电影之外的奥本海默：他不只是原子弹之父，世界还欠他一个诺奖

本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：王善钦

撰文 | 王善钦

J・罗伯特・奥本海默 （J. Robert Oppenheimer，1904-1967）是一个富有争议的名人。他因为领导一群科学家与工程师制造出世界上第一颗原子弹并使其成功爆炸（“曼哈顿工程”）而被公认为“原子弹之父”，获得了巨大的声望；他又因为自己在二战结束后反对美国制造氢弹而受到军方与政府的打压，并因为此前与左翼人士的密切关系而被审查，成为一个悲情人物。

他与众多科学界同行有密切交往与合作，但又因为插足至少两位合作者的婚姻而受到道德层面的指责。有些人认为他是天才，有些人认为他装腔作势，有些人认为他是喜爱勾搭女人的花花公子。

奥本海默复杂的性格与经历使大部分人忽略了他物理学家的身份，也因此忽略了他在物理学与天文学上的重要贡献。本文介绍奥本海默的几个具有代表性的重要成果，以让人们更深入了解他对物理学与天文学的贡献。

早期的学习经历

1904 年 4 月 22 日，奥本海默出生于纽约市一个犹太家庭。他的母亲艾拉・奥本海默（Ella Oppenheimer，1869-1931）是一名画家；他的父亲是富裕的纺织品进口商朱利叶斯・塞利格曼・奥本海默（Julius Seligmann Oppenheimer，1871-1937）。

1921 年，奥本海默中学毕业，但因为感染了结肠炎而病休一年。1922 年，奥本海默进入哈佛大学，主修化学。1925 年，他以优异成绩毕业于哈佛大学，获得学士学位。

奥本海默的天资可能部分来自遗传。他父亲虽然没有上过大学，但能力很强。他的弟弟弗兰克・奥本海默（Frank Oppenheimer，1912-1985）后来也成为一名物理学家，研究核物理，在曼哈顿工程中参与铀浓缩方面的工作。

1924 年，奥本海默被剑桥大学录取。原本他想跟随著名的实验物理学大师卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937），但他的大学导师已经在推荐信中说他理论强，实验弱，卢瑟福看了这个“逆向推荐信”，自然对他不感兴趣。不过，他依然在哈佛大学毕业后，前往剑桥大学。

可能经过一番讨价还价，卢瑟福当年的导师汤姆逊（Joseph John Thomson，1856-1940）要了他，条件是奥本海默要完成一门基础实验课。这个要求差点把奥本海默送走。因为实验技能太差以及思乡，他饱受折磨，与这门课的导师布莱克特（Patrick Blackett，1897-1974）的关系也急剧恶化。

有一次，奥本海默将注射了毒液的苹果放在布莱克特的桌子上，试图毒死后者。幸好布莱克特没吃。

电影《奥本海默》中，反悔的奥本海默奔进实验室，恰好看到正访问实验室的玻尔（Niels  Bohr，1885-1962）拿起毒苹果要吃，奥本海默一把夺下，扔进了垃圾桶，说苹果被虫蛀了。这个情节应该是虚构，因为这么巧的情节大概也只有影视和小说中才会有。

事实上，奥本海默因为毒杀导师未遂而差点坐牢。奥本海默的父母请求剑桥大学不要提出刑事指控或将他驱逐出境。奥本海默最后被判了缓刑，且必须定期与伦敦的精神科医生会面，接受心理治疗。如果他真的夺过毒苹果并把它扔了，这事就无人知晓，他也不会差点坐牢。

躲过一劫的布莱克特因为实验物理方面的成就而获得 1948 年的诺贝尔物理学奖。

分子连续谱、分子动力学与化学键

1926 年，在剑桥大学实验室受了一年罪的奥本海默前往当时世界物理学中心之一的哥廷根大学，师从量子力学大师玻恩（Max Born，1882-1970）。此前一年，海森堡（Werner Heisenberg，1901-1976）建立了量子力学的矩阵形式，量子力学诞生了；玻恩与约尔当（Pascual Jordan，1902 -1980）与海森堡很快在同一年完善了这个划时代的工作。

