核武器

核武器

  • 中文名称:核武器
  • 诞生日期:
  • 外文名称:nuclear weapon
  • 发明人:

利用能自持进行的原子核裂变或聚变反应瞬时释放的巨大能量,产生爆炸作用,并具有大规模毁伤破坏效应的武器。主要包括裂变武器(第一代核武器,通常称为原子弹)和聚变武器(亦称为氢弹,分为两级及三级式)。核武器也叫核子武器或原子武器。从广义上说核武器是指包括投掷或发射系统在内的具有作战能力的核武器系统。核武器通常指狭义的核武器,即由核战斗部与制导,突防等装置装入弹头壳体组成的核弹。核战斗部的主体是核爆炸装置,简称核装置。核装置与引爆控制系统等一起组成核战斗部。将核战斗部与制导、突防等装置装入弹头壳体,即构成弹道导弹的核弹头。广义的核...显示全部

利用能自持进行的原子核裂变或聚变反应瞬时释放的巨大能量,产生爆炸作用,并具有大规模毁伤破坏效应的武器。主要包括裂变武器(第一代核武器,通常称为原子弹)和聚变武器(亦称为氢弹,分为两级及三级式)。核武器也叫核子武器或原子武器。从广义上说核武器是指包括投掷或发射系统在内的具有作战能力的核武器系统。核武器通常指狭义的核武器,即由核战斗部与制导,突防等装置装入弹头壳体组成的核弹。核战斗部的主体是核爆炸装置,简称核装置。核装置与引爆控制系统等一起组成核战斗部。将核战斗部与制导、突防等装置装入弹头壳体,即构成弹道导弹的核弹头。广义的核武器通常指由核弹、投掷/发射系统和指挥控制、通信和作战支持系统等组成的、具有作战能力的核武器系统。  收起

 

发展历程:

核武器研制工作的完成难度极大、影响范围极广,对军事领域、国际局势及科技发展等方面都产生了深远效应,具有国家需求主导、大型工程的性质。因此,我们有必要以首个成功研制核武器的案例,即美国的“曼哈顿计划”及相关情况为例,通过整理、分析、研究整个发展历程,来挖掘此类颠覆性技术的演化机理,为今后的识别、预测、应对提供一定的参考、启迪。

为了深入研究政府在发展历程中发挥的具体作用,我们依据美国政府对相关研究工作的不同态度,将其研究原子弹的整个历程分为以下三个阶段:第一阶段为前期储备阶段,以二十世纪三十年代美国开始具备全面介入核裂变研究资格为始;第二阶段为美国核计划阶段,以1939年美国成立铀委员会为起点;第三阶段为曼哈顿计划阶段,以1942年格罗夫斯将军到任、正式命名“曼哈顿计划”为始,以1945年美国取得第一次核试验Trinity成功为终。在每个阶段的分析过程中,首先从科技、国家及管理三个维度来描述、分析研究过程,然后重点关注各维度间的相互关联与影响;随后简述曼哈顿计划的后续作用与影响;最后得出研究结论及启示。

1. 第一阶段(~1939年):前期储备阶段

1.1 国家纬度

二十世纪三十年代,全球都被一种紧张的氛围笼罩。1932年,德国的反犹太势力日趋强大;1933年1月,希特勒上台。迫于法西斯纳粹的种族主义迫害与屠杀,以爱因斯坦1932年12月10日离开德国为序幕,众多顶尖的欧洲科学家不得不离开自己热爱的欧洲大陆,踏上流亡之路,其中的大部分到达美国,少部分居住于英国。这场大逃亡标志着世界的科学中心突然向美国转移;而且这些逃亡到美国、英国的顶级科学家正是后来美国成为第一个成功研制原子弹国家的重要保障,他们不但掌握了最先进的核科学相关理论,而且出于对战争或法西斯的厌恶,对研制核武器有着超长的热情、积极性与主动性。例如,后来在曼哈顿计划中起到核心作用的费米在意大利的早期研究受到该国政府的重用并寄予期望。但是1938年5月希特勒访问意大利,意大利法西斯主义与纳粹德国结盟;随后,墨索里尼发动反犹太主义运动。费米迫于妻子的犹太身份,只得借1938年12月去斯德哥尔摩领取诺贝尔物理学奖的机会离开意大利,于次年1月抵达美国。这一浩劫让已呈现复苏态势的罗马学派彻底分崩离析,使意大利物理学家再现曾经辉煌的梦想彻底破灭。

