我们的第一次核试验揭示了战争未来的哪些新见解

第一次原子弹爆炸的影片——1945 年的“三位一体”试验——是无声的。它们的安静不自然，令人毛骨悚然。但在那种你在 YouTube 上听不到的寂静中，很容易想象爆炸闪光后应该会发出什么声音，以及随之而来的蘑菇云的膨胀和上升。蘑菇云很快就变成了一场自我延续的风暴，它的边缘动荡不安，熊熊燃烧，吞噬着下面的星球，仿佛是为了维持生计。

制造这枚炸弹的科学家们在远处观看了三位一体试验，他们戴着焊工护目镜，脸颊上涂着防晒霜。作为曼哈顿计划的一部分，他们在短短几个日历交换中就开发并制造出了所谓的 Gadget，地点位于新墨西哥州山区的一个秘密基地——洛斯阿拉莫斯，今年 4 月是该基地成立 79 周年，加州大学签署了运营该实验室的合同。

现代的洛斯阿拉莫斯国家实验室曾经是一座封闭城市的一部分。如今，大门的复制品变成了公共厕所和热门的自拍地点。不过，这座城市和实验室都以他们存在的第一个理由而自豪：弄清楚如何制造一种致命装置——然后开始行动。

因此，当 2020 年三位一体试验 75 周年到来时，洛斯阿拉莫斯当然计划纪念这一时刻。

鉴于我们对 2020 年的了解，典型的纪念活动并没有真正实现。但一位名叫马克·查德威克的物理学家提出了一个略显非传统的纪念想法，恰好非常适合疫情：他提议先进行虚拟讲座，然后发表期刊文章，通过现代工具和计算机的视角重新审视三一学院的科学，从而既能保存又能从该试验及其后果中榨取更多知识。了解三一学院和其他过去的武器试验，有助于科学家更好地收集有关当前核储备状况的信息。

最终的 46 篇论文涵盖了从亚原子粒子的行为到钚的演化，再到炸弹的致癌风险等方方面面，这些论文最初发表在洛斯阿拉莫斯的内部期刊《武器评论快报》上，这是一本机密杂志。经过同行评审和安全审查后，23 篇论文被编入《核技术》杂志的特刊，专门用于重新审视三位一体。

查德威克讲座论文项目的科学重点吸引了实验室研究人员，比如无机化学家苏珊·汉森。“历史学家已经写了很多关于曼哈顿计划的历史，”她说。科学家写的历史并不多。

洛斯阿拉莫斯国家实验室历史学家艾伦·卡尔听过很多关于 77 年前那个实验日的妙语和见解。但他最喜欢的是物理学家维克多·魏斯科普夫的妙语，因为就像武器的辐射一样，它反映了一个光谱。“我们最初的感觉是兴奋，”魏斯科普夫说。“然后我们意识到我们很累，然后我们开始担心。”

这个小工具成功了（兴奋 :)）；科学家们为此付出了很多努力（疲惫 (-,-)）；他们可以感觉到它可能会如何改变未来的冲突（担心 (✖╭╮✖)）。

毕竟，三位一体核试验给日本带来了毁灭性的打击，并开启了原子时代、冷战、数千次核试验、最终取代这些试验的超级计算机模拟和实验，以及在很大程度上取决于谁拥有核武器和谁没有核武器的当前世界秩序。如果知识就是力量，那么对这种力量的了解可能更具爆炸性。

查德威克是洛斯阿拉莫斯实验室武器物理学的首席科学家兼首席运营官，他长期以来一直为同事们举办一系列研讨会。但在三位一体周年纪念日到来之际，这成了一个问题：典型的演讲包含机密信息，你不能穿着防疫软裤在家庭办公室通过 Zoom 讨论这些信息（除非你想被逮捕）。因此，查德威克想，为什么不同时解决这两个问题呢？他可以请同事们看看现代科学能从三位一体近百年前解密的成果中揭示出什么光子。他们可以进行演讲，然后（经过一些传统的压力之后）写出他们的研究结果——许多人同意做这项额外的工作，有些人只是因为他们不能在厨房餐桌上做通常的机密工作，但需要填补在家工作的时间。

