弗里希-派尔斯备忘录与核武器起源

曼哈顿计划通常被认为始于1939年10月阿尔伯特·爱因斯坦致富兰克林·罗斯福总统的信。然而，一份鲜为人知但对战时核历史影响同样深远的文献，是所谓的弗里希-派尔斯备忘录。这份手稿由两位避难到英国伯明翰大学的物理学家于1940年初撰写，是大西洋两岸高级政府官员首次接触到的关于核武器及其军事、战略和伦理影响的技术性描述。该备忘录触发了英国战时核计划的启动，后来这一计划与曼哈顿工程区合并。

弗里希和派尔斯是谁？他们的备忘录是如何诞生的？

奥托·弗里希于1926年夏季在维也纳大学获得物理学和数学博士学位。他的姑母是因核裂变发现而闻名的物理学家莉泽·迈特纳。他曾担任奥托·斯特恩在汉堡大学的助手，并逐渐成长为一名出色的仪器制造者和实验物理学家。斯特恩于1933年移居美国，但通过学术援助委员会的资助为弗里希在伦敦伯克贝克学院谋得一个职位。这笔资助仅有一年有效期，但伯克贝克物理系主任帕特里克·布莱克特说服尼尔斯·玻尔在资助到期后为弗里希提供哥本哈根的一个职位。弗里希和迈特纳如何在1938年圣诞节假期首次解释核裂变发现的故事广为人知；此后不久，弗里希设计了首个专门用于展示这一新发现的实验。

1939年夏季，物理学系主任马库斯·奥利芬特（澳大利亚人，欧内斯特·卢瑟福的学生）为弗里希提供了伯明翰大学的讲师职位。当弗里希抵达伯明翰时，鲁道夫·派尔斯已经在那里，因为他已于1937年被奥利芬特招募。派尔斯来自柏林，是一位杰出的理论物理学家，1929年在维尔纳·海森堡指导下获得博士学位。在担任沃尔夫冈·泡利的助手三年后，他获得了洛克菲勒基金会的研究员职位，并在罗马与恩里科·费米共事一段时间，随后进入剑桥大学。在剑桥和曼彻斯特的临时工作后，奥利芬特为他提供了一个职位。具有预见性的是，1939年秋季，派尔斯发表了一篇关于纯裂变同位素快中子链式反应临界质量理论的论文。当时他并未在公式中代入具体数值，因为截面值和次级中子数还只是大致已知，但几个月后这项工作将成为备忘录撰写的重要基础。

弗里希知道玻尔曾预言铀-235是该元素的裂变同位素。大约在1940年2月，他向派尔斯提出一个问题：如果有一大块纯铀-235会发生什么？通过粗略估计相关参数，他们用派尔斯的公式计算出临界质量仅为600克左右。而现代计算值约为46公斤；这一低估是由于对裂变截面的高估。意识到德国科学家可能也在思考同样的问题，他们认为自己有责任将核武器的可能性告知英国政府。

他们撰写了备忘录，并将其提交给奥利芬特，后者将其转交给英国政府科学调查空战委员会主席亨利·蒂泽德爵士。蒂泽德请伦敦帝国学院物理学家乔治·P·汤姆森（电子发现者J·J·汤姆森之子）召集一个委员会调查此事。该委员会成员包括中子发现者詹姆斯·查德威克等人。讽刺的是，作为避难者，弗里希和派尔斯被禁止加入委员会，但汤姆森安排他们担任顾问。

1941年夏季，该委员会的最终报告将对美国核计划产生重大影响。

题为《关于放射性“超级炸弹”性质的备忘录》的文件由弗里希和派尔斯撰写，分为两部分：一份三页的定性摘要（备忘录正文）和技术附录。这两部分在多个文献中被重印，但往往包含各种错误；正确版本见于派尔斯文集（参见文末“延伸阅读”）。

备忘录以一个引人注目但最终非常保守的陈述开头：基于“原子核中储存的能量”的炸弹威力可能相当于1000吨炸药的爆炸。相比之下，典型的二战炸弹重量为500磅，包括弹体和引爆装置。

弗里希和派尔斯进一步估计，爆炸可能会覆盖一个大城市的中心区域，这将在广岛和长崎得到印证。他们还强调了核武器会释放大量放射性尘埃，并通过风和雨扩散。为了引爆武器，他们建议使用广岛“小男孩”炸弹的方法：将裂变材料分成两块亚临界质量部分，在炸弹爆炸时将其迅速合拢。他们建议依赖宇宙射线中子启动链式反应；在洛斯阿拉莫斯，人们将开发用于更可控方法的中子“起爆器”。他们还提到，两部分材料的组合必须迅速完成，以避免由自发裂变或α衰变引发的中子发射导致的过早引爆。

弗里希和派尔斯表示，他们不认为自己有能力讨论这种炸弹的战略价值，但他们确实以非专业语言做到了这一点，将该装置描述为“实际上不可抗拒”。由于辐射可能会杀死大量平民，他们认为“这可能会使其不适合作为本国使用的武器。”在尚未分离出一克铀-235之前，核战争的伦理困境已显而易见。

关于德国可能的动向，弗里希和派尔斯认为，由于许多研究已经公开发表，德国完全有可能在开发这种武器。相反，如果德国尚未想到这一想法，则必须对备忘录保密，以防任何风声泄露。他们预见到了后来的冷战，并指出如果德国正在研制这种武器，唯一有效的回应是用类似的炸弹进行反制：确保相互毁灭。

备忘录的最后几段讨论了放射防护问题，建议装备仪器和自供氧设备的探测小组必须进入污染区域，以确定人们可以在何时及多长时间内进入受影响的区域。

他们以历史上最轻描淡写的陈述之一作结：他们的结论并非基于直接实验，“因为还没有人建造过超级炸弹”，但他们确信相关物理学原理已经确立。

技术附录对这些议题进行了量化细节的阐述；它仍然可以作为对核武器物理学感兴趣的学生入门读物。弗里希和派尔斯在七页中讨论了铀-235与铀-238的区别、慢中子和快中子反应的时间尺度，以及为何铀-235必须用于炸弹、临界质量的概念、给定质量炸弹释放能量的估算、临界质量的组合方法、热扩散技术用于浓缩铀的可能性以及由此产生的放射性水平。他们在几页纸中涵盖了惊人的内容。

1943年中期，富兰克林·罗斯福和温斯顿·丘吉尔正式确定了美英之间的原子能关系。结果，一群英国科学家前往美国，在曼哈顿计划各个基地工作；弗里希和派尔斯都调到了洛斯阿拉莫斯。弗里希的工作围绕仪器展开，但他也参与了潜在危险的临界组装实验。派尔斯领导一个理论小组，负责执行内爆动力学的计算和模拟。（他的同事之一是间谍克劳斯·福克斯。）弗里希和派尔斯均于1945年7月16日见证了“三位一体”试验，并对这一景象感到震撼。