冥想

如果三一考验失败了呢?

通过Alex Wellerstein,2020年7月16日出版

今天标志着三位一体测试的75周年。我对世界上第一个核爆炸的思考在过去的五年里变化不大,所以如果你想要我的“周年纪念”,你可以读到它。从那时起,唯一真正改变的是,从那时起,我已经能够去年夏天访问该网站,并在其周围的地区度过了一些时间(Socorro,Alamagordo等)。这是一个美丽的国家,并与我的正常(纽约相邻的)环境相比,它仍然感觉漂亮孤立和稀疏。距离只是大的在这样的地方 - 它需要你很长时间才能到达任何地方,然后驾驶50英里没有大的东西。无论如何,我相信,我会在夏天晚些时候发布更多关于这次旅行的机会,所以我现在将抓住。

2019年7月三位一体网站的方尖碑。来源:照片作者。

我最近一直在想什么是我在今年的周年纪念日中被问到了几次的问题:三位一体测试的重要性是什么?我发现回答比表面上更难令人惊讶。当然,我可以很容易地解释测试的背景、为什么进行测试以及测试之后的内容。但在我看来,“重要性”意味着一个反事实:历史上,如果没有发生,或者以不同的方式发生,就会发生不同的事情。

我有以前写在反事实上,我怀疑我发现他们比许多历史学家更有趣。对反事实的“官方历史学家反应”是说,“好吧,我们真的不知道是什么可以已经发生了,因为很难知道发生了什么我可以共同签署。但反事实问题可以成为一种关注我们为什么认为某些事情是错误的方式重要的,这是一个很有用的方法来思考我们对过去的了解。所以我经常发现它们是有用的练习,只要你不太相信它们的“现实”。(我一直是漫威的粉丝如果…怎么办?系列,智力较小。)

所以我今天的问题是:如果三一考验失败了呢?

失效模式

这个问题让人感觉有些刺耳,其中一个原因是我们很容易从“历史是如何发生的”滑向“历史是如何发生的”一定有我们知道这次测试是“成功的”,这让我们想到的一切和它的准备工作都充满了色彩。但Trinity以这样或那样的方式失败的几率并不那么低。可能有很多地方出了问题。

即使在三位一体之后,J.罗伯特·奥本海默(J.Robert Oppenheimer)估计“作战部队”失败的几率也相对较高:

这个可能性A.少于最佳性能男孩都很小,应该忽略不计。第一个作战钚胖子产生低于最佳性能的可能性约为12%。能量释放量低于5000吨的可能性约为6%,低于1000吨的可能性约为2%。除非另有规定,否则不应少于一千吨一个实际发生故障的一些组件。

信息技术可能不希望尝试在目的地建立,一个统计基础,胖子组件的可靠性。另一方面,这是可取的主题调度的组件用于热用来用最大的护理检查和测试。1

oppeNheimer的估计估计足够高,鉴于测试的赌注,但大问题是未估计的部分:组件的失败。因为“小工具”及其武装化的形式,胖子,有一个大量的组件。他们都有可能失败。内爆设计需要很多东西来运作正好,以获得同时爆炸(在纳秒测量的公差范围内)和压缩力的正确形状,该压缩力对称地将固体金属钚芯收缩至其原始体积的一半以上。这就是为什么他们首先要进行Trinity测试:他们根本不知道它是否可以完成,即使它可以完成,他们也不知道它会有多好的效果。2

这是"小玩意"的官方图表,紧挨着它的外壳,就像胖子炸弹一样。这张令人难以置信的图片来自约翰·科斯特-马伦根据《信息自由法》收到的手册,整个文档描述了所有必须做的许多活动才能正确地生火。有很多可能出错的地方;这些都不是“GI-proof”。来源:“Mark III原子弹引信的维护和说明手册”,Y计划,1946年1月,由勇敢的约翰·科斯特·马伦提供。

因此,让我们想象一下测试的三种可能的“失败”模式。第一个并不是真正的失败:在测试之前,“小玩意”已经以预期的产量消失了。这大约是4-5千吨,而不是原来的2万吨。因此,科学家们不会认为这是一个失败,但这会使钚弹比他们对铀弹的预测要小得多。为了简单起见,我们将把它四舍五入到5000吨。

第二种可能是他们认为可能的结果的低端:几百吨TNT当量。假设是500吨,随便选一个数字。这意味着“小玩意”的性能将严重下降(他们的目标是至少1千吨),但仍然是一种可用的武器。虽然它不符合他们对可用原子弹的标准(他们设定的标准是1000吨),但它仍然是你可以扔在敌人身上的东西。3.