1939年9月1日,以德国进军波兰为标志的第二次世界大战正式爆发。核科技的发展也以另一种形式开始发挥作用,并对最终的战局产生决定性作用。

1.2 科技纬度

1939年1月(费米抵达美国半个月后),玻尔到达纽约,带来了哈恩与斯特莱斯曼发现核裂变的消息,美国物理界掀起轩然大波。在数周之内,多个小组得到对铀裂变事实的证实结果。费米在其所在的哥伦比亚大学观察到核裂变的实验现象后,很快联想到可以制造“一个球”大小的炸弹。美国“原子弹之父”奥本海默在参观伯克利大学的阿尔瓦雷兹与阿贝尔森的核裂变实验后,马上提出反应一定会释放中子,可用于制造炸弹、产生动力;一周后就画出了“一份差劲而令人讨厌的炸弹草图”。

美国在这一阶段不但获得了丰硕的科研成果,而且最早意识到核能的可怕,主动提倡并执行科学家内部的自我审查机制。从二十世纪二十年代开始,以卢瑟福为代表的科学界普遍认为人类不可能有效地开发并使用核能,但是匈牙利物理学家西拉德(原在德国工作,迫于自己的犹太身份于1933年转至英国,1937年抵达美国)不以为意,他受到科幻小说《获得自由的世界》(1932年)与发现中子及人工核反应(1933年)的启发,推测链式核反应是可能实现的。1939年初,他看到核裂变的文章后,立刻意识到可能造出原子弹(atomic bomb)。更重要的是,西拉德意识到当时的德国科学实力依旧强大,如果他们率先制造出原子弹,那么希特勒不仅会奴役整个欧洲,甚至连远隔重洋的美洲亦不可避免;因此必须使科学家保守原子弹研制的任何可能性和秘密。但是这一要求与科学传统完全相悖,推进阻力极大,遭到其他科学家的坚决拒绝,但是西拉德仍然坚持不懈地到处游说。

1939年3月,西拉德和津恩小组(哥伦比亚大学)、费米与安德森小组(哥伦比亚大学的另一团队)、约里奥-居里小组(法国)先后发现铀核裂变会释放两个以上的中子,由此在理论上证实了链式反应的可能性。西拉德小组带头不发表这一研究,仅将文章寄给《物理评论》,告知在得到进一步通知前不可发表;并说服费米小组也未公开发表。但是约里奥-居里小组并未听从劝告,坚持在同年4月发表了相关文章,立刻引起德国、英国、前苏联的关注。

随后,费米与安德森进一步研究,发现碳是最理想的中子减速剂。西拉德在获悉这一消息后,通过各种方式反复要求费米对该成果保密,费米由最初的极度反感、抵抗逐渐转变态度,勉强接受,决定暂时保密。而这一事件具有极大意义,如果发表该结果,那么历史必将改写。

随着希特勒吞并扩张行为的不断加剧,人们,尤其是流亡到美国的科学家们,清楚地意识到战争即将逼近,西拉德关于保密的建议才逐渐在科学界中获得理解并接受。1940年起,科学界放弃长久以来的科学传统,转为保密,所有涉及核裂变研究的文章必须经过科学界内部的自我审查,除一些无关紧要的文章外均不可刊登,以确保重要的科学信息仅保留在自己的圈子内,不会对外扩散。

在这一阶段中,美国科学界有两项突出变化。一是在实验、材料、原理等方面获得重要进展,标志着此前欧洲绝对科研中心的地位开始动摇,美国慢慢崛起。二是在战争的恐怖氛围下,科学家们囿于核能具有潜在、重大的军事价值,而主动放弃已延续几千年的自由、开放的科学传统,自发形成科学界内部审查。

