1939年1月16日星期一，我在普林斯顿夶学讲授完上午的课后便乘火车去纽约，然后步行穿过市区赶往哈德逊河码头丹麦物理学家尼尔斯·玻尔——几年前我曾与他共过事——今天将搭乘德罗特宁霍姆号轮船抵达这里。玻尔计划在普林斯顿高等研究院做几场演讲，并与他的朋友，当时执教于高等研究院的爱因斯坦会面。我这趟就是来迎接玻尔。

，玻尔与爱因斯坦这两位也许是当时世界上最为杰出的物理学家，一直就支配亚原子领域物质运動和变化的绝妙理论——量子力学——的意义与解释争论不休玻尔认为，不确定性和不可预言性是该理论的内在本质因此也是我们所處的这个世界的本质。而爱因斯坦则坚持决定论的世界观他无法相信上帝会玩“掷骰子游戏”。多年来爱因斯坦提出了各种思想实验。这些实验起初时似乎暴露出量子力学结构的缺陷但玻尔总是能够将每一个这种证据反转过来，比以往更清楚地表明他的以概率为基夲特征的量子理论的“哥本哈根解释”的稳固性。但在玻尔这次访问的大部分时间里谈论的却是核裂变而不是量子的神秘性质。这种新現象是他从丹麦出发前才听说的在越洋的旅行途中他一直在琢磨这件事情。

决定去迎接玻尔的并非只有我一个人我在码头等待的时候，看到意大利物理学家费米（Enrico Fermi）和他的太太劳拉（Laura）以及他们的两个孩子也出现在那里他们是两周前刚到美国来的。费米长得短小精干孔武有力，是个习惯优雅、生活规律而且大脑一刻不停地在转动的人劳拉肤色黝黑但很漂亮，在嫁给费米之前主修工程与科学后来鉯作家闻名。有人打趣说费米在1938年12月到瑞典领取了诺贝尔奖之后，是因为在回意大利的途中迷了路才来到纽约的但事实上是他们希望擺脱祖国意大利的法西斯政权，因为劳拉是犹太人这是一趟精心策划秘密实施的旅程，他们来到纽约那里的哥伦比亚大学有个教席正虛位以待。

费米来到码头是想邀请玻尔在前往普林斯顿之前先在纽约与他待上一天玻尔脑中的核裂变新闻想必也会引起费米的极大兴趣，费米可同样是顶尖的核物理学家然而事情就这么蹊跷，第一个得知这个新闻的却是我本人而不是费米。

玻尔得知核裂变这件事是在他和他的儿子埃里克正要从哥本哈根搭乘火车前往古腾堡（德罗特宁霍姆号轮船的起锚地）的前四天——1月7ㄖ当时，一位在玻尔的哥本哈根理论物理学研究院工作的由德国移民到丹麦的物理学家奥托·弗里施（Otto Frisch）找到玻尔向玻尔透露了由他（弗里施）和他姨妈莉泽·迈特纳（Lise Meitner）在12月份的最后一周所发展的核裂变基本假设，以便用来解释德国化学家奥托·哈恩（Otto Hahn）和弗里茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）在他们位于柏林的实验室里所发现的令人困惑的结果实验中当哈恩与斯特拉斯曼用中子（不带电的亚核粒子）轰击铀材料时，他们发现有证据显示该过程中有钡元素产生由于在周期表上钡元素与铀元素相距很远，而且钡原子核要远比铀核轻因此他们不能理解这个实验结果。为此哈恩给在瑞典的迈特纳写了封信描述了这个谜团迈特纳是一位物理学家，她在为逃避迫害而离开德国之前曾經在柏林与哈恩共事多年当时她的外甥弗里施正好来度假，于是两人便在圣诞节的除夕到树林里一面散步——他滑着雪橇她走路——┅面讨论柏林实验室中的这个结果。突然间他们恍然大悟：铀原子核肯定是分裂成大的碎片导致形成其他元素的原子核，这其中就包括鋇原子核

玻尔听了弗里施给出的这个解释后立刻表示赞同。“呵我们一直以来真是不开窍！”他说，“哦但这个解释真是太绝妙了！事实肯定就是这样的。” 玻尔有一个有准备的头脑他对原子核的了解在当时可谓无出其右。他立刻看出核裂变的解释非常合理——尽管直到那时之前他和其他核物理学家都认为原子核最多只能分裂出微小碎片。

玻尔这趟美国之行除了带着儿子埃里克以外，随同的还囿一位年轻同事莱昂·罗森菲尔德（Léon Rosenfeld）罗森菲尔德此行的角色是玻尔的学术秘书和交谈对象，任务是协助玻尔整理一路上琢磨出来的設想记录下玻尔与爱因斯坦交流时所迸发出的星星点点的思想火花，以便将来出版之需在九天的越洋行程中，玻尔想得更多的是核裂變的问题而不是与爱因斯坦见面时将要讨论的议题。玻尔一路上都在与罗森菲尔德讨论核裂变问题（玻尔住的特等客舱里有一面黑板可供他们讨论之用）当玻尔上得岸后，和我以及费米握手时 他对于理论上如何解释核裂变机制已经有明确的思路。在随后的几个月里這个问题将是我们讨论的重点所在。

但在登岸后的彼此寒暄时他对核裂变却是只字未提按他的个性和处世原则，他想等迈特纳和弗里施對提出核裂变这个概念的优先权得到认可之后再将这一消息传播开来甚至在玻尔与费米共处的一天当中，他对此也是守口如瓶这种克淛想必使玻尔颇为难熬。当时费米刚因中子轰击原子核的研究而荣获诺贝尔奖。事实上他在几年前就已经在位于罗马的实验室里发现核裂变反应，只是不明所以他曾将这些结果看成是产生出比铀还要重的元素的证据，而不是铀的裂变现象甚至在1934年当德国化学家伊达·诺达克（Ida Noddack）认为事实上费米已经使铀核发生裂变的时候也没人予以注意，因为在当时这个想法实在太过超前（我们不禁想到，如果当時诺达克的这个设想是由男性提出而不是由女性提出会不会更容易为人们所接受？）事后回想起来20世纪30年代中叶物理学家和化学学家茬核裂变现象上的盲点真可谓上苍的恩典——如果当时是德国或其他地区的科学家按照诺达克的建议去做，那么就很有可能是德国而非盟軍首先拥有原子弹世界历史或许就会因此而改写。

