電影《奧本海默》該出場而沒出場的科學家群像(下)

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  • 發文日期:2023-11-14
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上一回阿文列出六位諾貝爾獎得主,雖然參與曼哈頓計畫,卻無緣出現在《奧本海默》這部電影。這一回阿文要繼續介紹五位與故事主軸密切相關,卻依然沒有得到導演青睞而「被消失」的科學家,藉此讓大家對曼哈頓計畫的規模與難度有更進一步的認識。

除電影名外,文中將使用學界的通用譯名「歐本海默」。


首先要介紹的是寫下《弗里施· 佩爾斯備忘錄》的奧托· 羅伯特· 弗里施(Otto Robert Frisch,1907-1995)與魯道夫· 恩斯特· 佩爾斯(Rodulf Ernst Pierls,1907-1995)。這份備忘錄是第一個闡明如何產生核爆過程的文件。他們主張若使用235 鈾,只需要相當小的臨界質量,就能引發巨大的爆炸。弗里施是維也納出生的猶太人而佩爾斯是出生柏林的德國猶太人,佩爾斯是海森堡的學生,當過包立的助理,戰爭爆發時他正在劍橋大學拿著洛克菲勒研究獎學金進行研究。獲得了英國的無限期居留簽證之後,他留在英國並於1937 年就任伯明罕大學數學物理學教授一職。弗里施則是在1933 年納粹掌權後就離開奧地利,他在丹麥波爾研究所待了五年,1939 年中,弗里施離開丹麥,到伯明罕做短期訪問,但是二戰突然爆發使他無法返回丹麥。這就是他們共同撰寫這份重要文件的背景。


後來弗里施一直留在利物浦直到1943年末,繼續研究與鈾連鎖反應相關的散射截面,並開發了一種根據α 射線光譜測量鈾同位素組成的裝置。儘管利物浦時常停電、頻繁遭受空襲,弗里施仍然努力地工作,並獲得當地警察局的許可,讓他待在實驗室工作到很晚。1943 年8 月19 日,邱吉爾和羅斯福在魁北克會議上簽署《魁北克協定》後,英國決定將自己的原子能研究與美國的原子武器項目結合起來。弗里施無法以德國人身份進入美國(因為奧地利被德國兼併了),因此他匆忙歸化為英國公民,然後前往美國。

抵達美國後,弗里施被分配到洛斯阿拉莫斯工作,當時鈾235 和鈽都已投入生產,弗里施的任務是確定要維持連鎖反應所需核分裂材料的數量,也就是臨界質量。這些實驗非常危險,因為金屬的輕微變化可能會引發連鎖反應,使實驗者暴露在致命劑量的輻射中。有一次,弗里施僅僅靠在樣品上就意外地開始了這樣的反應—從他的身體反射的少量中子就足以啟動反應!他稱之為「戈迪瓦夫人集會」(Lady Godiva assembly,Lady Godiva 是反應堆的暱稱)。幸運的是,他意識到發生了什麼事並即時將材料拆開,按照當時的寬鬆標準,他在兩秒鐘內收到了一整天允許的中子輻射劑量。

弗里施建議進行另一項危險的實驗,他打算讓洛斯阿拉莫斯小組盡可能接近引發原子爆炸,而不會真正被炸毀。他採用了實際上會爆炸的鈾235 排列方式,但在其中心留了一個大洞,這樣就不會爆炸。缺失的部分,即一個形狀與孔完全相符的塞子,被放入樣品中。這種佈置將變得至關重要,但隨後插頭會從另一側掉出,反應就會減弱。達到臨界質量的時間不到一秒鐘,這實驗在大約3毫秒的時間內,溫度以每秒2000°C 的速度上升,並釋放出1015 個中子。這項實驗必須得到委員會的批准,並被暱稱為「神龍擺尾實驗」,這是因為委員會的委員費恩曼評論說它就像騷睡龍尾巴的癢。當你玩弄睡龍的尾巴時,你就有可能被烤焦!但該實驗最後獲得了批准,提供了有關連鎖反應的寶貴資訊。


弗里施在1939 年初與阿姨邁特納是第一個了解實驗發現核分裂的團隊,名聲遠播,所以他的名字曝光可能會洩露基地正在進行的研究,而洛斯阿拉莫斯有很多人都叫羅伯特,以至於弗里施在美國時選擇使用了他的中間名奧托。當洛斯阿拉莫斯的員工拿到一個堪用的小型無線電發射器後,弗里施每週都會彈鋼琴,所以他被暱稱為「我們的鋼琴家」而不名。