1.3 维度关联

1939年,西拉德在寻求费米的认可与帮助无果后,转而争取另两位流亡到美国的匈牙利同胞物理学家特勒(哥伦比亚大学)、维格纳(普林斯顿大学)的支持。此时,他们已了解到德国科学家开展了铀研究,德国政府也在关注铀资源,这一切都引发了三人的深深忧虑,美国相关的研究必须继续下去,而且必须使美国政府介入,不但需借助其支持来加快研究,而且必须想办法阻止比利时将其在刚果开采的铀卖给德国。三人决定通过西拉德的老朋友爱因斯坦,这位当时具有最高声望的在世科学家来搭建与政府间的桥梁。7月,爱因斯坦获知相关情况后立刻同意,当场口述一封信,并于半月后签署了西拉德修改后的致总统信。信中提到大量重要信息,如大量铀产生链式反应放出巨大能量的可能性、美国政府获取铀及开展相关工作的形式、德国已开展铀的相关工作等。

西拉德三人希望借助经济学家萨克斯向罗斯福总统传达他们的想法,在其10月11日正式与总统会面时,虽未直接递交爱因斯坦的书信,仅向总统介绍了铀研究的情况,但还是成功引起罗斯福的注意,要求沃森将军“采取行动”。

这一阶段中,少数科学家认识到科学界的力量不足,转而向政府求助,而这也带来了首次的维度关联,即国家维度与科技维度之间的关联。这一举措不但彻底改变了科学家们深信的科学理念(自由、开放等)与秉行的科学方法论(科学是清高脱俗的,不触及实际问题,不需考虑具体应用等),而且还为后来政府对科技的重视埋下伏笔。

2. 第二阶段(1939~1942年):美国核计划阶段

2.1 科技纬度

在该阶段,美国的科技维度开始全面加入原子弹研制工程,并竭力加快其进程,获得了诸多成果。

1939年秋到1941年夏,科学家在费米的领导下开展了链式反应相关的实验与理论工作,包括:(1)安德森研究铀共振吸收问题,即多大的铀块可以避免中子被大量吸收;(2)费米与西拉德发现处于石墨状态下的C可用作减速剂,而另一种选择是重水,但其用量需超过几吨,至少需要数月才能生产出来;(3)大量实验测量了热中子、快中子与铀的散射截面。

同时,美国科学界在新材料发现方面也有突破性进展。1940年初,美国物理学家麦克米兰和阿贝尔森借助化学分析法,从中子撞击铀的产物中分离出原子序号为93的元素并命名为镎,这是人类真正发现的第一种人造元素。6月,麦克米兰发现了94号元素钚。1941年2月,美国化学家西博格从化学上正式证实了钚的存在。7月,美国物理学家劳伦斯发现,大量的钚在快中子的撞击下会产生链式反应,可能成为一种“超级炸弹”。这是美国人在核研究历史中首次提出的具体原子弹构造。

随后,科学家们开始解决具体的研制问题。首个关键问题是如何生产足够的核材料。经过多方分析,最终决定采用分离铀同位素得到铀235与反应堆生成钚239两种方案同步进行的方式。

第二个重要问题是如何提高将中子的增益系数提升至大于1,以实现自持链式反应。1941年,有多个小组参与这一项研究。如费米与泰勒(美国物理学家)合作,提出制造“指数堆”的概念,以确定增益系数;经西拉德努力获得政府资助,在8月首次实现指数堆试验,初期增益系数为0.87,改进后提高至0.918。但是多个小组在研究后确定氧化铀与工业纯石墨组成的反应堆可提供的增益系数都小于1。美国物理学家康普顿与费米推测,如果改用金属铀与纯度更高的石墨,可能会使增益系数大于1.1。在康普顿的统领、费米的直接领导下,终于在1942年7月1日实现了0.995的增益指数;同年夏天又建成几十个指数堆,在8月首次实现了1.04的增益指数,由此证实自持反应堆的可行性。

1942年初,科学家们已对原子弹的机制、未来方向、费用、时间等有了大致的了解、计划,开始全力以赴,以忘我的精神为取得战争的胜利而工作。

此外,美国工业界开始不断展示自己的实力,逐渐加强对这一研究的支持力度。各行各业受到战争驱动,早在1940年夏就开始参与战争。至美正式参战后,更是有很多公司开始不计利润地为核研究计划服务。

