冥想

如果三一考验失败了呢?

通过亚历克斯Wellerstein发布于2020年7月16日

今天是三位一体测试的75周年纪念日。我对世界上第一次核爆炸的看法在过去的五年里变化不大如果你想看我的“周年纪念照”,可以看看。唯一让我改变想法的是,去年夏天我参观了这个地方,并在它周围的地区(索科罗、阿拉马戈多等)呆了一段时间。这是一个美丽的乡村,与我平时(纽约附近)的环境相比,它仍然感觉相当孤立和稀疏。距离就是在这样的地方——到任何地方都要花很长时间,开50英里也不是什么大事。不管怎样,我相信在夏天的晚些时候我会有机会发布更多关于这次旅行的信息,所以我现在就推迟。

2019年7月,三一教堂的方尖碑。来源:图片由作者。

我最近一直在思考的一个问题是,在今年的周年纪念前夕,我被问了好几次: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。

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能已经发生了,因为很难知道发生了什么我可以和你共同签署。但反事实问题可以是一种关注为什么我们认为某事是重要的是,这是一种很有用的方式来思考我们对过去的了解。所以我经常发现它们是很有用的练习,只要你不太看重它们的“现实”(我一直是惊奇漫画的粉丝)如果…怎么办?系列,为一个不那么理智的理由。)

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“三一”事件之后,j·罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)估计,“战斗单位”失败的几率也相对较高:

这个的可能性A.性能不如最佳的小男孩是相当小的,应该被忽略。第一次战斗钚胖子的表现不佳的可能性约为12%。大约有6%的概率,能量释放量将低于5000吨,大约有2%的概率,能量释放量将低于1000吨。除非有,否则不能少于一千吨一些实际的故障组件。

信息技术可能不希望尝试在目的地建立,从统计学的角度来看,胖子的可靠性是令人满意的对计划热使用的部件进行最谨慎的检查和测试。1.

奥本海默的估计已经足够高了,考虑到测试的利害关系,但最大的问题是没有被估计到的部分:一个部件的故障。因为"小玩意"和它的武器化形式"胖子"大量组件的名称。他们都有可能失败。内爆设计需要很多工作刚刚好,以获得同时爆炸(在以纳秒为单位的容许范围内),并正确塑造压缩力的形状,这种压缩力将固体金属钚核对称地缩小到原来体积的一半以上。这就是为什么他们一开始要进行三位一体测试的原因:他们根本不知道它是否可行,即使它可行,他们也不知道它的效果如何。2.

一个官方的“小玩意”示意图,紧贴在它的外壳里,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》收到的一本手册,整个文档描述了所有必须正确进行的活动,以便正确地进行其中一次射击。有很多可能出错;这些不是“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。

第二种可能性可能是他们认为合理的低端产品的结果:几百吨TNT当量。让我们说500吨,只是选择一个数字。这意味着该设备将严重性能不佳(他们的目标是至少1000吨)但它仍然是一种可用的武器。它不符合他们所说的可用原子弹的标准(他们将其设定为1千吨),但它仍然是你可以扔到敌人身上的东西。3.

第三种不光彩的可能性是彻底失败这是零核产量的“失败”。这可能是奥本海默提到的真正的部件故障:爆炸系统的问题,或者透镜系统的主要缺陷。高爆系统产生的当量约为5吨TNT,足以摧毁“小玩意”,并使其钚分散。再说一次,这不是不可信的——这是一种新武器,这些部件是定制的,每个技术系统都有失败率。科学家们知道这种可能性是存在的;他们中的一些人甚至打赌!

在三位一体试验之前,科学家们认为(铀燃料的)小男孩炸弹是他们的“大”炸弹,因为他们一直认为它能够击中至少5千吨,可能大约15千吨据猜测,胖子的产量从几百吨到5000吨不等。胖子设计的优点是你可以制造更多:1945年底,它们的生产率约为一半每个月一颗小男孩炸弹的浓缩铀价值三个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,再加上大量更安全,更痛苦,更偏执。也就是说:一些非常不同的东西,我一点也不自信,但这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。

