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爱德华泰勒(美国理论物理学家)

爱德华泰勒(Edward Teller,原匈牙利名为Teller Ede),是一位出生于匈牙利的美国著名理论物理学家 [1-2] ,曾任教于加州大学伯克利分校芝加哥大学 [2-3] ,1952年与欧内斯特劳伦斯共同创建了美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) [4] 、1959年主持建立了伯克利空间科学实验室(SSL) [5-6]被誉为“氢弹之父” [1] ,但他本人对此称号并不在意。除氢弹之外,他对物理学多个领域都有相当的贡献。

泰勒于1930年代移民美国,并成为曼哈顿计划的早期成员,参与研制第一颗原子弹。这段期间,他还热衷于推动研制最早的核融合武器,不过这些构想直到第二次世界大战结束之后才实现。在一场对于罗伯特奥本海默背景调查的听证会上,泰勒对这位过去在洛斯阿拉莫斯国家实验室的同事 [1] ,作出一些具争议性的证词,此后他在科学界中变得不受欢迎。他持续寻求美国政府与军事研究机构的援助 [1]

泰勒晚年对于一些军事与公共议题,发表了一些具争议性的技术解决方法,其中包括计划在阿拉斯加利用热核爆开凿港口。他是里根总统的战略防御计划之热衷支持者 [1] 。泰勒的一生因其科学才能、欠佳的人际关系,以及善变的个性而知名。此外也被认为是1964年电影《奇爱博士》的灵感来源之一。

泰勒生于奥匈帝国布达佩斯的一个犹太人家庭。他于1926年离开了匈牙利(部份原因是霍尔蒂米克洛什统治时所实施的大学学额限制)。他年少时匈牙利所处于的政治趋势和改革,使得泰勒逐渐对共产主义和法西斯主义有了深深的恨意。当他还是一个年轻学生的时候,他在慕尼黑的一次电车交通意外中严重受伤,导致他需要配戴一只义肢脚,以及终生都要一拐一拐地走路。泰勒于卡尔斯鲁厄大学化学工程系毕业,并在沃纳海森堡的指导下从莱比锡大学取得物理学博士学位。泰勒的博士论文涉及到氢分子离子最早的一次准确量子力学论述。他于1930年与俄国物理学家乔治伽莫夫列夫朗道成了朋友。泰勒终身的好友捷克物理学家乔治普拉切克对于泰勒的科学和哲学的研究非常重要,正是他安排年轻的泰勒与他一起前往罗马拜访恩里科费米,从而将泰勒的研究方向定为核物理。

他在哥廷根大学度过了两年,之后于1933年在犹太人援助委员会的帮助下离开了德国。他在英国呆了一阵子后就搬到哥本哈根住了一年,在尼尔斯波耳的指导下工作。他在1934年2月结婚了,对象是一位他认识多年的密友的姐妹,叫“米丝”(奥古丝塔玛丽娅)哈尔肯伊("Mici" (Augusta Maria) Harkanyi)。

乔治伽莫夫的鼓动下,泰勒于1935年受美国乔治华盛顿大学的邀请出任物理学教授一职,直至1941年,期间与伽莫夫共事。在发现裂变之前的1939年以前,泰勒作为一个理论物理学家从事量子、分子核物理领域的研究。在1941年入了美国国籍之后,他的兴趣转到核能量应用方面,对裂变和聚变的核能量都感兴趣。

或许泰勒对科学最重要的贡献是姜-泰勒效应(1937年)的说明,其中描述了电子云在某些情况下的几何扭曲;在描述金属的化学反应时有着显着的作用,尤其是跟某几种金属染料一起的时候。在与布鲁诺尔及埃米特的合作下,泰勒也对表面物理和化学方面有重要贡献:他们三人一起发现布鲁诺尔-埃米特-泰勒(BET)等温线。

当第二次世界大战开始时,泰勒想为战争出一分力。在著名加州理工学院空气动力学家及同是匈牙利移民的西奥多冯卡门的建议下,泰勒跟他的朋友汉斯贝特合作开发了一套振荡波传播理论。他们为这种波背后的气体表现所作的解释,对后来研究导弹返回技术的科学家来说非常有价值。 [7]

