通识物理：核聚变和氢弹的关系

核裂变和链式反应直接启发了人类对原子弹的研究，而就在原子弹即将研制成功的时候，另一种威力更大的核武器——氢弹的研制也提上了议事日程。原子弹的原理是“核裂变”，由重核裂变为轻核，并因为质量亏损而释放出巨大的能量；氢弹则刚好相反，由轻核聚变为重核，这个过程被称为“核聚变”。太阳表面就在时时刻刻地发生着核聚变反应，所以核聚变实验装置也常常被人称为“小太阳”。核聚变的程序过程于1932 年由澳大利亚科学家马克·欧力峰所发现，一个典型的核聚变反应过程是：在高温高压的环境里，具有一颗中子和一颗质子的氘核（2H），与具有两颗中子和一颗质子的氚核（3H），聚变为氦核（4He），并释放一颗中子（1n）和能量，其典型的核聚变反应方程式为：

通常，质子和中子之间存在着相互吸引的强大核力——强相互作用（大小远超库仑排斥力），当质子和中子距离较远时具有较大的强相互作用势能，而当质子和中子聚集到一起形成新核时该势能将会转化为内能和机械能等形式的能量。然而人们发现核聚变所释放的能量又远大于强相互作用所具有的势能，那么这多余的能量是从哪儿来呢？根据爱因斯坦的质能方程，这巨大的能量就来自质量湮灭所转换来的能量（类似于核裂变的“质量亏损”）。由于核聚变过程中的质量亏损要远大于核裂变过程，所以核聚变会释放出更为巨大的能量，核聚变也因此更具有武器开发与和平应用前景。

然而，要实现核聚变是极其困难的，因为原子核带正电，要让两个都带正电的原子核靠近并融合在一起成为一个更大的新核，首先必须克服原子核间的库仑排斥力，比如使原子核具有很大的动能，而这就需要满足高温高压的条件，理论温度要达到1000 万摄氏度以上。在如此高的温度下，原子已完全电离，即原子核与核外电子相分离，成为所谓的等离子体。也正因为需要很高的温度，所以核聚变反应也通常被称为“热核反应”。太阳之所以能维持“热核反应”，就是因为太阳核心部分温度高达1000 万摄氏度以上，而且处于高压状态。可是，在地球上我们很难获得如此的高温和高压，那么人类究竟该怎样来引发核聚变反应呢？由于核聚变研究刚好处于二战时期，所以当时的科学家们自然而然地想到用原子弹来创造核聚变所需的高温高压环境，以引发核聚变引爆氢弹。换句话说：威力巨大的原子弹仅仅只是开启核聚变反应的“药引”，由此我们可以预见氢弹才是真正恐怖的“潘多拉盒子”。

世界上第一颗氢弹的设计师是美国物理学家泰勒，泰勒出生在匈牙利，后于1935 年移居美国，并加入奥本海默领导的“曼哈顿工程”，成为美国核武研究的重要研究人员。1949 年，苏联成功研制原子弹之后，泰勒力促杜鲁门总统加快氢弹研究，并亲自负责氢弹的研制工作。1952年10月31日，美国进行了世界上首次氢弹原理试验，不过当时的“氢弹”重达65 吨，没有实战价值。直到1954年，人们用固态的氘化锂替代液态的氘、氚作为核聚变燃料，大大缩小了氢弹的体积和质量，氢弹才真正可用于实战中。1961 年，苏联曾经引爆过一个叫作“大伊万（又叫沙皇炸弹）”的超级氢弹，其当量为5800 万吨级，爆炸后的蘑菇云高达几千米，留下了100多米直径的大坑，400千米外的房子都被冲击波打得粉碎，冲击波绕地球转了3圈，连地球另一面的美国都受到了这枚超级氢弹的影响。(www.xing528.com)

从20世纪50年代到70年代，美国、苏联、英国、法国和中国都相继成功研制出实战化氢弹。1967 年6 月17 日，就在新中国经济最困难的时期，中国第一颗氢弹的蘑菇云在西部荒漠中升起，无数国人为之动容。有趣的是：虽然氢弹威力巨大，但其维护成本极高，特别是由于核聚变燃料的寿命很短，导致氢弹的储存寿命太短，所以目前的核大国包括美国和俄罗斯基本都销毁了自己的氢弹。不过，中国的氢弹却由于本土科学家于敏的特殊设计而具有很长的寿命，且维护成本极低，所以目前中国拥有世界上唯一的30枚实战型氢弹，这也是目前中国虽然原子弹数量不多，但仍然具有极大核反击能力的家底。于敏先生在1926年生于河北省宁河县，是中国研制核武的科学家团队中唯一没有海外留学经历的本土科学家。由于保密需要，于敏先生的英雄事迹一直不为人知。2015 年，中国政府授予了于敏先生一个迟到的国家最高科技奖，在颁奖典礼上于敏泪流满面的一幕感动了很多人。有幸的是，于敏先生至今（2017年）仍然健在，低调、富学的于老爷子堪称中华民族的脊梁。

值得一提的是，美国“氢弹之父”泰勒同时也是著名华人物理学家杨振宁先生的博士导师，杨振宁先生因与李政道合作提出弱相互作用中的“宇称不守恒定律”而获得1957 年的诺贝尔物理学奖。1958 年，杨振宁在台湾接受了中华民国“中央研究院院士”称号，并于1964 年加入了美国国籍。20 世纪70年代，杨振宁曾专程到兰州大学与著名理论物理学家段一士教授（仙逝于2016年）热情交流，并赞其“研究极妙”。2003年，82岁的杨振宁终于回到中国大陆叶落归根，婚后在北京安享幸福的晚年。2017 年年初，95 岁的杨振宁又放弃美国国籍，转为中国科学院院士，至今仍然活跃在国际物理学术圈。对于杨振宁先生的一生，目前舆论存在一些争论，而对于科学家的个人评价，未来的历史自有公论。不过，单从科学贡献的角度看，杨振宁先生无疑是一位伟大的物理学家。