在哥廷根大学，奥本海默过得很愉快。1926 年，奥本海默完成关于分子连续谱的量子理论。他得到计算电子跃迁概率的一种方法，并用此计算了氢和 X 射线的光电效应，获得了 K 边缘的吸收系数。他的计算与对太阳的 X 射线吸收的观测吻合，但与实验室中氦的 X 射线吸收的观测不符合。多年后，人们证实太阳主要由氢组成，他的计算是正确的。

1927 年 3 月，23 岁的奥本海默通过博士论文答辩，获得博士学位。此时距离他大学毕业不到 2 年，距离他开始读博仅 1 年。

答辩委员会主席是弗兰克（James Franck，1882-1964），他因为与赫兹（Gustav Hertz，1887-1975）进行了弗兰克-赫兹实验而闻名，这个实验证明了玻尔提出的氢原子的能级理论。二人因此获得 1925 年的诺贝尔物理学奖。这里的赫兹是验证了电磁波理论的赫兹（Heinrich Hertz，1857-1894）的弟弟的儿子。

答辩结束后，弗兰克说：“我很高兴，答辩结束了。是他在提问我。”（正常情况下，答辩委员向学生提问，考察学生的真实能力。）

1927 年，奥本海默与玻恩合作发表了一篇研究分子动力学的重要论文。（这篇论文于那一年 8 月被杂志收到，因此是在他博士毕业之后投的稿。但奥本海默应该在博士毕业之前就已与玻恩合作这项研究。）这篇论文将分子中原子核的运动与电子的运动分开，忽略核的运动，从而可以用量子力学方法计算分子的动力学性质。这个近似方法被称为“玻恩-奥本海默近似”（Born–Oppenheimer approximation），这是量子化学与分子物理学的重要基础之一。

电影《奥本海默》中，奥本海默与海森堡初次相遇时，后者夸奖前者在分子方面的工作，指的就是玻恩-奥本海默近似。海森堡虽然只比奥本海默大 3 岁，但却因为此前创立量子力学而成为当时物理学领域的领军人物之一。相比之下，当时的奥本海默的资历还浅。海森堡以学术长辈的口气夸奖奥本海默，是很合理的设定。

在欧洲期间，奥本海默发表了十几篇论文。凭借这些高质量论文，他很轻松地在 1927 年 9 月获得加州理工学院 （California Institute of Technology，Caltech）提供的美国国家研究委员会奖金（United States National Research Council Fellowship）。

在 Caltech 期间，奥本海默与莱纳斯・鲍林（Linus Pauling，1901-1994）建立了亲密的友谊。他们合作研究化学键的本质，奥本海默进行数学计算，鲍林解释结果。不过，二人的友谊很快结束，因为奥本海默与鲍林的妻子约会。鲍林于 1954 年获得诺贝尔化学奖，并于 1962 年获得和平奖，成为双料诺奖得主之一。

1928 年秋，奥本海默访问荷兰莱顿大学（University of Leiden），并用自己刚学不久的荷兰语作报告。在此期间，他获得 Opje 的绰号，后来他的学生将其翻译为英语 Oppie。电影《奥本海默》中，朋友称呼的“Oppie”与学生集体高呼的“Oppie，Oppie，Oppie……”即来源于此。

正电子理论

再次回国后，奥本海默被加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley，UCB）物理系聘为副教授，并应 Caltech 的邀请任兼职。

1928 年，狄拉克（Paul Dirac，1902-1984）将量子力学与相对论结合，建立起相对论性量子力学。狄拉克发现这个方程除了会导致一个描述电子的正能解之外，还会导致一个负能解，他认为负能解代表质子。

1930 年，奥本海默发表论文《关于场与物质相互作用理论的注记》（Note on the theory of the interaction of field and matter），对狄拉克的看法提出了异议。他认为：负能解对应的粒子的质量应与电子相等，而质子的质量比电子大得多，因此负能解不可能是质子；如果负能解是质子，那么氢原子将迅速自毁。著名的数学物理学家外尔（Hermann Weyl, 1885-1955）于 1931 年也提出负能解对应的粒子的质量应与电子的质量相等。