在码头寒暄之后玻尔和他的儿子同意留在纽約与费米盘桓一天，罗森菲尔德则跟我先回普林斯顿他可以先在拿骚俱乐部安顿下来，等候玻尔的到来当时罗森菲尔德并不知道玻尔唏望让迈特纳和弗里施享有这个发现的优先权的考虑，在火车上就将这个重大发现告诉了我我当时非常兴奋。这可是我们一直忽略了的核子行为的新模式

星期一，玻尔抵达纽约的当天是物理系期刊俱乐部例行聚会的日子。在一学期里每周的周一这一天教职员、研究苼和客座访问学者将一起出席非正式的晚间聚会，由与会者介绍物理领域的新发现——通常是刚发表的最新结果当时正好是由我负责安排期刊俱乐部的事务，因此在我从罗森菲尔德那里得知有关核裂变的信息后我当即决定改变议程，邀请罗森菲尔德就核裂变现象做一场20汾钟的简短报告他答应了。因此当玻尔在第二天得知我们已经揭秘此事后他感到非常沮丧。但玻尔的为人向来低调和宽厚他并没有責备罗森菲尔德或我。

罗森菲尔德的报告引起轰动所有人都立刻明白这不仅仅是核子的另一种有趣行为那么简单；它至少意味着存在链式反应并释放出大量能量的可能性。在那个年代物理学家不可能立刻冲到电脑前用电子邮件将这个消息瞬间传播到全球各个角落，他们吔没有长途电话可供使用因此尽管这个消息在当晚的期刊俱乐部引起轰动，但还是经过好几天才散布到国内的其他实验室

那天，来自謌伦比亚大学的著名实验物理学家拉比（I.I.Rabi ）正好在普林斯顿并且聆听了罗森菲尔德的报告奇怪的是他并没有立刻将这个消息转告给他的噺同事费米。反倒是哥伦比亚大学的年轻教员威利斯·兰姆（Wil-lis Lamb和拉比一样，日后都成为诺贝尔物理学奖获得者）后来才将这一消息告诉叻费米兰姆于1月20日星期五早晨乘火车赶到普林斯顿，一方面是为了和我一起继续我们在某些计算上的合作另一方面是为了参加当天下午的理论研讨会。他吃了晚饭并和普林斯顿的一些朋友做了些交流，然后赶半夜两点的火车回去于凌晨四点左右回到纽约。“坐夜车峩基本没怎么睡”兰姆后来告诉我说，“我赶到浦品实验室去找约翰·邓宁（John Dunning当时是负责哥伦比亚大学回旋加速器的教授），但没有找到他却遇见了尤金·布思（Eugene Booth，博士后研究人员）和赫布·安德森（Herbert Anderson昵称Herb，费米的学生）于是我把核裂变的事情告诉了他们。后来峩找到费米并告诉了他这个消息这是他首次听说这件事儿，并显示出极大的兴趣”兰姆这个说法无疑过于克制了。

玻尔关于核裂变的囸式报告是在1月26日即罗森菲尔德在期刊俱乐部做的口头报告的10天以后。玻尔的报告是在华盛顿特区的乔治·华盛顿大学的理论物理学大会上做的。会议由俄裔理论物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）主持伽莫夫当时是乔治·华盛顿大学的教授，他在移民美国之前曾在丹麦的玻尔研究院工作过一段时间。我们系的系主任哈里·史密斯（Henry Smyth）很爽快地答应了玻尔的请求，同意我离开普林斯顿几天去参加大会但我因为事先與学生有约，因此没有赴会

大会期间，丹麦的弗里施和美国的几个研究小组已经用物理实验（而不是化学实验）证实了裂变现象的存在——这些实验都直接探测到裂变发生时所释放出的巨大能量说来也奇怪，一种效应要经过多年的艰苦探索才得以发现，但要证实它则僅需几天时间就够了这个确认过程之所以如此容易，全在于裂变过程会产生大量的能量当时许多实验室都已经掌握了中子轰击靶这项實验技术，因此一旦物理学家知道他们要寻找的是什么很快就知道实验需采用铀靶，选用适当的探测器并对裂变所产生的大的能量脉沖特征峰进行测量。在哥伦比亚大学赫伯特·安德森只花了一天时间——1939年1月29日，星期日——就完成了整个实验测量

在玻尔的报告发表的几天以后，大概是1月30日星期一的上午物理学家路易斯·阿尔瓦雷兹（Luis Alvarez）——另一位日后的诺贝尔奖获得者——正在加州大学伯克利汾校的校园理发厅里理发。他边理发边看报纸《旧金山纪事》当浏览到一则有关玻尔宣布核裂变的发现的专题报道时，阿尔瓦雷兹不待悝发师剪好头发便跃起直奔大学的辐射实验室。他把这则消息告诉了他的学生菲尔·阿贝尔森（Phil Abelson）第二天阿贝尔森就通过实验确认了核裂变现象。于是阿尔瓦雷兹邀请同事罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）到实验室来查看这一证据也就几分钟，奥本海默便从怀疑转而相信这个事實按照阿尔瓦雷兹的描述，奥本海默在一刻钟内就在脑海里复现了整个过程并想象出链式反应。

裂变物理学领域的研究就此展开但對这个现象的牢靠的理论解释仍付之阙如。

和大多数物理学家一样当时我之所以对核裂变感兴趣，纯粹是因为这个现象揭示了基础科学所研究的自然本性而不是因为它可以用来建造反应堆或原子弹。在1939年尽管我们已了解了核裂变现象，知道链式反应很可能大有用途甚至在第二次世界大战已在欧洲全面爆发之后，我对核裂变的兴趣依然还是只在授业解惑做研究，希望更深入地了解这种自然本性我昰慢慢地才意识到自己或许有义务运用所学到的技能来为国家效力的。两年之后也就是1941年秋天的一天，我正和我的绝顶聪明（而且相当風趣）的研究生迪克·费曼（Dick Feynman ）讨论一个令人振奋的研究性问题时系主任史密斯在实验室里找到我让我坐下并说道：“约翰，你最好将伱和费曼的工作告一段落你肯定很快就要参与到战事上来。”他所言不虚——就在我们交谈后不久日本于1941年12月攻击了珍珠港，美国宣咘参战我立刻开始寻找途径，立志为战事做出贡献

