话题》核子物理学家报你知：关于电影《奥本海默》的两三事

文｜ 高崇文（中原大学物理系教授）

随着大导演诺兰的新片上映，奥本海默这个沉寂已久的名字一夕之间又浮上大家的脑海了。随着广岛长崎原爆78周年逐渐逼近，再加上去年2月乌克兰战争刚爆发时，俄罗斯方面持续的核恫吓，那个似乎早已远去的恐惧再次袭上许多人的心头。

当然，诺兰这部长达3小时的巨作包含了许多提得讨论的议题，但是基于笔者的专业，在这里先提供两点澄清以及一点补充，不管有没有看过这部电影的观众，应该都能得到一些有用的资讯。

➤毒苹果与《哥本哈根》

首先要澄清的是，尼尔斯．波耳（Niels Bohr）并没有差点吃下那颗毒苹果！电影描写奥本海默到了剑桥以后，面对他不擅长的物理实验，搞到差点崩溃，结果他居然把苹果泡在氰化物，放到他的导师布莱克特（Patrick Blackett）的桌子上，这一段是真实事件。

事实上，奥本海默的父亲为此赶到剑桥，总算说服校方没把宝贝儿子移送法办，但奥本海默也被迫去看精神分析师。不过电影中，为了戏剧效果，安排大科学家波耳差点咬下那颗苹果，这可就完全是电影的杜撰了。波耳在曼哈顿计画中的重要性不容小觑，可惜电影限于时间，没有办法详述，所以让笔者在此交代一下。

波耳虽然以他在量子物理的开创性贡献闻名于世，其实他也是最早研究原子核结构的先驱。他与美国物理学家，也是费曼的博士导师惠勒（John A. Wheeler）一起在二战爆发当天，刊出解释为什么慢中子撞击铀235会产生核分裂，而铀238却不会发生核分裂的重要论文。但更重要的是，他是大战期间盟军得到德国原子弹计画的情报来源之一。

1941年9月，与波耳情同父子的德国物理学家海森堡（Werner Heisenberg）到哥本哈根与波耳见面。但这次见面对两人而言都十分尴尬，因为1940年4月，丹麦已经被纳粹德国占领了，而波耳的母亲埃伦．阿德勒．波耳（Ellen Adler Bohr）出身于一个在银行业和政界都声名显赫的犹太富商家族，依照纳粹的标准，波耳也是犹太人，自然也是可能遭到迫害的对象。

波耳与海森堡的谈话围绕着德国正在进行中的原子弹计画，气氛更为凝重，最后不欢而散。后来波耳于1943年逃离丹麦，抵达瑞典。当波耳逃离丹麦的消息传出后，英国马上安排他来到英国。波耳乘英国海外航空所属的一架德哈维兰蚊式轰炸机10月6日抵达苏格兰。

途中由于飞行帽尺寸不合适，波耳没有把飞行帽带上，因此没有听到飞行员指示把氧气面罩带上，导致飞机在飞经挪威上空时，由于爬升至较高的飞行高度，波耳因高空缺氧而晕了过去。飞机飞到北海上空后，由于飞行高度略微下降，他才醒过来，可说是九死一生。后来他又前往美国，多次造访拉斯阿摩斯实验室。

电影中波耳告知奥本海默，海森堡告诉他德国的原子弹计画并不如预期顺利。事实上，美军是到战争相当末期才得到确切的情报。海森堡与波耳在1941年的那次会面，由于两人事后的回忆南辕北辙，所以被剧作家麦可．弗莱恩（Michael Frayn）写成戏剧《哥本哈根》，成为科学史上有名的罗生门。

➤毁灭世界的300万分之一

另一件需要澄清的是，当爱德华．泰勒（Edward Teller）提出原爆是否会造成大气层发生大规模核融合的警告时，奥本海默求助的对象并不是电影中所说的爱因斯坦，而是亚瑟．康普顿（Arthur Holly Compton）。由于康普顿这个角色在剧中没上场，导演只好安排让爱因斯坦来露一下脸。

其实在美国的原子弹计画中，康普顿是与劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence）平起平坐的大咖人物。但是由于这部电影人物太多，所以只好让他消失了。康普顿本身是1927年的诺贝尔奖得主，是他决定要发展以钸239为原料的核弹。由于钸可以用化学方法与铀238分离，而铀235，由于化学性质与铀238完全相同，必须用非常昂贵的方法分离出来，所以曼哈顿计画只产生64公斤的铀235，只能做一颗原子弹，所以决定发展钸弹，影响非常重大。