弗里施說來有點大而化之,當三位一體核測試時,弗里施臨時找不到他的深色護目鏡,因此不得不背對爆炸。他看到了第一朵蘑菇雲,它看起來有點像草莓,或者一頭熾熱的大象站在鼻子上。但是他也是個很感性的人,當原子彈落在廣島時,弗里施看到他的大多數朋友都在慶祝而感到不安,到了長崎原爆時,洛斯阿拉莫斯氣氛丕變,眾多科學家中很少有人認為這次原爆有其必要。戰後弗里施回到英國,落腳於劍橋,重回學界,最後終老於英國。


至於佩爾斯呢?《魁北克協定》簽署後,佩爾斯也被派到美國,格羅夫斯和歐本海默將洛斯阿拉莫斯實驗室所在告知查德威克、佩爾斯和奧立逢特。歐本海默原本希望三人儘快趕赴洛斯阿拉莫斯,但最終的決定是奧立馮特去柏克萊參與電磁分離鈾的計畫,佩爾斯到紐約為氣體擴散出力。可是當歐本海默任命漢斯· 貝特執掌實驗室極富盛名的理論部,負責調查「泰勒-烏拉姆構型」的愛德華· 泰勒對此非常不滿,歐本海默只能將泰勒等人併入費米負責的部門,歐本海默要找人接替泰勒在理論部的職務,只好致信格羅夫斯,要求派佩爾斯來洛斯阿拉莫斯。


佩爾斯於1944 年2 月8 日從紐約趕到實驗室,隨後接替查德威克執掌英國駐洛斯阿拉莫斯代表團。英國代表團四名成員都成為研究組領導人,分別是布雷切爾(超級實驗)、弗里施(關鍵組件與核規範)、佩爾斯(內爆流體動力學)和喬治· 普拉切克(George Placzek,複合武器)。佩爾斯負責設計內爆型核武器中使用的爆炸透鏡,將爆炸聚焦到球形上。他定期向華盛頓特區的英國曼哈頓計畫代表團團長查德威克發送報告,可是當格羅夫斯發現後,他要求佩爾斯也給他發送報告。所以說就算是親密的盟邦,面對原子彈還是爾虞我詐,各懷鬼胎。佩爾斯與弗里施一樣也是1945 年7 月16 日三位一體核試驗現場人員之一,但是他沒忘記他的護目鏡啦!

佩爾斯雖然對曼哈頓計畫貢獻良多,但不幸的是他也是造成曼哈頓計畫維安保密缺口的「罪人」。富赫斯(Klaus Emil Julius Fuchs,1911-1988)是反對希特勒的德國科學家,1933 年為逃避納粹迫害避居英國並在愛丁堡大學獲得科學博士學位(擔任馬克斯·波恩的助手)。1941 年受佩爾斯邀請加入英國原子彈研發計劃合金管工程並成為其最信任的助手,從那時他就向蘇聯提供情報。1943 年,他與佩爾斯同赴美國哥倫比亞大學。次年8 月,他前往洛斯阿拉莫斯參與原子彈研發,在貝特手下工作並負責以內爆方式引爆鈽彈的多項重要機密計算,他還參與氫彈的早期理論發展。二戰結束後,他留在洛斯阿拉莫斯國家實驗室參與「十字路口行動」核武試驗的準備工作。1946 年8 月,受佩爾斯之邀返回英國擔任英國核能研究機構理論物理部主任參與英國原子彈研發項目。當1950 年富赫斯被揭露為蘇聯間諜時,佩爾斯也遭到池魚之殃!更糟的是佩爾斯的太
太來自蘇聯!富赫斯事件讓歐本海默蒙上陰影,佩爾斯難辭其咎呀!佩爾斯終身都活在富赫斯事件的陰影下,比歐本海默還慘。


與弗里施,佩爾斯一樣都見證了三位一體核試爆的歐洲猶太科學家,還有與歐本海默私交甚篤的魏斯考夫(Victor Frederick Weisskopf,1908-2002),他出生於維也納,父母都是猶太人,1931 年在德國哥廷根大學在波恩指導下獲得物理學博士學位。之後隨海森堡、薛丁格、包立和波爾做博士後工作,他的政治嗅覺很靈敏,知道歐洲非久留之地,所以戰前就前往美國。1937 年至1943年間,他擔任羅切斯特大學物理學教授。他跟歐本海默原本在歐洲就認識,所以當魏斯考夫到美國之後,歐本海默邀請他去洛斯阿拉莫斯附近的別墅度假避暑。魏斯考夫把自己在蘇聯不愉快的經驗與歐本海默分享,讓歐本海默遠離了早先共產主義的朋友圈。

