从广岛到恐龙灭绝：路易斯·阿尔瓦雷斯的科学旅程

# Steven Shapin · 一桶美元：路易斯·阿尔瓦雷茨与原子弹 来源：https://www.lrb.co.uk/the-paper/v48/n11/steven-shapin/barrel-of-greenbacks 在克里斯托弗·诺兰的电影《奥本海默》中，路易斯·阿尔瓦雷茨只扮演了一个小角色。1939年1月，两位德国科学家分裂了铀原子的消息传到伯克利。尚未听说的奥本海默，看到兴奋的阿尔瓦雷茨理发理到一半冲出理发店，手里拿着报纸。奥本海默在物理系追上了他，伯克利辐射实验室主任欧内斯特·劳伦斯也加入进来。作为一名理论物理学家，奥本海默不相信这个消息。"不可能，"他说：巨大的铀原子太稳定了；将其分裂成两个较大的原子核，将与之前所有关于核相互作用的发现相悖。他走到黑板前开始画出数学推导。阿尔瓦雷茨则反应不同："我要试着复现它，"他说着离开了房间。过了一段时间；奥本海默的怀疑在理论上站得住脚，但劳伦斯告诉他，但"只有一个问题……阿尔瓦雷茨做到了。"他们到隔壁房间去看阿尔瓦雷茨刚刚得出的实验证据。奥本海默被说服了，并立刻明白了这意味着什么。他告诉这位年轻的物理学家，分裂铀核可以引发中子链式反应并释放巨大能量："一枚炸弹，阿尔瓦雷茨，一枚炸弹。" 制造原子弹的曼哈顿计划，将纯粹的理论转化为大规模屠杀，也彻底改变了从事这项工作的科学家们的一切。对于作为其科学主管的奥本海默来说，它首先带来了权力，然后是名声，最后是流放。对于阿尔瓦雷茨而言，原子弹是他作为实验物理学家和冷战国家顾问的辉煌人生的跳板。奥本海默在洛斯阿拉莫斯之后几乎没再做什么物理学研究。他撰写了关于科学本质的清晰文章，担任普林斯顿高等研究院院长，并在1954年安全许可被撤销后，成为美国左翼的悲剧英雄。阿尔瓦雷茨则继续从事非常伟大的科学事业，并于1968年最终获得诺贝尔物理学奖，而奥本海默从未获得。 阿尔瓦雷茨喜欢做很多不同的事情，并且在人生的大部分时间里，都在给予他自由发挥空间的机构环境中工作。在他职业生涯的后期，他的好奇心转向了物理学之外的事物。他介入了一场关于肯尼迪遇刺案是否存在"第二个枪手"的争议（结论是没有），为恐龙灭绝提出了一种解释（是由一颗巨大小行星撞击造成的），并利用辐射探测技术试图确定埃及金字塔中是否存在尚未发现的墓室（结果是没有）。亚历克·内瓦拉-李是一位美国作家，创作科幻、侦探惊悚小说和传记，其之前的作品包括巴克敏斯特·富勒的传记。他喜欢写关于创造性冒险家的故事。阿尔瓦雷茨对他来说是自然而然的选题。 奥本海默和阿尔瓦雷茨都出身特权阶层：奥本海默的父亲是纽约富商；阿尔瓦雷茨的父亲是加州一位富裕的医生兼作家。阿尔瓦雷茨与他祖父同名，是一位高个子、蓝眼睛的金发男子——正如一位历史学家最近所说，"一个拥有西班牙姓氏的白人"。他于1936年在芝加哥大学获得物理学博士学位，随后加入伯克利劳伦斯辐射实验室，此后他的整个学术生涯都在那里度过。 劳伦斯建造了回旋加速器，这是一种复杂的仪器，利用电场和磁场将带电粒子加速到极高的能量，然后将其撞击到靶材上。回旋加速器用于制造医用放射性同位素，但更重要的是，它们是发现新亚原子粒子的主要手段。当时几乎没有人认为这类设备会有军事用途。阿尔瓦雷茨在伯克利的第一个显著成就是实验证实了理论上预测的K-电子俘获现象：最靠近原子核的轨道上的一个电子与质子结合产生中子，从而使一种元素转变为另一种元素。 即使在当时，实验核物理也非常昂贵。但战争深刻改变了美国科学的财政和政治环境。有人说"雷达赢得了战争；原子弹结束了战争。"1940年，阿尔瓦雷茨被派往马萨诸塞州剑桥的麻省理工学院辐射实验室，帮助将英国发明的腔体磁控管开发成可用的地面和机载雷达系统。这是他第一次参与为军事目的而组建的大型、多技能团队，也是他第一次接触到为此类研发提供的巨额资源。