羞耻地呼吸的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/tidesung617 男儿宁当格斗死 何能怫郁筑长城

博文

从原子弹到月球起源-化学家Urey的故事Ⅱ 精选

已有 9314 次阅读 2022-10-18 13:37 |系统分类:人物纪事

四、制造原子弹

获得诺贝尔奖后,Urey有能力与机会追求他自己喜欢的研究课题。外部资源如不尽长江滚滚而来,他组建了以研究生与博士后为主的团队,进一步探讨氘及其化合物的物理化学性质,同时也延伸到C、N、O、S等元素,一时之间,Urey成为同位素分离领域炙手可热的人物。

1939年,第二次世界大战爆发,在此前后,科学家已经证实U-235是进行核裂变反应的最佳放射材料,鉴于德国已经在着手研究核武器,在爱因斯坦等科学家的建议下,美国决定立即成立相关研究机构,争取赶在德国之前制造出原子弹。制造原子弹首要任务是调查U同位素分离与链式反应,Urey成为不二人选,担任要职为政府部门提供建议。当时同位素分离共有三种方法:离心机分离、气体扩散分离与化学分离,但这三种方法都处于研究阶段,尚不成熟,为了确保万无一失,三种方法同时进行,Urey本人是离心机分离方法的提出者与支持者。

虽然Urey渴望为战争做出贡献,但他只希望开展重水生产与U同位素分离等具体技术工作,而不愿意从事纷繁杂乱的管理工作,也对之缺乏兴趣与热情,与后来“曼哈顿计划”的军方负责人以及同事多有冲突,从而变得焦虑不安、情绪低落。你不能辞职,又没有人喜欢你留在身边;有些事看起来毫无希望,又需要崇高的理想支撑前行,Urey几近崩溃的边缘,这很容易让人想起他父亲临死前的状态。后期,他的主要职责被别人代替,他成了名义上的负责人,他也乐得清闲,神情仿若吸了水的海绵又变得饱满光亮起来。虽然项目一路磕磕绊绊,但结局皆大欢喜,也取得了预想的效果,投放于广岛的“小男孩”原子弹大部分铀就是这个项目的结晶。战后回想那段历史,Urey如是说:“政府可能对原子弹计划的成功几乎没有信心,他们希望找一个替罪羊,一个诺贝尔奖得主是最佳选择,他就是那个倒霉蛋,失败了是我的失败,成功了是别人的成功。”核研究并没有随着“曼哈顿计划”的结束而结束,相反在其他领域开花结果,例如核电站建设用于发电、核磁共振医疗成像、放射性疗法治疗癌症……

         image.pngimage.png            

Urey在曼哈顿项目中(左三)及“小男孩”原子弹爆炸(来自网络)

五、科学与社会&宗教

Urey一直是一位活跃、广受欢迎的演说家,但战争前后,他对科学与社会、宗教的观点迥然各异。战争前,他认为科学在与自然交流,追逐真实与美丽的同时,也应该为社会公众服务,不断提高人类的福祉。经济大萧条一定程度上与科学的发展密切相关。当科学速度发展较慢时,人们有充足的时间调整身心与技能的变化;而科学的快速进步则如一阵飓风,吹落了身上的衣裳,只剩下一条草裙,使人们变得无所适从。第二次工业革命期间,科学应用于工业的一个“副产品”是,工业从诞生、成长到成熟往往不到一年的时间,还没有享受成功的喜悦就迅速被“刖足”,仿若刚刚学会飞翔的雏鹰就折断了翅膀。他劝告年轻人应该以开放的心态对待社会变化,这种变化大势所趋不可避免,应该抱以积极的态度去迎接,而不是消极的思想去抵制。科学和技术能够帮助社会消除战争和贫穷,使全人类走向富足与和平,但科学也常常被社会利益左右,因此科学并不适合所有社会,那些拥护开明政府和发展人文主义的国家更有利于科学蓬勃发展。作为科学家,他们的最高目标不是工作与红利,而是为人类的精神和智力满足做出贡献,他们必须时刻保持客观与真诚,不惜牺牲个人生活与时间,不会为了一己之私而大言不惭,谎话连篇,最终成为科学的贱民,遭人唾骂。