查德威克并非伪君子，他写了一篇文章，重点介绍了他的前任如何（以及做得如何）进行临界质量相关的计算：计算出他们需要多少核材料来制造可武器化的链式反应。由于曼哈顿计划的科学家只有少量的铀和钚，这个问号特别难以变成句号。“全国都在疯狂地生产足够的材料来制造炸弹，”查德威克说。经过一两年的工作，查德威克发现，科学家们能够将他们的计算结果与我们今天认为的正确结果相差 10% 以内——而且他能够将他们最初的分析添加到一个名为“实验核反应数据”的现代数据库中。

无机化学家汉森同意对 Trinity 的放射化学进行追溯研究，详细介绍了科学家如何首先开发并部署放射化学方法来计算小工具的“效率”——它制造原子爆炸的能力有多强，以及爆炸的威力有多大。该装置的实际产量一直不确定。

最初的放射化学团队需要收集 Trinity 陨石坑中的物质样本。通过这些样本，他们可以确定钚的裂变部分以及裂变产物的数量。“你不能直接走进去用手把它们捡起来，”Hanson 说。至少如果你喜欢你的手或你的生命的话，你就不能这样做。

相反，研究人员在两个储罐内衬上铅。其中一个储罐底部有活板门，直接开进陨石坑，从中心抽取样本。这辆装甲车内勇敢无畏、戴着空气过滤装置的探险者是第一批看到“三硝基”的人——这种玻璃状物质是原子弹爆炸产生的高温与沙漠沙子相遇时形成的。在第二个铅罐上，科学家们安装了火箭，火箭的头部装有铲子，尾部连接着电缆。火箭飞过陨石坑后，工作人员可以像钓鱼饵一样将它们卷回储罐中。

根据这些样本及其钚与裂变产物的比率，科学家计算出“小工具”的当量为 18 千吨，相当于 18,000 公吨 TNT。后来，该数字被上调为 21 千吨。

作为周年纪念项目的一部分，汉森和同事们通过溶解 13 个原始三硝基甲烷样本，重新计算了该产量。新方法——结合了无机分离化学和超精密质谱等精细技术——可以提取感兴趣的元素，然后更精确地测量其中的同位素。计算机辅助分析这些比率得出了新的定量结果：24.8 千吨。

换句话说，随着时间的推移，Trinity 变得更加强大。

如果没有一个叫做国家安全研究中心的奇怪地方，这些论文的大部分工作就不可能完成。“想想《夺宝奇兵》吧，”查德威克说。这是一个洛斯阿拉莫斯档案馆，其中许多档案不对公众开放，这些档案涉及该实验室的历史——从很多方面来说，这也就是核武器本身的历史。该图书馆是所有图书馆中规模最大的图书馆之一，收藏了大约 20,000 份有关曼哈顿计划洛斯阿拉莫斯分支（称为 Y 项目）的文件。它们以碳格式保存在这里，如果有人花时间扫描它们，就会变成硅格式。

即使是实验室的历史学家卡尔也没有探索过这一切。事实上，他在三一核电站周年纪念日上所做的工作——一篇名为《黎明前三十分钟》的论文——让他发现了一个他从未见过的银行家记录箱。现场笔记本包含了关于三一核电站潜在健康危害的原始信息：几页用铅笔潦草写下的辐射读数，这些读数来自前往爆炸现场附近地区并进行盖革测量的工人。“当我翻看记录时，我会想，‘哇，这些都是三一核电站产生的尘埃’，”卡尔说。

历史仿佛正在从他身边掠过，或者说是掠过。他想，也许在他开始仔细研究这些文件之前，应该找个人来对这些文件进行盖革计数。

这主要是开玩笑。这段历史现在对他来说并不危险，时间已经让它变得足够迟钝。但科学家只能估计三位一体等武器试验的辐射对人们健康和环境的影响，部分原因是现有的数据有限。

毕竟，最早那次试验产生的辐射仍然存在——不仅在档案文件中，而且在靠近试验地点的地球上也存在。在三位一体试验的现场，一小时内你会受到半毫雷姆的辐射，如果你站在那里一年什么都不做，这相当于所有自然和人造来源平均剂量的七倍。事实上，这种残留正是第一个和后续装置的意义所在。辐射不会凭空消失。

美国军火库中的核武器也是如此。这就是为什么在洛斯阿拉莫斯这样的地方，回顾过去不仅仅是为了重温（伦理上复杂的）辉煌岁月：它还关乎评估现在和预测未来。

三位一体核试验之后，国家实验室定期进行地上和地下炸弹试验，收集有关核武器是否有效以及如何有效运行的数据。卡尔说：“这些事情我们再也不能做了。”美国已经签署（但尚未批准）《全面禁止核试验条约》。

