美國(guó)實(shí)驗(yàn)室正在徹底檢修核武庫(kù)。他們能在不進(jìn)行炸彈試驗(yàn)的情況下驗(yàn)證這些武器嗎？

美國(guó)新墨西哥州洛斯阿拉莫斯——在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的廣闊場(chǎng)地中，某座警衛(wèi)室和警告標(biāo)志牌后面的森林地帶，科學(xué)家曾在此模擬核爆炸的最初階段。他們?cè)陔p軸閃光照相流體動(dòng)力學(xué)測(cè)試（DARHT）設(shè)施中，對(duì)位于核彈核心、保齡球大小的钚球模型（也叫“彈芯”）進(jìn)行起爆，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行X射線拍攝。

在真正的武器中，環(huán)繞實(shí)際彈芯的常規(guī)炸藥會(huì)使钚內(nèi)爆至臨界密度，引發(fā)爆炸性的裂變連鎖反應(yīng)。其能量將驅(qū)動(dòng)武器在第二階段的氫同位素聚變，產(chǎn)生更多中子，從而分裂出更多的裂變?nèi)剂稀?/p>

這個(gè)裂變-聚變-裂變的過程消耗了一部分原子的質(zhì)量，根據(jù)愛因斯坦的著名方程式“E=mc2”，它會(huì)因此釋放出巨大的能量。這就是為什么一枚1米長(zhǎng)的彈頭在爆炸時(shí)會(huì)爆發(fā)出相當(dāng)于100萬噸TNT炸藥的威力。如果將它投放到像華盛頓這樣的城市，它會(huì)立即蒸發(fā)掉一塊直徑超過2.5千米的區(qū)域，同時(shí)，它的放射性沖擊波會(huì)摧毀更遠(yuǎn)范圍的建筑物。它會(huì)殺死近50萬人，并導(dǎo)致幾乎同等數(shù)量的人受傷或患病。

DARHT實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)形似潛水鐘的鋼制容器內(nèi)進(jìn)行的。模擬彈芯由鉛、鉭或貧鈾等高密度金屬構(gòu)成，它們的性質(zhì)與钚類似，但不具備裂變傾向。當(dāng)爆炸裝置被引爆時(shí)，兩束垂直的X射線會(huì)像高速攝像機(jī)一樣記錄彈芯的內(nèi)爆。武器科學(xué)家會(huì)將這些圖片與機(jī)密的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬出的炸彈爆炸進(jìn)行比較，以確定真實(shí)世界和數(shù)字世界爆炸情況的一致程度。

自1992年美國(guó)能源部的三個(gè)武器實(shí)驗(yàn)室——洛斯阿拉莫斯、勞倫斯利弗莫爾和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室——停止全面測(cè)試核武器以來，諸如DARHT這樣的設(shè)施就變得十分重要。到了1996年，美國(guó)簽署了《全面禁止核試驗(yàn)條約》，一般認(rèn)為，該條約不僅制止了核試驗(yàn)對(duì)環(huán)境的破壞，還抑制了新武器的設(shè)計(jì)。

然而，沒有了核試驗(yàn)，唯一能確保彈頭可以正常工作的就是像DARHT這樣的設(shè)施、來自“武器代碼”的計(jì)算機(jī)模擬，以及過往核試驗(yàn)的殘留數(shù)據(jù)庫(kù)。在對(duì)舊武器做相對(duì)較小的改動(dòng)時(shí)（更換新引信、補(bǔ)充氫同位素氚），這些設(shè)施、模擬和數(shù)據(jù)就已經(jīng)足夠了。每年，美國(guó)能源部的國(guó)家核安全管理局（NNSA）和國(guó)防部都會(huì)對(duì)核武庫(kù)進(jìn)行認(rèn)證，該評(píng)估意味著，他們確信這些核武器會(huì)在它們應(yīng)該發(fā)揮作用的時(shí)候發(fā)揮預(yù)定的作用，并且不會(huì)在它們不該發(fā)揮作用的時(shí)候做任何事情。“鑒于我們已經(jīng)試爆過這么多核武器，所以這些東西非常可靠?！闭O(jiān)督項(xiàng)目下屬國(guó)防信息中心的主任杰夫 · 威爾遜（Geoff Wilson）說。國(guó)防信息中心主張削減核武器開支。

