朗道参与苏联核武器研究之始末_风闻
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-07-05 09:41
撰文 | 刘寄星（中国科学院理论物理研究所）
来源 | 本文选自《物理》2021年第6期
朗道1929-1931年在欧洲访问学习期间，曾经结识了两位特殊的朋友并与他们有过科学合作1)。一位是匈牙利人爱德华·特勒 (Edwald Teller)，此人后来去了美国，积极推动美国政府发展热核武器，成为赫赫有名的美国“氢弹之父”。另一位是他1930年在苏黎世访问泡利时结识的奥地利物理学家鲁道夫·派尔斯，派尔斯不仅把当初朗道、伽莫夫、布隆斯坦等人组成的“爵士乐队”的“桂冠女诗人”叶芙根尼娅·康涅吉塞 (Evgenia Kanegisser) 娶走，而且早在1939年底就与最早解释了铀核裂变的同胞奥托·弗里施一起，率先计算了铀的临界质量，鼓动英国政府发展原子武器，促成英国的“合金管”核计划。之后他作为英国方面的成员赴美参与“曼哈顿计划”，受到汉斯·贝特的重用，在美国原子弹研制成功中功勋卓著，被英国皇家授予了爵位。至于朗道本人，虽然不像他那两个朋友那样在核武器界声名显赫，却也在苏联核武器发展中起了重要的作用。
关于朗道参与苏联核武器研究的过程和在其中所起的作用，相当长时间以来存在不少传闻，但缺少切实的记述。2008年郝柏林同志为《物理》撰写特约文章“朗道百年”时，笔者曾协助他收集过有关资料，为该文“朗道与苏联社会”一节中一段不到300字的朗道参加苏联核武器研究情况提供了素材。当时虽然觉得这段话不足以概括朗道在这方面的全部贡献，但苦于没有详实可信的新材料可以补充，颇觉遗憾。令人高兴的是，根据俄罗斯总统1995年的指令，俄罗斯原子能总公司的利亚别夫担任主编，历经14年辛苦整理，于2009年出齐了以《苏联核计划——文件与资料》为总书目的苏联从1942至1956年发展核武器的全部解密文件和资料共3卷11册[1]，使得人们可以追溯苏联核武器研究的全过程。而且2008年之后，在正式学术刊物上出现了专门研究朗道参与核武器研究的论文[2]，且陆续有大量核武器研制亲历者的回忆录发表，其中不少提及朗道的工作，特别是朗道的学生哈拉特尼科夫2)的回忆录更具体地讲述了他在朗道领导下从事核武器研究的全过程[3]。本文主要根据这些材料，试图较为系统地将朗道为苏联核武器研制作出的贡献介绍给对此感兴趣的读者。
1 朗道是如何加入核武器研究的？
早在二战爆发之前，苏联已经开始了原子核物理学的研究，先是1932年乌克兰物理技术研究所实现了锂核的裂变，之后列宁格勒物理技术研究所在老约飞(阿布拉姆·约飞)的提议下，建立了以伊戈尔·库尔恰托夫3) (图1) 为领导的核物理研究室，他们建成苏联国内首台回旋加速器，开展理论和实验核物理研究，取得不少成果。特别是1939年之后加强了重核裂变的研究，其中标志性的成果是青年研究员格奥尔基·弗列洛夫 (图2) 和康斯坦丁·彼得扎克1940年首次在实验中发现了铀核的自发裂变。1939年，苏联科学院化学物理研究所的尤里·哈利顿4) (图3)和雅科夫·泽尔多维奇5) (图4) 计算了中子轰击铀235核的链式反应持续的条件，估算出了铀235可作为爆炸物的临界质量约为10公斤6)。1941年6月卫国战争爆发后，库尔恰托夫紧急带领他的团队从事为苏联海军军舰防水雷消磁工作，被迫完全停止了核物理研究。
