于敏和氢弹原理突破的百日会战

应阳君 李绍孟

（北京应用物理与计算数学研究所 100094）

于 敏 院 士 是 当 代 中 国 杰 出 的 科学家，20 世纪 50 年代开始在近 代 物 理 所（1956 年 改 为 原 子 能 研 究所，即现在原子能研究院和高能 物 理 研 究 所 的 前 身） 从 事 原 子 核 理 论 的 研 究 工 作，1961 年 调 到 中 国工程物理研究院从事核武器的研 制。从第一颗原子弹爆炸成功到氢 弹原理爆炸试验成功仅用了两年零 两个月，那是我国核武器发展最为 激动人心的时期。于敏在我国氢弹 突破中做出了开创性的贡献。值此 纪念我国第一颗原子弹爆炸成功 50 周年之际，应《现代物理知识》 之约，撷取于敏院士从基础科研到 投身核武器事业的几朵浪花，以飨 读者。本文参考《科学家成长资料 采集工程研究报告》（温天舒、李 绍孟）整理。

1949 年， 于 敏 以 物 理 系 第 一 名的成绩成为新中国成立时北大第 一届毕业生。随后成为张宗燧先生 的研究生，开始量子场论方向的学 习和研究。那时张先生在国际理论 物理学界已经享有很高的声誉了， 所以当他的学生要面对“两高”： 一是起点高。张先生讲课从头到尾 全用英文，而且内容很深，不下去 做认真的钻研很难学懂；二是要求 高。指定的参考书学习起来难度也 非 常 大。 而 于 敏 的 学 习 习 惯 和 思 维方法正好跟张先生的要求非常合拍。

张 先 生 常 说“ 复 杂 的 物 质 世 界，能为理论物理的数学方程表达， 无比美妙”，他擅长数学在物理学 中的应用的特点，更是使于敏受益 匪浅，也成为他日后学术生涯中最 具特色之处。

1950 年， 张 先 生 身 体 抱 恙， 指导于敏的任务就交给了刚刚回 国 的 胡 宁 先 生。 胡 宁 先 生 在 美 国 师 从 理 论 物 理 学 大 师 泡 利（W. Pauli），从事核力的介子理论和广 义相对论方面的研究。

胡先生无论是授业，还是指导 研究都非常强调物理图像和物理概 念，同时还有极强的物理直觉。先 生在讲课中尽量避开复杂的公式， 而注重思想简洁清晰，一些很难的 课程如广义相对论、量子场论和电动力学，他都非常突出物理本质， 这一特点被好学的于敏抓住并青出 于蓝。

刚 刚 诞 生 的 新 中 国 经 济 和 科 学技术百废待兴。钱三强看到于敏 的材料后，认为是有望做出好成绩 的尖子人才，点名把他要到了新组 建的近代物理所。1951 年 25 岁的 于敏开始了他正式的科研生涯。1 年后，于敏完成了他的研究生毕业 论文《核子非正常磁矩》。

20 世纪 50 年代初，国家科学 发展规划把在我国基本处于空白的 原子核物理学科列为重点学科。于 敏被分在了彭桓武领导的原子核理 论研究组。当时组里还有朱洪元、 邓稼先、黄祖洽、金星南、程开甲 等共八个人。为了了解国际上核物 理研究的进展情况，彭桓武组织了 一次调研。于敏在这次调研中，除 了阅读文献外，又仔细地钻研了大 物理学家费米的名著《原子核物理》 一书。于敏在 1953 年递交了一份 完整的调研报告。从调研报告中可 以看到，他对原子核模型、轻原子 核能极、裂变、中子反应、b 放射 现象、g 放射现象都有了深入而系 统的认识。彭桓武看完报告说：“真正钻进去了的只有于敏”。

于 敏 认 为 自 己 这 个 阶 段 工 作 的收获是：通过调研和实践论的学 习，逐渐明确联系实际的工作方向和从具体到抽象，从感性到理性的 工作方法。同样地，他也看到了自 己工作中的缺点，就是比较没有条 理和不够细心。没有很好地收集和 整理数据，因此影响了调研的效果。

