仅仅是“原子弹之父”？奥本海默还有哪些科学贡献？

为什么会让一个名不见经传还没拿过诺奖的人来领导如此重要的项目？奥本海默他到底有何能耐？

不知道电影《奥本海默》大家都看了没有？不管有没有看过，“曼哈顿计划”相信大家都不陌生。加上网上关于《奥本海默》的电影解读和人物科普随处可见，所以今天我们就不聊电影剧情，也不聊政治人文，尽量只从科学方面来聊聊奥本海默作为一个物理学家，他在物理学上到底有些什么贡献。

生于 1904 年的奥本海默，他和泡利、海森堡、狄拉克、费米他们都是同一波的，年龄相差无几，作为“00 后”可以说他们都是量子时代的“原住民”。

奥本海默从小就是一个爱好广泛的人，从文学到化学、从历史到哲学，一直到研究生兴趣才开始转向物理。后来他到了哥廷根大学拜在马克思・玻恩门下，也是在这里奥本海默结识了海森堡、泡利那些人。

作为搞物理的，奥本海默他和玻尔有点像，都不擅长做实验，而擅长理论研究。早年间，奥本海默曾专注于研究光谱，经常和泡利一起讨论光谱的连续性问题。他还发明了一种方法，用于计算氢与 X 射线的光电效应。通过计算他发现，太阳光符合氢的吸收但不符合氦。多年后人们才发现，构成太阳的元素果然主要是氢。

作为玻恩的学生，奥本海默还与导师一起提出了著名的玻恩–奥本海默近似（BO 近似）。玻恩–奥本海默近似说的是，比如在计算某个分子的能级和波函数时，按薛定谔方程我们需要对每个电子以及每个原子核都进行计算。这导致计算过程不仅波函数里变量多得吓人，整个计算步骤也长得夸张。

然而奥本海默想到：原子核和电子的质量十分悬殊，而且相较于电子，原子核几乎是静止不动，所以我们完全可以据此简化模型，这样一来计算过程将得到大大简化。从此，玻恩–奥本海默近似便成了分子物理学中最著名的数学方法之一，之后还广泛应用于量子化学领域。

就在同一时期，狄拉克首次将狭义相对论和量子力学进行了统一，提出了著名的狄拉克方程。《俗说量子》里我们说过，狄拉克方程有一个十分诡异的解，就是存在一种质量和电子相当，但是却带着正电荷的未知粒子。对此狄拉克本人更倾向于它是一种质子，但是奥本海默不这么认为。因为所有实验都表明质子的质量远大于电子，所以他断言：这种带正电荷的粒子应该是种正电子。果不其然，两年后卡尔・安德森还真就在宇宙射线中发现了这种正电子。

好家伙，原来宇宙射线里藏着这么多秘密！于是在这之后，奥本海默的兴趣转向了宇宙射线。此后他在这方面做出了重要贡献，还因为对场电子发射问题的研究促使了“量子隧穿”这一概念的出现。

当时奥本海默已经是伯克利的一名副教授，此时的他仍然保持着广泛的兴趣，他经常在和学生的组会上讨论各种各样的问题。甚至为了阅读原版的《薄伽梵歌》，他还特地学习了梵文。

不过这些并没有影响他在量子物理的老本行上继续产出。他先是以理论物理学家的身份，为劳伦斯的回旋加速器实验数据提供理论支持，之后又和自己的学生菲利普斯提出了后来被称为“奥本海默-菲利普斯过程”的核反应理论，该理论成功解释了劳伦斯实验中的一些异常结果。这也算是奥本海默在核物理方面的早期贡献之一，毕竟在那个年代，相较于原子核外的世界，人们对原子核里发生的事还不是那么清楚。

1936 年，在好友托尔曼的影响下，奥本海默的兴趣再次转向了天体物理，准确来说是理论天文学。理论天文学就是基于物理和化学模型，从原理上描述和解释天文现象。说白了就是根据已知的天文现象，理论学家们先建立一些理论模型出来，然后天文学家再来看这些模型哪个能更好地预测天文现象。

天文研究往往研究的都是行星、恒星这种大质量天体。在这个尺度上，牛顿的经典力学已经有些力不从心，一些小问题不得不靠爱因斯坦的广义相对论来修正。但即使这样，在 20 世纪中叶以前，广义相对论还是被认为太过怪异，大家更多还是抱着“玩一玩”的态度来对待它，看看用它是否能发现什么新东西。

很快奥本海默从广义相对论出发，结合他擅长的核物理，在恒星核心稳定性方面做出了一些研究成果。

1939 年前后，奥本海默与他的学生一起连发三篇重磅论文。其中在第二篇《论大质量中子星核》的论文中，奥本海默和他的学生沃尔科夫提出中子星的质量存在一个最大值，如果超过该值中子星将不再保持稳定而会持续坍缩。后来中子星的这个质量上限被称为“托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（TOV 极限）”，也就是著名的“奥本海默极限”。