2.2 国家纬度

1939年,应罗斯福总统的命令,成立铀委员会,对“铀分裂用作炸药的研究”给予适当支持。1940年3月,改组并扩大这一铀委员会。同年6月,美国政府成立国防研究委员会,开始正式干预铀的相关研究,但是对核爆炸能够对战争发挥作用这一观点仍抱有怀疑态度,投入也远远不如当时的英国、德国。直到受到英国莫特委员会取得成绩的鼓舞,美政府态度才发生转变,于1941年12月6日通过决议,正式下决心大规模、大投入地开展原子弹研制。次日,日本偷袭珍珠港,美国正式参战。

1941年,美国开始主动、积极地多次争取与英国的合作机会。首先,国防研究委员会主席布什多次希望美国、英国与加拿大共同合作研制原子弹,并主动要求英国物理学家达尔文、汤姆逊等人参加美国铀委员会会议。同年10月,罗斯福甚至亲自给丘吉尔写信,争取合作机会。但是英国错误地估计了研制工作的困难程度,政府、军方都认为即使在战时十分困难的时期,英国也能单独造出原子弹,因此就合作事项一直举棋不定,使谈判长期处于磨合、探讨阶段。可见即使与他人/他国谈判、寻求合作也是需要资本的,想要差距极大的情况下一味获取而不付出或者少付出,只能是空谈。

2.3 管理维度

在科学界的积极争取之下,美国政府派马歇尔上校负责原子弹研制相关工作。待其上任后,将这一计划正式命名为“代用材料发展研究实验室”。但是他并不了解铀裂变的紧迫性,因此将这一项目的优先序排在其他全国性技术优先项目之后。同时,军队的介入,尤其是将科学家吸收进陆军的传闻,引起许多科学家的担心与不满,表现出强烈的反对。由于马歇尔与科学家之间存在完全不同的基本判断及研究方式,待其到任后,与布什等科学家频发矛盾,相关业务难以开展。

2.4 维度关联

在本阶段中,最突出的维度关联再次出现在科技与国家之间。

1939年10月21日铀委员会首次会议中,西拉德等三位匈牙利物理学家尽可能详细地介绍了铀分裂的机制与远景,但是并没有得到军方代表的赞同与支持,仅在11月1日递交总统的报告中指出,可以考虑受控链式反应用于动力的情况,而对爆炸物“彻底的研究给予适当的支持”。几位科学家大感失望。

1940年3月7日,爱因斯坦再次通过萨克斯转交罗斯福第二封信,说明德国对铀的兴趣越来越大,提醒美国必须高度警惕,应加快相应研究。4月5日,罗斯福决定改组并扩大铀委员会。

同年,美国东海岸的一些大学校长看清战争局势,认为自己必须义不容辞地为战争制定科研和防务政策;并推举华盛顿卡内基大学校长布什出面,与总统商谈国防科学研究问题,特别是铀的研究问题。布什成功游说总统最亲密的顾问与助手霍普斯金后,还拜访了陆军部、海军部、国会、国家科学院等多个相关部门。6月12日,霍普斯金带布什会见总统,仅10分钟就得到总统的肯定答案,并任命布什为新机构国防研究委员会的主席。随后,政府进一步对这一委员会进行精简改组,并增加美国科学界的顶级人物,如康普顿、劳伦斯等。此外,美国政府也将定期得到该计划的进展报告。

1942年初,美国科学界已有共识,这将是一个从未见过的庞大工程,需要数以千万计的工厂、企业、科研单位的配合。于是,6月17日,布什借向罗斯福报告原子弹研制最新情况之机,建议由科研单位与美国陆军工程兵团分担研发与最终的生产工作,获得批准。当天,工程兵团总工程师命令马歇尔到华盛顿述职并负责相关工作。由此引入了与原子弹研制计划有直接关联的新维度——管理,并且在国家与科技两个维度之间搭建了一个间接关联的桥梁。首先,政府可通过管理来把控、了解科技维度的发展方向与进展,并依据科技维度提出的需求做出必要支持。其次,科技维度也可以通过管理维度来递交定期进展报告及研发过程中的人力、物力、财力的需求。

