五、费米等人的实验

意大利物理学家费米因用中子轰击靶元素产生放射性和超铀元素获得1938年诺贝尔物理奖。他到斯德哥尔摩领取诺贝尔奖后没有回国，而是与全家前往美国，于1939年1月2日到达纽约市。五所大学向他提供了教授职位，他最后决定到哥伦比亚大学工作。费米离开意大利的主要原因是意大利政府在1938年颁布了种族法，而费米的妻子是犹太人。

玻尔1939年1月到普林斯顿大学讲学，带来了哈恩-斯特拉斯曼实验及迈特纳与弗里施的理论解释和弗里施实验的信息。两位哥伦比亚大学的物理学家，拉比（IsidorIsaac Rabi，1898 –1988）和兰姆（Willis EugeneLamb, Jr. 1913 –2008），正在普林斯顿大学工作，他们把信息带回给费米。拉比是波兰出生的犹太人，在美国长大，因发现核磁共振获得1944年诺贝尔物理奖。兰姆因氢光谱精细结构方面的发现获得1955年诺贝尔物理奖。拉比和兰姆带回的这个消息对费米来说是有点尴尬，因为这些发现说明诺达克是正确的，而费米否定了她的意见，并且费米刚得到的诺贝尔奖的部分原因是发现“超铀元素”。

得到这个消息后，费米和哥伦比亚大学的其他物理学家决定重复上述实验，测定裂变释放的能量。他们在1939年1月25日做了实验，实验团队包括美国物理学家安德森（Herbert Lawrence Anderson， 1914 –1988）、布斯（EugeneTheodore Booth，1912 –2004）、邓宁（John Ray Dunning， 1907 –1975）、格拉索（G. NorrisGlasoe，1902 –1987）、斯拉克（FrancisGoddard Slack，1897–1985）。他们的文章《铀的裂变》（Fissionof uranium）后来发表在1939年3月1日出版的《物理评论》（PhysicalReview），安德森为第一作者。第二天，乔治·华盛顿大学和华盛顿的卡内基研究所资助的第五届理论物理华盛顿会议在华盛顿市召开，玻尔和费米在会上公开讨论了铀裂变。核裂变的消息得到更广泛的传播，更多人重复这些实验。

哈尔班、约里奥-居里和科瓦尔斯基的实验是在1939年3月8日完成的。费米、安德森、汉斯坦（H. B. Hanstein）、西拉德、齐恩（Walter HenryZinn， 1906 –2000）在1939年3月15日也完成了同一实验。1939年3月18日费米到美国海军部做了关于核能潜在影响的讲演，得到海军1500美元的经费资助。安德森、费米和汉斯坦的中子轰击铀核产生中子的文章发表在4月15日的《物理评论》。在1939年4月，哈尔班、约里奥-居里和科瓦尔斯基的得出每个裂变铀核产生2-3个中子的结论，安德森、费米和西拉德等人也独立得到了同样结论。美国、英国、法国、德国和苏联的科学家都开始寻求政府对裂变研究的支持。安德森、费米和西拉德关于铀产生和吸收中子的文章发表在8月1日的《物理评论》。

六、临界质量分析和英国的MAUD委员会与“管合金”计划

要想制造原子弹，二代中子必须在飞出铀材料之前撞击到能裂变的铀核，从而产生下一代中子。能维持链式反应的裂变材料最小质量为临界质量。不同裂变材料的临界质量不同，铀材料中有效的裂变同位素是铀-235。关于发现铀-235是裂变材料有一个普拉切克到美国与玻尔会合后的故事。1939年2月3日早餐后，玻尔看到普拉切克和比利时物理学家罗森菲尔德（Léon Rosenfeld，1904–1974) 一起聊天。他们在讨论迈特纳和弗里施解释哈恩和斯特拉斯曼实验结果的文章与弗里施的实验，玻尔听到这里，笑道：“他们工作带来的一个好处是我们不用操心超铀元素了。”普拉切克回应道：“是的，但是现在的情况更糟。你怎么把它与你的核反应理论协调起来？”普拉切克问玻尔，怎样解释慢中子而不是快中子引起铀核裂变？怎样解释慢中子引起铀核裂变而被钍核吸收？据说玻尔听到这里，脸马上变白，拉起罗森菲尔德，穿过校园回到他的办公室。他走到黑板前开始工作，画了一些草图，十分钟后停了下来。他已经得到普拉切克关于铀核裂变问题的答案：慢中子的引致裂变截面一定是由于铀中的少量铀-235；随着能量降低，慢中子波长增加，截面增加。玻尔的这一铀-235是裂变材料的结论并没有广泛传播出去。

有一项理论分析可能对发展原子弹竞赛的结果产生了重大影响。1939年5月1日在约里奥-居里实验室工作的佩林在法国科学院通报（Comptes Rendus）发表了对铀临界质量的分析，他的结论是铀维持链式反应的临界质量在数顿以上。在这样的质量下，裂变材料可能在爆炸之前就会因过热而散失，因此，不能制造核弹。佩林的计算使约里奥-居里实验室的工作从此转向可控核反应堆，德国可能也因此没有开展像样的核武器计划。欧战结束时，格罗夫斯将军随盟军到德国接收核物理研究设施，发现德国核武器研究没有什么实质进展。

