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揭秘《奥本海默》背后，诺兰没拍出来的故事
近日，由诺兰自编自导的传记电影《奥本海默》在全球上映，使这位被誉为“原子弹之父”的传奇科学家再次进入人们视野。不过，奥本海默的复杂人生经历，使大部分人忽视了他在研发原子弹之外的学术贡献，尤其是在天体物理学等领域的成果。今天，我们就聊聊奥本海默背后的故事。
一生为原子弹煎熬
奥本海默被称为“美国的普罗米修斯”。1942年，他被任命为曼哈顿计划的首席科学家，负责研制原子弹。在电影《奥本海默》中有这么一个细节：曼哈顿计划的军方负责人格罗夫斯曾询问奥本海默，原子弹消灭地球上所有生命的可能性有多大？奥本海默淡然回答：“这种概率近乎为零。”格罗夫斯反问：“近乎为零？零就很好。”
这种想法在今天看来近乎异想天开，但事实上，关于原子弹可能引燃地球的担忧，一直贯穿整个曼哈顿计划的始终。
这是由于奥本海默在曼哈顿计划中发现，在核裂变提供的极端高温条件下，氢等轻原子可以聚合成更重的原子核，从而释放更为庞大的能量。该发现后来促成了氢弹的研发。虽然大气层中的氢含量极少，但引爆原子弹后的高温可能会使水蒸气中的氢原子分离出来，继而引发大规模的连锁核聚变。换句话说，原子弹可能会把地球本身变成一个不断膨胀的大火球。
1945年，奥本海默带领团队研制出世界上第一颗原子弹并成功完成试爆。当巨大的蘑菇云升入新墨西哥州的天空时，奥本海默并未对没有引燃地球而感到欣喜。他后来的形容是，当时他想起了印度史诗《薄伽梵谭》中的一句话：“我现在成了死神，世界的毁灭者”。虽然后人引述这段话时，多为佐证奥本海默的反核立场，但据历史学者引用部分现场旁观者的说法，奥本海默当时脱口而出的其实是一句更俗套的话——“这东西管用”。
1个月后，美军把原子弹投放到日本广岛和长崎，结束了第二次世界大战。此后，奥本海默再也没有从事武器研究。
被遗忘的天体物理学成就
领导曼哈顿计划之前的那段时间，是奥本海默学术生涯中的高光时期，尤其是在天体物理学等领域。想要了解奥本海默在天体物理学方面的贡献，我们先回顾一些物理学知识。
一颗恒星主要由氢和氦等组成，恒星的巨大引力会导致这些物质在恒星核心发生一系列核聚变反应，并释放能量。这些能量提供了恒星内部巨大的向外辐射压力，从而避免了恒星在巨大的引力条件下向内坍缩，这个阶段的平衡状态便是天文学中所说的主序星阶段。
当恒星内部的核反应达到极限时，耗尽燃料的恒星又要依靠什么力量来维持呢？根据泡利不相容原理，在费米子组成的微观世界里，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，它们在一起必然相互排斥。电子、质子和中子都属于费米子，因此都要遵守泡利不相容原理。这种原理下，费米子相互排斥的力量塑造了恒星在耗尽核反应燃料后的命运。
印度裔美国物理学家钱德拉塞卡提出，常规的白矮星会利用电子的简并压力来抵抗其巨大的自身引力，但如果白矮星的质量超过了某个上限，电子就会受到挤压而与原子核中的质子结合，使得白矮星抵抗自身引力的努力失效，引发灾难性的坍缩。钱德拉塞卡在1930年计算出了白矮星的质量上限，也就是“钱德拉塞卡极限”。对于典型的白矮星，“钱德拉塞卡极限”约为1.4倍太阳质量。
奥本海默在1939年与沃尔科夫合作发表的论文中，提出了比白矮星更密集的稳定解决方案——非旋转的中子星模型。该模型利用广义相对论和理想费米气体方程，证明了稳定的非旋转中子星存在质量上限。后来，这个上限被称为“托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限”。
不过，这篇论文只考虑了中子之间的简合压，而忽视了热压与中子之间的强作用力，因此得到的质量上限只有错误的0.7倍太阳质量。而现代核物理学基本可以确定，“托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限”的值应该超过2倍太阳质量。2017年，激光干涉引力波天文台在1.3亿光年之外的NGC4993星系首次探测到两颗中子星的合并事件，那次观察结果表明，中子星的“托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限”可以超过2.17倍太阳质量。
预言黑洞的存在
1939年，奥本海默同他的学生斯奈德合作发表了另一篇开创性论文——《论持续的引力收缩》，将恒星的命运推导到了极致。他们在这篇论文中证明，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”。
该论文利用爱因斯坦的广义相对论，不仅明确提出了黑洞的形成过程，还具体指出了一系列至今都没有过时的黑洞特征。有趣的是，当奥本海默在完成这篇广义相对论框架内的黑洞论文时，提出广义相对论的爱因斯坦却在寻求证明黑洞不可能存在。
3年后，奥本海默前往洛斯阿拉莫斯，在那里巩固了他留给大众的“原子弹之父”的形象。而在物理学家眼中，奥本海默一生中最重要的贡献，则是他证明黑洞必然形成的研究。
杨振宁曾惋惜地评论道：“当1967年他因患癌症去世时，黑洞的存在在天体物理学中还没有被大家普遍承认。假如他再多活5年，黑洞就被大家承认了。”这便是该部电影导演诺兰没有讲到的故事。
来源：“中国航天报”公众号，本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》
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