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核裂变:核化学之父与原子弹之母60年恩怨情仇“和、裂、辨” 精选

已有 10278 次阅读 2018-8-17 15:42 |个人分类:学术|系统分类:人物纪事| 物理, 科普, 历史, 人物, 解密

科学与人性,智慧与感情,战争与和平,荣誉与利益,理解与误解,物理与化学,善意与恶意……任何编剧也不能写出如此影响人类历史、跌宕起伏、荡气回肠的故事,任何人也很难有机会再经历当事人所经历的发现,兴奋,疑惑,寂寞,悔恨,囵圄,英雄,质疑,无奈……

“度尽劫波兄弟在,相逢一笑泯恩仇”……

这是核裂变的发现历程,这就是“核化学之父”Hahn与“原子弹之母”Meitner之间60年的恩怨情仇……

我们回顾核裂变的发现历程,重温两个人从建立合作到纠缠一生的“和、裂”的过程,最后,辩析他们之间的关系究竟如何?探究物理学界的一个谜题:当年,Hahn究竟是不是恶意隐瞒了Meitner的贡献,独吞了1944年的诺贝尔化学奖?

两位科学家的基本情况:

奥托·哈恩(Otto Hahn18791968),德国化学家,放射性和放射化学的先驱,被称为“核化学之父”。为了表彰他发现核裂变现象以及采用放射化学的手段证明了核裂变,被授予1944年化学诺贝尔奖。

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莉泽·迈特纳(Lise Meitner18781968),奥地利裔瑞典核物理学家,放射性和核物理的先驱。被爱因斯坦称为“德国的居里夫人”,在美国被誉为“原子弹之母”。

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“和”:核裂变的发现过程[1]

HahnMeitner1907年开始合作,是曾经被科学界广为传颂的不同国界、不同性别、不同学科背景(分别是化学家和物理学家)的科学家亲密合作的典范。让我想起了杨振宁先生和李政道先生……

当时,Meitner作为女性,经过大量艰辛终于获得柏林大学教授职位,与Hahn合作研究。但是,历史总是让人无奈,不久之后的德国,纳粹上台了,而Meitner是一名犹太裔女性……1933年,Meitner失去了在柏林大学的教授职位。二战爆发以后,整个奥地利都被纳粹德国吞并了,Meitner成了纳粹德国公民。作为犹太人,Meitner随时可能遭受迫害,刚刚成为“德国居里夫人”的Meitner不得不离开纳粹德国,开始了逃亡生活。她辗转荷兰、丹麦,来到了瑞典,随身携带的仅有两个小箱子和10马克。

耐人寻味的是,Meitner离开柏林之前,Hahn将自己母亲的遗物:一枚钻戒,送给了Meitner,让她在需要的时候贿赂检查人员。

Meitner离开柏林后,Hahn与另一位德国物理学家Fritz Strassmann合作继续自己的研究工作。

在瑞典,Meitner终于找到了一份在诺贝尔研究所的职位。同时,Meitner与她的外甥Otto Frish开始一起工作。很多资料中Otto Frish被称为Meitner侄子,Meitner一生没有结婚,她的姓氏应该一直是自己家族的姓氏,Otto Frish不姓Meitner,所以,我觉得更有可能是外甥而不是侄子。巧合的是,Meitner外甥Otto Frishgiven name也是Otto,与Hahn一样。大家不要混淆。

至此,参与发现核裂变的4位科学家都登场了,2位资深科学家分别与1名年轻科学家在纳粹德国和瑞典,他们分别是:

柏林:Hahn与他的合作者Strassmann

斯德哥尔摩:Meitner与她的外甥Frish

离开柏林以后,MeitnerHahn每周至少互发一次信件,事实上,他们还在进行合作研究。

柏林的HahnStrassman在实验中利用中子轰击铀(原子序数92),产生了比铀轻的元素:钡(原子序数56)。实际上,这个实验现象就是核裂变:

+中子++3中子

但是,在当时,Hahn没有意识到,至少,他不确定这个过程中铀核发裂开成了2部分,而且当时还没有“核裂变”这个概念。发现一个现象,距离知道这个现象的本质,还有很长的路要走。

