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為什么會讓一個名不見經(jīng)傳還沒拿過諾獎的人來領(lǐng)導(dǎo)如此重要的項目？奧本海默他到底有何能耐？ 不知道電影《奧本海默》大家都看了沒有？不管有沒有看過，“曼哈頓計劃”相信大家都不陌生。加上網(wǎng)上關(guān)于《奧本海默》的電影解讀和人物科普隨處可見，所以今天我們就不聊電影劇情，也不聊政治人文，盡量只從科學(xué)方面來聊聊奧本海默作為一個物理學(xué)家，他在物理學(xué)上到底有些什么貢獻(xiàn)。 生于 1904 年的奧本海默，他和泡利、海森堡、狄拉克、費(fèi)米他們都是同一波的，年齡相差無幾，作為“00 后”可以說他們都是量子時代的“原住民”。
奧本海默從小就是一個愛好廣泛的人，從文學(xué)到化學(xué)、從歷史到哲學(xué)，一直到研究生興趣才開始轉(zhuǎn)向物理。后來他到了哥廷根大學(xué)拜在馬克思?玻恩門下，也是在這里奧本海默結(jié)識了海森堡、泡利那些人。
作為搞物理的，奧本海默他和玻爾有點像，都不擅長做實驗，而擅長理論研究。早年間，奧本海默曾專注于研究光譜，經(jīng)常和泡利一起討論光譜的連續(xù)性問題。他還發(fā)明了一種方法，用于計算氫與 X 射線的光電效應(yīng)。通過計算他發(fā)現(xiàn)，太陽光符合氫的吸收但不符合氦。多年后人們才發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成太陽的元素果然主要是氫。 作為玻恩的學(xué)生，奧本海默還與導(dǎo)師一起提出了著名的玻恩–奧本海默近似（BO 近似）。玻恩–奧本海默近似說的是，比如在計算某個分子的能級和波函數(shù)時，按薛定諤方程我們需要對每個電子以及每個原子核都進(jìn)行計算。這導(dǎo)致計算過程不僅波函數(shù)里變量多得嚇人，整個計算步驟也長得夸張。 然而奧本海默想到：原子核和電子的質(zhì)量十分懸殊，而且相較于電子，原子核幾乎是靜止不動，所以我們完全可以據(jù)此簡化模型，這樣一來計算過程將得到大大簡化。從此，玻恩–奧本海默近似便成了分子物理學(xué)中最著名的數(shù)學(xué)方法之一，之后還廣泛應(yīng)用于量子化學(xué)領(lǐng)域。 就在同一時期，狄拉克首次將狹義相對論和量子力學(xué)進(jìn)行了統(tǒng)一，提出了著名的狄拉克方程?！端渍f量子》里我們說過，狄拉克方程有一個十分詭異的解，就是存在一種質(zhì)量和電子相當(dāng)，但是卻帶著正電荷的未知粒子。對此狄拉克本人更傾向于它是一種質(zhì)子，但是奧本海默不這么認(rèn)為。因為所有實驗都表明質(zhì)子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，所以他斷言：這種帶正電荷的粒子應(yīng)該是種正電子。果不其然，兩年后卡爾?安德森還真就在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了這種正電子。 好家伙，原來宇宙射線里藏著這么多秘密！于是在這之后，奧本海默的興趣轉(zhuǎn)向了宇宙射線。此后他在這方面做出了重要貢獻(xiàn)，還因為對場電子發(fā)射問題的研究促使了“量子隧穿”這一概念的出現(xiàn)。 當(dāng)時奧本海默已經(jīng)是伯克利的一名副教授，此時的他仍然保持著廣泛的興趣，他經(jīng)常在和學(xué)生的組會上討論各種各樣的問題。甚至為了閱讀原版的《薄伽梵歌》，他還特地學(xué)習(xí)了梵文。
不過這些并沒有影響他在量子物理的老本行上繼續(xù)產(chǎn)出。他先是以理論物理學(xué)家的身份，為勞倫斯的回旋加速器實驗數(shù)據(jù)提供理論支持，之后又和自己的學(xué)生菲利普斯提出了后來被稱為“奧本海默-菲利普斯過程”的核反應(yīng)理論，該理論成功解釋了勞倫斯實驗中的一些異常結(jié)果。這也算是奧本海默在核物理方面的早期貢獻(xiàn)之一，畢竟在那個年代，相較于原子核外的世界，人們對原子核里發(fā)生的事還不是那么清楚。
1936 年，在好友托爾曼的影響下，奧本海默的興趣再次轉(zhuǎn)向了天體物理，準(zhǔn)確來說是理論天文學(xué)。理論天文學(xué)就是基于物理和化學(xué)模型，從原理上描述和解釋天文現(xiàn)象。說白了就是根據(jù)已知的天文現(xiàn)象，理論學(xué)家們先建立一些理論模型出來，然后天文學(xué)家再來看這些模型哪個能更好地預(yù)測天文現(xiàn)象。 天文研究往往研究的都是行星、恒星這種大質(zhì)量天體。在這個尺度上，牛頓的經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)有些力不從心，一些小問題不得不靠愛因斯坦的廣義相對論來修正。但即使這樣，在 20 世紀(jì)中葉以前，廣義相對論還是被認(rèn)為太過怪異，大家更多還是抱著“玩一玩”的態(tài)度來對待它，看看用它是否能發(fā)現(xiàn)什么新東西。 很快奧本海默從廣義相對論出發(fā)，結(jié)合他擅長的核物理，在恒星核心穩(wěn)定性方面做出了一些研究成果。
