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于敏,到底多厉害?| 于敏先生逝世2周年 (二)

送交者: 过客无名[♂☆★过路的客★☆♂] 于 2021-10-04 11:09 已读 14250 次  

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要说原子弹的研制苏联的确给予了相当大的帮助,从教学模型到技术资料,我们可以不用从头摸索。氢弹的突破则是完全的原始创新,没有任何资料可供参考和借鉴,唯一知道的,就是这东西可以确定被造出来。从原子弹成功爆炸的1964年10月,到1965年11月突破氢弹原理构型,仅一年时间,到1966年12月28日的氢弹原理试验(塔爆,12.2万吨,从材料原理构型是百分之百的氢弹)又是仅仅一年时间,再到1967年6月17日试爆武器级的330万吨空投氢弹,这个速度远远超越了其他四个核大国,并赶在了法国前面。


这超乎寻常的惊人速度背后是于敏在轻核理论小组将近五年的前期探索。由于保密原则,这五年他没有被告知任何关于原子弹的信息,完全依靠个人的天赋从最基础第一性原理、统计物理、电动力学出发点滴摸索氢弹原理,否定了放光模型,解决了诸如氘氚反应截面在内的大量理论难题,就像在一间漆黑幽深的迷宫,一点点摸索出了光亮…在氢弹攻关的阶段,于敏几乎完全凭借一己之力孤军奋战,他所依靠的仅有一台每秒五万次的打孔计算机(最初只分配给于敏小组百分之五的上机时间),而他所面对的是非线性非定常非平衡态复杂偏微分,极端高温高压下极短时间内多重物质形态变化多种辐射扩散多群粒子输运叠加核反应与宏观运动的多重尺度重耦合的顶级难题


于敏的物理直觉是极其明晰而深入的,无论再复杂纷乱的现象,他总能归纳凝练、理清头绪,找出物理上的原因,并将这些物理现象凝结成无数个极为复杂相互耦合又层层迭代的偏微分方程组。由于绝大多数偏微分方程在理论上没有解析解,只能靠有限差分法进行数值计算,这在当时的算力下是不可能逾越的障碍。


于敏真正封神的一战开始了,他善于用大量的近似和粗估准确地抓住主要矛盾,舍弃一些次要因素,层层逼近最核心的问题。比如在计算过程中用将二维问题局部近似为一维问题,在能量传输过程中等离子体、电子、光子的三温方程近似为单温,令平均自由程短的伽马光子就地沉积从而忽略伽马射线,将辐射输运过程退化为特定条件下的扩散和热传导过程,在辐射传输时忽略宏观运动等等…从而在近乎原始的计算条件下找到了氢弹自持热核燃烧的关键,完成了纷繁复杂难于登天的计算,形成了从原理、材料到构型的完整的氢弹物理设计方案。


这个计算究竟有多困难?


核爆炸级别的数值计算对于算力的需求几乎是无穷大的,计算维度高一维,方程描述再精确一些,跟踪粒子数多一些,计算网格打的密一些都会使计算量呈指数形式上升。美国能源部2002年提出到2020年要发展出百亿亿次(10的18次方)超级计算机也就是E级计算来进行核武器全过程的三维数值模拟,这也是目前各大国争夺的一个技术制高点,对比一下1960年和2020年这60年的跨度,再对比一下每秒1000000000000000000次和每秒50000次计算,差多少个0可以数一下…听九所的老人描述说当时于敏就守在计算机旁边,计算机出打孔纸带,他在旁边凝神心算,然后突然指出从这里往后都错了,一群人把计算机停下来逐一检查,果然是打孔出现了故障。在电视上见过心算多位数加减乘除的,当现在物理系的本科生动不动就直接MATLAB调用ODE45的时候,谁能想象心算偏微分方程的数值解是种怎样的特异功能,我是真的无法想象。要知道物理上的近似和粗估是最考验一个人对物理本质的洞察力和认知水平的。在极窄的时空分辨率下,当各种宏观介观微观的物理量交织耦合在一起时,哪些量有数量级上的差别,哪些量和参数可以忽略,哪些又发挥主要作用,又需要近似到什么程度而不使之丧失物理性质,这不是凭空武断的,需要站在全局角度在更高层面对所有涉及的物理过程有一个准确地认识。于敏恰恰是那个仿佛站在上帝视角降维打击来解决难题的人。他几乎在所有的专业领域都有着深不可测的理论功底,如果按照学科专业来评院士,于敏起码能在十几个细分的专业学科分别评上院士,在偏微分方程理论、计算数学、爆轰物理、原子核物理、中子物理、等离子体物理、凝聚态物理、统计物理、状态方程、本构理论、输运理论、辐射流体力学这些在核武器理论研究中横跨数学物理的专业领域随便单独拎出来一个评上院士都绰绰有余,还不算由他本人开创的惯性约束聚变、X光激光等学科。