但是現(xiàn)在，核武庫(kù)正在進(jìn)行數(shù)十年來規(guī)模最大的一次檢修。本財(cái)政年度（2022年10月—2023年9月），美國(guó)國(guó)家核安全管理局的預(yù)算達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的222億美元。大部分資金將用于生產(chǎn)新的钚制彈芯，以替換核武庫(kù)中的舊彈芯，并對(duì)四種核彈頭進(jìn)行現(xiàn)代化改造。此外，另有第五種核武器，這個(gè)新設(shè)計(jì)方案被稱為W93，是一種潛艇發(fā)射彈頭。美國(guó)國(guó)家核安全管理局負(fù)責(zé)國(guó)防項(xiàng)目的副局長(zhǎng)馬文 · 亞當(dāng)斯（Marvin Adams）說：“自冷戰(zhàn)結(jié)束以來，這真的是我們擁有的第一個(gè)既非對(duì)現(xiàn)有核武器進(jìn)行壽命延長(zhǎng)，也非現(xiàn)代化改造的核彈頭方案?！?/p>

隨著冷戰(zhàn)后的平靜氛圍再次動(dòng)蕩起來，這項(xiàng)工作變得愈發(fā)緊迫。俄羅斯已然退出了與美國(guó)簽訂的僅存的主要軍備控制條約，同時(shí)，在針對(duì)烏克蘭的特別軍事行動(dòng)期間，俄羅斯還經(jīng)常發(fā)出核威脅。據(jù)信，伊朗和朝鮮在繼續(xù)加強(qiáng)其核計(jì)劃?！斑^去25年里，所有人都在沉睡，”洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的武器物理學(xué)負(fù)責(zé)人查理 · 納赫勒（Charlie Nakhleh）表示，“我想我們現(xiàn)在醒來了?！?/p>

威爾遜擔(dān)心，國(guó)際動(dòng)態(tài)和美國(guó)的核武庫(kù)大檢修可能最終導(dǎo)致核試驗(yàn)復(fù)蘇，重新帶來危險(xiǎn)，并引發(fā)新的軍備競(jìng)賽?！斑@對(duì)我來說并非不可想象的事——這很可怕?！睂?duì)過往傳承下來的武器做微調(diào)是一回事，他說，對(duì)從未經(jīng)過充分測(cè)試的改良武器做功能推斷則是另一回事。

實(shí)驗(yàn)室的武器物理學(xué)家相信，他們可以在不進(jìn)行測(cè)試的前提下改進(jìn)現(xiàn)有武器并設(shè)計(jì)新武器。他們的計(jì)算機(jī)模擬要比過去那些強(qiáng)大得多，而且像DAHRT這樣的實(shí)驗(yàn)也比過去效果更加強(qiáng)大?！澳銜?huì)在不上賽道的情況下設(shè)計(jì)一輛新的一級(jí)方程式賽車嗎？或者說，你會(huì)在不先飛一次的情況下設(shè)計(jì)新的波音噴氣式客機(jī)嗎？”利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的武器模擬和計(jì)算項(xiàng)目主任羅布 · 尼利（Rob Neely）問道。他說，就核武器及其钚制彈芯而言，答案似乎是：“事實(shí)上，的確如此?！?/p>

隨著模擬和實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，他們也發(fā)現(xiàn)了核知識(shí)方面的漏洞，以及幾十年未更新的代碼中的粗略估算值。盡管尼利心存疑慮，但他仍充滿信心：“這些東西不僅行得通，而且功效會(huì)越來越好?！?/p>

光是替換原子彈的钚制彈芯就帶來了一個(gè)科學(xué)上的難題：人們需要理解細(xì)微變化如何影響它們的表現(xiàn)。它們并不容易制造，部分原因在于钚（一種1940年才出現(xiàn)的金屬）既神秘又難以處理。上一次有人大規(guī)模制造彈芯還是在20世紀(jì)80年代科羅拉多州的洛基平原工廠，那一次，美國(guó)能源部的承包商因違反環(huán)境規(guī)定而被關(guān)廠，并被迫支付1 850萬美元的罰款。

這一次，美國(guó)國(guó)家核安全管理局將生產(chǎn)工作分配給了洛斯阿拉莫斯和南卡羅來納州的薩瓦那河場(chǎng)址。管理局要求他們?cè)?030年前每年制造80枚新彈芯，但管理局承認(rèn)無法在這個(gè)期限內(nèi)完成該目標(biāo)。

