1941年12月7日，日本偷襲美國珍珠港，同月美國宣佈參戰。
兩個月前，羅斯福總統剛剛批准美國全力發展原子彈。
羅斯福總統
1942年，為了加速原子彈計劃的實施，格羅夫斯將軍接掌了曼哈頓計劃，美國科學家與工業界被動員起來全力投入原子彈的製造……
1945年7月16日美國成功試驗第一顆原子彈。不到一個月的時間（1945年8月6日），代號“小男孩”的原子彈就被投放到日本的廣島上。
小男孩
頃刻之間，城市突然捲起巨大的蘑菇狀煙雲，接著便豎起幾百根火柱，廣島市馬上淪為焦熱的火海。
3天后，美國向日本長崎投放第二顆原子彈，代號“胖子”。
胖子
因為這兩次原子彈轟炸，迫使日本政府放棄了頑抗，8月15日選擇了無條件投降。9月2日簽署投降書，第二次世界大戰就此結束。
曾經參與曼哈頓計劃的物理學家惠勒曾經感嘆道：如果原子彈計劃提前一年開始實施，戰爭就能提前一年結束，我們就可能挽救1500萬條生命，包括我的弟弟喬的生命。
惠勒
六年前的1939年7月份，兩個匈牙利物理學家萊奧·西拉德和威格納到訪愛因斯坦在長島的夏季寓所。他們勸說愛因斯坦用他的影響力提醒國家領導人，注意別國利用鈾的鏈式反應來製造武器的可能性。
兩週之後，一封由西拉德、威格納和愛德華·特勒洽商好後寫成的信經由總統顧問亞歷山大·薩克斯轉呈美國總統羅斯福。
在這封信的開頭，愛因斯坦補充說到：“元素鈾在不遠的將來可能被證明是一種新的重要的能源”。他認為這種元素很有可能“被用來製造極具殺傷力的新型炸彈”。
1941年10月，即薩克斯傳遞愛因斯坦的信的兩年後，羅斯福總統最終批准美國全力發展原子彈。
因為這封寫給羅斯福總統的信，和他的質能守恆方程：E=MC^2，愛因斯坦揹負了“製造原子彈”這口鍋好多年。
愛因斯坦和質能方程
其實，有沒有這封愛因斯坦的簽名信和他的質能方程式，顯然原子彈同樣會被製造出來。
我們回到1939年2月，《自然》雜誌連續三期刊登了有關“”核裂變“”主題的論文。
兩篇是由物理學家邁特納和弗裡施撰寫的，文中建議用裂變機制來解釋用中子轟擊鈾靶產生鋇的現象。
另外一篇是玻爾補充性的文章，描述他關於核裂變的一般概念。
這三篇論文的發表標誌著核裂變物理學的研究正式開始。
關於核裂變，不但會使美國與英國人感興趣，也會讓德國人、日本人與蘇聯人感興趣。因為大家都清楚，核裂變產生的巨大能量，放出來就是威力巨大的炸彈，存蓄起來就能利用來發電。
一場對核裂變的研究競爭開始了……
關於核裂變，得從1938年說起。德國化學家奧托·哈恩和弗裡茨·斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾時，竟然得出性質與鈾相差很大的元素鋇。他們對這一實驗結果感到非常困惑。
此前科學家們也認識到用粒子去撞擊原子核，會有一些碎片的新物質，他們認為這只是產生一些新的重元素而已，並不會想到核會一分為二。
當時，費米剛因中子轟擊原子核的研究而榮獲諾貝爾獎。事實上，他在幾年前就已經發現核裂變反應，只是不明所以。
甚至在1934年當德國化學家伊達·諾達克認為事實上費米已經使鈾核發生裂變的時候也沒人予以注意，因為在當時這個想法實在太過超前了。
