第一节
人类进步之“源”

从远古时期的智人点亮第一支火把，到尼罗河三角洲上古埃及人借助圆木推动沉重的巨石；从黄河平原上吱吱呀呀的水车，到伯明翰工厂中轰鸣的蒸汽机；从伦敦、巴黎、纽约、上海等大都市的街头被一盏盏白炽灯点亮，到现代化的电力系统将光明送入千家万户……人类已经将对能源的追求刻入了DNA中。

人类的每一次重大科技革命都离不开能源革命的推动。

蒸汽之歌
——第一次工业革命

在第一次工业革命前，人类主要利用自然界中最原始的能源来满足各种需求，包括畜力、风力、水力和木材等“纯天然”能源。

畜力是人类最早利用的一种能源，主要用于农业和交通运输。人们使用马、骡子和牛等动物来耕种土地、运送货物和人员。在城市中，马车是主要的交通方式。畜力在农业生产中的广泛应用，极大地提高了农业生产效率，也减轻了人类的劳动强度。在远古时期和中世纪早期，骆驼和马匹也是人类进行长途旅行和贸易的主要工具，它们可以承受较长时间的旅行和较大的负荷。

风力也被广泛利用，风车是人类最早的机械式能源转换设备之一。早期的风车通常是由木材或石头制成的，主要用于抽水、研磨谷物等。风车的广泛使用在欧洲可以追溯到12世纪左右，而在中国和中东地区，风车的使用也可以追溯到公元前。在海上，人们利用风帆来驱动船只进行贸易、探险和战争等活动。早期的帆船是由木头、纸莎草、芦苇等自然材料制成的，人们利用风的力量来推动帆船在水上航行。在中国古代，风帆船的使用已经可以追溯到汉代，而在欧洲，风帆船的使用则始于中世纪早期。

人类利用水力已有数千年的历史。早期，人们主要利用水流来磨面粉、打铁、轧棉花等。随着技术的发展，水力被用于驱动各种机器和工具，如织布机、纺纱机、锯木机等。水力主要通过水轮来实现。水轮可分为垂直轮和水平轮两种类型。垂直轮比较适合用于水流比较小的场合，如小溪或河流，而水平轮则适合用于水流比较大的场合，如大型河流或瀑布。水轮机被广泛运用在纺织工业和矿业中。通过水力驱动纺织机，可以大大提高纺织品的生产效率，从而降低成本并增加利润。同时，水力还被广泛用于提取煤矿和金属矿物等自然资源，推动了矿业的发展。

木材是另一种重要的生物质能源。在工业革命前的很长一段时间内，燃木炉是中国、欧洲最常见的加热设备，同时也用于烹饪食物。在工业生产方面，木材被用于生产木炭，木炭具有较高的热值和可燃性，被应用于冶炼、铸造和烧制陶瓷等工业生产中。

除了这些被广泛使用的“能源”之外，当时的人们还利用了一些化石资源，如煤炭、石油和天然气等。在第一次工业革命之前，这些化石能源并没有得到大范围使用。

早期对于煤炭的开采和使用方法非常原始和简单。人们使用手工工具和畜力来开采煤炭。最初，煤炭主要用于加热和烹饪。然而，随着工业的发展，煤炭逐渐被应用于工业生产，如钢铁生产、纺织、玻璃制造、化工等行业。

石油和天然气在第一次工业革命之前并没有得到广泛利用，它们只是被一些特定地区的人们所认识。例如，古代中国和中东地区已经开始将石油用于照明和医疗。北宋时期，沈括在他的科学著作《梦溪笔谈》中曾记录： “鄜、延境内石油，旧说‘高奴县出脂水’，即此也……此物必大行于世，自予始为之。盖石油之多，生于地中无穷，不若松木有时而竭。” 石油和天然气在工业中的应用直到19世纪后期才开始出现。

第一次工业革命是人类历史上最重要的变革之一。詹姆斯·哈格里夫斯（James Hargreaves）从被自己撞翻的纺织机中获得灵感，发明了带有纺轮的纺纱机，并以女儿的名字“珍妮”来命名。珍妮纺纱机（Spinning Jenny）的发明拉开了第一次工业革命的序幕，更高的工作效率推动着手工制造向机器制造转型，推动了工业化和城市化的发展。

如此一来，规模更大的厂房、效率更高的机器、蜂拥而入的产业工人，使得18世纪末的英国各行各业呈现一片欣欣向荣的景象。然而当时使用的蒸汽机普遍存在着燃烧不充分、能效低下等问题，动力成为制约生产力发展的“瓶颈”。

推动动力革新的任务，悄然落在一位苏格兰工程师的身上。

詹姆斯·瓦特（James Watt）是一位善于观察并且心思细腻的人，他认为可以通过改进蒸汽机的结构来提高其效率。于是，从1757年到格拉斯哥大学（University of Glasgow）开始，经过8年的设计研究，他终于在1765年申请了一项新型蒸汽机的专利，并在1776年制造出第一台有实用价值的蒸汽机。

瓦特改进了原有的单作用蒸汽机，引入双作用设计。这种蒸汽机能够利用蒸汽的双向作用来驱动活塞，从而实现更加高效的动力输出。此外，瓦特还引入了减少热量损失的机制，如在汽缸中增加隔热层等。这些改进大大提高了蒸汽机的效率，使其成为当时最先进的能源转换装置，也是当时工业革命中最重要的发明之一。

小小的蒸汽机被称为“万能原动机”，它使人类不再依赖于人力、畜力和风力等传统能源，极大地推动了工业生产的发展，让大规模机械化生产成为可能。从此，人类对能源的掌控实现了一次巨大飞跃。