如果你不能直接炸掉几枚核弹，看看它们是否在应该爆炸的时间和方式爆炸，以及在不应该爆炸的时候根本不爆炸，那么就更难判断我们现有的核储备是否“安全可靠”，正如业内人士喜欢说的那样。这种可以或不可以的评估涉及的不是预测云的倒计时，而是小规模的实验和计算机模拟，它们可以一起帮助揭示武器的内部状态。

了解所有这些并非试验性质的信息对于全面核弹意味着什么，正是档案的作用所在。“其中很多都依赖于冷战期间创建的数据，”卡尔说，即全面试验时期。这就是为什么卡尔的工作是了解过去做了什么——这样就可以为现在提供信息，并帮助新员工适应他们奇怪的定位。毕竟，卡尔说，“大学里不会教你核武器设计之类的东西。”

“幸运的是，”他补充道。

设计小工具和进行三位一体测试是巨大的技术成就，将物理学的一个新兴分支变成了一个物理（和物理破坏性）对象，所用的时间比在州际公路上增加几条车道还要短。曼哈顿计划可以说是第一个大科学计划，是著名物理学家在魔法州台地上的一次聚会，涉及全国 10 多万名工人的劳动。但制造原子弹不仅仅是 这是一项展示新科学、创新工程和军工学术综合体的技术奇迹：这是一项长期的杀人计划，将永远改变国际关系。“你必须承认，在几周内，这些武器就部署到了日本帝国上空，”卡尔说。“这是一段充满历史的悲剧。”

保留核武器的动机与开发 Gadget 的动机有所不同。Trinity 代表了战场概念的证明，而且在很多方面，它都是一个简单的“如果-那么”查询：炸弹起作用了吗？如果起作用，那么就在敌人头顶上引爆一枚或多枚炸弹。

与此同时，如今核武器的存在是为了发挥威慑作用（至少哲学上是这样的）。我们保留核武器是为了防止其他国家向我们（或我们的盟友）方向引爆核武器。然而，这一战略只有在核武器在需要时能够发挥作用，并且对方相信它们可以被可靠地调用时才有效。“它们作为威慑力量的价值取决于它们在战斗中毫无疑问地发挥作用的能力，”卡尔说。

正如俄罗斯入侵乌克兰和正在进行的战争所表明的那样，威慑并不简单。“威慑并不像一些战略家所坚持的那样稳定，也不像一些裁军倡导者所希望的那样容易摆脱，”英国智库皇家联合服务研究所的高级研究员马修·哈里斯在《外交政策》中写道。“无论战争走向何方，很明显核威慑并不是自动的，也不是仅仅拥有核武器就固有的。”

正是三位一体试验率先带来了这种微妙、违反直觉、充满争议的平衡。我们拥有核武器是为了维持和平；我们拥有核武器是因为三位一体试验成功了；三位一体试验成功只是因为我们拥有核武器。

“关于这个问题一直存在争议：核武器是我们的祸害，还是我们的救星？”卡尔说。“很多问题都是不可知的。”无论超级计算机或建模方法有多强大，这种不确定性仍然存在。然而，它还有更多的模糊性。例如，威慑的好处并不是均匀分布的。哈里斯指出，在乌克兰，俄罗斯的核武装地位使得北约国家采取更加谨慎的行动，这意味着对被入侵国家及其人民的伤害更大。而整个哲学依赖于破坏性威胁的可信性。“因为威慑既不是自动的也不是静态的，所以如果没有使用核武器的真正机会，即使这种可能性很低，就无法获得其主要好处——阻止核武装国家之间的战争，”他继续说道。

这种可能性现在和过去都是未知的——如果不是不可知的话。然而，核武器如何工作以及它们如何老化的纯粹而精确的细节也是如此。科学家用来模拟炸弹的数字代码和模型涉及估算（就像大多数代码和模型一样），因为我们既不能编写也不能运行真正复制物理武器的软件。这些都是非常好的估计，但它们仍然包含假设和近似值——关于原子、材料和爆炸物在各种配置和环境中的行为，并不是现实的准确反映。换句话说，你可以创造一些东西，但并不完全理解它。

更正 5/2/22 ：本文的早期版本错误地指出 18,000 千吨 TNT 相当于 18,000 根炸药。实际比这要多得多。