文｜高崇文（中原大學物理系教授）
隨著大導演諾蘭的新片上映，奧本海默這個沉寂已久的名字一夕之間又浮上大家的腦海了。隨著廣島長崎原爆78周年逐漸逼近，再加上去年2月烏克蘭戰爭剛爆發時，俄羅斯方面持續的核恫嚇，那個似乎早已遠去的恐懼再次襲上許多人的心頭。
當然，諾蘭這部長達3小時的巨作包含了許多提得討論的議題，但是基於筆者的專業，在這裡先提供兩點澄清以及一點補充，不管有沒有看過這部電影的觀眾，應該都能得到一些有用的資訊。
➤毒蘋果與《哥本哈根》
首先要澄清的是，尼爾斯．波耳（Niels Bohr）並沒有差點吃下那顆毒蘋果！電影描寫奧本海默到了劍橋以後，面對他不擅長的物理實驗，搞到差點崩潰，結果他居然把蘋果泡在氰化物，放到他的導師布萊克特（Patrick Blackett）的桌子上，這一段是真實事件。
跟蘋果無關的波耳（左）與差點吃到毒蘋果的布萊克特。（圖源：wikipedia/Av Walter Stoneman/National Portrait Gallery.）事實上，奧本海默的父親為此趕到劍橋，總算說服校方沒把寶貝兒子移送法辦，但奧本海默也被迫去看精神分析師。不過電影中，為了戲劇效果，安排大科學家波耳差點咬下那顆蘋果，這可就完全是電影的杜撰了。波耳在曼哈頓計畫中的重要性不容小覷，可惜電影限於時間，沒有辦法詳述，所以讓筆者在此交代一下。
波耳雖然以他在量子物理的開創性貢獻聞名於世，其實他也是最早研究原子核結構的先驅。他與美國物理學家，也是費曼的博士導師惠勒（John A. Wheeler）一起在二戰爆發當天，刊出解釋為什麼慢中子撞擊鈾235會產生核分裂，而鈾238卻不會發生核分裂的重要論文。但更重要的是，他是大戰期間盟軍得到德國原子彈計畫的情報來源之一。
1941年9月，與波耳情同父子的德國物理學家海森堡（Werner Heisenberg）到哥本哈根與波耳見面。但這次見面對兩人而言都十分尷尬，因為1940年4月，丹麥已經被納粹德國佔領了，而波耳的母親埃倫．阿德勒．波耳（Ellen Adler Bohr）出身於一個在銀行業和政界都聲名顯赫的猶太富商家族，依照納粹的標準，波耳也是猶太人，自然也是可能遭到迫害的對象。
波耳與海森堡的談話圍繞著德國正在進行中的原子彈計畫，氣氛更為凝重，最後不歡而散。後來波耳於1943年逃離丹麥，抵達瑞典。當波耳逃離丹麥的消息傳出後，英國馬上安排他來到英國。波耳乘英國海外航空所屬的一架德哈維蘭蚊式轟炸機10月6日抵達蘇格蘭。
途中由於飛行帽尺寸不合適，波耳沒有把飛行帽帶上，因此沒有聽到飛行員指示把氧氣面罩帶上，導致飛機在飛經挪威上空時，由於爬升至較高的飛行高度，波耳因高空缺氧而暈了過去。飛機飛到北海上空後，由於飛行高度略微下降，他才醒過來，可說是九死一生。後來他又前往美國，多次造訪拉斯阿摩斯實驗室。
電影中波耳告知奧本海默，海森堡告訴他德國的原子彈計畫並不如預期順利。事實上，美軍是到戰爭相當末期才得到確切的情報。海森堡與波耳在1941年的那次會面，由於兩人事後的回憶南轅北轍，所以被劇作家麥可．弗萊恩（Michael Frayn）寫成戲劇《哥本哈根》，成為科學史上有名的羅生門。
➤毀滅世界的300萬分之一
另一件需要澄清的是，當愛德華．泰勒（Edward Teller）提出原爆是否會造成大氣層發生大規模核融合的警告時，奧本海默求助的對象並不是電影中所說的愛因斯坦，而是亞瑟．康普頓（Arthur Holly Compton）。由於康普頓這個角色在劇中沒上場，導演只好安排讓愛因斯坦來露一下臉。
其實在美國的原子彈計畫中，康普頓是與勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence）平起平坐的大咖人物。但是由於這部電影人物太多，所以只好讓他消失了。康普頓本身是1927年的諾貝爾獎得主，是他決定要發展以鈽239為原料的核彈。由於鈽可以用化學方法與鈾238分離，而鈾235，由於化學性質與鈾238完全相同，必須用非常昂貴的方法分離出來，所以曼哈頓計畫只產生64公斤的鈾235，只能做一顆原子彈，所以決定發展鈽彈，影響非常重大。
康普頓在芝加哥大學成立冶金實驗室，還決定在芝加哥大學球場看台下建造首個核反應爐芝加哥1號堆（Chicago Pile-1）。芝加哥1號堆在費米（Enrico Fermi）領導下，於1942年12月2日第一次成功地引發人工的連鎖核反應，康普頓的份量可見一斑。
