電影《奧本海默》該出場而沒出場的科學家群像(上)

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2023-10-31
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這個暑假最熱門的電影《奧本海默》已經上映好一陣子,相信許多看官都去看過了。難得有大導演對物理學家有興趣,身為物理專業研究人員的阿文自然要趁這個機會來沾光。這部片長達三小時的鉅作果然氣象恢宏,令觀眾目眩神搖,整個片子傳達的訊息也是異常沉重。不過阿文看完電影之後,有些話如梗在喉,不能不說,所以借著雙月刊的專欄一角,抒發一下我的一些想法,順便也替這段波瀾壯闊的歷史補充一些註腳。

註 除電影名外,文中將使用學界的通用譯名「歐本海默」。

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阿文大概最受不了的是有些重要的人物居然憑空消失啦!當然,從觀眾的角度來看,這部電影出現的人物多到一個不行,要搞清楚誰是誰,已經非常燒腦,讓人大呼吃不消,但是從我們的角度看,可就大異其趣了。電影在負責保密的軍官用了許多篇幅,反而沒將時間留給曼哈頓計畫中有很多貢獻的科學家,而且還是歐本海默互動密切的科學家。所以阿文在這裡是要替這些沒出場的科學家們發聲一下,也讓各位看官對曼哈頓計畫的規模與難度有更深的體會。


這些被導演給「抹殺」的科學家之中,最重要的一位應該是亞瑟· 康普頓(Arthur Holly Compton,1892-1962)。康普頓其實應該至少出現在這部片子的兩個場景中,但是他這個人的戲分整個「不見」,所以顯得格外突兀。舉例來講,許多人看完電影之後,印象最深的一場戲,就是歐本海默聽了愛德華· 泰勒的警告以後,跑去普林斯頓徵詢愛因斯坦的那一幕,但是歐本海默徵詢這件事的對象,其實並不是愛因斯坦,而是亞瑟·康普頓!另外一幕重頭戲就是由戰爭部長史汀生主持的暫定委員會在1945 年5 月31 日與科學家討論如何使用原子彈的會議中,出席的四位科學家是歐本海默、費米、勞倫斯與康普頓,結果影片中只出現三位!阿文不免好奇,大導演諾蘭為何把康普頓這個超重量級人物給刪掉。

事實上康普頓算得上是整個美國原子彈計畫的靈魂人物,早在1941 年4 月,戰時的美國國防部科研委員會(National Defense Research Committee,NDRC)首腦萬尼瓦爾·布希就籌建了一個由康普頓領導的特別委員會針對科研委員會的鈾項目(NDRC uranium program)做出報告。為什麼找康普頓呢?因為當時在世的美國物理學家中,得過諾貝爾物理獎的只有密立根(1923 年得獎)、康普頓(1927 年得獎)、安德生(1936 年得獎)與勞倫斯(1939 年得獎)四位。其中密立根不只已經高齡七十,而且密立根還是人類改善基金會(HBF)的成員。HBF 廣泛主張對殘疾人強制絕育,並積極支持納粹德國1933 年強制絕育法,所以帶領美國的核武器這個重責大任自然落到康普頓身上,而康普頓和密立根關於宇宙線性質的辯論使得兩人勢如水火,所以密立根的學生安德生也沒參與原子彈計畫。〔康普頓的學生阿爾瓦雷茲畢業後
到柏克萊加入了勞倫斯的團隊,電影中理髮理到一半跑去通知歐本海默的人正是阿爾瓦雷茲。阿爾瓦雷茲不只參加曼哈頓計畫,他還搭上轟炸機「偉大藝術家」號伴隨「艾拉諾· 蓋」號記錄廣島原爆的過程。有興趣的看官請參考阿文之前寫的「阿爾瓦雷茨的斜槓人生(上):從雷達到原子彈」一文。〕康普頓也的確盡心盡力,不負所託。他在1941
年5 月提交的報告中預見了使用鈾- 235 或新近發現的鈽製造核武器的開發前景。他在十月份又著手撰寫了一份有關原子彈可行性的報告。在這份報告中,他與恩里科· 費米一起計算了鈾- 235 的臨界質量,保守估計臨界質量會落在20 千克至2 噸之間。他還與哈羅德· 尤里討論了濃縮鈾的實現前景,與尤金· 維格納商談關於如何使用核反應爐生產鈽,並且與羅伯特· 賽培爾說明了如何將反應爐中的鈽從鈾中分離出來。他在1941年十一月提交的報告認為製造原子彈是可行的,但有關原子彈的破壞力,他的估計要比馬克· 奧立馮特等英國同行預估的要保守一些。電影中,歐本海默與暫定委員會在會議中宣稱原爆將會造成兩萬人死亡,其實是康普頓的估計,與這個過程相關的人物中,萬尼瓦爾· 布希、費米與羅伯特· 賽培爾在電影中都有露臉,但是哈羅德· 尤里、尤金·維格納與馬克· 奧立馮特都被諾蘭給省略掉了,我們回頭再來談談他們。