并且是一种不可原谅的第三种可能性是一个总失败,一个零核产量的“失败”。这将是奥本海默提到的真正的部件故障:爆炸系统的问题,或者镜头系统的主要缺陷。高爆系统将产生大约5吨TNT当量的结果,这将摧毁“小玩意”并散落其钚。同样,这一点也不令人难以置信——这是一种新武器,这些部件是定制的,每个技术系统都有故障率。科学家们知道这是一种真正的可能性;其中一些甚至打赌!

在“三位一体”试验之前,科学家们曾认为(以铀为燃料的)“小男孩”炸弹是他们的“大”炸弹,因为他们一直认为它的威力至少有5000吨,可能有1.5万吨左右。据推测,(以钚为燃料的)胖子的当量从几百吨到5000吨不等。胖子设计的优势在于,你可以制造更多的胖子:1945年末,它们的生产速度大约是一半每个月一颗小男孩炸弹的浓缩铀价值胖子炸弹每月价值钚。因此,他们认为未来可能的能力是每两个月制造一颗大型原子弹,中间夹着几颗较小的原子弹。实际的三位一体试验表明,胖子炸弹实际上是更多比他们想象的小男孩炸弹威力更大。

1945年5月目标委员会第二次会议记录的相关摘录,其中描述了当时两种武器的预期产量范围。4

在我看来,这些不同失效模式的技术含义相当简单。如果Trinity试验的威力与他们预期的一样(5千吨),那么他们对情况的看法不会有太大变化-5千吨仍然没有什么可嘲笑的。如果相反,它是在低端(500吨),那么这将是令人失望的,但仍然在可能的范围内,我认为他们在技术上不会做太多的不同,除了试图找出导致产量下降的问题是什么。

但是,如果试验完全未能产生核产量,我想他们将不得不进行另一次试验。如果试验失败,这肯定是他们最初的计划。这最多需要几周的时间来准备。最初的三一试验需要数月的时间来准备,但三一试验的失败仍然会对to造成损害一个“快速而肮脏”的三位一体测试,他们只是在某个地方进行了一次,不会给他们提供他们所需要的数据(而且在完全失败的情况下,我看不到他们会认为“快速而肮脏”特别是考虑到他们的钚储备是多么的珍贵),所以我认为这基本上会使在日本使用钚弹的可能性至少推迟一个月左右。

如果原因是更邪恶的事情,比如故意破坏,会怎么样曼哈顿我认为这将是“彻底失败”的结果,再加上大量更多的安全感,绝望和偏执。也就是说:一些非常不同的东西,不是我完全有信心预测的东西,而是一个非常有趣的问题。

战略和外交影响

三位一体试验的成功告诉美国决策者和军事规划者,原子弹是有效的,而且随着时间的推移,它们将拥有相当数量的原子弹。如果失败,这两种情况都会受到不同程度的挑战。

5克三位一体可能不会改变这么多。同样,这是期待。但是,它可能改变了如何部署炸弹。5千吨爆炸将大约为15千吨的伤害大约40%。5从原始效果来看,如果你今天在理想的爆炸高度在广岛引爆一枚5000吨的炸弹,你可能会杀死47000人(根据NUKEMAP),相比之下,15000吨的爆炸会杀死超过8万人。这仍然是一个非常强大的武器。但显然它的威力不如小男孩炸弹。所以很有可能他们想象用它来摧毁整个城市以外的其他目的,比如针对特定的军事基地。但总的来说,我认为这可能“足够接近”,他们现有的假设仍有可能维持。