康普顿在芝加哥大学成立冶金实验室，还决定在芝加哥大学球场看台下建造首个核反应炉芝加哥1号堆（Chicago Pile-1）。芝加哥1号堆在费米（Enrico Fermi）领导下，于1942年12月2日第一次成功地引发人工的连锁核反应，康普顿的份量可见一斑。

至于原爆是否会造成大气层发生大规模核融合这件事，根据科学家汉斯．贝特（Hans Bethe）的回忆，当时他针对两个氮原子融合成一个碳加一个氧的核反应，简单地算了一下，很快就得到泰勒这个考量是危言耸听的结论。

贝特还提到，计画中另一个重量级人物费米也不相信原爆会造成大气层的核融合，他还在三位一体的核试前故作轻松，建议来打赌这件事会不会发生呢。导演诺兰在接受专访时特别提到这段插曲，因为这正是他拍摄这部电影的动机之一：要探讨科学家冒着毁灭世界的风险，仍然坚持制造核弹的心情。

这听起来的确很耸动，但是，根据康普顿在1959年的访谈，他回忆道，当年他批准继续推动曼哈顿计画是因为，原爆会造成大气层核融合的机率低于300万分之一！尽管电影里也不断强调毁灭世界的极低机率，但不等于0的悬念焦虑，显然与当时科学家的冷静并不相符。

➤枪式与内爆，一枚铀弹一枚钸弹

提到三位一体核试（Trinity），可以算是这部电影的一大焦点。尽管画面惊心动魄，但是电影没有交代得很清楚，为何钸239无法采用简单的枪式设计，而必须采用非常复杂的「内爆」设计。就是科学家对这个设计没有足够的信心，才不得不实行这次核试。所以笔者在这里要做个补充。把来龙去脉交代清楚。

原先采用钸239的钸弹设计，也是采用与铀235相同的设计，称为「瘦子」（Thin man）。 1943年11月4日，橡树岭国家实验室使用气冷的X-10石墨反应炉生产了首批反应炉合成钸之后，眼看大功即将告成，不料1944年4月，费米的学生、后来也得到诺贝尔奖的塞格雷（Emilio Gino Segrè）发现一个严重的问题——

橡树岭核反应堆生产的第一个样品钸于1944年4月送到拉斯阿摩斯，几天之内，塞格雷小组观察到自发核分裂的速率是回旋加速器生产的钸的5倍。钸放出中子的速率太快，会提早启动连锁反应。释放的能量会吹散周遭尚未发生核分裂的钸，这样就无法达到临界质量了！

塞格雷的小组得出结论：钸样本的核分裂活动增加是由于钸240所致。从加速器生产的钸中，钸240的含量远低于用反应炉产生的钸，所以之前他们都没发现这个问题。而钸240自发核分裂速度远高于钸239，无法用化学方法来分离它们，所以这下问题大条了。 1944年7月，奥本海默决定停止在钸的枪式组件，这是曼哈顿计画最大的危机！

这时候，原本当作备案的「内爆」就浮上台面了。所谓「内爆」是使用化学炸药，将钸239的亚临界球体压缩成更致密的形式。当钸原子靠得更近时，中子捕获率增加，系统就会达到临界质量而爆炸。
一开始，只有内德米尔（Seth Henry Neddermeyer）敦促全面发展内爆并应用到原子弹。

尽管许多人不觉得内爆可行，但奥本海默还是任命内德米尔为测试内爆小组负责人。到了1943年9月，内德米尔的团队已经从5人增加到50人。那个月，美籍犹太裔数学家冯纽曼（John von Neumann）应奥本海默的要求来到了洛斯阿拉莫斯，创建一个可靠的内爆数学模型，使内德米尔能够提出一个大大扩展研究计划的建议。

➤无法求和只能投降的局面

枪式小组的副负责人麦克米兰（Edwin McMillan）和曼哈顿计画顾问拉比（Isidor Isaac Rabi）建议聘请在精确使用炸药方面具有专业知识的乔治．基斯蒂亚科夫斯基（George Kistiakowsky）来帮忙。 1944年2月，基斯蒂亚科夫斯基成为内爆组的副手。两个月后，塞格雷发现了钸无法采用枪式设计以后，1944年6月中旬，基斯蒂亚科夫斯基交给奥本海默一份报告，详细介绍了内爆小组内部的种种问题，最后导致内德米尔被撤换。 1944年6月15日，基斯蒂亚科夫斯基取代内德米尔，成为E-5小组的负责人。

