于敏：设计中国氢弹

于敏院士工作照（摄于1998年）

1961年1月12日的一场谈话改变了于敏的一生。在第二机械工业部的办公室里，副部长钱三强严肃地告诉于敏，希望他参加氢弹理论的预先研究，但这事得保密。

这对于敏而言是始料未及的。时年34岁的他已经在中科院原子能研究所工作了10年，是国内最早开展原子核物理理论研究的科学家，在这一领域内已有一定建树。理论研究也一直是于敏的兴趣所在，晚年回忆起自己的经历，他仍对此念念不忘：“我的性格内向，喜欢宁静，从大学开始就喜欢基础科学研究，对应用研究不太感兴趣，比较适合从事小科学研究，不宜从事大科学研究。更从来没有想过，要去从事诸如研制氢弹这样一类大系统科学工程的工作。”

在此之前，于敏已经面临过一次个人兴趣和国家需要间的权衡。50年代初，从北大物理系毕业的他更倾心于“量子场论”的研究。此时的中国正急需发展自己的核力量，刚刚成立的中科院近代物理所（后来的原子能所）希望网罗一批优秀人才进行原子核物理研究，于敏就被分配到了这里。

一开始接到钱三强的提议时，于敏有些犹豫。他随后想起在沦陷区天津度过的青少年时期，旧中国积贫积弱的景象让他感到沉痛。1960年，中苏关系恶化后，中国的核力量发展进程也遭受重创。“像我国这样贫弱的一个大国，如果没有自己的核力量，就不可能真正地独立。”深思熟虑之后，于敏带着这样的认识，主动接受了人生的再一次转向。

于敏担任副组长的轻核理论组是原子能所在二机部要求下新增的研究组，专门进行氢弹理论研究。当时正是中国原子能事业由苏联援助转向自力更生的时候。凭借此前几年的发展和苏联提供的援助，国内科学家对原子弹的原理已经有了一定掌握，氢弹在原理上则与原子弹有较大差异，是一种热核反应，亦即核聚变，与原子弹的核裂变反应完全相反。至于其具体原理、内部结构如何，国内则近乎一无所知。

1967年6月17日，中国在罗布泊上空成功试爆第一颗氢弹

“设计核武器有三个要素：原理、材料和构形。它的基础是核武器物理。氢弹要以原子弹做基础，但是无论原理、材料和结构都要比原子弹复杂得多。”于敏说。这种情况下，科学家们需要从头开始，完全自主地探寻出氢弹的原理。

“热核燃烧，在高温高密度等离子体状态下，集流体场、辐射场、中子场和核反应场于一体，形成一个很复杂的综合场，交互作用，瞬息万变，有关现象和物理规律非常复杂。要研究这些现象和规律，电子计算机是必不可少的研究工具。”于敏回忆，最初全国只有一台运算速度为每秒1万次的104电子管电子计算机，90%的机时用于原子弹计算，于敏和同事们每个星期只能分到十几个小时。如此少的资源，用来研究热核材料燃烧的现象和规律并不容易。4年之后，解决了一些氢弹原理的基础性问题，但并未获得较大突破。直到第一颗原子弹爆炸后，轻核理论组人员并入二机部第九研究院，才加速了对氢弹的攻坚。

1965年9月，由于敏带领部分人员到上海华东计算技术研究所出差，利用运算速度为每秒5万次的J501计算机，完成加强型核航弹的优化设计任务。加强弹是在第一代原子弹的基础上加入氢的同位素氘、氚等热核材料，通过热核材料的聚变，促使被浪费的核裂变物质发生新的裂变，进而提升核弹的威力，原理与原子弹相同。但这在当时的情况下并不明确，加强弹依然是从原子弹过渡到氢弹的一个可能途径。