3. 第三阶段(1942~1945年):曼哈顿计划

3.1 管理维度

由于马歇尔与科学家们难以合作,改由格罗夫斯于1942年9月17日正式接替其工作。在正式上任前,格罗夫斯被升至准将,以便在科学家面前显示“威信”,该措施取得极佳效果。待格罗夫斯上任后不久,就正式将原子弹的研制工程更名为“曼哈顿计划(Manhattan Project)”,该计划的最终目标是赶在战争结束前制造出原子弹来。自此,美国的原子弹研制工作转入快速发展的轨道。

格罗夫斯上任后,首先拜访了布什,显示出他对科学家们的尊重与重视;随后在与科学家的碰撞与妥协的过程中,逐渐获得科学家们对其能力的认可,双方也找到恰当的相处模式。

1942年夏,在理论证明自持链式反应堆的可行性后,面临了新建反应堆的选址问题。最初选择位置在离芝加哥大学不远处的阿贡森林,但是建设工程不佳,完工期限无限推后。11月,虽然格罗夫斯仍希望在原址开展实验,但是基于以下三个原因,最终决定将实验场建在芝加哥大学一个网球场内:(1)费米经过判断确认在芝加哥大学内完成这一实验没有危险,(2)建筑进度不容乐观,完工时间难以预料,(3)获悉德国科学家即将研制出原子弹的情报这一决定极大地加速了自持链式反应的研究进度。同时,该事件也证明,此时科技界与管理层之间已找到合适的沟通方式,实现了良性互动,更加有利于研制项目的快速向前推进。

在与科学家沟通的过程中,格罗夫斯认为自己需要一个负责科学事务方面的助手与协调人。经过劳伦斯与康普顿等人的举荐,时任加州理工学院教授的奥本海默于1943年出任此职。奥本海默思维敏捷、学识广博、耐心极佳,可出色地处理研制原子弹过程中遇到的各种问题,并愿意解答格罗夫斯希望了解的所有科学问题。美国物理学家拉比甚至认为“任命奥本海默是格罗夫斯的天才之举”。

此外,奥本海默不同于其他科学家,对保密并不排斥,他认为,高度保密的要求对研究工作肯定是极为不利,只有在了解研究的最终目的及研究工作的整体进展等情况后,才能使科学家充满积极性、灵感与创造性;但是,鉴于研制工作的意义与作用,保密也是不容忽视的。因此,奥本海默建议采取一种前所未有的“外紧内松”的管理模式来开展工作,即将所有研究人员集中到一个相对封闭、荒僻的实验室内,整个实验室对外绝对保密;而科学家在实验室内可以自由地讨论。该建议立即被采纳。最终,两人选定墨西哥州一片沙漠环绕大山之中的洛斯阿拉莫斯,此处原有一所学校,有基本的水电供应,周围还有农场,可提供部分基础保障。

实验区确定后,奥本海默开始着手招聘人员。他首先成功聘请到两位从欧洲流亡至美国极具声望的科学家贝特与费米。两人不但对研制原子弹有迫切愿望,而且已经参与了前期工作,因此乐于参加这一研制项目。尽管在之后的招聘过程中也出现了一些波折,但是在奥本海默的反复斡旋下还是一一解决。最终,出于两位的声望、战争的急迫感、任务的吸引力等原因,人员编制与实验区规模不断扩大,至1945年,已有5000多人,其中科学家就达到1000多位,诺贝尔奖金获得者已达十数位(包括之后获得诺贝尔奖的科学家)。自此,实验室聚集了全世界最优秀、最活跃的核物理学团队,平均年龄仅为32岁左右,根据不同的任务将人员分配至多个小组,完成相应工作。在实验室内,不论官阶如何、成就大小,所有人都平等、自由地展开研究,这一氛围极大地促进了思想解放,为加速研究提供可能。格罗夫斯甚至曾经告诫其军人部属不要与科学家作对,称:“我们花费了巨大的代价才实现了这次前所未有的书呆子大聚会。”学术民主对于培育颠覆性技术及推进其快速发展至关重要,能够做到何种程度的民主,就会获得怎样的发展速度,越不受到约束,包括知名科学家的约束,任所有科学家们平等、民主地交流沟通,相互启发,开展“头脑风暴”,越有助于科学技术出现爆发式发展。这一特点不仅在曼哈顿计划中得到完美呈现,而且也是二十世纪前四十年能够取得科学“大爆发”式进步的根本原因之一。

