話題》核子物理學家報你知：關於電影《奧本海默》的兩三事

文｜高崇文（中原大學物理系教授）

隨著大導演諾蘭的新片上映，奧本海默這個沉寂已久的名字一夕之間又浮上大家的腦海了。隨著廣島長崎原爆78周年逐漸逼近，再加上去年2月烏克蘭戰爭剛爆發時，俄羅斯方面持續的核恫嚇，那個似乎早已遠去的恐懼再次襲上許多人的心頭。

當然，諾蘭這部長達3小時的巨作包含了許多提得討論的議題，但是基於筆者的專業，在這裡先提供兩點澄清以及一點補充，不管有沒有看過這部電影的觀眾，應該都能得到一些有用的資訊。

➤毒蘋果與《哥本哈根》

首先要澄清的是，尼爾斯．波耳（Niels Bohr）並沒有差點吃下那顆毒蘋果！電影描寫奧本海默到了劍橋以後，面對他不擅長的物理實驗，搞到差點崩潰，結果他居然把蘋果泡在氰化物，放到他的導師布萊克特（Patrick Blackett）的桌子上，這一段是真實事件。

事實上，奧本海默的父親為此趕到劍橋，總算說服校方沒把寶貝兒子移送法辦，但奧本海默也被迫去看精神分析師。不過電影中，為了戲劇效果，安排大科學家波耳差點咬下那顆蘋果，這可就完全是電影的杜撰了。波耳在曼哈頓計畫中的重要性不容小覷，可惜電影限於時間，沒有辦法詳述，所以讓筆者在此交代一下。

波耳雖然以他在量子物理的開創性貢獻聞名於世，其實他也是最早研究原子核結構的先驅。他與美國物理學家，也是費曼的博士導師惠勒（John A. Wheeler）一起在二戰爆發當天，刊出解釋為什麼慢中子撞擊鈾235會產生核分裂，而鈾238卻不會發生核分裂的重要論文。但更重要的是，他是大戰期間盟軍得到德國原子彈計畫的情報來源之一。

1941年9月，與波耳情同父子的德國物理學家海森堡（Werner Heisenberg）到哥本哈根與波耳見面。但這次見面對兩人而言都十分尷尬，因為1940年4月，丹麥已經被納粹德國佔領了，而波耳的母親埃倫．阿德勒．波耳（Ellen Adler Bohr）出身於一個在銀行業和政界都聲名顯赫的猶太富商家族，依照納粹的標準，波耳也是猶太人，自然也是可能遭到迫害的對象。

波耳與海森堡的談話圍繞著德國正在進行中的原子彈計畫，氣氛更為凝重，最後不歡而散。後來波耳於1943年逃離丹麥，抵達瑞典。當波耳逃離丹麥的消息傳出後，英國馬上安排他來到英國。波耳乘英國海外航空所屬的一架德哈維蘭蚊式轟炸機10月6日抵達蘇格蘭。

途中由於飛行帽尺寸不合適，波耳沒有把飛行帽帶上，因此沒有聽到飛行員指示把氧氣面罩帶上，導致飛機在飛經挪威上空時，由於爬升至較高的飛行高度，波耳因高空缺氧而暈了過去。飛機飛到北海上空後，由於飛行高度略微下降，他才醒過來，可說是九死一生。後來他又前往美國，多次造訪拉斯阿摩斯實驗室。

電影中波耳告知奧本海默，海森堡告訴他德國的原子彈計畫並不如預期順利。事實上，美軍是到戰爭相當末期才得到確切的情報。海森堡與波耳在1941年的那次會面，由於兩人事後的回憶南轅北轍，所以被劇作家麥可．弗萊恩（Michael Frayn）寫成戲劇《哥本哈根》，成為科學史上有名的羅生門。

➤毀滅世界的300萬分之一

另一件需要澄清的是，當愛德華．泰勒（Edward Teller）提出原爆是否會造成大氣層發生大規模核融合的警告時，奧本海默求助的對象並不是電影中所說的愛因斯坦，而是亞瑟．康普頓（Arthur Holly Compton）。由於康普頓這個角色在劇中沒上場，導演只好安排讓愛因斯坦來露一下臉。