5kt三位一体可能不会有太大变化。这也是我们的期望。不过,这可能改变了炸弹的部署方式。一次5千吨当量的爆炸造成的破坏大约是1.5千吨当量爆炸的40%。5.就原始效果而言,如果你今天在广岛上空以理想的爆炸高度引爆了一枚5000吨的炸弹,你可能会杀死47000人(根据NUKEMAP的数据),而15000吨的炸弹会杀死80000多人。这仍然是一个相当强大的武器。但它的威力明显不如小男孩炸弹。因此,他们可能会设想将其用于摧毁整个城市以外的目的,例如针对特定的军事基地。但总体而言,我认为这可能“足够接近”,以至于他们现有的假设可能仍会得到维持。

核弹广岛上空三次爆炸的效果截图,每一次都设置在理想的爆炸高度,以最大限度地扩大5 psi的爆炸范围:15000吨TNT (15 kt), 5000吨TNT (5 kt),和500吨TNT (0.5 kt)。从最大到最小(大致上,因为在这个范围内的效果规模不同),圆环显示:1psi爆炸压力(浅灰色),3度烧伤的最大距离(橙色),5psi爆炸损伤面积(灰色),500雷姆电离辐射暴露在自由空气中的面积(绿色),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,一辆500吨的三位一体比他们希望的原子弹威力要小。如果今天把它投在广岛,仍会造成1.5万人死亡。但这座城市的大部分地区仍将完好无损——心理影响将大大减弱。与1.5万吨当量的核弹相比,它显得微不足道。同样,我认为他们可能仍然考虑使用它,但我不认为他们“浪费”任何宝贵的——少数“保留”目标——他们会把那些目标留给大的炸弹,而把较小的原子弹用于其他目的。所以我认为这真的会动摇他们对自己军火库的看法和使用方式。

根据他们对失败的理解程度,这也可能会影响他们对小男孩炸弹的敏感度。科学家们对这种枪型设计会起作用有很高的信心,而且不需要进行全面测试就可以更容易地确认其背后的原理。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计划工作,那么他们可能会担心他们对裂变炸弹的更深入理解是错误的。但是,如果他们认为这只是一个组装问题——内爆设计的独特之处——那么他们可能仍然对枪式布局充满信心。

但政策制定者和军方高层可能会少很多信心。除了格罗夫斯,其他军事领导人都对炸弹没有深刻的了解,一些人在三一事件之前就对它的前景表示极度悲观。三一集团的失败将强化这些观点。有可能他们认为整个项目还没有准备好,所以取消了任何使用计划,直到他们确信不会造成尴尬。

如前所述,三位一体的失败可能意味着他们的钚弹能力将受到极大的延迟。我认为他们仍然希望尽快使用铀弹。但他们知道,在一段时间内,他们将无法继续进行更多的攻击。也许他们会试图虚张声势,或者他们可能会这样做我不知道他们会用多少方式来破坏,我不知道。但是我认为他们会认为情况很不一样。

1945年7月17日,斯大林、杜鲁门和丘吉尔在波茨坦会议上。来源:杜鲁门总统图书馆

这会有什么政治影响?杜鲁门非常激动地收到了三位一体试验成功的消息,这大大增强了他对战争结束的信心。我怀疑这不会因为5千吨的结果而改变,但如果是500吨的结果,这一点可能会降低。如果完全失败的话在诱惑下,我认为会发生相反的情况:他可能会对与苏联打交道以及日本无条件投降的前景感到更加沮丧。

那么,如果是这样的话,他会做些什么不同的事情呢?我可以看到他改变方法的两个地方是他与斯大林的交往,以及无条件投降和波茨坦宣言的问题。

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,杜鲁门的内阁成员和军事人员试图在盟军对日宣言中加入一句话来阐明天皇的立场。他们从截获的日本人的通讯中知道,即使是那些有意结束战争的日本最高指挥部成员,这也是一个症结所在。但是杜鲁门在他的国务卿詹姆斯·伯恩斯的推动下,在这一点上进行了强硬的反击,并故意在这方面没有让日本“更容易”地解决问题。人们可以争论这样做是否正确(这是另一个问题),但如果他没有从三一学院得到积极的消息,他还会对日本采取如此强硬的立场吗?我再次表示怀疑——他会对自己的立场不那么确定,可能会听从那些告诫他要温和的人。

他们还会按原计划使用小男孩炸弹吗,就在邮政会议结束后投放?我认为这取决于他们认为三位一体试验失败的本质是什么——如果是内爆装置的特殊原因,那么我认为他们会继续按计划进行。如果是什么让他们产生了更根本的怀疑,那么我他们可能会等到那些怀疑被解决。然而,我不认为他们关于原子弹的信息会受到重大影响;杜鲁门在广岛发表的声明基本上是“一颗原子弹”的声明(我不确定他是否意识到不久之后还会有更多的炸弹)。