蒸汽机车奔驰在英伦三岛，喷吐的白烟像是雄浑的交响。工厂烟囱高耸，繁华都市的风貌因其而改变。它们骄傲地向世人宣告：“蒸汽时代”到来了！

随着瓦特蒸汽机的推广，工业生产得到了极大的提升，掌控了那个时代“新能源”的英国也成为世界上第一个工业化国家，一步一步登上“世界霸主”的位置。事实上，瓦特开启的蒸汽机改进不仅仅是一项技术创新，更是一种革命性的思维方式。人们意识到，找到新的能源并改进能源利用方式，将会迸发出令人难以置信的力量。这对后来的工业革命和科技创新都产生了深远的影响。

电力之光
——第二次工业革命

第二次工业革命是人类历史上又一次伟大的技术革新和能源革命。内燃机和电力的大规模使用，使人类能够将能源生产转换场所（发电站）与能源动力使用场所（用户）分离，从而更方便地利用能源。最终，工业化进程得到了加速，技术水平和生产力大幅提高，人类社会进入了一个新的发展阶段。

我们通常所说的内燃机是指活塞式内燃机，这种机械将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧而产生高温高压的燃气，推动活塞做功，再通过一些机构将动能传递出来。德国工程师尼古拉斯·奥托（Nikolaus Otto）在1862年发明了第一个四冲程往复式内燃机，被誉为“现代内燃机之父”。尼古拉斯·奥托在年轻时是一名铸造工人，他在一家铸造厂工作期间对机器和工业化过程产生了浓厚的兴趣，对所在公司制造的火花点火式蒸汽发动机感到失望，因为它们非常笨重，效率低下且不可靠。这促使他开始探索其他类型的发动机设计，并思考如何将蒸汽机的原理应用于燃油的燃烧过程中。直到1861年，他与尤金·兰根（Eugen Langen）成立了他们的第一家公司，开始专门研究燃油引擎。这种内燃机的工作原理是在燃油和空气混合物中点火爆炸，从而驱动活塞上下运动，实现能量转化和机械动力输出，进而比当时流行的蒸汽机更加高效、轻便，也更加适合于移动式机械设备和交通工具。

尼古拉斯·奥托的内燃机发明推动了现代工业化和交通领域的发展。它为汽车、飞机、船舶和发电机等领域提供了高效、可靠的动力系统，也促进了石油和天然气等化石能源的开发和使用。

第二次工业革命王冠上的“明珠”除了内燃机之外，恐怕就是“电力”了。在电力领域，许多科学家和工程师都做出了重要贡献，包括托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison）和尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla），尽管两人的观点和发明有着明显的分歧。

当时，美国的电力行业正处于快速发展期，人们意识到了电力的重要性，但如何将电力输送到人们的生活和工作中却成为一个难题。爱迪生主张采用直流电来传输电力，而特斯拉则认为采用交流电更加有效。

爱迪生发明了直流电发电机和配电系统，在美国成立电力公司，建立了第一个商业输电系统，把电力从实验室带到了日常生活中。爱迪生的直流电系统由发电机、输电线路和灯泡组成。他使用直流电系统在纽约、伦敦和巴黎等城市建立了发电站，为城市提供了照明和动力等服务。

但爱迪生的直流电系统存在一些不足，其中最大的问题是输电距离受限。由于直流电的电压不能太高，因此电力必须在不到一英里的距离内传输，这限制了直流电的应用范围，因为城市的规模和范围在不断扩大，需要更长的输电距离和更高的电压来满足需求。此外，直流电系统的成本也很高，不利于大规模应用。

1887年，特斯拉来到了爱迪生的公司，希望能够向他介绍自己的交流电理论。但是，爱迪生却不认为交流电有用，因为当时交流电的技术还不够成熟。特斯拉相信交流电有许多优势，于是，他离开了爱迪生的公司，开始自己的电力研究。同一年，他设计了一种交流电发电机，并与商人乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse，Jr.）合作成立了公司来推广这种技术。他们所建立的交流电系统在输电时可以使用变压器来改变电压，从而减少能量损失，而且可以更容易地将电能传输到远处。

特斯拉在1891年发明了特斯拉线圈并进行了多次改进。该装置由一个高压变压器和一个电容器组成，能够产生高电压、高频率的交流电。特斯拉线圈的发明对于电力传输、通信、无线电技术等方面产生了深远的影响。

特斯拉的成功也重新吸引了爱迪生的关注，两位科学家在电力方面的分歧引发了一场著名的“电力之战”。在这场争论中，爱迪生和特斯拉互相攻击对方的技术，并为自己的发明进行宣传。

爱迪生发起了一场反对交流电的运动。他认为交流电对人体有害，还在纽约市进行了一次公开的施虐实验，用交流电电死了一只大象，试图证明交流电是危险的。然而，在1893年芝加哥世界博览会（为了纪念哥伦布发现新大陆400周年，此次世博会又称“世界哥伦布博览会”），特斯拉和威斯汀豪斯展示了他们的交流电输送系统的高效性和安全性。爱迪生的直流电输送系统则在比赛中表现不佳，这使得他的市场地位开始衰落。

最终，可以更加高效实现远距离输电的交流电系统获得了胜利，特斯拉赢得了他与爱迪生之间的电力之战。彼时的他还不知道，他的名字将会被一位名为埃隆·马斯克（Elon Musk）的青年用来命名自己的公司。而这家名为特斯拉的公司将会改变全球的新能源和电动车市场，为人类的电气化出行以及交通能源转型带来一场新的革命。

与此同时，由乔治·威斯汀豪斯所创建的西屋公司，也将成为下一个时代能源革命的重要先驱，引领一时风潮。

原子之心
——第三次科技革命

随着社会的进步与科学技术的发展，人类开始意识到传统化石燃料能源的有限性和对环境的负面影响，并开始寻求更加清洁、高效、可持续的能源形式。在这一变革中，核能起到了重要的作用。

