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聊聊原子弹之父:奥本海默

时间:2021-08-17 16:22:18

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聊聊原子弹之父:奥本海默

最近诺兰的电影奥本海默即将热映,其改编自Kai Bird和 Martin J. Sherwin的 年Pulitzer Prize 获奖小说:“American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer”。这本小说作者研究奥本海默25年,才得以成形,可见奥神本人身上的故事曲折和传奇。

迷人之州,新墨西哥州

新墨西哥州红岩峭壁和广袤的沙漠,这一抹壮丽将奥本海默拉回了他的中学时期,当时,他对一切事物都充满好奇,好奇心驱使他涉猎了非常多的领域,犹如一块吸水海绵,贪婪的吸允着未知领域的雨露,但身体单薄,让他最终患上结肠炎,住进了新墨西哥州附近休养。对于他来说,这段时期的停留,这片土地的阳光和森林的滋养,让他对这片土地充满了眷恋,终有一天,他会用他的所学,灌溉这片迷人之州。

出生于一个富裕的犹太家庭,为这位科学巨擘提供了充实的经济基础,让他可以无忧无虑的徜徉在自己的兴趣中,中学毕业后,顺利进入了哈佛大学,只用了三年时间完成了本科的学业,期间,符合大多数人对学霸的期待,他没有交女朋友,甚至有点抑郁,没有多少朋友,大多数时间,他沉浸在自己所选择的化学专业,除此之外,物理也是他辅修的课程之一,同时他还对语言有非常大的热情,能够熟度梵文撰写的印度史诗,以及其他包括希腊文在内的6种语言,甚至略懂一点中文。

大学的广泛涉猎,让他对各个学科有了一个基本的认知,也是后来领导各路科学大神所具备的领导力的一个巨大铺垫。

求学路还在继续,奥本海默没有留在美国,而是先来到了以实验物理著长的剑桥,做实验,对于高傲的他来说,找不到任何成就感,为了脱离实验,奥本海默追随哥廷根学派的波恩来到了德国,开启了后来影响深远量子力学的研究。波恩当时已经是物理学的大家,同时也是一位伟大的教育家,膝下弟子达28人,其中不乏后来获得诺贝尔奖的大家:德尔布吕克,迈耶夫人等,相比之下,奥本海默虽没有诺奖级的成就,但他和波恩合作创立的波恩-奥本海默近似法,已经成为20世纪的经典物理学方法。当时量子力学还刚刚开展,正是这段9个月的经历,让这位初出茅庐的物理学新星,拓展了对微观世界的认知,瞥见粒子迸发出的巨大能量,收获了博士学位,也这是这段经历,为他带来了几篇具有影响力的学术论文,为他后续回到美国学术界,铺平了道路。

加州的红杉树,学术之花开始盛开

图为奥本海默在加州的住宅

与导师波恩的学术蜜月期结束后,奥本海默在瑞士和荷兰做了短暂的停留,便回到了阳光明媚的加州,这个时候,奥本海默虽然还难以自称大师,但在学术界已经小有名气,期间哈佛和加州理工都邀请这位从欧洲学成归来的物理学家加入,最终,1928 年,在加州理工,奥神也遇到了化学家萊納斯·鮑林(Linux Carl Pauling),

这位学术小伙伴曾经一度有机会成为曼哈顿工程的首席化学顾问(被奥神邀请),但期间奥神偷偷和鲍林的太太约会,导致友谊的小船瞬间倾覆,鲍林也久久不能释怀。

图为加州伯克利放射实验室的大合影

奥本海默以助理教授的职位加入在加州伯克利,并在后期创立了奥本海默理论物理学中心,其吸引了大批顶尖理论物理学家、研究人员,形成“伯克利物理学派”,使得伯克利成为世界理论物理学研究中心之一,后来该研究中心更名为“伯克利理论物理学中心”(Berkeley Center for Theoretical Physics)。

加州的阳光,明媚而绚烂,奥本海默的学术之花在此绽放,他在理论天体学(广义相对论和原子核理论),原子核物理,量子场理论,甚至光谱论方面都有重要贡献。在19世纪30年代后期, 奥本海默开始关注天文学和物理学的交叉发展,1939 年发表的“ On Continued Gravitational Contraction”(关于持续的引力收缩), 深入的分析并预测了我们现在所熟知的black hole(黑洞)的存在,这个发现也是天文学研究在1950年代重新开始复苏并一直繁荣发展至今的一个重要因素。

图片引用

为了能够得到一个更立体的学术天才的形象,这边引用几位他在加州指教时期学生对他的评价:

David bohm: 他博学多才,但不求甚解,他具备问题深入的才能,但是对问题却不求甚解,没有耐心

Snyder:他的物理很好,但是他的数学推导太糟糕了

曾经奥本海默的同事,同时也是诺贝尔奖获得者 Murray Gell-Mann,曾经这样对他评价:

他没有太多耐心,他从来不写长篇的论文,或者对某个问题做长篇的数学推导,他的工作通常是小段的纲要组成,但是都很精彩,同时,他经常鼓励其他人去做具体的工作,其他人也都能接受他的指挥,这方面他很有影响力。