如果當時是德國或其他地區的科學家按照諾達克的建議去做，那麼就很有可能是德國而非盟軍首先擁有原子彈，世界歷史或許就會因此而改寫。
這次哈恩和斯特拉斯曼用一箇中子撞擊一個質子為92個的鈾核竟然分裂出一個質子為56個的鋇和一個質子為36個的氪。這不可思議！
哈恩把他遇到的困惑寫了一封信給他的老同事莉澤·邁特納。邁特納為了逃避迫害，當時已從德國移居瑞典。
這個時候，邁特納的外甥奧托·弗裡施正好來瑞典度假，於是她就和他一邊玩一邊討論了這個鈾核裂變的現象。
突然間他們意識到：鈾原子核肯定是分裂成大的碎片，導致形成其他元素的原子核，這其中就包括鋇原子核。
不巧不成書，費裡施當時是在玻爾的哥本哈根理論物理學研究院工作，他也是由德國移民到丹麥的一個物理學家。
費裡施把他們的想法一五一十的告訴了玻爾。玻爾可不是一般的人，他對於物理新發現的敏感度非常之高，畢竟玻爾也是第一個發現放射性是發生在原子核的人，他對這個問題很感興趣！
玻爾與愛因斯坦
得知這消息後幾天，也就是1939年1月16日玻爾要趕往美國普林斯頓高等研究院做幾場演講，並與他的朋友，當時執教於高等研究院的愛因斯坦會面。
在路上玻爾滿腦子想的都是關於核裂變的問題，其他的關於演講的事情反而變成其次了。在船上每天都在和他的助理萊昂·羅森菲爾德商討這個關於核裂變的問題。
到碼頭接玻爾的是美國物理學家惠勒和費米，當時的玻爾對於“核裂變”的事還是守口如瓶。他先和費米在紐約逗留一天，他的助理羅森菲爾德和惠勒先回普林斯頓。
玻爾為了確保費裡施和邁特納的優先發現權而保持沉默，可是他的助理並不知道玻爾的心思，他嘴巴比較大，當晚在普林斯頓的一次小交流會上，羅森菲爾德就把關於鈾核裂變的事抖出來了 。當時就引起了不小的轟動。
所有人都明白這個不是一般的發現，這意味著鈾存在鏈式反應並釋放出大量能量的可能性。
玻爾在羅森菲爾德爆料的10天后，才在喬治·華盛頓大學的理論物理學大會上做了關於核裂變的正式報告。
大會期間，弗裡施和美國的幾個研究小組已經用物理實驗（而不是化學實驗）證實了裂變現象的存在——這些實驗都直接探測到裂變發生時所釋放出的巨大能量。
幾天後，物理學家路易斯·阿爾瓦雷茲正在理髮，當他從報紙上看到玻爾發表的關於核裂變言論的報告時，他頭髮都沒剪好，便一躍而起直奔大學的輻射實驗室。他把這則消息告訴了他的學生菲爾·阿貝爾森。
第二天，阿貝爾森馬上通過實驗確認了核裂變現象。於是阿爾瓦雷茲趕緊邀請同事羅伯特·奧本海默到實驗室來查看這一證據。
奧本海默幾分鐘內就從懷疑變為相信，按照阿爾瓦雷茲的描述，在一刻鐘內他就在腦海裡復現了整個過程，並想象出鏈式反應。（後來奧本海默也成為美國製造原子彈的曼哈頓計劃的第一個負責人）
奧本海默與愛因斯坦
1939年9月1日，玻爾和惠勒關於核裂變的一篇詳細研究論文正式發表在《物理學評論》期刊上，同一天德國入侵波蘭，第二次世界大戰正式爆發了。
玻爾和惠勒發現，在慢中子（低能量中子）轟擊下，不僅同位素鈾235可以分裂，同位素鈈239在慢中子的轟擊下也會產生核裂變。
核裂變並不是像我們切梨一樣一下就一分為二，而是隨著吸收的額外能量的變化，核的形狀先發生變化，如從橘子狀變成黃瓜狀再變到花生狀，這個過程中，如果這個狀態達到一個臨界值，哪怕是多一點電荷或是減少一點點質量，核就會裂變。這個臨界值也叫“勢能壁壘”。
