利奥·西拉德

1933 年 9 月的一个早上，伦敦南安普敦街与罗素广场的路口亮着红灯。一个三十五岁、刚从德国逃出来、没有工作的匈牙利物理学家站在路边，脑子里还是当天报上卢瑟福的那句话：想从原子嬗变里取得能源的人，都是在说空话。

绿灯亮了。据他晚年回忆，就在过马路的那几步里，他想到：如果能找到一种元素，吸收一个中子就放出两个中子，那么只要堆得够多，反应就能自己一代一代地传下去。

这个人叫利奥·西拉德。他后来说，自己一辈子最擅长的事，是比别人早几年看见要发生什么。

布达佩斯与柏林

西拉德 1898 年生于布达佩斯，父亲是土木工程师，全家原姓 Spitz，在他两岁时改成了匈牙利姓氏 Szilárd。他读的是工程，一战末被征入奥匈帝国炮兵，染上西班牙流感住进医院，据说所在的部队随后在前线伤亡惨重。

1919 年，匈牙利先后经历了革命与反革命，犹太出身的大学生处境日坏。他去了柏林，先进工业大学，很快转到柏林大学读物理。那几年柏林大学的讨论班上坐着爱因斯坦、普朗克、劳厄、能斯特，也坐着一个同样从布达佩斯来的年轻人——维格纳，从此成了他一生最亲近的朋友。

不用原子也能讲涨落

他的博士论文题目是劳厄给的，他做了一阵觉得没意思，自己换了一个：热力学涨落。

当时人们理解涨落，靠的是分子运动论——玻尔兹曼、爱因斯坦那一套，要先假设有原子在乱跑。西拉德证明，涨落服从的规律其实可以直接从唯象热力学里推出来，完全不必提原子。据他回忆，他先拿给爱因斯坦看，爱因斯坦起初说这不可能，听完推导后认可了；劳厄第二天也接受了。论文 1922 年通过，1925 年发表在《物理学杂志》上。

一个分子的发动机

1927 年他拿到柏林大学的讲师资格，交上去的论文两年后发表，题目很长：《论智能生物干预使热力学系统熵减少》。它要处理的正是麦克斯韦留下的那只「妖」。

西拉德把问题削到最简。一个与温度为 $T$ 的热源接触的容器里，只有一个分子。从中间插进一块隔板，看一眼分子在左边还是右边，然后让隔板当活塞，被这个分子推着等温膨胀回整个容器。每一轮能取出的功是

$$W = kT\ln 2$$

热全部来自单一热源，一点没浪费——如果这一切都不要代价，第二定律就被打破了。

西拉德的结论是：代价藏在「看一眼」里。他把测量写成两个物理量之间建立关联，证明若测量的两种结果分别伴随熵产生 $S_1$ 和 $S_2$，只要

$$e^{-S_1/k} + e^{-S_2/k} \le 1$$

第二定律就不会被违反；两种结果对称时，每次测量至少产生 $k\ln 2$ 的熵。那时离香农的信息论还有十九年，西拉德已经给「一个二选一的答案」标出了热力学价格。

代价到底落在哪一步，后来还有争论。1961 年兰道尔论证，真正躲不掉的耗散发生在擦除记忆的时候；1982 年本内特进一步指出测量本身原则上可以不耗散。今天的教科书多采用后一种说法，也仍有人质疑（经过与实验见本站「西拉德引擎」一页）；但把信息当作物理量、把一个分子的热机当作思考工具，是从西拉德这篇文章开始的。

发明家

在柏林那几年，西拉德的另一个身份是发明家。他与爱因斯坦合作设计了一种没有运动部件的吸收式冰箱——据说起因是爱因斯坦读到一则新闻，一家人被漏气的冰箱毒死。两人在多个国家申请了专利，美国专利 1930 年授权，其中一项由伊莱克斯公司买下，但这台机器始终没有量产。

他还在 1928、1929 年先后申请了直线加速器和回旋加速器的德国专利，也申请过电子显微镜的专利。这些专利都没变成实物；几年后，劳伦斯独立造出了回旋加速器。

红绿灯前

1933 年 1 月希特勒上台，西拉德比大多数同事都更早认定要出事。据他回忆，他在 1933 年 4 月初前后坐火车去了维也纳，车上还很空；第二天同一趟车就挤满了人，在边境被拦下盘查。到伦敦以后，他一面帮着组织救助流亡学者的机构，一面想下一步做什么。

然后就是那个红绿灯。关于这件事，最早、也是唯一的一手来源是西拉德本人晚年的口述，收在 1978 年出版的《利奥·西拉德：他自己的说法》里：他在南安普敦街路口停下等红灯，绿灯亮起、他走过马路时，想到了中子链式反应。确切日子他没说；史家通常据《泰晤士报》刊出卢瑟福演讲的日期，把它定在 9 月 12 日前后。

这个念头并非凭空而来。据他自己说，1932 年他读过威尔斯1914 年的小说《获得解放的世界》，书里写到人工放射性释放的能量被做成炸弹，把城市一座座炸毁。卢瑟福说那是空话，西拉德却从小说里记住了这种可能。

