No.1 核时代到来
原子，在古希腊哲学中是“浑然一体不可分割”的含义。古希腊哲学家德谟克利特认为，世界万物都是由某种最小的物质组成的，他把这种最小的物质单元命名为原子。但是，长久以来，人们对原子的概念没有十分重视，在科学书刊中很少使用原子这个术语。
16和17世纪，随着文艺复兴运动和近代科学的发展，原子学说逐渐引起了科学家的注意。18世纪，以英国的卡文迪和法国的拉瓦锡为代表的化学家在实验中发现，自然界的物质尽管千变万化，但它们都是由一些有限的基本元素组成的。而每一种元素却是由一些化学性质相同的东西构成的，于是，德莫克利特的原子学说又被重新提起，声望大大提高。19世纪初，英国的道尔顿通过科学实验和逻辑推理，证实了原子的客观存在，又一次验证了原子学说，并首次提出了原子量表。随着原子量测定工作的更加深入，人们不断发现新的化学元素。19世纪60年代，俄国的门捷列夫在前人基础上编制了更加完整的元素周期表。这张表揭示了物质世界的秘密：所有的物质都由原子构成，它们之间有着密切的联系。在19世纪，几乎所有的科学家都认为，原子是物质的基本单位，也是最小的单位，用任何方法也不能把原子分开了。
1895年，德国物理学家伦琴发现了一种奇异的光线，它穿透力很强，能把衣服口袋里的硬币和手的骨骼显示在底版上，这就是著名的“X射线”。当时没有人能解释这种光线是怎样发射的，所以就取了名字叫“X”。好奇的科学家们纷纷开始研究这种神秘的光线。1896年3月，法国物理学家克勒尔发现，铀盐在不受任何光源的照射时也可以使胶片感光，他证明了，铀元素是造成这种现象的原因。波兰科学家居里夫人重复了克勒尔的试验，她进一步猜想，是不是只有铀才具有放射这种性质呢？1898年，居里夫人和德国物理学家施米特同时发现，钍元素也能发出新射线，他们把这种性质定义为“放射性”。这一年7月，居里夫妇和别的科学家合作，又发现了一种新元素，她把这种元素命名为钋，发音是波兰的第一个音节，是居里夫人为了纪念她的祖国而命名的。这年12月，她又发现了镭。并且经过4年的努力，她在1902年提炼出了0.1克的纯金属镭。镭的能量十分巨大，它的放射性相当于铀的200万倍，放射完毕，就会形成氦和铅两种新的物质。
放射性的发现促使科学家开始思考原子的内部结构，居里夫人在一篇文章里谈到了放射性能量的来源，她说：“放射性物质的原子，从化学观点来看是不可分的，但在这里就可以分了。”1902年，英国物理学家卢瑟福提出，放射性现象是原子自行蜕变的过程。在此过程中，一种元素的原子变成了另一种元素的原子，同时发射出射线。这些射线都来自原子核。卢瑟福的原子嬗变理论解释了许多实验事实，它的重要意义有两点：第一，完全打破了原子不可分的哲学和化学定义；第二，他将统计的概念引进到原子研究之中。由于这些贡献，他获得了1908年诺贝尔化学奖。
卢瑟福并没有满足于已经取得的成绩，证实原子可分之后，他和他的学生开始探索原子的结构。当时，比较流行的原子模型认为：带正电的部分和带负电的部分在原子内是均匀分布的。但卢瑟福在实验中发现，粒子在撞击原子的过程，有时能直线通过，有时却有大角度的散射。这意味着原子内部不是均匀的，有一部分很硬，是它导致撞击原子的粒子发生散射。
卢瑟福很快就提出了他的原子模型。这个模型很像一个行星，大部分的质量都集中在原子中心的一小部分上，电子围着中心转动，并占据着大部分的空间。大概而言，中心的原子核体积仅为整个原子的万分之一，但质量所占的比例却与之相反。他通过实验还发现，原子内带正电荷的粒子处于原子核中，他把这种粒子命名为质子。卢瑟福还预见说，原子核中还有一些不带电的粒子。这个关于原子模型的假说，打开了原子世界神秘的大门。
1913年，又一部划时代的论著出现了，这就是丹麦物理学家玻尔的博士论文《论原子和分子的组成》，这篇著作使他获得1922年的诺贝尔物理奖。论文进一步完善了卢瑟福的原子模型，他提出，电子在原子内部是随着能量的不同一层一层按级分布的，越往里，能量越大。这种模型把量子理论和经典力学结合起来，为进一步深入研究确定了正确的方向。
