揭秘《奧本海默》背后，諾蘭沒(méi)拍出來(lái)的故事
近日，由諾蘭自編自導(dǎo)的傳記電影《奧本海默》在全球上映，使這位被譽(yù)為“原子彈之父”的傳奇科學(xué)家再次進(jìn)入人們視野。不過(guò)，奧本海默的復(fù)雜人生經(jīng)歷，使大部分人忽視了他在研發(fā)原子彈之外的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，尤其是在天體物理學(xué)等領(lǐng)域的成果。今天，我們就聊聊奧本海默背后的故事。
一生為原子彈煎熬
奧本海默被稱為“美國(guó)的普羅米修斯”。1942年，他被任命為曼哈頓計(jì)劃的首席科學(xué)家，負(fù)責(zé)研制原子彈。在電影《奧本海默》中有這么一個(gè)細(xì)節(jié)：曼哈頓計(jì)劃的軍方負(fù)責(zé)人格羅夫斯曾詢問(wèn)奧本海默，原子彈消滅地球上所有生命的可能性有多大？奧本海默淡然回答：“這種概率近乎為零。”格羅夫斯反問(wèn)：“近乎為零？零就很好。”
電影《奧本海默》劇照
這種想法在今天看來(lái)近乎異想天開(kāi)，但事實(shí)上，關(guān)于原子彈可能引燃地球的擔(dān)憂，一直貫穿整個(gè)曼哈頓計(jì)劃的始終。
這是由于奧本海默在曼哈頓計(jì)劃中發(fā)現(xiàn)，在核裂變提供的極端高溫條件下，氫等輕原子可以聚合成更重的原子核，從而釋放更為龐大的能量。該發(fā)現(xiàn)后來(lái)促成了氫彈的研發(fā)。雖然大氣層中的氫含量極少，但引爆原子彈后的高溫可能會(huì)使水蒸氣中的氫原子分離出來(lái)，繼而引發(fā)大規(guī)模的連鎖核聚變。換句話說(shuō)，原子彈可能會(huì)把地球本身變成一個(gè)不斷膨脹的大火球。
1945年，奧本海默帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出世界上第一顆原子彈并成功完成試爆。當(dāng)巨大的蘑菇云升入新墨西哥州的天空時(shí)，奧本海默并未對(duì)沒(méi)有引燃地球而感到欣喜。他后來(lái)的形容是，當(dāng)時(shí)他想起了印度史詩(shī)《薄伽梵譚》中的一句話：“我現(xiàn)在成了死神，世界的毀滅者”。雖然后人引述這段話時(shí)，多為佐證奧本海默的反核立場(chǎng)，但據(jù)歷史學(xué)者引用部分現(xiàn)場(chǎng)旁觀者的說(shuō)法，奧本海默當(dāng)時(shí)脫口而出的其實(shí)是一句更俗套的話——“這東西管用”。
1個(gè)月后，美軍把原子彈投放到日本廣島和長(zhǎng)崎，結(jié)束了第二次世界大戰(zhàn)。此后，奧本海默再也沒(méi)有從事武器研究。
被遺忘的天體物理學(xué)成就
領(lǐng)導(dǎo)曼哈頓計(jì)劃之前的那段時(shí)間，是奧本海默學(xué)術(shù)生涯中的高光時(shí)期，尤其是在天體物理學(xué)等領(lǐng)域。想要了解奧本海默在天體物理學(xué)方面的貢獻(xiàn)，我們先回顧一些物理學(xué)知識(shí)。
一顆恒星主要由氫和氦等組成，恒星的巨大引力會(huì)導(dǎo)致這些物質(zhì)在恒星核心發(fā)生一系列核聚變反應(yīng)，并釋放能量。這些能量提供了恒星內(nèi)部巨大的向外輻射壓力，從而避免了恒星在巨大的引力條件下向內(nèi)坍縮，這個(gè)階段的平衡狀態(tài)便是天文學(xué)中所說(shuō)的主序星階段。
當(dāng)恒星內(nèi)部的核反應(yīng)達(dá)到極限時(shí)，耗盡燃料的恒星又要依靠什么力量來(lái)維持呢？根據(jù)泡利不相容原理，在費(fèi)米子組成的微觀世界里，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)，它們?cè)谝黄鸨厝幌嗷ヅ懦?。電子、質(zhì)子和中子都屬于費(fèi)米子，因此都要遵守泡利不相容原理。這種原理下，費(fèi)米子相互排斥的力量塑造了恒星在耗盡核反應(yīng)燃料后的命運(yùn)。