至於原爆是否會造成大氣層發生大規模核融合這件事，根據科學家漢斯．貝特（Hans Bethe）的回憶，當時他針對兩個氮原子融合成一個碳加一個氧的核反應，簡單地算了一下，很快就得到泰勒這個考量是危言聳聽的結論。
貝特還提到，計畫中另一個重量級人物費米也不相信原爆會造成大氣層的核融合，他還在三位一體的核試前故作輕鬆，建議來打賭這件事會不會發生呢。導演諾蘭在接受專訪時特別提到這段插曲，因為這正是他拍攝這部電影的動機之一：要探討科學家冒著毀滅世界的風險，仍然堅持製造核彈的心情。
這聽起來的確很聳動，但是，根據康普頓在1959年的訪談，他回憶道，當年他批准繼續推動曼哈頓計畫是因為，原爆會造成大氣層核融合的機率低於300萬分之一！儘管電影裡也不斷強調毀滅世界的極低機率，但不等於0的懸念焦慮，顯然與當時科學家的冷靜並不相符。
➤槍式與內爆，一枚鈾彈一枚鈽彈
提到三位一體核試（Trinity），可以算是這部電影的一大焦點。儘管畫面驚心動魄，但是電影沒有交代得很清楚，為何鈽239無法採用簡單的槍式設計，而必須採用非常複雜的「內爆」設計。就是科學家對這個設計沒有足夠的信心，才不得不實行這次核試。所以筆者在這裡要做個補充。把來龍去脈交代清楚。
槍式核武器是利用一般炸藥將一塊次臨界物質射向另一塊可裂變物質從而使裂變物質達到臨界質量。（圖源：wikimedia）原先採用鈽239的鈽彈設計，也是採用與鈾235相同的設計，稱為「瘦子」（Thin man）。1943年11月4日，橡樹嶺國家實驗室使用氣冷的X-10石墨反應爐生產了首批反應爐合成鈽之後，眼看大功即將告成，不料1944年4月，費米的學生、後來也得到諾貝爾獎的塞格雷（Emilio Gino Segrè）發現一個嚴重的問題——
橡樹嶺核反應堆生產的第一個樣品鈽於1944年4月送到拉斯阿摩斯，幾天之內，塞格雷小組觀察到自發核分裂的速率是迴旋加速器生產的鈽的5倍。鈽放出中子的速率太快，會提早啟動連鎖反應。釋放的能量會吹散周遭尚未發生核分裂的鈽，這樣就無法達到臨界質量了！
使用鈽的槍式設計無法讓核分裂達到臨界質量。圖為槍式鈽原子彈「瘦子」的殼體（圖源：wikimedia）塞格雷的小組得出結論：鈽樣本的核分裂活動增加是由於鈽240所致。從加速器生產的鈽中，鈽240的含量遠低於用反應爐產生的鈽，所以之前他們都沒發現這個問題。而鈽240自發核分裂速度遠高於鈽239，無法用化學方法來分離它們，所以這下問題大條了。1944年7月，奧本海默決定停止在鈽的槍式組件，這是曼哈頓計畫最大的危機！
這時候，原本當作備案的「內爆」就浮上檯面了。所謂「內爆」是使用化學炸藥，將鈽239的亞臨界球體壓縮成更緻密的形式。當鈽原子靠得更近時，中子捕獲率增加，系統就會達到臨界質量而爆炸。
一開始，只有內德米爾（Seth Henry Neddermeyer）敦促全面發展內爆並應用到原子彈。
儘管許多人不覺得內爆可行，但奧本海默還是任命內德米爾為測試內爆小組負責人。到了1943年9月，內德米爾的團隊已經從5人增加到50人。那個月，美籍猶太裔數學家馮紐曼（John von Neumann）應奧本海默的要求來到了洛斯阿拉莫斯，創建一個可靠的內爆數學模型，使內德米爾能夠提出一個大大擴展研究計劃的建議。
➤無法求和只能投降的局面
槍式小組的副負責人麥克米蘭（Edwin McMillan）和曼哈頓計畫顧問拉比（Isidor Isaac Rabi）建議聘請在精確使用炸藥方面具有專業知識的喬治．基斯蒂亞科夫斯基（George Kistiakowsky）來幫忙。1944年2月，基斯蒂亞科夫斯基成為內爆組的副手。兩個月後，塞格雷發現了鈽無法採用槍式設計以後，1944年6月中旬，基斯蒂亞科夫斯基交給奧本海默一份報告，詳細介紹了內爆小組內部的種種問題，最後導致內德米爾被撤換。1944年6月15日，基斯蒂亞科夫斯基取代內德米爾，成為E-5小組的負責人。