1943 年他應歐本海默之邀來到洛斯阿拉莫斯,由於魏斯考夫為人風趣,人緣頗佳,而且早就有美國公民身分,所以當過洛斯阿拉莫斯的民選鎮長。有一次他被告知去距離洛斯阿拉莫斯約五十英里的火車站去迎接英國來的成員,結果發現來的英國訪客帶著和他一樣濃重的德國口音,分別是魯道夫· 佩爾斯、西蒙教授和布拉徹,三個都是逃出歐洲的難民,頗有同是天涯淪落人的感覺!魏斯考夫也是貝特負責的理論組成員,他的小組負責計算三位一體核試爆的詳細計算,他們必須估計特定距離內有多少中子,以及有多少伽馬射線等等。他的同事開玩笑地說要建造一個鐵籠,然後把他關在鐵籠中,放在他宣稱核爆後伽馬射線不再危險的距離處。事實證明魏斯考夫低估了數值,當然啦!這只是玩笑話,核測試時人員都在足夠的安全距離外。

魏斯考夫風趣的性格在回憶他的訪談中展露無遺,他回憶道當時在所有車站之間都有一個無線電對講系統。三位一體核測試團隊選了一個特定波長,這個波長恰好非常接近當地廣播電台的波長,原本這不是問題,因為廣播電台在早上五點才開始發送音樂,而測試計畫原訂在凌晨4 點舉行,不料因為暴風雨讓核爆測試延遲到五點半。結果在倒數時,魏斯考夫居然聽到背景中,da-da dadada da-dum…ba,居然傳來柴可夫斯基的小夜曲!然後就是可怕的爆炸。魏斯考夫回憶道現場的溫度與距離一兩英尺的大壁爐一樣熱。當他看到一道閃光並感覺到臉上的巨大熱量時說道:「天哪,發生了什麼事?」他甚至想說,大氣層是不是被引爆了?測試後大約18 小時,魏斯考夫等一群人前往該地點,前往實際爆炸地點,停留了至少十五分鐘左右。魏斯考夫看到的是一個半徑約200 碼鏡子般的沙子表面,沙子在其中熔化並再次凝固,可謂奇觀。據說格羅夫斯將軍也被帶到那裡,觀察它;但是他的反應居然是:「就這樣而已嗎?」魏斯考夫事後挖苦說:「難不成他以為會有一個洞直通地心嗎?」所以科學家們希望單純展示核爆威力就能讓日本投降是不太可能的事情。雖然魏斯考夫對廣島原爆前沒有先展示而表示遺憾,但是他勉強接受,因此三天後的長崎原爆於他而言根本莫名其妙!他認為沒有政府能在三天內做出結束戰爭的決定,長崎原爆不只是錯誤,甚至是一項犯罪!所以他再也沒有涉及武器研究了。

第二次世界大戰後,魏斯考夫加入麻省理工學院物理系,最終成為該系主任。他在戰前就是量子電動力學的權威,雖然他和他的學生是最早算出蘭姆位移結果的團隊,而且他的結果是正確的,但是由於他的結果與費恩曼,許文格的結果不同而沒有發表,錯失得到諾貝爾獎的機會,儘管他提名了十一次!很可惜,像他這麼有趣的人物沒出現在電影中。


另一位沒有出現在電影中,但是堪稱傳奇人物的是大名鼎鼎的天才數學家馮紐曼(John von Neumann,1903-1957)。他出身於布達佩斯的猶太家庭。1931 年,他成為普林斯頓大學終身教授,1933 年轉入普林斯頓高等研究院,與愛因斯坦等人成為該院最初的四位教授之一。

從20 世紀30 年代末開始,馮· 紐曼在內爆這一難以數學建模的現象方面積累了專業知識,成為聚能裝火藥(shaped charges)相關數學的權威,所以他自然也參與了曼哈頓計畫。他對原子彈的主要貢獻在於爆炸透鏡的概念和設計,沒有這些概念內爆鈽彈是不可能成功的。他的計算表明,如果偏離球對稱性不超過5%,內爆就會發生。最後炸彈專家,喬治· 基斯蒂亞科夫斯基(George
Kistiakowsky)實現了這一目標,並於1945年7 月完成了三位一體炸彈的建造。


