弹除了规格大一些,与它没什么差别。”
“1939年,贝特拿出他那写满碳循环核反应的原稿时,几乎没人能猜测抑或想象,仅仅数年之内,这样的反应就试验成功了。”乌拉姆说。1961年10月30日,苏联在新地岛(Novaya Zemlya)投下了一个相当于5000万吨TND的三级炸弹,据估计,那一刻的能流超过了太阳产生的全部能量的1%。
1942年6月,差不多就是洛斯阿拉莫斯国家实验室成立的一年前,一群科学家在奥本海默的召集下,相聚伯克利,开始思考如何研发原子能武器的问题,他们一行共有8人,其中包括汉斯·贝特和爱德华·泰勒。他们得出的结论是:造出原子弹是可能的,而且其产生的温度和压力还能触发热核反应(比太阳内部产生的温度和压力还大)。他们要制造的东西就像一个小小的太阳,它没有万有引力的作用,一旦被投放,随即就会炸开。“我们不但不受特定星球的已知条件约束,还能在相当大的限制内随意选择自己的条件。我们正着手进行的是天体物理学工程,”爱德华·泰勒回忆道,“1942年仲夏,我们都相信试验会成功,相信……原子弹能轻易触发热核爆炸,并将它称为‘超级炸弹’。”
詹姆斯·科南特和范内瓦·布什在向战争部长汇报时,不忘夸张一番,他们说:“我们可以把它命名为‘超级超级炸弹’。”这样一颗“氢”弹,能够燃烧重氢,而重氢是氢的稳定同位素,它很容易就能从海水中分离出来,同时也是地球上最便宜的燃料。
“原子弹虽然威力无穷,但是造价太高,”泰勒说,“如果重氢可以被点燃,那么将会是一种非常便宜的燃料。”1950年,在一个氢弹中加入相当于1000吨爆炸力的重氢,只需要花费60美分。
泰勒说:“一旦洛斯阿拉莫斯的计划投入实施,我们将赢定这场战争,‘超级炸弹’指日可待了。”战争结束后,他便迫不及待地返回去研究氢弹。而其他人则强烈认为,投放在广岛和长崎的原子弹已经造成了很大的破坏,我们不应该再去制造比其威力强大1000倍的武器。相关负责部门为了决定是否应该制造“超级炸弹”,也担心这种炸弹由敌人制造出来,对美国构成威胁,于是决定于1945年11月就氢弹进行ENIAC计算,并于1946年4月召开一次相关会议。
在冯·诺依曼的指导下,斯坦利·弗兰克尔和尼古拉斯·梅特罗波利斯来到摩尔学院(Moore School, ENIAC还在那里进行验收测试),将100万张穿孔卡片通过机器进行扫描。“我在有关物理的问题上指导他们,而约翰·冯·诺依曼则指导他们的计算工作。”爱德华·泰勒后来说。用泰勒的话说,虽然后来发现计算过程中出现了物理学上的错误,但是计算的结果仍然是可能发生热核反应。由于资金方面的限制,ENIAC在计算中忽略了一些重要的次生效应。
“没有人会责怪泰勒在1946年的计算中出现了错误,毕竟,当年没有足够的计算机,”汉斯·贝特在1954年写道,“可是,人们会责怪他带领洛斯阿拉莫斯实验室——实际上是整个国家,进行了一场通过计算来实施的危险计划。他应该知道,这样的计算非常不全面。”可泰勒仍然不觉得自己是错误的,在他看来,无论使用什么手段,只要达到目的就行。“我会一直坚持,因为我深信,虽然结果出了错,可我们却能从中看到希望。至少,这个结果让我们看到了取得新进展的必要性。”
“造出‘超级炸弹’并投入使用的可能性很大。”泰勒在决算报告中添加了自己的总结。此外,该会议结束后,冯·诺依曼还与英国物理学家(同时也是苏联特工)克劳斯·富克斯(Klaus Fuchs)联合申请对“超级炸弹”这项发明进行专利披露。据描述,它是一种“引发热核反应的设备,配备着大量用以维持中子连锁反应的核燃料和大量维持热核反应的材料”。富克斯苏联间谍的身份被揭穿后,冯·诺依曼比任何人都清楚,他给苏联方面提供了多少有用的信息。当然,还有一些有用的信息尚未传递过去。
罗伯特·里克特迈耶花了两年的时间来模拟“三一试爆”时爆炸第一微秒发生的情况。继里克特迈耶后的下一任T部部长是卡森·马克,据他所说,在更先进的计算机问世以前,他们很难进行进一步模拟,即便这样,在1946-1949年间,他们的团队仍然把一半精力放在了“超级炸弹”身上。冯·诺依曼已经迫不及待地要为尚不存在的机器写代码了。“我曾看见约翰尼在T部的咖啡馆里造他的普林斯顿机器,他在黑板上画满了编码流程图,”弗朗索瓦丝·乌拉姆回忆道,“同时,如果有女孩从旁边走过,他还会有意无意地看人家一眼。”
