第一座人造核反應堆如何重塑科學和社會？

【導言】75年前，在芝加哥大學足球場看台下方，科學家們邁出了「駕馭」鏈式裂變反應的第一步。他們的研究開創了原子時代，並使得曼哈頓計劃向不可思議的武器應用方向發，後來，同樣的技術推動了核能發電廠的建造，目前這些核電站提供的能源佔美國總能源供應的20%。這種具有驚人的和可怕潛力的原子裂變對從醫學到藝術——我們生活的各個方面都產生了影響。

1942年12月，芝加哥Pile-1的出現使得世界迎來了原子時代。

藝術家筆下的經藝術加工過的CP-1反應堆。（來源：芝加哥大學）

那是75年前，在芝加哥大學足球場看台下方，科學家們邁出了「駕馭」鏈式裂變反應的第一步。他們的研究開創了原子時代，並使得曼哈頓計劃朝向不可思議的武器應用方向發，後來，同樣的技術推動了核能發電廠的建造，目前這些核電站提供的能源佔美國總能源供應的20%。這種具有驚人的和可怕潛力的原子裂變對從醫學到藝術——我們生活的各個方面都產生了影響。

故事始於1938年底，化學家奧托·哈恩（Otto Hahn）,斯特·拉斯曼（Fritz Strassman）和莉澤·邁特納（Lise Meitner）發現原子——名字來源於希臘語「不可分割的」——其實是繼續分開的。通過與邁特納（Meitner）這位來自納粹德國，已在瑞典斯德哥爾摩定居的難民的合作，哈恩（Hahn）和 拉斯曼（Strassman）在柏林大學使用中子轟擊大且不穩定的鈾原子，他們吃驚的發現，這一過程可以產生比鈾輕的多的元素鋇。這一發現表明將鈾原子分裂成質量較小、化學成分完全不同的組分是有可能的。

這三位研究人員屆時立刻知道他們進入到了一項新事業中。改變元素的種類一直以來是鍊金術士的幻想，然而現在發現這是科學的事實。在那時，他們僅知道他們的發現將要引發一系列科學和文化方面的革命。

邁特納（Meitner）和他的侄子奧托·弗里希（Otto Frisch）迅速展開了理論方面的研究工作，並在1939年1月的自然雜誌上發布了他們的新發現——裂變的機理以及裂變過程伴隨著驚人的能量釋放。重鈾核激發，從不穩定的高能狀態轉變成穩定的低能態時，會釋放出大量的能量，更重要的是，原子分裂時會釋放出中子，而這些中子本身會引發周圍的鈾原子核發生裂變反應。

哥倫比亞大學的一個美國研究團隊迅速重現了柏林的科學發現，很明顯原子分裂釋放的能量不是開玩笑的。考慮到當時的地緣政治氣候，迅速利用這項新技術具有極大的意義，當時的世界本身就像一個處於自我毀滅邊緣的不穩定原子。美國的富蘭克林·羅斯福總統越來越關切海外這位有魅力的暴君（阿道夫·希特勒）的崛起。

科學家們在芝加哥大學體育場看台下方建造了龐大的反應堆。（來源：芝加哥大學）

對一些化學家和物理學家而言，情況變得更糟糕了。「包括愛因斯坦和匈牙利物理學家西拉德在內的納粹德國的難民，知道這個發現意味著什麼可能，」芝加哥大學物理學教授埃里克·伊薩克（Eric Isaacs）表示，「他們（科學家們)知道阿道夫·希特勒，而且通過他們美國的同學和同事，他們很快意識到發現裂變反應可釋放巨大能量的現象，可能用於邪惡的方式。」

尤其令人恐懼的是，通過將一系列的裂變反應串聯起來（鏈式反應），其產生的能量足以造成真正的毀滅。這種擔憂促使愛因斯坦和西拉德1939年8月向羅斯福總統寫了一封信，提醒羅斯福總統德國製造核彈的危險程度，並敦促在美國也開展相應研究計劃。愛因斯坦和莉澤·邁特納（Lise Meitner）在德國反猶情緒激烈的時候放棄他們在德國的教授職位，希望這條的嚴肅的信件能給總統留下深刻的印象。

一個月之後，希特勒的軍隊進攻波蘭，引發了第二次世界大戰。正如伊薩克（Isaacs）描述的那樣，羅斯福很快從西拉德的角度開始思考，並看到了盟軍使用核武器打敗德國的需要。為了實現這一目標，政府正式招募了一支忠誠的、極有才華的核研究小組。羅斯福給愛因斯坦的後續信中寫道，「我已經召集了一個委員會，對你關於鈾元素建議的可能性進行徹底研究。」

