應陽君 李紹孟：“氫彈之父”于敏和氫彈原理突破的百日會戰
點擊： 作者：應陽君 李紹孟 來源：賽先生 微信號 發布時間:2021-12-21 10:09:13
于敏：著名核物理學家、“兩彈一星”功勛獲得者，2014年國家最高科技獎得主。（資料圖）
曾經隱姓埋名30年、不為公眾所知的中國“氫彈之父”于敏，2015年1月9日登上了國家科學技術獎勵大會的榮譽殿堂，成為2014年國家最高科學技術獎的唯一獲獎人。上世紀60年代中國突破封鎖、成功研制出“兩彈一星”的那段崢嶸歲月，再度進入公眾視野。
撰文 | 應陽君 李紹孟（北京應用物理與計算數學研究所）
于敏院士是當代中國杰出的科學家，20世紀50年代開始在近代物理所（1956年改為原子能研究所，即現在原子能研究院和高能物理研究所的前身）從事原子核理論的研究工作，1961年調到中國工程物理研究院從事核武器的研制。從第一顆原子彈爆炸成功到氫彈原理爆炸試驗成功僅用了兩年零兩個月，那是我國核武器發展最為激動人心的時期。于敏在我國氫彈突破中做出了開創性的貢獻。
1949年，于敏以物理系第一名的成績成為新中國成立時北大第一屆畢業生。隨后成為張宗燧先生的研究生，開始量子場論方向的學習和研究。那時張先生在國際理論物理學界已經享有很高的聲譽了，所以當他的學生要面對“兩高”：一是起點高。張先生講課從頭到尾全用英文，而且內容很深，不下去做認真的鉆研很難學懂；二是要求高。指定的參考書學習起來難度也非常大。而于敏的學習習慣和思維方法正好跟張先生的要求非常合拍。
張先生常說“復雜的物質世界，能為理論物理的數學方程表達，無比美妙”，他擅長數學在物理學中的應用的特點，更是使于敏受益匪淺，也成為他日后學術生涯中最具特色之處。
1950年，張先生身體抱恙，指導于敏的任務就交給了剛剛回國的胡寧先生。胡寧先生在美國師從理論物理學大師泡利（W. Pauli），從事核力的介子理論和廣義相對論方面的研究。
胡先生無論是授業，還是指導研究都非常強調物理圖像和物理概念，同時還有極強的物理直覺。先生在講課中盡量避開復雜的公式，而注重思想簡潔清晰，一些很難的課程如廣義相對論、量子場論和電動力學，他都非常突出物理本質，這一特點被好學的于敏抓住并青出于藍。
剛剛誕生的新中國經濟和科學技術百廢待興。錢三強看到于敏的材料后，認為是有望做出好成績的尖子人才，點名把他要到了新組建的近代物理所。1951年25歲的于敏開始了他正式的科研生涯。1年后，于敏完成了他的研究生畢業論文《核子非正常磁矩》。
20世紀50年代初，國家科學發展規劃把在我國基本處于空白的原子核物理學科列為重點學科。于敏被分在了彭桓武領導的原子核理論研究組。當時組里還有朱洪元、鄧稼先、黃祖洽、金星南、程開甲等共八個人。為了了解國際上核物理研究的進展情況，彭桓武組織了一次調研。
于敏在這次調研中，除了閱讀文獻外，又仔細地鉆研了大物理學家費米的名著《原子核物理》一書。于敏在1953年遞交了一份完整的調研報告。從調研報告中可以看到，他對原子核模型、輕原子核能極、裂變、中子反應、b放射現象、g放射現象都有了深入而系統的認識。彭桓武看完報告說：“真正鉆進去了的只有于敏”。
于敏認為自己這個階段工作的收獲是：通過調研和實踐論的學習，逐漸明確聯系實際的工作方向和從具體到抽象，從感性到理性的工作方法。同樣地，他也看到了自己工作中的缺點，就是比較沒有條理和不夠細心。沒有很好地收集和整理數據，因此影響了調研的效果。
于敏告誡自己“這一點的改進對將來工作很重要”。事實證明，他對這個問題的認識是深刻的，在他以后的學術生涯中他高度重視數據的全面性和可靠性。
1953年后，原子核理論組人員發生了比較大的變化，黃祖洽去了核反應堆物理組，金星南去了計算數學組，鄧稼先兼職中國科學院副學術秘書，原子核理論研究的工作主要落在了于敏的肩上，1956年，他擔任了原子核理論組組長。