苏联正式决定重新恢复核研究时间是1942年。促成恢复核研究的推动力有三：其一是当时苏联情报人员获得了英国开展铀计划的情报，其二是苏联的敌后游击队从一名被打死的德国军官的皮包中缴获了德国人进行铀弹研究的信息，其三是当时已经应征入伍的弗列洛夫从1941年底开始，不断向库尔恰托夫、老约飞乃至直接向苏联高等教育委员会主席卡夫坦诺夫和最高领导斯大林写信，提出根据国际形势，苏联应当紧急开展原子弹研究，在信中具体地提出了他的原子弹设想 (图5)。在弗列洛夫的推动下，负责苏联高等教育以及科学研究机构对战争支援的苏联国防委员会委员卡夫坦诺夫会同当时担任苏联科学院副院长的老约飞于1942年春天致信国防委员会，正式向斯大林为首的国防委员会提出恢复以制造原子弹为目的的核科学研究的建议。多年之后，卡夫坦诺夫曾回忆国防委员会谈论此事的情景：
“向国防委员会报告此问题时，我坚持我们的建议。我说：‘当然，这里会有风险。闹不好我们会损失几千万乃至几亿卢布……。但是如果我们不去冒这个险，我们就会冒更大的危险，那就是我们可能在掌握了原子武器的敌人面前变得手无寸铁，毫无还手之力。’斯大林在会议室踱来踱去，最后下了决心，说：‘我们必须干！’ ”
1942年9月28日，苏联国防委员会发布“关于组织铀计划”的命令，责成苏联科学院组建专门的原子核实验室。此后短时间内此研究由老约飞领导，因约飞不是核物理学家，由库尔恰托夫担任其副手。1943年2月国防委员会决定成立研制原子弹的秘密实验室——第二实验室 (即后来的苏联科学院库尔恰托夫原子能研究所)，正式任命库尔恰托夫为实验室主任，担任苏联核计划的科学领导人。从1943年到1945年由苏联人民委员会副主席莫洛托夫监管核计划，日常领导则由当时的化学工业人民委员别尔乌辛担任7)。
1945年7月24日波兹坦会议之后，特别是1945年8月美国在广岛和长崎投下原子弹后，在斯大林的指示下，核武器研制成为国家最优先的任务。库尔恰托夫奉命组织全国力量，加速开展原子弹的研制8)。在组织领导方面，1945年8月19日在国防委员会下设立了专门委员会，由内务人民委员贝利亚9) (图6) 担任主席，国防武器弹药人民委员万尼科夫10) (图7) 担任副主席，全面领导核武器研制11)。在专委会之下成立了由学者和工程师组成的科技委员会12)，由万尼科夫任主席，库尔恰托夫任副主席，负责决定核武器研制中各类科技问题13)。同时在苏联人民委员会议 (后来的部长会议) 之下成立了第一总局 (1953年后称为中等机械工业部)，负责核武器研究的行政领导，由万尼科夫和扎维尼亚金分别担任正副局长。为了开展核武器研制，第二实验室于1946年4月9日在莫斯科西南方向约400公里的萨罗夫城地区建成了集武器的理论设计、实验和生产为一体的核武器秘密研究基地，保密代号为第11设计局 (简称KB-11，另一保密代号为阿尔扎马斯-16)。这样，就形成了苏联核武器研制的总体领导体制，从1945年起到1953年被赫鲁晓夫搞掉为止，贝利亚一直是该项事业的领导者，万尼科夫和扎维尼亚金为其副手，而库尔恰托夫为苏联核计划的总的科学领导者，其副手为核武器研制的总设计师尤里·哈利顿和副总设计师基里尔·肖尔金14) (图8)。
按照斯大林“政策确定之后，干部就是决定一切的因素”的教导，库尔恰托夫上任后的第一件事，就是为核武器研究组织科学骨干队伍。才能出众且曾研究过恒星能源和温度的理论物理学家朗道15)和集科学家、工程师和组织者品质于一身的实验物理学家卡皮察自然逃不出他的慧眼，成为他第一批征集的对象。1943年3月20日，库尔恰托夫给别尔乌辛写信，提出约请朗道和卡皮察参与核武器研究的必要性，他在这封绝密信件中写道：