核弹三种爆炸在广岛上的屏幕截图,每个爆破的爆炸爆裂的爆炸突然高度最大化为它们的收益率为5 psi爆炸范围的范围:15,000吨TNT(15克),5000吨TNT(5克),和500吨TNT(0.5克)。从最大到最小(大致,随着效果尺度不同),环展示:1 PSI爆压(非常浅灰色),最大距离3度燃烧从热辐射(橙色),面积为5Psi Blast损伤(灰色),500个REM离子电离辐射暴露在自由空气(绿色),以及火球的大小(黄色)。来源:核弹/地图数据©OpenStreetMap贡献者,CC-BY-SA,图像©Mapbox。

另一方面,500吨三位一体是原子弹的威力比他们想象的要小。如果今天投到广岛,它仍然会杀死15000人。但城市的大部分地区仍将完好无损——心理影响将大大减弱。与15千吨炸弹相比,它看起来相对微不足道。再说一次,我认为他们可能仍在考虑使用它,但我不认为他们会在上面“浪费”任何宝贵的少数“保留”目标——他们会将这些目标保存起来用于大型炸弹,并将小型原子弹用于其他用途。所以我认为这将真正改变他们对阿森纳的看法和他们对阿森纳的使用。

也有可能,取决于他们对失败的理解程度,这可能也会影响他们对小男孩炸弹的看法。科学家们对这种炮式设计很有信心,而且不需要进行全面测试就能更容易地确认其原理。他们的信心会动摇吗?如果他们对“三位一体”试验的诊断告诉他们,雷管系统按照计划工作,那么他们可能会担心,他们对裂变炸弹的更深理解是错误的。但如果他们认为这只是一个组装问题——内爆设计的一些独特之处——那么他们可能仍然对枪支式的布置有信心。

但决策者和军方高层可能会信心大减。除格罗夫斯外,其他军事领导人都对这枚炸弹没有深入的了解,有几位对三位一体之前的前景表示极度悲观。三位一体的失败会强化这些观点。他们可能已经判断出整个事情还没有准备好进入黄金时间,并且放弃了任何使用计划,直到他们确信这不会令人尴尬。

正如前面提到的,“三位一体”导弹的失败可能意味着,他们的钚炸弹能力将极度延迟。我想他们还是想尽快使用铀弹。但他们知道,在一段时间内,他们无法继续进行更多的攻击。也许他们会虚张声势,也许他们会轻描淡写那样会造成多大的破坏,我不知道。但我想他们会认为这是另一种情况。

在Trinity之后的波茨坦会议上的斯大林,杜鲁门和丘吉尔(1945年7月17日)。来源:哈里斯·杜鲁门总统图书馆

这会有什么政治影响?杜鲁门听到“三位一体”试验成功的消息非常兴奋,这极大地增强了他对战争结束的信心。我想,如果结果是5000吨,这一点不会改变,但如果结果是500吨,这一点可能会减弱。如果完全失败,我认为情况会相反:他可能会对与苏联的关系以及日本无条件投降的前景更加沮丧。

如果是这样,他的做法会有什么不同呢?在我看来,他改变策略的两个地方是他与斯大林的关系,以及无条件投降问题和《波茨坦宣言》。

在获得Trinity的成功结果后,杜鲁门对斯大林采取了非常强硬的态度。他认为,这枚炸弹为他赢得了二战结束和随后的和平的筹码。尽管他没有试图辩称苏联不应该向日本宣战或停止侵略计划,但他不太相信自己需要这样做苏联加入了战争,并没有鼓励他们。如果没有Trinity的信任,他会这么努力吗?我不确定他会这么做;他可能会觉得苏联的入侵太有必要了,以至于战争结束时有可能出现疏远。如果他采取了一种更为妥协的方式,那会对l接下来是冷战吗?冷战是一件复杂的事情,不是单一互动的结果,但有学者将其形成和焦虑归因于杜鲁门的后三位一体虚张声势,因此它不在沉思的范围之外。

在《波茨坦宣言》中,杜鲁门内阁成员和军事人员试图在盟军对日本的格言中加入一句话,以澄清天皇的立场。从截获的日本通讯中,他们知道,即使是对寻求结束战争感兴趣的日本最高司令部成员来说,这也是一个关键点。但杜鲁门在他的国务卿詹姆斯·伯恩斯的推动下,在这方面极力回击,并故意不让日本人在这方面“更容易”。人们可以争论这样做是否正确(这是另一个问题),但如果他没有从Trinity那里得到积极的消息,他会对日本采取如此强硬的态度吗?我再次表示怀疑——他会对自己的立场不太确定,可能会听取那些告诫他要适度的人的意见。

