為什么會讓一個名不見經傳還沒拿過諾獎的人來領導如此重要的項目？奧本海默他到底有何能耐？
不知道電影《奧本海默》大家都看了沒有？不管有沒有看過，“曼哈頓計劃”相信大家都不陌生。加上網上關于《奧本海默》的電影解讀和人物科普隨處可見，所以今天我們就不聊電影劇情，也不聊政治人文，盡量只從科學方面來聊聊奧本海默作為一個物理學家，他在物理學上到底有些什么貢獻。
生于 1904 年的奧本海默，他和泡利、海森堡、狄拉克、費米他們都是同一波的，年齡相差無幾，作為“00 后”可以說他們都是量子時代的“原住民”。
奧本海默從小就是一個愛好廣泛的人，從文學到化學、從歷史到哲學，一直到研究生興趣才開始轉向物理。后來他到了哥廷根大學拜在馬克思?玻恩門下，也是在這里奧本海默結識了海森堡、泡利那些人。
作為搞物理的，奧本海默他和玻爾有點像，都不擅長做實驗，而擅長理論研究。早年間，奧本海默曾專注于研究光譜，經常和泡利一起討論光譜的連續性問題。他還發明了一種方法，用于計算氫與 X 射線的光電效應。通過計算他發現，太陽光符合氫的吸收但不符合氦。多年后人們才發現，構成太陽的元素果然主要是氫。
作為玻恩的學生，奧本海默還與導師一起提出了著名的玻恩–奧本海默近似。玻恩–奧本海默近似說的是，比如在計算某個分子的能級和波函數時，按薛定諤方程我們需要對每個電子以及每個原子核都進行計算。這導致計算過程不僅波函數里變量多得嚇人，整個計算步驟也長得夸張。
然而奧本海默想到:原子核和電子的質量十分懸殊，而且相較于電子，原子核幾乎是靜止不動，所以我們完全可以據此簡化模型，這樣一來計算過程將得到大大簡化。從此，玻恩–奧本海默近似便成了分子物理學中最著名的數學方法之一，之后還廣泛應用于量子化學領域。
就在同一時期，狄拉克首次將狹義相對論和量子力學進行了統一，提出了著名的狄拉克方程。《俗說量子》里我們說過，狄拉克方程有一個十分詭異的解，就是存在一種質量和電子相當，但是卻帶著正電荷的未知粒子。對此狄拉克本人更傾向于它是一種質子，但是奧本海默不這么認為。因為所有實驗都表明質子的質量遠大于電子，所以他斷言:這種帶正電荷的粒子應該是種正電子。果不其然，兩年后卡爾?安德森還真就在宇宙射線中發現了這種正電子。
好家伙，原來宇宙射線里藏著這么多秘密！于是在這之后，奧本海默的興趣轉向了宇宙射線。此后他在這方面做出了重要貢獻，還因為對場電子發射問題的研究促使了“量子隧穿”這一概念的出現。
當時奧本海默已經是伯克利的一名副教授，此時的他仍然保持著廣泛的興趣，他經常在和學生的組會上討論各種各樣的問題。甚至為了閱讀原版的《薄伽梵歌》，他還特地學習了梵文。
奧本海默和學生
不過這些并沒有影響他在量子物理的老本行上繼續產出。他先是以理論物理學家的身份，為勞倫斯的回旋加速器實驗數據提供理論支持，之后又和自己的學生菲利普斯提出了后來被稱為“奧本海默-菲利普斯過程”的核反應理論，該理論成功解釋了勞倫斯實驗中的一些異常結果。這也算是奧本海默在核物理方面的早期貢獻之一，畢竟在那個年代，相較于原子核外的世界，人們對原子核里發生的事還不是那么清楚。
回旋加速器實驗團隊
1936 年，在好友托爾曼的影響下，奧本海默的興趣再次轉向了天體物理，準確來說是理論天文學。理論天文學就是基于物理和化學模型，從原理上描述和解釋天文現象。說白了就是根據已知的天文現象，理論學家們先建立一些理論模型出來，然后天文學家再來看這些模型哪個能更好地預測天文現象。
天文研究往往研究的都是行星、恒星這種大質量天體。在這個尺度上，牛頓的經典力學已經有些力不從心，一些小問題不得不靠愛因斯坦的廣義相對論來修正。但即使這樣，在 20 世紀中葉以前，廣義相對論還是被認為太過怪異，大家更多還是抱著“玩一玩”的態度來對待它，看看用它是否能發現什么新東西。
很快奧本海默從廣義相對論出發，結合他擅長的核物理，在恒星核心穩定性方面做出了一些研究成果。
