理论物理与中国的核武器研制

理论物理是一门基础学科，它的水平关乎整个物理学的发展，对其他领域科学研究也都产生了深刻的影响。中国的理论物理曾伴随着核武器的研制而迅速发展，在维护国家安全、满足国家重大战略需求、提升我国国际影响力等方面发挥了不可替代的作用。

新中国成立伊始，就面临国际超级核大国的核讹诈和核威胁，为了维护国家战略安全，1958 年，我国唯一的核武器研制单位应国家需求而生，理论物理学家彭桓武、周光召、于敏等人放弃原有的优厚待遇和研究成就，从此隐姓埋名，投入了轰轰烈烈的核武器研制征程。

当年，美苏对原子弹、氢弹的相关信息绝对保密，在西方核国家对我国封锁遏制并屡次核威胁的严酷局势下，两弹理论研究没有可供参考的信息资料。中国核武器理论研究从一开始就坚持“自力更生”的方针，在被周光召称为“开创中国理论物理研究第一人”的彭桓武的带领下，中国原子弹、氢弹研究从最基本的物理概念、原理探索开始，一步一个脚印地积累数据、推导公式、把握物理过程，不断深化物理规律认识。图 1《当代英雄》油画，再现的就是第一颗原子弹理论突破时期，科学家及科研人员开展学术民主讨论的场景。

图 1 《当代英雄》油画，由北京应用物理与计算数学研究所老所长李德元倡议并命名，以写实手法，再现我国第一颗原子弹理论突破时期，大科学家及科研人员开展学术民主讨论的场景，其中彭桓武、邓稼先、周光召、朱光亚、程开甲为物理学家

自此以后的一甲子光阴中，我国的核武器理论研究迈上多个重要台阶，相继突破了原子弹、氢弹、中子弹和二代核武器原理，仅用 45 次核试验，就达到了和美苏相当的核武器理论设计水平，在这个过程中，理论物理功不可没。当然，由于理论物理和计算的密切关系，文章中的理论物理，也包括计算物理。

理论物理与中国特色核武器研究的密切关系主要体现在以下三方面：

理论先行的高产出投入比。 中国核武器事业走出了一条具有中国特色的发展道路，其中一条重要经验就是理论先行。理论先行是在中国国力薄弱、科研条件落后的现实下做出的必然选择，因为核武器是战略性武器，核试验耗费巨大，试验周期长，失败的代价是巨大的，以当时中国的条件，不可能通过大量试验设计核武器，必须首先进行理论探索，物理设计有把握，才能实施核试验。彭桓武是核武器理论研究当之无愧的开拓者和领路人。面对大量、复杂的计算问题和落后的计算机条件，彭桓武首先抓住核爆本质：核能释放的速率开始增长，经过极大值后衰减直至消失。他逐个分析该阶段的诸多因素，按照“3 和 1 相比，3 近似等于无穷大”的思想，忽略次要因素，保留主要因素，将极为复杂的方程组进行简化，建立了可用于手算的中子和力学耦合的常微分方程组，给出了核能释放过程中各物理量随时间变化的完整物理图像，得到物理量之间相互作用的物理规律。这种理论粗估方法直到今天仍然是核武器理论工作者从事科学研究的重要手段。彭桓武还把原子弹运动过程划分为若干阶段，对几个关键时刻加以命名，这些名词我们沿用至今。原子弹爆炸成功后，彭桓武部署开展氢弹研究的“多路探索”，指导黄祖洽、周光召和于敏进行氢弹的理论研究。于敏的理论方案一方面用了彭桓武倡导的粗估思想，同时又利用了上海的计算机进行数值模拟论证了可行性，最终奠定了氢弹原理试验的成功。理论先行获得的高产出投入比使我国的核武器研制实现了一次试验，多方收效，并且核试验的成功率和效费比最高。

理论与实际结合紧密。 核武器物理理论研究与实验研究关系十分密切，核武器的理论设计正确与否必须落实到核试验的检验上，在我国，为了做到“一次试验，多方收效”，往往一次试验包含多重目的，核试验的结果与理论预期完全符合固然很好，但多数情况下是有差别的，必须根据试验结果重新调整理论设计，我们始终坚持将理论研究与工程实际紧密结合，从试验中摸索、提炼出关键问题开展科学研究，从而推动和促进核武器物理的发展和新思想、新概念、新原理的形成。受导师玻恩的深刻影响，彭桓武从科学研究早期就十分重视理论和实验的联系，并贯穿核武器理论设计的领导过程，对他来说解决实际问题才是进行理论物理研究的主要目的。他曾对钱三强的一段话赞赏有加、深表赞同：“我们讲的理论联系实际就是既要在本门学科的基础理论和专业知识以及技术上达到相当的水平，同时还需要具备能解决实际问题的能力。有解决实际问题的能力，并不是说所有人都一定要在具体工作产品上搞出什么东西，但第一，有这个愿望，第二，凡是国家有需要时，稍转一下就能为国家服务。”彭桓武以毕生的科研行动践行着“国家需要我，我去”的承诺，以理论物理为工具，在“群众英雄蚁啃骨，辉煌灯火马寻途”的峥嵘岁月中，带领科研队伍“集体集体集集体，日新日新日日新”地不辱使命，这也成为他一生的乐事。