在奥本海默与外尔的推动下，狄拉克于 1931 年提出：负能解代表一种未被发现的粒子，它们的质量与电子质量相等，电荷与电子电荷相反，即带正电。这就是正电子。实际上，奥本海默 1930 年的论文本质上已预言了正电子的存在。

1936 年，安德森（Carl David Anderson，1905-1991）在宇宙线中发现了正电子，这是人类首次发现反粒子。安德森因此获得 1936 年的诺贝尔物理学奖。

兰姆移位与量子电动力学

根据狄拉克方程，氢原子的 ²S_1/2 and ²P_1/2 这两个能级具有相同的能量（“简并”）。1931 年，奥本海默与学生霍尔（Harvey Hall）发表论文《光电效应的相对论理论》（Relativistic Theory of the Photoelectric Effect），指出这两个能级实际上的能量不相同。霍尔于 1931 年获得博士学位，是奥本海默名下第一个毕业的博士研究生。

1947 年，奥本海默的另一位博士生兰姆（Willis Lamb，1913-2008，1938 年在奥本海默的指导下获得博士学位）与雷瑟福（Robert Retherford，1912–1981，兰姆的博士生，不是前文提到的卢瑟福）利用微波技术，通过实验测出了这两个能级的能量差，这个差值因此被称为“兰姆移位”（Lamb shift）。兰姆因测出兰姆移位而获得 1955 年的诺贝尔物理学奖。

在兰姆移位被发现的同一年，贝特（Hans Bethe，1906-2005）首次解释了兰姆移位的产生机制，为量子电动力学（QED）的发展打下了基础。贝特在核物理上功底很深；他在恒星内部的核反应方面进行了先驱性的研究，成为核天体物理领域的权威，并因此获得 1967 年的诺贝尔物理学奖。

贝特在二战期间也加入曼哈顿工程，担任理论组组长。他在计算原子弹的“临界质量”与设计“内爆法”（implosion method）方面起到决定性作用。电影《奥本海默》中，贝特的戏份很重。电影中经常出现的围在核心外的那些碎块就是内爆法所需要的。（这些碎块爆炸后，产生极度均匀的朝向中心的压力，强烈的挤压使放射性物质核心的临界质量降低到核心的质量以下，从而可以启动链式反应，成功爆炸。）

后来成为 QED 集大成者之一的施温格（Julian Schwinger，1918-1994）与奥本海默也有交集。他在 21 岁那年获得博士学位后，于 1939 年到 1941 年在 UCB 做奥本海默的博士后，并因为在 QED 领域的贡献获得 1965 年的诺贝尔物理学奖。他在 UCB 工作期间，可能受到奥本海默的一定影响。

据说奥本海默最喜欢在自己的博士后或博士生给自己当助教时坐在下面提各种问题考别人。施温格兼任其助教时，奥本海默依然如此；不过，施温格用自己的迅速而完美的回答很快就帮奥本海默戒了这个习惯（施温格离开后，奥本海默有没有恢复这个习惯就不得而知了）。

施温格是拉比（Isidor Rabi，1898-1988）的得意门生，拉比是奥本海默的好友，在电影《奥本海默》中的戏份也很重。

奥本海默-菲利普斯过程

在 UCB 期间，奥本海默与实验物理学大师劳伦斯（Ernest Lawrence，1901-1958）关系密切。劳伦斯在电影《奥本海默》中的戏份也很重。

劳伦斯发明了世界上第一个回旋加速器，并在 UCB 建立起辐射实验室。这个实验室后来成为劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）。奥本海默为劳伦斯团队获得的实验数据提供理论解释。

1935 年，麦克米兰（Edwin McMillan，1907-1991）、劳伦斯和桑顿（Robert Thornton）使用回旋加速器加速氘核束，并让其轰击靶原子核。氘核由一个质子与一个中子构成。氘核轰击靶原子核时，其中的质子因受到靶原子核中质子的排斥力而相对远离，使中子指向靶。当氘核速度很高时，其中的中子会与较重的靶原子核发生聚变，剩余的质子逃逸。

