近日，由諾蘭自編自導的傳記電影《奧本海默》在全球上映，使這位被譽為“原子彈之父”的傳奇科學家再次進入人們視野。不過，奧本海默的復雜人生經(jīng)歷，使大部分人忽視了他在研發(fā)原子彈之外的學術(shù)貢獻，尤其是在天體物理學等領(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“美國的普羅米修斯”。1942年，他被任命為曼哈頓計劃的首席科學家，負責研制原子彈。在電影《奧本海默》中有這么一個細節(jié)：曼哈頓計劃的軍方負責人格羅夫斯曾詢問奧本海默，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：“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近乎異想天開，但事實上，關(guān)于原子彈可能引燃地球的擔憂，一直貫穿整個曼哈頓計劃的始終。

這是由于奧本海默在曼哈頓計劃中發(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使水蒸氣中的氫原子分離出來，繼而引發(fā)大規(guī)模的連鎖核聚變。換句話說，原子彈可能會把地球本身變成一個不斷膨脹的大火球。

1945年，奧本海默帶領(lǐng)團隊研制出世界上第一顆原子彈并成功完成試爆。當巨大的蘑菇云升入新墨西哥州的天空時，奧本海默并未對沒有引燃地球而感到欣喜。他后來的形容是，當時他想起了印度史詩《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，多為佐證奧本海默的反核立場，但據(jù)歷史學者引用部分現(xiàn)場旁觀者的說法，奧本海默當時脫口而出的其實是一句更俗套的話——“這東西管用”。

1個月后，美軍把原子彈投放到日本廣島和長崎，結(jié)束了第二次世界大戰(zhàn)。此后，奧本海默再也沒有從事武器研究。

被遺忘的天體物理學成就

領(lǐng)導曼哈頓計劃之前的那段時間，是奧本海默學術(shù)生涯中的高光時期，尤其是在天體物理學等領(lǐng)域。想要了解奧本海默在天體物理學方面的貢獻，我們先回顧一些物理學知識。

一顆恒星主要由氫和氦等組成，恒星的巨大引力會導致這些物質(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，這個階段的平衡狀態(tài)便是天文學中所說的主序星階段。

當恒星內(nèi)部的核反應(yīng)達到極限時，耗盡燃料的恒星又要依靠什么力量來維持呢？根據(jù)泡利不相容原理，在費米子組成的微觀世界里，不能有兩個或兩個以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)，它們在一起必然相互排斥。電子、質(zhì)子和中子都屬于費米子，因此都要遵守泡利不相容原理。這種原理下，費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。

電影《奧本海默》劇照

印度裔美國物理學家錢德拉塞卡提出，常規(guī)的白矮星會利用電子的簡并壓力來抵抗其巨大的自身引力，但如果白矮星的質(zhì)量超過了某個上限，電子就會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。錢德拉塞卡在1930年計算出了白矮星的質(zhì)量上限，也就是“錢德拉塞卡極限”。對于典型的白矮星，“錢德拉塞卡極限”約為1.4倍太陽質(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論和理想費米氣體方程，證明了穩(wěn)定的非旋轉(zhuǎn)中子星存在質(zhì)量上限。后來，這個上限被稱為“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”。

不過，這篇論文只考慮了中子之間的簡合壓，而忽視了熱壓與中子之間的強作用力，因此得到的質(zhì)量上限只有錯誤的0.7倍太陽質(zhì)量。而現(xiàn)代核物理學基本可以確定，“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”的值應(yīng)該超過2倍太陽質(zhì)量。2017年，激光干涉引力波天文臺在1.3億光年之外的NGC4993星系首次探測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2.17倍太陽質(zhì)量。

預言黑洞的存在

1939年，奧本海默同他的學生斯奈德合作發(fā)表了另一篇開創(chuàng)性論文——《論持續(xù)的引力收縮》，將恒星的命運推導到了極致。他們在這篇論文中證明，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，并縮進史瓦西半徑以內(nèi)。在史瓦西半徑處以及其內(nèi)，連光都無法逃脫，因此整個天體就成為一片黑。這樣的天體在后來被稱為“黑洞”。

1950年愛因斯坦與奧本海默相聚

該論文利用愛因斯坦的廣義相對論，不僅明確提出了黑洞的形成過程，還具體指出了一系列至今都沒有過時的黑洞特征。有趣的是，當奧本海默在完成這篇廣義相對論框架內(nèi)的黑洞論文時，提出廣義相對論的愛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。而在物理學家眼中，奧本海默一生中最重要的貢獻，則是他證明黑洞必然形成的研究。

楊振寧曾惋惜地評論道：“當1967年他因患癌癥去世時，黑洞的存在在天體物理學中還沒有被大家普遍承認。假如他再多活5年，黑洞就被大家承認了。”這便是該部電影導演諾蘭沒有講到的故事。

（作者：王中山 圖片來源：劇照 把關(guān)專家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）

來源: 中國航天報

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