战争的痛苦经历使Urey战争之后一时之间找不到前进的方向,人类好斗和破坏的本能最终将科学引向军事冲突,而科学支持军事活动必然带来文明的践踏与破坏。原子弹的傲然出现改变了时空,生活秩序与社会结构需要重塑,出于强烈的社会责任感与原子弹爆炸的愧疚感,Urey痴人说梦,幻想建立世界联合政府,统一管理,认为这样就可禁止原子弹,消灭人类战争。他参与运动,四处演讲,随着苏联拒绝美国提出的核控制计划,他的想法泡了汤,转而支持杜鲁门主义与马歇尔计划……

Urey在战前将科学描述为对真与美的探索,而战后人类的善与恶占据了主导地位。科学研究只能选择那些客观、诚实的人,而无助于道德与良知的筛选,科学家没有了良知与道德,就像狗没有了心与肺。在二战前后大是大非面前,具有宗教信仰的人表现得更勇敢与积极,特别是冷战期间,他越来越坚信:道德勇气是区分英雄与恶棍的标准。科学的进步,特别是革命性思想的提出,如日心说、生命起源等与宗教思想严重冲突,但提出这些思想的科学家多是虔诚宗教的追随者,没有扰乱、破坏他们那个时代宗教信仰的意图。现代科学起源兴盛于基督教占主导地位的西方社会,而基督教及其他教派多强调人类与宇宙的伟大,告诫人们以伟大和高尚的方式思考伟大的事情。犹太教《十诫》中强调,“不可撒谎”,就是不可错误解释你的分析数据;“不可偷窃”,就是不能把别人做过的工作据为己有。这两条戒律对科学至关重要,在一个不普遍接受和实践它们的社会中,科学是无法产生和维持的。科学要想保持道德与良知,就需要深刻融入古老的宗教教义。

六、同位素地质温度计

第二次世界大战后,Urey与包括费米在内的几个哥伦比亚大学的同事“打包”去了芝加哥大学,他们在那里组建了核研究所(现在称为费米研究所),致力于核军事之外其他领域研究。Urey被原子弹爆炸“吓呆了”,对曾经令他名满天下的同位素分离感到厌倦,急于寻找新的方向以摆脱心灵的梦魇。

Urey在研究氘时就知道,含氘的水与不含氘的水存在一定的物化性质差异,并利用这种差异进行同位素分离,这种差异的实际意义在哪里呢? Urey注意到,自然界某些作用会导致同位素富集,生活于水中分泌碳酸钙的有机物,在新陈代谢过程中会使用氧,趋向富集18O。例如,水的18O/16O比值为1/500,在0℃时,水与碳酸钙交换氧同位素达到平衡时,碳酸钙的18O/16O比值为1.026/500;而在25℃时,碳酸钙的18O/16O比值为1.022/500。这表明碳酸钙相比水,18O略有富集,而且冷水中相比温水中含有更多的18O。Urey立即意识到自然界存在一种耐久的新型温度计,这种温度计已在岩石中埋藏了几百万年,可以测量那个地质时期的古水温度。要想实现古温度测量,还需要解决两个技术难题。第一是氧同位素的数据测量,由于氧同位素的差值非常小,这就需要精密高端仪器,“曼哈顿计划”中发展起来的质谱仪可以满足这一需求,在多方求助无果后,Urey很生气,后果很严重,在质谱仪专家Nier的指导下,与助手花了两年时间制造出了自己所需的质谱仪。第二是需要选定一个标准值,以便于比较。研究表明,只有那些完全生活在高盐度海水中,拥有厚重巨大碳酸钙壳的生物才能满足要求,箭石成为最佳选择。它的尾部拥有一块如子弹一样坚硬的骨骼,通常被保存为密实的化石,雪茄般大小。令人唏嘘地是,Urey的天才想法开始并没有招徕到本土“顾客”,他只好求助于以前的助手,在加拿大麦克马斯特大学任教的Henry Thode,Thode给他推荐了在质谱仪方面小有成就的Samuel Epstein,最终开创了一番新天地,地质学多了一个新分支。Urey重回科学,满血复活,对古温度测量这个丰硕成果兴奋不已,也一时之间摆脱了战争带给他的创伤。在回忆Urey这段工作经历时,Epstein如是说:“他从来不一次一个台阶地爬楼梯,总是一次两个台阶,他对研究的热情极富感染力,他总是穿着一件白衬衫,小心翼翼地走进实验室,回家时身上沾满了油渍,因为他无法抵御更换油泵的诱惑。”

image.pngimage.png

箭石复原图及保存为化石的尾部(上图由袁伟绘制,下图来自网络)