他们是否仍然将小男孩炸弹用于原始的时间表,在邮局会议结束后被删除?我认为这取决于他们认为失败的性质是为三位一体测试 - 如果特别是爆米装置的特殊性,那么我认为他们将继续按计划继续。如果它是导致他们更为根本性的疑虑,那么我可能已经等了,直到这些疑问可以解决。然而,我不认为他们的消息传递会受到显着影响的影响;杜鲁门在广岛的宣言基本上是一个“一枚炸弹”公告(而且我不确定他意识到更多炸弹之后即将推出)。

战争结果

三一学院的失败会在任何重大方面改变第二次世界大战的结果吗?最终这个问题取决于你认为是什么导致日本人在8月10日有条件投降,然后在8月14日无条件投降。特别是,这取决于你认为长崎爆炸案对日本最高指挥部的决策有多重要。

有许多重叠因素导致日本人投降,并且并不总是可以清楚地分配多少重量。轰炸广之玛,苏联战争宣言和侵袭满族,爆炸纳卡基亚,美国拒绝了条件投降报价,一位初级日本官员的中产阶级政变,以及常规轰炸的加剧都在空间上发生不到一周。如果我们想象那个名单中唯一缺少的东西是长崎,这是否重要?或者如果长崎使用了更少的损伤原子弹,那会很重要吗?

在左边,蘑菇云的碎片从新墨西哥州的Trinity试验场升起(这是我最喜欢的一张不寻常的试验照片,也是为数不多的几张强调这一点的照片之一)三一的云)图中右边是我在2019年夏天在白沙导弹射程外拍摄的一张照片——不是完全相同的有利位置(我怀疑原始照片是在高山脊或飞机上拍摄的),但非常接近。来源(左):洛斯阿拉姆斯国家实验室,TR-239。

虽然很难解开这些东西,但爆炸长崎明显留下了日本命令的鲜明印象,而不是其他因素。它可能加强了导致投降的绝望的感觉,但目前尚不清楚他们是必要的。日本人似乎并不严重怀疑美国只有一个原子弹,并且在任何情况下,其他因素 - 如苏联入侵 - 在很大程度上在他们的思想中显然重视。

因此,即使没有Trinity的成功,战争也会在它结束的时候结束,这并不是不可信的。话虽如此,日本投降的决定无论如何都不是过度决定的。如果日本在8月10日之前不投降,那怎么办?他们是在第二枚“三位一体”炸弹被测试之前,还是在第二枚炮式炸弹准备好之前就把它送出去了?在这里,我们的结果是在投机的杂草,超出了我们可以有信心知道的。或者换句话说,这就是任何偏见对战争的结束将主导:如果你是一个“炸弹”的人,那么你就支持这种解释,如果你是一个“苏联”的人,你会喜欢这个。我持观望态度,尽管我倾向于认为长崎并不那么重要,所以我认为这场战争差不多在同一时间结束。这是一个与“如果……会怎么样”不同的问题这一说法更具争议性。

如果是这样的话,那么三位一体测试对这个特定的目的就不是那么重要了,尽管这些外交决定可能会产生长期的影响。不过,有一件事是清楚的:如果三一计划失败了,我们就会从不同的角度来谈论曼哈顿计划。“曼哈顿计划”的成功似乎并不是“不可避免的”,也许我们不会这么快就用典故来形容它当谈论大型科学项目时。

整个讨论的讽刺之处在于,三位一体测试几乎总是被视为一项重要且令人印象深刻的成就。但是,如果它仅仅意味着长崎得以避免,而战争仍然结束,那又会怎样呢?从这个角度来看,如果它没有起到这么好的作用,也许会更好。说这感觉是异端的,我也不确定我是否相信我相信,但这是一个挑衅的想法。