麦克米兰等人发现：氘核能量较低时或靶原子核较轻时，结果与伽莫夫（George Gamow，1904-1968）的理论非常吻合；氘核能量较高时或靶原子核较重时，核相互作用的能力低于伽莫夫理论的预测。（麦克米兰后来也参与了曼哈顿工程，并因他在核物理与化学中的重要贡献而获得 1951 年的诺贝尔化学奖。他本科时的导师是鲍林。）

1935 年，奥本海默和他的首批博士生之一菲利普斯（Melba Phillips，1907-2004，1933 年获得博士学位）发表论文《氘核嬗变函数的注记》（Note on the transmutation function for deuterons），提出一个理论来解释这个结果。这个理论采用采用绝热近似，即假设碰撞过程中整个系统的热量没有损失。这个理论后来被称为“奥本海默-菲利普斯过程”（Oppenheimer-Phillips process），它是早期核物理中的一个重要成果，今天仍在被使用。

中子星的极限质量

1936 年，32 岁的奥本海默成为正教授。大约在这个时候，他对天体物理学产生了兴趣。

1938，奥本海默与他的博士后瑟尔伯（Robert Serber，1909-1997）发表《关于恒星中子核的稳定性》（On the Stability of Stellar Neutron Cores），研究了稳定的中子核心的质量上限。

1939 年，奥本海默与学生沃尔科夫（George Volkoff，1914-2000）发表《关于大质量中子核》（On Massive Neutron Cores），该论文进一步证明中子星的质量存在一个极限；超过这个极限，中子星将无法保持稳定，而是会在引力的作用下不受阻碍地收缩。

由于这个工作以托尔曼（Richard Tolman，1881-1948）1934 年与 1939 年的工作为基础，这个极限被称为“托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限”（Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit），简称 TOV 极限（TOV limit）。

奥本海默与沃尔科夫的论文只考虑了中子之间的简并压，因此得到的 TOV 极限只有 0.7 个太阳质量。然而，热压与中子之间的强作用力被忽略了。后来的研究考虑了这些因素，得到的 TOV 极限在 1.5 到 3 个太阳之间。

极端致密物质的物态方程非常复杂，因此 TOV 极限的精确值一直无法被确定；现在人们可以肯定这个值可以超过 2 个太阳，因为观测上已经确认了这么重的中子星。对双中子星并合事件 GW170817 的研究则表明中子星的 TOV 极限可以超过 2.17 个太阳。

虽然奥本海默与托尔曼是好友，且其工作受到托尔曼的工作的影响，但他还是在后来插足了托尔曼的婚姻。他与托尔曼的妻子露丝・托尔曼（Ruth Tolman，1893-1957）于 1928 年认识（1924 年，露丝与托尔曼结婚），二人先是成为朋友，然后在二战结束后成为情人。托尔曼是鲍林博士期间的两位导师之一。他居然先后插足师徒俩的婚姻，也是绝了。

这个感情并未持续很久，因为奥本海默很快就离开 Caltech，于 1947 年开始担任普林斯顿高等研究所（Institute for Advanced Study，IAS）的所长。1948 年，托尔曼因为心脏病而病逝，奥本海默与露丝继续保持断断续续的交往。电影《奥本海默》中，奥本海默反驳“托尔曼死于心碎（伤心）”的传言，即与此相关。

黑洞：大质量天体的持续收缩

1915 年底，爱因斯坦建立广义相对论。不久后，史瓦西（Karl Schwarzschild，1873-1916）得到球对称静止天体附近的时空的度规（无穷小距离的平方）的表达式，即“史瓦西度规”。

史瓦西度规的表达式在两个地方成为无穷大，一处为半径为零处，另一处为半径等于 2GM / c² 处。后者被称为“史瓦西半径”、“引力半径”或球对称静止不带电天体的“事件视界”。此处的无穷大可以通过采用其他坐标来消除。不过，半径为零处的无穷大无法被消除，如果物质浓缩到这个点上，其密度就是无穷大，这就是“奇点”。（用后来被发展出来的时空几何学的语言描述就是：测地线在奇点处断裂。）

