由克里斯托弗·诺兰执导的电影《奥本海默》正在热映,影片讲述了美国著名物理学家、“之父”罗伯特·J.奥本海默的一生。通过还原他的生活,他所处的时代,我们回顾了美国研究以及“曼哈顿计划”的那段历史。
科学的初衷是为了人类的进步和发展,为了让这个世界越来越好,而研究成功,却让奥本海默成为了左手握着橄榄枝,右手握着摧毁世界终极武器的双重矛盾角色。而时至今日,核威胁一直是我们这个时代巨大的阴影。
如何去看待这段历史?虽然历史课本上对此有所提及,但绝大多数观众对奥本海默其人其事并不熟悉,更不要说影片中在他身边出现的一众历史人物。
除了奥本海默、爱因斯坦以外,今天为大家介绍几位跟息息相关的历史人物,有很多是影片中未出现的,其中也不乏女性的身影。1943 年,奥本海默和格罗夫斯在全国范围内寻找能够帮助他们实现目标的人。他们一视同仁,无论男女老少,无论是否拥有博士学位或技术经验——只要有贡献,他们都会考虑。
曼哈顿计划总共动员了13万人参与其中,其中11%是女性,她们在很多工作上比男性做得更加出色。曼哈顿计划的绝大多数参与者最后都没能让人记住名字,但历史不应该忘记他们和她们。
奥本海默是美国著名的物理学家,同时也因为领导研发了人类最早的而被人称为“之父”。
他于1925年毕业于哈佛大学化学系,但当时世界科学中心并不在美国而是在欧洲,尤其是德国,于是毕业后的他来到了剑桥大学,进入发现电子的约瑟夫·汤姆逊的门下,并被要求必须要完成帕特里克·布莱克特的实验课。
1926年,奥本海默离开了剑桥前往德国的哥廷根,那里当时是新兴的量子物理的重要阵地之一,另一个便是玻尔所在的哥本哈根。在这里他结识了很多对物理学发展举足轻重的人物,包括他的博士导师玻恩,量子物理的领军人物海森堡、泡利与狄拉克,未来的物理核心人物费曼与费米,一生挚友、未来会发现核磁共振并因此获得诺贝尔奖的伊西多·拉比,等等。
1927年,奥本海默博士毕业。在哥廷根的这一年里,他发表了十多篇关于量子物理的论文,其中和导师玻恩一同发展起来的玻恩-奥本海默近似是关于量子化学的重要论文,也是奥本海默被引用次数最多的论文。
回到美国后的奥本海默,经常为实验物理学家们提供关于他们实验结果的理论解释,其中包括制造了第一台回旋加速器的劳伦斯,以及研究化学键的鲍林——奥本海默原打算让鲍林来做曼哈顿工程化学部主任,但后者以自己是一名和平主义者为由婉拒了。
奥本海默一生兴趣广泛,虽然未能获得诺贝尔奖,但他在很多领域都做出了重要贡献。除了前面提到的量子化学中的玻恩-奥本海默近似,在人工放射性方面的奥本海默-菲利普斯过程也是到今天也一直被使用的重要理论工具;他也论证了狄拉克所预言的“含正电的电子”不可能是狄拉克所认为的质子,而只能是“正电子”,且在不久之后就被卡尔·安德森所找到,后者也因为这个人类第一个发现的反物质而获得1936年的诺贝尔奖。
奥本海默在广义相对论方面的研究也非常著名,他是最早研究中子星、黑洞等广义相对论中的极致星体的物理学家之一。他和他的学生罗伯特·瑟伯尔一起研究了白矮星的性质,又和学生沃尔科夫一同使用当时还不完善的关于中子的物理理论预言了中子星的存在,并计算了中子星的质量上限也就是著名的“托勒曼-奥本海默-沃尔科夫极限”,并和学生哈特兰·施耐德一同预测了黑洞的存在。
当然,“黑洞”这个名字还要过好多年才会被约翰·惠勒正式提出,所以在电影中当奥本海默和施耐德在研讨会上讨论星体的引力坍缩时是不可能使用“黑洞”这个名词的,可能用“暗星”或者“引力星”,这算是电影的一个BUG。
事实上,除了领导曼哈顿工程,奥本海默最为人乐道的便是他带动了美国现代科学的发展,并且是一位非常善于启发人的导师,这点和玻尔很像。他一生虽然没有获得过诺贝尔奖(有人说如果他能再活久一点的话或许能凭黑洞领域的研究而获得诺贝尔物理学奖),但却培养了不少诺贝尔奖得主。
