袁岚峰:于敏与氢弹(三)何祚庥谈于敏如何研究氢弹 | 2019-03-05

2019年3月5日15:37:28 发表评论
导读

于敏的老同事、老朋友何祚庥写道:“从我来看,我认为于敏是当之无愧的中国氢弹构型的最主要的发明者。回顾那一时期所做各项工作,可以说,在氢弹的预先研究过程中,几乎所有的难点的解决都出自于敏的贡献,而我仅是站在一旁的积极的促进者!”

前四篇请参见:

纪念于敏之前,当你拥有氢弹,你就真的可以改变世界|2019-03-03

http://hanfeng1918.com/baijia/3596.html

 

于敏与氢弹(一)氢弹的科学原理 | 袁岚峰

http://hanfeng1918.com/baijia/2400.html

在前两期中,我们解释了氢弹的科学原理、工程重点以及美国、苏联造出氢弹的过程。在了解这些背景之后,我们终于可以正面阐述于敏的工作了。

赞颂于敏成就的文章,大家很可能已经看过了很多。不过其中绝大多数都只是告诉你,于敏做了这个做了那个,但对这个那个的细节没有解释,所以大多数读者的印象,恐怕只是“不明觉厉”,看再多也看不出个门道。然而,有一篇文章,却完全打破了常规,描述了极其丰富的于敏工作的细节,信息量大得惊人。

这篇文章之所以这么独特,是因为它的作者是于敏的老同事和老朋友、著名的理论物理学家何祚庥院士。于敏生于1926年,何祚庥生于1927年,他们从青年时代开始就参与了中国的核武器工程,隐姓埋名艰苦奋斗多年,做出了重要的贡献。

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何祚庥

2015年1月9日,于敏获得2014年度国家最高科学技术奖。为此,《现代物理知识》杂志在2015年2月2日采访了何祚庥,请他谈谈于敏的工作和学风。何祚庥欣然长谈,全文长达两万多字,可以在他的科学网博客见到(http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=43021&do=blog&id=878951)。

此文的风格跟绝大多数关于于敏的文章完全不同,非常幽默风趣,同时又充满了技术性干货,而且直话直说,坦率程度也十分惊人,不愧是老同事老朋友的回忆。总而言之,对专业人士来说,这正是最好看的那种类型。当然,前提是你能看懂他在说什么,而这一点对绝大多数读者构成了最大的障碍。

因此,下面我就来把此文“翻译”成普通读者容易理解的故事。什么故事呢?于敏与何祚庥等人如何像勇闯黄道十二宫似的一关关地打上去,从对氢弹所知甚少,到揭示出氢弹的秘密。

在开始描述这个故事之前,何祚庥首先对中国的核武器研发,给出了一个总的框架性描述。

记者问:中国的核武器是自己研发出来,还是苏联人给我们或自美国人那里“偷”来的?

一般人想到的回答,可能只有一句:当然是自己研发出来的。但何祚庥讲的,远远比这丰富。

苏联人认为中国的原子弹是他们给我们的。实际情况是,他们只是给了我们原子弹的一个教学模型的框图。本来赫鲁晓夫承诺给我们一个样品,后来反悔取消了。但中国人根据这个教学模型的框图,自己摸索、探索,掌握了原子弹的全部机理,最后独立研制成功了内爆式的以U-235为燃料的原子弹。

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中国第一颗原子弹爆炸

至于氢弹,那完全是中国人自己摸索出来的。有一位俄罗斯科学家,在和中国学者谈及往事的时候,直截了当地承认了这一事实。有不少美国人,特别是美国议员,老是怀疑中国人“偷”了他们的“秘密”。朱镕基总理曾经向这些人说:“你们的‘怀疑’,至少是犯了两个错误。第一,你们过低地估计了中国科技界创新的能力。第二,你们也过低地估计了你们的强有力的保密制度的能力。我们虽然也想‘偷’,问题是,你们的保密能力太强!我们‘偷’不着!”