七、生命肇始

1950s早期,Urey对地球化学的兴趣以及对陨石的研究让他开始思考生命的起源。Urey指出,地球早期主要为还原性气体,由H2、NH3、CH4、H2O等组成,这种气体组合经受放电反应,就会形成碳水化合物,为生命出现提供先决条件。在一次研究所每周定期召开的研讨会上,Urey兴致勃勃地描述了生命起源的预想实验,把水和甲烷混合在一起,然后放电,看会有什么结果。会后,一位叫Stanley Miller的研究生来到了Urey的办公室,问是否可以尝试这个实验作为他的博士课题。Urey开始有些犹豫不决,担心这个实验会走入死胡同,但Miller固执己见。在Urey的指导下,Miller设计了一个实验,模拟了Urey提出的大气条件,被称为“原始汤”,实验进行的非常顺利,只花了三四周的时间,就产生了生命所需的氨基酸与糖等基础物质。研究成果于1953年发表在了science上,Miller是唯一的作者,Urey只出现在了脚注中。Urey似乎总是很乐意将研究成果全部归于他的学生和资历较浅的同事,这样即使他们离开了实验室,也有机会将这项工作进行到底,而Urey则去寻找下一个崭新的课题。在那个战后万象更新、跃跃欲试的年代,因循守旧、墨守成规而不开疆扩土、征占地盘,只会成为朽木一块,冷风凄雨中残抱余生。

image.png

Miller-Urey的“原始汤”实验(来自网络)

八、月球起源

Urey希望从化学的角度对太阳系的形成与演化进行阐释,为此需要一个天体作为“绘画的模特”,他选中了月球。1949年,在去加拿大演讲路途的火车上,他拿起了芝加哥大学出版社刚刚出版的《月亮的脸庞》(Face of the Moon),沉浸其中,不能自拔。演讲回来后,Urey通过关系要来了许多月球照片,把它们贴在办公室的墙面上。正是在这张拼图中,Urey形成了他对月球的最初看法,月球是一个冰冷而古老的星体,与太阳系的形成有着千丝万缕的关联。1952年Urey出版了《The Planets: Their Origin and Development》,用冷吸积理论详细阐述了行星的形成,即行星是由无数小的、冷的固体物质聚集而成,与热吸积理论针锋相对。而月球缺乏重力均衡这个最显著的证据使Urey坚信月球现在不可能,过去也不可能像地球的外部一样具有可塑性,从而表明了月球的冷起源属性,月球表面可能清楚地记载着太阳系初始形成时的证据。

1957年10月4日,前苏联成功发射了人类第一颗人造卫星Sputnik,这引起了一直自诩处于导弹和航天领域领先地位的美国的恐慌,从而激起了两个超级大国之间的“太空争霸”。为了回应苏联咄咄逼人的气势,美国于1958年秋天成立了国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA),急于寻找在太空的存在感。Robert Jastrow是NASA新组建理论部门的头头,他找到Urey,Urey给他解释了月球的起源,并认为月球是后来被地球捕获而来到身边的。Jastrow很快就抓住了Urey理论的核心所在,即月球表面保存着它诞生时的记录,或者至少是地月系统早期的记录,从而有了一个令人信服的理由来推销太空科学在探月任务中的作用:月球可以告诉人类一些在地球上永远学不到的东西,它可以帮助人类解开太阳系起源及生命起源的谜团。在他们的共同努力下,美国国会最终批准了探月计划,并下定决心,在1960s末将人类送上月球,Urey关于月球的起源为推进该提议提供了良好的弹药。

image.png

月球形成的“捕获说”,现在认可“撞击说”

随后对月球的探索多少令Urey有些失望,他更关注对月球的科学研究,而美国政府只是将其作为大国较量的棋子,超越苏联领先于世界是他们的最终目的,从这层意义上来说,在野心的政治家面前,科学充其量只是一个略有姿色的丫鬟。月球最终也令Urey失望了,阿波罗11号取回来的样品分析结果表明,月球不可能出现在行星出现之前,在早期经历了重要的熔融作用。尽管月球没有成为太阳系形成的罗塞塔石碑,但谁也不可否认Urey是月球科学真正的“现代之父”。