发电是核能重要的利用方式之一，其原理是利用核反应释放出的能量来产生蒸汽，推动涡轮发电机发电。核反应产生的能量非常强大，而且不受天气、时间等因素的影响，具有非常稳定的发电能力。此外，相比燃烧化石燃料所产生的废气、废水等污染物，核能在发电的过程中不会产生二氧化碳和氮氧化物等大气污染物的排放。

因此，核能被认为是一种相对清洁的能源形式。

1942年，来自芝加哥大学的科学家成功地在实验室里实现了第一个核反应堆的启动。随着人类对于核能研究的深入，各国开始大力发展核能技术，并建造核反应堆进行核能发电，核电站的数量迅速增加。

了解核能，我们要将目光移向那小小的原子核当中。

第二节
叩响原子时代之门

全世界最著名的苹果是哪一颗？也许是砸在牛顿头上的那一颗，也许是印在苹果手机上的那一颗。但你知道吗，还有一颗深藏在历史之中的苹果，影响了原子时代。

从苹果核到原子核

人类对原子的认识是漫长和曲折的。

远古的人们存在这样一种观念：只要不断地切割一个苹果，就可以无限地切分下去，最后变得非常小。正如《庄子》有云“ 一尺之捶，日取其半，万世不竭 ”。公元前400年，古希腊哲学家德谟克利特（希腊文：∆ηµóκριτος，英文：Democritus）通过对自然的观察，大胆提出了他的假设：一定会存在一种非常小的微粒，小到无法再被分割。德谟克利特把这种微粒称之为“原子”（在古希腊语中意为“不可切割的”意思），他也成为第一位提出“原子”这一概念的人。

18世纪初期，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）提出了“原子假说”，指出所有物质都是由原子构成的，而且原子在化学反应中不可分割。在接下来的两百多年中，科学家不断地猜想、实验和验证原子学说。人们在想，原子内部是否还能进行分割？

核能的探索发现可以一直追溯到19世纪末物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）发现电子，人类逐渐揭开了原子核的神秘面纱，而这要从一种神秘的射线开始说起。

1855年，德国发明家盖斯勒（Heinrich Geissler）发明了一种“新奇”的玩意儿，这是一支性能优越的真空管。盖斯勒作为一名精于玻璃吹制的手艺人，他制作了许多形状不同、性能优越的科学仪器供当时的科学家们研究使用。

这支玻璃管很快引起了他的朋友、德国波恩大学的物理学教授尤利乌斯·普吕克（Julius Plücker）的兴趣。他和学生约翰·希托夫（Johann Hittorf）做了很多相关的研究后，发现了阴极射线现象。

他们发现，在管中除了气体在发光之外，正对着阴极的玻璃壁也在隐隐地发出黄绿色的荧光，并且当用磁铁在管外晃动时，荧光也在跟着晃动，当时他们只是发现了这一神奇的现象，还并不清楚其中的原理。普吕克在1868年去世后，他的学生希托夫则继续研究放电管，最终发现阴极能发出某种射线。再后来戈尔德施泰因（Eugen Goldstein）也做了类似的实验，并发现电场也会使射线偏转，他把这种阴极发出的神奇射线叫做“阴极射线”。

在阴极射线被发现后，关于它是由什么组成的引起了英国、法国、德国许多科学家的大争论。争论主要分为两派，一些科学家如海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）认为阴极射线是一种电磁波，因为在他们的实验过程中发现它在电场中是不偏转的，即不带电，且能够穿透薄铝片。他们认为粒子是做不到这两点的，但是波可以。另一派的科学家认为阴极射线是一种带电粒子流，在赫兹的实验中它没有发生偏转，原因是阴极射线管的真空度不够，他们认为阴极射线是比原子更小的微粒。

1897年，英国物理学家汤姆逊（Joseph John Thomson）重新设计了由盖斯勒管发展而来的克鲁克斯管（Crookes tube），这种实验装置令阴极射线在电场和磁场中均发生偏转，证明了阴极射线是带电的微粒子流，并且测得了微粒子的速度和比荷（荷质比）之间的关系，同时比荷与电极材料无关，说明这种粒子是由各种物质共同组成的。基于他的实验结果，汤姆逊在英国皇家研究院报告时断定物质内部有比原子小得多的带电粒子存在，其实这就是“电子”。

汤姆逊进一步实验发现，许多现象中都有电子的存在，如正离子轰击产生阴极射线、金属受热产生热电子流、紫外线照射产生光电流、放射性物质产生β射线等。在汤姆逊发现了电子的存在后，人们又进行了多次尝试，以精确确定它的性质。汤姆逊测量了这种基本粒子的比荷，证实了这个比值是唯一的。

许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根（Robert Andrews Millikan）于1917年用实验测得的。密立根在前人工作的基础上，通过密立根油滴实验（oil-drop experiment）进行基本电荷量e的测量，得到了电荷具有量子化的特征，即任何带电物体的电荷量只能是e的整数倍。

在电子被发现前，当时人们知道的最小带电粒子是氢离子。汤姆逊在原子的小小身躯上切开了第一刀，打破了原子不可再分的传统观念，标志着人类对微观世界的探索进入了更深的层次，同时，人类对核能的研究发展终于跨出了至关重要的第一步！由汤姆逊和卢瑟福（Ernest Rutherford）分别建立和验证的原子微观模型，奠定了现代原子物理学的根基。

卢瑟福在验证汤姆逊模型时发现原子并不是一个整体。1898—1906年期间，卢瑟福通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现了带有两种不同电荷（正、负）的射线，分别命名为α射线和β射线。通过这一研究，他聚焦于原子内部的结构，发现原子是由原子核和它周围的电子构成的，确认了放射性是原子内部的变化导致的，放射性能使一种原子变成另一种原子，这是一般化学变化所达不到的。