泰勒于1942年受邀加入罗伯特奥本海默伯克利加州大学的夏季研讨会,计划开展曼哈顿计划,也就是同盟国研发第一批核武器的主力。几星期前,泰勒跟他的朋友兼同事恩里科费米就核战争问题见过几次面,而期间费米曾满不在乎地提议过或许可以使用一种核裂变武器来引发一个甚至更大的聚变反应。尽管他当时就立即跟费米说明过他认为这样做并不可能,泰勒还是被这个可能性吸引,而且很快地就对“只是”一个原子弹(当时离完成还很远)这概念生厌。在柏克莱的会议期间,泰勒把讨论从裂变武器转移至聚变武器--也就是他所谓的“超级”(一个后来被称为氢弹的早期版本)。 泰勒在战时加入了当时还是秘密的洛斯阿拉莫斯实验室的理论物理学部,并继续推动他聚变武器的构想,即使它在战时并没有被优先考虑(因为只是单单创造核裂变武器已经够困难了)。由于他对氢弹的兴趣以及他在实验室所受的挫折(因被忽略而没当上理论物理学部主任,取而代之的是汉斯贝特),所以泰勒拒绝从事裂变弹的内向爆炸理论计算。这使得他与其他研究员的关系紧张,因为必需雇用额外的科学家来做那项工作--当中包括克劳斯富赫斯,后来被发现是苏联派来的间谍。泰勒更在深夜弹奏钢琴,此举显然使他的邻居们对他感到厌烦。然而,泰勒对原子弹研究有重要贡献,尤其是内向爆炸物理机制的说明。

泰勒于1946年参加了一个会议,其中讨论到热核燃料(例如氘)的性质,及氢弹的可能设计。最后结论是泰勒对氢弹的评估太好了,而且氘的用量和它燃烧时所失的辐射量会使氢弹有着无庸置疑的可用性。向热核混合加入昂贵的氚很可能会降低其点火温度,但就算这样也好,那时没有人知道要加多少氚,以及加入氚会否促进热传播。会议末段时,尽管在场一些成员(如罗伯特塞尔伯)提出反对,泰勒还是提交了一份乐观的报告,里面说氢弹可行,应该更进一步促成它的研发。克劳斯富赫斯也参与了这次会议并把资料传回莫斯科。泰勒的“古典超级”模型是如此的不肯定,以致奥本海默后来说他希望苏联人正在用那个设计建造自己的氢弹,那么他们的研究进度是肯定会被它拖慢的。泰勒于1946年离开洛斯阿拉莫斯回到芝加哥大学 [8]

案件回放

泰勒与其他同事的裂痕于1954年扩大,那时他在罗伯特奥本海默的安全调查听证会上作供指证身为洛斯阿拉莫斯前主管兼原子能委员会会员的奥本海默。泰勒在洛斯阿拉莫斯的时候曾与奥本海默因裂变及聚变研究的问题发生过几次冲突,而且在奥本海默的审判中他是科学社群中把奥本海默列为不可靠人物的惟一一人。检察官罗伯特罗布在聆讯会上问他是否打算“提出奥本海默博士对美国不忠”,泰勒否认。他马上被问到他是否相信奥本海默是“不可靠人物”,他的证词是这样的: 我在很多场合见过奥本海默装模作样--我认为奥本海默博士在装模作样--对我来说,在某程度上那是极难理解的。我曾在为数不少的议题上与他的意见完全不合,而他的行动在我看来确实是既混乱又复杂的。到现时为止,我认为我会更愿意看到国家极其重要的关注落入我更能理解的人手中,因为理解所以才会有更多的信任。在这样极其有限的意识下,我希望在此表达一个想法,就是如果其他公共问题能由其他人处理的话,我个人会感到安心得多。

案件影响

在20世纪50年代向美国国会作证,证明负责曼哈顿计划的罗伯特奥本海默(Robert Oppenheimer)由于其政治倾向不能可信地继续从事氢弹研究的那位物理学家。泰勒的证词导致奥本海默威望扫地,并且使他的安全准许证被吊销。许多杰出的物理学家永远无法原谅泰勒的所为。