但是,我们也需要注意,中国研发氢弹,是以美国、苏联的成功为前提的。何祚庥和于敏私下曾多次交换过意见,如果没有美苏的成功范例在先,那我们也绝对不会敢于“闯”这个重大难关的。原因是,如果遭到了失败,如果浪费了大量的钱,怎么向国人交代?在这个意义上,我们不能对中国人的创新能力做过高的估计!当时的中国科技界,其实还没有学会独立自主地开拓原始性创新。

我对何祚庥的这个观点完全赞同,这里还可以稍稍再解读一下。我经常强调,原创和追赶有本质的区别

请问,原子弹最大的秘密是什么?其实就是一句话:“原子弹可以被制造出来。”只要知道这一句话,你就已经获得了最关键的信息。因为只要知道这一点,你就有了必胜的信心,知道肯定存在可行的技术路线,所有的困难都是可以解决的,唯一的问题就是把这个技术路线找出来。

我们的宣传经常说,其他国家造出原子弹用了多少年,我们只用了多少年,其他国家从原子弹到氢弹用了多少年,我们只用了多少年。时间比别人缩短了,当然很好。但是这个比较本身就是不公平的,因为第一个探路的难度远远大于后面跟着走的。

如果一个外星文明发现了地球,他们会问,哪个国家花了多少时间造出核武器吗?恐怕不会。他们首先关心的应该是:地球人有没有造出核武器?

所以,我们应该转换思维方式,更多地要以花别人2倍的钱办到别人1.5倍的事而自豪,而不是以花别人10%的钱办到别人20%的事而自豪。我们现在完全有条件、有能力去原创,我们应该明确地去追求原创!

说完了这些思考,让我们回到何祚庥的论述。

何祚庥说,他和于敏等人研发氢弹的过程,是中国人“第一次”从“第一原理”出发,独立而完整地建立和开发了氢弹的理论、技术,直到建立和实现中国自己的核打击力量。

许多人可能要问,“第一原理”是什么?我来解读一下。这个词在我的学科“理论与计算化学”中是个常用词,英文是first principles,中文也经常叫做“第一性原理”,意思是不依赖于参数的基本理论。

当我们学科的工作者说从第一原理出发计算了某种物质的某种性质的时候,意思是:我们只需要知道这种物质的化学组成,比如说食盐是氯化钠,石英是二氧化硅,然后这就够了,我们就能定量地预测它的每一个原子位于什么位置,预测它的密度、硬度、电导率、磁化率等等性质,不需要实验提供任何参数。

NaCl晶体结构

当然,预测的准确度有多高是另一个问题。如果预测不准,往往是因为在计算过程中引入了一些近似,为了节约计算量。但无论如何,在原则上这些计算都是可以做的,这就是“第一原理”的意义。

如果你不知道“第一原理”,你就只能搞一堆经验公式,知其然而不知其所以然。换个条件会变成什么样,你心里完全没底。像这样就只能抄作业,想自己做些改进都困难重重,更不用说开发新的东西了。举个例子,一些富裕的石油国家买了很多先进武器,但你什么时候见过他们开发一种新的武器?

何祚庥说,正因为这次研发是从“第一原理”出发的,所以中国人不仅能研发出原子弹、氢弹,还能在核武器领域独立而持续地发展,进一步又研发出中子弹等其它具备多种功能的核弹,还实现了核武器的轻型化、小型化。这就是“第一原理”的基础作用。

然后记者问了何祚庥一个很常见的问题:为什么中国人在原子弹爆炸后两年零八个月便爆炸了氢弹?而其它国家往往在5~8年后才爆炸了第一枚氢弹?

一般人对此的回答,可能只是赞扬一番中国人民。何祚庥的回答却是:中国对氢弹的研究并不是在1964年10月爆炸第一颗原子弹之后才开始的,预先研究从1960年12月就决策上马了,也就是说提前了近四年。

实际上,何祚庥在此文中记述的他和于敏合作研发氢弹的历程,就是这段预研的经历。1964年10月以后,两人就由于工作调动分开了,于敏研究氢弹,何祚庥参加基本粒子的理论研究。根据其他一些纪念于敏的文章(例如应阳君、蓝可、李华 从理论物理到工程物理——于敏先生的学术生涯与杰出贡献 | 中科院物理所),中国完全突破氢弹原理是在1965年,里程碑是当年10月于敏做的报告“氢弹原理设想”。但根据何祚庥此文,在预研期间,于敏等人就已经解决了大部分问题。

因此,何祚庥指出,现在流行的宣传说,中国人“仅在两年零八个月时间内,独立自主的研发出氢弹”,这样的宣传并不符合客观事实,而且背离科学认识论的规律。中国人的头脑并不笨,但也决不会特别聪明。我们千万不要把话说过头。

中国的氢弹预研能够成功,一个重要原因是:及早将于敏这样“大师”级的研究人员请来。请注意,大师级是何祚庥的原文。虽然于敏当时只有34岁,但已经是大师级的研究者了!