为了进一步研究物质的放射性，科学家们不断用粒子去轰击原子。1928年，德国物理学家博特和贝克，在用粒子轰击铍元素时，发现被轰击的原子都出现了一种很强的不带电的射线。4年后，居里夫人的女儿伊伦·居里在实验中也发现了这种射线。但在当时，没有人认为这是新的物质，以为只是一种光量子的发射。在当时，许多人都重复了这种实验，但在轰击一些重的原子核时，往往一无所获。人们逐渐意识到，轰击所用的“炮弹”速度太慢，质量太轻，所以效果不好。1930年，美国加利福尼亚大学的劳伦斯提出，为了使轰击原子核的质子获得必要的速度，要发明一种装置使质子能够加速。次年，他研制出了一台“回旋加速器”，使质子获得了巨大的能量，能够轻易地射向原子核，并把它击碎，使它释放出能量。
1932年，英国物理学家查德威克重复了伊伦·居里的实验后，认为铍元素发出的这种射线很难用光量子发射来解释。他提出，这种射线是一种新的物质，它的质量几乎与质子相等，是一种中性粒子，他把它命名为中子。中子的发现，使科学家彻底打开了原子核的大门，原子的结构组成一旦为人类所洞悉，实际利用和控制原子能的目标就遥遥可期了。
1905年，德国物理学家爱因斯坦在狭义相对论中，提出了一个著名的质能公式，E=mc2。这个公式说明，任何物质都有质量，也有相当的能量。物质的质量可以转换成巨大的能量，其大小是质量乘以光速的平方。当时没有人意识到，这个质能公式为核裂变、核聚变奠定了理论基础。
随着中子的发现，物理学家开始以中子为“炮弹”来轰击元素，借此来发现新的元素。1934年，意大利物理学家费米领导的研究小组用中子轰击元素时，发现用石蜡插在中子源和照射物之间时，放射性的强度可比原来大100多倍。另外，费米小组还发现，用慢中子轰击元素周期表92号之前的元素时，只能得到化学性质相同的同位素。但在轰击92号元素（铀）时，却得到一种化学性质完全不同，比铀还重的新元素。费米误以为，这是铀吸收中子后变成一种超铀元素。
历史老人把发现原子核分裂的机会留给了哈恩。哈恩是德国化学家，在卢瑟福的指导下工作过。返回德国几年后，他建立了自己的研究所，并和迈特纳建立了良好的合作关系，长期从事核反应后的元素辨认、分离和理论分析。
哈恩重复了慢中子轰击铀原子核的实验，结果证实，所产生的新物质却不是超铀元素，而是钡。由于钡的原子量是铀的一半，如果实验没有出现失误的话，这个结果就是意味着铀原子被一劈两半了。哈恩把实验结果写信告诉了迈特纳，希望她能做一些计算，从物理上找出这一现象的原因。
迈特纳是持奥地利护照的犹太人，德国占领奥地利后她成为纳粹迫害的对象，在朋友帮助下，她离开了哈恩的研究所，到瑞典的诺贝尔物理研究所从事研究工作。收到哈恩的信后，迈特纳和一位同事弗里施马上进行了长时间的计算和研究，在理论上对这一现象做了十分圆满的解释。在计算中，他们还发现，原子核被分裂成两块后，由于巨大的电磁斥力，两部分开始高速飞离。计算还表明，这两部分带有约2亿电子伏的动能。至于这个动能的来源，不可能是射入的中子，因为它的能量很小，那么，剩下的能量来源只能是原子核内部。迈特纳计算出，分裂后的原子质量比分裂前减小了，相当于质子质量的1/5，按照爱因斯坦在狭义相对论中提出的质能公式，2亿电子伏特正好相当于1/5质子质量的等价能量。
就这样，迈特纳和弗里施不但证明了原子核的分裂，还利用爱因斯坦的质能公式，揭示出人类能够把物质的部分质量直接转换成巨大的能量，这一点，连爱因斯坦当年都没想到。弗里施又继续进行实验，证实了铀原子的分裂，他从一位生物学家那里受到启发，借用细菌分裂时的“裂变”一词，来描述原子核的分裂，1939年2月11日，英国的《自然》杂志正式发表了弗里施的文章，这标志人类进入了核时代。
No.2 希特勒错过了原子弹