战争的结果

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。

日本投降的原因有很多重叠的因素,我们并不总是清楚每个因素的重要性。轰炸广岛,苏联宣战和入侵满洲,长崎的轰炸,美国拒绝有条件投降,初级日本军官发动了政变,强化常规轰炸所有发生在不到一个星期的空间。如果我们想象一下,名单上唯一缺少的是长崎,这有什么关系吗?或者,如果长崎使用了破坏力小得多的原子弹,这有什么关系吗?

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)三位一体的云).右图是我在2019年夏天在白沙导弹靶场外拍摄的一张照片——不是完全相同的有利位置(我怀疑原始照片是在一个高高的山脊上或从飞机上拍摄的),但非常接近。源(左):洛斯阿拉莫斯国家实验室,TR-239。

虽然很难理清这些问题,但对长崎的轰炸显然比其他因素给日本指挥部留下的印象要少。这可能加强了绝望的感觉,导致投降,但并不清楚这对他们是否有必要。日本人似乎并没有认真怀疑过美国只有一颗原子弹,而且无论如何,其他因素——比如苏联的入侵——显然在很大程度上影响了他们的想法。

因此,即使没有Trinity的成功,战争也会在结束的时候结束,这并不是不可信的。尽管如此,日本投降的决定丝毫没有过于坚决。如果日本人不在8月10日前提出某种投降,那又怎么样?他们是在第二个三位一体测试之前提供的,还是在第二个枪式炸弹准备好之前提供的?在这里,我们最终陷入了投机的野草中,超出了我们可以非常自信地知道的范围。或者换一种说法,这就是你对战争结束的先入之见占主导地位的地方:如果你是一个“炸弹做到了”的人,那么你会喜欢那种解释,如果你是一个“苏联做到了”的人,你会喜欢那种解释。虽然我倾向于那些认为长崎没有那么重要的解释,但我对此持观望态度,所以我认为这场战争的结束时间与它的结束时间差不多。这是一个与“如果”不同的问题没有日本被投下了原子弹,“这一点更具争议。

如果是这样的话,那么三位一体测试对于这一特定目的就不那么重要了,尽管那些外交决定可能会产生长期的后果。但有一点是明确的:如果三位一体失败了,我们会从另一个角度来谈曼哈顿项目。这似乎不是“不可避免”的“曼哈顿计划”会成功,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,”至少从一开始就提出的反事实标准来看:如果失败了,我们最终会生活在一个不同的世界。有趣的问题是,这个不同的世界会比现在生活的世界更好还是更糟,这一点令人惊讶地不清楚。

  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中发现了一份文件,其中奥本海默向杜鲁门总统表达了他对“十字路口行动”测试的保留意见。这句话似乎很有意义:“即使所有部件都能正常工作,计划在这些试验中使用的炸弹仍有大约十五分之一的几率发生无效爆炸,这可能被称为哑弹。炸弹的设计没有这种弱点,但计划不使用它们。”十字路口炸弹的型号与长崎和三一设计相同。J.Robert Oppenheimer to Harry S.Truman(1946年5月3日),乔治华盛顿大学数字国家安全档案馆,文件NP00024[]
  3. 到1944年5月,曼哈顿项目的指令是至少1000吨TNT当量的武器。威廉·帕森斯致莱斯利·格罗夫斯(1944年5月19日),曼哈顿工程师区通信(“绝密”),1942-1946年,缩微胶片出版物M1109(华盛顿特区:国家档案馆和记录管理局,1980年),第1卷,目标6,文件夹5,“第一颗原子弹在广岛和长崎投下前后的事件”,第5F子文件,“帕森斯上尉的备忘录”[]
  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,“在曼哈顿工程师区通信(“绝密”),1942-1946年,缩微胶片出版物M1109(华盛顿特区:国家档案和记录管理局,1980年),第1卷,目标6,文件夹5D,“目标选择”[]
  5. 爆炸伤害以立方根的形式扩展(以能量的幂的形式)W1/3,在那里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。[]

14对“如果Trinity测试失败怎么办?”