康普頓在1941 年十一月提交的報告最終版本中並沒有提到使用鈽,但在與歐尼斯特· 勞倫斯討論當時在勞倫斯的實驗室的西博格與麥克米蘭最新的相關研究進展之後,最終他認為鈽彈可能實現,甚至認為製造鈽彈比鈾彈更有機會成功,因為鈽與鈾化學性質不同,所以在反應爐中生成鈽後可以輕易分離而得到遠大於鈾- 235 的鈽- 239。這是個攸關日後世界局勢發展的重大決定。同年12 月,康普頓成為鈽計畫的負責人,他希望能在1943 年1 月實現人工誘導的可控連鎖反應。為了這個實現目標,他將哥倫比亞大學、普林斯頓大學以及加州大學柏克萊分校等地的研究鈽與核反應爐設計的團隊全都整合成芝加哥的冶金實驗室。這個實驗室要實現的目標包括建造將鈾轉化為鈽的反應爐,尋找將鈽從鈾中分離出來的化學方法以及設計製造原子彈。1942 年6 月,美國陸軍工兵部隊接管了核武器開發項目,而康普頓的冶金實驗室也順理成章變成計畫的一部分。同月,康普頓授權歐本海默設計原子彈,冶金實驗室的各位科學家設計出不同類型的反應爐,
儘管當時還沒有建成任何反應爐,康普頓擁有決定哪種類型值得繼續發展的最終權力,由此可見他在整個曼哈頓計畫中的份量。

康普頓知道出於安全和保障的考慮,核反應堆實驗設施不宜設在人口稠密的芝加哥。所以他在阿貢森林中選擇了一個地點,該森林是庫克縣森林保護區的一部分,位於芝加哥市中心西南約20 英里(32 公里)處,稱為地點A。戰爭部在戰爭期間從庫克縣租用了1,088 英畝(440 公頃)的土地,另加一美元租用一年。1942 年9 月開始興建實驗室、服務大樓和通道在內的設施,本來預計在1943 年初完工,但由於難以招募到足夠熟練的工人,所需的建築材料也缺貨,阿貢的建設進度嚴重落後,所以當得知費米準備的反應堆材料將在新結構完工之前準備就緒時,康普頓批准讓費米在芝加哥大學斯塔格場看台下建造反應堆的提議。該反應堆被稱為芝加哥一號堆Pile-1(CP-1), 於1942 年11 月16 日上午開始建造,這項工作按照12小時輪班進行。在費米的指導下,反應堆於1942 年12 月2 日進行了臨界實驗,實驗成功之後,康普頓興奮地打電話給當時的哈佛大學校長科南特(James Bryant Conant):
「吉姆,你應該會有興趣知道,義大利
航海家剛剛登上了新大陸了!」
「是嗎?」科南特興奮地回答:「當地
土人可還友善?」
「全員安全登陸,樂得很!」
反應堆1 號成功之後,橡樹嶺的實驗室也逐漸就緒。康普頓於是安排馬林克羅特公司執行鈾礦的濃縮,派任杜邦公司負責位於田納西州的橡樹嶺鈽反應爐的部分工程。康普頓自己在1944 年9 月到達漢福德區,監督反應爐運行的啟動。第一批鈾錠在該年的十一月注入B 反應爐。反應爐產生的鈽從1945 年2 月開始運往洛斯阿拉莫斯。1945 年5 月31 日他也出席了在五角大廈那場決定原子彈要如何使用的會議,可以說康普頓從頭到尾參與了美國的原子彈計畫,而他的長兄卡爾還是暫定委員會的一員。卡爾的博士指導教授是晚他弟弟一年拿到諾貝爾物理獎的英國科學家歐文· 理查森,卡爾曾於1930 年至1948 年任麻省理工學院校長。卡爾在戰後到日本視察,事後寫了一篇文章,他發現日本人抵抗到底的決心比他想像得還強,而促使天皇下定決心投降的關鍵除了蘇聯參戰之外,日本不確知美國手上還有多少原子彈也是原因之一。當然電影中提到的原子彈是否會點燃整個地球的大氣層這件事,發生在1942 年,事後在1959 年的訪談中,康普頓回憶道,他仍然批准正整個計畫持續進行,因為他確信點燃大氣層的可能性低於三百萬分之一。既然康普頓整個人的戲份都消失了,所以這一段自然也不會出現在電影中。

另外一個重量級人物遭到諾蘭「毒手」的是義大利物理學家塞格雷(Emilio Gino Segrè,1905-1989),而他偏偏是整個內爆式鈽彈發展故事的關鍵人物。三位一體核試爆雖然是整個影片的重中之重,但是觀眾從頭到尾都搞不清,為什麼曼哈頓計畫要花那個多工夫搞這個內爆。事實上曼哈頓製造了兩種原子彈,一種是鈾235 彈,一種是鈽239 彈,觀眾只看到兩個玻璃缸,歐本海默一直往裡頭丟玻璃珠,但是這兩種武器有什麼差別?一言以蔽之,鈾彈採用槍式設計,原本鈽彈也打算採用相同的設計,但是後來發現鈽彈無法採用最簡單的槍試設計,歐本海默只好硬著頭皮把原本當作備案的內爆設計拿出來用,而發現鈽彈無法採用槍式設計的,正是塞格雷!