其實在美國的原子彈計畫中，康普頓是與勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence）平起平坐的大咖人物。但是由於這部電影人物太多，所以只好讓他消失了。康普頓本身是1927年的諾貝爾獎得主，是他決定要發展以鈽239為原料的核彈。由於鈽可以用化學方法與鈾238分離，而鈾235，由於化學性質與鈾238完全相同，必須用非常昂貴的方法分離出來，所以曼哈頓計畫只產生64公斤的鈾235，只能做一顆原子彈，所以決定發展鈽彈，影響非常重大。

康普頓在芝加哥大學成立冶金實驗室，還決定在芝加哥大學球場看台下建造首個核反應爐芝加哥1號堆（Chicago Pile-1）。芝加哥1號堆在費米（Enrico Fermi）領導下，於1942年12月2日第一次成功地引發人工的連鎖核反應，康普頓的份量可見一斑。

至於原爆是否會造成大氣層發生大規模核融合這件事，根據科學家漢斯．貝特（Hans Bethe）的回憶，當時他針對兩個氮原子融合成一個碳加一個氧的核反應，簡單地算了一下，很快就得到泰勒這個考量是危言聳聽的結論。

貝特還提到，計畫中另一個重量級人物費米也不相信原爆會造成大氣層的核融合，他還在三位一體的核試前故作輕鬆，建議來打賭這件事會不會發生呢。導演諾蘭在接受專訪時特別提到這段插曲，因為這正是他拍攝這部電影的動機之一：要探討科學家冒著毀滅世界的風險，仍然堅持製造核彈的心情。

這聽起來的確很聳動，但是，根據康普頓在1959年的訪談，他回憶道，當年他批准繼續推動曼哈頓計畫是因為，原爆會造成大氣層核融合的機率低於300萬分之一！儘管電影裡也不斷強調毀滅世界的極低機率，但不等於0的懸念焦慮，顯然與當時科學家的冷靜並不相符。

➤槍式與內爆，一枚鈾彈一枚鈽彈

提到三位一體核試（Trinity），可以算是這部電影的一大焦點。儘管畫面驚心動魄，但是電影沒有交代得很清楚，為何鈽239無法採用簡單的槍式設計，而必須採用非常複雜的「內爆」設計。就是科學家對這個設計沒有足夠的信心，才不得不實行這次核試。所以筆者在這裡要做個補充。把來龍去脈交代清楚。

原先採用鈽239的鈽彈設計，也是採用與鈾235相同的設計，稱為「瘦子」（Thin man）。1943年11月4日，橡樹嶺國家實驗室使用氣冷的X-10石墨反應爐生產了首批反應爐合成鈽之後，眼看大功即將告成，不料1944年4月，費米的學生、後來也得到諾貝爾獎的塞格雷（Emilio Gino Segrè）發現一個嚴重的問題——

橡樹嶺核反應堆生產的第一個樣品鈽於1944年4月送到拉斯阿摩斯，幾天之內，塞格雷小組觀察到自發核分裂的速率是迴旋加速器生產的鈽的5倍。鈽放出中子的速率太快，會提早啟動連鎖反應。釋放的能量會吹散周遭尚未發生核分裂的鈽，這樣就無法達到臨界質量了！

塞格雷的小組得出結論：鈽樣本的核分裂活動增加是由於鈽240所致。從加速器生產的鈽中，鈽240的含量遠低於用反應爐產生的鈽，所以之前他們都沒發現這個問題。而鈽240自發核分裂速度遠高於鈽239，無法用化學方法來分離它們，所以這下問題大條了。1944年7月，奧本海默決定停止在鈽的槍式組件，這是曼哈頓計畫最大的危機！

這時候，原本當作備案的「內爆」就浮上檯面了。所謂「內爆」是使用化學炸藥，將鈽239的亞臨界球體壓縮成更緻密的形式。當鈽原子靠得更近時，中子捕獲率增加，系統就會達到臨界質量而爆炸。
一開始，只有內德米爾（Seth Henry Neddermeyer）敦促全面發展內爆並應用到原子彈。

儘管許多人不覺得內爆可行，但奧本海默還是任命內德米爾為測試內爆小組負責人。到了1943年9月，內德米爾的團隊已經從5人增加到50人。那個月，美籍猶太裔數學家馮紐曼（John von Neumann）應奧本海默的要求來到了洛斯阿拉莫斯，創建一個可靠的內爆數學模型，使內德米爾能夠提出一個大大擴展研究計劃的建議。