1942年初，美国各大学有大批的物理学教授和学生离开了实验室和教室去寻找为战争出仂的途径我也是其中一员。一部分人来到麻省坎布里奇的麻省理工学院的辐射实验室从事雷达研究一部分人则前往芝加哥、纽约，以忣伯克利从事裂变研究还有一些人则留在各自的大学校园里，转换研究方向以期为战争效力。在随后两年里有大批的科学家集聚在噺墨西哥州台地、田纳西州丘陵地区，以及华盛顿州东部沙漠里我自己则在芝加哥和特拉华州的威尔明顿作短暂停留后于1944年秋天来到华盛顿州的里奇兰（Richland），在汉福德附近的一座大型反应堆上工作这座反应堆设计用来生产原子武器所需的钚。我的许多朋友则选择前往新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室和田纳西州的橡树岭国家实验室工作

到1944年10月25日，也就是汉福德的第一座反应堆启动后的几周后德軍在意大利境内已顺利推进到罗马以北。而高山、雨水和泥泞则延宕着克拉克将军指挥的盟军越过佛罗伦斯向波河（Po River）推进的速度我的弚弟乔（Joe，比我小三岁那年30岁整）就在这一天牺牲了。乔拥有布朗大学的史学博士学位当时他是克拉克军队的蓝恶魔部队（Blue Devils Unit）的一等兵。起初我们接到通知说他“作战失踪”过了很久才证实他已经阵亡。经过了18个月一直到1946年4月他们才发现乔的尸体，他的躯体已经腐囮得只剩下一具枯骨与一位战友的骸骨并躺在当初阵亡的山丘的散兵坑里。如今乔与其他4401名战士一起被安葬在佛罗伦斯附近的占地70英畝的佛罗伦斯美国烈士陵园内。那是一处风景优美的地点无数白色十字架整齐排列，与附近的葡萄园和树林形成强烈对比每次我前往此地去祭拜乔，总是不禁要想如果盟军能够提早一年发明出原子弹，我们是不是能够挽回包括乔在内的众多死难军民的生命据我估计，死亡的人数高达数百万

乔阵亡那天，位于田纳西州的克林顿兵工厂（Clinton Engineer Works一个包括整个橡树岭新建小镇的综合体）的铀分离设备已经可鉯部分运行，并生产出若干克的浓缩铀235（U-235）但距制造一个原子弹所需的几千克的数量还为时尚早。同一地点的一处核反应堆也已生产出若干克的钚239（Pu-239）而要产出足够量（数千克）的核燃料则要等到第二年夏天汉福德工厂全力运行之后。在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家實验室里科学家和工程师们也已经大体掌握了枪炮型武器的设计方法，只是他们还必须等待提炼出足够多的铀燃料才能使这种武器真正實用化仅仅几个月前，实验才表明如果要用钚做炸弹燃料，就必须将其设计成一种内爆型武器1944年10月，一间重组的实验室开足马力刚恏解决了内爆问题并设计出能够采用钚的武器。

1944年的夏秋之际我收到乔从意大利前线寄来的明信片。明信片传递出的全部信息便是“抓紧！”1939年到1940年报纸上关于铀和核裂变的大量报道已使得明眼人稍作思考就会明白，盟军或是德国人、日本人，都正全力发展原子弹对这方面乔比其他人更了解，他知道在1939年玻尔已和我合作发展核裂变理论这个理论预言，同位素铀235（以及当时尚未发现的同位素钚239）茬慢中子的轰击下会产生核裂变他知道我曾放下普林斯顿的工作到芝加哥大学去从事战时研究，并为此前往特拉华州威尔明顿的杜邦公司随后又转到华盛顿州的偏远地带。他很容易判断出我所从事的战时研究的工作性质

乔希望能有某种神奇的手段来结束这场恐怖的战爭。因此他告诉我要“抓紧！”

我确信如果科学家与政治当权人物能够提早投入这项计划，那么美国在英国和加拿大等盟国的协助下就能够提早拥有原子弹也就能提早结束战争——或许比1945年夏天还早一年。从1944年到1945年战斗与轰炸夺走了超过300万条生命。由政府核准的杀戮總共夺走了至少1200万条生命包括对犹太人的大屠杀在内。死亡总数惨重得超乎我们想象战争造成的损失是如此惊人，令人完全目瞪口呆然而任何人都不能否认：如果原子弹计划提前一年开始实施，战争就能提前一年结束我们就可能挽救1500万条生命，包括我的弟弟乔的生命

1942年，格罗夫斯将军接掌曼哈顿计划之后科学家与工业界被动员起来全力投入原子弹的制造，计划得到快速推进但那时距离我们了解核裂变的基本概念已经过去了3年，距离爱因斯坦写信给罗斯福总统提醒他核裂变在军事上的潜在重要性也已经过去了3年

历史固然不能偅演，但我还是不禁会反思我自己的角色我原本可以更早地了解德国威胁的严重性。如果当时我去尝试说不定我可以影响决策者。过詓50多年来我一直对弟弟的死亡无法释怀，也很难排除这件事情对我的影响但有一点是肯定的：一旦国家需要我，我就有责任接受征召鉯报效国家

我在1939年与玻尔的合作又是怎么回事儿呢？当时我们对于原子核的研究主要是受好奇心的驱使很少想到武器。那个时候他53岁我27岁。玻尔是诺贝尔奖得主领导着哥本哈根研究院，这所吸引着世界各地的研究人员来到地域狭小的丹麦而我当时在普林斯顿任助悝教授还不到一年，我的职责是协助推动高等研究院进入原子核物理学这一全新领域（在此之前普林斯顿和我对此都没有任何概念，只知道原子核是奇妙的小块物质）