二战后奥本海默应刘易斯·斯特劳斯的邀请到新泽西州担任普林斯顿高等研究院院长,这里就有日后因发现宇称不守恒而获得诺贝尔奖的杨政宁与李政道。
也是在这里,在奥本海默的带领下,费曼、施温格、朝永振一郎等人各自发展出了解决量子电动力学中无限大难题的重整化方案,极大地推进了量子场论的发展;汤川秀树也在此后提出了解释强相互作用力的量子理论方案;罗伯特·马沙克受奥本海默提问的启发,提出了存在π介子和μ子两种介子的双介子假说,而塞西尔·鲍威尔正是在此基础上最终发现了π介子并获得了诺贝尔奖。
奥本海默也是“大科学”时代的代表人物,更是科学与政界、军界沟通的象征。同时,他在战后也一直因感到人类的科学发明终会成为人类文明的威胁而惴惴不安,并认为的使用会让美苏陷入核武器的军备竞赛之中,对氢弹的研发也摇摆不定——既认为这可以阻止军备竞赛,又认为这会加剧军备竞赛。
同时他在大众文化中也有着极端重要的位置,有人曾说现代人对科学的不尊重,就是源于1954年对奥本海默的听证会。而杜鲁门之后两位总统(肯尼迪以及继任的约翰逊)都为他颁奖以示平反,同时也期望能弥补裂痕。肯尼迪支持奥本海默这一幕在电影中也有所暗示,这点由肯尼迪的遗孀在肯尼迪遇刺后告诉过奥本海默。
莱斯利·理查德·格罗夫斯(Leslie Richard Groves,1896-1970),美国陆军中将。1913年考入华盛顿大学,1914年转入麻省理工学院攻读工程学专业,1916年获推荐资格并考入西点军校,1918年毕业。1936年任陆军工程兵部部长助理。1938年进入陆军战争学院深造,1939年毕业后出任陆军建筑计划与供给部部长的特别助理。
1942年7月,五角大楼建设现场,在负责“曼哈顿计划”之前,格罗夫斯协助管理五角大楼的建设。
位于田纳西州橡树岭(Oak Ridge, TN)的K-25工厂,使用气体扩散法生产用于的浓缩铀。K-25是“曼哈顿计划”赋予该项目的代号
1945年前后,格罗夫斯与英国物理学家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)爵士。查德威克爵士因1932年发现中子而获1935年诺贝尔物理学奖。1941年,他为穆德委员会核武器报告的最后稿本执笔,这份报告促使美国政府开始积极进行核武器研究,后来担任“曼哈顿计划”英国小组的组长。
1940年任陆军工程兵建筑部副部长。1942年9月任美国负责研制的曼哈顿计划区司令。1947年,原子能事务移交给新成立的文职的原子能委员会,格罗夫斯受命担任武装部队特种武器计划的负责人。1948年1月晋升中将,2月退役。
1945年,格罗夫斯与“曼哈顿计划”副总指挥托马斯·弗朗西斯·法雷尔(Thomas Francis Farrell)少将,此前法雷尔在中缅印战区协助修筑了援助中国抗战的列多公路
1945年7月,美国华盛顿州哥伦比亚河畔汉福德镇核武器研发基地,左起:科学研究局(OSRD)局长范内瓦·布什(Vannevar Bush)、哈佛大学校长詹姆斯·B.科南特(James B. Conant)、“曼哈顿计划”总指挥格罗夫斯少将和土木工程师富兰克林·马蒂亚斯(Franklin Matthias)上校
1945年9月9日,格罗夫斯与奥本海默在新墨西哥州索科罗县托立尼提沙漠的“三位一体核试验”(Trinity test)现场,察看7月16日首次核爆炸实验中托举的钢架残留物。他们都穿着白鞋套,防止核烟尘粘在鞋底上。
1945年9月9日,格罗夫斯与奥本海默率领科研人员在“三位一体核试验”的原爆点(Ground zero)