九、只此一生

Urey起于微末,长于乡野,求学于都市,成名于本土,一生如他的科学偶像爱因斯坦一样有着强烈的、孩童般的好奇心,其兴趣、成就和影响横跨化学、天文学、天体物理学、地质学、地球物理学和生物学等诸多领域,带领人类从一个破裂的时代奔向一个又一个意识的高原。他总是把目光集中于前沿广泛问题,同时又表现出对许多细节一丝不苟的耐心。他异乎寻常的专注力和工作力是他在探索开辟新领域方面取得成功的主要因素,当他对自己好奇的专题相关知识烂熟于心的时候,他就会用一种新理论来解释大量不相关的事实。他自认只是一个优秀的实验学家,为了达到研究目的,需要经常设计新的实验,有些仪器设备已经超过了当时的技术水准。

1920s,作为一名物理化学专业的研究生,他意识到这门学科的未来发展需要原子和分子系统的量子理论知识,为此他去了正在经历量子革命的欧洲最前沿堡垒-哥本哈根理论物理研究所,利用在那里学到的知识加上他后来的不懈坚持,最终发现了氘的存在,这项研究的构思、实验的设计、实际的发现和发表都是科学研究计划和执行的典范。

Urey对民主政府和世界事务的关注,导致了1941年“曼哈顿计划”产生的紧迫感。他在铀同位素分离、重水生产和相关服务等方面的工作,为该项目的成功做出了突出贡献,但从未得到充分赏识。战争结束后,Urey构想了同位素温度计,测量古代海洋的温度是地球科学的重大进展之一,是一项非凡的科学与智力成就。以此为起点,他对月球、行星形成、元素丰度、生命起源产生了浓厚兴趣,成为载人登月计划的主要参与者。

Urey古道热肠、侠客风范,为受纳粹迫害的欧洲避难科学家而忧虑,为毕业找不到工作的学生而奔波,为向苏联泄露原子弹秘密而被送上断头台的学者而伸张正义,为国家专注战争而忽略基础研究与培养下一代科学家而义愤填膺。他是一位伟大的科学家,他又不只是一位伟大的科学家,他的触角伸向人类灵魂、国家事务、宇宙天际,无论伸向哪里,都留下了不可磨灭的印迹。1981年1月5日他在微笑中死去,享年88岁。科学、宗教、民主、自由如满天星辰发出耀眼的光芒,但同时又像不断膨胀的宇宙,在红移中,离人类渐行渐远……

致谢:我对Urey产生兴趣源于在写他的学生Epstein时,2019年芝加哥大学出版社出版了《The life and science of Harold C.Urey》一书,第一本有关Urey的传记,我毫不犹豫地买下,但阅读体验如穿越渣状熔岩,主要还是对相关知识知之甚少。感谢周新华先生给我提供的Urey的资料以及对我的鼓励与支持,也感谢我的同事江西应用科技学院袁伟老师精心绘制的图件。

参考文献

1.Matthew Shindell.2019.The life and science of Harold C.Urey.The University of Chicago Press:Chicago and London.1-259

2.James R.Arnold,Jacab Bigeleisen and Clyde A.Hutchison JR.1995. Biographical Memoir :Harold Clayton Urey 1893-1981.National Academic Press:Washington D.C.363-411

3. Angela N. H. Creager. From bomb to the moon: Harold Urey, alum and Nobel laureate of principles

https://chemistry.berkeley.edu/news/bomb-moon-harold-urey-alum-and-nobel-laureate-principles

4.Matthew Shindell. 2014.Harold C. Urey: Science, Religion, and Cold War Chemistry

https://www.sciencehistory.org/distillations/harold-c-urey-science-religion-and-cold-war-chemistry

5.Ferdinand G.Brickwedde.1982.Harold Urey and the discovery of deuterium. Physics Today,34-36




https://blog.sciencenet.cn/blog-115490-1359905.html

上一篇:从乡村少年到科学大伽-化学家Urey的故事Ⅰ
收藏 IP: 223.83.152.*| 热度|

5 周忠浩 杨正瓴 崔锦华 晏成和 孙学军

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (8 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2023-2-4 06:56

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部