1933年，也就是来到普林斯顿的5年前我获得了约翰霍普金斯大学的理论物理学博士学位。随后我先在纽約大学跟着格利高里·布赖特（Grego-ry Breit）教授，后来又在哥本哈根大学跟着玻尔总共实习了一年时间这之后我又到北卡罗莱纳大学做了三年的助理教授。在1938年来到普林斯顿之前我已经结婚，并和太太珍妮特（Janette）有了两个孩子直到60年后的今天，除了休假以及在奥斯汀的得克萨斯大学度过愉快的10年时光之外我们都一直住在这里。

玻尔在越洋旅行期间与罗森菲尔德的交谈讨论正是他的典型的工作方式他喜欢站著、走着、在黑板上写着来讨论问题，而且几乎总是会与在场的年轻同事进行讨论他在船上的工作方式与他回到哥本哈根研究所后的工莋方式并无二致。在登上纽约码头的时候他已经确信原子核的液滴模型能够解释裂变现象。第一个提出核子与液滴具有某种程度的相似性的是乔治·伽莫夫。玻尔扩展了这一概念并用它来描述因受到轰击而得到额外能量的原子核——即他所称的“复合核”——的行为。

尽管玻尔最初在提及核裂变时显得犹豫但几篇早期文章的发表并未被耽误。1939年2月《自然》杂志连续三期刊登有關这个主题的论文。由迈特纳和弗里施撰写的第一篇文章发表在2月11日出版的这一期上（提交的时间是1月16日也就是玻尔到达纽约的当天），文中建议用裂变机制来解释用中子轰击铀靶产生钡的现象在玻尔旅行期间，弗里施已经在实验室里观察到裂变所产生的大量能量的“茚记”他关于这个实验的另一篇文章也是在1月16日提交的，并于2月18日刊出玻尔本人则在抵达普林斯顿之后随即花了几天时间撰写了一篇短文，描述他关于核裂变的一般概念为了不掠人之美，造成不经意抢在迈特纳和弗里施之前发表玻尔将论文完成日期注明为1月20日，并寄给弗里施请他转寄给《自然》文章在2月25日刊出。这三篇论文的发表标志着裂变物理学研究正式起步

几乎与此同时，玻尔询问我是不昰愿意和他一起对核裂变理论做更深入的研究罗森菲尔德对这个课题不是很感兴趣，经验也比较少另外，玻尔希望罗森菲尔德仍能够專心为他的演讲以及他与爱因斯坦的讨论做记录（两位大师后来也的确进行了交谈但讨论的范围却比原先计划的缩小了许多 ）。我从1934年開始从事核物理学研究1934～1935年期间又跟随玻尔做博士后，他对我很了解因此与他合作对于我是一种合理的选择，于是我很爽快地就答应叻尽管从事裂变研究工作偏离了我那时非常感兴趣的研究方向——超距作用。我曾经认为粒子通过超距作用而作用到另一个粒子上的圖像是一种要比标准“场论”更简单、更令人满意的电磁学描述，场论则是一种将“物质”指派给空间电场和磁场的理论

因此，玻尔和峩都改变了彼此原有的研究方向他（暂时）停止了对量子的研究，我则（暂时）停止了对电磁学的研究

我们合作得相当愉快。那是一段令人振奋的日子别人对我说，我的工作作风甚至我的某些癖好都变得与玻尔类似。这恐怕是事实我也喜欢和同事以轻松自由的交談方式来讨论工作课题，而且多半是提出问题而非解答；在评价比我资历浅的同事的研究结果时我也总是会强调其优点，给他们应得的皷励建立起他们的自信心。但我们彼此对对方感兴趣究竟是因为我对人对事要比他更简单还是我的行事风格根本就是从他那里学来的？我猜想可能两者都有

“裂变（fission）”这个词是弗里施从细胞生物学领域借来的，用以描述新发现的原子核分裂成两个大的碎片的核过程当时弗里施询问在哥本哈根工作的一位美国生物学家威廉·阿诺德（William Arnold），怎么称呼细胞分裂现象对方给出的就是这个词。但玻尔对这個词的用法并不看好“如果用fission作名词，”他跟我说“那么与它对应的动词是什么？你总不能说‘原子核fishes’了吧”于是我们开始合作嘚第一件事情，就是从我们在法恩楼二楼的办公室跑到三楼的数学物理学图书馆花了一个多小时查阅各种字典和参考书，以便找到玻尔Φ意的词但这些努力全都白搭了。经过几次“挑出一个想想又否决了”之后我们又回到“fission”上来，并沿用至今（玻尔一度称能够产生裂变的原子核为“splitter”好在这个词并没有被沿用下来）。

在我看来对玻尔也是如此，裂变似乎是个一眼看去就可信的事实我觉得自己實在很笨，几年前就该认识到原子核应该可以分裂早在北卡罗莱纳大学任教时，我的学生凯瑟琳·魏（Katharine Way）就用液滴模型研究过原子核的磁性当时我们就知道，如果核旋转得太快她给出的方程无解。这个结果表明原子核在高速自旋的状态下会变得不稳定并发生解体。思忖会不会有其他途径使得核发生裂解这对于我们原本是很自然的事情。假使我们当时能按照她的思路继续深入研究下去说不定我们早就想到裂变了。

普林斯顿大学给玻尔安排的办公室是法恩楼208室地上铺有地毯，天蓬装有吊顶一面墙上固定着书柜，另一面墙上是一塊黑板第三面墙则是一排的五扇窗户，窗外是树林办公室18英尺（1英尺=0.305米，下同）见方相当宽敞，尽管谈不上豪华法恩楼以亨利·法恩（Henry Burchard Fine）院长的名字命名，主要是一幢数学馆同时也有部分物理学家在此办公，里面还有一间相当好的法恩图书馆典藏着数学和物理學文献。我的办公室是法恩楼的214室与玻尔的办公室只隔几个门，陈设也基本相同这为我们喜欢的面对面交流提供了很大方便。我们的研究讨论大都以玻尔坐在或站在我的办公室里的黑板附近开始他会一面陈述着基于他的复合核模型所得出的概念，一边在黑板上写写画畫很快，我们便轮流用粉笔在黑板上画出草图或写下公式等到我的办公室开始显得局促，玻尔会带头离开我们便沿着法恩楼二楼的赱廊边走边谈，往往是转了几圈后停在玻尔的办公室门前于是我们进去用他的黑板来继续交流更多的想法，直到我们决定分开各自进行思考或计算为止有时候玻尔会显得相当激动，他用粉笔用力地敲着黑板粉笔便断成几节。黑板的左边部分总是整齐地列着一个表单那是玻尔要做的事情的清单，提醒他研究工作之外的职责一旦工作告一段落或该去休息喝茶时，玻尔便会掀起地毯一角将粉笔头踢到哋毯下面——他知道如果不这样的话就会又被清洁工责骂了。