塞格雷是義大利的猶太物理學家,他是費米的學生,1938 年在訪問勞倫斯的實驗室時由於義大利法西斯政府通過種族法而失去巴勒莫教席,不得已只好留在美國,而後也參加了曼哈頓計畫。他在1944 年4 月發現從橡樹嶺的X- 10 石墨反應爐產生的鈽與先前從加速器產生的少量的鈽性質不同!反應爐產生的鈽,自發核分裂速率是加速器產生的鈽的五倍!塞格雷仔細研究後發現反應爐產生的鈽含有大量的鈽- 240。這種同位素自發核分裂速度極快,如此一來,槍式設計的
鈽彈會因為兩塊鈽塊一接觸,由於核分裂速率太快,產生的能量會吹散原本預計達成臨界質量的鈽塊而停止連鎖反應!歐本海默不得已只能在1944 年7 月下定決心,停止開發槍式設計的鈽彈。內爆型鈽彈是個艱辛的挑戰,雪上加霜的是,內爆小組還在陣前換將,就在一個月前的1944 年6 月中旬,內爆小組的負責人內德米爾剛被撤換。1944 年6 月15 日,炸藥專家,基斯蒂亞科夫斯基成為新的E - 5 小組的負責人,可以想像歐本海默當時受到多大的壓力了。


內爆的原理是透過外圍的炸藥同時引爆產生震波將鈽核心壓縮到所需的密度,這樣就不用擔心太過旺盛的核分裂會將鈽
塊吹散。但是技術上這需要同時引爆32 個炸藥在球形核心周圍,在1 微秒內同時爆破!為了確定內爆這個想法可行,曼哈頓計畫特定執行了放射性鑭測試(Radioactive Lanthanum,RaLa),目的是研究匯聚震波,從而研製出核武器鈽彈芯壓縮所需的球形內爆。這項實驗使用了大量的短壽命放射性同位素鑭- 140,該物質能產生大量的伽馬射線,當內爆發生時,這些伽馬射線會因為金屬殼向內擠壓而變弱。這個實驗是由義大利實驗物理學家布魯諾· 羅西(Bruno Benedetto
Rossi)領導的團隊研發,測試雖然很成功,但還是無法保證到時候鈽彈的內爆真的奏效。三位一體核爆試驗正是為了要確認內爆是可行而舉行的,當然這一段也沒出現在電影裡,布魯諾· 羅西這位威尼斯出身的猶太科學家也沒有機會上場了。塞格雷的小組後來被指定為R- 4,負責測量三位一體核試驗中的伽馬輻射,雖然爆炸的威力損壞或摧毀了大部分實驗儀器,但還是量到足夠的數據來決定核試爆放出的伽馬射線。

其實塞格雷與歐本海默之間有一段頗為感人的橋段,1944 年6 月,塞格雷被叫到歐本海默的辦公室,並被告知雖然他的父親很安全,但他的母親已於1943 年10 月被納粹圍捕。塞格雷至此之後再也沒有見過他的父母,他的父親於1944 年10 月在羅馬去世。塞格雷後來歸化成為美國公民,後來因為發現反質子而得到1959 年的諾貝爾物理獎。阿文曾為他寫了一篇「善用加速器的魔法師:
塞格雷」,看官不妨參考一下。


曼哈頓計畫中有許多從歐洲逃難來到美國的猶太科學家,在電影中露過臉的漢斯·貝特、利奧· 西拉德、愛德華· 泰勒之外,還有一位重量級的猶太科學家,也完全沒出現在影片中,他就是尤金· 維格納(Eugene Paul Wigner,1902-1995)。維格納與西拉德、愛德華· 泰勒同是出生於匈牙利,在德國受教育的猶太科學家,當年西拉德去找愛因斯坦寫信給羅斯福總統時,維格納與泰勒其實也跟著一起去。維格納是將群論應用到量子力學的偉大理論物理學家,但是他同時也在曼哈頓計畫中扮演一個重要的角色。他負責芝加哥大學CP- 1 反應堆的設計,他主張採用石墨當作中子減速劑而非如德國採用重水,這一點也很關鍵。電影中波爾告訴曼哈頓計畫人員德國採用重水時,底下一片歡呼,因為重水取得困難,相對的石墨取得容易多了。為了慶祝他們的成功,維格納打開了一瓶他幾個月前為慶祝這一活動而購買的奇揚地(Chianti)葡萄酒,這群人默默地用紙杯喝著奇揚地酒,把瓶子互相傳遞並在包裝上簽名。二十年後,在CP - 1 參與者的一次聚會上,印出了所有在奇揚地酒瓶上簽名的人的名單,所有出席那次聚會的先驅者都在上面簽上了自己的名字,可惜!這個場面也沒出現在電影中。