从古代朴素的原子论开始，到道尔顿的近代原子论，再到卢瑟福的有核原子模型、波尔的氢原子理论，直到现代原子模型的精确描述……芥子之小，须弥之大，人类对微观世界的探索从未停止。

如果说电子的发现，标志着人类敲开了原子时代的大门。那么伴随着可以继续分割下去的“苹果核”，幽幽荧光所散发的神秘能量……这些人们在时代大门之后所看到的万千景象，就让人们坚信，崭新时代的秘密隐匿在原子核的“内部”。

“内部”能量报告
——裂变与聚变

在人类刚刚迈入原子时代的时刻，就已经发现原子核中蕴藏的能量远超任何一种化学反应所能释放的能量。这个看似永不“熄灭”的能量之火，来源何处？这让人们不禁对能量守恒的信念产生了动摇。关于“内部”能量的故事，就从这个疑问开始。

今天，我们已经知道， 核裂变 是由一个重原子核分裂成两个或多个比较小的原子， 核聚变 则是由两个轻原子核合成一个比较重的原子。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量，分别称为核聚变能和核裂变能，它们的统称就是“核能”。讲述核能，就不得不提到一位科学巨匠——爱因斯坦（Albert Einstein）。在发现核裂变与核聚变会产生巨大能量之前，爱因斯坦以其天马行空的想象，提出了质能转换方程：

E = mc ²

其中， E 表示能量，单位为焦耳（J）； m 代表质量，单位为千克（kg）； c 表示真空中的光速，作为一个常量，数值为299 792 458米/秒。这一方程将质量与能量这一对经典物理学中两个完全不同的概念建立了联系。而其衍生公式：

∆ E = ∆ mc ²

则用来解释核反应中的质量亏损和能量产生，成为核电领域的根本遵循。

核裂变的发现者是几位德国柏林威廉皇帝研究所的研究员。莉泽·迈特纳（Lise Meitner）和奥多·哈恩（Otto Hahn）通过一系列实验发现，质子的增加会使得铀原子核变得很不稳定，从而发生分裂。于是他们在1938年设计了一个新的实验，使用游离的质子轰击放射性铀，每个铀原子都分裂成了两部分，生成了钡和氪，这个过程还释放出巨大的能量，由此迈特纳发现了核裂变的过程。

4年之后，1942年12月2日下午2时20分，费米扳动开关，几百个吸收中子的镉控制棒从石墨块和数吨氧化铀小球垒成的反应堆中抽出。在芝加哥大学斯塔格球场（Stagg Field）西看台下，一个废弃网球场内堆放的4.2万个石墨块，正是世界上第一个核反应堆，更是迈特纳发现的产物。关于这些石墨块和氧化铀小球的精彩故事，且听后文娓娓道来。

核聚变则是于1932年由澳大利亚科学家马克·欧力峰（Mark Oliphant）所发现的。在1939年，美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）通过实验证实了核聚变反应，他把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，会使两个原子核发生融合，形成一个新的氦原子核和一个自由中子，并且过程中释放出了17.6MeV（兆电子伏）的能量。

核聚变在宇宙中最为常见。东升西落的太阳和夜空中闪闪星光，它们正代表了绝大多数在遥远距离之外发生着剧烈聚变反应的恒星。人类想要掌握铸造星辉的力量，还有很长的路要走。核聚变产生的总能量远超核裂变，却极难控制，而核裂变反应作为现在人类可以掌控的核能，优点和缺点同样显而易见。稳定可控的优点自不必说，缺点则首先表现在核裂变所需的铀在地球上蕴含量相对较少，其开采、加工工艺复杂，过程中容易产生化学和放射性污染，最后核裂变产生的废料也非常难以处理。相对而言，核聚变所产生的放射性废物比核裂变少很多，且其燃料也是取之不尽的。因而，攻克可控核聚变这一历史难题，对人类的发展具有无可估量的意义与作用。

爆炸VS核能，能量超乎你想象

1863年，德国化学家威尔伯兰德（Julius Wilbrand）制成三硝基甲苯，即“黄色炸药”，又称TNT。而此时，人类尚不能真正稳定驾驭爆炸的力量，距离“炸药大王”诺贝尔用硅藻土制成“安全炸药”还有三年。

1千克TNT爆炸可以释放出4.19兆焦的能量，TNT爆炸的能量并不算大，一千克煤燃烧尚且能释放出29.27兆焦的能量，是1千克TNT爆炸产生能量的7倍之多。

1千克铀-235全部裂变时释放的能量约为83.14太焦，1千克钚-239全部裂变时释放的能量约为83.61太焦，都接近2万吨TNT当量，相当于2 700吨煤的能量。1千克氘化锂-6完全聚变释放的能量约为260太焦，相当于约6万吨TNT当量。

在小小原子所蕴藏的巨大能量面前，“TNT当量”也只能充当“背景板”，所以核武器的威力单位采用“TNT当量”，也就是释放相同能量的TNT炸药量来表示。

在了解过自然界中这些奇妙的物理与化学现象之后，20世纪初的科学家们不禁想到，能不能发明一种装置，在安全可控的情况下进行裂变或聚变反应，并且把这些能量收集起来为人所用呢？

现在我们当然知道，这种装置就是今天说到的核反应堆。那么，为什么要把发生核反应的地方叫做“堆”呢？

“堆出”核反应
——“芝加哥一号”反应堆

1934年伊始，年仅33岁的恩里科·费米已是意大利小有名气的物理学家。他26岁成为罗马大学教授，29岁成为意大利科学院院士，研究目光始终关注着小小的原子核。就在不久前，他发现的β衰变理论对理论物理学做出了巨大贡献。

同年，距离罗马不远的法国巴黎，同样30多岁的物理学家约里奥·居里夫妇宣布，他们使用α粒子轰击铝、硼，人工创造了新的放射性元素，但是产生率很低。密切关注着研究动向的恩里科·费米立即行动起来。