Hahn写信向Meitner说明他的实验研究进展:“这是一个令人费解的结果,我们知道铀不可能分解成钡,”Hahn希望Meitner能够对实验提出“物理方面的解释”,而且信中提到“如果你能找到什么值得发表的东西,那么这项研究就算是我们三个人一起做的。”这第三个人应该是指Hahn在柏林的合作者Strassman

Meitner立即给Hahn回信“我们在核物理学方面已经历了许多意想不到的事,因此,我们对任何事都不能断然说:这是不可能的。”

HahnStrassman继续进行实验研究,此时,Hahn意识到而且相信,在实验中铀核分裂成两块。

而在斯德哥尔摩,Meitner对实验过程中的质量亏损进行了精确的计算,利用爱因斯坦质能关系(E=MC2)推算出实验过程中亏损的质量转化为巨大的能量。紧接着,在理论解释的引导下,Meitner的外甥Frish进一步在实验中观测到了这个巨大的能量。

正式提出“裂变”(fission)这个词的人,是Meitner的外甥Frish。此时,美国生物学家W. A. Arnold刚好来欧洲访问,Arnold来到Frish的实验室,他们讨论了1个细胞“分裂”为2个细胞的过程,于是,Frish用“裂变”这个名称命名了铀核裂开这一过程。

作为一个化学家,哈恩不愿意在物理学中提出革命性的发现。

HahnStrassman关于中子轰击铀而产生钡的论文在193916日德国《自然科学》上发表,这是一项划时代的发现。当时Hahn因为没有和Meitner联名发表,产生了内疚,Meitner对于她未能分享这一“美丽的发现”深感失望……

几周后,Meitner和她的外甥Frisch在英国《自然》杂志上发表了他们对HahnStrassman实验结果的理论解释,这就是划时代的铀核裂变的发现过程。

物理学界立即接受了MeitnerFrisch提出的核裂变概念及其理论解释。

玻尔得知MeitnerFrish提出的核裂变概念及其理论解释后望洋兴叹:“……啊!我们真蠢啊。”

化学家发现了裂变的实验现象和化学证据,物理学家对它进行了解释和理论分析。

二战后期,美国曾多次邀请Meitner参于曼哈顿计划,但是她都拒绝了。被称为“原子弹之母”的Meitner,没有参与任何原子弹的研制工作。

核裂变被发现仅6年以后,两颗原子弹就在广岛和长崎上空爆炸……

 

 “裂”:恩怨情仇

Hahn因为发现核裂变现象以及采用放射化学的手段证明了核裂变获得了1944诺贝尔化学奖。作为真正解释了核裂变原理的Meitner却没有获奖。

一些资料还显示:Hahn在获奖前后的那段时间,曾经否认与Meitner的合作。在纳粹德国当时的特殊环境下,撇清与犹太人的关系,Hahn这么做有他的迫不得已。

可是在纳粹下台后,Hahn依旧否认Meitner的贡献,声称“她只是一个助手,做了些细小的工作。”

玻尔认为Meitner受到了不公平待遇,写信给《自然》杂志,认为核裂变的发现应该归功于Meitner和她外甥Frish

Hahnd的后期合作者,Strassman也曾经表示对Meitner的不公平待遇。Strassman曾经宣称:Meitner是他们智慧的领头人,即使在她离开柏林以后,她仍然与Hahn通过书信往来继续合作,始终是他们研究小组的成员。

此后,Meitner曾经3次被诺贝尔物理学奖提名,但始终未能获奖。

晚年的Meitner与外甥一起移居英国剑桥,致力于和平利用原子能。

Meitner终身未婚,没有子女,这似乎源于她对物理学的无限热爱,Meitner曾经说过:“我爱物理,我很难想象我的生活中没有物理会怎样。这是一种非常亲密的爱,就好像爱一个对我帮助很多的人一样。”

晚年的Meitner与侄子一家住在英国剑桥,一直积极倡导和平利用核裂变。19681027日,Meitner90岁高龄去世。巧合的是,整整三个月前,Hahn在这一年的728日逝世。

Meitner的墓碑上刻着“A physics who never lost her humanity.”