于敏告诫自己“这一点的改进 对将来工作很重要”。事实证明， 他对这个问题的认识是深刻的，在 他以后的学术生涯中他高度重视数 据的全面性和可靠性。

1953 年 后， 原 子 核 理 论 组 人 员发生了比较大的变化，黄祖洽去 了核反应堆物理组，金星南去了计 算数学组，邓稼先兼职中国科学院 副学术秘书，原子核理论研究的工 作 主 要 落 在 了 于 敏 的 肩 上，1956 年，他担任了原子核理论组组长。 于 敏 在 广 泛 地 阅 读 核 物 理 文 献 的 基 础 上， 还 特 别 精 读 了 梅 耶（M. G. Mayer） 和 詹 森（J. H. D. Jensen）合写的《原子核壳结构基 本理论》。梅耶是德裔美籍女物理 学 家，1963 年 她 的 壳 模 型 理 论 获 得了诺贝尔物理学奖。于敏在反反 复复地研读梅耶的论文时发现，梅 耶之所以能创立壳模型理论，除了 她有坚实 的物理基础和数学功底 外，很重要的一点是她非常重视物 理实验。她的壳模型理论正是在分 析大量的物理实验的基础上建立起 来的。

由此，于敏感悟到从事物理理 论研究，一定要非常重视物理实验， 要同时仔细地了解相关物理实验的 内容，注意和分析相关的物理现象， 去伪存真，总结有关的物理规律。 只有这样，才能做到有所发现，有 所前进。这一感悟后来几乎成了他从事理论研究的信条，一直贯穿他 终身的研究生涯。后来与于敏共事 的科技人员，发现他对相关的物理 实验总是了如指掌，无不感到十分 惊讶和佩服。

著 名 实 验 核 物 理 学 家 王 淦 昌 后来也说：“我所接触的我国理论 物理学家中最重视物理实验的人 是于敏”。“这篇文章给我的影响 很大。注意和分析物理现象，总结 规律成为我从事理论研究的观点 和方法。”

1957 年于敏在物理学报上发 表《关于 208Pb 附近一些原子核的 能级》，1959 年在物理学报发表《关 于重原子核的壳结构理论》。在他 的指导下，研究小组发表的《一个 具有等间隔能谱的费米系统》和《原 子核在短程力下的相干效应》等研 究成果在当时位居国际前列。

1961 年 1 月 12 日，正当于敏 和同事就原子核结构的理论研究下 一步开展什么内容的工作时，钱三 强把于敏叫到他的办公室，非常严 肃地对他说：“经所里研究，并报 请上级批准，决定让你作为副组长 领导和参加‘轻核理论组’参加氢 弹理论的预先研究工作”。钱先生 这次谈话，改变了于敏从事基础研 究的夙愿，成为他终身奉献核武器 研制的开始。于敏这个名字从此也 从原子核理论研究领域“隐形”了。

氢弹的理论涉及理论物理、原 子物理、核物理、中子物理、辐射 输运、辐射流体力学、等离子体物 理、凝聚态物理、爆轰物理、应用 数学和计算数学等诸多学科。

黄 祖 洽 和 于 敏 把 全 组 人 员 按学科划分为几个研究小组：研究和 计算轻核反应截面，中子输运及中 子在氢弹爆炸中的作用，高温高密 重物质性质和辐射输运过程，中子 和辐射流体力学等。大约每隔两个 星期或一个月，黄祖洽、于敏和何 祚庥便向钱三强汇报一次轻核理论 组的工作进展情况。

从 1960 年到 1965 年初，“轻 核理论组”在黄祖洽、于敏、何祚 庥的带领下，对氢弹的物理基础和 各种物理过程进行了扎扎实实的探 索和研究，同时还对氢弹的作用原 理和可能结构方面作了一些初步探 索。在这期间，解决了一系列有关 热核材料燃烧的应用基础问题，对 氢弹的许多基本现象和规律有了认 识，产生了六十多篇论文，当然因 为是保密的，所以由钱三强直接送 到国家科委，作为秘密文件保存。 1965 年 1 月， 黄 祖 洽、 于 敏 等原子能研究所“轻核理论组”的 31 位科研人员携带着预先探索研 究的所有成果和资料，来到了九院 理论部，与我国核武器研究主战场汇合。于敏被任命为理论部副主任。 于 敏 在 原 子 能 研 究 所 已 经 认识到要实现充分的热核反应需要温 度、密度和约束时间达到足够高， 满足“点火点”和“燃烧点”的条 件。为了突破氢弹原理，九院理论 部分兵作战，多路探索。邓稼先、 周光召、于敏、黄祖洽等部主任， 带领有关研究室的人员分别攻关夺 隘。探索工作在理论部的四个研究 室中陆续地全面开展起来。