奥本海默兴趣众多,上知天文,下晓地理,通常这号人物在我们日常生活中谈资总是众多,与他交流,一定是旁征博引,深入浅出,最后赢得一票粉丝。但从他的学生和同事口中的评价,我们也不难发现,奥神的博学一定程度上分散了他在学术上的专注度,他曾经在1946,1951,1967年三次提名诺贝尔奖,但最终都抱憾而归。

Isidor Rabi 是他在伯克利,曼哈顿计划和后来普林斯顿的共事多年的同事,对他有一段很有深度的评价(Rabi, Oppenheimer (1969), p. 7, cited in Rhodes 1977, p. 149, Hijiya 2000, p. 166 and Pais , p. 143),个人感觉颇为深刻:

Oppenheimer was overeducated in those fields which lie outside the scientific tradition, such as his interest in religion, in the Hindu religion in particular, which resulted in a feeling for the mystery of the universe that surrounded him almost like a fog. He saw physics clearly, looking toward what had already been done, but at the border he tended to feel there was much more of the mysterious and novel than there actually was … [he turned] away from the hard, crude methods of theoretical physics into a mystical realm of broad intuition… In Oppenheimer the element of earthiness was feeble. Yet it was essentially this spiritual quality, this refinement as expressed in speech and manner, that was the basis of his charisma. He never expressed himself completely. He always left a feeling that there were depths of sensibility and insight not yet revealed. These may be the qualities of the born leader who seems to have reserves of uncommitted strength.

奥本海默这份博学为他带来的影响力,仍在深深的影响他的人生和世界未来的走向。

大同世界

从1934 年开始,奥本海默开始逐渐关注世界政治的发展和美国国内事件,公开的数据显示,从那时开始的两年内,他将年收入的3% 用于资助德国物理学家逃离纳粹德国,同时也积极的为德国的同行谋取美国大学的教职。

和那个时代的大多数知识分子一样,奥本海默支持社会改革,这在后来被称为早期的共产主义者。他向左翼激进主义者捐款,同时,他在加州理工学院结识的妻子Katherine Oppenheimer也是一位当时的美国共产党员。但奥本海默本人,从没有公开的加入过共产党,尽管这件事情在后来有很大的争论。

回到新墨西哥州

现在回看这段历史,不经会问: 历史为什么会选择奥本海默?

1941年10月9号,曼哈顿计划被时任总统富兰克林-罗斯福批准,任命美国陆军工程兵部Leslie Groves为总负责人,1942年,Groves 选择奥本海默作为曼哈顿计划实验室的技术负责人,这在当时出乎所有人的意料。

对于这个选择,大家的质疑主要有几点:

奥本海默从没有获得过诺贝尔奖,这可能让在众多诺奖获得者面前难以树立威望,硬实力还不够;奥本海默有左翼共产主义倾向,背景调查不过关;奥本海默从没有主导过大型的国家项目,缺乏项目经验;

这三点其实现在看来,都是致命的硬伤,但在作为一个军方的工程师视角,Grove却看到了一些奥本海默的独特优势:

跨学科领域的知识涉猎: 曼哈顿计划是一个集化学,冶金学,军械以及工程化系统工程;看上去自负的雄心壮志:原子弹的设计与纳粹德国赛跑,需要敢为天下先的勇气;

天才与将才的结合,才能造就曼哈顿计划的成功。

故事终于回到了新墨西哥州,经过和Grove 的协商,最终选择在新墨西哥州的一座男校的原址上新建Los Alamos 实验室,这里将会集结当时美国乃至全世界最优秀的科学家。

新墨西哥州沙漠洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos Laboratory)

从1943年的几百人,到1945 年超过6000人,这种规模的项目复杂度,远超奥本海默的预期,除了技术决断以外,他还需要处理军方和科学家的文化背景的冲突,其本人也开始长期驻扎在实验室。这是一场时间的赛跑,与美国自己,同时与对手纳粹德国。

刚开始,原子弹的设计方向被设计成为一种Thin Man 类型的武器装备,造型类似一管长枪,但是这种设计需要用到大量的reactor-bred 提纯钚,给设计制造带来很大的困难,最终这种设计难产。

奥本海默转而将实验室技术方向调整为内爆装置,通过内爆透镜汇聚光波,为内核提供发生原子核裂变所需的能量。这也成为世界第一颗原子弹小男孩的原始设计。

![在这里插入图片描述](https://img-/379d254581ab47ce90da04c80fac4b3a.png

1945 年7月16号,第一颗原子弹代号Trinity试验成功

战后阴霾

奥本海默生活在“真理”的世界里,而这些人却生活在“利害”的现实中。

当原子弹在广岛和长崎掷下以后,奥本海默心中的罪恶感就愈发难以解脱了,以至于作为美国代表团成员在联合国大会上脱口而出:“总统先生,我的双手沾满了鲜血”。气得当时美国总统杜鲁门大叫“以后不要再带这家伙来见我了。无论怎么说,他不过只制造了原子弹,下令投弹的是我。”而面对记者,奥本海默则坦言:“无论是指责、讽刺或赞扬,都不能使物理学家摆脱本能的内疚,因为他们知道,他们的这种知识本来不应当拿出来使用。”

参考文献

方在庆:科学文化评论American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer

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