➤無法求和只能投降的局面

槍式小組的副負責人麥克米蘭（Edwin McMillan）和曼哈頓計畫顧問拉比（Isidor Isaac Rabi）建議聘請在精確使用炸藥方面具有專業知識的喬治．基斯蒂亞科夫斯基（George Kistiakowsky）來幫忙。1944年2月，基斯蒂亞科夫斯基成為內爆組的副手。兩個月後，塞格雷發現了鈽無法採用槍式設計以後，1944年6月中旬，基斯蒂亞科夫斯基交給奧本海默一份報告，詳細介紹了內爆小組內部的種種問題，最後導致內德米爾被撤換。1944年6月15日，基斯蒂亞科夫斯基取代內德米爾，成為E-5小組的負責人。

為了產生將鈽核心壓縮到所需密度所需的對稱內爆，需要同時引爆32個炸藥在球形核心周圍，在1微秒內同時爆破！為了確定內爆這個想法可行，曼哈頓計劃特定執行了放射性鑭測試（Radioactive Lanthanum，縮寫成RaLa），目的是研究匯聚震波，從而研製出核武器鈽彈芯壓縮所需的球形內爆。

這項實驗使用了大量的短壽命放射性同位素鑭-140，該物質能產生大量的伽馬射線，當內爆發生時，這些伽馬射線會因為金屬殼向內擠壓而變弱。這個實驗是由義大利實驗物理學家布魯諾．羅西（Bruno Benedetto Rossi）領導的團隊研發。測試雖然很成功，但還是無法保證到時候鈽彈的內爆真的奏效。三位一體核爆試驗正是為了要確認內爆是可行的。

為什麼鈽彈這麼重要呢？因為日本軍方認為，即使美國已經生產出1枚，也不可能有更多資源來製造第二枚原子彈。所以當1945年8月6日B-29美軍在廣島上空投下「小男孩」時，日本政府雖然大吃一驚，但是並沒有馬上商議投降。

局勢變化是發生在兩天後，8月8日晚間10時，蘇聯突然向日本宣戰，2個小時後蘇聯紅軍隨即發動攻勢。但是一直到8月9日凌晨4時，日本政府才從莫斯科的電台廣播中得知，蘇聯已經廢止《日蘇中立條約》並向日本宣戰的消息。8月9日上午10時30分，日本政府召開了軍事參議官會議，還在開會中的日本政府高層隨即被告知九州西海岸的長崎市，在11點2分也遭到原子彈的攻擊。第二顆原子彈正是採用內爆的鈽彈。

8月10日凌晨2時，天皇決定向盟軍投降。持平來講，讓日本政府屈服的，是失去透過蘇聯斡旋中介向盟軍求和的一絲希望，還有不確定美國手上還有多少原子彈的這個事實。終戰詔書特地加上一句：

加之敵ハ新ニ殘虐ナル爆彈ヲ使用シテ 頻ニ無辜ヲ殺傷シ、慘害ノ及フ所、眞ニ測ルヘカラサルニ至ル（中譯：加之敵新使用殘虐爆彈，頻殺傷無辜；慘害所及，真至不可測。）

原子彈的確令頑強的日本屈膝了。

諾蘭這部大片，值得深思的地方非常多，希望觀眾在享受聲光娛樂之餘，也能對此片的主題——人類如何負責地面對自己的才能——有所思索。身為少數在臺灣開設核子物理課程的筆者，忍不住野人獻曝，希望這篇短文多少能引發大眾對核子物理的幾分好奇心，吾願足矣。●（原文於2023-07-26在Openbook官網首度刊載）

奧本海默
American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer
作者：凱．柏德、馬丁．薛文（Kai Bird, Martin J. Sherwin）
譯者：林鶯
出版：時報出版
【內容簡介➤】

作者簡介：

凱．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共同編輯了《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，住在紐約市和邁阿密二地。

馬丁．薛文（Martin J. Sherwin）
擔任塔夫茨大學（Tufts University）的英國與美國史「 Walter S. Dickson教授」（名譽教授），以及喬治梅森大學（George Mason University）的正教授，直到他於2021年10月過世。他第一本關於美國對外關係史的著作《A World Destroyed: The Atomic Bomb & The Grand Alliance》（Knopf，1971）就贏得「Stuart L. Bernath」獎，並且入圍普立茲獎決選名單。他最後一本著作《Gambling with Armageddon: Nuclear Roulette from Hiroshima to the Cuban Missile Crisis》（Knopf）於2020年出版。 生前和妻子蘇珊住在華盛頓特區和科羅拉多州的亞斯本（Aspen）。