于敏是著名物理学家张宗燧先生(1915-1969)的研究生。毕业后,张宗燧为于敏写了封强烈的推荐信,然后他在近代物理研究所任助理研究员。在年青人中,于敏一直以业务能力特强而著名。

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张宗燧

你觉得这是好事吗?结果是,在那一时期,于敏便成为“专而不红”的一面“旗帜”。顺便说一句,1969年,张宗燧因受极左路线的迫害而服安眠药自杀,年仅54岁。

1958年8月1日,于敏从原子能所一部调到二部。在1960年原子能所二部的“红专大辩论”和“拔白旗”的运动中,于敏成为白专道路的一面旗帜而被“打倒”!

无论如何,当于敏这位经常被打倒的大师被调到氢弹的预研项目之后,立刻就做出了一个重要的贡献。于敏的座右铭是诸葛亮的名言:“淡泊以明志,宁静而致远。”所以年青朋友们经常笑他“以诸葛亮自居”。但这位诸葛亮一出山,立刻就打响了一出“火烧博望坡”!

具体而言,于敏解决的是这样一个问题:中国要不要生产氚?

我们来注释一下,氢弹既然叫做氢弹,里边当然会用到氢的同位素。最常见的氢原子核只有一个质子,而同位素氘包含一个质子和一个中子,符号是D,同位素氚包含一个质子和两个中子,符号是T。

那么,这些同位素发生聚变的难易程度如何呢?氢弹预研组通过调研“发现”,氘氚的反应截面(reaction cross section)很大,比氘氘高出几十倍。而氚氚的反应截面更高,是氘氚的3倍。

你可能要问了:反应截面是什么?

简短的回答是,你可以把反应截面理解为拦截的面积。设想有一个粒子A静止不动,另一个粒子B向着A过来。这时A张开一把伞。B如果撞到这把伞上,两个粒子就会发生反应。如果B没有撞到这把伞上,两个粒子就不会反应。这把伞的面积,就叫做反应截面。显然,这把伞的面积越大,反应就越容易发生。

反应截面

因此,涉及氚的反应截面很大,意味着用氚就很容易发生聚变。那么,氚是不是氢弹的必需品?中国是不是应该部署生产氚?

但是,中国当时的科研经费极为紧张。而氚,在那一时期,简直是比大熊猫还要难得的珍稀动物!中国连做一个实验用的氚靶,都做不出来!既拿不出钱来制造一台有氚束的加速器,也不知道如何大量生产氚。所以,如果氚是氢弹的必需品,中国立刻就被挤进了死胡同。

那么,于敏干了什么呢?于敏证明了他们搜集的数据肯定是错的,氚氚的反应截面不可能有这么大!

让我们定量地说明一下。反应截面经常以“巴”为单位,1巴等于10的-28次方平方米,也就是说等于一个边长为10的-14次方米的正方形的面积,这个长度是核反应常见的距离尺度。氢弹预研组从一本美国的权威杂志《现代物理评论》上查到,氚氚反应截面高达15巴。

但是于敏注意到,有一个公式叫做Breit-Wigner公式,它可以通过两个粒子的共振能量来计算它们反应截面的上限。这个公式的形式如下:

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Breit-Wigner公式

利用Breit-Wigner公式,于敏证明了,所有轻核反应的截面都不可能超过5巴。而所谓氚氚反应截面高达15巴的数据,一定是错的

这就避免了一次“大浪费”!于敏避免了中国的氢弹研究走上一条歧路,节约了宝贵的资金和时间。

既然不需要生产氚,那么氢弹应该用什么材料制造呢?下一个选择,必定是氘化锂。也就是把氢化锂中的氢原子换成同位素氘,化学式是LiD。

用氘化锂的好处,首先在于它在常温下是固体,这就不需要像前面说的人类第一颗氢弹“常春藤麦克”那样,带着巨大的冷却装置了。如果用液态氢做氢弹,就少不了冷却装置,所以无法用于实战。

然后,氘化锂中不仅氘是聚变材料,锂也可能成为聚变材料,例如中子和Li-6反应形成氚。这就是为什么要用氘化锂,而不是氘化钠、氘化钾等等。

那么,最简单的设想就是:能否在原子弹外面加上一个氘化锂的球壳,用原子弹产生的高温,直接点燃氘化锂的热核反应?