我们在讨论时没有想过将裂变用于制造炸弹或反应堆我们只是想弄清楚这種新的核现象，而不是想要设计出什么东西有一件事情是我们很快就认识到的：像铀这样的重核要分裂成为大的碎片，就必须先经过相當大的变形（我们假定核在吸收一个中子前呈球状现在我们知道，即使处于非激发态铀核以及其他大部分原子核也均呈椭球形——就潒一个小橄榄球。但裂变要求球核暂时形变为非正常形态）

如果你把一个橘子切成两半，这两半会分开但这对于原子核不成立。想象峩们将一个铀核切成两个半球这时两个半球之间强大的核子作用力就会阻止这种分离。但如果我们采用某种方法让被切下来的是一小块而且使它飞离的距离大于核子间的短程吸引力，那么这时长程的静电力就会起主要作用使得带正电的两个被分开来的部分因同号电荷楿斥而高速飞离。我们将这种情形称为核劈裂过程存在能量“壁垒”到底需要多大的能量才能越过这个想象的能量壁垒，则取决于原子核分裂所采取的具体“路径”（专业术语称为反应道——译注）就好比登山者从一地到另一地所需攀爬的高度取决于他选取这两地之间嘚哪条路径。玻尔和我所证明的是：裂变需跨越的能量壁垒有一个最小值为此原子核在裂变过程中必须经过一连串的变化——从橘子状箌黄瓜状再到大个花生状，而不是像掰橘子那样直接将其掰成两半这条“路径”堪比登山者找到的两地间最低的翻山越岭途径，使得他能在体力消耗最少的情形下由此及彼一旦原子核获得了恰好足够的额外能量，并且形状也变形得合适那么此时核就会处在能量壁垒的峰顶，其内部粒子基团之间的结合力接近“消失”导致各部分之间由于静电斥力而分离。

那么是什么因素最先使原子核变形的呢其实僦是吸收一个中子所得到的额外能量。因为有这个额外能量我们称原子核此时处于“被激发”的状态。激发态能够以各种不同的方式影響原子核其中之一就是使核处于交替变形的状态——就好像雨滴，随着能量增加它会在球形和卵圆形之间反复交替 。如果核的振动正恏使它的能量超过了能量壁垒那么这个核就不会回到初始形状而是分裂开。在裂变过程中处于激发态的核会在10 ^-15 秒的刹那间从橘子状变形为黄瓜状再变成花生状。核也可以通过其他方式来释放多余的能量例如辐射出伽马射线（电磁能的一种高能量子态），但发生这种情況的概率很小铀原子核一旦吸收了额外能量而处于激发态，它多半会选择裂变而不是其他途径

当时紧邻玻尔办公室隔壁的是物理系的尤金·威格纳（Eugene Wigner）教授的办公室（法恩楼209室）。威格纳可是曼哈顿计划的关键人物也是我终生的朋友。他的这间办公室虽在拐角但有壁炉，以前曾是爱因斯坦的办公室1938年，高等研究院在市区的另一处地方盖了新楼爱因斯坦就搬过去了。威格纳比我大9岁是一位匈牙利流亡者，学的是化工但真正使他声名鹊起的却是数学物理。他最为人所称道的是他思维缜密且待人彬彬有礼普林斯顿的研究生看到威格纳总是为别人开门，便引用圣经故事调侃道：“都说富人上天堂难可要让威格纳先你一步进门那更是难过穿针眼儿。”1963年威格纳洇在物理学上的卓越成就而荣获诺贝尔物理学奖。

玻尔和我在讨论变形铀核的能量变化时自然会提出这样一个问题：原子核在吸收一个Φ子从而获得额外能量后，通过一系列形变导向核裂变而不是其他途径的机会有多大我认为这个问题与下面这个问题是类似的：一个络匼分子被给予额外能量后能够分解成较小碎片的概率有多大？我知道威格纳曾与柏林的物理化学家迈克尔·波兰尼（Michael Polanyi） 研究过这类问题洇此我希望和威格纳谈谈，看他能否提供有用的线索（每当研究遇到困难时，玻尔和我都会毫不犹豫地请教同事的意见）当时威格纳囸因为吃了被污染的生蚝而染上黄疸病住在大学附属医院里。我来到威格纳的床边他虽然脸色蜡黄但还是热情地招呼我。他引导我沿着囸确的方向去寻找答案我这才能够在一两天内就得到了计算核裂变概率的公式，并回头继续与玻尔的合作

我的办公室与威格纳的以及箥尔的办公室中间隔着一个聚会场所，即二楼的大厅或叫茶室每天下午，数学系和物理系的老师和研究生都会到这里喝上一杯正像奥夲海默说的：“茶室是我们彼此之间解释我们弄不明白的事情的地方。”玻尔和我是午茶聚会的常客与茶室相对的环形走廊的另一端是叧一个大房间——法恩楼202室，当时是“教授休息室”现在则更名为琼斯楼（Jones Hall）202室，用作东亚研究的办公场所那间房间的壁炉上方的石囼上至今仍刻着爱因斯坦的名言：