1939 年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）发表论文《关于大质量球对称静止系统》（On a Stationary System with Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses），用广义相对论证明黑洞不会产生。

同年，奥本海默与其博士研究生斯奈德（Hartland Snyder，1913-1962）以奥本海默与沃尔科夫不久前的论文为基础，用广义相对论研究了质量超过 TOV 极限的恒星的收缩，与 9 月 1 日发表了论文《论持续引力收缩》（On Continuing Gravitational Contraction）。

奥本海默和斯奈德在这篇论文中证明：质量足够大的恒星耗尽核燃料后，将在自身引力作用下持续收缩，并缩进史瓦西半径以内。

在史瓦西半径处以及其内，连光都无法逃脱，因此整个天体就成为一片黑。这样的天体在后来被称为“黑洞”。奥本海默和斯奈德的这篇论文实际上首次在广义相对论的框架内明确提出黑洞会形成。

奥本海默和斯奈德在这篇论文中还很具体地指出：在恒星收缩的过程中，它表面的引力强度也越来越大，星光受到的引力红移也越来越显著，远处的观测者探测到的星光也越来越红，逐渐成为长波辐射；远处的观测者看到的恒星收缩到史瓦西半径处的过程需要耗费的时间将变为无穷大，因此永远看不到这个结果；不过，随着恒星表面收缩而一起下落的观测者（“共动观测者”）依然会感受到时间流逝（本文作者注：前提是没有被潮汐力撕碎或弄死），只需要 1 天左右就可以感受到自己落到史瓦西半径处。这些结论至今都没有过时。

奥本海默和斯奈德的这篇论文没有提到爱因斯坦几个月前的论文，他们很可能在当时还没看到爱因斯坦那篇论文，也可能觉得不宜或不必直接反驳爱因斯坦。

电影《奥本海默》展现了奥本海默等人为这篇论文的出版而欢庆的场面。电影借其中的人物之口说，希特勒发动战争的消息抢走了这篇论文的风头。实际上，即使没有这件大事抢风头，这篇文章在当时的整个学术界也无法激起浪花，因为当时的物理学界普遍在研究与量子力学有关的课题，广义相对论在当时是一个冷门研究领域。

何况，奥本海默和斯奈德的论文得到的结论在当时也不受研究广义相对论的学者的认可。恐怕连奥本海默自己也不会为此有多高兴，他此后再也没有进行这个领域的研究。

直到几十年后，天文学家根据观测才逐渐确定宇宙中确实存在黑洞。2017 年，一个国际团队将世界上多个亚毫米波望远镜（临时）组合为“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope），拍摄了星系 M87 核心的超大质量黑洞，得到了人类的第一张黑洞照片。

后代物理学史专家普遍认为奥本海默一生中最重要的贡献就是预言黑洞必然形成的这个工作。不过奥本海默本人却不这么认为，他认为他最重要的工作是关于电子与正电子的。

世界欠他一个诺贝尔奖

奥本海默在 1946 年、1951 年和 1967 年三次获得诺贝尔物理学奖提名，但未获奖。

奥本海默在科学研究领域获得的唯一奖项是 1963 年的“恩里科・费米奖”（Enrico Fermi Award）。获奖理由是他在理论物理学领域的贡献与关键年份中在原子弹制造方面的贡献。泰勒（Edward Teller，1908-2003）提名他作为获奖者，以修补二者之间的裂痕。尽管这个奖有为奥本海默进行一定程度平反的政治姿态在内，但以他的科学成就与其对原子弹制造的贡献，获奖实至名归。电影《奥本海默》中，垂垂老矣的奥本海默被挂上奖章，挚友拉比蹒跚着走过来和他握手；泰勒也过来握手，奥本海默与他握手。这是这部电影中最感人的几个场景之一。

1968 年度诺贝尔物理学奖得主阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez，1911-1988）认为，如果奥本海默能够活到黑洞被观测证实，他有可能因为他在中子星与黑洞方面的工作而获得诺贝尔物理学奖。

