野狸子,形而上学

于敏构型的不可复制性在于它的诞生过程本身。

于敏构型全称名为”于敏 - 邓稼先构型”,于敏负责前期理论突破,邓稼先推进后期工程落地,考虑到”设计出来”比”造出来”难度更高一筹,我们主要聊聊于敏这一头。

知道答案存在,反而会更难

氢弹的物理原理并不复杂,一般采用目前世界公认的 Teller–Ulam 架构。

Teller–Ulam 架构组成

简单来说,就是用原子弹(初级)产生的 X 射线,通过辐射通道去压缩点燃热核燃料(次级),最后完成辐射内爆。

美国 1952 年搞出来了,苏联 1953 年紧随其后,毕竟物理学不分国界嘛,思路摆在那儿,谁先把具体的工程数据算出来,谁就先毕业。

美国核试验现场

看到这里,大家可能觉得,前面有人把这条路走通,后面跟着走不就完了?没什么了不起的。

其实和我们上学做题一样,一道难题,一旦老师给出了正确答案,但是没有推导过程,让我们比赛谁先做出来。为了求速度,我们的思维方式很可能就变了,后续的解题思路很可能更倾向于不再从头推导,而是猜答案。毕竟从结果溯源,看起来会比从头推导更快,更省力。

当年的中国核武器大考也是这个局面,物理学上辐射内爆这个大方向谁都知道。

但 X 射线怎么均匀压缩次级?辐射通道什么几何构型?初级和次级的空间关系怎么摆?起爆时序误差控制在多少微秒以内?

每一个”细节”都是生死线,但是这些细节,逆向工程很难猜出来,核武器研发陷入了困局。

于敏是怎么干的?

1961 年,于敏接到任务,那时候中国在工程实现这方面的研发情报完全被封锁了,唯一能看到的西方公开文献,反复都强调一个东西:氚。好像搞到足够多的氚就能做出氢弹了。

这个时候,很多国家的科学家就顺着这个思路被带跑了。

于敏没有陷入这个误区,他算了一遍,发现不对劲,氚半衰期只有 12.3 年,放着放着就衰变了,生产成本极高,纯靠外源氚驱动聚变,能量效率根本撑不起一个实用化的武器。

他的前瞻性判断后来被证实是对的,实用化氢弹的思路是用氘化锂做热核燃料,让锂 -6 在中子轰击下原位生成氚,聚变燃料”自己造自己”。

但在 1961 年,没人给于敏递这个答案,是他从第一性原理自己推出来的。

在此之后,他还做了一个极其大胆的决定,那就是扔掉所有”参考答案”,不走捷径,相反选择从最基本的物理方程重新推导。

1965 年秋天,他带着团队跑到上海华东计算技术研究所,借助 J-501 计算机进行氢弹理论的数值计算和分析。

J-501 计算机

这个设备有多牛逼呢,大概是每秒 5 万次运算速度,现在你兜里随便一个手机芯片都是它几百万倍,随便秒杀。

更要命的是,这台机器 95%的运算能力分给了原子弹项目,于敏团队只拿到 5%。

于敏在查阅计算数据图

白天上不了机就用算盘做预处理,把方程简化到极致,晚上才上机跑核心部分,将近一百天,后来这段传奇时光被称为”百日会战”。

离谱的是,他们在这么有限的算力下,居然跑出了正确的物理方案。

这意味着上机之前,于敏在脑子里就已经把问题的整个物理构型想清楚了,计算机只是验证判断的工具,不是帮他探索的试金石。

于敏的这种能力,跟算力没关系。

1967 年 6 月 17 日 8 时许,首枚基于于敏构型的氢弹由徐克江机组驾驶的轰 -6轰炸机在罗布泊沙漠的试验场上投放试爆成功。

这种构型是开创性的,首发就是实战型的,和国外依靠实验堆出来的策略相比,省了很多核试验,给当时的中国省了不可估量的资源。

另外有专家指出,世界上仅有两种氢弹构型,一种是美国的 T-U 构型,另一种就是于敏构型。而于敏构型比美国 T-U 构型设计更加巧妙,首爆氢弹体积比美国要小,更适合实战。

再看下对照组

各国从原子弹到氢弹花了多长时间:

  • 法国:8 年 6 个月
  • 美国:7 年 4 个月
  • 英国:4 年 11 个月
  • 苏联:3 年 11 个月
  • 中国:2 年 8 个月

对比来看,中国最快,而且快到离谱。

另外,隔壁的兄弟技术路线技术路线主要基于自主研发的裂变 - 聚变(热核)设计,但国际专家多质疑其为“助推型”或增强裂变弹,而非成熟两级氢弹,成功与否有待确认。

更搞笑的是另外一个朋友,1998 年,印度搞了”夏克提行动”,号称试爆热核武器,官方宣布当量 45 千吨。

然后呢?

国际地震监测网数据出来了,实际当量大概 10 到 25 千吨。差了一倍还多,很可能聚变部分基本没烧起来。后来现场主任桑塔纳姆自己都承认,热核装置没达到设计目标。

印度不缺物理学家,不缺计算机,甚至不缺核材料,他们缺的是于敏那种”把噪音全部扔掉,从第一性原理重新建模”的能力。

有时候太想抄近路,反而会越走越远。

其实工程领域有很多类似的事,拿着别人的成功方案照着抄,结果出了问题,排查半天结果发现人家方案里的前提条件你不满足。

抄的时候不动脑子,忽略前提以及细节,然后弄出点事情来玩玩。

印度的氢弹构型也是一回事。

最后回到这个问题

于敏构型能搞出来,并不是因为中国比别人聪明。是因为在那个特殊的历史窗口,恰好具备了一个极罕见的组合。

一个能从第一性原理独立推导的顶级理论物理学家,一个愿意把全部国力押上去的体制,和一个”反正也没有参考答案”的绝境心态。

三个者缺一不可。

于敏赢在他拒绝了所有”参考答案”,老老实实从头算起,最后踏踏实实地赢了。

这听着像个笨办法。

但笨办法,往往是唯一的办法。


参考来源:
  1. 各国氢弹研制时间数据
  2. Elements of Thermonuclear Weapon Design
  3. 于敏:填补中国核理论空白 - 中国科学家博物馆
  4. 朝鲜第六次核试验“成功”试爆氢弹 中美韩俄日纷谴责
  5. India's Nuclear Weapons Program
  6. 印度 1998 年核爆造假?
  7. 爆炸地点代号「白宫」!印度公开 20 年前核试验照片