但是,他们的理论研究发现,原子弹爆炸传给氘化锂的热量会迅速被电子和光子分走,导致氘化锂发生不了聚变。甚至,即使在氘化锂中掺入一部分氚化锂,都无法点燃。这就完全粉碎了最初的期望!

那么,出路何在?

下一个想法是,如果引入更多的核反应,把新释放的能量转移或集中在氘化锂的等离子体里,也许可以使氘化锂里积累的热量大过损失的热量,从而维持一个链式反应,形成大爆炸。

具体地说,例如这样一个循环:裂变中子→被锂6吸收形成氚→由氘氚反应释放出14.1 MeV中子(MeV表示百万电子伏特,电子伏特是一个能量单位)→14.1 MeV中子轰击到重核元素,如铀238→产生4.5个裂变中子。这其实就是当今受控热核反应界热衷研究的“聚变裂变混合堆”,就是由聚变和裂变共同组成链式反应。看起来,这就像是前面说的三相弹的原理。

那么,怎么知道这个设想是否可行呢?

要判断一个理论模型对不对,不应该一上来就去做耗费巨大的实验,那样你有多少钱都不够烧的。你应该先做数值模拟,把模拟结果当做一种数值实验,看看模型是否抓住了其中的基本物理。那么,为什么中国研究者可以做数值模拟,那些富裕的石油国家做不了呢?这就回到前面说的了,因为中国研究者知道“第一原理”。

但是,这个链式反应机制的计算量非常大,需要求解某个有一定结构下的中子输运方程和辐射流体力学的联立方程。当时,在我们极其有限的计算机条件下,相当难以解决。

这时,于敏立即说,先研究一个理想模型

于敏建议完全略去介质的运动,先构造一个静态的无限大的中子增殖的模型,专门计算中子的增殖速度,同时也就给出升温速度。这就可以略去求解辐射流体力学方程带来的巨大麻烦,大大节省了计算量。

对这个理想模型的数值模拟,看起来很有希望。那么,下一步就是建立一个接近真实的模型。为了设计一个真正可以作战的氢弹,必须研究和推导出描述氢弹升温、点火以及爆炸过程的动力学方程。

下面是何祚庥的一段原文:

“当时,我曾和于敏共同从事这一重大理论问题的探讨。但很抱歉,我的理论物理的水平太低了。可以说,在演算过程中所遇到的各种难点,包括积分方程的求解,都是于敏一人完成的!我只能是一位‘高水平’的旁观者、见证者、欣赏者兼赞扬者!”

我们现在看到何祚庥说“我的理论物理的水平太低了”,实在不禁哈哈大笑,也不禁对他的诚恳与谦虚深感敬意。这正是科学家的本色,有一说一,光风霁月。

再来看何祚庥的一段原文:

“于敏和我又设法……计算出所需的热传导系数。……我直接负责这方面的研究。但在碰到难以克服的难题时,就找于敏请教和讨论。而于敏总是能找出一些巧妙的简化问题的方法,给出回答。有一次,我遇到等离子体态内存在多个能级均有贡献,但不知如何相加的困难。而到了于敏那里,他立即用‘求和规则’,求出一个简单的可信的结果,从而大大节省了计算的工作量!”

好吧,感觉于敏就像哆啦A梦!你有什么问题去找他,他总是立即掏出个解决办法……

何祚庥又说道:“我和庆承瑞曾给出一个测量中微子质量时检验其测量精度的一个求和规则。而这一方法的运用,其实是学自于敏。”

我们注释一下,庆承瑞就是何祚庥夫人,她和何祚庥都是中国科学院理论物理研究所研究员。许多人直接用了别人的东西都不提,而何祚庥间接借鉴了于敏的思想都致谢,看看人和人之间的风度差别有多大!

