質(zhì)能方程

(相關(guān)資料圖)

在“愛因斯坦奇跡年”（1905年）里，愛因斯坦一共發(fā)表了4篇論文，其中一篇當(dāng)中，愛因斯坦提出了一個(gè)理論，物質(zhì)減少的質(zhì)量m=E/c2。

在最初的時(shí)候，愛因斯坦質(zhì)能方程并不是大家所熟悉的E=mc2這個(gè)形式?？梢哉f，愛因斯坦最初的形式，更符合質(zhì)量和能量的本質(zhì)，與其說物質(zhì)和能量可以相互轉(zhuǎn)化，不如說，物質(zhì)本身就是能量。

不過，愛因斯坦提出質(zhì)能方程 30 年的時(shí)間里，沒有人知道這個(gè)質(zhì)能方程到底有什么用。

在 20 世紀(jì) 30 年代，終于有人發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能方程的巨大威力，打開了人類通向核武器的大門，而發(fā)現(xiàn)者，正是被愛因斯坦稱為“德國居里夫人”的麗莎·邁特納。

麗莎·邁特納（圖片來源Wikipedia）

有意思的是，在邁特納之前，曾有一位天才物理學(xué)家有機(jī)會(huì)先打開這扇門，卻因?yàn)橐淮沃Z獎(jiǎng)，喪失良機(jī)。

費(fèi)米——鬧個(gè)烏龍，拿個(gè)諾獎(jiǎng)

在20世紀(jì)30年代初，物理學(xué)家們一直致力于研究一個(gè)現(xiàn)象，為什么元素周期表上的元素停止在了92號(hào)元素（鈾元素）這里？

當(dāng)時(shí)盧瑟福已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了原子核的結(jié)構(gòu)，理論上來說，只要往鈾原子核里加一顆質(zhì)子，就應(yīng)該有新的元素。所以，人們一直在拿各種射線轟擊鈾原子核，希望能制造出原子序數(shù)比鈾更大的元素。

費(fèi)米（圖片來源Wikipedia）

1934年，在意大利，物理學(xué)家費(fèi)米突發(fā)奇想，決定用查德威克剛剛發(fā)現(xiàn)的中子轟擊鈾原子核。因?yàn)橹凶幽芰亢艽?，而且不帶電，更不容易受到鈾原子核電磁力的干擾，容易轟進(jìn)去。

轟擊完之后，檢查產(chǎn)物的時(shí)候，費(fèi)米發(fā)現(xiàn)了放射性很強(qiáng)的東西，費(fèi)米一開始以為，得到了比鈾更重的93、94號(hào)元素。但當(dāng)時(shí)也有科學(xué)家認(rèn)為，這不是新的元素，而是鈾元素被轟成了更小的元素[1]。

可以說，費(fèi)米的實(shí)驗(yàn)結(jié)論還是非常有爭議的，費(fèi)米應(yīng)該繼續(xù)研究下去。但這個(gè)模糊的成果，被當(dāng)時(shí)的意大利政府大吹特吹，以顯示自己作為法西斯政權(quán)的優(yōu)越性。結(jié)果，費(fèi)米竟然獲得了1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

費(fèi)米獲獎(jiǎng)，算得上是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上一個(gè)巨大的烏龍。這個(gè)諾獎(jiǎng)烏龍，讓他錯(cuò)過了一樣更重要的機(jī)會(huì)，他跟核裂變擦肩而過。

邁特納——原子液滴

發(fā)現(xiàn)核裂變的機(jī)會(huì)，被“德國的居里夫人”麗莎·邁特納抓住了。諷刺的是，發(fā)現(xiàn)核裂變的邁特納從沒有獲得過諾獎(jiǎng)。

邁特納絕對(duì)是一個(gè)物理天才，在當(dāng)時(shí)女性備受歧視的時(shí)代，她憑借自己的才能，成為了維也納大學(xué)極其罕見的物理學(xué)女博士。