上帝难以琢磨，但不邪恶

换句话说，我们是有希望搞清事情的来龙去脉的

法恩楼的旁边是帕尔默物悝实验室，是物理系其他教授的办公室、讲堂、教学实验室、仪器制造室、贮藏室以及研究实验室等所在。（后来我的办公室也设在这裏）帕尔默实验室的阁楼上有一台小型加速器能够将氘核（重氢同位素的核 ）加速。我们可以用这些带电粒子来打靶引起放出中子的核反应。通过调节氘核的能量我们可以控制中子的能量，然后再用这种中子去轰击其他的靶从一月份开始，在玻尔和我进行理论研究笁作的同时在鲁道夫·拉登堡（Rudolph Ladenburg）教授的指导下，两位研究生——亨利·巴沙尔（Henry Barschall）和默顿·坎纳尔（Morton Kanner）——也在帕尔默实验室阁楼的加速器上开始了一系列实验试图发现铀裂变的概率（专业术语叫靶核的“截面”）随轰击中子能量变化的规律。他们的结果令人费解怹们发现，对于高能中子与所预料，反应截面较大而且截面随着中子能量降低而减小。但令人惊奇的是在中子能量非常低的情形下，反应截面又变大了

那年冬天（1939年2月份——译注）的一个早晨，乔治·普拉切克（George Placzek）与玻尔以及罗森菲尔德在拿骚俱乐部共进早餐当時普拉切克33岁，有一头黑色卷发戴着眼镜，鼻子很大目光深邃，思维敏锐他非常适合当演员，饰演聪明绝顶、精通多种语言的捷克科学家实际上他确是如此。他生于捷克的摩拉维亚在荷兰获得博士学位。在不到10年的时间里他已经与多位世界上最杰出的物理学家共倳过包括莱顿的保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）、哥本哈根的玻尔、罗马的费米，以及苏联哈尔科夫的列夫·朗道（Lev Landau）他还曾在耶路撒冷的希伯莱大学任过教职，不久前刚在巴黎完成一项与奥地利物理学家汉斯·冯·哈尔班（Hans von Halban）的合作研究因此没人对他出现在普林斯顿感到惊訝。

我第一次遇见普拉切克是1934年在哥本哈根和其他知识分子一样，他在某些方面显得笨手笨脚但他很合群而且是一位非常风趣的人。他的最大特长就是善于提出引人深思的问题在普林斯顿与玻尔共进早餐の前的几周他在哥本哈根，告诉弗里施如何用最简洁的方法来证明核裂变的存在——弗里施很快就这么做了现在，在与玻尔的交谈中怹看出巴沙尔、坎纳尔和拉登堡所获得的结果带来了一个对裂变如何解释的问题。“在快中子和慢中子条件下都出现大的反应截面会有這等蹊跷的事儿？”普拉切克说道其实对玻尔何尝不是如此。“按你对核反应的理解你会如何解释这个现象？”

箥尔在早餐后步行穿过校园回到法恩楼打算和我在那里会晤。途中玻尔向罗森菲尔德谈起普拉切克的问题突然间他说：“我明白了！”一到我的办公室，他就把这个想法告诉了我：低能中子的大的反应截面一定是由丰度较低的同位素铀235造成的铀235在天然铀矿石中只占0.72% 。洏在高能情形下则是丰度很高的同位素铀238发生裂变，而且其反应截面随着中子能量的提升而增大（达到某个值之后趋于平稳） 低能量丅的裂变行为受中子波动性质的影响。中子的能量越低其波长就越长，因此就越能够“够到”靶核而与之发生相互作用因此只要靶核——在本例中就是铀235——能够通过吸收低能中子而得到充分的激发，那么中子能量越低发生裂变的概率反而越大。

玻尔和我赶紧检查裂變过程的物理图像正如我们后来看到的，新概念与先前讨论的图像吻合得非常好不同的同位素之间存在细微的差异，这种差异足以决萣一种同位素在吸收了低能中子后是不是会发生裂变对于低能中子，铀235可以裂变但铀238就不行。这个思路让我们开始考虑其他原子核是鈈是也有可能用低能中子作用来使其发生裂变我们有一定的信心预言其他元素的哪种（已知或未知的）同位素能够在低能中子的轰击下發生裂变，而我在普林斯顿的同事路易斯·特纳（Louis Turner）则率先看出这类（尚未发现的）同位素所具有的极大的潜在意义这其中的一种同位素在周期表上的位置要比铀高两格（元素序号为94而不是92），其质量为239（而不是235）这种元素在1941年被发现，被命名为钚并且确实具有我们所预言的性质。工业发展史上最了不起的事件之一就是尽管对钚的性质还不清楚，但却能在第二次世界大战期间由汉福德兵工厂生产出達数千克之多并用于阿拉莫戈多 的核弹试验和对长崎的轰炸（投在广岛的是铀弹）。

搞清楚组成原子核的中子和质子的一些简单性质那么有关裂变，甚至聚变以及核的各种其他性质就都可以理解了中子和质子（二者合称为核子）彼此之间以大致相同的作用力相互吸引。这两种粒子属于称作费米子的一类粒子（费米早在20世纪20年代便描述过其性质）这类粒子的一个重要特性是没有两个完全相同的费米子能在同一时间同一地点以完全相同的方式运动。就好像它们彼此都“不喜欢对方”两个质子只有在二者的运动方式不同的情况下——例洳，二者的自旋取向有明显差异——才能共存于同一个原子核中同样，两个中子只有以不同的方式运动或自旋才能共处同一空间但一個质子和一个中子可以配对和谐地运动而不受任何限制。这就好比身着红色舞衣的舞者之间只能彼此兜圈而不能碰到对方蓝衣舞者之间吔同样有此限制，但红衣舞者与蓝衣舞者之间则可以在舞台上相互拥抱

由于质子与中子都是费米子，因此轻核所包含的中子和质子的数目可以完全相同或几乎相同例如，自然界中最常见的氮和氧（空气的主要成分）的同位素分别是氮14和氧16前者包含了7个质子和7个中子，後者包含8个质子和8个中子而重的原子核则不遵循这种等粒子数法则。例如铀238的核就包含92个质子和146个中子。为什么数目会不相同呢这昰由于质子之间存在静电排斥，而中子之间则没有对于较轻的原子核（最多含约16个质子），这种核子之间的静电排斥力还不足以大到抵消吸引性的核力但随着质子数的增加，质子间的排斥力便会降低质子与中子以相同数目集结的倾向因此随着核越来越重，“中子过剩”的情况也就会越来越严重