“在铀弹爆炸的初期大部分物质尚未发生反应，此时物质处于其原子几乎完全电离的状态，爆炸过程的进一步发展以及原子弹威力均依赖于这种物质状态。
在原子弹实现之前，在实验(哪怕是微不足道规模的实验)上根本观察不到任何与这种物质状态相似的的情况。这种物质状态被认为只有在恒星中才会实现。这一阶段爆炸过程的发展只能从理论上对其一般特性进行研究。这个困难的任务看来只能交给著名的理论物理学家朗道教授，他是类似问题的专家和真正的内行。
……在解决选择同位素分离的途径及相应的机器的设计方面，第二实验室急需向具有深刻的物理知识、实验经验和工程师才能的大学者咨询并取得其帮助。将这些品质集于一身的人是卡皮察院士。
因此我请求你考虑邀请卡皮察院士担任同位素分离方面的顾问及授权朗道教授开展铀弹中爆炸过程发展的计算。”
作为深受斯大林信任的科学家，卡皮察加入这一绝密任务绝对没有问题，他很快被列选为专门委员会和科技委员会成员，参与核武器研制的领导决策。然而，从监狱里被保释出来的朗道能否加入绝密任务成了问题，别尔乌辛迟迟没有对库尔恰托夫的要求做出回答。聪明的库尔恰托夫当然知道问题的症结何在。一年半之后的1944年11月24日，他直接给贝利亚呈送了一个题为“关于必须吸引参与核问题研究的学者”的绝密报告，在这个报告中，他列举了朗道、卡皮察、约飞、希涅尔尼科夫、瓦尔特、阿尔齐莫维奇、基尔皮乔夫、斯梯里科维奇、谢苗诺夫、涅斯米扬诺夫共10位学者的名字，并叙述了为何要吸引他们的原因。关于朗道，他是这样写的：
“苏联科学院物理问题研究所理论部主任，数学物理博士朗道教授是苏联最深刻、最有天才和最知名的理论物理学家之一，关于吸引他参加工作的事我已在给莫洛托夫同志的报告中提出16)。他参加铀计划对于铀原子中发生的基本过程这一深刻的物理问题的解决极为有益。”
这个报告中提出的其他九人很快被吸收到计划中来，唯独对吸收朗道的请求贝利亚仍然没有答复。事情又拖了一年多，到了1945年12月18日，库尔恰托夫专门就朗道参与核武器研究的问题致信专门委员会主席贝利亚：
致贝利亚同志
如果能接受苏联科学院物理问题研究所理论部主任、数学物理博士列夫·达维多维奇·朗道教授加入工作，则我们实验室所进行的一系列工作特别是与“工厂产品”17)有关的那些工作的完成将会显著地成功。
朗道教授是我国最有声望的理论物理学家。
我请求你批准第二实验室吸收朗道教授对上述问题开展理论研究并参加实验室的讨论会。
苏联科学院第二实验室主任I. 库尔恰托夫院士
库尔恰托夫这封信是在斯大林批准解除卡皮察的专门委员会成员职务之前三天发出的18)，正是由于他的不懈坚持，1946年2月11日召开的专门委员会科技委员会作出决定：“责成朗道领导的理论物理学家小组准备‘工厂产品’实验样品的定量计算资料”，也就是从这一天开始，朗道被正式批准参加苏联核武器研究 (图9)。
2 朗道在苏联核武器研究中做了些什么工作？
朗道在苏联核计划中发挥了相当重要的作用，根据已公开发表的文献，他在以下三个方面有突出贡献：
(1)领导一个理论物理学家小组和由数学家梅曼带领的15个计算员组成的计算站，直接参加了由KB-11设计的多种型号的原子弹、氢弹爆炸机理的探索和有效作用系数的理论计算