有人认为泰勒作出对奥本海默不利的证供,是企图从奥本海默手上褫夺公权,以便自己成为美国核科学家社群的领袖。

苏联于1949年进行了第一次的原子弹引爆测试,其后总统杜鲁门就宣布要开展氢弹的速成研发。于是泰勒在1950年回到洛斯阿拉莫斯进行该计划的工作。泰勒很快就对计划的进度感到不耐烦,并强烈要求需要更多理论学者介入,又指责他的同事缺乏想像力。这使得他与其他研究员的关系变得更糟。然而,他那时却还没有可行的设计(其他人也没有)。贝特曾指出如果泰勒没有迫切要求氢弹测试提前的话,苏联人自己的研发很可能会慢下来,尤其是因为克劳斯富赫斯给他们的资料中有很多错误的技术细节,这些细节会使一个可用的氢弹不能用。曾参与苏联氢弹研发的俄国科学家们声称,明白那些早期构想是不可行的,任何看过计划的人都会很清楚这点;而且他们还声称自己是完全独立地研发出氢弹的。

波兰数学家斯坦尼斯瓦夫乌拉姆,及其合作者康尼留斯厄瓦特、验算者费米于1950年所作的计算不但指出泰勒之前所估计的氢弹所需的量太少,而且即使加大氚的用量,聚变过程中的能量流失也会大得使反应无法进行下去。然而,“超级”弹的研究进行了多年仍毫无进展,其后泰勒在1951年占有了乌拉姆的一个创新构想,并将其开发成第一个可行的百万吨级氢弹设计。乌拉姆及泰勒的贡献就成了后来的泰勒-乌拉姆设计方案,但实际上两人的各自贡献确实为何,及最后构想是如何达成的,却不为公众所知,于是在五十年代早期于公众及机构间造成争论。

在1999年与《科学美国人》的一次访谈中,泰勒告诉记者:

“我有贡献,乌拉姆没有。要如此唐突地回答,我感到抱歉,但我必须要这样做。乌拉姆当时对一套旧方法感到不满意,这是恰当的。他拿着一个构想的一部份来找我,而这个构想我那时已经思考过,正愁找不到人听我说。他当时说愿意在论文上跟我联署。但当找他做论文答辩及实际研究时,他却回绝了。他说:“我不信任这套方法。”

这个问题很具争议性。贝特早在1952年就把泰勒对氢弹的贡献,视为一项真正的创新,并在1954年指他这项研究是“神来之笔”。然而,在上述两个例子,贝特强调泰勒的角色是为了加强自己的论点,也就是即使有更多的拨款,也不能加快氢弹的研发,而泰勒则极不认同贝特的这项论点。其他科学家(与泰勒敌对的,例如J卡森马克)则声称在没有乌拉姆及其他人的帮助下,泰勒的研发进度根本无法向前。乌拉姆本人就声称泰勒只提出过一个比他原设计“更概括的”版本。

整个设计的突破点详细情况仍是机密在于分开氢弹的裂变部份和聚变部份,以及在使用裂变弹的辐射,来对被燃点前的聚变燃料进行最早的压缩。乌拉姆的原意似乎是用机械冲击来促进聚变,而泰勒很快就意识到初级核弹的辐射也能做到这点,而且更有效。实验室的一些成员(尤其是J卡森马克)后来表示,任何有研究其中物理过程的人,终究会想到使用辐射的这个方法,而泰勒立刻就想到辐射的原因可能是因为,他在1951年春季时已经做过“温室”核试,而当时要研究的正是裂变弹对氘氚混合物所产生的效应。

不管所谓的乌拉姆-泰勒设计方案内实际上有什么元件及谁分别对方案贡献了什么,它一被提出马上就被研究计划内的科学家视为他们搜索已久的答案。那些之前怀疑过裂变-聚变弹可行性的,都立刻改变想法,认为要美国及苏联都拥有数百万吨当量级的武器,只是时间问题。即使是原先反对计划的奥本海默,都说这个做法“技术上是甜蜜的”。