1934年3月20日晚上，费米完成了实验前的各项准备工作。第二天早上，他得到了第一个中子源，开始进行中子轰击实验。

与人们口口相传的历史不同，氢并不是第一种中子被轰击的物质，费米的笔记本第18页清晰记录着他的试验经过。第一个是铂，但没有成功，第二个是铝，完全成功。

在接下来对铀的轰击中，费米认为他们得到了一种新的元素。1934年6月他宣布了这个发现，但并没意识到在这个实验中可能引起了铀的裂变。

1934年10月，费米的团队成员发现，在某些情况下，慢中子比快中子可以更有效地引起放射性。正如后来所理解的那样，原子核确实比快中子更容易捕获慢中子。将石蜡或水等其他氢化物质在放置在中子源和待活化样品之间时，可以有效地减缓中子的速度，比如在中子源和银之间放置石蜡，竟能够使银的放射强度增强几百倍之多。

怎样解释这种现象？费米提出慢中子效应：中子轰击含有大量氢的物质时，和质子发生碰撞，速度变慢了，更容易被银原子核所俘获，所以产生的人工放射性更强。按照他的原话，“ 就像一个飞快的高尔夫球可能从球洞跳过去，而一个慢慢滚着的高尔夫球却有更好的机会进入球洞一样 。”

1938年12月，在慢中子实验中取得成功的费米，带着家人前往瑞典首都斯德哥尔摩接受诺贝尔奖的颁奖。

但在颁奖典礼结束后，这位37岁的诺贝尔奖得主并没有返回他的故乡意大利，而是选择前往美国哥伦比亚大学。因为当时的意大利正处于墨索里尼独裁统治时期，意大利法西斯政府颁布出一套粗暴对待犹太人的法律，同时秘密组织警察对所有持不同政见的公民进行监视和搜捕，而费米的妻子正是犹太人。虽然费米早年曾被迫加入意大利法西斯党，但本人却是一位坚定的反独裁主义者，这都使得他在意大利的生活和研究变得困难与危险。与此同时，哥伦比亚大学向他抛出了橄榄枝，于是费米便带着家人飞向了大西洋彼岸，在结束了他在哥伦比亚大学的任期之后，他来到了芝加哥大学，在这里他将从事一项足以改变人类命运的秘密任务。

慢中子与快中子

慢中子又称“热中子”，通常指动能约为0.025电子伏特（速度约2.2千米/秒）的自由中子。裂变反应产生的中子与由较轻的元素组成的减速剂发生碰撞，将一部分能量转移给被撞核，中子本身被反弹，同时能量减少。经过几次碰撞后，中子的动能就会减小到与热运动能量相当，从而成为热中子。

回忆一下这样的场景：公交车从远处疾驰而来，直到快靠近站台时才减慢速度，你站在路边，总要等公交车停稳之后才会排队上车。试图跳上一辆在道路上飞驰的汽车，是一件困难的事情。同样的，在一般反应堆中，与铀燃料发生裂变反应的中子就像“飞驰的汽车”，科学家们发现“慢中子”有利于与原子核发生反应。

如果裂变产生的高能中子不经过上述慢化过程，便称之为“快中子”，利用快中子的特性可以研制快中子反应堆。

1939年，一大批物理学家与化学家，从美国的东西海岸汇聚到哥伦比亚大学，开始了自持链式反应的研究，后来这项研究转移到了芝加哥大学的“冶金实验室”（Metallurgical Laboratory）。虽说名字中带有“冶金”，但这个实验室却并不是为了增加钢铁产量，它成立的目的是论证受控核裂变的可行性，同时生产钚，并且尝试建造一个用于支持核反应的模型，这个模型就是“芝加哥一号”。钚是用于生产核武器的重要原料，这个实验室也为日后的曼哈顿计划（Manhattan Project）打下了基础。

“芝加哥一号”被建设在芝加哥大学一个废弃的球场的地下室里（Stagg Field）。选在这地方建造，是因为费米想要把它建在一个隐蔽且安静的地方，这样万一出了事故，对环境的影响也不会很大。

在阴暗的地下室里，工人们在木头底座上一层一层地堆叠石墨块，这也是核反应堆为什么叫反应“堆”的其中一个原因。“芝加哥一号”堆真的是堆出来的，费米曾说过：“ 远远看过去，它就像是一堆木材和黑砖罢了。 ”

石墨是中子慢化剂，用来控制核裂变的反应性。部分石墨块留有空洞，用以安置核燃料。同时，部分核燃料由铀-238制成，来展现能否实现铀到钚的转变（铀-238在中子轰击下转化为钚-239）。镉棒作为控制棒控制反应堆的速率和启停。

整个反应堆在1942年12月1日完工。虽然有了石墨和镉棒可以控制反应性，人们依然还是担心反应堆的安全性，毕竟这是人类历史上首次尝试人工控制的核裂变反应。

费米的学生曾问过费米： “如果反应堆失控怎么办？”

费米悠闲地说道： “我会从容地离开。”

费米之所以这样说，是因为他同时设计了一套应急系统，他安排了几位科学家拿着装有氧化镉的容器全程参与实验，一旦反应失控就把氧化镉倒进反应堆。他还专门找来了诺曼·希尔贝里（Norman Hilberry）教授，让他拿好一把斧子，如果反应堆失去控制，就让他砍断连着控制棒的绳子，绳子割断之后控制棒依靠重力落进反应堆，切断链式反应。希尔贝里教授之后也成为美国阿贡国家实验室的主任。虽然这套应急系统看似非常粗糙和草率，但这套设计逻辑成为后世现代反应堆的设计基础，一直被沿用至今。