1939 年前后，奧本海默與他的學(xué)生一起連發(fā)三篇重磅論文。其中在第二篇《論大質(zhì)量中子星核》的論文中，奧本海默和他的學(xué)生沃爾科夫提出中子星的質(zhì)量存在一個最大值，如果超過該值中子星將不再保持穩(wěn)定而會持續(xù)坍縮。后來中子星的這個質(zhì)量上限被稱為“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限（TOV 極限）”，也就是著名的“奧本海默極限”。
那持續(xù)坍縮會持續(xù)多久呢，總得有個頭吧？第三篇論文給出了答案 —— 沒有盡頭！中子星的質(zhì)量一旦突破奧本海默極限，此時引力將成為絕對霸主，從此天體內(nèi)部再也沒有任何力量能夠與之抗衡，因此它會一直坍縮下去，直到史瓦西半徑。 這篇論文的合作者是奧本海默的另一位學(xué)生哈特蘭?斯奈德，兩人共同提出了“奧本海默-斯奈德模型”。該模型描述了極端天體是如何一步步坍縮成黑洞的，這篇論文也成了后來預(yù)言黑洞存在的重要論文。欸，論跟對導(dǎo)師的重要性，有沒有？ 多說一點，奧本海默極限并不像錢德拉塞卡極限那么精確。錢德拉塞卡極限描述的是白矮星的質(zhì)量上限，大約是 1.4 倍太陽質(zhì)量，超過這個質(zhì)量白矮星則會坍縮成中子星。中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，可不是大家想象的那樣一大坨中子。加上現(xiàn)實中的中子星大部分都是旋轉(zhuǎn)的脈沖星，以至于直到今天，對于中子星的物質(zhì)組成科學(xué)家們?nèi)匀槐娬f紛紜。 所以奧本海默的第二篇論文針對的只是非旋轉(zhuǎn)的理想狀態(tài)下的中子星，當(dāng)時給出的極限值大概在 0.7 倍太陽質(zhì)量。這個值比白矮星的質(zhì)量極限還要小，這顯然是不對的。但是奧本海默的思路沒有問題，后來這一極限值被修正到 2.2~2.9 倍太陽質(zhì)量，對應(yīng)恒星的初始質(zhì)量大約在 15~20 倍太陽質(zhì)量。 剛準(zhǔn)備在天體物理上大干一場，結(jié)果沒多久美國便開始了“曼哈頓計劃”。在該計劃“一把手”格羅夫斯的強(qiáng)烈推薦下，奧本海默被任命為秘密武器實驗室的主任，負(fù)責(zé)原子彈相關(guān)的技術(shù)研發(fā)，類似今天公司里的 CTO。
為什么會讓當(dāng)時名不見經(jīng)傳的奧本海默來主導(dǎo)這么重要的項目，當(dāng)時所有人都很疑惑。論技術(shù)奧本海默沒得過諾獎，比他專業(yè)的大有人在；論管理他從來沒有大型項目的管理經(jīng)驗，更何況他本身也不擅長做實驗，只能算個理論物理學(xué)家?；蛟S正是因為興趣廣泛，奧本海默在學(xué)識上非常淵博，加上核物理本就是他的研究領(lǐng)域，所以在設(shè)計和建造原子彈這種前所未有的事物上，奧本海默這種“復(fù)合型人才”十分合適。當(dāng)然這里面還有一些除技術(shù)外的其他原因，就不提了。
說到這還有個插曲：如同奧本海默被稱為“原子彈之父”，愛德華?泰勒被冠以“氫彈之父”的頭銜。但和奧本海默的任命不同，泰勒的任命可以說頗具戲劇性。
當(dāng)時正值原子彈項目初期，泰勒也是其中理論小組的一員。某天組長漢斯?貝特和奧本海默吐槽：“能不能趕緊把泰勒那小子調(diào)走！一天天的就他鬼點子多，整得大家都沒法干正事了。” 原來泰勒也是那種思想奔放之人，每天都有新想法冒出來，還總愛和別人討論，所以嚴(yán)重影響了項目進(jìn)度。但是奧本海默和泰勒關(guān)系很好，直接把人趕走也不太合適，于是奧本海默想了個主意，他和泰勒說：“小泰啊，現(xiàn)在有個重要的秘密任務(wù)要交給你。我看你骨骼驚奇絕對是萬里挑一的奇才，所以現(xiàn)在任命你為秘密任務(wù)組組長，研究氫彈的重任就交給你了！” 泰勒一聽高興壞了，轉(zhuǎn)頭就找人組了個小組開始研究怎么制造氫彈。
因為當(dāng)時原子彈研究都才剛剛開始，氫彈更是八字沒一撇，所以奧本海默想著順?biāo)浦?，沒什么問題?？烧l曾料到，就在第一顆原子彈爆炸后的第五年，第一顆氫彈就成功試爆。
從這可以看出，研究內(nèi)容越是困難（尤其是全新的未知領(lǐng)域），確實越適合奧本海默、泰勒這種頭腦靈活、敢于嘗試的人。 在這之后，雖然奧本海默一直擔(dān)任普林斯頓高等研究院院長，但是本身的工作重點已經(jīng)由科研一線轉(zhuǎn)向了對科研人員的管理。同時在防止核擴(kuò)散方面，奧本海默也一直在積極努力，包括對氫彈研發(fā)的極力反對?；蛟S正如他引用《薄伽梵歌》里說的那樣：“這一刻，我已成死神，世界的毀滅者?！?/p> 參考資料
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo |
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