尽管他有帮忙提出这个方案,而且他长期推进这个概念,但是他并没有被选为这个研究计划的主管(他人格的坏声誉很有可能在此发挥了作用)。他在1952年离开洛斯阿拉莫斯,并加入了加州大学辐射实验室新建的新分部利福摩尔,而建立新分部很大程度是因为泰勒的强烈要求。在1951年11月1日常春藤迈克”(第一项使用泰勒-乌拉姆设计方案的热核武器)被引爆之后,泰勒就被媒体誉为“氢弹之父”。泰勒没有出席核试他声称他觉得太平洋试验场不欢迎他反而在柏克莱一栋大楼的地下室看地震仪的结果。

有意见指出苏联(其氢弹研究的领导为安德烈萨哈罗夫)能够从核试的原子尘中破解出美国的新设计。然而,这事稍后被苏联的炸弹研究人员所否认。由于氢弹是官方机密,所以由政府发表的氢弹资料很少,媒体报道大部份把整个武器的设计与研发归功予泰勒,以及他新的利福摩尔实验室(但氢弹的研发地实际上是洛斯阿拉莫斯)。

即使他只有参与的份儿,泰勒还是好像挺喜欢自己一个人独揽所有的功劳,因此许多他的同事都被他这点激怒,最后在恩里科费米的鼓励下,泰勒写了一篇名为《许多人的劳动》的文章作为回应,文章发表于《科学》1955年2月号,内容强调研发计划中不止他一个人。他后来在回忆录中说,为了“平息各方的怒气”,他在1955年的文章中讲了一个“善意的谎言”,并且声称拥有该项发明的全部功劳。

泰勒以全神贯注于理论上有趣但实际不可行的计划(古典“超级”就是这样一个计划)而闻名。有关他对氢弹的研究,贝特说:

“没有人会因为泰勒在1946年的错误计算而责怪他,尤其是因为当时洛斯阿拉莫斯并没有适合的计算机器。但是他在洛斯阿拉莫斯受到了指责,因为他引领实验室,以及确实地整个国家,去做一个有关基本计算的冒险计划,而他本人肯定知道过往自己在这方面大有进步空间。”

在曼哈顿计划期间,泰勒也曾提倡过研发氢化铀炸弹,但理论部不少同事都不看好这项研究。在利福摩尔,泰勒继续对氢化物炸弹研究,结果不中用。乌拉姆曾经写过信给一位同事,说他跟泰勒有着同一个想法:“爱德华对这些可能性有着极大的激情;也许这是它们不会成真的征兆。”费米曾经说过,泰勒是他惟一认识有着多种狂热偏执狂

核武器数据库的凯里萨巴莱特主张,热核反应的辐射内向爆炸压缩是乌拉姆想出来的,但另一方面,裂变加速这个概念是泰勒于1945年率先提出的,因此也有小量功劳,而且这项理论对缩小化及可靠度而言是不可或缺的,现今所有核武都有用到。

泰勒曾任劳伦斯利福摩尔国家实验室主管(1958年-1960年),该实验室是在他的帮助下(与劳伦斯一起)成立的,他卸任主任后继续出任助理主管。他主持在柏克莱成立太空科学实验室的委员会,亦同时出任伯克利加州大学物理学教授。他是一名不屈不挠的强核拥护者,并为持续的核试验及开发据理力争──实际上他辞掉利福摩尔主管一职,就是为了能更好地游说政府疏通已被提出的核试验禁令。他为反对核试验禁令,曾在国会前及电视上作证。

在奥本海默案的论战之后,泰勒为大部份科学社群所排斥,但因为明显的理由,他在政府及军事科学圈子里仍挺受欢迎的。除他对核能开发、强核储备及积极核试验的惯性提倡外,他为帮助研发出核反应炉的安全标准而在1940年代后期主持原子能机构内的反应炉防护措施委员会 ,并其后在通用原子公司带领研究小组,设计理论上核能外泄不可能的研究用反应炉(TRIGA)。

