雪中散步催生核裂变发现

1938年12月下旬，在柏林北部边缘的一间实验室里，化学家奥托·哈恩和他年轻的同事弗里茨·斯特拉斯曼用中子轰击了一块铀样品，当他们分析剩余物时，发现了一些本不该存在的东西：钡，一种原子量约为铀一半的元素。他们反复检查了三次化学过程。钡元素始终存在。

哈恩坐下来，给他以前的研究伙伴莉泽·迈特纳写了一封充满困惑的信。迈特纳五个月前逃离了纳粹德国，流亡在瑞典。他实际上是在问她，是否能想到任何物理过程，可以让一个重原子核失去自身一半以上的质量。在瑞典西海岸孔艾尔夫附近的一次雪中散步时，迈特纳和她的侄子奥托·弗里施坐在一根圆木上，用铅笔和一张纸片找到了答案。回到哥本哈根的弗里施借用生物学中细胞分裂的术语，为这个过程命名：裂变。

哈恩和斯特拉斯曼并非在寻找裂变。1938年，核物理学界最热门的问题是，用中子轰击当时已知最重的元素铀，是否会产生更重的元素——所谓的超铀元素。罗马的恩里科·费米在1934年曾声称取得了类似成果。巴黎、柏林和剑桥的研究小组都在追寻同样的想法。

而哈恩和斯特拉斯曼反复发现的，却是一堆较轻的元素。其中最顽固的是一种化学行为与56号元素钡完全相同的物质，原子量约为137。铀是92号元素，原子量为238。这个算术结果很荒谬。哈恩是一位严谨的放射化学家，花了三十年时间分离极微量的不同元素，他更相信自己的化学分析，而不是那些声称这不可能发生的物理学。1938年12月下旬，他和斯特拉斯曼将论文寄给了《自然科学》杂志，报告了钡的存在，并拒绝解释它。这篇论文于1939年1月初发表。

斯特拉斯曼在那次化学分析中的作用是决定性的，但几十年来一直未得到充分认可。正如《化学世界》在重新评价他的职业生涯时所指出的，正是斯特拉斯曼的分析技术——反复将神秘产物与钡盐共沉淀，并发现它们无法分离——才使问题有了定论。他也是小组中最年轻的成员，因拒绝加入纳粹组织而被德国化学学会列入黑名单，并且因为没有工业雇主愿意接纳他，只能靠哈恩的实验室预算生活。

迈特纳多年来一直负责柏林铀研究的物理学方面工作。她是奥地利人，犹太人，在1938年3月德奥合并之前，技术上受其外国公民身份的保护。当奥地利被并入帝国后，她一夜之间成了德国公民，因此受到种族法的约束。1938年7月，朋友们把她偷运过荷兰边境，她的钱包里只有十马克，还有一枚哈恩从他母亲那里继承来的钻戒，以备她需要贿赂警卫时使用。她最终来到了斯德哥尔摩，在曼内·西格巴恩的研究所工作，没有仪器，没有团队，而且根据《连线科学》对她流亡生涯的描述，她也没有受到新同事的多少欢迎。

哈恩的信在孔艾尔夫送到了她手中，那是哥德堡郊外的一个小镇，她当时正和瑞典朋友在那里过圣诞节。她的侄子奥托·弗里施当时是哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的物理学家，也来和她团聚。弗里施后来描述了当时的情景：迈特纳在早餐时读着哈恩的信，弗里施表示怀疑，两人走到雪地里争论此事。弗里施带了滑雪板。迈特纳在他旁边走着。他们在一棵倒下的树前停了下来。

他们在那根圆木上推导出的物理学原理，大致如下。乔治·伽莫夫和尼尔斯·玻尔几年前曾提出，重原子核的行为不太像由粒子组成的刚性球体，而更像一滴不可压缩的液体，通过短程核力聚集在一起，就像表面张力将雨滴聚拢一样。一个铀原子核包含92个质子，全部带正电，相互排斥。在稳定的原子核中，强力占主导地位。但再加一个中子，液滴就开始晃动。把它拉成哑铃形状，两个裂片开始以比核力将它们拉回更快的速度，通过静电相互推开。在某个临界伸长点，液滴在中间收缩并断裂。

迈特纳在哈恩来信的背面进行了能量核算。她从弗朗西斯·阿斯顿20世纪20年代的质谱仪测量中得知，一个钡核加上一个氪核的重量略小于一个铀核。根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，损失的质量将作为动能释放出来。她计算出每次分裂约释放2亿电子伏特——大约是燃烧一个碳原子所释放能量的5000万倍。这个能量将以大约三十分之一光速的速度将两个碎片推开。

弗里施回到哥本哈根，正好赶上玻尔要登船前往美国。根据弗里施的回忆录，玻尔立刻意识到这一发现的重要性，并对科学界未能更早发现这一点表示遗憾。弗里施随后进行了验证实验：他将一片涂有铀的箔片放在电离室旁边，用中子照射它，并观察到远大于任何放射性衰变所能产生的脉冲。这些碎片以迈特纳预测的能量撞击着电离室壁。

弗里施需要一个名字。他问在玻尔实验室工作的美国生物学家威廉·阿诺德，生物学家如何称呼一个细胞分裂成两个的过程。阿诺德说是二分裂。弗里施去掉了形容词。在他和迈特纳于1939年1月16日寄给《自然》杂志的论文中，这个词首次在核物理语境中印刷出来。

这个名字很重要。物理学家们一直试图将这个过程描述为某种奇特的放射性衰变，即碎片剥落。迈特纳和弗里施的阐述——一个重原子核可以像变形虫一样一分为二——用一个词重新组织了整个图景。几周之内，从巴黎到纽约的实验室都重复了这个实验。到1月下旬，纽约的费米和利奥·西拉德已经在勾勒链式反应的可能性：如果每次分裂不仅释放能量，还释放出几个多余的中子，这些中子可以分裂更多的原子核，整个过程可能会失控。

四年后，在芝加哥斯塔格球场下方废弃的壁球场里，费米的团队证明了链式反应确实会失控，并且可以被停止。从直接的工程意义上说，这个反应堆就是将迈特纳雪中散步的计算放大了十四个数量级。

奥托·哈恩因发现裂变而独自获得了1944年诺贝尔化学奖。1946年1月，他在英国戈德曼彻斯特的农场大厅通过收音机得知这个消息时，正与其他九名被俘的德国核科学家一起被关押，英国人正在秘密录制他们的谈话。迈特纳不在获奖名单上。斯特拉斯曼也不在。

五十年后解密的诺贝尔委员会记录显示，物理委员会将裂变视为化学问题，而化学委员会则将迈特纳的贡献视为辅助性的。正如《商业内幕》在查阅档案时所记录的，她在1924年至1965年间在物理学和化学领域共被提名49次，但一次都未获奖。至于哈恩，他在余生中一直公开坚称裂变是一项化学发现——随着裂变的物理学重塑了整个世纪，这个论点越来越站不住脚。