伊薩克（Isaacs）表示，「愛因斯坦的信經過一段時間才起作用，但一旦開始行動，政府就開始對這項研究工作進行資助了。」 時任芝加哥大學物理系主任的阿瑟·霍利·康普頓（Arthur Holly Compton），1941年在大學裡組建了一支由化學家、物理學家和冶金學家組成的科學家夢之隊，這支隊伍包括恩里科·費米（Enrico Fermi）和西拉德（Szilárd）在內，芝加哥大學就是他們開始實驗的地方。

CP-1反應堆紀念碑花園的鳥瞰圖。它中心是亨利·莫爾（Henry Moore）製作的球根狀的雕塑「核能」，其周圍是黑色卷鬚組成的名為「核門檻」的雕塑。（來源：芝加哥大學）

夢之隊的目標是在可控環境內進行一系列自持裂變反應。換句話說，核鏈式反應。哈恩（Hahn）和斯特拉瑟曼（Strassman）曾在單個的原子上觀察到裂變反應。現在，康普頓、費米和西拉德希望將數十億個裂變反應串聯起來，由一個裂變反應產生的中子引發周邊的原子發生裂變反應，這種裂變效應將呈指數增加，其產生的能量也呈指數倍增加。

為了開展相關實驗，他們建造世界上第一座人造核反應堆，一座方形結構，由石墨專和木材建造的裝置，約60英尺長，30英尺寬，30英尺高。裝置內部，使用鎘控制棒吸收裂變反應產生的多餘的中子，以防止災難性的失控事件發生。反應堆位於芝加哥大學Stagg足球場看台的下方，通過一個月的設計和建造，其成功的引發了鏈式反應，並開始發電。

芝加哥科學家全明星隊向著曼哈頓項目的目標——在軸心國之前研製出核彈邁出了關鍵的第一步。這一目標在1945年實現，當時美國在日本廣島和長崎投下了原子彈，給予日本致命的一擊，結束了這場戰爭。（「這是我的，」愛因斯坦聽到這一消息後表示）然而芝加哥的Pile-1，綽號CP-1反應堆不僅代表了美國軍事力量的進步，也證實了人們進入以原子為燃料的時代的能力。

CP-1實驗最顯著的遺產之一是核工業的發展，物理學家恩利克·費米在將芝加哥的實驗轉化到能源應用方面起到了關鍵作用。「長遠來看，費米的確對於發展核武器沒有興趣，」伊薩克（Isaacs）表示，「然而，當時很顯然費米完全投身於曼哈頓計劃，不過在戰爭結束後，他繼續建造反應堆的工作，認為反應堆可以用於民用發電。」

從側面看到的亨利·摩爾的「核能」雕塑，其背後是Joe 和 Rika Mansueto圖書館的穹頂。（來源：芝加哥大學）

伊薩克（Issacs）指出CP-1所示範的可控裂變反應為核技術用於醫學（X射線，CT掃描以及其他診斷手段，例如癌症療法）和農業（伊薩克舉了使用射線照射香蕉，以使其基因突變，來努力實現香蕉的多樣性）鋪平了道路，然而CP-1最大的影響是科學自身的實踐。

伊薩克表示，「若是你對戰後發生的事情進行思考，就會發現一些新事物是伴隨著聯邦機構支持這項研究而出現的：例如現名為能源部的原子能委員會，多年之後的國家科學基金會和國立衛生研究院，這些機構都是在CP-1成功實驗後形成的，而曼哈頓計劃則為增強公眾對於科學技術的信心方面鋪平了道路。」

CP-1的成功使得科學家聯盟這個「夢之隊」的聲望急劇上升。伊薩克認為現在大學間進行的癌症研究，可作為曼哈頓計劃模型的自然延伸：將全國最聰明的人聚到一塊工作，讓奇蹟發生。多虧了互聯網，現代的研究者們可以通過數字方式而不是物理方式來分享數據和相關猜測，不過芝加哥1號的快速、以目的為導向的構思和原型目前仍非常活躍。

Stagg球場於1957年關閉，曾經為世界上第一座人造反應堆遮風擋雨的看台隨後也被立即拆除，目前在該廠址建造成為了一個低調的灰色四邊形紀念碑，被大學的研究設施以及圖書館所包圍，在這開放式空間的中心，用一個圓形甲殼狀的青銅雕塑來紀念原子時代的突破，它的形狀可以代表防護盾或者核爆蘑菇雲的頂部，名為「核能」雕塑是由抽象雕塑家亨利·莫爾（Henry Moore）專門創作的。

芝加哥大學藝術史系主任克里斯頓·梅林（Christine Mehring）對莫爾的神秘雕塑的問題是，「這是毀滅還是進步？」從核世界75年前交付給我們開始到現在我們仍舊佔領，這個過程中，這個問題似乎註定永遠困擾著我們。

作者簡介：Ryan，最近在斯坦福大學獲得了科學、技術和社會學學位，他的愛好廣泛，從電影到字謎遊戲。

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