我认为这样翻译比较合适:“一位从未失去博爱的物理学家。”

为了纪念Meitner109号元素被命名为“”(Meitnerium)。

关于Hahn一个人获奖,而忽略Meitner的贡献,一些媒体还使用了非常严酷的词语:

“她(Meitner)的研究成果被哈恩夺了去,后者独享了1944年的诺贝尔化学奖。”

Hahn还一再声称Meitner仅仅是自己的一名实验助手,在利益面前,十几年的友谊付之一炬。”

“在二战期间,HahnMeitner的成果归于自己名下,声称是对她的保护。然而纳粹倒台后,Hahn依然继续霸占着Meitner的研究成果。尽管多位物理学家均对Meitner的研究成果予以肯定,Hahn依然不愿将属于Meitner的研究成果归还给她。Meitner对此非常失望,最终共事十余年的两人彻底断绝了来往。”

发现核裂变后,HahnMeitner之间的关系究竟怎么样?

1944年诺贝尔化学奖究竟是不是Hahn独吞而霸占了Meitner的成果?

根据最新研究[2],我们对以上问题进行解密。

 “辨”:事实的真相,历史的无奈,人性的光辉[2]

Meitner没有获得1944年诺贝尔化学奖的原因有以下几点,没有任何一点,是Hahn可以决定的。

(一)诺贝尔奖委员会的决定

1944年的诺贝尔化学奖的颁奖非常特殊,是在战争期间、空缺、推迟一年后,于1945年颁给了还被盟军监管、没有自由的Hahn

因为推迟了一年,在颁奖之前,原子弹袭击了广岛和长崎,直接导致物理奖颁给核裂变失去了可能。

Hahn虽然获得的是1944年的诺贝尔化学奖,但是颁奖结果其实是在1945年才确定的。1944年诺贝尔化学奖委员会觉得没有合适的人选,根据章程,将名额保留到下一年,也就是1945年再颁发1944年的化学奖。

所以就等到了原子弹袭击了广岛和长崎。

1944年的诺贝尔化学奖本来考虑过同时颁给HahnMeitner以及Hahn的合作者StrassmannMeitner的外甥Frisch四个人。但是,因为诺贝尔奖的“三人原则”(一个奖项最多同时颁给三个人),导致化学奖无法同时颁给四个人,只能忽略相对年轻的两个人:Hahn的合作者StrassmannMeitner的外甥Frisch

如果一定要颁给四个人,就要同时把这一年的化学奖和物理奖同时都颁给发现核裂变这个贡献。而受广岛和长崎被原子弹袭击的影响,物理奖委员会不想把物理奖颁给核裂变的发现。如果这一年的诺贝尔物理学奖能够颁发给核裂变,那么,我相信,Meitner一定可以获奖!原子弹夺走了几十万人的生命,也夺走了Meitner的诺贝尔奖(当然这个损失不能人的生命相提并论)。

当时的一位瑞典物理学家,1924年诺贝尔化学奖得主Manne Siegbahn,不喜欢Meitner,可能的原因是当时对女性的歧视,或者是作为化学家对物理学家的不公正评价,凭借自己德高望重的影响力,导致化学奖没有颁给Meitner。最终,只有Hahn一个人获奖。

(二)化学家与物理学家们的隔阂

当时,学科交叉还没有现在这么被广泛认同。科学家们对自己的身份认同很严格。不同学科之间甚至存在一点互相“看不起。”

一些化学家完全支持应该由Hahn一个人获奖,理由是授予Hahn的是1944年诺贝尔化学奖,因此,这个奖应该完全奖励给化学方面的工作。而Meitner和她的外甥Frish的工作都是物理层面的。

1938年底Hahn在学术会议中介绍自己的核裂变现象的实验研究,下面的听众大多是物理学家,对Hahn进行了大量质疑,其中,这个质疑声音最大的就是玻尔。后期,最为大声疾呼Meitner应该获奖的人也是玻尔。

Hahn报道了核裂变的现象之后,真正兴奋起来的是物理学家们!这是Hahn作为一个化学家始料未及的,他感到震惊!他觉得他的发现被物理学家劫持了。而且,当时他还不确定发生的就是核裂变,他自己也没有弄清楚他自己的发现到底是什么。

Hahn说过,他的发现核裂变,第一个用途竟然是原子弹,所以,他恨那些物理学家。

(二)当时欧洲对女科学家的职业歧视。

出版社的一名编辑曾经拒绝了早期Meitner刚刚从事科学研究时的投稿,理由是:

“我们从来没有想过要发表由一名妇女撰写的文章。”

早年普朗克同意Meitner加入自己实验室的时候,其实还有两个难以理解的附加条件,一是这份工作没有薪水;二是不能堂而皇之地出现在办公室里。

几年以后,Meitner已经在科学界做出了惊人的成果,甚至超过了很多自诩天才的男性科学家。然而初次见到她的卢瑟福都大惊:“我还以为你是个男的!”