面对相同的情境与团队,马歇尔与格罗夫斯采取不同的方式与态度,最终也获得了截然相反的效果。可见在管理过程中,为了获得理想收益,应该针对不同的对象,在充分尊重并肯定其能力的前提下,采用或者创造适当的管理模式。如有必要,寻找合适的中间人来协调关系、推进工作,也是一种不错的选择。

3.2 科技维度

在该阶段,原子弹的研制工作在多方条件满足或不断满足的情况下有序推进,在科学原理突破后,经技术、工程研制并获得最终成功只是时间问题。

1942年11月,费米领导在芝加哥大学新实验场所内用60吨金属铀、58吨氧化铀、400吨石墨建起了一个实验反应堆。12月1日晚,安德逊测量后判断,如将所有的镉棒抽出,应能实现临界。2日,反应堆达到临界,自持链式反应实验成功。在平稳运行28分钟后,增益指数达到1.0006,且中子强度仍在快速增加,最终反应堆在0.5瓦的情况下运行了4.5分钟后终止试验。这一实验被永远地载入史册,标志着美国彻底突破了原子弹的原理,正式进入工程研制阶段。

物理学家从这一实验中获得巨大信心,朝着“赢得战争”这一共同、崇高的目标向发展核弹的方向前进。而配套的其他重要装置,如铀同位素分离厂、气体扩散厂、钚生产反应堆等,也都在1943-1944年间,相继上马。总之,在格罗夫斯与奥本海默的主持下,一个个难题被克服,1945年春,制造原子弹的方法已经找到,设计已经确定,裂变材料也已成功制造并运到,研制工作终于到了最后冲刺阶段。

3.3 国家维度

1942年12月2日(即费米主持自持链式反应实验成功当天),战场传来消息,已有200万欧洲犹太人被屠杀,还有500万处于险恶境况。这些消息都在不断鞭笞研究人员加快速度,赶在战争前获得核武器研制的成功。

同时,英美双方的合作在反复磋商之后终于落地,向曼哈顿计划输入了一批杰出科学家。英国一直对英美双方合作开展铀裂变的相关研究犹豫不决。直到美国在1942年底成功实现了自持链式反应后,英国终于意识到美国在这方面的研究已经全面超越自己,迅速转变态度,主动寻求与美国的合作。但是格罗夫斯对英苏之间签订的交换武器情报的协定有质疑,拒绝英国在芝加哥建立反应堆的请求。到19431月,美国几乎切断了英美之间的核研究人员与情报上的所有交流。丘吉尔指责了美方的举动,并于5月到访华盛顿时,向罗斯福强调紧密合作的重要性。此时,美国也希望能够在英国一流核科学家的帮助下尽快制造出原子弹。于是,19438月底,两国在加拿大魁北克签订协议,决定恢复“全面而有效的合作”。该协议获得双赢的结果:英国通过与美国合作,先后向美国输出了约50人,使本国科学家得到锻炼,全面掌握核技术,为战后本国的核计划培养人才;而美国在这些顶尖的英国科学家与工程师的帮助下,加快了本国的核武器研制计划。

3.4 维度关联

曼哈顿计划的成功,在很大程度上得益于各维度间良性且畅通的关联。

首先体现在管理与科技两个维度之间。管理维度不但保障了科技维度的基本需求,而且可以根据科技维度反馈的具体要求适当调整,极大地推动了科技的快速发展。1942年11月初,美国开始搭建实验反应堆,二十几天就建成,并于12月2日实现了首次自持链式反应。如此快速的成功不仅源于科学家的智慧与能力,而且在很大程度上得益于管理维度的大力支持。比起先前的模式,采购方面也发生了重大变化,之前一直是由西拉德等科学家自寻资金并自行采购所需材料,但是此次建造过程中的采购工作则是由康普顿的助手希尔伯特全权负责,采买速度加快很多,为建造工作鉴定坚实的基础。