1942年12月2日的下午，科学家们汇集一堂进行试验，部分工作人员在地面上负责操作、记录和应急。费米和其他科学家在高台上观察记录。

工作人员按照费米的指示有条不紊地拉出镉棒。利用盖革计数器，科学家们密切监测了反应的 k 值，即有效中子倍增因子，这是将引起另一个反应的裂变中子的平均数。足够高的 k 值将表明反应可以自我维持。午餐休息后，费米命令将最后一根镉棒从堆中再拉出12英寸。通过观测记录仪器的示数，科学家们计算了 k 值达到了1.000 6，“芝加哥一号”堆实现了自持的链式反应。

物理学家赫伯特·安德森（Herbert Anderson）在他的回忆录中写道： “刚开始你能听到中子计数器的声音，咔哒—咔哒—，咔哒—咔哒—，随后声音变得越来越频繁，过了一会已经响成一片，计数器已经跟不上频率了。是时候开启图表记录器了。当转换到记录器之后，每个人在突然的安静中看着记录器的绘制上下起伏的线条。那瞬间的沉默，每个人都意识到了切换至记录器的重要性，我们现在处于高强度区域甚至中子计数器都无法跟上现在的情况了。一次又一次，我们要更改记录器的刻度，以适应高速提升的中子强度。突然间费米举起了他的手宣布‘反应堆达到临界了’。现场所有人都表示赞同。”

在启动后的不到五分钟，费米命令停堆，镉棒被插入反应堆。在反应堆停止反应后，费米打开了一瓶他从意大利老家带来的红酒作为庆功酒。在场的科学家和工作人员用芝加哥大学的纸杯痛饮了庆功酒，并在酒瓶上签名留念，这个酒瓶被保存在阿贡国家实验室。

也许你已经注意到，核裂变也好，核聚变也罢，它们都有一个共同点，那就是从一种原子核变化为另一种原子核，并且都伴随着巨大的能量释放。

“芝加哥一号”反应堆的成功，标志着人类能够制造并控制核裂变反应。如果跳出物理学的范畴，“能量”就意味着“威力”，这样的联想，让人们很快意识到核能在军事上的价值，也让人类的手伸向了危险的边缘，这也就是前文中提到的“曼哈顿计划”。 cAoy4yZwxDhc5CfaC9Ruij/SwyqSODVuxXTa2rKL70uSg6J0B9UAk4EXFuzFg3ye

第三节
打开“潘多拉魔盒”

科学巨人们的远见与灵感，总是对全世界的进步发展有着深远影响。

“总统先生，

通过和E.费米，I.西拉德进行关于研究草稿的交流，最近的工作使我相信在不久的将来，铀元素将成为一种新型的重要的能源。由此引起的许多问题需要我们提高警觉性……

使用大量的铀来建立核链式反应堆，从而产生巨大的能量和大量的新型类镭元素已成为可能。现在基本可以确定这将在不久的将来实现。

这种新的现象将引导着炸弹的构造，并且这是有可能的——尽管还不是那么确定——威力巨大的炸弹将因此而可能被制造出来……

您真诚的，
阿尔伯特。爱因斯坦”

就在这封信发出后的一个月，德国闪击波兰，第二次世界大战爆发。

这封由他人起草并由爱因斯坦签名的信，建议时任美国总统富兰克林·罗斯福（Franklin Roosevelt）务必抢在德国之前制造出原子弹，并直接促成了美国在1941年正式启动核武器研制工程——“曼哈顿计划”。尽管在后来的日子里，爱因斯坦也曾为原子弹对平民的巨大杀伤感到遗憾，并致力于反对核战争。但是，在那个重要历史关口，科学巨人们的远见为全世界反法西斯战争的胜利赢得了一丝先机。

“魔盒”现世
——早期核武器的研发与使用

正如每一段不幸往往是幸运的开始。核能，本可以和平利用，造福人类，但它起初却用在了战争上。

关于核武器的发明，要从战火纷飞的第二次世界大战前开始说起。

1939年1月，德国放射化学家奥多·哈恩、弗利茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）和奥地利物理学家莉泽·迈特纳在《自然科学》杂志刊登文章，报告了他们在研究使用中子轰击铀的各种产物的物化性质时，发现的铀原子核裂变现象。同年9月初，丹麦物理学家玻尔（Niels Henrik David Bohr）和美国科学家惠勒（John Archibald Wheeler）阐述了核裂变反应过程理论，并指出能引起这一反应的最好元素是同位素铀-235。但是，这一意义非凡的研究成果似乎“生不逢时”，其问世时所面对的国际环境正是英、法两国因德国悍然入侵波兰而向德宣战，核能的开发便首先用于军事目的，即利用核裂变制造威力巨大的原子弹。

美国的核武器研发进展迅速，尽管爱因斯坦是美国的原子弹研究推进第一人，但他并未参与到“曼哈顿计划”当中，实际工作由理论物理学家J.R.奥本海默（Julius Robert Oppenheimer）领导多国物理学家、化学家组成的美国原子弹研制工作小组共同开展。

“曼哈顿计划”大致有三方面的工作：生产钚、生产浓缩铀-235和研制炸弹。这三方面的工作由几支研究力量来完成。第一支研究力量是由康普顿领导的芝加哥大学冶金实验室和杜邦公司组成，主要任务是生产足够数量的钚。第二支研究力量是由劳伦斯领导的加利福尼亚实验室和几家公司组成，任务是用电磁法分离浓缩铀-235。第三支研究力量是由尤里博士领导的哥伦比亚大学的代用合金实验室和几家公司组成，任务是用扩散方法生产浓缩铀-235。第四支研究力量是由奥本海默领导的洛斯·阿拉莫斯实验室，它的主要任务是得到足够的裂变材料，立刻制成实战用的原子弹。

