氢弹原理有怎样的突破？

在20世纪20年代，大多数物理学家都认为原子是由质子和电子组成的。中子被发现后，人们又相信原子核是由一定数量的质子和中子组成的。但实验表明，一些轻原子核的质量并不完全是质子和中子质量的整倍数，而是小一些。根据爱因斯坦著名的质量能量转换公式，原子核质量的这种微小减少意味着，如果能设法用像氢核这样的小原子核合成更大的核的话，那么小核子在合成过程中将会以损失部分质量为代价，放出巨大的能量。一些想像力丰富的物理学家猜测，这可能是行星巨大能量的来源，甚至有人试图用正处于发展过程中的量子力学去定量地计算这个富有挑战性的问题。伽莫夫就是其中之一。

伽莫夫原籍苏联。他在20世纪20年代时就与英国、德国等西方物理学家有很密切的联系，对行星能量采源问题发生了很大的兴趣，并且在20年代末为行星的内部运动勾画出一幅大致的图像：行星的内部处于极高温的状态，元素以离子状态存在着，小的原子核在热运动帮助下克服了静电的排斥力，相互碰撞聚合成大的原子核，同时也放出巨大的能量。这就是现代科学中的核聚变过程。

伽莫夫这种理论模型的实验根据全部来自于天文观测，当时没有人梦想人们有朝一日能够在地球上得到这种高温，从而实现核聚变反应。

1933年，伽莫夫离开苏联来到欧洲，继续从事核反应的理论研究。美国华盛顿州的乔治·华盛顿大学想聘请他去工作，‘他也希望能建立一个专门研究核聚变和行星问题的研究中心，于是就以此作为他应聘的条件。乔治·华盛顿大学接受了他提出的条件，伽莫夫便于1934年来到了美国。他上任后立即开始网罗人才，进行这方面的研究。泰勒就是在这种背景下去美国的。1935年8月，泰勒应伽莫夫的邀请，来到美国乔治·华盛顿大学，担任理论物理学教授。

伽莫夫认为，首先应该搞清楚热核反应研究的困难，找到努力的方向。他于1938年春组织了一个专门讨论热核反应的讨论会，希望借此机会唤起美国物理学家对热核反应的兴趣。会议正像伽莫夫预计的那样，没有得到明确的结论，但热烈的讨论给了大家以推动和启示。德国核物理学家贝特在会议后短短的几个月内，就为行星的热核反应建立了一个很具体的、令人信服的模型。

贝特系统地研究了物理学家们以前提出的各种热核反应模型，收集和分析了大量有关太阳光谱、天文观测和核物理实验的数据，在此基础上提出了自己的新见解。在他的行星热核反应模型中，四个氢核经过所谓“碳循环”合成一个氦核。在这种核子的重新组合过程中，将有0.7%的质量被转化成各种形式的能量。正是它使太阳光芒四射，为人类提供了无限光明。根据贝特的计算，一些行星的内部温度能高达摄氏2000万度。根据热力学定律，每个原子核的平均动能超过1700电子伏特，由于原子核在这种热平衡状态下不会因碰撞等原因而损失能量，一些原子核将拥有足够的动能去克服原子核之间的静电势，从而实现核聚变反应。贝特假设在行星的内部存在着一些特殊性质的力，阻止了大多数聚变中放出的光量子逃出行星。简单地说，一个辐射量子在“诞生”后平均运动几个毫米就会被吸收掉，吸收辐射量子后的原子核又会放出一个方向无规的新辐射量子。由于这个原因，一个辐射量子要经过1万年的时间才能从太阳的中心“扩散”到太阳的边缘，整个太阳就像一个不透明体，其边缘的温度将大大地小于其中心的温度。贝特计算出太阳的中心温度为摄氏1700万度，太阳的表面温度仅为摄氏6000度，很小的核反应率和极小的辐射量子逃出比率，使得太阳在10亿年中才将1%的氢转化成氦，损失了微乎其微的质量。