其次,国家维度对科技维度的促进作用也是不容忽略的。一方面,美国决策者的全力支持为研究快速进展提供了基础;另一方面,盟国间的合作不但为具体的研制工作提供了杰出人才,而且还在精神上极大地激励了科研人员的热情。1943年,一批卓越的英国籍科学家借“魁北克协议”来到美国,直接支持美国的原子弹研制工作。11月,波尔这位当时物理界风云人物以英国顾问的身份多次访问洛斯阿拉莫斯,虽未在技术方面给予直接指导,但是却带给美国研究人员极大鼓励。

1945年初,美国决定按武器化状态制造第一颗枪法原子弹“小男孩”;3月,按内爆法研制的“胖子”和“大男孩”进入全面研制阶段。7月初,这三枚人类历史上首批原子弹完成。制成的原子弹十分昂贵,按当时成本每枚约值2500万美元。1945年7月14日人类历史上首次原子弹试爆试验,代号“三一工程(Trinity,钚239内爆装置)”,准备就绪,16日凌晨5点30分试爆成功,释放的能量相当于2万吨TNT当量。

1945年8月6日与9日,美国空军先后在日本广岛与长崎爆炸了两枚原子弹“小男孩”(铀235枪法装置)与“胖子”(与三一工程核试验同一型号),加速了人类历史上不幸的第二次世界大战的彻底结束。

美国以“举国投入”的力度来支持曼哈顿计划,终获成功,但是付出的代价也是巨大的。据统计,曼哈顿计划的成本近20亿美元(相当于2016年的260亿美元),雇用了超过13万名工作人员(最多时动用50多万人),其中包括约10万名科技人员,涉及美国、英国和加拿大的30多处场地,如图1所示,受厂房建设搬迁问题影响的普通民众更是不胜其数,其中仅修建与浓缩铀项目相关的克林顿实验室(现为橡树岭国家实验室)就影响了约1000个家庭。

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图1 曼哈顿计划涉及的部分场地

 

案例启示:

(一)颠覆性技术具有长期孕育、快速突破的特点,作为一项典型的颠覆性技术,核武器从萌芽、发展到成熟亦符合这一普遍规律。

核武器萌芽之初,历经了欧洲的科技发展(从伦琴发现X射线到哈恩、斯特莱斯曼发现铀的核裂变)以及美国一系列重要STE突破(减速剂的选择、自持链式反应的探索、新元素钚的发现等)这长达近半个世纪的前期积累,直到1942年曼哈顿计划正式上马,核武器研究进入快速突破阶段,仅用3年就取得首次实验成功(1945年)。

(二)与其他的颠覆性技术相比,核武器研制这一案例极具特殊性。其根本原因在于核武器难以估量的国家安全价值与无可比拟的战略作用,且此种国家价值远远超越了一般的商业、经济效应的范畴。由此,也决定了核武器的研制具有以下典型特征:国家完全主导与控制;军方作为产品的唯一用户并深度介入研制过程;超大型装备与工程项目。

第一,核武器从生到死的全生命周期完全是由国家主导并控制。首先,鉴于核武器所具有的独特安全价值及研制项目自身所固有的高风险性,有且只有具备税收与公益职能的政府才能开启或引领项目走向,同时也必须加强国家对项目的全面控制;其次,核武器研制工作是一项空前的大工程,需要调动极大量的人力、物力、财力资源,项目研制只能借助国家力量才能实现快速突破;再次,核武器的研制过程难以体现出明显的经济效益,这也决定了以逐利为本的企业不太可能自发成为项目的主要承担方,仅可能在特殊的情况下提供支持。

第二,作为核武器的唯一用户,军方深度介入其研制过程,核武器也反过来极大的改变了军方的作战理念与作战样式。在当时的国际局势与历史条件下,政府选择军方承担核武器项目的研制管理与生产组织有一定的必然性。这一方面是源于军队严格的指挥/服从模式在当时对于推动项目快速进展客观上可起到关键的加速作用;另一方面,军队作为武器的用户方与直接受益者,在核武器这一不计成本的举国体制项目上,接管武器研制可以绕过以往装备发展的诸多中间环节,从而保证武器的快速实战化。此外,核武器的出现也标志着军事领域一次重要变革的来临,军队的作战理念也随之发生深刻变革。核试验之前,还有部分军方人士认为“战争胜利与否完全由战士的士气决定,而不是什么新式武器”,但是随着核试验的成功,军方彻底转变为科技及其应用的绝对拥护者。核武器及核威慑的出现也改变了原有的作战样式,世界战争由单一的常规模式被迫过渡到核常整体介入模式,在某种程度上,颠覆了原有的作战原则与军事理念。