不可思议的是这些知识都在一个人的大脑里交织排列、融会贯通发生出奇妙的反应,生成出旁人不可能想到的创造性思路和方法,因此他总能看得更深,在关键时刻起到一锤定音的决定性作用!有人说于敏突破氢弹原理是灵感闪现,就算是,这些灵感要厚植于多么精深的知识土壤中啊,背后要有多少个夜以继日夙夜忧叹的衣带渐宽,才换来蓦然回首却在灯火阑珊的那一刻迸发!七十年代末,另外四个核大国在突飞猛进,陆续研制出中子弹和第二代小型化的核武器,中子弹是特殊类型的核武器,而第二代核武器的比威力和实战性均大幅度提高。在身后的印度以色列也纷纷迈进了核门槛…可以说是前有堵截后有追兵,形势不可谓不严峻。


第二代核武器是完全不同于氢弹的小型化核武器。小型化并非寻常意义上小修小补地改进提升,而是从最底层的基本原理上都发生了很大的变化。之前由于计算条件太差,使用了大量近似和粗估的参数,以至于很多参数的不确定度超过30%甚至更大,所以必需留足很大的设计裕量以确保可靠,就好比某一个物理量理论上达到1就可以满足要求,但由于这个量是近似值,不确定度较大,那么在设计的时候可能要把这个量留到10,甚至是100,这样才能造成压倒性的雪崩效应来确保可靠性。这样的后果也就不可避免地造成了整个核装置过大和过重,不利于武器化。


二代核武器由于小型化的要求,在重量和体积上均做了非常苛刻的限制,因此减小设计裕量就变成了不得不做出的选择,这就必然要求理论上要更加地准确和精密,因此技术难度上又提升了一个数量级。


当时的美国已经拥有了大规模集成电路的超级计算机,而我国才刚刚拥有百万次的计算机,比美国的算力又差了好几个数量级,也就意味着理论计算的难度要远超美国,这真的是硬碰硬的较量,没有任何曲线救国迂回转圜的余地。如何在技术先进的前提下规划出可行路线,是一个无比艰巨的挑战!九院则陷入空前的混乱状态。位于北京北太平庄花园路六号的九所作为理论部更是遭到了毁灭性的打击。上级二机部的瞎指挥要求理论部必须搬迁到三线的深山里。


之所以说是瞎指挥是因为理论部需要的是大型计算机,三线深山里又没有相应的条件,当时九所的所长周光召据理力争,请求理论部科研人员不离开北京,结果被免职调离。


九所全体科研人员和家属只好坐上闷罐火车开到四川北部梓潼县一个叫曹家沟的深山老林里,一开始住的是漏雨的牛棚,人可以住牛棚,可娇贵的计算机却无法在牛棚里工作,无奈之下科研人员又被迫撤回北京。就这样九所的科研人员在北京和四川三线深山里来回撕扯。科研人员拿着微薄的工资,上的是四川农村户口,在北京上班算出差,这一出差就整整二十年,九所的科研人员就在首都北京当了二十年的黑户。


更令人无语的是,每个月初需要从四川派专人送来全国粮票,稍微耽搁一下整个九所就没饭吃。没有北京户口就领不了那个年代特有的副食本,连做饭的盐和香油都买不了,孩子上学也只能借读,分不了房子只能住最简陋的筒子楼,在走廊里烧煤球做饭。