1949年8月29日,苏联引爆了一颗原子弹后(苏联把它叫作“第一闪电”,美国则叫它“斯大林1号”),原子能委员会就开始讨论美国是否应该研制氢弹的问题。他们的答案是否定的。“我们无法专门使用这种武器来摧毁军事化和半军事化的装置,”奥本海默在对委员会的报告进行阐释时说道,“它的使用范围将比原子弹摧毁城市本身更为广泛。我们都希望通过某种手段,可以避免这种武器的发展。
“使用它就意味着对老百姓进行一次大规模的屠杀,”包括詹姆斯·科南特和奥本海默在内的大多数人都一致认同,“我们认为,我们手里的武器所产生的心理影响将不利于我们的发展……关于放弃制造超级武器这个决定,是唯一能对战争规模加以限制的机会,这样一来,也就减少了人类的恐惧,能让他们重新燃起希望。”还有一个由恩里科·费米和伊西多·拉比(Isidor Rabi)签署的附件补充道:“在任何情况下,这都是一件罪恶的事。”当时,冯·诺依曼已不再是委员会的成员,他强烈反对放弃研制氢弹。“我认为这是一件不容迟疑的事。”继杜鲁门决定开始全速制造氢弹后,他于1950年写道。
乌拉姆认为,没有必要进行这样的深刻反省,因为ENIAC计算本身就有缺陷,泰勒的“超级炸弹”也终成泡影。在科尼利厄斯·埃弗雷特(Cornelius Everett)的帮助下,他运用战时进行内爆计算的手动和穿孔卡片计算技术,对最初的结果进行了第一近似值核对。“一开始是和埃弗雷特一起,然后是和我们这些数据分析家一起,经过一番简单的计算后,斯坦认为,从概念上来看,泰勒设想的‘超级炸弹’并不实际,”当时还在洛斯阿莫斯手动计算部门工作的弗朗索瓦丝说,“两个月内,这些计算就印证了他的感觉。换句话说,斯坦是第一个揭露此事的人:目前造不出‘超级炸弹’。而其他人——冯·诺依曼、斯特劳斯上将、美国原子能委员会会长和其他军人都在尝试泰勒的计划。”
“假如你愿意,希望或恐惧的程度,是有可能逐渐发生变化的。事实上,它也并不是朝着一个方向发展的。”乌拉姆后来说。乌拉姆和埃弗雷特的质疑,让泰勒开始自我辩护,也让冯·诺依曼迫不及待地想去证明谁的数字正确。于是他如同霸占了ENIAC一样,一旦引进新的设备,总是第一个去使用。他在1954年奥本海默的听证会上宣称:“在制造氢弹的过程中,对计算机的使用程度将会加大,但是这些计算机也并不完全可靠……因此,我们有必要找到一台能节省一半时间的计算机,并投入使用。”据从高等研究院来到这里监督SEAC制造的拉尔夫·斯卢茨回忆说:“有两个人从洛斯阿拉莫斯赶来(梅特罗波利斯和里克特迈耶),大概在1950年的复活节前后。那时,计算机刚刚开始运作,他们带着一个计划,迫切地想要在计算机上运行……他们甚至还想从半夜开始,可我们当时并未允许。”
“冯·诺依曼和其他人经过更精确的电子计算后,逐渐证实了斯坦的观点,但此时整个进程已经落后了。”弗朗索瓦丝说。“最初的希望犹如昙花一现,这以后,所有人开始冷静下来,”斯坦补充道,“每隔几天,约翰尼都会得出一些结论。他总说‘冰柱正在形成’。”斯坦认为,泰勒对“超级炸弹”信心满满是错误的,与此同时,一种可替代“超级炸弹”的东西正在他的大脑中形成。“第10周期已经进行到最后的24小时,”1950年1月27日,他向冯·诺依曼如此汇报(那一天,也是克劳斯·富克斯在忏悔书上签字的那一天)。同时,穿孔卡片的计算也在洛斯阿拉莫斯进行着,“顺便说一下,实施警告:第9周期时,我们必须把时间间隔定为5!至少到目前为止,还不具有危险性的流体力学是我们成功的唯一希望!”
之前的“超级炸弹”通过将重氢(或氘、氚)加热到1亿度或更高,以完成爆炸。如果是这样,那么就需要快速点燃,而且要赶在发热材料膨胀、将东西炸开以及辐射泄漏、使东西冷却之前。“而对于‘超级炸弹’,流体的分解比反应的形成和维持更加迅速。”乌拉姆之后说。最后,制造这种炸弹还是以失败告终。
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