第三,核武器还是一种极具特点的极大型装备与工程项目。与其他超级工程类似,核武器研制采用协同攻关的模式来促进科学→技术→工程→装备这一研制流程快速推进,在自持链式反应这一核心科学原理突破后,同步配套铀同位素分离厂、气体扩散厂、钚生产反应堆等设施,并通过向工业界采购的方式直接服务于相关研究计划。但是,出于保密及研制效率等方面的考虑,核武器研制选用了直接订购与任务下达的方式来替代军方常用的竞标方式。为此,军方在曼哈顿计划中也开创了“外紧内松”式的全新管理模式,为受控前提下的加速研究提供了孕育氛围。

(三)核武器这一受国家主导、控制的颠覆性技术能够在美国通过曼哈顿计划快速实现,受到科技、国家、管理多个维度的制约,而每个维度中的多个要素(科学发现、国际形势、决策者态度、管理模式、工业基础等)都在发挥作用,如改变任一要素,都有可能影响整个研制进程,甚至导致全盘皆输。

美国能够成为率先突破核武器的国家在当时既是历史的必然,也充满了偶然性。一方面,美国具有得天独厚的优势,如一大批具有强大科研能力与强烈参与意愿的科学家、丰富的资源、较完整的工业体系等当时其他国家无可比拟的硬件条件;另一方面,偶然要素,如二战时的国际局势、德国在核科技领域的优势、科学家对关键路线的判断等,的充分发挥加快了其研制突破的进程。

(四)科技维度在整个核武器研制过程中都发挥了至关重要的作用。

核武器的成功研制既遵从了科技发展的普遍规律,又适应了这一集成性的大型STE活动的特殊性。前者包括尽可能地为科学家提供民主、自由、开放的研究氛围,最大限度地开发并启迪科学家的潜能;科学原理的突破在很大程度上依赖于关键科学家的智慧,不仅在关键时刻要出现关键科学家来破除疑难,而且关键科学家能够在重要方向抉择时做出准确判断。后者表现在美国面对核武器研制这一涉及多学科、大集成的空前社会科技活动时,开创了全新的“曼哈顿”模式以匹配,国家在尊重科技普遍发展规律的同时,通过工程保障、资源配置等充分保障了研发工作的快速推进。

(五)核武器研制工作是一项极其特殊的活动,国家需要承担极高的风险,但如获得成功,收益巨大、影响深远;若在未来遇到类似的极端情况,为取得优先优势,在国力允许的条件下,国家仍应采取如曼哈顿计划般举国投入的方式,全力支持。但若未再次遇到如此极端的情况,我们建议国家只需采用适当方式予以支持即可。

美国的核武器研制工作非常特殊,处于异常极端的境况之中:一是率先获得核武器的诱惑巨大,与国家未来的战略安全、大国地位直接相关;二是几十年科学“大爆炸”式的发展为其成功研制奠定基础;三是二战这一特殊背景的压力,英、法等国,尤其是敌对国德国,都在大力支持研制工作;四是美国本身具有众多优势。基于这些特殊背景,美国才敢于在技术尚不明朗的情况下,以举国之力投入研制,这一举措面临的风险极高,难以估量,在其率先成功后也获得了相应的巨大收益。而在曼哈顿计划之前以及取得成功至今这70余年间都没有再次出现过相似的案例,堪称“空前绝后”,这也再次印证了核武器研制这一案例的极端特殊性。

在正常情况下,如果国家评估某一技术未来可能出现颠覆性效果,一般会基于降低风险的目的采用早期介入、长期适当支持、定期评估等方式,甚至可能会调动社会其他资源来进一步分散风险,有时还有可能在获得风险难以承受、前景极不明朗的评估结果后,终止对该项目的继续支持。因此,如未再次遇到与核武器研制类似的极端情况,我们建议国家采用这种降低风险的适当方式来支持颠覆性技术的发展。