中子不带电，不受原子核电荷的排斥，这是它比 α 粒子强的地方。缺的是一种「吃一个吐两个」的元素。设第 $n$ 代有

$$N_n = N_0\,k^{\,n}$$

个中子，$k$ 是每次反应平均放出、并能引发下一次反应的中子数，那么 $k>1$ 就是爆炸，$k=1$ 就是一座稳稳燃烧的炉子。

1934 年他在英国就此提交专利申请，写进了临界质量的概念。他当时押的是铍，押错了。为了不让这项专利公开，他 1936 年把它转让给了英国海军部。

同年他和圣巴托罗缪医院的查默斯一起，发现了一种把放射性同位素从被中子轰击的靶物质里化学分离出来的办法（西拉德-查默斯效应），又用镭的 γ 射线从铍里打出了中子。

1939：世界正走向悲痛

1938 年初西拉德到了美国。一年后，哈恩与施特拉斯曼发现了铀裂变，迈特纳与弗里施给出了解释。缺的那种元素找到了——现在只剩一个问题：铀裂变时放不放出中子？

1939 年 3 月初，他在哥伦比亚大学借了实验室，与津恩一起做了这个实验。示波器上出现了闪光。他后来回忆：

那天夜里，我心里几乎毫不怀疑：世界正走向悲痛。

同一时期，费米一组与巴黎的约里奥一组也得出了同样的结论。西拉德极力劝说各方暂缓发表，费米起初不以为然，约里奥没有接受（详见约里奥页）。

那年夏天，西拉德担心德国会从比属刚果拿到铀矿，想请与比利时王室相熟的爱因斯坦写信提醒。他和维格纳开车去长岛找爱因斯坦，后来又和泰勒去了一趟。信由西拉德起草，爱因斯坦 8 月 2 日签名，10 月由经济学家萨克斯当面交给罗斯福，促成了铀顾问委员会。

石墨与第一座反应堆

1939 年到 1940 年，西拉德与费米合作，从测量铀-水系统中的中子增殖开始，一步步转向铀与石墨交错排列的「栅格」方案。西拉德坚持石墨必须把硼杂质除干净，并四处张罗高纯石墨和金属铀——德国人正是因为测到的石墨吸收偏大而放弃了石墨路线。两人为这个设计联名申请的「中子反应堆」专利，1944 年提交，1955 年才授权，那时费米已经去世。

1942 年他到芝加哥大学冶金实验室任首席物理学家。12 月 2 日，芝加哥一号堆实现了第一次自持链式反应。据他回忆，人群散去后他与费米握手，说这一天会成为人类历史上黑暗的一天。

请愿书

德国 1945 年 5 月投降，西拉德最初的理由——赶在纳粹之前——已经不在了。他想面见杜鲁门，被转去见即将就任国务卿的伯恩斯，5 月 28 日的会面没有结果。

6 月，他在弗兰克主持的委员会里参与写成《弗兰克报告》。7 月，他起草了一份给杜鲁门的请愿书，请总统在公布对日条件、且日本知道这些条件仍拒绝投降之前，不要动用原子弹。7 月 17 日的定稿有 70 人签名。请愿书经康普顿、尼科尔斯转到格罗夫斯手里，一直压到广岛和长崎之后，没有到达总统手中，直到 1961 年才解密。

战后他为原子能交由文官管理奔走，反对让军方主导的梅-约翰逊法案；最终通过的 1946 年《原子能法》把原子能交给了文官委员会。1962 年他创办「宜居世界委员会」，资助主张军备控制的国会候选人。1960 年他在纽约见了赫鲁晓夫。1961 年他出了一本讽刺小说集《海豚之声》，想象一群海豚替人类谈成了核裁军。

转向生物学

1946 年他受聘芝加哥大学，改做生物学。他和年轻的物理学家诺维克一起，从噬菌体课程学起，1950 年发明了「恒化器」：向培养瓶里以流量 $F$ 连续加新培养液、同速排出，瓶子体积为 $V$，细菌的生长率 $\mu$ 会自动锁定在

$$\mu = D = \frac{F}{V}$$

种群长期维持稳定。他们用它连续测量细菌的自发突变率，后来又观察到代谢的反馈抑制：产物积累到一定程度，会反过来关掉合成它的那条路。

莫诺在 1965 年的诺贝尔演讲里两次提到他：一次致谢诺维克与西拉德对反馈抑制的发现，一次说西拉德路过巴黎时在讨论班上提出，酶的诱导可能是「解除阻遏」而不是反过来——莫诺说，这番「敏锐的直觉」打消了他的疑虑。

最后几年

1960 年西拉德确诊膀胱癌。他研读了文献，自己设计了钴-60 放射治疗方案，并说服医生照着做，病情得到控制。1964 年他搬到加州拉霍亚，成为索尔克研究所的常驻研究员，5 月 30 日在睡梦中死于心脏病发作。

他一生很少在一个地方久留，长年住在旅馆里，行李随时收拾好。他的名字没有留在任何一条定律上，却留在了三件事的起点：信息有热力学代价，链式反应能释放原子能，以及造出这种能量的科学家对它要负什么责任。