《奧本海默》里沒(méi)提的隱藏大佬，愛(ài)因斯坦的戲份其實(shí)屬于他

夢(mèng)晨 克雷西 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

家人們，國(guó)內(nèi)剛上映的《奧本海默》都看過(guò)了嗎？

電影因在很多方面都尊重歷史，不少細(xì)節(jié)還原到位而廣受好評(píng)。

但唯獨(dú)愛(ài)因斯坦出場(chǎng)的部分，是由導(dǎo)演諾蘭改編的。

故事里，愛(ài)因斯坦雖然出場(chǎng)次數(shù)和時(shí)長(zhǎng)都不多，但充當(dāng)了奧本海默的導(dǎo)師和知己一般的關(guān)鍵角色。

在一個(gè)情節(jié)中，奧本海默拿著數(shù)據(jù)在湖邊找到愛(ài)因斯坦，詢問(wèn)原子彈爆炸產(chǎn)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是否會(huì)毀滅整個(gè)地球。

今天我們已經(jīng)知道答案是不會(huì)，但對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，這是關(guān)乎人類命運(yùn)的一場(chǎng)豪賭。

……

歷史上，奧本海默身邊確實(shí)有一位導(dǎo)師般的人物，他與奧本海默也有過(guò)這樣一場(chǎng)湖邊談話。

但這個(gè)人不是愛(ài)因斯坦，而是另一位物理學(xué)家亞瑟·康普頓（Arthur Compton）。

在物理學(xué)最著名大合照“1927年索爾維會(huì)議合影”中，康普頓坐在第二排中間位置。

同年，他因?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)以他命名的康普頓效應(yīng)、證實(shí)了電磁輻射的粒子性質(zhì)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在當(dāng)時(shí)關(guān)于量子力學(xué)的爭(zhēng)論中，康普頓既不屬于玻爾的哥本哈根學(xué)派，也未加入以愛(ài)因斯坦為首的反對(duì)者陣營(yíng)，而是一個(gè)實(shí)驗(yàn)派：不站隊(duì)，只關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

盡管不如大合照中各位理論大佬那么出名，但康普頓其實(shí)是整個(gè)曼哈頓計(jì)劃的關(guān)鍵人物。

戰(zhàn)后他繼續(xù)當(dāng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)派，對(duì)世界做出更多貢獻(xiàn)，我們今天常見(jiàn)的路燈和汽車減速帶都和他有關(guān)系。

下面先從康普頓的視角，重新回顧一下原子彈誕生過(guò)程中，科學(xué)家們是如何確認(rèn)世界不會(huì)因此毀滅的。

百萬(wàn)之三的可能性也不敢輕視

在原子彈真正被造出來(lái)之前，曼哈頓計(jì)劃的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一種非?？膳碌娘L(fēng)險(xiǎn)：

原子彈爆炸靠的是核裂變，但在爆炸產(chǎn)生的高溫中，氫等較輕的原子核可能聚變成更重的原子核并釋放大量能量，就像太陽(yáng)上發(fā)生的事一樣。

1943年7月，奧本海默帶著這個(gè)問(wèn)題找到康普頓商討。

當(dāng)初正是康普頓力薦奧本海默負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)劃的，高層認(rèn)為奧本海默缺乏管理經(jīng)驗(yàn)，但康普頓看中奧本海默熟悉炸彈的設(shè)計(jì)方案。

康普頓后來(lái)這樣回憶當(dāng)時(shí)他們的顧慮：

如果氫會(huì)聚變，那么海水中的氫呢？原子彈爆炸會(huì)不會(huì)引發(fā)整個(gè)海洋的爆炸。空氣中的氮也不穩(wěn)定，雖然比氫好一些……

他們推測(cè)如果由此引發(fā)不可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，海洋和大氣都會(huì)被點(diǎn)燃。

很多年后康普頓對(duì)知名作家、諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)得主賽珍珠表示，“與其冒險(xiǎn)為人類拉上最后的帷幕，還不如接受納粹的奴役”。

但無(wú)論如何，當(dāng)時(shí)納粹一方也在研究自己的核武器，所以康普頓和奧本海默別無(wú)選擇，只能在努力搶先早出原子彈，同時(shí)嘗試量化風(fēng)險(xiǎn)。

最終康普頓決定，如果計(jì)算證明地球被原子彈毀滅的可能性超過(guò)百萬(wàn)分之三，他就不會(huì)繼續(xù)曼哈頓計(jì)劃。

這段故事后來(lái)由賽珍珠撰文發(fā)表出來(lái)，刊登在1959年的《美國(guó)周刊》上

后來(lái)計(jì)算結(jié)果低于這個(gè)數(shù)，計(jì)劃還在繼續(xù)。

在已經(jīng)解密的一份檔案中，他們總結(jié)了當(dāng)時(shí)的相關(guān)計(jì)算，其中也用到康普頓之前的諾獎(jiǎng)成果：

不管加熱到什么溫度，大氣層都不可能被點(diǎn)燃產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就算是體積大于1000立方米的超級(jí)核彈，康普頓散射理論也會(huì)提供額外的安全保證。