一次领导来慰问,看到一个科研骨干在走廊做饭,被烟呛的咳嗽不止,一手拿着菜铲一手还拿着书…搞原子弹的不如卖茶叶蛋的真的不是一句玩笑话…在这样艰苦的条件下,多数人受尽了委屈坚持不下去了。


此时南国的春天已经到来,孔雀东南飞成为了一种常态,当时的理论部汇聚了中国最优秀的一批数理人才,在文革后的百废待兴中,所有高校都缺老师,理论部的人只要愿意离开,各大高校都抢着要人,立马给分房子解决夫妻两地分居的问题。理论部曾经的八大主任离开六人,七百多科研人员走的只剩下三百多人,流失了一大半。理论部著名的计算数学家周毓麟院士曾痛心疾首地哀叹:仅仅流失的骨干就够再重建一个理论部!王淦昌、彭桓武、周光召、黄祖洽、秦元勋这些柱石一般的重量级科学家全部出走。美国想做却做不到的事情结果被我们自己的上级超额完成了任务……


一边是改革开放的冲击,一边是文化大革命的延误,一边是军队要忍耐的窘迫,一边是人为造成的混乱,对于整个核武器事业都是致命的打击!在这种地狱级的艰难情况下,于敏以鞠躬尽瘁死而后已的责任感和使命感,以惊天地泣鬼神的万般勇气几乎凭借一己之力在至暗时刻独木撑起了整个核武器事业。


当时苏联在边境陈兵百万,坦克数万辆,是悬在国人头顶的达摩克利斯剑,燕山山脉以南的华北平原又几乎无险可守,历史上北方少数民族无数次从这里长驱直入逐鹿中原。苏军在大纵深理论下,装甲集群的驰骋将毫无阻碍。战争一旦开始,半壁江山将在极短的时间内沦陷。如何阻挡来自北方的钢铁洪流?只能寄希望于中子弹这种强杀伤力却低放射性沾染的新型核武器。当时中子弹在美国也刚刚问世,何种原理连只言片语也找不到。


在泰山压顶的重担下,于敏带领人迎难而上,直接啃最硬的骨头,在极短的时间内,独立探索出中子弹原理和中子弹应具有的主要物理特征和技术指标,提出三次核试验定型的实现途径,最终于1988年完成了中子弹的研制。


由于第二代核武器的技术特点是武器动作中的每一步都为下一步反应提供条件,一步失效则后续步骤全部失效,每一步都堪称悬崖,随时可能坠入深渊导致完全失败!一方面核试验耗资甚巨且失败风险极高,稍有不慎就会造成巨大浪费。另一方面美苏等超级大国早已通过上千次的核试验拿到了应有的数据,探索了大量的极限边界条件,可以从容转入实验室研究。


为了掐断后来者的道路,在国际上到处通过全面禁止核试验条约向中国施压,如果整个进程稍加延误,该做的核试验没有做,就被迫加入禁核试条约的话,则为山九仞功亏一篑,数十年的努力会瞬间归零,我们将永远也无法真正研制出适用于实战的第二代小型化的核武器!


于敏从理论上预估到美国核武器已经接近物理极限,这让他夜不能寐。


邓稼先院长当时已经病入膏肓。弥留之际,由邓稼先口述,于敏执笔的加快核武器小型化研制进程的报告终于递交到了中央军委主席邓小平的案头。


于敏在最紧要的关头挽狂澜于既倒,可以说是牵拉着整个国家和民族的命运在与时间赛跑!


他审慎地选择技术途径,从规划二代核武器发展的技术路线,提出物理模型,梳理关键问题,到制定核试验方案,再到每一次核试验后取得的浩如烟海的数据中总结出物理图像和动作过程,来验证理论模型的正确性,再提出改进方案,除他一人之外,九院再没有一个人能对核武器全物理过程作出确定性的论断,王淦昌、彭桓武、程开甲、周光召都是诺贝尔奖级别的科学家,他们都可以离开九院,唯有于敏不能。


从七十年代中期的技术探索,到整个八十年代的奋力攻关,再到九十年代初加快核试验,二十余次核爆在西北荒漠的地下不断震颤,多种新型核武器依次研制成功,完成了多次重大的技术跨越,这背后的理论总负责人都是这位当时已年过六旬的老人。