如果讓一個粒子去撞擊一個原子核，那麼這個粒子與核發生相互作用的因素主要有兩個：一個是這個粒子能量的大小，第二個是它們的反應概率，也就是它們的反應截面。
粒子的能量和它的頻率成正比，能量越大波長越短，能量越低波長越大。用慢中子去撞擊鈾核，是因為慢中子的波長大，這樣可以增加它們的反應截面。
用頻率高（波長短）的粒子去撞擊原子核，就像拿一個小彈珠去投擊一個棒球，而用頻率低也是波長大的粒子去撞擊原子核，就像用一個籃球去投一個棒球。後者投中的概率比前者會高很多。
那麼這為什麼科學家們會選擇鈾235和鈈239去製造原子彈而不是其他元素呢？（鈾235就是質子數為92和中子數為134的鈾元素）
這是因為越重的元素質子數越多（原子質量主要來自質子），質子間電荷排斥力也越大，核抵抗裂變的勢能壁壘也越低。在外力作用下更容易打破核的穩定性，也就是更容易發生裂變。
鈾的質子數有92個，在自然界元素中是最重的，質子數也是最多的。元素週期表中它排在最後一位。（除了人工合成元素外）
另外，鈾的中子數比質子數多，在核裂變為其他元素放出能量的同時，還會放出中子，而這些中子又去撞擊其他鈾的質子再次產生新的元素和中子，這樣鏈式反應就會放出巨大的能量，這些能量在有限的空間裡會爆炸而產生巨大的威力。
那麼問題又來了，為什麼是鈾235而不是鈾238或鈾239呢？
這裡有兩個因素在起作用：第一個因素與原子核的核電荷數對總質量的比值有關。
上面我們說過，對於相同質量（和體積）的原子，質子數越多，則質子之間的電荷排斥作用就越強，直到原子核處於穩定的邊緣狀態。這時哪怕增加一點點電荷或是減少一點點質量，都會引起原子核失穩。
這個效應取決於某個計算量——質子數的平方除以核子總數（中子數和質子數）。如：鈾235吸收一箇中子後形成的核素，這個參數為92^2/236，即35.86；而鈾238吸收一箇中子後形成的核素，這個參數是92^2/239，即35.41。
這個參數微小的差別就造成它們巨大的不同結果。這個參數越大，說明它離核子失穩狀態越近，抵抗裂變的勢壘也越低。
第二個因素是原子核在中子數（或質子數）為偶數時比較穩定，所以它偏好偶數。中子轟擊鈾235要比轟擊鈾238更“受歡迎”，因為前者吸收一箇中子會變成偶數箇中子，後者吸收一箇中子變成奇數箇中子。
從以上兩個因素，玻爾和惠勒推導出鈈在慢中子作用下也會使得核裂變，因為鈈電荷數平方與質量之比參數為94^2/240，即36.82，甚至還超過了鈾236的參數35.86，因此更容易實現裂變反應。（自然界中沒有鈈元素，後來才能用人工合成出來）
美國轟炸廣島的原子彈燃料是鈾 -235；而毀滅長崎的那顆原子彈的燃料則是鈈-239。
隨著二戰戰事的迫緊，各國都是開足馬力研發通過核裂變產生巨大能量的原子彈
美國方面研究核裂變的科學家主要有，奧本海默、玻爾和惠勒、特勒等人；蘇聯方面的科學家有庫爾恰托夫，澤爾多維奇、哈里頓和朗道等人；德國的科學家主要是海森堡等。
當時研發原子彈存在幾個關鍵性的問題：第一個是鈾235這個元素在自然界中極為稀少，自然界中99%的鈾元素是鈾238，鈾235幾乎沒有，所以只有想辦法從鈾238中分離出鈾235，但是這非常艱難，成本也非常之高。