研制过程中，研究人员设计出了两种炸弹型式：一种是“枪式”原子弹，它主要是通过增加核装药的数量达到超临界状态的，虽然枪式原子弹效率低，但构造简单，容易制造。另一种是“收聚式”原子弹，它利用炸药的爆轰，形成一个向中心收缩聚拢的球面形状的压力波，从各个方向均匀地压缩核装药，并且越到中心压力越大。核装药受到强烈的压缩，密度大大增加，能够实现高度超临界，使比较多的核装药发生裂变反应，从而提高了它的有效利用率。

在投入海量的资源之后，到第二次世界大战即将结束时，美国共制成了3颗原子弹，分别为2颗钚弹与1颗铀弹。

其中，1颗代号为“小工具（The Gadget）”的钚弹在美国新墨西哥州的沙漠中被引爆，这次试验代号“三位一体”（Trinity），它证明了几周后在日本上空投放原子弹的可行性。

第二次世界大战后期，为了减少盟军伤亡，加速战争进程，迫使日本投降，美国时任总统杜鲁门（Harry S. Truman）计划在日本六个城市（东京、京都、新潟、小仓、广岛、长崎）投掷原子弹。在选定投掷地点时，考虑政治需要、效果评定等因素，美军筛选后的核攻击目标最终定为广岛和长崎。广岛是日本的陆军之城，是日本防卫本土第二总军司令部所在地，所有前往中国、朝鲜、东南亚、南洋诸岛的日本陆军均从广岛起航。长崎则是日本工业特别是造船业的重要基地。

1945年7月26日，中国、美国和英国发表了《波茨坦公告》，敦促日本投降。7月28日，日本政府拒绝接受《波茨坦公告》。

出于军事政治原因，美国政府便按照原定计划，对日本使用原子弹。1945年8月6日，装载着绰号为“小男孩”原子弹的B-29“超级空中堡垒”轰炸机飞向广岛，原子弹在离地600米空中爆炸产生了2万吨TNT当量的能量，立即发出令人眼花目眩的强烈白色闪光，广岛市中心上空随即传来震耳欲聋的大爆炸声。顷刻之间，城市卷起巨大的蘑菇状烟云，接着便竖起几百根火柱，繁华都市沦为焦热的火海，城市中心12平方公里内的建筑物全部被毁，全市房屋毁坏率达70%以上。事实上，由于当时制作技术相对落后，“小男孩”所装载的铀材料并没有完全起作用，59千克铀-235中只有约1千克发生了裂变。

三天之后，1945年8月9日，美国再次使用B-29轰炸机将原子弹投放于长崎，这颗原子弹绰号“胖子”。这颗钚弹装量为6.4千克，同样也只有约1千克发生了裂变。

“小男孩”和“胖子”空袭日本的一幕向世人宣告，美国成为世界上第一个拥有并使用原子弹的国家。原子弹，也第一次在世人面前展示了它的“魔力”，这是一种极具毁灭性、对目标地区造成长久且不可逆破坏的武器，其威力和后续伤害巨大。

而在1941年6月遭受德军入侵前，苏联也曾开展了原子弹研制工作。苏联物理学家Н.弗廖罗夫（Геóргий Николáевич Флёров）等人在这一时期发现了铀原子核的自发裂变。1949年8月29日哈萨克草原上一声巨响，苏联成功试爆第一枚核弹，这使得苏联成为继美国之后第二个掌握核武器的国家，从此打破了美国的核垄断。

一些科学家进一步思考并预见，利用裂变反应产生的足够热量而使氢核聚变的可能性，开始设想制造氢弹。同时，原子弹技术也在不断改进，现在的裂变份额已经大幅度提高。

“魔盒”制造说明书
——核武器的概念与组成

核武器其实并不特指某一种单一的武器，它是利用了原子核反应所制造出的巨大杀伤性武器的统称，其中包括原子弹、氢弹、中子弹、三相弹等，也可以被称为核子武器或原子武器。

武器都是利用各种反应中释放出来的大量能量实现杀伤。但是，核武器中原子核反应和一般类型化学炸药里的化学反应有着本质区别。一般化学炸药中的反应是化合物分解反应，也就是参与其中的原子并没有发生改变，只是原子之间组成化学物的组合关系改变了。而在原子核反应中，变化发生在原子核本身，它们通过核裂变或核聚变转变成了其他种类的原子核，原子也随之发生了变化。正如前文说到，质量大的原子核如铀、钚等分裂为几个质量较小的原子核，质量较小的原子核如氢、氦等结合成为质量较大的元素原子核。这便是核武器中基础的两类反应原理。

除了反应原理的不同，核反应比起常规化学反应，能够在极短的时间内释放出巨大的能量。当引爆一枚核武器时，它的威力不仅仅只是常规炸药的几千万倍，它还拥有很多常规炸药不具有的副作用。它在较小的爆炸半径中形成极端高温，会快速加热周围空气导致其膨胀，从而形成高压冲击波；点燃周围空气造成的火球形成了强光辐射；散发出的大量烟尘将会阻挡太阳光线到达地表。核反应还伴随产生射线和放射性物质，造成生化危害和环境污染，与此同时，强脉冲射线将影响电磁场，产生电磁脉冲。所以，核武器有着区别于常规武器的破坏性和杀伤力，对现代军事和战争有着不同于常规武器的极大影响。

研制一款真正可用于实战的核武器，依次需要包括核材料、起爆装置、核试验、投掷载具等四个步骤。注意！阅读以下文字，可以让我们大致了解核武器制造的流程。

第一步，研制核材料。 核材料是指可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料，通常包括铀-235、铀-233、钚-239和氘、氚。对于铀-235而言，自然状态下的丰度约0.7%，而核武器所需的富集度需要达到90%以上，现今用来生产高浓缩铀-235的主要方法有气体扩散法、离子交换法、气体离心法、蒸馏法、电解法、电磁法、电流法等。目前，气体离心法更加节能、效率高、设备布置紧凑，最为成熟；气体扩散法耗能高、效率偏低。