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庆承瑞与何祚庥

在有了氢弹点燃和爆炸机理和运动方程式后,于敏与何祚庥等人就开始尝试设计各种可能的几何结构,试图求解氢弹满足的运动方程式。也就是说,他们推进到了下一步,即实际设计构型。

他们猜测了几种可能的构型,却屡战屡败!袁岚峰:于敏与氢弹(三)何祚庥谈于敏如何研究氢弹 | 2019-03-05

为什么呢?

有了运动方程式,并不等于认识到由运动方程式所描述的爆炸的机理。用物理学家的“行话”来说,就是要从已有的方程式中找出隐藏在方程后面的“新物理”。

这时,于敏又提出了一个关键的主意。他建议,用一维模型探究隐藏在运动方程式后面的新物理。也就是说,先去研究一维的情况,也许会对三维的情况提供启发。

何祚庥在这里写道:

“这其实是理论物理学家们深入研究复杂运动的‘本质’时,最常用的研究方法。不过,水平甚低的何祚庥,却不知如何具体运用这一方法。”

好嘛,“水平甚低的何祚庥”又来了!再次令人哈哈大笑,以及深感钦佩。

但即使是一维的模型,这些方程也非常难解。怎么办呢?

于敏又出主意了。有一个研究领域叫做“常微分方程的定性理论”,也就是说,不需要精确解出方程,通过一些定性分析就能知道方程解的很多重要性质。

经过这样的学习和研究,他们对氢弹的爆炸机理,有了比较深入的了解。为什么一个发散的爆震波会使等离子体中的热量由递增而递减?而一个向心的爆震波却能使等离子体内的温度不断上升从而诱发大爆炸?如此等等。

现在,只剩下一个大问题:对这个设想中的氢弹,外来的向内的压缩波将从何而来?

这时,黄祖洽忽发奇想。

黄祖洽是谁?黄祖洽(1924-2014)是氢弹理论组的组长,也就是于敏和何祚庥的顶头上司。在23位两弹一星元勋的名单里没有黄祖洽,这不是因为他的贡献不够,而是因为他发现文革造成了严重的人才断层,1980年到北京师范大学当了教授,教书育人去了。经常有人问他对没有被评为元勋是否感到遗憾,他的回答是:“不是因为可以当功臣,我才去做这件事。它是国家的需要,也是我个人的兴趣。”

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黄祖洽

2004年黄祖洽80岁生日时,100人出席祝寿,其中院士就有50多人。黄祖洽与西南联大时的同学李政道手拉着手,两人笑着走进了庆祝会场。紧随其后的是杨振宁学长。(http://zqb.cyol.com/content/2004-10/10/content_962692.htm)杨振宁说:“老黄会对自己在中华民族确立世界地位中的贡献,感到骄傲与欣慰。”李政道说:“黄祖洽对原子弹和氢弹的研究都有极重要的、历史性的贡献。”

2014年9月7日,黄祖洽去世,享年90岁,习近平闻讯后立即表示深切悼念。《新闻联播》的报道中把他称为:“两弹一星”杰出贡献者。

让我们回到何祚庥的文章。黄祖洽提出的设想是:我们是否可以用大量的U-235,比如1吨重的U-235做成一个大壳子,在里面(而不是外面)放上大量的氘化锂?这一特制的原子弹会产生向心的压缩波,也许能点燃里面的氘化锂?

于敏和何祚庥都说“好”!当他们用计算机算出这个设计的爆炸当量时,发现竟然高达几千万吨!也就是说,他们在“纸上”做出了一个氢弹!

不过一吨U-235相当于30枚原子弹的用量,这是无法实现的。因此,剩下的关键问题仍然是:巨大的向内压缩的压力从哪里来?

请看何祚庥的原文:

“在那一时期,我们未能获得真正解答。不过,我们确曾注意到,原子弹爆炸后首先放出的是强射线,其总量约占总能量的6%。所以,一个2万吨级的原子弹首先放出约等于一千二百吨TNT当量的射线!果能设法将这一巨大的射线能量投射到某个铀238外壳,也许如此巨大的当量的‘炸药’可以将氢弹压缩成为一个超超临界的小球,从而诱发链式反应式的爆炸。”

大家还记得在第二期中对泰勒-乌拉姆构型的猜测吗?把原子弹放出的X射线的能量回收变成热能,也许就可以引发聚变。他们终于找到了这个关键!