1939年夏天弗里施离开丹麦到英国短期访问，战争爆发使他滞留。1940年2月，弗里施和鲁道夫·派尔斯（Rudolf Ernst Peierls, 1907 –1995）计算出用铀235维持链式反应的临界质量为1千克左右，从理论上证明原子弹的实用性。派尔斯是德国出生的犹太人，希特勒上台时，他正由洛克菲勒奖学金资助在剑桥大学学习，就留在英国工作。弗里施和派尔斯合写了弗里施-派尔斯备忘录。在弗里施和派尔斯的工作之前，人们普遍认为铀的临界质量在数顿以上，即使可以制造原子弹，也不实用。弗里施-派尔斯备忘录第一次指明用少量可裂变铀-235制造原子弹，通过普通炸药把裂变材料聚到一起形成临界质量。备忘录也估计了爆炸的效应，从开始的冲击波到最后的放射性尘埃。他俩把文章送给他们的教授奥列芬特（Marcus"Mark" Laurence Elwin Oliphant，1901 –2000），奥列芬特通知了英国陆军防空科学调查委员会主席蒂泽德（Henry Thomas Tizard，1885–1959）。1940年3月，弗里施-派尔斯备忘录促使蒂泽德成立了铀引爆军事应用（Military Application of UraniumDetonation, MAUD）委员会，主席为物理学家汤姆森（George Paget Thomson, 1892 –1975，因发现电子的波动性获1937年诺贝尔物理奖），成员有奥列芬特、物理学家布莱克特（Patrick Maynard Stuart Blackett, 1897 –1974)）、查德威克、物理学家穆恩（Philip Burton Moon，1907 –1994）、考克饶夫。在弗里施-派尔斯备忘录基础上，英国开始了代号“管合金”（Tube Alloys）的原子弹发展计划。

七、爱因斯坦-西拉德给罗斯福总统的信和美国政府的行动

哈恩和斯特拉斯曼、迈特纳和弗里施、弗里施、哈尔班等人的发现使科学界像受了电击一样，在美国工作的物理学家尤其是从欧洲来到美国的犹太人物理学家对他们工作的意义有更深刻的认识。因为这些发现可用于制造核武器，而德国具有这方面的知识和人才，所以一旦德国早于其他国家发展出原子弹，世界历史的进程就会受到影响。1939年7月西拉德在与特勒（Edward Teller， 1908 –2003，物理学家，后来的美国氢弹之父）和维格纳（Eugene Paul "E. P." Wigner,1902 –1995，物理学家和数学家）商讨后，决定劝说爱因斯坦与西拉德一起写信给罗斯福总统，提醒他最新科学发现使制造威力巨大的核武器成为可能，德国可能正在开展原子弹研究，建议美国开展核武器研究，敦促美国政府获取和储存铀矿石，并支持费米等人进行核链式反应的研究。特勒和维格纳都是匈牙利出生的犹太人。西拉德两次拜访爱因斯坦，1939年8月2日写成给罗斯福总统的信。10月11日该信由美国经济学家和银行家萨克斯（Alexander Sachs， 1893 –1973，犹太人）转交给罗斯福总统。

罗斯福总统收到信后，决定成立铀顾问委员会，由美国国家标准局局长布里格斯（Lyman James Briggs， 1874 –1963）担任铀顾问委员会主任。布里格斯在1939年10月21日召集了铀顾问委员会第一次会议，出席的成员有西拉德、维格纳和特勒。铀顾问委员会给罗斯福总统的报告认为，“铀可能提供制造比任何已知的东西破坏力更为巨大的炸弹的材料”，并决定提供6000美元经费支持哥伦比亚大学费米和西拉德的中子实验。

1940年6月27日罗斯福总统发布命令成立国防研究委员会（ National Defense Research Committee ）作为国防委员会（Council of National Defense）的一个组成部分，并任命卡内基研究所主任布什（Vannevar Bush, 1890 –1974)为国防研究委员会主席。成员包括海军少将博文（Harold G. Bowen）、专利署长科（Conway P. Coe）、马萨诸塞理工学院校长卡尔·康普顿（Karl Taylor Compton， 1887 –1954，著名物理学家，1930-1948年任马萨诸塞理工学院校长，但不是发现康普顿效应的阿瑟·康普顿）、哈佛大学校长化学家科南特（James Bryant Conant， 1893 –1978，1933-1953年任哈佛大学校长）、国家科学院院长和贝尔实验室总裁朱厄特（Frank Baldwin Jewett，1879 –1949）、陆军准将斯特朗（George Veazey Strong，1880 –1946）、加州理工学院物理化学和数学物理教授托尔曼（Richard ChaceTolman， 1881 –1948)）。1940年7月2日的第一次会议上托尔曼被选为国防研究委员会副主席。斯特朗1941年1月17日由陆军准将摩尔（R.C.Moore）接替。