洛斯阿拉莫斯的彈芯將在一個(gè)名為PF-4的設(shè)施中制造，這是一組安全性極高的建筑，周圍用刺鋼絲圍起了鐵絲網(wǎng)圍欄。PF-4內(nèi)部有許多手套箱，這是一種屏蔽輻射的工作站，工人們?cè)谶@里戴著厚厚的手套，透過玻璃窗往內(nèi)看，從而操控這種奇異的金屬。該實(shí)驗(yàn)室正在招聘數(shù)千名工人，由它出產(chǎn)的第一枚彈芯大概率會(huì)在明年準(zhǔn)備好投入核武庫(kù)。

這項(xiàng)規(guī)模龐大的努力源于一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)：現(xiàn)有的許多彈芯已有超過40年的歷史，而钚在老化以及放射性衰變之下會(huì)呈現(xiàn)出令人困惑的反應(yīng)。隨著它的表面氧化，上面會(huì)長(zhǎng)出一層綠色的、毛茸茸的涂層。當(dāng)它吐出鈾同位素時(shí)，其金屬晶格中的原子會(huì)被擊出原位。當(dāng)它在6種不同的固相之間滑動(dòng)時(shí)，尺寸會(huì)發(fā)生變化。此外，這些彈芯不見得會(huì)平滑地降解?！拔覀冎?，在某個(gè)時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)一段非線性的部分，”洛斯阿拉莫斯的國(guó)家安全教育中心主任、《钚手冊(cè)》的編輯大衛(wèi) · 克拉克（David Clark）表示，“我們只是還沒親眼看到?！?/p>

到目前為止，這些銀色的球體似乎還能維持穩(wěn)定。內(nèi)部和外部評(píng)估都證實(shí)了它們的完整性，表明這些彈芯可能在接下來幾十年里仍然可用?！拔覀儧]有發(fā)現(xiàn)任何問題。”克拉克表示。

但是伊阿宋國(guó)防咨詢小組提出了一些擔(dān)憂，這引發(fā)了美國(guó)能源部的關(guān)注。伊阿宋小組是一個(gè)神秘的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，為美國(guó)政府提供國(guó)家安全事務(wù)方面的咨詢。在2019年的一份報(bào)告中，該小組敦促能源部“盡可能迅速地”恢復(fù)彈芯生產(chǎn)，以“減輕钚老化帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)”。

有人可能會(huì)認(rèn)為，新的彈芯可以避免钚老化帶來的不確定性，從而使核武庫(kù)的認(rèn)證變得更加容易。但它們也有自己的不確定性。新彈芯不會(huì)是它們前輩的雙生子，因此，武器科學(xué)家必須要了解這些變化如何改變了彈芯的表現(xiàn)。新彈芯是用舊彈芯中回收和提純的钚制造的，而不像原本的彈芯那樣，是用新鮮钚材料所造。此外，它們的制造工藝將與原來不同，在某些情況下，規(guī)格也會(huì)設(shè)計(jì)得略有不同?！叭绻闳タ葱滦枨?，”亞當(dāng)斯說，“你常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們現(xiàn)有的舊彈芯真的、真的不太理想?！?/p>

在某種程度上，隨著科學(xué)家的工作越來越出色，理解核武器的性能反而變得越來越困難。例如，日益強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)帶來了更高質(zhì)量的模擬，但它們有時(shí)會(huì)揭示出新問題。這就是“增壓物理”所面臨的情形，它指的是熱核炸彈在第一階段的工作過程。在此過程中，钚的裂變觸發(fā)了氘-氚助推器中的聚變反應(yīng)，釋放出的中子會(huì)在核彈的彈芯部位引發(fā)更多裂變。

長(zhǎng)期以來，如果不應(yīng)用數(shù)字敷衍因子，這些模擬就無法重現(xiàn)物理學(xué)家在地下核試驗(yàn)數(shù)據(jù)中看到的情況。2006年，科學(xué)家提高了模擬的分辨率。“你瞧，我們發(fā)現(xiàn)了一些顯然很有意思的事情，它們讓一群人摸不著頭腦?！蹦崂f。由此催生出了一項(xiàng)名為“國(guó)家助推計(jì)劃”的多年研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在理解熱核燃燒的基本物理特性，并將更多的基礎(chǔ)物理學(xué)納入模擬，而非依賴校準(zhǔn)和近似。