如果说中国核武器发展历程一共有六次突破,那么其中五次都是由于敏领衔,在将近四十年的时间跨度内,吊打了美苏英法四大国的五代科学家!最终的事实大家都清楚了,中国用最少的核试验次数研制出了第二代小型化核武器,取得了一次试验多方收益的巨大成果,拿到了应有的数据,技术上没有走任何弯路,以美国几十分之一的核试验次数和百分之一的经费投入达到了和美国同一技术水平,为转入实验室模拟提供了支撑,赶上了禁核试的末班车。


这个末班车到底有多急迫?1996年7月29日进行了最后两次核试验,晚间确认拿到数据,7月30日中国政府就宣布加入全面禁核试条约,最后关头真的是按天甚至按小时在算!


当美国人通过不正当手段得知1992年9月25日试爆的新型核武器的试验数据后恐怕是直接惊掉了下巴,这种新型核装置的物理设计水平之高,与美国核武器的巅峰之作w88弹头相应部分的差距到了几乎可以忽略不计的地步。


美国人的应激反应就是马上开始找内鬼,华裔科学家李文和案和臭名昭著的考克斯报告随即而出。


在美国人看来,如果中国不从洛斯阿拉莫斯国家实验室盗取w88核弹头的技术,那么取得这样的成果完全是无解的。美国人这么想其实并非盲目自大和被迫害妄想症,而是因为美国才是踏踏实实进行1054次核试验,一步一个脚印走完核武器研制发展全过程的选手,中国是仅仅46次核试验连美国人零头都不到的阶跃型选手,走一步跳三步,一跳上一个台阶,而于敏就是让这一切事实合理化的外挂的作弊器,有这样一个人在,美国人就没有任何道理可讲!


可以毫不夸张地说,如果没有于敏,中国的核武器水平也就是略强于朝鲜和印度,永远不可能成为五个核大国之一!两万吨和一千万吨的爆炸威力永远不可能等价在天平的两端!有了小型化的实战核武器,东风快递才真正拥有了尖锐锋利的獠牙,从此中国人能真的从棋子变成棋手,是我们讨论别国的命运,而不是别国来决定我们的命运。两次以第一完成人一次以第二完成人获得三次国家科技进步特等奖也注定是前无古人后无来者!


当2014年于敏获得国家最高科技奖时,奖章能挂到于敏身上则是这个奖颁发以来最大的荣耀!


一枚共和国勋章怎抵得过贡献之万一!从历史的视角看,于敏和他创造的核保护伞护佑着中华民族千秋万代的生存和发展空间,永远杜绝了华夏大地再被大规模入侵再遭铁蹄蹂躏的惨祸,可以毫不夸张地说,纵观人类万千年的历史,从来没有如此多的人被一个人这样的保护着!以科学的眼光看,他解决的极端条件下顶级的科学难题由于高度保密的原因可能永远无法被人知晓,原谅我的物理水平之低下,语言能力之贫乏无法描述其中的艰难和奥秘,也许一百年之后核武器消失了,随便买本物理书就可以看到于敏当年的工作,或许到了那个时候才能够理解这究竟是怎样智慧的一个伟大的人!




于敏对于核武器的贡献早已是功在当代,他的另一项主要研究更有可能利在千秋!于敏从上世纪七十年代开创了惯性约束可控热核聚变的发展道路,这是人类对于核能的终极利用,相比于托卡马克磁环约束聚变永远还有五十年的应用时间,惯性约束或许可能优先一步取得热核点火。惯性约束主要利用强激光照射高Z材料组成的黑腔产生X射线,X射线驱动靶丸内爆实现聚变。在驱动过程中,激光能量被黑腔内壁吸收,腔壁升温、电离,同时辐射出大量X射线。利用这些X射线驱动内爆靶球,压缩聚变燃料使其到达点火和自维持燃料条件。美国投入了数百亿美元的NIF装置(国家点火装置)在2011年点火失败。而按照于敏精确制靶思路设计的椭球型多孔黑腔靶段比美国人圆柱形的设计更加优异,待我国的光束更多的神光装置建造完毕后,或许可以先于美国完成人类第一次可控聚变点火,如果真到了这一步,斯人虽逝,但穿越时空操控的神火应该足以和华夏始祖燧人氏相比肩了!