上世紀50年代于敏在北京。
于敏在廣泛地閱讀核物理文獻的基礎上，還特別精讀了梅耶（M. G. Mayer）和詹森（J. H. D. Jensen）合寫的《原子核殼結構基本理論》。梅耶是德裔美籍女物理學家，1963年她的殼模型理論獲得了諾貝爾物理學獎。于敏在反反復復地研讀梅耶的論文時發現，梅耶之所以能創立殼模型理論，除了她有堅實的物理基礎和數學功底外，很重要的一點是她非常重視物理實驗。她的殼模型理論正是在分析大量的物理實驗的基礎上建立起來的。
由此，于敏感悟到從事物理理論研究，一定要非常重視物理實驗，要同時仔細地了解相關物理實驗的內容，注意和分析相關的物理現象，去偽存真，總結有關的物理規律。只有這樣，才能做到有所發現，有所前進。這一感悟后來幾乎成了他從事理論研究的信條，一直貫穿他終身的研究生涯。后來與于敏共事的科技人員，發現他對相關的物理實驗總是了如指掌，無不感到十分驚訝和佩服。
著名實驗核物理學家王淦昌后來也說：“我所接觸的我國理論物理學家中最重視物理實驗的人是于敏”。“這篇文章給我的影響很大。注意和分析物理現象，總結規律成為我從事理論研究的觀點和方法。”
1957年于敏在物理學報上發表《關于208Pb附近一些原子核的能級》，1959年在物理學報發表《關于重原子核的殼結構理論》。在他的指導下，研究小組發表的《一個具有等間隔能譜的費米系統》和《原子核在短程力下的相干效應》等研究成果在當時位居國際前列。
1961年1月12日，正當于敏和同事就原子核結構的理論研究下一步開展什么內容的工作時，錢三強把于敏叫到他的辦公室，非常嚴肅地對他說：“經所里研究，并報請上級批準，決定讓你作為副組長領導和參加‘輕核理論組’參加氫彈理論的預先研究工作”。錢先生這次談話，改變了于敏從事基礎研究的夙愿，成為他終身奉獻核武器研制的開始。于敏這個名字從此也從原子核理論研究領域“隱形”了。
氫彈的理論涉及理論物理、原子物理、核物理、中子物理、輻射輸運、輻射流體力學、等離子體物理、凝聚態物理、爆轟物理、應用數學和計算數學等諸多學科。
黃祖洽和于敏把全組人員按學科劃分為幾個研究小組：研究和計算輕核反應截面，中子輸運及中子在氫彈爆炸中的作用，高溫高密重物質性質和輻射輸運過程，中子和輻射流體力學等。大約每隔兩個星期或一個月，黃祖洽、于敏和何祚庥便向錢三強匯報一次輕核理論組的工作進展情況。
從1960年到1965年初，“輕核理論組”在黃祖洽、于敏、何祚庥的帶領下，對氫彈的物理基礎和各種物理過程進行了扎扎實實的探索和研究，同時還對氫彈的作用原理和可能結構方面作了一些初步探索。在這期間，解決了一系列有關熱核材料燃燒的應用基礎問題，對氫彈的許多基本現象和規律有了認識，產生了六十多篇論文，當然因為是保密的，所以由錢三強直接送到國家科委，作為秘密文件保存。
1965年1月，黃祖洽、于敏等原子能研究所“輕核理論組”的31位科研人員攜帶著預先探索研究的所有成果和資料，來到了九院理論部，與我國核武器研究主戰場匯合。于敏被任命為理論部副主任。
于敏在原子能研究所已經認識到要實現充分的熱核反應需要溫度、密度和約束時間達到足夠高，滿足“點火點”和“燃燒點”的條件。為了突破氫彈原理，九院理論部分兵作戰，多路探索。鄧稼先、周光召、于敏、黃祖洽等部主任，帶領有關研究室的人員分別攻關奪隘。探索工作在理論部的四個研究室中陸續地全面開展起來。
有一次，兩個攻關小組進行交流研討，吸引了眾多同志。會議是在當時理論部一個最大的會議室召開的，整個屋子座無虛席，靠墻壁也站滿了人，還有一些人不得不站在會議室外聽會。會議的氣氛十分熱烈，雙方對問題的討論越來越深入，不時激發出新的思路火花。會議的高潮出現在周光召和于敏輪番上臺對氫彈的“自持反應”問題進行的闡述與爭論。