弗里施关于铀裂变的文章引起了各国物理学家的极大关注，许多实验室不断重复着这类实验。各国的政界和科学界越来越密切地关注来自各国第一流物理实验室的报告。这时应该说从原子核裂变中获得巨大能量的实验已取得突破性进展，而哪一国能够首先把它转为实用，造出第一颗原子弹，那伴随而来的将不仅仅是科技应用的巨大成功，对于战争前夕相互敌对的双方来说，在实力对比上也将产生决定性影响。
德国物理学家朱斯给教育部写信，希望能重视弗里施的发现，为此教育部专门召开会议，讨论建立核反应堆的可能性和核研究的方向。并采取了一些行动，攫取捷克斯洛伐克的沥青铀矿。同时，汉堡大学物理学家哈特克也给德国战时办公室写信，提醒他们注意核物理的最新发展，并认为，如果能研制出比常规炸药威力大许多倍的新爆炸物，将使国家在战争中处于绝对的优势。战时办公室指令由迪伯纳来组建一个核研究办公室，组织有关专家进行研究。
1939年7月，哈恩化学所的物理学家佛鲁奇发表了题为《获取原子核的能量在技术上是否可行？》一文，在文章中，他估计1立方米的铀的氧化物可将1立方公里的水提升27公里。这篇文章不但引起了德国政府和军队的兴趣，也引起了盟国情报机关的关注。德国军需部在1939年9月成立了一个代号为“驱动火箭的新能源研究”的“铀俱乐部”，迪伯纳担任主任。他起草了一份报告，名字是《开始开发核裂变的准备工作》，不但对核研究的现状进行了估计，也对德国未来的工作提出了大体的规划。物理学家海森堡和冯·魏扎克等被召入这个俱乐部。
海森堡很早就研究核裂变的问题，他明确指出，能产生核裂变的铀是铀的同位素铀235。当高纯度的铀235材料拼在一起，如果超过几公斤的临界质量后，链式反应就可以在材料中迅速进行。
但海森堡又指出，铀235在天然金属铀中，含量不到1/100，而且很容易裂变。要制造原子弹，首先要解决燃料问题，即从天然铀中分离出大数量的铀235，这在当时工业条件下是一件很难的事情。不但工艺复杂，而且耗费巨大电能。因此有必要采用另一种方法，用缓冲剂将裂变时产生的中子减速，使它逃脱铀238的吸收，同时又增大了它与铀235的反应截面，这种反应可以控制，比较容易实现。海森堡提出，在理论上石墨和重水都可以作为缓冲剂。
1940年初，冯·魏扎克计算出核反应堆至少需要用两吨氧化铀和半吨重水，于是，他在柏林开始建造供反应堆研究用的大型实验室。与此同时，海森堡在莱比锡、哈特克在汉堡、博特等人在海德堡也建立了类似的实验室。他们推断，如果有足够的重水，反应堆就有可能得到满意的结果，实现自持式链式反应。
世界上最大的重水生产设施在挪威，它每月能生产10公斤左右。德法战争爆发前，法国小组在政府支持下，抢在德国人前面把这个工厂现存的重水全部买下，偷运回法国。1940年4月，德军占领挪威，哈特克等人对这家工厂进行改造，使重水产量提高10倍，但它还是远远不能满足德国研究的需要。
1941年底，德国核科学家在铀的同位素分离、反应堆、原子弹等问题上有了大致的前进方向。他们最迫切的是能够得到政府在财力和人力方面的支持。但此时战线已经很长，德国的工业生产主要为前线战争服务。由于核计划是一个长期的工作，而且效果不能立竿见影，因此，德国最高统帅部大规模地削减科研人员和材料经费，把他们转移到见效快的研究工作上去。许多高级领导人对此项研究表现出漠不关心的态度，使许多科学家感到非常失望，悲观情绪笼罩在许多科学家的心头。
随着战争的加剧，德军统帅部的一些领导人从战争中意识到新技术在战场上的巨大作用，开始感觉到战争的胜负，可能取决于科学技术的新发现和新武器的发明。在军需部长斯皮尔的建议下，经希特勒同意，由戈林元帅统一指挥德国的科学研究。
戈林是个更注重眼前效果的人，他下令停止一切只对战后有用的研究项目。核研究又一次面临停止的危机，因为军需部在报告中明确地说：原子研究没有明显而应急的军事重要性。戈林任命埃索为核物理研究的全权代表，迪伯纳等人失去了对核研究的部分控制权。埃索是个十分无能的家伙，他决定把核计划集中在核反应堆的研究上，年底又想放弃反应堆的研制，就这样，他的反复无常和无能使德国的核研究浪费了大量时间。