那持续坍缩会持续多久呢，总得有个头吧？第三篇论文给出了答案 —— 没有尽头！中子星的质量一旦突破奥本海默极限，此时引力将成为绝对霸主，从此天体内部再也没有任何力量能够与之抗衡，因此它会一直坍缩下去，直到史瓦西半径。

这篇论文的合作者是奥本海默的另一位学生哈特兰・斯奈德，两人共同提出了“奥本海默-斯奈德模型”。该模型描述了极端天体是如何一步步坍缩成黑洞的，这篇论文也成了后来预言黑洞存在的重要论文。欸，论跟对导师的重要性，有没有？

多说一点，奥本海默极限并不像钱德拉塞卡极限那么精确。钱德拉塞卡极限描述的是白矮星的质量上限，大约是 1.4 倍太阳质量，超过这个质量白矮星则会坍缩成中子星。中子星的内部结构非常复杂，可不是大家想象的那样一大坨中子。加上现实中的中子星大部分都是旋转的脉冲星，以至于直到今天，对于中子星的物质组成科学家们仍然众说纷纭。

所以奥本海默的第二篇论文针对的只是非旋转的理想状态下的中子星，当时给出的极限值大概在 0.7 倍太阳质量。这个值比白矮星的质量极限还要小，这显然是不对的。但是奥本海默的思路没有问题，后来这一极限值被修正到 2.2~2.9 倍太阳质量，对应恒星的初始质量大约在 15~20 倍太阳质量。

刚准备在天体物理上大干一场，结果没多久美国便开始了“曼哈顿计划”。在该计划“一把手”格罗夫斯的强烈推荐下，奥本海默被任命为秘密武器实验室的主任，负责原子弹相关的技术研发，类似今天公司里的 CTO。

为什么会让当时名不见经传的奥本海默来主导这么重要的项目，当时所有人都很疑惑。论技术奥本海默没得过诺奖，比他专业的大有人在；论管理他从来没有大型项目的管理经验，更何况他本身也不擅长做实验，只能算个理论物理学家。或许正是因为兴趣广泛，奥本海默在学识上非常渊博，加上核物理本就是他的研究领域，所以在设计和建造原子弹这种前所未有的事物上，奥本海默这种“复合型人才”十分合适。当然这里面还有一些除技术外的其他原因，就不提了。

说到这还有个插曲：如同奥本海默被称为“原子弹之父”，爱德华・泰勒被冠以“氢弹之父”的头衔。但和奥本海默的任命不同，泰勒的任命可以说颇具戏剧性。

当时正值原子弹项目初期，泰勒也是其中理论小组的一员。某天组长汉斯・贝特和奥本海默吐槽：“能不能赶紧把泰勒那小子调走！一天天的就他鬼点子多，整得大家都没法干正事了。”

原来泰勒也是那种思想奔放之人，每天都有新想法冒出来，还总爱和别人讨论，所以严重影响了项目进度。但是奥本海默和泰勒关系很好，直接把人赶走也不太合适，于是奥本海默想了个主意，他和泰勒说：“小泰啊，现在有个重要的秘密任务要交给你。我看你骨骼惊奇绝对是万里挑一的奇才，所以现在任命你为秘密任务组组长，研究氢弹的重任就交给你了！” 泰勒一听高兴坏了，转头就找人组了个小组开始研究怎么制造氢弹。

因为当时原子弹研究都才刚刚开始，氢弹更是八字没一撇，所以奥本海默想着顺水推舟，没什么问题。可谁曾料到，就在第一颗原子弹爆炸后的第五年，第一颗氢弹就成功试爆。

从这可以看出，研究内容越是困难（尤其是全新的未知领域），确实越适合奥本海默、泰勒这种头脑灵活、敢于尝试的人。

在这之后，虽然奥本海默一直担任普林斯顿高等研究院院长，但是本身的工作重点已经由科研一线转向了对科研人员的管理。同时在防止核扩散方面，奥本海默也一直在积极努力，包括对氢弹研发的极力反对。或许正如他引用《薄伽梵歌》里说的那样：“这一刻，我已成死神，世界的毁灭者。”

参考资料

• [1] https://en.wikipedia.org/wiki/J._Robert_Oppenheimer

• [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Born%E2%80%93Oppenheimer_approximation

• [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Oppenheimer%E2%80%93Phillips_process

• [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Melba_Phillips 

• [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Tolman%E2%80%93Oppenheimer%E2%80%93Volkoff_limit

• [6] https://en.wikipedia.org/wiki/Oppenheimer%E2%80%93Snyder_model

• [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Chandrasekhar_limit

• [8] https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.54.540

• [9] https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.55.374

• [10] https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.56.455

• [11] https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7693/wl20210905

• [12] https://mp.weixin.qq.com/s/DX6SB2EBRNnsYouAn8HRIA

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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