可见,当时对女性科学家的歧视。这在一定程度上,也导致Meitner与诺贝尔奖失之交臂。

二战期间Hahn的一些行为也保守争议:他一直在自己的研究所研究核裂变,一方面他不和纳粹深度合作,不认同纳粹;另一方面,他也和纳粹当局的管理者频繁接触,争取自己的研究经费。但是,没有任何证据表明,Hahn对纳粹德国的原子弹研制做出过任何贡献。Hahn和他的同事始终没有能够成功分离出钚,这是做原子弹的核心材料。另一方面,他的合作者Strassmann本人也是一个反纳粹主义者。

我认为:Hahn一直坚守自己对科学的不懈追求。他从纳粹当局申请研究经费,但是没有为纳粹当局做出任何制造武器方面的贡献。

19454月,哈恩和其他9名德国顶尖科学家(还有海森堡)就被盟军抓获了,关在那个著名的英国农场,19457月开始对他们进行监听,直到19461月。监听的德语原文已经不存在了,现在的资料只有被翻译成的英文。得知美国的用原子弹袭击了广岛和长崎,Hahn和其他科学家都震惊了,他表示自己发现的核裂变被用于核武器非常的失望和遗憾,甚至憎恨那些物理学家。

在被关押期间得知获得诺贝尔奖之后,被关押的科学家们还为Hahn进行了庆祝。

得知自己获奖之后,Hahn态度非常复杂,矛盾无奈,百感交集。

在被盟军监管的时间里,他的心情可想而知;现在获得自由以后,他还同时成了一位英雄,不但获得了诺贝尔奖,还被称为“好的德国人”,他可以凭借自己诺贝尔奖得主的威望继续从事自己的热爱的科学研究,他可以改善战后德国科学家的名声,恢复德国科学的复兴。

而在这个极其特殊的这个时候,公开强调和肯定Meitner的贡献,削弱自己在发现核裂变以及获得诺贝尔奖中的贡献,需要极大的勇气。

亲密合作的两个人,只要对其中一个更加肯定,不可避免地一定会带来一点对另一个人的肯定的削弱。

自己热爱的科学事业,战后复兴的祖国科学界,长期合作的伙伴和挚友,自己的荣誉和威望,如何取舍?有机会做这种抉择的科学家,可以说,千年不遇。

设身处地,将心比心,要削弱自己的名誉和威望,还是很难的。Hahn确实没有这种勇气。他当时的态度是忘记过去,面向未来。

他一方面多次强调,核裂变的发现是一个化学的工作。

一方面,他也宣称他的团队包括他自己,Meitner以及Strassmann

他的良心也一直在叩问着他的内心。他把诺贝尔奖金给了MeitnerStrassmann

Meitner接受了和这部分奖金,把它捐给了爱因斯坦创建的原子科学家紧急委员会,用于提醒世界核武器的危害,倡导和平利用核能。

Hahn退休的时候,曾经表示,Strassmann没有分享那部分奖金,Hahn表示很遗憾。

Hahn还积极推荐MeitnerStrassmann获得1947年诺贝尔化学奖。但是,给核裂变另一个诺贝尔奖已经不太可能……

深入史料和文献调研,我完全没有发现Hahn有任何恶意的证据,他当时只是更在意试图利用他的权威和名声来改善战后德国科学的复兴。

HahnMeitner两个人晚年的关系一直非常友好。他们经常一起出席各种学术会议。两个人的共同经历,只有他们两个人心有灵犀。

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至今,也不知道,Hahn送给Meitner的钻戒一直被Meitner珍藏,还是贿赂给了纳粹德国的盖世太保……

参考文献:

[1] 戴宏毅,王尚武, “Meitner和她对发现核裂变的贡献,” 物理,1999 (05) : pp. 55-60.

[2] Gerard H. Lander, and Michael Steiner, “Revisiting the discovery of nuclear fission75 years later,” Journal of Neutron Research, 18, pp. 3–12, 2015. 

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