中科院物理所的著名理论物理学家何祚庥院士在1960年代轻核小组时和于老共事过,他的原话是我的理论物理水平太低了,最多只能算是个高水平的旁观者,关键问题都是于敏解决的,我们是球场上传球的人,而于敏是临门一脚的人。何祚庥院士在七十年代末曾写过一篇关于氢弹的文章,里面提到很多细节,而于老当时怕泄密,担心一些细节会给印度人以启发,就压着没让发表,大概近两年才发表,当时预估印度能在原子弹爆炸六年后突破氢弹,结果到现在四十多年过去了,印度的氢弹还不知道在哪里…2020年6月15日,中印军队在阿克塞钦加勒万河谷爆发激烈冲突,杀伤数十名印军。如果没有核武器上对于印度的绝对碾压,我们不知道要驻扎多少军队在人迹罕至的绝域天险…印度可以有拉马努金、拉曼、钱德拉赛卡,但他们没有于敏!


有不少朋友可能会认为像于老这样的功臣是否会像佛一样供着,或是封妻萌子,这完全是想当然。听九所的老同志说起过,七十年代由于九所的科研人员都没有北京户口,有一次于老的儿子得了重病,没有户口医院都挂不了号,于老这种“书呆子”急得不知所措,情急之下找别人借了个户口本去医院挂号,挂号的女护士故意刁难问你儿子叫什么名字,户口本上别人的名字于老答不上来,结果被护士狠狠地辱骂了一通,于老气愤加情急,眼泪直往外流……我当时听了这个事情以后,心说如果是我,老子直接撂挑子不干了,那个辱骂于老的女护士也不可能知道是谁了,我觉得这个女护士很有那只扇动翅膀引起飓风蝴蝶的潜质,如果于老不是把责任和使命看得比生命还重,哪怕只是稍微少一分,跟别人一样一走了之了,那中国现在的军事实力到底会是怎么样的,完全不敢想。所以说于老不仅是智慧上的神人,他同样也是品德上的圣人。




于老逝世前的几年,可以说是非常地不幸和悲伤的,他感情极深相濡以沫几十年的夫人在2012年突发心脏病,就在于老面前倒下了,子女匆匆忙忙送去医院,留于老一个人在家,老人家心急如焚摔倒在地,由于无人搀扶站不起来,就躺在冰冷的地上没吃没喝将近一天,直到子女门回家才发现,八十六岁的老人,不敢想在地上躺一天是个怎样的情景。这样的人给个二十四小时特护该不该?失去夫人之后他老人家的精神受到了巨大的打击,身体一下子就垮了,再也没有笑容,也再也离不开轮椅,连在人民大会堂获颁最高科技奖时都是轮椅推上去的,央视的采访都是强颜欢笑的,提到夫人时,引用了一句唐代元稹哀悼忘妻的诗:“惟将终夜长开眼,报答平生未展眉”,之后良久不语……




于老的仙逝当真是国倾一角


悲痛之余,我甚至有一个大逆不道的想法,我觉得于老逝世后应该和爱因斯坦一样把他老人家的大脑保留下来供脑科学研究之用(绝不敢对他老人家有丝毫不敬),这样似乎他老人家还在世,但我相信就算有人跟我有同样的想法,也绝对没有人敢提出来,因为这样一个伟大的老人已经将自己全部的智慧和精力都贡献给了核武器科技事业,逝世前的两个小时还最后一次听取了学生蓝可研究员关于可控热核聚变研究进展的汇报,直至最后一息!正如一位朋友说的,他老人家本是天庭核子武德真君下凡转世,功成身退又重新位列仙班,从此天上多了一颗星。他没有走,只是换了个地方,继续凝望着他的事业,继续守护着他的国家和人民……




忽报人间曾伏虎,泪飞顿作倾盆雨!


文章来源:见微知远


— END—

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