更厲害的是，她還受到了普朗克的認(rèn)可，要知道當(dāng)時(shí)的普朗克是公開反對(duì)大學(xué)招收女性的[2]。

普朗克對(duì)邁特納非常熱情，邀請(qǐng)她參加自己的講座，還請(qǐng)她到自己家做客。

在1910年，普朗克邀請(qǐng)她擔(dān)任弗里德里希威廉大學(xué)理論物理研究所的助理，邁特納成為了普魯士歷史上第一位女性科研助理。

邁特納也確實(shí)沒有辜負(fù)普朗克的期待，在物理學(xué)上的才能日益凸顯。她很快和科學(xué)家哈恩成為了合作伙伴，在甚至還調(diào)侃哈恩“你完全不懂物理，你就去研究化學(xué)吧?！盵3]

邁特納和哈恩（圖片來源Wikipedia）

邁特納他們跟費(fèi)米一樣，也試圖用中子轟擊鈾元素。但當(dāng)時(shí)，對(duì)猶太人身份的邁特納來說，德國可不是一個(gè)搞科研的好地方。很快，法西斯秘密警察就開始找猶太科學(xué)家的麻煩了，邁特納必須離開。

好在，邁特納的伙伴哈恩并不是猶太人，還可以繼續(xù)留在德國搞研究。而且利用自己的身份，哈恩也幫助邁特納順利逃出了德國，在邁特納逃亡在外期間，哈恩他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，用中子轟擊鈾原子的時(shí)候，鈾核裂變成了幾個(gè)碎片（其中一個(gè)產(chǎn)物是鋇），哈恩覺得這太反常識(shí)了，而且哈恩他們也不知道該怎么解釋這個(gè)現(xiàn)象，只能求助于“物理更好”的邁特納。

邁特納看到這個(gè)結(jié)果，第一反應(yīng)也覺得，這不可能。但好在，邁特納認(rèn)為，哈恩是個(gè)優(yōu)秀的化學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)鈾元素變成了鋇，應(yīng)該不是什么低級(jí)錯(cuò)誤。而且，人們?cè)诤宋锢眍I(lǐng)域太多“不可能”的事情最終都被證實(shí)了[2]，這件事也可能意味著什么重大發(fā)現(xiàn)。

邁特納的直覺是對(duì)的。

如果原子核跟豌豆一樣，是結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)的固體，那么它被轟碎，得到的就只值一堆豌豆碎片而已。然如果原子核不是這樣的固體呢？

但是如果根據(jù)伽莫夫和玻爾的理論，原子核可能更像是液滴，水的張力能夠維持水滴的形狀，而一旦張力被打破，一滴水可以分裂成兩個(gè)更小的水滴。在這種模型下，鈾原子核能分裂成兩個(gè)更小的原子核就說得通了。

邁特納計(jì)算之后，發(fā)現(xiàn)鈾原子核確實(shí)像是一個(gè)不穩(wěn)定的液滴，在外界刺激下（比如被中子撞擊），鈾原子核的“張力”可能會(huì)被打破，分裂成更小的液滴。

鈾原子裂變（圖片來源Wikipedia）

但接下來，邁特納還要解決一個(gè)問題。

根據(jù)哈恩的研究，兩滴液滴在分開之后，以非常高的速度運(yùn)動(dòng)。這個(gè)能量是從哪來的？還有，在分裂之后，鈾原子核里有一部分質(zhì)量不見了，這部分質(zhì)量去哪了？

消失的質(zhì)量和能量有什么關(guān)系？邁特納很快就想到了愛因斯坦的公式m=E/c2。經(jīng)過計(jì)算，消失的質(zhì)量和新原子核獲得的能量剛好吻合。

按照邁特納的推理，原子會(huì)發(fā)生裂變，而且，消失的質(zhì)量真的變成了能量。邁特納立即跟自己在哥本哈根的侄子設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，證明了原子核的裂變。

邁特納和侄子弗里施迅速寫了論文，發(fā)表在了《Nature》上。在此之前，哈恩為了防止被其他科學(xué)家搶先，也提前發(fā)表了兩篇論文，暗示有這么個(gè)現(xiàn)象。這三篇論文，對(duì)整個(gè)科學(xué)界產(chǎn)生了巨大的影響。這樣轟動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然也值得一份諾貝爾獎(jiǎng)。

不公平的諾獎(jiǎng)