根据专委会的决定，朗道在物理问题研究所组建了他的研究组，一开始的成员只有栗夫席兹和哈拉特尼科夫 (图10)，后来在承担氢弹任务时，又增添了谢尔盖·季雅科夫 (图11) 和德米特里·西乌欣 (图12) 两位副博士。同时，根据专委会决定，给这个理论小组配备了由数学家梅曼19) (图13) 带领的由15人组成的计算站。按照哈利顿1946年向贝利亚提交的“KB-11开展工作的建议，”曾将朗道小组列为“KB-11第14理论小组”，准备和其他理论物理学家一样迁往基地20)，后来不知为何，朗道小组留在了莫斯科，未进入核武器研究基地。
从1946年8月到1949年初，朗道小组对KB-11设计的RDS-1，RDS-2，RDS-3，RDS-4以及RDS-521)五种型号的原子弹进行了理论计算，计算其能量释出的有效程度即所谓有效作用系数。为了提炼爆炸过程的理论，朗道从理论上研究了在爆炸所能达到的条件下的核爆炸物的性质 (压强，热容和热传导性)，他们充分发挥理论物理学家处理复杂问题的特长，采用简化模型，将复杂的偏微分方程化作对于坐标作了平均的变量的常微分方程 (朗道—栗夫席兹—哈拉特尼科夫方程)，进而发展了使用常微分方程组描述爆炸过程的方法。通过积分这些方程求得核物质球膨胀的规律、围绕球的壳层运动的规律、核物质球及壳层中的温度改变、中子增殖进程以及核反应发展进程。计算的结果确定了核物质的总燃烧量和能量释放的总量。他们共提供了22篇研究报告，赶在1949年8月29日苏联第一次进行原子弹实验前，圆满完成了国家任务。与朗道小组进行平行计算的是由苏联科学院地球物理研究所特殊任务实验室的吉洪诺夫22)领导的计算站，他们采用不同方法，验证了朗道小组的计算结果。1949年8月29日第一颗原子弹RDS-1的试验23)结果和1951年10月18日第二颗原子弹RDS-3的试验24)结果均证实了朗道小组的理论计算是正确的。
1949年完成原子弹的计算任务后，朗道小组投入了氢弹的理论计算。早在1945年，苏联情报部门就得到美国的爱德华·特勒利用氢的同位素聚变搞“超级炸弹”的消息，库尔恰托夫要求哈利顿探索此种可能性。结果古列维奇、泽尔多维奇、波梅兰丘克和哈利顿共同准备了一个报告，于1945年12月17日向第一总局科技委员会报告，科技委决定由泽尔多维奇领导的化学物理所理论组 (包括康帕涅兹和季雅科夫) 对此构想进行深入探讨，结果他们于1947年底至1948年初提出利用原子弹引爆储存在圆柱体中的液态氘氚混合物以产生热核反应的氢弹设计，简称“管子”。1948年库尔恰托夫请列别捷夫物理研究所的伊戈尔·塔姆25) (图15) 组织一支理论队伍，验证并改善泽尔多维奇小组对“管子”的计算结果。结果该组的安德烈·萨哈罗夫26) (图16) 提出了新的氢弹设计，他采纳金兹堡27) (图17) 提出的使用固态氘化锂代替氘、氚作为聚变材料的想法，提出将裂变材料和聚变材料分层摆放、用原子弹引爆聚变材料的氢弹设计，简称“夹心饼干”。1950年2月26日，斯大林签署了苏联部长会议“关于建造氢弹”的决定，加快氢弹研究。决定中将氢弹的两种设计分别称为RDS-6T (管子) 和RDS-6C (夹心饼干)，要求两种设计的理论和实验工作同时开展，同时决定增补朗道为KB-11科技委委员。
从1950年2月开始，朗道及其小组参与了RDS-6T的理论计算，主要是解决圆柱形弹体中氘氚混合物爆轰无限传播可能性的基本问题，为此他们根据实验数据重新计算了高温下热核反应的速度，并计算了核反应所获得的快速粒子的慢化距离、慢化时间和快速粒子向原子核和电子的能量传递。精确化了初次量子辐射的计算。详细考虑了加热物质中量子一重散射的规律。朗道小组还研究了激波存在时能量的传播方式，提出解决复杂的气体动力学的方法，即解决非稳恒过程的方法 (图18)。然而由于问题的高度复杂性，圆柱形弹体中爆轰无限传播可能性问题到1951年年底仍未得到解决28)。