时任九院理论部主任邓稼先要求研究人员在国庆节前赶到上海，这样就能利用国庆假期空出的全部机时来集中突击。“用当时已经掌握的加强弹原理，配以可能取得的最好的核材料为后盾，完成口径指定、重达数吨、当量百万吨级的氢航弹优化设计任务。这就是当时被戏称为‘老原理新应用’的一项突击任务。说白一点，就是要我们用加强型原理，靠拼材料、拼个头、拼重量的办法，优化设计一颗飞机能驮的百万吨级热核弹头。”北京应用物理与计算数学研究所研究员蔡少辉是当年的亲历者，他回忆，当时的出差任务是完成加强型核弹的设计。谁也没有想到，在上海的100天，成为氢弹原理的突破口。

那时的计算机性能不稳定，机器跳动就会影响结果的正确性。解决的办法是，每隔一段时间把计算结果存在计算机的磁鼓里，一旦机器跳动，就把存在磁鼓里的前一时刻的计算结果取出来，作为初始条件由计算机重新计算，叫作“取鼓重做”，用这个办法来减少机时损失。但这样一来，24小时工作的机器就离不开人。数学工作者时刻关注程序的运行情况，物理学工作者则要时刻盯着纸带上的计算结果，发现问题及时解决。

在这么艰难而大量的设计和计算过程中，于敏体现了他敏锐的物理学直觉。中国工程院院士杜祥琬记得，有一次，计算机对一个理论模型进行计算，模拟的爆炸过程中，每一个时刻的物理量，例如速度、温度、压力等数值，都在时刻变化。这些数字被打印在数米长的纸带上，密密麻麻地排布着。于敏立即发现某一个量在某一时刻后开始反常，不符合物理规律。大家开始排查，发现物理参数、方程没问题，计算编程、程序指令、程序逻辑也没错。但于敏坚持这其中一定有问题，最后发现，是执行加法的加法器的晶体管坏了，把晶体管换掉，再从头计算，结果果然正确了。

“他有很好的物理学概念，能及时判断物理量的正确性，错了马上找出原因。这没有一点功底是不行的。只承认计算机的结果，那就成了盲目跟着计算机走，计算机还是要听人的，而人就要靠自己的功底。这样才能保证在计算正确的基础上做出正确的判断。”杜祥琬告诉本刊。

所谓“功底”，就是于敏潜心多年，在理论物理学上打下的基础。有一次，于敏和同事何祚庥一起听一位法国物理学家的学术报告，科学家刚把做实验的装置、过程介绍完，于敏就悄声地对身旁的何祚庥说出了这个反应的分支比。过了一会儿，主讲人公布了数值，果然在他所说的范围之内。他估算数值所采用的就是理论物理学中常用的一种量纲分析法，何祚庥说，方法并不复杂，掌握好却并不容易，体现的是一个物理学家的深厚积累。

基于对浩如烟海的数字的分析，于敏从数个计算模型中挑出了三种效果较好的进行深入研究，将加强弹的设计与过去积累的氢弹知识，在上海做了两周学术报告。不仅让所有研究人员了解了加强弹的物理过程，也厘清了一些长久困扰着他自己的问题。

他发现，在加强弹中，热核材料虽然能起到加强原子弹威力的作用，但是加强作用不能保证其自身的自持燃烧，而聚变材料的自持燃烧正是氢弹所需要的。自持燃烧需要高温环境，于敏分析，由于加强弹内中子造氚的过程太慢，抵不上弹体解体的速度，内部能量释放率低于能量损耗率，所以温度持续下降。

为了解决这个问题，项目组着手设计更多的模型，其中，提高热核材料密度促进自持燃烧的方案，预估结果十分诱人。蔡少辉回忆，于敏当时想到，增加热核材料的密度，要靠加强弹中原子弹的能量推动。问题终于越来越明朗：在加强弹中，原子弹爆炸后出现许多物理因素，有的起好作用，有的起破坏作用。限于弹体的构形，它们不可能很好地配合。如果选用了性能合适的材料和构形，促进起好作用的物理因素、抑制起破坏作用的物理因素，这个问题就能得到解决。

蔡少辉记得，那是在上海嘉定县一个深秋的日子，晚饭后，他和于敏在稻田间散步时，于敏直截了当地指出，加强弹的构形不利于热核材料的压缩和燃烧。蔡少辉听了他的想法后很兴奋，同意设计新构形。于敏则深思熟虑地说：“先算两个模型看看。一个比较理想，另一个比较接近实际……”