不管怎样,我认为很容易得出结论,三位一体测试“很重要”,至少从一开始设定的反事实标准来看是这样的:如果它失败了,我们就会进入一个有点不同的世界。一个有趣的问题是,那个不同的世界会比现在的世界更好还是更糟——令人惊讶的是,这个问题并不清楚。

  1. 罗伯特·奥本海默致托马斯·法雷尔和w·s·帕森斯(1945年7月23日),核试验档案,NV0103571。[]
  2. 更新,2020年9月:我碰巧在数字国家安全档案馆(Digital National Security Archive)看到一份文件,其中奥本海默向杜鲁门总统表达了他对“十字路口行动”(Operation Crossroads)测试的保留意见。这句话似乎与此相关:“即使所有部件都能正常工作,计划用于这些试验的炸弹产生无效爆炸的几率约为十五分之一,人们可以称之为无效爆炸。设计出来的炸弹没有这种弱点,但也没有使用这些弱点的计划。”十字路口炸弹的型号与长崎和三一的设计相同。J. Robert Oppenheimer致Harry S. Truman(1946年5月3日),乔治华盛顿大学数字国家安全档案,文件NP00024。[]
  3. 到1944年5月,曼哈顿计划的指令是一种至少相当于1000吨TNT的武器。威廉·帕森斯致莱斯利·格罗夫斯(1944年5月19日),1942-1946年曼哈顿工程区的通信(“绝密”),缩微胶卷出版物M1109(华盛顿特区:国家档案和记录管理局,1980),卷1,目标6,文件夹5,“在广岛和长崎投下第一颗原子弹之前和之后的事件”,子文件5F,“来自(上尉W. S.)的备忘录”帕森斯。“(]
  4. J.A.Derry和N.F.Ramsey到L.R.Groves,“1945年5月10日和11日目标委员会会议摘要,“ 在1942-1946年曼哈顿工程区的通信(“绝密”),缩微胶卷出版物M1109(华盛顿特区:国家档案和记录管理局,1980),卷1,目标6,文件夹5D,“目标的选择”。“(]
  5. 爆炸伤害以立方根的形式扩展(以能量的幂的形式)W1/3, 在哪里W是产量),不是线性的。因此,要使爆炸效果加倍,您需要将产量提高大约8倍。因此,一件15千吨重的武器的破坏力并不比一件5千吨重的武器大三倍,即使它释放的能量是它的三倍。[]

“如果三位一体测试失败了怎么办?”

  1. vernamcipher 说:

    一如既往地迷人的帖子,亚历克斯。除了战争的结束之外,有趣的是考虑美国(和苏联)阿森纳的不同路径可能会在Trinity Transure后采取的不同之处。枪型炸弹有,正如我了解技术,硬尺寸和产量限制 - 只有这么小,你可以制作它们。另一方面,钚内爆炸炸弹打开了通过ICBMS提供的小型弹头的路径,也能够作为热核武器的原初级。我想知道在三位一体测试的昂贵和令人尴尬的“总失败”之后,战争部门本来希望继续努力钚内爆,而是更喜欢建造可靠的枪式武器的阿森纳?只能通过大型飞机可交付,并且不能无限期地增加产量,他们可能已成为世界历史上的可怕后果的“只是另一个炸弹”。

    似乎有理由认为,核战争的恐怖使美苏冲突成为一场古老的战争,而不是一场激烈的战争,而洲际弹道导弹的不可阻挡性和prac热核聚变的无限破坏力使其倍增。

    • 我认为他们肯定会持续的爆炸作品 - 他们肯定是投资的长期可能性。他们相信(在1945年5月底,枪型会在你注意的情况下具有漂亮的固定收益率,并且这种爆炸将开始谦虚,但最终会更好地更好(他们看到如果你有擅长,那么你可以获得数百千吨的产量)。他们已经在考虑了热核武器及其可怕的可能性(顺便提前开始用枪型“初选计划”,因为它简化了很多物理,不能想象你的炸弹被一堆高炸药包围)。所以我认为,如果政府对原子作品的热情可能被视为如此革命和决定性,政府对原子作品的热情可能会受到抑制。(即使是,他们也让原子作品在1946年大部分时间内在努力解决政策。)