为了产生将钸核心压缩到所需密度所需的对称内爆，需要同时引爆32个炸药在球形核心周围，在1微秒内同时爆破！为了确定内爆这个想法可行，曼哈顿计划特定执行了放射性镧测试（Radioactive Lanthanum，缩写成RaLa），目的是研究汇聚震波，从而研制出核武器钸弹芯压缩所需的球形内爆。

这项实验使用了大量的短寿命放射性同位素镧-140，该物质能产生大量的伽马射线，当内爆发生时，这些伽马射线会因为金属壳向内挤压而变弱。这个实验是由义大利实验物理学家布鲁诺．罗西（Bruno Benedetto Rossi）领导的团队研发。测试虽然很成功，但还是无法保证到时候钸弹的内爆真的奏效。三位一体核爆试验正是为了要确认内爆是可行的。

为什么钸弹这么重要呢？因为日本军方认为，即使美国已经生产出1枚，也不可能有更多资源来制造第二枚原子弹。所以当1945年8月6日B-29美军在广岛上空投下「小男孩」时，日本政府虽然大吃一惊，但是并没有马上商议投降。

局势变化是发生在两天后，8月8日晚间10时，苏联突然向日本宣战，2个小时后苏联红军随即发动攻势。但是一直到8月9日凌晨4时，日本政府才从莫斯科的电台广播中得知，苏联已经废止《日苏中立条约》并向日本宣战的消息。 8月9日上午10时30分，日本政府召开了军事参议官会议，还在开会中的日本政府高层随即被告知九州西海岸的长崎市，在11点2分也遭到原子弹的攻击。第二颗原子弹正是采用内爆的钸弹。

8月10日凌晨2时，天皇决定向盟军投降。持平来讲，让日本政府屈服的，是失去透过苏联斡旋中介向盟军求和的一丝希望，还有不确定美国手上还有多少原子弹的这个事实。终战诏书特地加上一句：

加之敌ハ新ニ残虐ナル爆弹ヲ使用シテ频ニ无辜ヲ杀伤シ、惨害ノ及フ所、眞ニ测ルヘカラサルニ至ル（中译：加之敌新使用残虐爆弹，频杀伤无辜；惨害所及，真至不可测。）

原子弹的确令顽强的日本屈膝了。

诺兰这部大片，值得深思的地方非常多，希望观众在享受声光娱乐之余，也能对此片的主题——人类如何负责地面对自己的才能——有所思索。身为少数在台湾开设核子物理课程的笔者，忍不住野人献曝，希望这篇短文多少能引发大众对核子物理的几分好奇心，吾愿足矣。 ●（ 原文于2023-07-26在Openbook官网首度刊载）

奥本海默
American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer
作者：凯．柏德、马丁．薛文（Kai Bird, Martin J. Sherwin）
译者：林莺出版：时报出版【 内容简介➤ 】

作者简介：

凯．柏德（ Kai Bird ）
著作有：《The Chairman: John J. McCloy, the Making of the American Establishment》、 《The Color of Truth: McGeorge Bundy and William Bundy: Brothers in Arms》、 《The Outlier: The Unfinished Presidency of Jimmy Carter》，以及《 The Good Spy: The Life and Death of Robert Ames》。他也跟Lawrence Lifschultz共同编辑了《Hiroshima's Shadow: Writings on the Denial of History and the Smithsonian Controversy》。

他目前是The Leon Levy Center for Biography的主任，住在纽约市和迈阿密二地。

马丁．薛文（ Martin J. Sherwin ）
担任塔夫茨大学（Tufts University）的英国与美国史「 Walter S. Dickson教授」（名誉教授），以及乔治梅森大学（George Mason University）的正教授，直到他于2021年10月过世。他第一本关于美国对外关系史的著作《A World Destroyed: The Atomic Bomb & The Grand Alliance》（Knopf，1971）就赢得「Stuart L. Bernath」奖，并且入围普立兹奖决选名单。他最后一本著作《Gambling with Armageddon: Nuclear Roulette from Hiroshima to the Cuban Missile Crisis》（Knopf）于2020年出版。生前和妻子苏珊住在华盛顿特区和科罗拉多州的亚斯本（Aspen）。