11月1日晚上，华东计算技术研究所J501机房，计算机滴滴作响，纸带卷上缓缓地输出一行行数字，第一个模型的结果如于敏所料，足够振奋人心。“兴奋之余，临时又加算了一个材料比例不同的模型。结果也不坏。隔天，另一个模型的计算也取得了完美的结果。至此，两类共三个模型的计算结果表明，只要能驾驭原子弹的能量，我们就能设计出羽毛丰满的百万吨级的氢弹！”多年后文章中记录的当年的一刻，仍能感受到当事人的兴奋之情。

按照新原理设计的氢弹理论方案雏形逐渐浮出水面。11月下旬，邓稼先闻讯从北京赶来上海。他原本只打算在上海逗留3天，但听了于敏的介绍后，立即决定再多留两天。随后，他将方案带回北京。虽然九院理论部的多个研究室都在探索不同路径的氢弹原理，但最终，于敏提出的方案最令人信服。1966年年中完成了含有热核材料的原子弹空爆试验后，氢弹原理试验也在年底成功。

“这个试验关系着成败，成败用什么来判断？具有氢弹特征的物理量。当时核试验有两个速报项目，我们事先划定了数据的范围，爆炸完没有几分钟速报数据出来了，大家一看速报数据完全在我们的范围之内。速报项目具有氢弹的特征，标志我们掌握了氢弹原理，也就是掌握了氢弹这个东西。当天晚上庆功，邓稼先喝醉了，于敏不大喝酒，他心里高兴，但并不手舞足蹈。”杜祥琬说。半年之后，中国第一颗氢弹在罗布泊爆炸。氢弹原理的主要设计者于敏并不在现场。他依然很平静，他说：“我这人不大流泪，也没有彻夜不眠，回去就睡觉了，睡得很踏实。”

于敏曾想，完成研制氢弹的任务之后，自己可以回到理论物理学领域，但事不由人。70年代末期以后，九院的众多科学家相继调离，于敏担任起了副院长和理论所所长职务，成为核武器理论研究的领头人。杜祥琬说，在担任九院领导职务时，于敏的宏观视野也体现出来。“他非常注意国外的动态，但不是外面是什么他就了解什么，他要有自己的分析判断，去伪存真，要知道他们要干什么，哪些对我们是有用的，哪些是假的，我们从战略上应该如何应对。”于敏注意到当时各国核武器发展水平，预感在不久的将来，先进核国家可能会推动全面禁止核试验。中国起步较晚，如果不能在禁止核试验前提升自身能力，尤其是推动核武器定型化、小型化发展，一旦签订全面禁止核试条约，中国就可能处于不利的被动局面。

1986年，于敏与罹患癌症、躺在病床上的邓稼先一同起草了一份报告，基于对世界趋势和对中国现状的估计，向中央提出了加速核试验的建议。这份报告推动了此后10年中国核武器技术爬坡式的发展。1999年，美国国会公布《考克斯报告》、“李文和案”发生，美国声称中国窃取其核机密。于敏当时接受媒体采访时，注意到了《纽约时报》报道中的一句话：“不用进行间谍活动，北京可能已经自力更生实现了自己弹头的小型化。”他对记者说：“这句话说对了，重要的是‘自力更生’，我国在核武器研制方面一开始定的方针就是‘自力更生，艰苦奋斗’。但我们不是‘可能’，是‘已经’实现了小型化。”小型化的最终实现，正是在《全面禁止核试验条约》签署前10年。

与其他两弹功勋一样，在过去数十年中，于敏的这些所作所为都是国家机密。直到60岁后，他相继获得多个国家科技奖项，一系列档案解密，公众才得以了解，这是设计了中国第一枚氢弹的人。

（参考资料：《于敏院士八十华诞文集》、《氢弹原理试验纪事》）

（文 / 记者  王玄    实习记者 / 张兰英） 原子弹核物理于敏氢弹