1939 年前后，奧本海默與他的學生一起連發三篇重磅論文。其中在第二篇《論大質量中子星核》的論文中，奧本海默和他的學生沃爾科夫提出中子星的質量存在一個最大值，如果超過該值中子星將不再保持穩定而會持續坍縮。后來中子星的這個質量上限被稱為“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”，也就是著名的“奧本海默極限”。
那持續坍縮會持續多久呢，總得有個頭吧？第三篇論文給出了答案 —— 沒有盡頭！中子星的質量一旦突破奧本海默極限，此時引力將成為絕對霸主，從此天體內部再也沒有任何力量能夠與之抗衡，因此它會一直坍縮下去，直到史瓦西半徑。
這篇論文的合作者是奧本海默的另一位學生哈特蘭?斯奈德，兩人共同提出了“奧本海默-斯奈德模型”。該模型描述了極端天體是如何一步步坍縮成黑洞的，這篇論文也成了后來預言黑洞存在的重要論文。欸，論跟對導師的重要性，有沒有？
多說一點，奧本海默極限并不像錢德拉塞卡極限那么精確。錢德拉塞卡極限描述的是白矮星的質量上限，大約是 1.4 倍太陽質量，超過這個質量白矮星則會坍縮成中子星。中子星的內部結構非常復雜，可不是大家想象的那樣一大坨中子。加上現實中的中子星大部分都是旋轉的脈沖星，以至于直到今天，對于中子星的物質組成科學家們仍然眾說紛紜。
所以奧本海默的第二篇論文針對的只是非旋轉的理想狀態下的中子星，當時給出的極限值大概在 0.7 倍太陽質量。這個值比白矮星的質量極限還要小，這顯然是不對的。但是奧本海默的思路沒有問題，后來這一極限值被修正到 2.2~2.9 倍太陽質量，對應恒星的初始質量大約在 15~20 倍太陽質量。
剛準備在天體物理上大干一場，結果沒多久美國便開始了“曼哈頓計劃”。在該計劃“一把手”格羅夫斯的強烈推薦下，奧本海默被任命為秘密武器實驗室的主任，負責原子彈相關的技術研發，類似今天公司里的 CTO。
為什么會讓當時名不見經傳的奧本海默來主導這么重要的項目，當時所有人都很疑惑。論技術奧本海默沒得過諾獎，比他專業的大有人在；論管理他從來沒有大型項目的管理經驗，更何況他本身也不擅長做實驗，只能算個理論物理學家。或許正是因為興趣廣泛，奧本海默在學識上非常淵博，加上核物理本就是他的研究領域，所以在設計和建造原子彈這種前所未有的事物上，奧本海默這種“復合型人才”十分合適。當然這里面還有一些除技術外的其他原因，就不提了。
說到這還有個插曲:如同奧本海默被稱為“原子彈之父”，愛德華?泰勒被冠以“氫彈之父”的頭銜。但和奧本海默的任命不同，泰勒的任命可以說頗具戲劇性。
愛德華?泰勒
當時正值原子彈項目初期，泰勒也是其中理論小組的一員。某天組長漢斯?貝特和奧本海默吐槽:“能不能趕緊把泰勒那小子調走！一天天的就他鬼點子多，整得大家都沒法干正事了。”
原來泰勒也是那種思想奔放之人，每天都有新想法冒出來，還總愛和別人討論，所以嚴重影響了項目進度。但是奧本海默和泰勒關系很好，直接把人趕走也不太合適，于是奧本海默想了個主意，他和泰勒說:“小泰啊，現在有個重要的秘密任務要交給你。我看你骨骼驚奇絕對是萬里挑一的奇才，所以現在任命你為秘密任務組組長，研究氫彈的重任就交給你了！” 泰勒一聽高興壞了，轉頭就找人組了個小組開始研究怎么制造氫彈。
愛德華?泰勒
因為當時原子彈研究都才剛剛開始，氫彈更是八字沒一撇，所以奧本海默想著順水推舟，沒什么問題。可誰曾料到，就在第一顆原子彈爆炸后的第五年，第一顆氫彈就成功試爆。
從這可以看出，研究內容越是困難，確實越適合奧本海默、泰勒這種頭腦靈活、敢于嘗試的人。
在這之后，雖然奧本海默一直擔任普林斯頓高等研究院院長，但是本身的工作重點已經由科研一線轉向了對科研人員的管理。同時在防止核擴散方面，奧本海默也一直在積極努力，包括對氫彈研發的極力反對。或許正如他引用《薄伽梵歌》里說的那樣:“這一刻，我已成死神，世界的毀滅者。”
參考資料
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