他于1963年建立了戴维斯加州大学的应用科学系及劳伦斯利福摩尔国家实验室,故该大学有以泰勒命名的资助教席。 他于1975年自实验室及柏克莱退休,此后被利福摩尔实验室任命为名誉主任,以及被胡佛研究所任命为高级研究员。在 共产主义于匈牙利垮台的1989年以后,他曾好几次到访自己的出身国,并仔细地关注当地的政治转变。

泰勒是核炸药非军事用途研究中最坚决及最有名的一位促进者,这研究又被称为犁头行动。他计划中最具争议性的一个方案,就是使用氢弹去开凿深水港,案中提出用一个数百万吨级的氢弹,在阿拉斯加的庞特霍普附近,开凿出一个长一哩余并宽半哩的深水港,用作煤矿及油田的资源采收。原子能委员会于1958年接纳了泰勒的计划书,并被定名为战车计划。当原子能委员会的人正在阿拉斯加进行实地考察,并找人撤消土地公共使用权的时候,泰勒公开拥护计划的经济效益,但却不能说服当地政府领导确信该计划财政上是可实行的。

其他科学家批评计划可能对当地野生生物及在计划区域附近居住的因努皮雅特人构成危险,而族人直至1960年才被正式告知有关计划。此外,计划开凿的港口原来一年内会被冰封九个月。最后,由于计划财政上不可行及辐射有关的健康问题,计划于1962年被取消。

另一个有泰勒支持的相关实验是一个在亚伯达省北部用核爆从阿萨巴斯卡油砂中提取石油的方案 。该计划实际上已得到亚伯达省政府的支持,只是被总理约翰迪芬贝克管理下的加拿大政府所反对。除反对加拿大境内有核武器之外,迪芬贝克还担心这样的计划会加剧加拿大北部的苏联间谍活动。

泰勒于1979年心脏病发,他把此事归咎于珍芳达;在三哩岛核泄漏事故之后,该名女演员曾在推广她的新片《危机》(The China Syndrome)时坦率地宣扬反核能。泰勒很快对此作出回应,游说各界支持核能,为其安全性及可靠性作证,并在这样的一阵活动后病发。泰勒在《华尔街日报》上写了个两页大广告,于1979年7月31日刊发,题为“我是三哩岛的惟一受害者”,首段是这样的:

“在三哩岛事故后几星期的5月7日,我身在华盛顿。我到那儿是为了驳斥拉尔夫纳德、珍芳达和他们那种人搞的宣传,也就是那些尝试使人们被核能吓走而向新闻媒体吐出的宣传。我现在71岁,一天内工作了20小时。压力太沉重了。第二天,我心脏病发。你可能会说我是惟一一个健康受哈里斯堡附近那反应炉影响的人。不,那是错的。是珍芳达。反应炉并不危险。”

第二天,《纽约时报》刊登了一篇批评此广告的社论,指出它是由德雷萨工业所赞助的,该公司制造的有问题阀门是促成三哩岛事故的原因之一。

泰勒于1980年代开始发起一个后来被称为战略防御计划的运动,由于内容包括使用激光或卫星催毁来犯的苏联洲际弹道导弹,故被评论家谑称为“星球大战计划”。泰勒游说政府机构并得到总统罗纳德里根的赞成支持他的计划,去开发一套使用原子武器向导弹发射X射线激光的精密卫星系统──这是一个更广的核武器防御科研计划中的其中一部份。然而,泰勒(及其合伙人洛威尔伍德)被指蓄意过度宣传该计划,及有可能促成了一名实验室主管的离职(罗伊伍德鲁夫),而该位主管曾试图纠正错误。他的主张引发出一个在科学社群中流传的笑话──无理乐观有了一个名叫泰勒的新单位;一个泰勒是如此的大,以致大部份事件都要用到纳泰勒或皮泰勒(即十亿分之一或万亿分之一泰勒)来量度。不少著名科学家都认为这套拦截系统没有用处。贝特,跟IBM物理学家理查德加尔文及康乃尔大学同事库尔特戈特弗赖德一起在《科学美国人》写了一篇分析该系统的文章,并总结出无论哪一个敌人都能使用恰当的诱饵来解除这样一个系统所带来的威胁。这个计划的拨款最终被缩减。