其中康普頓散射是指高速電子與光子的碰撞，能量從電子向光子的轉(zhuǎn)移，會(huì)消耗鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的熱量。

時(shí)間來(lái)到兩年后。

1945年7月16日，代號(hào)“三位一體”的人類首次核試驗(yàn)在美國(guó)新墨西哥州的沙漠開(kāi)展。

盡管有了計(jì)算結(jié)果保證安全性，當(dāng)爆炸真的發(fā)生時(shí)，目擊者中還是有人會(huì)忍不住擔(dān)心。

光比聲音的速度更快，在聽(tīng)到爆炸聲前，無(wú)聲的白色光芒是唯一主角，電影中諾蘭也用了無(wú)聲的手法來(lái)表現(xiàn)這段場(chǎng)景。

負(fù)責(zé)測(cè)量伽馬輻射程度的意大利物理學(xué)家Emilio Segrè后來(lái)承認(rèn)，“印象最深的是那壓倒性的明亮光芒……爆炸時(shí)我在費(fèi)米附近……盡管我已經(jīng)知道不可能，有一瞬還是擔(dān)心爆炸會(huì)點(diǎn)燃大氣層，從而毀滅地球?！?/p>

也正是這次核試驗(yàn)，讓奧本海默說(shuō)出了他最著名的那句名言：

現(xiàn)在我變成了死亡，世界的毀滅者。

“三位一體”核試驗(yàn)使用的是钚基原子彈。

在當(dāng)時(shí)的方案中，鈾和钚都能用于制造原子彈，但鈾基彈的材料利用率低，威力不如钚基彈。

可以通過(guò)中子轟擊鈾-238轉(zhuǎn)化為钚-239，但以此產(chǎn)生的钚只占很小一部分，還必須要將二者分離。

而康普頓負(fù)責(zé)的，正是建造將鈾轉(zhuǎn)化為钚的核反應(yīng)堆、以及尋找將钚與鈾分離的方法。

最終，先投在廣島的“小男孩”是此前從未測(cè)試過(guò)的鈾基彈。

后投在長(zhǎng)崎的那顆“胖子”，就是康普頓負(fù)責(zé)的钚基彈。

整個(gè)曼哈頓計(jì)劃中，康普頓在早期規(guī)劃、推薦奧本海默當(dāng)負(fù)責(zé)人、建造反應(yīng)堆，以及最后建議對(duì)日本使用原子彈中都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

雖然電影為了增加戲劇性，把他的戲份安排給了愛(ài)因斯坦，但康普頓一生中還有更多不太被人熟知的貢獻(xiàn)值得挖掘。

發(fā)現(xiàn)光電子假說(shuō)實(shí)證獲諾貝爾獎(jiǎng)

康普頓出生于書香門第，父親是伍斯特大學(xué)的校長(zhǎng)，母親于1939年被評(píng)為“美國(guó)母親”。

此外康普頓家中還有兩個(gè)哥哥，兄弟三人都是普林斯頓大學(xué)的博士。

長(zhǎng)兄卡爾·康普頓和次兄威爾遜·康普頓分別擔(dān)任過(guò)MIT和華盛頓州立大學(xué)校長(zhǎng)。

其中長(zhǎng)兄卡爾同樣與曼哈頓計(jì)劃密切相關(guān)。

△康普頓(左)和長(zhǎng)兄卡爾

我們回到康普頓本人，1916年，24歲的康普頓取得了他的博士學(xué)位。

畢業(yè)后的他先到明尼蘇達(dá)大學(xué)擔(dān)任了物理教師，但之后并沒(méi)有選擇在物理學(xué)界繼續(xù)耕耘，而是到西屋公司工作。

康普頓在那里對(duì)鈉燈進(jìn)行了改進(jìn)，我們常見(jiàn)的黃光路燈就是鈉蒸汽燈。

在第一次世界大戰(zhàn)期間，他還為美國(guó)陸軍信號(hào)部隊(duì)開(kāi)發(fā)了航空儀器。

但康普頓并沒(méi)有因?yàn)檫@些而忘記初心，他依舊是對(duì)物理愛(ài)得深沉——1919年，康普頓前往英國(guó)劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室深造，回到了物理學(xué)界。

康普頓的導(dǎo)師也都是有頭有臉的人物——提出原子結(jié)構(gòu)模型的盧瑟福和因電子衍射實(shí)驗(yàn)獲諾貝爾獎(jiǎng)的G.P.湯姆遜。

△盧瑟福(左)和G.P.湯姆遜

在那里，他研究了伽馬射線的散射與吸收，為日后發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

在γ射線的散射實(shí)驗(yàn)中，康普頓發(fā)現(xiàn)有些現(xiàn)象用當(dāng)時(shí)的理論無(wú)法解釋。

這個(gè)問(wèn)題一直留在了康普頓的腦海之中，回到美國(guó)之后，他又改用X射線進(jìn)行了散射實(shí)驗(yàn)。

于是便有了康普頓最為著名的成就——康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。

康普頓效應(yīng)從實(shí)驗(yàn)層面證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光電子假說(shuō)。而這項(xiàng)成果也受到了愛(ài)因斯坦的大力稱贊。