有一次，二个攻关小组进行交 流研讨，吸引了众多同志。会议是在当时理论部一个最大的会议室召 开的，整个屋子座无虚席，靠墙壁 也站满了人，还有一些人不得不站 在会议室外听会。会议的气氛十分 热烈，双方对问题的讨论越来越深 入，不时激发出新的思路火花。会 议的高潮出现在周光召和于敏轮番 上台对氢弹的“自持反应”问题进 行的阐述与争论。

为 了 提 高 科 研 人 员 的 业 务 水 平，活跃学术思想，理论部举办了 等离子体物理、二维计算方法等各 种问题研讨班，组织专题学术报告 会。当时的学术民主气氛是非常好 的。那时已经成名的专家与刚出校 门的大学毕业生，自然有知识与经 验的差别，但是，在氢弹的秘密面 前，大家都是平等的，谁也不知道 氢弹究竟怎么设计。那时大家的学 术思想非常活跃，几乎每周都要召 开学术讨论会和鸣放会。在会上， 从彭桓武副院长这样的大科学家到 邓稼先、周光召、黄祖洽、于敏等 部主任直到年轻的研究人员，不论 资格，人人可以发言。不论谁有了 新的想法，都可以登台各抒己见， 畅所欲言。有不同的意见就展开争 论，一场争论下来，常常大家都面 红耳赤，但谁说的对，就听谁的， 彼此都从中得到启发。许多好的想 法，就是在你一言我一语的讨论中 产生出来的。许多种突破氢弹的设 想和途径被提了出来。

氢弹毕竟是非常复杂的系统， 诸多制约因素混杂，几个月过去， 多路探索并不顺利，许多种试图突 破它的途径被提出来，经过一一仔 细的讨论、计算和分析后，又一条条地被否定了。

1965 年 9 月， 理 论 部 决 定 由于敏副主任率领 13 研究室的一部 分研究人员到上海华东计算技术研 究所出差，利用该所的 J501 计算 机（运算速度为每秒 5 万次），完 成加强型核航弹的优化设计任务。 邓稼先主任要求去上海出差的人员 在国庆节前赶到上海，以便利用华 东计算技术研究所国庆节假日期间 空出的全部机时，集中突击。4 个 组的科研人员和为数不多的科研辅 助人员共 50 多人参加此次任务。

9 月 27 日， 队 伍 抵 达 上 海。 创造历史的“百日会战”开始了。 那 时 的 计 算 机 性 能 不 稳 定， 机时又很宝贵，一碰到机器跳动， 算出来的结果就不对，就会前功尽弃，浪费很多机时。解决的办法是， 每隔一段时间就把计算结果存在计 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，叫做“取鼓重做”，用这 个办法来减少机时损失。但这样一 来，机器就离不开人，机器 24 小 时工作，人也要在一旁睁大眼睛， 看着纸带上打印出来的计算结果。 那时物理工作者与数学工作者混合 编组，一起到计算机房算题，数学 工作者负责把磁带里的程序输送到 机器里，并时刻关注程序的运行情 况，物理工作者则负责监视打印机 打印出来的计算结果是否合理，发 现问题及时解决。

于敏在计算机房和宿舍里，埋 头于输出纸带卷中仔细分析计算结 果。他从众多的计算模型中挑出三个用不同核材料设计的模型，进行 了深入细致的系统分析。

于敏发现在加强型原子弹中， 聚变材料虽然能起到加强原子弹威 力的作用，但对于加强弹中聚变材 料自持燃烧，这种加强作用是远远 不够的：“这不是个量变到质变可 以 解 决 的 问 题， 因 为 技 术 途 径 不 对”。

“ 这 是 个 大 科 学 工 程， 必 须 要凝聚大家的共识，依靠大家群策 群力，共同完成。我就想着把在原 子能研究所探索氢弹机理时积累下 来的氢弹物理知识，结合眼前加强 弹优化设计的实践给大家做系列报 告。”