第二步，研制触发装置。 核武器触发装置及在核弹发生爆炸前使大部分核材料发生裂变的技术，就像“开关”或“导火索”。在核武器起爆时，对装药引爆的控制需要精确到百万分之一秒内。这也是目前核武器研制中所面临的最大困难。

第三步，进行核试验。 为了制造真正完整的核武器而进行的设计验证，需要强大丰富的实验数据库支持。由于在预定条件下进行的核爆炸装置或核武器爆炸试验威力巨大，影响过广，因此目前需要使用巨型计算机模拟取代传统核爆试验。

第四步，研制投掷载具。 真正的核武器是由核战斗部、运载工具和指挥控制系统这三部分组成。只有装载于弹道导弹、巡航导弹、核潜艇、战略轰炸机等载具上的核武器，才能被称为可以扔出去的“长矛”，产生实际的威慑意义。

由此看来，制造核武器的步骤看似简单，却需要强大的组织能力、海量的专业技术人员、巨额的费用投入和各个工业部门间的紧密配合。就像在被问及“瓦良格”号航母需要什么才能完成建造工作时，黑海造船厂厂长马卡洛夫的经典回答： “我需要苏联、党中央、国家计划委员会、军事工业综合体及9个与国防相关的部委。”

扩散与禁止
——世界核武器发展历程

尽管第二次世界大战的战火在1945年9月熄灭。但是，在美国和苏联之后，好比“潘多拉魔盒”的核武器仍然以其特别的“魔力”引诱着世人。

1952年10月3日，英国第一颗原子弹在澳大利亚蒙特贝洛沿海的船上试爆成功，成为世界上第三个拥有核武器的国家。

1960年2月13日，法国在阿尔及利亚雷加内的一座百米的高塔上爆炸成功了第一颗原子弹。

自此，世界上多个大国均已拥有核武器，由于核武器巨大的威慑力，世界和平的天平开始倾斜。在这个“威慑纪元”的夹缝之中，需要一种新的平衡。力量本无对错，关键在于掌握在谁的手中。

20世纪50年代，面对紧张的国际形势，我国领导人认识到必须加快国防科技的发展，特别是研究核武器。旋即在1955年1月的党中央书记处扩大会议上，党中央研究通过了新中国发展核武器研制计划。当时，中央对研制原子弹的指导方针是： 自力更生 为主，争取外援为辅。

在这一方针的指引下，新中国的科学家、解放军、工程师、工人等广大人民团结一心、奋力攻关，个中艰辛不必言说。

1964年10月16日，戈壁滩上腾起蘑菇云，原子弹横空出世，标志着我国成功迈进了有核国家序列。

1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸试验成功，爆炸威力为330万吨TNT当量。氢弹试验的成功是我国核武器发展中的质的飞跃，为战略导弹热核弹头的研制和装备部队奠定了基础，标志着我国核武器的发展进入一个崭新的阶段。

“邱小姐”与原子弹，千呼万唤始出来

在周恩来总理的指示下，我们在执行原子弹试爆任务的过程中需要使用一套绝密“暗语”：

正式爆炸试验的原子弹密语为“邱小姐”，因为整个原子弹像是一个圆滚滚的大球；

原子弹装配密语为“穿衣”；

装配台密语为“梳妆台”，在这个梳妆台上摆满了密密麻麻的线路和晶体管；

原子弹在装配间密语为“住下房”；

原子弹在塔上密闭工作间密语为“住上房”；

原子弹插接雷管密语为“梳辫子”，因为雷管上接着长长的电缆线，就像小姐的长辫子；

气象的密语为“血压”；

原子弹起爆的时间，密语为“零时”。

纵观世界，在核武器出现之后的短短几十年间，美国、苏联（俄罗斯）、英国、法国、中国、印度、巴基斯坦等都先后成为“有核国家”。其中，美国、苏联（俄罗斯）、英国、法国、中国被普遍认为是合法掌握核武器的国家。印度于1974年进行过一次核试验，但在1998年才成功地完成首次地下核武器试验，巴基斯坦也在1998年宣布首次核试验成功，这两个国家旋即宣布拥有核武器。对核武器的研究也已到了第四代，从最初的原子弹、氢弹、中子弹到核定向能武器。

尽管人类在核武器的发展和研究投入巨量的人力与物力，但人类历史上只有两次实战使用核武器的案例，那就是在本节开篇提到的美国对日本广岛、长崎空袭，其他核武国家对核武器的研发都仅限于试爆。为防止核武器扩散造成的潜在危险性，包括美国、苏联、英国在内的多个国家签订了《不扩散核武器条约》。

从军事角度来说，原子弹和氢弹确实威力不可小觑。直到今天，核武器仍然是全球杀伤力最大的武器之一，拥有核武器就成了综合国力的体现，也可以说，核能在世界和平稳定中起到了震慑作用。

正如邓小平说的那样： “如果（20世纪）60年代以来，中国没有原子弹、氢弹，没有发射卫星，中国就不能叫有重要影响的大国，就没有现在这样的国际地位。这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。”

神话故事的结尾，潘多拉在打开“魔盒”后，瘟疫、忧伤、灾祸……一涌而出，慌乱之中，她将盒子紧紧盖住，一切都太迟了，这个举动也把“希望”紧紧关在了“魔盒”里。

但值得庆幸的是，人类的理智战胜了慌张与狂热。

核裂变所产生的能量与放射性，也逐渐被人类社会加以控制管理并广泛应用。受控的能量被用于发电，受控的放射性则在农业保鲜、育种，工业照样、材料研制、医药、癌症放疗等方面做出了独有的贡献。

如何掌控核能并加以安全有效地利用？让我们一同畅游核科学、工程与技术发展的历史之海。 cAoy4yZwxDhc5CfaC9Ruij/SwyqSODVuxXTa2rKL70uSg6J0B9UAk4EXFuzFg3ye