為了提高科研人員的業務水平，活躍學術思想，理論部舉辦了等離子體物理、二維計算方法等各種問題研討班，組織專題學術報告會。當時的學術民主氣氛是非常好的。那時已經成名的專家與剛出校門的大學畢業生，自然有知識與經驗的差別，但是，在氫彈的秘密面前，大家都是平等的，誰也不知道氫彈究竟怎么設計。那時大家的學術思想非常活躍，幾乎每周都要召開學術討論會和鳴放會。
在會上，從彭桓武副院長這樣的大科學家到鄧稼先、周光召、黃祖洽、于敏等部主任直到年輕的研究人員，不論資格，人人可以發言。不論誰有了新的想法，都可以登臺各抒己見，暢所欲言。有不同的意見就展開爭論，一場爭論下來，常常大家都面紅耳赤，但誰說的對，就聽誰的，彼此都從中得到啟發。許多好的想法，就是在你一言我一語的討論中產生出來的。許多種突破氫彈的設想和途徑被提了出來。
氫彈畢竟是非常復雜的系統，諸多制約因素混雜，幾個月過去，多路探索并不順利，許多種試圖突破它的途徑被提出來，經過一一仔細的討論、計算和分析后，又一條條地被否定了。
1965年9月，理論部決定由于敏副主任率領13研究室的一部分研究人員到上海華東計算技術研究所出差，利用該所的J501計算機（運算速度為每秒5萬次），完成加強型核航彈的優化設計任務。
鄧稼先主任要求去上海出差的人員在國慶節前趕到上海，以便利用華東計算技術研究所國慶節假日期間 空出的全部機時，集中突擊。4個組的科研人員和為數不多的科研輔助人員共50多人參加此次任務。9月27日，隊伍抵達上海。創造歷史的“百日會戰”開始了。
那時的計算機性能不穩定，機時又很寶貴，一碰到機器跳動，算出來的結果就不對，就會前功盡棄，浪費很多機時。解決的辦法是，每隔一段時間就把計算結果存在計算機的磁鼓里，一旦機器跳動，就把存在磁鼓里的前一時刻的計算結果取出來作為初始條件由計算機重新計算，叫做“取鼓重做”，用這個辦法來減少機時損失。
但這樣一來，機器就離不開人，機器24小時工作，人也要在一旁睜大眼睛，看著紙帶上打印出來的計算結果。那時物理工作者與數學工作者混合編組，一起到計算機房算題，數學工作者負責把磁帶里的程序輸送到機器里，并時刻關注程序的運行情況，物理工作者則負責監視打印機打印出來的計算結果是否合理，發現問題及時解決。
于敏在計算機房和宿舍里，埋頭于輸出紙帶卷中仔細分析計算結果。他從眾多的計算模型中挑出三個用不同核材料設計的模型，進行了深入細致的系統分析。
于敏發現在加強型原子彈中，聚變材料雖然能起到加強原子彈威力的作用，但對于加強彈中聚變材料自持燃燒，這種加強作用是遠遠不夠的：“這不是個量變到質變可以解決的問題，因為技術途徑不對”。
“這是個大科學工程，必須要凝聚大家的共識，依靠大家群策群力，共同完成。我就想著把在原子能研究所探索氫彈機理時積累下來的氫彈物理知識，結合眼前加強彈優化設計的實踐給大家做系列報告。”
10月13日，于敏開始了他在上海持續約兩周的一系列報告的第一講。他從炸藥起爆開始，將加強彈的全過程分為原子階段、熱核爆震階段和尾燃階段，并對其中每一階段進行分析。通過這樣的學術報告，大家對加強彈的物理過程有了進一步的認識。
通過系列報告，于敏也進一步理清了思路，加強彈中“火球內的能量釋放率干不過能量損耗率，差了幾倍”在如此巨大赤字的壓力下，火球溫度焉能不每況愈下呢？當然找不到“點火點”。“這不是提高炸藥能量利用率能解決的問題，利用率提的再高也是遠遠不夠，只有利用原子能，并且把它作為驅動力，進行內爆壓縮”。
于敏緊緊抓住問題的關鍵，反復思考如何合理利用原子能壓縮熱核裝置，包括如何選用性能合適的材料，采取什么樣的構形，才能促進起好作用的物理因素，抑制起破壞作用的物理因素？