1941年3月卡内基研究所地磁系测量了铀-235快裂变截面。根据他们的测量结果，派尔斯计算铀-235临界质量作为裸球为18磅，被包裹在反射装置内时为9磅。同月，MAUD委员会形成一份关于快速裂变对原子弹设计的重要性的报告，并送给美国铀委员会一副本。在英美科学家的推动下，国防研究委员会主任布什决定进一步调查核能前景，由康普顿和国家科学院的人参与。他们发表了一个报告，但没用涉及原子弹的设计和制造。

1941年6月28日罗斯福总统发布命令成立科学研究与发展办公室（Office of Scientific Research andDevelopment）取代国防研究委员会所有职能并有更大权力，由布什担任主任并由罗斯福总统直接领导。国防研究委员会则重组为科学研究与发展办公室的咨询顾问机构，主席为科南特，副主席托尔曼，成员有化学家亚当斯（Roger Adams， 1889 –1971）、卡尔·康普顿、朱厄特、专利署长和陆海军代表。1941年7月1日布什决定亲自负责所有裂变研究，铀顾问委员会成为国防研究委员会的负责S-1工程的S-1铀委员会，其主任布里格斯的直接领导是布什。

八、MAUD委员会报告和曼哈顿工程的开始

MAUD委员会在1941年7月最后形成了两份报告，一份关于核武器，认为制造原子弹是可能的，并且可以及时制造出来影响战争结果，主张与美国合作发展；另一份关于和平利用核能。MAUD委员会的报告送给担任美国国家标准局局长和铀委员会主任的布里格斯（Lyman James Briggs， 1874 –1963），但没有引起足够重视。1941年8月奥列芬特飞到美国，发现布里格斯把MAUD委员会的报告锁在自己的保险柜里，还没有与铀委员会成员分享。奥列芬特会见了铀委员会的成员，包括新成员美国物理学家阿里森（Samuel King Allison，1900 –1965），强调发展原子弹的重要性、可行性和紧迫性及英国目前缺乏足够资源完成原子弹开发项目。然后奥列芬特访问了朋友，物理学家劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence， 1901 –1958，因发明回旋加速器获得1939年诺贝尔物理奖）、科南特和费米。劳伦斯也联系了科南特和物理学家康普顿（Arthur Holly Compton， 1892 –1962，因发现康普顿效应获1927年诺贝尔物理奖）。奥列芬特成功地让他们相信发展原子弹的重要性、可行性和紧迫性，一起推动美国政府开始发展原子弹。

1941年10月9日科学研究与发展办公室主任布什把MAUD委员会的最终报告送交罗斯福总统，罗斯福总统、华莱士副总统和布什开会讨论了发展原子弹问题。罗斯福总统批准了发展原子弹计划，并同意与英国合作。1941年10月11日罗斯福总统致电英国首相丘吉尔建议双方在原子能问题上合作。1941年12月6日布什召集会议决定加速阿瑟·康普顿负责的铀-235研究计划，物理化学家尤里（Harold Clayton Urey，1893 –1981）研究气体扩散法富集铀-235，劳伦斯研究电磁富集技术。尤里因发现氘获得1934年诺贝尔化学奖，他在生命的化学起源理论方面也做出了重要贡献。1941年12月18日决定S-1分部（S-1 Section）的主要任务是发展铀为材料的炸弹。1942年1月罗斯福总统授权全力发展核武器，开始了以制造原子弹为目标的大规模研发工程。1942年6月17日罗斯福总统批准布什的建议，解散S-1分部，成立以柯南特为主席的S-1 执行委员会（S-1 Executive Committee），成员有布里格斯、阿瑟·康普顿、劳伦斯、尤里、化学家莫弗瑞（Eger Vaughan Murphree， 1898 –1962）。1942年8月13日美国陆军工程兵团设立了以研制原子弹为目标的曼哈顿工程。1942年9月23日格罗夫斯上校（Leslie Richard Groves, Jr. 1896 –1970）被任命为曼哈顿工程负责人，并被提升为准将。1943年苏联内务部情报人员得到了MAUD委员会的报告，苏联也开始了发展、制造原子弹的项目，由核物理学家库尔恰托夫（Igor Vasilyevich Kurchatov，俄语И́горьВаси́льевич Курча́тов; 1903 –1960）负责。

弗里施-派尔斯备忘录的理论计算是美国大力投入曼哈顿工程的重要原因之一。对原子弹发展最重要的实验发现及理论解释是哈恩和斯特拉斯曼、迈特纳和弗里施、弗里施、哈尔班和约里奥-居里及科瓦尔斯基、弗里施和派尔斯等人的工作，《洛萨拉莫斯启蒙：关于如何制造原子弹的第一批讲义》讲的也就是这些工作。到此，制造原子弹的实验基础、理论基础和政治决心都已经完成，the rest is history。