電影《奧本海默》劇照
印度裔美國(guó)物理學(xué)家錢(qián)德拉塞卡提出，常規(guī)的白矮星會(huì)利用電子的簡(jiǎn)并壓力來(lái)抵抗其巨大的自身引力，但如果白矮星的質(zhì)量超過(guò)了某個(gè)上限，電子就會(huì)受到擠壓而與原子核中的質(zhì)子結(jié)合，使得白矮星抵抗自身引力的努力失效，引發(fā)災(zāi)難性的坍縮。錢(qián)德拉塞卡在1930年計(jì)算出了白矮星的質(zhì)量上限，也就是“錢(qián)德拉塞卡極限”。對(duì)于典型的白矮星，“錢(qián)德拉塞卡極限”約為1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量。
奧本海默在1939年與沃爾科夫合作發(fā)表的論文中，提出了比白矮星更密集的穩(wěn)定解決方案——非旋轉(zhuǎn)的中子星模型。該模型利用廣義相對(duì)論和理想費(fèi)米氣體方程，證明了穩(wěn)定的非旋轉(zhuǎn)中子星存在質(zhì)量上限。后來(lái)，這個(gè)上限被稱為“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”。
不過(guò)，這篇論文只考慮了中子之間的簡(jiǎn)合壓，而忽視了熱壓與中子之間的強(qiáng)作用力，因此得到的質(zhì)量上限只有錯(cuò)誤的0.7倍太陽(yáng)質(zhì)量。而現(xiàn)代核物理學(xué)基本可以確定，“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”的值應(yīng)該超過(guò)2倍太陽(yáng)質(zhì)量。2017年，激光干涉引力波天文臺(tái)在1.3億光年之外的NGC4993星系首次探測(cè)到兩顆中子星的合并事件，那次觀察結(jié)果表明，中子星的“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”可以超過(guò)2.17倍太陽(yáng)質(zhì)量。
預(yù)言黑洞的存在
1939年，奧本海默同他的學(xué)生斯奈德合作發(fā)表了另一篇開(kāi)創(chuàng)性論文——《論持續(xù)的引力收縮》，將恒星的命運(yùn)推導(dǎo)到了極致。他們?cè)谶@篇論文中證明，質(zhì)量足夠大的恒星耗盡核燃料后，將在自身引力作用下持續(xù)收縮，并縮進(jìn)史瓦西半徑以內(nèi)。在史瓦西半徑處以及其內(nèi)，連光都無(wú)法逃脫，因此整個(gè)天體就成為一片黑。這樣的天體在后來(lái)被稱為“黑洞”。
1950年愛(ài)因斯坦與奧本海默相聚
該論文利用愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，不僅明確提出了黑洞的形成過(guò)程，還具體指出了一系列至今都沒(méi)有過(guò)時(shí)的黑洞特征。有趣的是，當(dāng)奧本海默在完成這篇廣義相對(duì)論框架內(nèi)的黑洞論文時(shí)，提出廣義相對(duì)論的愛(ài)因斯坦卻在尋求證明黑洞不可能存在。
3年后，奧本海默前往洛斯阿拉莫斯，在那里鞏固了他留給大眾的“原子彈之父”的形象。而在物理學(xué)家眼中，奧本海默一生中最重要的貢獻(xiàn)，則是他證明黑洞必然形成的研究。
楊振寧曾惋惜地評(píng)論道：“當(dāng)1967年他因患癌癥去世時(shí)，黑洞的存在在天體物理學(xué)中還沒(méi)有被大家普遍承認(rèn)。假如他再多活5年，黑洞就被大家承認(rèn)了?！边@便是該部電影導(dǎo)演諾蘭沒(méi)有講到的故事。