  1. 维南密码 说:

    一如既往的精彩帖子,Alex。除了战争的结束,想想美国(和苏联)的武库在彻底的三位一体失败后可能会采取的不同路径也是很有趣的。据我所知,枪炮炸弹的尺寸和产量都有限制——你只能制造这么小的炸弹。另一方面,钚内爆弹开辟了小型化弹头的道路,可以由洲际弹道导弹运载,也可以作为热核武器的基础。我想知道,在代价高昂、令人尴尬的“三位一体”试验“彻底失败”之后,美国陆军部是否还想继续研究钚内爆,而宁愿建立一个可靠的枪支类武器军火库?只能由大型飞机交付,而不能无限期地增加产量,它们可能会成为“另一颗炸弹”,给世界历史带来可怕的后果。

    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。

    • 我认为他们肯定会继续内爆工作——他们肯定对其长期可能性进行了投资。正如你所指出的,他们相信(在1945年5月底)这种火炮的收益会相当固定,内爆开始时不会太大,但最终会变得更好(他们看到,如果你做得好,你可以获得数十万吨的收益)。他们已经在考虑热核武器及其可怕的可能性(这碰巧开始被计划为枪支类型的“初级”,因为它简化了许多物理学,不要想象你的炸弹被一堆烈性炸药包围)。所以我认为发展道路不会如此不变,尽管政府对原子工作的热情可能会被抑制,如果它不是被视为如此具有革命性和决定性。(即便如此,1946年的大部分时间里,当他们试图制定政策时,他们还是让原子工作基本上停滞了。)

      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. 凯利2 说:

    我认为消散的蘑菇云照片是从山西北部的马AAF跑道在白沙-

    33°50”37.68 N
    106°42”8.09 W

  3. 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“出人意料地不清楚”的结论,我认为这是对的。我的解读并不全面,但已经足够严肃,我认为1945年7月全球形势的流动性很高。

  5. 埃德温·科利(Edwin Corley)在1984年写了《耶稣因素》(The Jesus Factor)一书,其前提是“三一”试验有效,但从飞机上投下的炸弹无效。所以为了结束对日本的战争,他们在空中引爆了一个巨大的闪光灯,随后又发射了大规模的燃烧弹。(并非如此难以置信,因为类似的袭击已经在一夜之间将东京夷为平地。)然后他们仅仅声称使用了原子弹,指望战争的迷雾和相互竞争的宣传来掩盖真相。

    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,基本观点一点也不可信。一件武器没有理由因为它在运动就失效。但一旦你承认了这个前提,政治,军事姿态,绝望的秘密研究,都是完全可信的。当然,从很多方面来说,这都是一本过时的书,但对于那些喜欢历史假设的人来说,这是非常有趣的。这是你和朋友喝七杯啤酒时可能会想到的阴谋故事。

  6. 阿什·乔加莱卡 说:

    伟大的文章。核弹被认为是战术武器的可能性有多大?如果它的当量为5kt或更低,那么它的使用障碍会降低到危险的程度吗?

    • 关于战术武器的讨论在广岛事件发生后不久就开始了;我认为,如果他们拥有的武器少于1000吨,那就很容易做到。问题是谈话是否会更早开始——例如,他们是否会认为胖子炸弹和小男孩炸弹是不同类型的目标,而不是双方都认为它们本质上是相同的。如果是这样的话,我想他们也不会不可能进行这样的对话,科学家们认为他们的第一批胖子会有那么大的规模。

  7. 艾伦·汤姆森 说:

    你有没有发现任何迹象表明钚的可压缩性(又名“状态方程”)在三一之前是一个重要的不确定性?

    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地说暗示这是一个不确定的领域,但这类东西往往会被大量编辑。不过他们确实让哈佛大学的珀西·布里奇曼实验室进行钚压缩研究。

      • 艾伦·汤姆森 说:

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

        • 是的,他是一位金属可压缩性专家,1946年因在该领域的长期工作而获得诺贝尔奖。当时他是奥本海默的本科生导师。据我所知,他在钚方面的战时工作仍然是保密的,只是在各种报告中有所暗示。

  8. 迈克尔·丹尼斯 说:

    战争学院的教学策略让我认识到反事实的教学力量,所以我觉得这很有趣。还有,非常感谢你还记得斯坦利关于U235和Pu239混合炸弹的观点。我不确定他是否真的明确了这一点,但我记得他对此进行了详细的阐述。谢谢你这么贴心的帖子。

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