不计其数的演算,换来一瞬间爆发的绚烂。1967年6月17日,中国成功爆炸第一颗氢弹。当全国上下为此沸腾欢呼时,黄祖洽却显得十分平静:“搞理论的人,觉得理论上应该是可以成功的。”正因为有了前期一百二十分严谨踏实的准备工作,才会有一百分的“意料之中”。(http://news.ifeng.com/a/20140909/41913447_0.shtml

袁岚峰:于敏与氢弹(三)何祚庥谈于敏如何研究氢弹 | 2019-03-05

中国第一颗氢弹爆炸

后面,何祚庥写道:

“时光如驶,现在已过了50年的保密期。回顾这里研究所得结果,均已在国外公开发表,或写成科学论文,甚而已写成一本本的专著。”

所以担心我“开门查水表”的同学们,大可不必杞人忧天。再次强调,我家用上5G技术了,水表自动上报读数,不需要开门!

袁岚峰:于敏与氢弹(三)何祚庥谈于敏如何研究氢弹 | 2019-03-05

开门,查水表!

后来,发生过一场氢弹理论发明权的争论。何祚庥向邓稼先详细介绍了于敏在原子能研究所做的全部工作。

袁岚峰:于敏与氢弹(三)何祚庥谈于敏如何研究氢弹 | 2019-03-05

邓稼先

何祚庥写道:

“从我来看,我认为于敏是当之无愧的中国氢弹构型的最主要的发明者

回顾那一时期所做各项工作,可以说,在氢弹的预先研究过程中,几乎所有的难点的解决都出自于敏的贡献,而我仅是站在一旁的积极的促进者!”

然后,还有一个经典的问题是:于敏是不是中国的“氢弹之父”?

何祚庥的回答是:

“于敏曾多次否认他是中国的‘氢弹之父’。因为氢弹的研究,包括氢弹的预先研究,的确是很多人集体研究的结果。……

那么,于敏做贡献‘何在’?也许我们可以打一个‘比喻’。一个由11人组成的‘足球队’,在场上踢球,互相将足球传来传去。但起关键作用的人员,却往往是,场外教练和冲在前面的举足射门的前锋。于敏正是这支足球队的教练兼中锋。至于我,虽然也忝在前锋之列,但我这位‘边锋’,虽然也曾多次和于敏并肩作战,相互配合传球,但到了关键时刻,‘临门一脚’,‘应场入网’的却总是于敏院士。至于我,最多只能将足球踢到能由于敏‘举足破门’的最佳位置。

所以,从我来看,将中国的氢弹称之为于敏构型,是完全准确而恰当的。”

最后,记者问何祚庥:在工作中,您和于敏先生有过分歧吗?您是如何看待这些分歧的?

何祚庥回答:

“在工作中我和于敏当然有过分歧,于敏不可能什么都正确,我和他在个性上都会坚持自己的意见,常会互相指责对方不对,有时争论急了,相互指责对方为‘狗屁不通’。但第二天一大早,又相互找对方又继续讨论研究,找出解决分歧的方法。因为我们两人都是一心做研究,一心求真理,彼此都会坚持真理,彼此也都会在真理面前而妥协。现在回忆起来,仍然认为,那段岁月,是我们的科学生涯中,最为愉快的一次合作。”

人生有这样真正的朋友,真正的战友,是何等的幸运!让我们为前辈科学家们鼓掌!

我们介绍完了何祚庥这篇长文和奇文。大家是不是感到荡气回肠,受益匪浅?

下一期将是本系列最后一篇文章。现在,我们先出一个思考题,也就是本系列文章一开始就提出的问题:世界上是不是存在两种氢弹构型,即泰勒-乌拉姆构型和于敏构型,而且于敏构型优于泰勒-乌拉姆构型?

背景简介本文作者袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长,青年科学家社会责任联盟理事,中国无神论学会理事,安徽省科学技术协会常务委员,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。

致谢:感谢中国科学技术大学近代物理系王群教授在科学方面的指教。

责任编辑孙远

 

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