但他显然没有等到这一天。他嗜烟如命，因此得了喉癌，在不成功的放射性治疗与化学治疗之后，于 1967 年 2 月 18 日病逝，享年 62 岁（未到 63 岁生日）。

2020 年，彭罗斯（Roger Penrose，1931-）因为用严格的数学方法证明黑洞必然会形成而获得诺贝尔物理学奖。而早在 1939 年，奥本海默和斯奈德就从物理上首次证明了这个观点，当时彭罗斯 8 岁。

只活到 1988 年的阿尔瓦雷斯都认为奥本海默有资格因为预言黑洞形成而获得诺贝尔奖。现在，对比用数学方法证明黑洞会形成而获诺奖的彭罗斯，我们更可以肯定：世界确实欠奥本海默一个诺贝尔物理学奖。

他是优秀的物理学家吗？

奥本海默的科研生涯并不长。从 1926 年开始发表重要论文到 1950 年停止发表论文，前后只有大约 25 年时间。

在这 25 年时间内，他的研究还经常中断或被干扰：1942 年-1945 年，他因为领导曼哈顿工程而基本中断了自己的研究；1947 年开始，他成为 IAS 的所长，并担任美国原子能委员会（U.S. Atomic Energy Commission）的综合咨询委员会（General Advisory Committee）主席；1949 年与 1950 年，他参与关于氢弹的辩论。这些行政职务与辩论显然大大压缩了奥本海默能够用于做研究的时间。事实上，1945 年回到 Caltech 时，他就发现自己已经无法静心做研究了，这应该是他后来乐于从事管理有关的职务的原因。

可以说，奥本海默的最后一个重要工作是 1939 年预言黑洞必然形成的工作。因此他活跃在物理学与天体物理学领域的时间只有大约 14 年。即使在这 14 年间，他也因为兴趣过于广泛（拉比委婉地说 “奥本海默在科学传统之外的领域受了过多的教育”）而未能将注意力全部用于物理学，这是非常可惜的。

回顾他传奇的一生，他只用 1 年就读完博士，指出狄拉克的错误时才 26 岁，在 35 岁时就完成了中子星极限质量与黑洞形成的先驱性工作，奠定了他在物理学领域的地位。

在 UCB 期间，奥本海默凭借其出色的物理学才能与管理才能，将 UCB 的理论物理学提升到世界一流的水平（电影《奥本海默》中，听证会上官员问他为何去欧洲学习，UCB 的物理就是一流的。奥本海默回答：是的，那是我建立的。），并培养了众多博士研究生，其中一部分成为著名的物理学家。

有人认为奥本海默没有发现任何值得发现的东西，没有成为优秀的物理学家。这个评价并不公平。虽然他在物理学领域的成就比不上爱因斯坦、玻尔、海森堡等人，但他依然是一位优秀甚至杰出的物理学家。正如上面所说，他在黑洞方面的工作就够得上获得诺贝尔物理学奖，他只是不够长命。

不过，即使他长命百岁也等不到获得诺贝尔奖。2020 年，彭罗斯因为黑洞获诺奖时，如果奥本海默还活着，就是 106 岁了。至今也没有这么长命的诺贝尔奖得主。我们只能遗憾地说，诺贝尔奖评委会有时候过于谨慎保守了。

尽管如此，我们也应该明白，一个科学家的贡献不能以他是否获得诺贝尔奖为衡量依据。如果他做出了足以获得诺贝尔奖的工作，就足以说明他的杰出，也足以被后世纪念。

因此，奥本海默对物理学与天文学的重要贡献值得被后代铭记。

后记：笔者在 UCB 天文系学（mō）习（yú）期间，通过查阅施温格的资料才得知他与奥本海默都在 UCB 物理系工作过。UCB 物理系的大楼紧邻天文系的大楼。在得知奥本海默与施温格都曾经在此工作之后，再进入 UCB 物理系大楼时，心中的敬畏感油然而生。今天写这篇文章，算是对奥本海默的物理学与天文学成就的一个迟到的致敬。他是一个富有争议的人物；但是，他为人类认识微观世界与宇宙都做出了贡献，这一点是没有争议的。

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