      我确实认为,如果他们在战斗中使用了低产量内爆武器,可能会减少原子弹的恐怖性,以及由此产生的“特殊性”,这可能会产生真正消极的长期影响。

  2. Kelly2 说:

    我认为从白色沙滩上的公马AAF跑道的山坡上拍摄了消散的蘑菇云照片 -

    33°50'37.68“n
    106°42'8.09“w

  3. 基因Dannen. 说:

    我认为奥本海默给出的低产率概率是计算出的预爆概率。

  4. 和往常一样,这是一个迷人而明智的历史分析。我从来没有想过反事实是“真实的历史”以前,虽然我读过一些这方面的书,但我能理解为什么你会被这种探究所吸引。上面的反事实提供了一个有趣的窗口,可以了解所有关于广岛/长崎的长期历史问题,我想这是永远不会结束的。
    至于你的结论“出乎意料的不清楚”,我认为这是对的。我的阅读并不全面,但却足够严肃,我认为1945年7月全球局势的流动性很高。

  5. Edwin Corley在第三一试练工作的前提下写了耶稣因子(1984),但是从飞机上掉下来的炸弹没有。所以要结束日本的战争,他们掀起了(忍受着我)一个巨大的空中Flashbulb,并追随大规模的轰炸。(不太令人难以置信,因为一个类似的攻击已经在一个夜晚已经扁平了东京。)然后他们只是声称已经使用了原子弹,依靠战争的迷雾和竞争宣传来掩盖真相。

    现在,这个前提是幻想,而不是科幻小说,但他从中发展出了一个完全可信的替代历史。苏联也发展了核武器,也有同样的问题;英国、法国和中国也有同样的问题。由于静态试验明显有效,产生了地震痕迹和辐射尘,每一个核电站都害怕其他人会爆炸这是一场全球对峙,没有人可以承认任何事情,即使是对他们的盟友,因为害怕一个真正的核大国会突然统治世界。

    不,基本思想并不是远程可粘的。没有理由武器应该无法工作,因为它在运动中。但是一旦你授予一个前提,政治,军事姿态,绝望的秘密研究都彻底可信。一个日期的书籍,肯定,肯定是对喜欢历史性的人的任何人都很有趣。这是你可能会在第七啤酒和你的伙伴那里想出的阴谋故事。

  6. 灰Jogalekar 说:

    伟大的帖子。如果它已有5 kt或更少,炸弹被认为是战术武器的机会,炸弹被认为是战术武器的机会以及它使用的障碍将被危险地降低?

    • 关于战术武器的谈话在广岛后开始长久;如果他们有不到一千吨的武器,我认为这将是一个非常容易的人。问题是谈话是否会越早开始 - 例如,他们会考虑胖人炸弹不同类型的目标,而不是小男孩炸弹,而不是考虑到它们基本上等同。如果是这种情况,我不认为这是不可能的,如果是这种情况,他们就会有这种谈话,科学家们认为他们的第一批胖子会是那个数量级的秩序。

  7. 艾伦·汤姆森 说:

    您是否发现任何暗钚压缩性的迹象(AKA“状态”)是一个重要的不确定性前三位一体?

    或者这个小玩意/胖子的设计是否过度,以至于即使Pu没有明显的可压缩性,也能产生令人满意的产量?

    • 我什么都没见过具体来说建议这是一个不确定性的领域,但这种东西往往很重复。他们确实在哈佛大常的普拉德处理钚压缩研究中拥有Percy Bridgman的实验室。

      • 艾伦·汤姆森 说:

        迷人的人,布里奇曼。我昨天发现他早在1922年就研究过铀(以及其他一些金属)的可压缩性。

        • 是的,他是金属可压缩性方面的专家,并在1946年因在这一领域的长期研究而获得诺贝尔奖。他是奥本海默的本科导师。据我所知,他在战时关于钚的工作仍属于机密,只是在各种报告中略有提及。

  8. 迈克尔一个丹尼斯 说:

    战争学院的教学策略让我对反事实的教学能力有了一种欣赏,所以我觉得这很吸引人。另外,你还记得斯坦利关于U235-Pu239混合炸弹的观点,真是太好了。我不确定他是否真的把它搞定了,但我记得他对此进行了阐述。谢谢你这么周到的帖子。

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