在其鼎盛时期，辐射实验室每月吸纳近400万美元，雇佣了4000人——与更引人注目的曼哈顿计划相比是小巫见大巫，尽管它雇佣的学术物理学家数量是其两倍。 阿尔瓦雷茨是一位才华横溢、成果丰硕的发明家。辐射实验室使他成为某种无任所部长，任务就是做他认为需要做的任何事情。他的多才多艺成为了个人品牌——特殊系统部被称为"路易的小玩意"。一套"赢得战争"的雷达发明归功于阿尔瓦雷茨和他的同事们：地面控制进场雷达，帮助飞机在低能见度下降落；地面微波预警系统；鹰式高空轰炸系统；以及用于有效对抗U型潜艇的狐蝠雷达技术。 调到洛斯阿拉莫斯的召唤来得较晚，而且是奥本海默直接发出的，他让阿尔瓦雷茨解决钚弹引爆的问题——就是在阿拉莫戈多测试、然后投在长崎的那种。要有效引爆一个亚临界质量的钚，必须通过三十多枚同时引爆的爆炸透镜产生的完美球面波将其压缩到临界状态。实现这种同时性的技术难题巨大；如果引爆时间哪怕相差几纳秒，结果就只是"嘶哑"而非猛烈的爆炸。但阿尔瓦雷茨解决了这个问题。 接着，奥本海默让他开发能够精确测量爆炸威力的仪表。当三位一体试验进行时，阿尔瓦雷茨在一架B-29轰炸机上，但由于天气和安全考虑，奥本海默坚持让他保持距离地面零点25英里，这意味着他设计的测量仪器无法部署。阿尔瓦雷茨照做了，而且他可能是第一个描述"蘑菇云"外观的人。但他当时极其渴望在现场见证那个重大时刻，甚至四十年后仍能回忆起他的愤怒："我气疯了，生[他的]气，以前从未有过，以后也没有。" 阿尔瓦雷茨总是想待在行动发生的地方。同事们评论他的"牛仔精神"，他对科学和个人冒险的渴望。奥本海默同意将阿尔瓦雷茨派往马里亚纳群岛的提尼安岛，那里正在准备用于广岛的铀弹；他负责安装将测量其爆炸能量的仪表。阿尔瓦雷茨决心登上"大艺术家号"——伴随"埃诺拉·盖伊号"投弹的观测B-29——他精明地决定不去游说奥本海默，而是直接去找曼哈顿计划的军事主管莱斯利·格罗夫斯将军，后者批准了：奥本海默被称为原子弹之父，但阿尔瓦雷茨是产房里的科学家。当炸弹在广岛上空投下时，阿尔瓦雷茨正全神贯注地观察示波器屏幕，记录着悬挂在降落伞下的仪表传来的数据。几分钟后，他"徒劳地寻找那个曾是我们目标的城市"，看到地面上没有任何人造建筑。他担心"埃诺拉·盖伊号"的投弹手错过了目标，但观测机上的机组人员向他保证广岛已被摧毁："一次漂亮的轰炸。" 战后，奥本海默说科学家们"知道了罪恶"，但阿尔瓦雷茨毫无悔意。在从广岛返回的飞机上，他给儿子写了一封信，解释为什么这样做是对的：如果战争继续下去，会有更多生命丧失；毁灭的恐怖将确保世界永久和平。他说，这枚原子弹是"人类历史上最拯救生命的决策之一"。虽然阿尔瓦雷茨并非唯一持此想法的人，但回到洛斯阿拉莫斯后，他对同事们的焦虑不安感到恼火："我的许多朋友觉得对杀死日本平民负有责任，这让他们非常不安。我对他们的观点几乎无法产生同情。" 甚至在广岛之前，阿尔瓦雷茨就在思考重返学术界后可以做什么。有两点很清楚：物理学的未来在于研究基本原子粒子，以及这项工作需要建造更强大的粒子加速器。他被任命为加州大学的正教授，尽管他的大部分薪水由原子能委员会支付。伯克利的实验室因战时的物理学动员而发生了深刻变化；现在很难恢复战前的那种感觉，即原子物理学是最纯粹的科学。但1939年后，物理学家们非常清楚原子分裂的爆炸性含义，而一旦曼哈顿计划证明他们是对的，政客和将军们就很容易被说服——或者说服自己——核物理学的进步将对抗击共产主义至关重要。劳伦斯精于政治手腕，他确保了政府对核物理学的巨大资源投入得以永久化。作为他的门徒，阿尔瓦雷茨亦步亦趋；大量政府资金源源不断地流向伯克利实验室。"我们运行它，"他吹嘘道，"靠的是一大桶美元。" 劳伦斯和阿尔瓦雷茨希望原子物理学做大——在资金、仪器和组织上。