尼利說，討人厭的近似值在武器代碼中隨處可見。近似值是模擬的性質(zhì)固有的。模擬都是“網(wǎng)狀的”——模擬成網(wǎng)格狀的部分，就像數(shù)字圖像中的像素那樣。在每個(gè)網(wǎng)格單元中，物理屬性被假定為相同。網(wǎng)格正變得越來越精細(xì)，但它仍然并非對(duì)現(xiàn)實(shí)的精確表征。“你只能捕捉到更近似的近似值，”尼利說，“但它仍然是一個(gè)近似值?！?/p>

支配模擬的物理特性中也存在模糊性。為了使模擬更有效地運(yùn)行，科學(xué)家常常依賴于數(shù)學(xué)技巧和近似，而非明確的、基于第一性原理的解。

洛斯阿拉莫斯非線性研究中心主任克里斯托弗 · 弗萊爾（Christopher Fryer）發(fā)現(xiàn)，這些武器代碼中仍然包含著數(shù)十年前由曼哈頓計(jì)劃中的杰出人物提出的計(jì)算技巧，比如漢斯 · 貝特（Hans Bethe）和理查德 · 費(fèi)曼（Richard Feynman）。他表示：“我們不能靠依賴他們來變聰明，我們必須靠自己來重新變聰明?！?/p>

繁榮時(shí)期

貝特提出的算法之一涉及帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，該算法至今仍被用在某些聚變模擬中。這個(gè)算法假設(shè)，如果一個(gè)粒子行進(jìn)X距離，它會(huì)失去Y能量——這是一種平均散射，但不總是真實(shí)，尤其是在快速發(fā)生的反應(yīng)中?！八浅７蠑?shù)據(jù)，直到某一刻，你發(fā)現(xiàn)它其實(shí)并不符合。”弗萊爾說。替換它可能意味著要模擬每一個(gè)粒子及其特性，即使對(duì)于最新的超級(jí)計(jì)算機(jī)來說，這也是一項(xiàng)過于艱巨的任務(wù)。“這就是為什么我們還沒有這么做?！备トR爾說。

但是，其他的近似物理公式可以被更好或更真實(shí)的公式替代。洛斯阿拉莫斯的理論物理學(xué)家馬克 · 帕里斯（Mark Paris）正在研究一種數(shù)值方法，以求解貫穿整個(gè)武器代碼的非線性微分方程?！澳銓?shí)際上是在求解支配這個(gè)系統(tǒng)的方程組，”他說，“而非從方程組近似推導(dǎo)出的對(duì)物理機(jī)制的模擬?！?/p>

然而，模擬并不是理解炸彈的唯一工具。納赫勒說，所有人類，甚至包括武器物理學(xué)家在內(nèi)，都是講故事的人，而這些模擬可以幫助他們創(chuàng)造出他們確信的敘事。但它們能做的僅此而已?！霸谀硞€(gè)時(shí)刻，”納赫勒說，“你必須踏入未知的領(lǐng)域——走進(jìn)黑暗的房間，然后拭目以待，‘實(shí)驗(yàn)?zāi)芨嬖V我們什么？’”

這就是像DARHT這樣昂貴又高功率的行動(dòng)的意義所在。為了幫助闡明核彈初級(jí)階段的內(nèi)部工作原理，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室希望增加每年的DARHT測(cè)試次數(shù)（目前為7次），并提高其成像能力，以便在任何給定的測(cè)試中拍攝更多的X射線照片。

第二個(gè)設(shè)施是內(nèi)華達(dá)州一個(gè)叫作U1A的地下綜合設(shè)施，也正在進(jìn)行改造。很快，它將成為次臨界實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υ鰪?qiáng)計(jì)劃（ECSE）的實(shí)施場(chǎng)地，科學(xué)家會(huì)在此設(shè)施中讓真實(shí)的钚發(fā)生內(nèi)爆，在不真正觸發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的前提下盡可能向它靠近。在次臨界實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υ鰪?qiáng)計(jì)劃中，科學(xué)家將拍攝比例模型彈芯崩塌時(shí)的X射線照片，并研究中子在核爆炸前的關(guān)鍵時(shí)刻的行為。由于沒有核爆炸產(chǎn)生，這種實(shí)驗(yàn)在技術(shù)上是符合禁止核試驗(yàn)條約的。

