《奧本海默》：一場核爆的模擬現場

《奧本海默》是一部傳記電影，它講述了美國“原子彈之父”羅伯特·奧本海默在二戰期間領導研制原子彈的過程，以及他在二戰結束后遭遇不公正聽證會的故事。

在影片中，導演克里斯托弗·諾蘭再現了最接近真實核爆的場景，還讓我們看到了微觀世界的原子、分子、能量波的可視化效果，以及對宇宙奇觀的描繪。整部電影圍繞著原子彈核爆試驗之夜，帶領大家事無巨細地參與到研發原子彈的每個工作環節中，見證人類是如何一步步進入原子時代的。

質能方程

1905年，愛因斯坦提出了著名的質能方程E=MC2 ，這也許是你見過的最簡單的公式之一，但它的意義卻是開創性的。愛因斯坦第一次揭示了質量和能量的關系，自此，質量和能量兩個看似毫不相干的基本物理量，實現了相互轉化的可能，這為人類進入原子能時代奠定了理論基礎。

核裂變

1914年，著名小說家赫伯特·喬治·威爾斯在讀了弗雷德里克·索迪的科學論文《鐳的闡明》后，寫出科幻小說《獲得自由的世界》，描寫了一場全球性戰爭，在這場戰爭中，一座座城市被一種大規模殺傷性武器摧毀，威爾斯給這種武器取名“原子彈”。

然而，即便是提出質能方程的愛因斯坦，在很長一段時間內，也認為核能無法被利用，因為沒有人能夠分裂原子。直到1932年，英國物理學家約翰·道格拉斯·考克饒夫和愛爾蘭實驗物理學家瓦爾頓設計了第一臺高壓加速器，通過加速質子撞擊鋰原子核的方式，實現了第一次人工誘發的核反應。同年，英國物理學家詹姆斯·查德威克發現中子可以替代帶有正電荷的質子，不帶電荷的中子成為最理想的“裂核武器”。

在高中物理教材中，我們可以學到核裂變的基本原理：當中子撞擊原子核時，原子核會分裂，這個過程中會出現質量虧損。根據質能方程E=MC2，這部分虧損的質量會以巨大的能量釋放，而這個能量就是我們所說的核能。

1933年，核物理學家利奧·西拉德在看完《獲得自由的世界》后提出，如果能找到一種元素，在用中子來分裂它的原子核的同時又能釋放出多個中子，而釋放的中子再去撞擊其他原子核，從而發生連鎖反應，不就能夠造出小說中所說的原子彈嗎？

1938年，德國化學家奧托·哈恩進行了著名的“鐳鋇間皮分餾”實驗，在用中子轟擊鈾后，原子核分裂，產生了許多β放射性核素，其中之一是放射性鋇。1939年，哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼第一次使用術語“鈾裂變”來形容這一過程，他們預測存在釋放的中子，指出在裂變過程中會發生連鎖反應。這讓科學家們意識到西拉德的想法確實能夠實現，通過鏈式核反應，原本存在于小說中毀天滅地的炸彈將會出現在現實中。

“曼哈頓計劃”與“鈾俱樂部”

當第二次世界大戰爆發，流亡美國的愛因斯坦意識到，一旦被德國率先研發出原子彈，戰爭的局勢將變得無可挽回。于是，在他的帶領下，一眾科學家聯名寫信給當時的美國總統羅斯福，建議啟動原子彈的研發與制造計劃。而這就是后來大名鼎鼎的“曼哈頓計劃”的由來，該計劃的領導人正是奧本海默。與“曼哈頓計劃”相對應的，則是由德國科學家沃納·海森堡領導的“鈾俱樂部”計劃。第一枚原子彈爆炸進入倒計時。

點燃大氣

在原子彈真正被制造出來之前，“曼哈頓計劃”的科學家意識到一種非常可怕的風險：原子彈爆炸靠的是核裂變，但在爆炸時產生的高溫中，氫等較輕的原子核可能聚變成更重的原子核，并釋放大量能量，他們推測，如果由此引發不可控的鏈式反應，海洋和大氣也許都會被點燃。

電影中也對這一風險有著重要的描述，奧本海默為此陷入猶豫和迷茫，好在后來通過計算證明了這一擔憂是多余的。現實中，一份解密檔案資料顯示，“曼哈頓計劃”的科學家總結了當時的相關計算，最終得出結論：不管加熱到什么溫度，大氣層都不可能被點燃發生鏈式反應，就算是體積大于1000立方米的超級核彈，康普頓散射理論（指高速電子與光子的碰撞，能量從電子向光子的轉移，會消耗鏈式反應所需的熱量）也會提供額外的安全保證。

臨界質量

其實，無論是“曼哈頓計劃”還是“鈾俱樂部”計劃的科學家，對于制造原子彈的方法都很清楚，那就是搜集足夠多的核裂變材料，然后用中子進行轟擊，引發鏈式反應，不斷釋放能量，最終毀滅一切。然而，沒有人知道引發鏈式反應究竟需要多少裂變材料，這個數量被稱為臨界質量，也就是剛好能維持原子核鏈式反應所需的最低質量。不同的可裂變材料，受核子的性質（如裂變橫切面）、物理性質、物料形狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等因素影響，而產生不同的臨界質量。

電影中，奧本海默分別選擇了鈾-235和钚-239兩種材料，其中鈾-235采用槍式結構引爆，而钚-239采用內爆式結構，制成的原子彈即后來在日本投下的“小男孩”和“胖子”。

根據洛斯阿拉莫斯實驗室的計算結果，鈾-235的臨界質量為52千克，钚-239的臨界質量為10千克。而同期海森堡提交的報告上，卻得出了不同的結果，認為鈾-235想要達到臨界質量至少需要13000千克。隨著挪威重水生產廠被盟軍摧毀，戰時的德國再也無力承擔原子彈的研發公務，自此，“鈾俱樂部”計劃陷入停滯。

關于海森堡為何會得出如此結果，原因令人困惑，如今回頭去看，海森堡作為一名頂級物理學家，所謂的不擅長數學也是看和誰比。這一謎團也被稱為二十世紀科學史上最大的謎題——“海森堡之謎”。

“三位一體”核試

1945年5月7日，經過三年努力，代號“三位一體”的人類史上首次核彈爆炸試驗成功，現場留下一個直徑76米、鋪滿玻璃結晶的巨坑，爆炸時的蘑菇云高達12千米。當奧本海默看到核爆場景，腦中浮現的是印度《薄伽梵歌》中的文字：“千百烈日當空爭輝，或許可與至尊者那宇宙形象中的光芒相提并論。”

盜火者

電影將奧本海默比喻成“為人類盜取火種的普羅米修斯”，也暗示了他的結局：美蘇爭霸，冷戰鐵幕下，麥卡錫主義盛行，由于他本人特殊的立場與人際關系，奧本海默最終被剝奪安全許可，并被罷免了原子能委員會顧問主席的職位，直到2022年年底，這一決定才被政府撤銷，他才被正名。