1944年，為了表彰核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就授予了哈恩，沒錯(cuò)，獲獎(jiǎng)?wù)咧挥泄饕粋€(gè)人。

這成為了諾貝爾獎(jiǎng)歷史上非常有爭議的一次頒獎(jiǎng)。

有一種說法認(rèn)為，哈恩受到了德國政府的壓力，納粹政府不能讓猶太人領(lǐng)獎(jiǎng)，所以特意抹去了邁特納的貢獻(xiàn)。其實(shí)看哈恩對(duì)邁特納逃亡的幫助，以及冒著風(fēng)險(xiǎn)，把最重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分享給邁特納，還是能看出哈恩本人對(duì)邁特納絕對(duì)是沒有惡意的。

后來在諾獎(jiǎng)評(píng)審記錄公開之后，也能說明，邁特納沒有拿到諾獎(jiǎng)，并不能完全怪在哈恩頭上。根據(jù)邁特納傳記作家Ruth Lewin Sime的記錄，邁特納沒能獲得1944年的諾獎(jiǎng)，跟諾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)的結(jié)構(gòu)，人們的偏見、政治因素等等都有關(guān)。

“邁特納被排除在1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之外，是偏見、政治遲鈍、無知和匆匆忙忙的混合體”。[2]

其實(shí)，邁特納一共獲得過48次諾獎(jiǎng)提名，提名她的科學(xué)家包括普朗克、玻爾之類的重量級(jí)科學(xué)家，也包括她的伙伴哈恩，但邁特納始終沒有獲得過諾獎(jiǎng)。

對(duì)這件事，邁特納本人也是挺遺憾的，她在一封信里表示：“哈恩當(dāng)然當(dāng)之無愧地獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這一點(diǎn)毫無疑問。但我相信弗里施和我對(duì)澄清鈾裂變過程做出了不小的貢獻(xiàn)——它是如何產(chǎn)生的，它怎么產(chǎn)生了如此多的能量，而這對(duì)哈恩當(dāng)時(shí)的研究想要到這一步其實(shí)還差得很遠(yuǎn)?！盵2]

愛好和平的炸彈之母

在1940年2月，弗里施和魯?shù)婪颉づ鍫査棺珜懥恕案ダ锸?佩爾斯備忘錄”，該備忘錄首次確定了，用少量的鈾可以制作原子彈。在此之前，人們一致認(rèn)為制作原子彈需要幾噸的鈾。當(dāng)時(shí)正處于第二次世界大戰(zhàn)的背景下，無數(shù)國家開始把眼光投向了這種厲害的武器。[4]

邁特納這樣的天才物理學(xué)家當(dāng)然也受到了曼哈頓計(jì)劃的青睞，美國希望邁特納參與這個(gè)制作原子彈的計(jì)劃。但邁特納是一個(gè)和平主義者，始終沒有加入曼哈頓計(jì)劃。

在廣島、長崎原子彈爆炸之后，邁特納一下子成為了“炸彈之母”“炸彈背后的女人”。但用邁特納自己的話來說“炸彈與我無關(guān)”。

邁特納之墓（圖片來源Wikipedia）

邁特納從來都沒想過讓原子能給人類帶來災(zāi)難，她希望的是，讓核能造福人類。就如邁特納的墓志銘“麗莎·邁特納：一個(gè)從未喪失人性的物理學(xué)家?！?/p>

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邁特納的故事到這里就結(jié)束了。邁特納發(fā)現(xiàn)的巨大能量，直到今天依然在為我們提供著源源不斷的能源。

而在走到這一步之前，原子能會(huì)先展現(xiàn)它最兇惡的一面。人類即將迎來超級(jí)武器——原子彈。

參考文獻(xiàn)：

[1] Noddack, Ida (1934). über das Element 93. Angewandte Chemie. 47(37): 653-655. (On Element 93).

[2] Sime, Ruth Lewin (1996). Lise Meitner: A Life in Physics. Berkeley: University of California Press.

[3] Hoffman,Otto Hahn：Achievement and Responsibility,p.17.

[4] Bernstein, Jeremy (1 May 2011). "A Memorandum that Changed the World" (PDF). American Journal of Physics. 79(5): 441–446.

標(biāo)簽： 愛因斯坦 質(zhì)能方程