理论很便宜；实验设备很昂贵。用于发现原子结构新知识的仪器是有史以来最昂贵的科学设备之一。大多数关于战后物理学的评论都集中在所产出的知识上，但为获取这些知识而建造的设备在科学家的生活中，以及在定义他们想要什么方面，发挥了巨大作用。正是他们的军事和政治盟友，使得这些极其昂贵的仪器成为可能，将原子物理学变成了"大科学"中最大的那块。 主要的科学任务是发现新的亚原子粒子。宇宙线具有巨大的能量，而且它们是免费的，从天而降，但加速器可以操控粒子束，使碰撞更可控。有些物理学家希望有"某种简单的方法"来产生高能束，但阿尔瓦雷茨认为"最好的办法就是使用蛮力。"劳伦斯的回旋加速器沿螺旋路径加速带电粒子；螺旋半径越大，粒子能量越高。阿尔瓦雷茨想要建造一个直线加速器——"linac"——它可以产生高得多的能量（粒子束沿直线行进时，不会因弯曲而损失能量）。直线性使得沿路径间隔提升粒子束能量变得更容易，而且仪器可以做成你想要的任何长度，只要有足够的空间安置——阿尔瓦雷茨在伯克利山设计的第一个直线加速器方案长达两千英尺。射频振荡器被用作增压器：军方有大量过剩的雷达设备可以胜任这项工作，格罗夫斯将军为阿尔瓦雷茨弄到了六百台。 阿尔瓦雷茨喜欢把他战后初期做的事情视为"基础物理研究"，但随着1949年苏联第一颗原子弹的爆炸，情况发生了很大变化。原子物理学已经升级，而现在原子武器的建造将需要进一步升级。在洛斯阿拉莫斯，爱德华·特勒已经在推动一种"超级"炸弹——一种氢弹，其破坏力将远超用于日本的铀弹和钚弹——但苏联的进展为美国氢弹的研发增添了新的紧迫性。奥本海默是反对匆忙上马氢弹项目的主要人物，但阿尔瓦雷茨渴望回到与武器相关的工作。"做了四年'基础研究'……看来危机已经来临，也许我应该回到原子能领域。"劳伦斯-阿尔瓦雷茨实验室游说建造名称温和的"材料测试加速器"，其最终理由是生产裂变材料用于制造炸弹（当时有一种看法，认为美国可以从地下开采的铀矿快用完了）。该项目结果是个技术失败，也是一种战术上的资源浪费，因为在新激励措施下，勘探者很快发现了很多新的铀矿床。"资本主义终结了铀短缺，"阿尔瓦雷茨写道。 他仍然决心与将军们和战争规划者建立持久的联盟。核军备竞赛为竞相建造更强大的粒子加速器提供了理想的政治环境，而阿尔瓦雷茨是那种知道钱在哪里以及如何弄到钱的冷战爱国者。他对那些对武器研究感到不安的同事几乎没有容忍度，他说："现在任何花时间研究介子的人"——介子是基础研究核心的一类亚原子粒子——"几乎与叛徒无异。" 不忠成为美国物理学研究的一个核心问题，尤其是在伯克利，阿尔瓦雷茨热衷于要求同事签署反共誓言。有些人宁愿离开大学也不签署，其中一人反对阿尔瓦雷茨的"高压立场"，即物理系的每个人都应致力于"战争工作"。在曼哈顿计划时期，格罗夫斯曾怀疑奥本海默没有告诉他所有想知道的事情，而阿尔瓦雷茨充当了秘密线人。广岛之后，阿尔瓦雷茨对奥本海默抵制全力发展氢弹感到愤怒，于是帮助散布关于其忠诚度的怀疑种子，传播杜鲁门总统不信任奥本海默的流言。 1949年，阿尔瓦雷茨和劳伦斯游说原子能委员会主席戴维·利连索尔。利连索尔并不热衷，他在日记中写道，伯克利二人组似乎"嗜血成性"："欧内斯特·劳伦斯和路易斯·阿尔瓦雷茨在这里垂涎氢弹。我们难道就只能提供这个吗？"他们很快找到了乐于接受的政客，但障碍依然存在——其中之一是奥本海默作为政府顾问的角色。在阿尔瓦雷茨看来，奥本海默对氢弹的反对既代表了对共产主义可疑的软弱，也是对获取"大科学"所需昂贵设备的潜在阻碍。1954年，一个政府小组召开会议决定是否撤销奥本海默的安全许可，这给了阿尔瓦雷茨和其他支持者机会将其边缘化。阿尔瓦雷茨的靠山劳伦斯以医疗为由避免作证；阿尔瓦雷茨犹豫了，他后来说，但"给自己倒了一杯烈酒"，订了一张夜航机票去了华盛顿。奥本海默