第二問題是，要研發出使中子慢化的材料。使中子得到快速慢化是讓核反應截面增大和在核裂變中能不斷放出更多中子，從而發生鏈式反應的關鍵所在，因為慢中子最易引發鈾235裂變。
當時發現的主要能使中子慢化的材料是重水（D2O），但是得到重水的成本也非常高，每升重水的成本超過2500美元。後來美國科學家發現石墨狀的碳可以用作慢化劑，德國沒能認識到這點是造成他們核彈研製計劃滯後的原因之一。
格羅夫斯將軍在得知重水對於德國人的潛在重要性後，立即採取行動，下令盟軍摧毀德國位於挪威維摩爾克的重水工廠。
格羅夫斯將軍
第一次推毀重水的行動，付出了34條生命的代價最後還是以失敗告終。
第二次發起攻擊，盟軍僅有6名挪威人跳傘空降挪威，併成功地與上次跳傘倖存的4名挪威同胞會合。他們將工廠基本摧毀卻無一陣亡。德國重水生產因此被拖後了差不多一年。
德國在挪威的重水工廠
德國和蘇聯沒能在這次原子彈研發競爭中獲勝，據後來分析，主要是德國和蘇聯當時都沒有把核彈計劃列入最優先權，而盟軍享有這個最優先權。
蘇聯在德軍壓境，莫斯科、列寧格勒被德軍包圍時，戰略性的原子彈已不再是最緊迫的事。蘇聯科學家已經轉向研發效率更高速度更快的常規炸彈，以提高它們的威力。
而德國更是滯後，在二戰結束時，連個像樣的反應堆都還沒建造出來。主要原因是德國的科學家估算研發出原子彈時戰爭可能已經結束，所以製造原子彈的意願和動力不足。
據說海森堡算出來製造原子彈需要幾頓的鈾235，而美國科學家算出來的是僅需要幾公斤。日本廣島原子彈產生毀滅性的破壞力，其實真正轉化成能量的只有8.712克的鈾。
海森堡在量子力學上發現了“測不準原理”，不過他還有個外號叫“算不準先生”。
海森堡
美國原子彈在廣島和長崎爆炸時，斯大林知道消息後大發雷霆。他大罵負責人庫爾恰托夫，恨他的蘇聯小組進展太慢。
庫爾恰託辯解因為戰爭資源有限導致延誤時，斯大林憤怒地告訴他，如果小孩不哭，媽媽怎麼知道他想要什麼？！你需要什麼就說，可以答應一切要求！
斯大林
接著蘇聯實施一個行動不受限制的原子彈緊急計劃，由那位秘密警察領導人貝利亞全權負責。
蘇聯秘密警察領導人貝利亞
1949年8月29日，蘇聯第一顆原子彈在亞洲的謝米帕拉京斯克附近試爆。
1949年9月3日，一架美國WB-29氣象探測飛機在從日本飛往阿拉斯加的航線上，發現了蘇聯核裂變試驗的產物，數據被送給包括奧本海默在內的一個專家委員會評估，毫無疑問地證實了蘇聯試驗了一顆原子彈！
蘇聯第一顆原子彈試爆
當總統杜魯門宣佈這一消息時，美國方面的科學家感到非常震驚，他們相信蘇聯人能研製出原子彈但是意想不到這麼快就研製成功。後來才知道，是參加美國原子彈計劃的英國科學家勞斯·福克斯的間諜活動加速了蘇聯原子彈研製的速度。
杜魯門
蘇聯原子彈的試爆，這造成美國非常的恐慌，當時雖然二戰已經結束，但是美國擔心蘇聯在世界上的主導地位。
之後，美國又開始實施比原子彈威力大百倍千倍甚至是上萬倍的氫核彈計劃—麥克。
其實，此前蘇聯已經早於美國開始氫彈的研製，第二輪核軍備競賽開始了……
關於氫彈研發的競爭，下次再聊～
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