1944 年9 月當他訪問洛斯阿拉莫斯時,他證明了如果衝擊波的入射角在90° 和某個極限角度之間,則固體反射爆炸衝擊波所產生的壓力增量會比之前認為的更大。也就是說在目標上方幾公里處而不是地面爆炸,可以增強原子彈的有效性,他確定高度為1,800英尺是最佳引爆高度。馮· 紐曼和其他四名科學家及各種軍事人員還加入了目標選擇委員會,負責選擇日本廣島和長崎作為原子彈
的第一批目標。京都沒有遭受軍事重要城市的轟炸,是馮· 紐曼的首選,曼哈頓計畫領導人萊斯利· 格羅夫斯將軍也贊同這一選擇。然而,這一目標被戰爭部長亨利· 史汀生駁回。馮· 紐曼還負責監督與炸彈爆炸的預期規模、估計死亡人數以及炸彈引爆距離地面的相關計算,以實現最佳衝擊波傳播,從而獲得最大效果,聽起來頗為冷血。


1945 年7 月16 日,馮· 紐曼和許多其他曼哈頓計畫人員親眼目睹了代號為「三位一體」的原子彈爆炸第一次的試驗,地點是新墨西哥州索科羅東南35 英里(56 公里)處的阿拉莫戈多陸軍機場附近的轟炸場。僅根據他的觀察,馮· 紐曼估計該測試產生了相當於5 千噸TNT(21 TJ)的爆炸,費米在衝擊波通過時扔下撕碎的紙片,並觀察他們分散的距離,得出了10 千噸的估計,爆炸的實際威力在20 至22 千噸之間。「千噸」一詞首次出現在馮· 紐曼1944 年的論文中。戰後,當歐本海默評論說參與曼哈頓計畫的物理學家有「惡名昭彰的罪(known sin)」。[ 原文是the physicists have known sin; and this is a knowledge which they cannot lose.] 馮· 紐曼的回應是:「有時有人承認自己的罪過,是為了獲得功勳。」不可不謂辛辣。馮· 紐曼繼續泰然自若地工作,並與愛德華· 泰勒一起成為氫彈項目的支持者。他與克勞斯·富赫斯合作進一步開發核彈,並於1946 年兩人申請了一項名為「利用核能的方法和手段的改進」的秘密專利,該專利概述了使用裂變彈壓縮聚變燃料以啟動核能的方案。富赫斯-馮· 紐曼專利使用了輻射內爆,但與最終氫彈設計(泰勒-烏拉姆設計)中使用的方式不同,富赫斯-馮· 紐曼的研究成果被富赫斯作為其核間諜活動的一部分傳給了蘇聯,但並未用於蘇聯自己的設計中。歷史學家傑里米· 伯恩斯坦曾指出:「約翰· 馮·紐曼和克勞斯· 福克斯在1946 年做出了一項輝煌的發明,本可以改變氫彈的整個發展進程,但直到氫彈問世後才被完全理解。」對痛恨蘇聯的馮· 紐曼一定很不是滋味,馮·紐曼不幸於1957 年英年早逝,享年五十三。

最後一位沒出場而應出場的是費恩曼的指導教授, 約翰· 惠勒(John Archibald Wheeler,1911-2008)。惠勒與愛德華· 泰
勒在1938 年一起研究了波爾的原子核液滴模型,他們在紐約舉行的美國物理學會會議上展示了他們的研究結果。惠勒在教堂山分校的研究生凱瑟琳· 韋(Katharine Way)也發表了一篇論文,詳細介紹了液滴模型在某些條件下如何不穩定,由於模型的限制,他們都錯過了預測核分裂的機會。1939 年,波爾將發現核分裂的消息帶到了美國,波爾告訴了Leon Rosenfeld,Leon Rosenfeld 又通知了惠勒;波爾和惠勒開始應用液滴模型來研究核分裂的機制。

當實驗物理學家研究核分裂時,他們發現了令人費解的結果,鈾似乎在被非常快和非常慢的中子轟擊時會發生分裂。後來他們了解到慢中子造成的核分裂是由於鈾235 同位素造成,而快中子核分裂主要是由於含量豐富的鈾238 同位素造成。他們共同撰寫了另外兩篇關於核分裂的論文,他們的第一篇論文於1939 年9 月1 日發表在《物理評論》上,這一天德國入侵波蘭,第二次世界大戰在歐洲爆發,也是電影中歐本海默的論文被接受的同一天!