當軍方決定將第一個蓋在漢瑞德(Hanford Site)的大規模反應爐交給杜邦公司去蓋的時候,維格納覺得自己受到忽視,威脅著要辭職,被康普頓安撫之後便去渡假了。但是這個被稱為B 反應爐完成時卻出了問題,運轉到特定程度時連鎖反應卻逐漸減緩,直到停止,這是肇因於在反應爐運作過程中出現氙135,而氙135 的中子吸收截面很大,這表示它會吸收許多中子,造成連鎖反應變慢,甚至停止。如果依照維格納原始的設計,這個問題不會如此嚴重,雖然後來杜邦克服了這個問題,但是計畫也被迫延宕。原子彈的研發過程遠比電影描述地艱辛許多,想來導演也不想花太多篇幅在此,因為這個電影片長三小時,若是再加上這些過程,就要變成影集了。

維格納雖然早就有資格問鼎諾貝爾獎,卻一直等到1963 年,由於「在原子核和基本粒子物理理論上的貢獻,尤其是基本對稱原理的發現與應用」,與歐本海默在哥廷根的同學,瑪麗亞· 格佩特- 梅耶(Maria Goeppert Mayer)和參加過德國原子彈計畫的約翰內斯· 延森(Johannes Hans Daniel Jensen)一同獲得諾貝爾物理學獎。維格納自己聲稱從未預料到自己會獲獎,他的反應頗為有趣:「我從沒料想到我會在沒做壞事的情況下登上報紙。」由於維格納與歐本海默的互動遠比康普頓、塞格雷少得多,所以沒出現在電影也是意料中事。

製造鈽的過程中,還有兩位重要的化學家,分別是發現九十三號元素的麥克米蘭與發現鈽的西博格,他們在1951 年榮獲諾貝爾化學獎,他們的科學成就在阿文之前寫的「榮獲諾貝爾化學獎的物理學家們」與「週期表背後的物理學家(四)巧奪天工的人工合成元素」這兩篇文章有更多著墨,就不在此贅述了。兩人在戰前都在勞倫斯柏克萊的輻射實驗室工作,西博格後來都在芝加哥冶金實驗室從事製造鈽的相關工作,沒出現在電影中也算合理;但是麥克米蘭沒出現就有點不合情理,因為早在1942 年9 月,歐本海默就招募麥克米蘭加入曼哈頓計畫,11 月他還陪同歐本海默前往洛斯阿拉莫斯牧場學校場勘,後來那裡成為洛斯阿拉莫斯實驗室,推薦炸彈專家喬治· 基斯蒂亞科夫斯基給歐本海默的也是他。當1944 年7 月,歐本海默放棄槍式鈽彈,全力推動內爆鈽彈後,麥克米倫作為G- 3 小組的負責人負責取得三位一體核試爆的測量值和計時,這種重量級人物,但是居然一個鏡頭也沒有,似乎令人有點納悶。

說到諾貝爾化學獎得主,還有一位也是不能不提,就是在哥倫比亞大學負責利用氣體擴散來分離鈾235 與鈾238 的哈羅德· 尤里,他在同位素方面的開創性研究使他因發現氘而在1934 年獲得諾貝爾化學獎。1923年獲得博士學位後,他獲得美國-斯堪地納維亞基金會的獎學金,在哥本哈根的波爾研究所學習。1931 年,他開始同位素的分離工作,最終發現了氘。第二次世界大戰期間,
尤里將他在同位素分離方面的知識轉向鈾濃縮的問題,他早在1941 年就是S - 1 執行委員會的成員,當時曼哈頓計畫八字都還沒一撇呢!尤里領導位於哥倫比亞大學的小組,開發使用氣體擴散法的同位素分離;他在哥倫比亞大學的團隊同時負責製造重水,其實整個電影都沒提到哥倫比亞團隊,未免也太大小眼了點。

除了康普頓、塞格雷、維格納、麥克米蘭、西博格還有尤里這些諾貝爾獎得主之外,曼哈頓計畫中還有不少科學家也扮演吃重的角色,也與歐本海默關係密切,但是通通從電影中人間蒸發,這就留在下一篇,讓阿文為您細數他們的功績了。各為看官,敬請下回分解囉!