他發(fā)現(xiàn)，在X射線經(jīng)過(guò)一些物質(zhì)的散射后，散射光中會(huì)出現(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)（頻率、能量更低）的光線。

同時(shí)康普頓也找到了入射光與散射光波長(zhǎng)之間的定量關(guān)系：

(其中，△λ為入射波長(zhǎng)λ0與散射波長(zhǎng)λ之差，h為普朗克常數(shù)，c為光速，m為電子的靜止質(zhì)量，φ為散射角。)

起初，康普頓試圖用經(jīng)典電磁理論進(jìn)行解釋，但很快發(fā)現(xiàn)和γ射線的現(xiàn)象一樣無(wú)法解釋。

于是他想到了愛(ài)因斯坦的光量子理論，從光子和電子碰撞的角度成功地揭開(kāi)了現(xiàn)象背后的秘密。

正是這一發(fā)現(xiàn)讓光(電磁波)的粒子性暨波粒二象性得到了驗(yàn)證。

在這之后，懷疑否定光量子說(shuō)的聲音在學(xué)界銷聲匿跡。

1927年，康普頓憑借這一成果獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

時(shí)間轉(zhuǎn)眼來(lái)到了30年代，康普頓的研究方向悄然發(fā)生了變化，他開(kāi)始研究宇宙射線。

△1933年，康普頓與學(xué)生一起研究宇宙射線

彼時(shí)的人們已經(jīng)知道了它的存在，但宇宙射線究竟是何種物質(zhì)一直是個(gè)未解之謎。

康普頓和其他研究者一起踏遍了世界的許多角落，最終發(fā)現(xiàn)兩極地區(qū)的宇宙射線比赤道上強(qiáng)15%。

最終康普頓提出，宇宙射線是由帶電粒子組成的，而不是密立根等人推測(cè)的光子，并很好地貼合了觀察到的現(xiàn)象。

除了研究物理，還是個(gè)發(fā)明家

二戰(zhàn)結(jié)束后的1946年，康普頓又重返華盛頓大學(xué)，并出任該校第九任校長(zhǎng)。

當(dāng)了八年校長(zhǎng)后，62歲的康普頓在1954年從華盛頓大學(xué)退休，但仍繼續(xù)擔(dān)任教職到1961年。

在這期間，康普頓還解鎖了自己的另一重身份——發(fā)明家。

康普頓發(fā)明的減速帶，與X射線散射和宇宙射線一同被載入史冊(cè)。

彼時(shí)的美國(guó)交通已經(jīng)初見(jiàn)規(guī)模，汽車的擁有量也達(dá)到了一定程度。

作為校長(zhǎng)的康普頓也對(duì)校園中隨意穿行的車輛感到了厭煩。

此前為了解決行人穿行馬路的安全問(wèn)題，一些地方將馬路上的人行道抬高以達(dá)到讓汽車減速的目的。

但這種方式的反而會(huì)在車輛加速時(shí)帶來(lái)危險(xiǎn)，最終康普頓經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，設(shè)計(jì)出了由帶有斜坡的凸塊組成的“駝峰式”減速帶，解決了這一問(wèn)題。

此后，這種減速帶開(kāi)始在美國(guó)各地得到應(yīng)用，成為了現(xiàn)代減速帶的鼻祖。

1962年，這位物理學(xué)界的傳奇人物在美國(guó)加州的伯克利與世長(zhǎng)辭，享年69歲。

為了紀(jì)念康普頓，NASA將伽馬射線天文臺(tái)用他的名字命名，圣路易斯的名人步行街上出現(xiàn)了一顆屬于他的星星，月球上也有了(以他和哥哥共同命名的)康普頓環(huán)形山……

△康普頓伽馬射線天文臺(tái)

One More Thing

相信各位已經(jīng)了解了康普頓的故事和成就，但對(duì)于奧本海默或許還有一個(gè)疑問(wèn)：

在真實(shí)的歷史當(dāng)中，奧本海默到底認(rèn)不認(rèn)識(shí)愛(ài)因斯坦呢？

答案是認(rèn)識(shí)，但兩人的關(guān)系與電影中描寫的有所不同。

在自傳中，奧本海默這樣寫到：

雖然我認(rèn)識(shí)愛(ài)因斯坦已有二、三十年了，但直到他生命的最后十年，我們才成為親密的同事和朋友。

參考鏈接：
[1]https://nautil.us/the-day-oppenheimer-feared-he-might-blow-up-the-world-355603/
[2]https://www.insidescience.org/manhattan-project-legacy/atmosphere-on-fire
[3]http://large.stanford.edu/courses/2015/ph241/chung1/docs/buck.pdf
[4]https://thebulletin.org/2015/07/trinity-now-and-then
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Compton
[6]https://www.sinoconcept.co.uk/purchasing-guides/everything-about-speed-bumps/what-is-speed-bump/who-invented-speed-bumps/