內爆核武器設計是將常規炸藥同時起爆，引起內爆。內爆使得鈽被強烈壓縮密度增加，達到了臨界質量並開始連鎖反應。（圖源：wikimedia）為了產生將鈽核心壓縮到所需密度所需的對稱內爆，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，曼哈頓計劃特定執行了放射性鑭測試（Radioactive Lanthanum，縮寫成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的。
為什麼鈽彈這麼重要呢？因為日本軍方認為，即使美國已經生產出1枚，也不可能有更多資源來製造第二枚原子彈。所以當1945年8月6日B-29美軍在廣島上空投下「小男孩」時，日本政府雖然大吃一驚，但是並沒有馬上商議投降。
局勢變化是發生在兩天後，8月8日晚間10時，蘇聯突然向日本宣戰，2個小時後蘇聯紅軍隨即發動攻勢。但是一直到8月9日凌晨4時，日本政府才從莫斯科的電台廣播中得知，蘇聯已經廢止《日蘇中立條約》並向日本宣戰的消息。8月9日上午10時30分，日本政府召開了軍事參議官會議，還在開會中的日本政府高層隨即被告知九州西海岸的長崎市，在11點2分也遭到原子彈的攻擊。第二顆原子彈正是採用內爆的鈽彈。
8月10日凌晨2時，天皇決定向盟軍投降。持平來講，讓日本政府屈服的，是失去透過蘇聯斡旋中介向盟軍求和的一絲希望，還有不確定美國手上還有多少原子彈的這個事實。終戰詔書特地加上一句：
加之敵ハ新ニ殘虐ナル爆彈ヲ使用シテ 頻ニ無辜ヲ殺傷シ、慘害ノ及フ所、眞ニ測ルヘカラサルニ至ル（中譯：加之敵新使用殘虐爆彈，頻殺傷無辜；慘害所及，真至不可測。）
原子彈的確令頑強的日本屈膝了。
諾蘭這部大片，值得深思的地方非常多，希望觀眾在享受聲光娛樂之餘，也能對此片的主題——人類如何負責地面對自己的才能——有所思索。身為少數在臺灣開設核子物理課程的筆者，忍不住野人獻曝，希望這篇短文多少能引發大眾對核子物理的幾分好奇心，吾願足矣。
●（原文於2023-07-26在Openbook官網首度刊載）
奧本海默
American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer
作者：凱．柏德、馬丁．薛文（Kai Bird, Martin J. Sherwin）
譯者：林鶯
出版：時報出版
【內容簡介➤】
作者簡介：
凱．柏德（Kai Bird）
著作有：《The Chairman: John J. McCloy, the Making of the American Establishment》、 《The Color of Truth: McGeorge Bundy and William Bundy: Brothers in Arms》、 《The Outlier: The Unfinished Presidency of Jimmy Carter》，以及 《 The Good Spy: The Life and Death of Robert Ames》。他也跟Lawrence Lifschultz共同編輯了《Hiroshima's Shadow: Writings on the Denial of History and the Smithsonian Controversy》。
他目前是The Leon Levy Center for Biography的主任，住在紐約市和邁阿密二地。
馬丁．薛文（Martin J. Sherwin）
擔任塔夫茨大學（Tufts University）的英國與美國史「 Walter S. Dickson教授」（名譽教授），以及喬治梅森大學（George Mason University）的正教授，直到他於2021年10月過世。他第一本關於美國對外關係史的著作《A World Destroyed: The Atomic Bomb & The Grand Alliance》（Knopf，1971）就贏得「Stuart L. Bernath」獎，並且入圍普立茲獎決選名單。他最後一本著作《Gambling with Armageddon: Nuclear Roulette from Hiroshima to the Cuban Missile Crisis》（Knopf）於2020年出版。 生前和妻子蘇珊住在華盛頓特區和科羅拉多州的亞斯本（Aspen）。
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