欧内斯特·奥兰多·劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence,1901-1958),美国物理学家,核物理学的先驱人物之一。
1925年获耶鲁大学物理学博士学位。1928年任加州大学伯克利分校物理学副教授,两年后成为最年轻的正教授。1930年设计和制造出第一台高能粒子回旋加速器,为此荣获1939年诺贝尔物理学奖。
二战期间参与曼哈顿计划,主管用电磁法分离制造用的铀同位素工作。化学元素周期表中第103号元素铹以及加利福尼亚州伯克利和利弗莫尔的两所劳伦斯实验室都是为纪念他而命名的。
1939年,加利福尼亚州伯克利劳伦斯实验室,刚刚完成的60英寸(1.52米)回旋加速器。左三是劳伦斯
在电磁型同位素分离器中分离铀同位素的示意图。电磁型同位素分离器是一种同位素质谱仪,其最初的设计和使用是为了分离铀的同位素,由美国物理学家欧内斯特·劳伦斯在“曼哈顿计划”期间根据他早前发明的回旋加速器研发而成。该仪器的英文名字“Calutron”来源于加州大学伯克利分校以及回旋加速器(cyclotron),以纪念它的发明地、也就是劳伦斯所在的加州大学伯克利分校。
1944至1945年间,美国田纳西州橡树岭Y-12工厂的巨型电磁铀浓缩设施“阿尔法I”,环形排列的就是劳伦斯研发的电磁型同位素分离器。
1946年,加州大学伯克利分校,劳伦斯与“之父”奥本海默(左)在查看184英寸的回旋加速器
2021年美国邮政署发行了一张纪念人物“永久邮票”,这张邮票上,吴健雄身着旗袍,尽显东方女性的优雅。
吴健雄被誉为“物理世界女王”“中国的居里夫人”,但很可惜的是,因为她的女性身份,导致她虽然多次被提名诺贝尔奖,却始终与诺奖无缘。
生于1912年的吴健雄于1930年考入中央大学,并于1934年以全校第一的成绩顺利毕业,并前往美国加利福尼亚大学继续深造,仅用4年就获得了博士学位。她的老师中则包括了奥本海默、劳伦斯以及后来因为发现反质子而获得诺贝尔奖的埃米利奥·塞格雷,而她的博士论文便是关于铀核裂变的,这让她成为贝塔衰变领域的权威。
比那个年代饱受女性身份所带来的歧视更严峻的是,吴健雄身上“东方人”的身份为她带来了更多的麻烦。她不但在校期间多次申请奖学金无果,更无法在博士毕业后顺利得到对欧美人来说轻而易举的教职工作。同样,曼哈顿计划启动后,奥本海默原本想让被他亲切地称为“JieJie”的吴健雄参与到核心工程中,但却被军方拒绝,理由无外乎其华人身份。
1944年3月,定居普林斯顿并任讲师的吴健雄加入了曼哈顿计划下的位于哥伦比亚大学的代替合金材料实验室,参与到铀浓缩项目中。而铀浓缩与引爆是制造的两个关键项目。
到了9月,正在建造世界上第一个核反应堆的恩里克·费米发现,反应堆中的核反应总是莫名其妙地停下来,并对此一筹莫展。后来提出了“黑洞”一词的约翰·惠勒猜测存在一种能大量吸收中子的“核毒素”污染了铀核的链式反应,而曾担任吴健雄博士论文导师的赛格雷则想到了吴健雄在一篇早就完成但尚未发表的论文中讨论过这一问题,便对军方说:“这个问题应该去问吴健雄。”
奥本海默也力排众议,坚决要求让吴健雄接触当时被定为最高机密的链式反应中断问题。临危受命的吴健雄也不负所托,不但确认在费米的核反应堆中阻止链式反应的元凶正是她自己早年论证过的氙-135,更是设计了一种在核反应中隔离这种中子毒素的装置,成功让链式反应得以持续进行下去。
凭借铀浓缩与氙污染问题,吴健雄被人称为“之母”。美国媒体曾这样报道:“在一个进行原子撞击科学研究的实验室中,一位娇小的中国女孩,和美国一些最高水准的科学家并肩工作”。
但也因为她的突出贡献,一直到二战结束,吴健雄都一直被美国政府限制自由,无法与家人取得联系——附带一说,她的丈夫袁家骝正是袁世凯的亲孙。