1951年12月29日，苏联政府决定1952年最重要的任务是完成RDS-6C的研制，争取在1953年进行氢弹试验，为此解除了朗道小组的RDS-6T计算任务，要求该组人员从1952年2月开始参加RDS-6C (“夹心饼干”) 的理论研究。朗道小组与塔姆小组紧密配合 (图19)，朗道特别指出该结构中“轻元素层”和“重元素层”湍动式混合过程具有极端重要性，并提供了具体计算方法。正如哈拉特尼科夫在其回忆录中所说：“氢弹的计算比原子弹的计算复杂许多个数量级，我们用‘手工方式’完成这一任务，当然是一种奇迹”[3]。在研究过程中，他们曾与承担同样任务的吉洪诺夫计算站就偏微分方程解的稳定性问题产生过矛盾，他们提出巧妙的克服不稳定性的计算方法，使得对方信服。1952年5月朗道曾亲笔致信扎维尼亚金，报告他们克服困难完成计算的新进展 (图20)。
1953年1月，朗道小组和吉洪诺夫计算站从同样的初始方程出发，采用不同的方法，完成了对RDS-6C爆炸当量的计算，在输入相同初始数据后，朗道小组的结果是25万吨TNT，而吉洪诺夫小组的结果为22万吨TNT。他们的结果得到由布洛欣采夫29)、博戈留波夫、泽尔多维奇、凯尔迪什、萨哈罗夫和塔姆组成的评估专门小组的一致肯定。1953年8月12日苏联在谢米巴拉金斯克试验场进行了RDS-6C氢弹试验，实测爆炸威力为35—40万TNT当量 (图21)。而根据试验前朗道小组的理论计算结果估计，此次爆炸的威力应当在30±10万吨TNT当量。
朗道及其小组为核武器研究所作的这些理论贡献，受到KB-11及第一总局的高度评价，KB-11的副总设计师肖尔金在1952年5月向第一总局的报告中称：“朗道所进行的工作涉及到KB-11所有最重要部门”，“朗道在建立有关技术的理论基础中所作出的极为重要的贡献是与他对物理现象的深入分析的艺术相结合的，他善于找到极为复杂的问题的有效的定量计算方法，这些方法给出相对简单的规律，而这些规律均可以直接应用于实际问题的解决”。同月第一总局副局长扎维尼亚金呈送贝利亚的报告也说：“根据参加第一总局工作的物理学者们的观点，朗道是苏联最有影响的理论物理学家，他高水平地完成的第一总局的工作，现已成为计算“产品”30)压缩和作用有效系数以及对氘爆轰中发生过程计算的理论基础”。
(2)兼任第三实验室理论部主任，领导并参与了重水反应堆的理论设计
1945年12月苏联政府决定成立苏联科学院第三实验室 (后改名热工实验室，即现在的俄罗斯科学院理论和实验物理研究所)，任命阿布拉姆·阿里汉诺夫31)为实验室主任 (图22)，规定其主要任务为建成重水反应堆并研究在此反应堆中制备原子弹需要的钚239和铀233。朗道在参与原子弹威力计算的同时，受阿里汉诺夫的邀请，兼任了第三实验室理论部的主任，领导波梅兰丘克、阿希泽尔、加拉宁、别列斯捷茨基等人钻研反应堆理论，取得大量理论成果，在他的指导下，由波梅兰丘克和加拉宁完成了重水反应堆的理论设计任务。阿希泽尔和波梅兰丘克经两年努力，于1947年写成《核反应堆理论基础》书稿，可惜受保密制度限制，长期未能出版，在库尔恰托夫和朗道的坚持下，才于1950年将其中的非保密部分以《原子核理论的若干问题》为书名出版。1948年4月科技委员会指派由谢苗诺夫、库尔恰托夫、朗道和泽尔多维奇组成的特别验收小组对第三实验理论设计工作进行了全面考察，科技委员会根据验收组报告，一致认为第三实验室的理论计算准确可靠。