也許最著名的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是利弗莫爾的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置，它將192束激光聚焦到一個(gè)裝有氫同位素的頂針大小的目標(biāo)上，從而引發(fā)微小的聚變爆炸。利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的綜合武器科學(xué)項(xiàng)目副主任勞拉 · 貝爾扎克 · 霍普金斯（Laura Berzak Hopkins）說，國(guó)家點(diǎn)火裝置可以制造出地球上其他任何地方都不存在的溫度和壓力。她說：“這些環(huán)境條件是天體內(nèi)才有的環(huán)境條件——比如木星的中心，或是太陽(yáng)的核心?！?/p>

2022年，國(guó)家點(diǎn)火裝置在頂針中產(chǎn)生的能量超過了激光輸入的能量，這是一個(gè)關(guān)乎民用聚變發(fā)電努力成果的里程碑事件，引起了媒體的關(guān)注。但是，這項(xiàng)成就比科學(xué)家最初預(yù)計(jì)的晚了大約十年，花費(fèi)了數(shù)十億美元。而且，他們?nèi)匀粺o法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能從一次給定的聚變射擊中得到多少能量?！拔覀儾恢榔渲械奈锢碓??！备トR爾說。這一物理原理對(duì)于理解核武器的聚變部分十分重要，對(duì)于理解核武器自身如何抵抗核爆炸也很重要，后者是一個(gè)被稱為“武器生存能力”的研究領(lǐng)域分支。

納赫勒說，不管理論、模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合得有多好，它們多半永遠(yuǎn)無法完全呈現(xiàn)核武器運(yùn)行的過程。他說：“要達(dá)到全知還有很長(zhǎng)的路要走，我們的目標(biāo)是盡可能地推進(jìn)這一知識(shí)的邊界。”

這些知識(shí)不僅對(duì)于維護(hù)軍火庫(kù)很重要，對(duì)于昭告全世界“我們確信這些核武器可以起作用”也很重要。只有當(dāng)其他國(guó)家真正認(rèn)為你的威脅可信時(shí)，核威懾——即一個(gè)國(guó)家可以通過威脅進(jìn)行類似規(guī)模的攻擊來阻止他國(guó)襲擊——才可以成立。

在爆炸性核試驗(yàn)的時(shí)代，傳達(dá)這條信息是件很簡(jiǎn)單的事。其他國(guó)家可以從半個(gè)地球之外的地震爆炸中接收到地震信號(hào)。亞當(dāng)斯說，這使“我們的對(duì)手或盟友對(duì)我們的能力毫無懷疑”。沒有了核試驗(yàn)，美國(guó)就必須以一種更為安靜的方式展示自身的信心。“如果你能向他們證明你足夠了解其中的物理原理，你就肯定不是在虛張聲勢(shì)?！备トR爾說。

這就是為什么國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也致力于研究恒星形成和超新星等主題，這些基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域與武器科學(xué)有所重疊，但并非機(jī)密。實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家可以發(fā)布相關(guān)的研究成果、對(duì)它們進(jìn)行討論、將它們印在國(guó)際會(huì)議的海報(bào)上。弗萊爾說，在這種意義上，洛斯阿拉莫斯的理論天體物理中心“是一種威懾”。

然而，仍有人懷疑，隨著核武器大檢修不斷推進(jìn)，這種基于物理學(xué)的“威懾”是否能繼續(xù)充分替代測(cè)試?！啊?，這是新的彈頭。我們非常確定它能順利工作。’——對(duì)于工程師們來說，這樣就夠了?！蓖栠d說。但這對(duì)軍方而言也許還不夠可信。威爾遜說，到了某個(gè)時(shí)刻，可能會(huì)有人說：“更劃算的做法就是讓我們引爆一枚試試?！?/p>

此外，政界對(duì)于核試驗(yàn)也表現(xiàn)出了一定的興趣：例如，阿肯色州的共和黨參議員湯姆 · 科頓（Tom Cotton）曾建議美國(guó)退出禁止核試驗(yàn)條約。2020年，他提出了一項(xiàng)針對(duì)《國(guó)防授權(quán)法案》的修正案，為可能進(jìn)行的核試驗(yàn)提供資金。該修正案在參議院獲得通過，但眾議院版本的法案禁止此類支出。

弗萊爾說，促使他深入研究物理學(xué)的動(dòng)力在于以此推遲任何推動(dòng)核試驗(yàn)的嘗試?！皩?duì)我來說，歸根結(jié)底就是我不想重啟核試驗(yàn)?！比绻硪环N選擇是更好地理解物理學(xué)，那就這么做吧。

資料來源 Science

本文作者莎拉 · 斯科爾斯（Sarah Scoles）是丹佛的一名記者