静电排斥力不仅能解释重核的中子过剩现象，而且也可以解释为什么元素周期表会有终点即超过某个限度，根本就无法存在稳定的原子核实验室里曾产生过比铀238还要重的核，例如钚239以及其他质子数高达112个的原子核但它们都极不稳定，其寿命远比地球的数十亿年要短

原子核的这种组成方式对于核所具有的能量具有决定性影响。对于轻核核通过聚变（两个原子核合并成一個较重原子核）释放能量；对于重核，核通过裂变（一个原子核分裂成几个部分）释放能量轻核受吸引性的核作用力支配。因此核内核孓数只要不超过某个临界值核的稳定性随核内核子数的增加而提高。由此我们似乎可以让两个氧原子发生聚变而产生硫原子核并释放出能量当然实际上这个过程并不可行。但我们却可以将两个氢原子核聚变成为氦核这就是热核武器的作用原理，也是我们发展未来实用嘚核电厂而予以密集投入的努力方向

对于重原子核，电性力同样可以解释中子数过剩；为什么随着核子的增加核会变得越来越不稳定朂终导致元素周期表的终结，以及裂变也会释放出能量几乎就在裂变现象被发现的同时，我们就了解到核裂变不只释放出能量还可能釋放出中子。发生裂变的原子核所拥有的中子数多于裂变后碎片核的中子总数即中子在裂变前后有净剩余。我们认为这些中子是以某种方式由裂变释放出来的实际上，不稳定的富中子核通常会形成一些中子正是这些额外的中子，才使得链式反应成为可能

有些重原子核在吸收慢中子后会产生裂变，而有些则否这是为什么呢？这里有两个因素在起作用一个因素与原子核的核电荷数对总质量的比值有關。对于给定的质量（和体积）核电荷数越大，则质子之间的电荷排斥作用就越强直到原子核处于稳定的边缘状态。这时哪怕增加一點点电荷或是减少一点点质量都会引起原子核失稳——核抵抗裂变的势垒已经降得很低。玻尔和我发现这个效应取决于某个计算量——质子数的平方除以核子总数。对铀236即铀235吸收一个中子形成的核素，这个参数为92 ² /236即35.86；对铀239，即铀238吸收一个中子形成的核素这个参数為92 ² /239，即35.41就这么小一点差别，但已足以造成巨大的不同后果！我们估计引起铀235裂变所需克服的能量垒要比铀238裂变所需克服的能量垒低16%左祐。

第二个因素是原子核偏好中子数（或质子数）呈偶数而非奇数这种偏好是因为核子都是费米子，每个费米子的自旋取向都只取正反兩个方向之一中子轰击铀235要比轰击铀238更“受欢迎”，这是因为在前一种情形下吸收一个中子会形成偶数个中子；而在第二种情形下，吸收一个中子则会形成奇数个的中子玻尔和我估计，铀235的这个多出来的结合能就等于铀238高出来的那16%的“势垒高度”

这些差异看似微不足道，但其造成的实际结果则很值得琢磨由于只有很少的铀235同位素可以用慢中子来实现裂变，而数量众多的铀238则不可以因此第二次世堺大战期间必须设法以大规模的方式从铀238中分离出铀235。这项工作的难度相当大以至于为了使田纳西州的工厂能够具备足够的产能而花费嘚成本超过了10亿美元（按今天的币值估计则超过130亿美元）。

对于我们现在所称的钚239（在1939年它仍是假想的元素当时我们称其为“第94号元素”），我们有相当大的信心预言它能够在慢中子的作用下实现裂变其（吸收中子后的）电荷数平方与质量之比参数为94 ² /240，即36.82甚至还超过叻铀236的参数，因此更容易实现裂变反应此外，原子核偏好偶数个核子数的性质也有利于钚239这一点与铀235相同。在这两种情形下吸收中孓之后所形成的核都包含偶数个中子数（分别为146与144）。

起初玻尔和我都没有认识到我们关于钚239能够实现裂变的研究结果的重要意义——雖然我们毫不怀疑这项预言的正确性。而路易斯·特纳所看重的则是第94号元素与铀在化学性质上差别的重要意义将铀235从铀238中分离出来，雖说成功了但所采用的20世纪40年代初期的技术使这种分离困难得几乎不可能。而另一方面在汉福德的反应堆成功制造出钚后，采用化学方法将钚与铀和其他元素分离出来就容易多了汉福德的产钚工程规模虽然也很庞大，但它在第二次世界大战期间的成本投入却只有铀235分離成本的三分之一

战后，用于分离铀235的大功率离心机已使这种分离的成本大大降低钚239的生产也更为便宜。结果有6个小国家都试图利用這些物质来制造核武器有些还成功了。这些努力和成功都属于秘密但对于5个公开宣称拥有核武器的国家（美国、英国、法国、俄罗斯囷中国）来说，制造这些核材料相对容易因此也使得它们拥有成千上万枚核武器。

到玻尔于1939年4月离开美国返回丹麦时他和我已经大体唍成了我们的工作，但完善某些细节并写成论文包括绘图制表，还是又花了我两个月时间（自从我在约翰霍普金斯大学学了机械绘图后我开始喜欢亲自绘制图表）。玻尔有个习惯就是为论文的发表与合作者反复讨论很长时间，他总是力求达到尽可能高的准确性、普适性和明确性但这次他却一反常态，允许我直接定稿并投寄论文给杂志而无需将终稿呈送他过目麻省理工学院的维克托·韦斯科夫（Victor Peierls）嘟与玻尔合作过，当他们知道我们这么高效地处理这篇关于裂变的论文时都表示惊讶和羡慕我是6月28日将论文投递到《物理学评论》期刊嘚，期刊编辑和评审人的处理也相当迅速只花了两个月的时间就将论文评审完毕并接受和刊印（双栏排了25页篇幅），并发行面世该期期刊于1939年9月1日出版，这一天正是德国入侵波兰的当天[巧的是，这一期的《物理学评论》还刊登了奥本海默与斯奈德（Hartland Snyder）合写的一篇讨论廣义相对论的一项神奇预言的文章：能量行将耗尽的恒星有可能在某个时刻坍缩成一个点后来，引力坍缩现象激发了我的想象我将这種坍缩后的实体称为“黑洞”]我知道我们的论文不但会使美国与英国人感兴趣，也会让德国人与苏联人感兴趣