贝特的计算和天文观测符合得很好。他指出，人们在地球上不可能得到这样高的温度。即使能使一些原子核发生热核聚变反应，由于反应产生的能量会立即扩散，反应只能维持几个毫秒时间，这只能是爆炸性的反应。由于处于非平衡状态下的原子核在实现核聚变反应前会因碰撞而损失能量，聚变反应所需的温度要比行星中缓慢地进行的反应所需的温度高得多。

一年之后，原子核裂变的研究转移了许多核物理学家的注意力和工作方向，美国的物理学家很快就卷入了旨在军事应用的核裂变研究和原子弹的研制工作。贝特的全部精力都集中到有关原子弹的理论计算上，没有功夫顾及热核反应。泰勒却溶深地被贝特的模型所吸引，幻想能在地球上模拟太阳的内部情况，实现热核反应，使人类可以从取之不尽、用之不竭的水中获得动力和能量。

从1941年起，泰勒就在哥伦比亚大学协助费米研究核裂变。1942年初，费米在反应堆研究上取得了原来预计到的进展，他确信原子弹会成功，对泰勒说：“我们现在在原子弹的研制上看到了很乐观的前景，这种核爆炸能否用来触发类似于在太阳中进行的那种反应呢？”泰勒立即认真地研究了这个问题。哥伦比亚大学的物理学家尤里不久前刚发现氢的同位素氘，它比普通的氢多一个中子，在原理上更容易发生聚变反应。于是，泰勒将氘用在他的计算中。由于没有找到合适的模型和缺乏足够的实验数据，泰勒从几个星期的计算中得到了否定的结果，即原子弹爆炸产生的高温不足以触发氢或者氘核的聚变。

1942年春，泰勒应奥本海默和康普顿之邀去芝加哥大学金属实验室和加州大学伯克利分校讨论原子弹的理论问题。在芝加哥，泰勒遇到了另一位热衷于热核聚变反应的物理学家科诺宾斯基。他们合作计算后发现，氘核的聚变反应很可能被原子弹爆炸所产生的高温触发。科诺宾斯基还提出，可以用氢的另一种同位素氚作聚变材料。贝特在与他们讨论时指出，这是降低热核聚变反应所需温度的有效办法。

1942年夏，奥本海默在伯克利组织了一个有关快中子和原子弹理论讨论会，泰勒在会上兴奋地向大家报告了他们的讨论结果。由于地球上存在着大量的水等含氢物质，奥本海默很担心原子弹爆炸时会触发它们的聚变反应，导致地球的毁灭。他曾专程去密歇根找康普顿讨论了这一可能的危险。

在洛斯阿拉莫斯的初期，奥本海默为了搞清聚变反应的原理和原子弹产生的次级粒子和高温对氢同位素的影响，优先安排了有关聚变的实验，如测量氚的性质，泰勒也埋头于这方面的理论工作。不久之后，由于研制原子弹的任务日益繁重，时间日益紧迫，因此洛斯阿拉莫斯在热核聚变方面的工作被迫停顿下来了。

广岛事件不仅给世界和平带来了阴影，也从心理上挫伤了参加并主持核研究的物理学家，很多人再也不愿意去研究那些威力比原子弹更大的新武器了。对热核聚变反应有很重要见解的贝特和费米，都急于返回到大学的教室和实验室，奥本海默不久后也离开了洛斯阿拉莫斯。在奥本海默的提议下，物理学家布雷德伯里接任洛斯阿拉莫斯实验室主任。实验室一方面继续改进和完善原子弹，另一方面开始向基础科学研究、特别是核物理和高能物理转变。

这时氢弹在技术上的前景也是很暗淡的。贝特估计，即使是用氘和氚作聚变材料，热核聚变反应所需的触发温度也要在摄氏1亿度以上，而美国在广岛投下的原子弹爆炸所产生的最高中心温度才达到摄氏5000万度。1945年11月，贝特在美国参议院原子能特别委员会作证时说，尽管氢弹可以成为核聚变的一个实际应用，但最重要的是要产生其温度比太阳中心温度高得多的热源，这在目前是难以做到的。