10 月 13 日，于敏开始了他在 上海持续约两周的一系列报告的第 一讲。他从炸药起爆开始，将加强 弹的全过程分为原子阶段、热核爆 震阶段和尾燃阶段，并对其中每一 阶段进行分析。通过这样的学术报 告，大家对加强弹的物理过程有了 进一步的认识。

通过系列报告，于敏也进一步 理清了思路，加强弹中“火球内的 能量释放率干不过能量损耗率，差 了几倍”在如此巨大赤字的压力下， 火球温度焉能不每况愈下呢？当然 找不到“点火点”。“这不是提高 炸药能量利用率能解决的问题，利 用率提的再高也是远远不够，只有 利用原子能，并且把它作为驱动力， 进行内爆压缩”。

于敏紧紧抓住问题的关键，反 复思考如何合理利用原子能压缩热 核装置，包括如何选用性能合适的 材料，采取什么样的构形，才能促进起好作用的物理因素，抑制起破 坏作用的物理因素？

随 着 物 理 实 质 把 握 下 的 剥 茧 抽 丝， 氢 弹 构 型 的 方 向 越 来 越 清 晰，新的构型开始浮现在于敏的思 考中。于敏将新构型可能存在的影 响因素梳理成 6 个问题。于敏就这6 个方面的问题给大家做报告，对 这些过程做了详细的物理分解，对 可能出现的现象作了具体的分析， 引起了大家热烈的讨论。

他 又 将 初 级 能 量 传 输 过 程 分 解为三个阶段，随后将三个阶段的物理现象凝练成 20 多个具体问题， 进行物理分析。

10 月 29 日晚饭后，于敏和研 究室副主任蔡少辉在住地附近田间 小道上散步，以得到短暂的身心放 松。当他俩谈到应如何创造条件让 热核材料充分燃烧时，于敏直截了 当地谈到加强型核装置的构形不利 于热核材料的压缩和燃烧。接着， 于敏向蔡少辉详细地谈了他几天几 夜以来苦苦思索出的想法。蔡少辉 被于敏的崭新思维所吸引，也被于 敏所列举的无可辩驳的论据所折 服，并马上说：“那我们就马上动 手干吧！”于敏说：“可以先计算 两 个 模 型 看 看。 其 中 的 一 个 会 比 较 理 想 …… 另 一 个 则 比 较 接 近 实 际……”显然，这是于敏经过深思 熟虑后想要走的关键两步。

回到住处后，蔡少辉立即向研 究室主任孙和生讲了于敏的想法。 孙和生听后表示十分支持。当即找 到物理小组的副组长孟昭利一起商量落实。新模型试算结果，当量和 聚变燃耗果然大幅度提高，达到了 自持“点火”燃烧。

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，我们就能设计出百万 吨级的氢弹！

华 东 计 算 技 术 研 究 所 主 楼 五 层东侧大教室里，全体出差人员安 静地围坐在大黑板前。蔡少辉简略 地介绍了上述两类三个模型的计算 结果和特点。黑板上列出的数据立 即引起台下一片热烈的议论。

于 敏 接 着 登 上 讲 台 给 大 家 做 学术报告。他首先向大家介绍新模 型的设计思想。他说“过去大家都 很 重 视 对 原 子 弹 的 压 缩， 现 在 看 来，热核材料压缩更重要！”接着 他列举了最近算的一个理想模型的 结果。年轻同志从纸带里看不出来

的东西，经过于敏一分析就变成了 活的知识，透过现象触及到了事物 的本质，一条条规律被归纳出来了， 就这样通过把基础理论与计算机实 验的结合，深化了对规律的认识， 找到了问题的关键，明确了充分进 行热核反应的条件。

上海的工作进入群情振奋、思 想活跃的高潮，对现象、规律的讨 论热烈而持续。

在 以 前 理 论 部 突 破 氢 弹 原 理 的鸣放会上，有同志就提出过利用 原子弹能量的这样或那样的朴素猜 测，因为现象复杂，有的不合理， 有的缺乏清楚的物理思想和必要的 物理分析和估算，认识不到害之所 在，利之所能，提不出趋利避害的 措施，无法形成可操作的、合理的 物理模型。于敏在抓住苗头之后， 不放弃，不懈怠，抓住主要矛盾， 抽丝剥茧，深究所以，以自己的学 科功力和大家的团结协作，成功建 立了氢弹的物理模型。