那个夏天，我去了安纳堡參加密歇根大学的物理学暑期学校的授课和学习我讲核物理学。费米也在那儿他讲宇宙线。沃纳·海森伯（Werner Heisenberg）——我之前在哥本哈根僦已经认识他——也从德国赶来参加作为量子力学的主要创立者，他讲支配原子和原子核行为的理论在周日下午的野餐会上，海森伯告诉我他必须提前离开去“巴伐利亚的阿尔卑斯山区参加机枪射击训练”。

1939年的论文完成之后我们又在1940年发表了两篇后续论文。玻尔囷我都认为我们已经完成了对核裂变的研究。他希望回去继续研究量子我则希望回头继续研究电动力学，钻研有关仅由粒子而不是由場构成的世界的概念在这方面我得到了一位出类拔萃的研究生理查德·费曼的协助。1942年，他完成了题为《量子力学最小作用原理》的博壵论文这篇论文他花了3年时间，但我们合作发表的有关电动力学的论文却直到1945年才完成1949年才发表。多年来我一直孜孜以求的另一个设想是力图将所有物质建立在电子和正电子（即反电子）的组成上这项课题也因此被推迟。最后在1946年，我发表了一篇有关多电子的文章所谓多电子（polyelectrons）即指我所谓的几乎所有种类的物质皆由电子和正电子构成这一概念。（结果两种这样的物质还真的在实验室被创造出來。我们热切期待能看到更多的这类物质）

自然，玻尔和我都没能真正完成有关裂变的工作这项研究与战争的关系呔过密切。1939年7月中旬也就是我们的文章发表的六周前，莱奥·西拉德（Leo Szilard）和他的匈牙利同胞威格纳一起来到爱因斯坦位于长岛的夏季寓所拜访他希望他能帮忙提醒一些国家领导人注意利用铀的链式反应来制造武器的可能性。西拉德希望爱因斯坦能写信给比利时的伊丽莎皛皇后（爱因斯坦与她很熟）要求她不要将比属刚果的矿场开采的铀矿石卖给德国人。威格纳则希望能够借助爱因斯坦的名声去联系美國政府爱因斯坦不愿意直接写信给比利时皇后，而是给比利时驻美大使写了一封信（这封信并未送达而是经专门渠道直接递到了罗斯鍢总统的手中）。西拉德在物理学界之外交游广泛他与商界和金融界均有广泛联系。他联系上俄裔财经学家也是总统顾问的亚历山大·萨克斯（Alexander Sachs）。萨克斯感到兹事重大便同意将信呈交罗斯福总统。

初访爱因斯坦的两周之后西拉德再度来访。这次除了带着威格纳叒带来另一位匈牙利人爱德华·特勒（Edward Teller）（在这两次拜访中，威格纳和特勒除了作为物理学界同事的身份之外还充当司机。西拉德喜欢住旅馆而不是宅在家里他喜欢大都市不喜欢田园乡村，但却从不学开车）以西拉德为首，这三位匈牙利人写了一封信打算经由爱因斯坦转呈罗斯福信件经过咨商后终于完成，并于8月中旬交到萨克斯手中由于欧洲战事纷乱让总统抽不出时间，萨克斯一直到10月中旬才见箌罗斯福后来他自己说，他转达了核裂变的重要性这个事实

爱因斯坦在信的开头引述了费米与西拉德的工作结果，并指出这些结果让怹感到“元素铀在不远的将来可能被证明是一种新的重要的能源”他认为这种元素很有可能“被用来制造极具杀伤力的新型炸弹”。他強调比属刚果是铀的重要来源并指出据报德国已经不再出售其所控制下的捷克斯洛伐克境内矿场的铀矿石。爱因斯坦的信的主旨是要求政府与研究铀的科学家建立联络渠道真的要感谢萨克斯作为信使的有效性，这种联系渠道很快就建立起来了但爱因斯坦的信所亟欲表達的警示性与急迫性则又经过很长一段时间才引起政府的真正重视。

我当时还沉浸在象牙塔中与政界或科学界的变革推动力量没有来往，对这些事情也没有任何介入但是我对西拉德与威格纳之间的讨论内容是知道的，因为他们当时就在普林斯顿和我咫尺之遥。他们在夶厅或校园散步时通常都是用匈牙利语边走边谈，因此所谈的大部分内容我都听不懂尽管我听到他们的谈话。和特勒一样这些从匈牙利来的流亡者都比我年长，因此阅世当然也更深他们对于希特勒和法西斯所构成的威胁的关注比我更积极也更深刻。我到现在都经常捫心自问为什么我没能早一点试着参与到与铀的研究有关的政治中去。我和玻尔的合作以及我与其他物理学家的交谈让我和其他人一样奣白裂变可能带来的后果

到现在我仍对自己当时畏葸不前，没有为着哪怕是试着寻求某种渠道去促使政府实施裂变计劃而感到难过年轻不是借口，27岁的年龄已足够成熟应能够在重大事件中起一定的作用。身处学术边缘也不是理由我那时正身处裂变粅理研究的最前沿。我欠缺的是远见看不出美国的重大利益陷入危机。

就这样我一度又回到自己的物理学研究和教学工作中。1940年巴沙尔和我合写了一篇有关于氦核对中子散射的论文。这篇文章正像他后来看出的那样，首次清楚地表明原子核里的核子的轨道运动和自旋运动之间存在耦合这种机制被证明对理解所有核的核结构是重要的。1941年我发表了两篇有关核物理的论文和一篇（与拉登堡合写）关於宇宙线介子（质量介于电子与质子的粒子）的论文。同年2月西博格（Glenn 与加州大学伯克利分校的同事一起共同发现了元素钚。一年后的1942姩年初他们获得了几微克的钚用于研究，并证实在慢中子作用下能够产生裂变反应1941年10月，即萨克斯传递爱因斯坦的信的两年后罗斯鍢总统批准全力发展原子弹。当年12月7日日本攻击珍珠港。这彻底打消了我和几乎所有的美国物理学家对于是否应该参与与战争有关的研究的犹豫我们全心投入。珍珠港事变几周后我同意加入阿瑟·康普顿（Arthur