多学科广泛交叉融合。 核武器研制是一项综合性、交叉性非常强的科学、技术与工程任务，涉及数学、物理、材料、化学、力学、计算科学等众多学科和领域，核武器的研制与发展既需要这些学科和领域的支撑，同时也极大地推动着相关学科和领域的发展，甚至催生新的综合性、交叉性学科研究领域。内爆流体动力学实验技术、复杂流体动力学系统的数值模拟方法、高能量密度物理、高精度物性参数研制与实验技术、大规模并行计算、高性能计算机的发展等，皆与核武器的研制密切相关。比如原子弹的设计就涉及理论物理、实验物理、核材料提取、炸药装药、自动控制、电子技术等多个领域的科学技术问题。理论物理作为核武器研究涉及的重要学科，在核武器发展中发挥了极其重要的作用，在核武器动作过程的物理规律认识方面，对裂变、聚变过程关键因素的把握上发挥了核心作用；在核材料本构、层断裂、混合等物理建模和核武器的中子、辐射、物态方程三大参数研制方面也发挥了重要作用。同时，理论物理也在具体应用中实现了自身的创新发展。

我国的核武器事业经过六十余年的艰苦努力，取得了举世瞩目的成就，建立了自己的核力量，为保卫国家安全、维护世界和平做出了重要贡献。禁核试前，我国核武器研制在物理设计上具有了相当高的水平，但是，由于我们只有 45 次核试验，核试验基础相对薄弱，物理认识与世界先进水平仍有差距。禁核试后，如何确保我国有限核威慑力量的有效、保持核武器可见持续发展，是核武器研究工作面临的巨大挑战。禁核试之前，我们通过理论－试验－再理论－再试验，最后把武器定型。禁核试后，核武器研制少了试验这一环节，只能采取理论研究、物理设计、计算机模拟实验、实验室实验和历史核试验数据，对核性能进行研究。我们的研究方式由“以试验为基础”转向“以科学为基础”，由此，深化武器物理规律认识成为核武器研究发展的基础，物理学研究在其中发挥着越来越重要的作用。

禁核试后的二十余年，在于敏先生等老一辈科学家的悉心指导下，核武器理论研究工作不断创新发展，圆满完成了各项核武器及高新装备研制任务，数值模拟平台置信度、物理建模水平等核心能力不断提高。这有赖于对六十余年核武器研究中积累的知识技术、科学方法、科研精神的传承与发扬。今天，我国核武器科学技术发展面临着极其巨大的挑战，研究方式以科学为基础，对科学家的认知深度与广度要求更高了。我们面临的往往是世界级的科学难题，涉及多领域的交叉融合，挑战物理极限和认知极限，比如高能炸药起爆传爆物理机制、极端条件下物态方程和相变、极端条件下本构和层断裂、界面不稳地性发展及混合、温稠密和热稠密物质性质、材料老化对性能的影响等问题，往往都是经典和前沿的共存、基础与应用的结合。

的确，我们面临的责任更重了，必须提高核武器的高科学置信度的计算机模拟能力，回答核武器安全、可靠、有效等方面的问题。必须始终面向国家重大战略需求，解决新时期面临的各类“卡脖子”难题。必须全力做好核心智力传承，建立新时期高水平核武器科技人才队伍。必须继续发扬两弹精神，持续营造学术民主、集体攻关的良好氛围。必须凝练好基础科学问题，继续为理论物理提供广阔的用武之地。必须与理论物理专款保持更加紧密的关系，专款历任学术领导小组的彭桓武、于敏、何祚庥、苏肇冰、孙昌璞、张维岩、朱少平、罗民兴、王建国等科学家都正在或曾在核武器研究单位工作，今后我们会在专款的指导下，进一步团结好各方力量，共同促进核武器中理论物理前沿问题的解决，为核武器科技事业发展和物理学建设做出新的更大贡献。