隨著物理實質把握下的剝繭抽絲，氫彈構型的方向越來越清晰，新的構型開始浮現在于敏的思考中。于敏將新構型可能存在的影響因素梳理成6個問題。于敏就這6個方面的問題給大家做報告，對這些過程做了詳細的物理分解，對可能出現的現象作了具體的分析，引起了大家熱烈的討論。
他又將初級能量傳輸過程分解為三個階段，隨后將三個階段的物理現象凝練成20多個具體問題， 進行物理分析。10月29日晚飯后，于敏和研究室副主任蔡少輝在住地附近田間小道上散步，以得到短暫的身心放松。當他倆談到應如何創造條件讓熱核材料充分燃燒時，于敏直截了當地談到加強型核裝置的構形不利于熱核材料的壓縮和燃燒。
接著，于敏向蔡少輝詳細地談了他幾天幾夜以來苦苦思索出的想法。蔡少輝被于敏的嶄新思維所吸引，也被于敏所列舉的無可辯駁的論據所折服，并馬上說：“那我們就馬上動手干吧！”于敏說：“可以先計算兩個模型看看。其中的一個會比較理想……另一個則比較接近實際……”顯然，這是于敏經過深思熟慮后想要走的關鍵兩步。
回到住處后，蔡少輝立即向研究室主任孫和生講了于敏的想法。孫和生聽后表示十分支持。當即找到物理小組的副組長孟昭利一起商量落實。新模型試算結果，當量和聚變燃耗果然大幅度提高，達到了自持“點火”燃燒。
興奮之余，臨時又加算了一個材料比例不同的模型。結果也不壞。隔天，另一個模型的計算也取得了完美的結果。至此，兩類共三個模型的計算結果表明，只要能駕馭原子彈的能量，我們就能設計出百萬噸級的氫彈！
華東計算技術研究所主樓五層東側大教室里，全體出差人員安靜地圍坐在大黑板前。蔡少輝簡略地介紹了上述兩類三個模型的計算結果和特點。黑板上列出的數據立即引起臺下一片熱烈的議論。
于敏接著登上講臺給大家做學術報告。他首先向大家介紹新模型的設計思想。他說“過去大家都很重視對原子彈的壓縮，現在看來，熱核材料壓縮更重要！”接著他列舉了最近算的一個理想模型的結果。年輕同志從紙帶里看不出來的東西，經過于敏一分析就變成了活的知識，透過現象觸及到了事物的本質，一條條規律被歸納出來了，就這樣通過把基礎理論與計算機實驗的結合，深化了對規律的認識，找到了問題的關鍵，明確了充分進行熱核反應的條件。
上海的工作進入群情振奮、思想活躍的高潮，對現象、規律的討論熱烈而持續。
在以前理論部突破氫彈原理的鳴放會上，有同志就提出過利用原子彈能量的這樣或那樣的樸素猜測，因為現象復雜，有的不合理，有的缺乏清楚的物理思想和必要的物理分析和估算，認識不到害之所在，利之所能，提不出趨利避害的措施，無法形成可操作的、合理的物理模型。于敏在抓住苗頭之后，不放棄，不懈怠，抓住主要矛盾，抽絲剝繭，深究所以，以自己的學科功力和大家的團結協作，成功建立了氫彈的物理模型。
注：本文發表于《現代物理知識》2014年第4期“紀念我國第一顆原子彈爆炸成功50周年”專刊。《賽先生》獲作者授權刊發。
嘉賓簡介
于敏
上世紀80年代，于敏聽取理論設計匯報。（前排于敏、二排左起李德元、張信威）。
于敏1926年8月16日生于天津市寧河縣。1949年畢業于北京大學物理系。1980年當選為中國科學院學部委員（院士）。1999年獲“兩彈一星”功勛獎章。中國工程物理研究院高級科學顧問，曾任該院副院長。
他在中國氫彈原理突破中解決了一系列基礎問題，提出了從原理到構形基本完整的設想，起了關鍵作用。此后長期領導核武器理論研究、設計，解決了大量理論問題。對中國核武器進一步發展到國際先進水平作出了重要貢獻。從20世紀70年代起，在倡導、推動若干高科技項目研究中，發揮了重要作用。
來源：賽先生微信號
責任編輯：向太陽
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