很多科学家不以纯技术的角度来反对战略防御,而是以道德及政治的角度。他们认为就算这样一个可用的系统被造了出来,它也会打下相互保证毁灭体系的基础,而该体系就曾防止过西方民主及共产党集团的全面交战。他们坚决主张有效的防御会为这样一场战争带来“胜利的可能”,所以更有可能胜出。

尽管(或可能是因为)他一向被指是鹰派人士,泰勒曾公开表示,对在二战期间向平民城市投掷初次使用的原子弹感到遗憾。他还说在轰炸广岛之前,确实有游说过奥本海默先用核武进行“示威”,在造成大规模伤亡之前可以给日本军方高层及市民见识一下。“氢弹之父”会采取类反核的立场(他会说使用核武是一件很遗憾的事,但在共产主义的倔强本质下,军备竞赛是无可避免的)来推广像战略防御这样的科技,并主张有需要使用它们来确保核武不再被使用(他其中一本书的名字就叫做《还是盾比剑要强》)。

然而,有证据指出这样的立场不实。1970年代时出现了一封泰勒于1945年7月2日写给里奥席拉德的信,上面写道:

“我们现在惟一的希望,就是把我们的研究有成果这个事实,放在人们的眼前。这样做对说服他们去相信下场战争时会没命可能会有点帮助。有见及此,直接用在战斗上反而可能是最好的。”

历史学家巴顿伯恩斯坦认为仅凭泰勒信中所言,就断定他是“暗地里支持”核武使用是“不具说服力的”。泰勒在他2001年的回忆录声称他确实有游说过奥本海默,但奥本海默说服了他不作任何行动,还说科学家应该把军事问题交给军方处理;泰勒又声称,对奥本海默及其他科学家就核武使用问题上被咨询过一事并不知情,并暗示奥本海默是个虚伪的人。

在他的事业早期,泰勒对分子物理学光谱学(姜-泰勒和伦纳-泰勒效应)及表面物理学都有相当的贡献。他对费米β衰变理论所作的延伸(其形式为所谓的伽莫夫-泰勒过渡)为这套理论的应用提供了一块重要的踏脚石。姜-泰勒效应和BET理论依然保留着它们原来的公式化表述,仍是化学和物理学的支柱。泰勒对托马斯-费米理论也有贡献,该理论是密度泛函理论的先驱,是复杂分子经量子力学处理时所用的标准现代工具。他于1953年时与尼古拉斯梅特罗珀卢斯及马歇尔劳森布卢夫共同写了一份论文,是为统计力学蒙特卡罗方法应用的标准开端。

即使许多战时同事都对参与了武装竞赛表示懊悔,泰勒还是积极提倡为实力要继续开发核武器,因此外界都把他当作“疯狂科学家”(他的口音和给人深刻印象的眉毛肯定对动摇那个形象没有帮助)。他于1991年被授予最早的一个搞笑诺贝尔和平奖,授奖理由是“改变我们所知和平意义的终身成就”。他也被谣传为斯坦利库布里克的1964年 讽刺影片《奇爱博士》及其同名角色的灵感(据推测,其他灵感为兰德公司理论家赫尔曼卡恩、火箭科学家沃纳冯布劳恩美国国防部长罗伯特S麦克纳马拉)在上文提及的1999年《科学美国人》访问中,他被报道给该问题激怒:“我的名字不是奇爱。我不知道奇爱的事。我对奇爱没有兴趣。我还能说什么?…注意,再说它三次,我就把你扔出这个办公室”。。诺贝尔物理学奖得主伊西多拉比曾经指出“这个世界没泰勒的话会好得多”。。此外,泰勒声称斯特尼斯瓦夫乌拉姆对氢弹的研发无显著贡献的言论(尽管乌拉姆关键地洞悉到可使用压缩及分阶段要素来产生热核反应),以及他对奥本海默的人身攻击,使得整个物理学社群对泰勒的敌意更甚。

总统自由勋章

泰勒于2003年9月9日在美国斯坦福去世,享年九十五岁。

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