日本轟炸珍珠港後不久,惠勒接受了亞瑟· 康普頓的請求,加入芝加哥大學的曼哈頓計畫冶金實驗室。他於1942 年1 月搬到那裡,加入了維格納的小組,該小組正在研究核反應堆設計,他與Robert F. Christy 共同撰寫了一篇關於「溶液中純核分裂材料的連鎖反應」的論文,該論文在鈽提純過程中非常重要,直到1955 年12 月才被解密。美國陸軍工程兵團接手曼哈頓計畫後,將反應堆的詳細設計和建造責任交給了杜邦公司。惠勒成為杜邦設計人員的一員,甚至在漢福德基地於1944 年9 月15 日啟動B 反應堆(其三個反應堆中的第一個)之前,惠勒就擔心一些核分裂產物可能會變成中子毒物,
其積累會阻礙正在進行的核反應堆。中子毒物會通過吸收連鎖反應所需的許多熱中子來進行連鎖反應。在1942 年4 月的一份報告中,他預測只要沒有核分裂產物的中子俘獲截面超過100,000 barn,這將使反應降低到不到百分之一。在反應堆意外關閉並在大約15 小時後意外重新啟動後,他懷疑半衰期為6.6 小時的碘135 及其半衰期為9.2 小時的子產物氙135。氙135 的中子俘獲截面遠超過200 萬個barn,通過添加額外的燃料棒來燃燒中子毒物,這個問題才得到了解決。

惠勒的兄弟喬在義大利作戰,給他寄了一張明信片,上面寫著一條簡單的信息:「快點。」可惜喬於1944 年10 月戰死。「我們在這裡」,惠勒後來寫道:「距離製造出核武器來結束戰爭如此之近。當時我無法停止思考,從那以後也從未停止過思考,戰爭本來可以在1944 年10 月結束。」看來每個科學家在思考原子彈時都脫不了各人特有的處境,反映出人性的複雜。1945 年8 月,惠勒和家人回到普林斯頓,原本準備回到他的學術生涯,但1949年蘇聯原子彈Joe - 1 的試爆促使美國全力開發威力更強的氫彈作為回應。惠勒在普林斯頓大學的系主任亨利· D · 史密斯邀請他加入這項工作,惠勒在與波爾交談後,同意前往洛斯阿拉莫斯。他的兩位來自普林斯頓大學的研究生肯· 福特和約翰· 托爾也加入了他的行列。在洛斯阿拉莫斯,惠勒和他的家人搬進了戰爭期間被歐本海默和他的家人所使用的住所。1950 年氫彈還沒有實用的設
計,斯坦尼斯瓦夫· 烏拉姆等人的計算表明,泰勒的「古典超級核彈」根本行不通。直到1951 年1 月,烏拉姆才提出了可行的設計。1951 年,惠勒獲得布拉德伯里的許可,在普林斯頓建立了洛斯阿拉莫斯實驗室的分支機構,稱為「馬特洪峰計畫」,在惠勒的領導下從事核武器研究。資深科學家對這個項目仍不感興趣,所以他聘用年輕的研究生和博士後來擔任該項目的人員。Matterhorn B(馬特洪峰B)的努力因1952 年11 月1 日在太平洋埃尼威塔克環礁進行的常春藤邁克核試驗的成功而達到頂峰,惠勒親眼目睹了這一情況。Ivy Mike 的爆炸威力估計為10.4 兆噸TNT(44 PJ),估計高出約30%。但是好景不常,1953 年1 月,他在一次夜間火車旅行中丟失了一篇有關鋰6 和氫彈設計的高度機密論文,從而捲入了一次安全漏洞,惠勒最終受到「正式譴責」,但最終相關的官員卻因此去職,這個官員正是告發歐本海默是蘇聯間諜的波登!在泰勒做出對歐本海默不利的證詞前與惠勒談了許久,但是惠勒在歐本海默事件中的角色曖昧不明,不過他既然沒出現在電影中,這段故事自然也不見了。惠勒後來回歸理論物理,貢獻良多,2008 年過世,享壽九十六。

話說回來,電影《奧本海默》算是難得的好電影,只是當時參與的物理學家實在又多又強,難免有遺珠之憾,希望有機會能看到更多物理學家的故事搬上銀幕!也希望這部電影能激起年輕學子的熱情,加入物理的行列。