《奥本海默》：一场核爆的模拟现场

《奥本海默》是一部传记电影，它讲述了美国“原子弹之父”罗伯特·奥本海默在二战期间领导研制原子弹的过程，以及他在二战结束后遭遇不公正听证会的故事。

在影片中，导演克里斯托弗·诺兰再现了最接近真实核爆的场景，还让我们看到了微观世界的原子、分子、能量波的可视化效果，以及对宇宙奇观的描绘。整部电影围绕着原子弹核爆试验之夜，带领大家事无巨细地参与到研发原子弹的每个工作环节中，见证人类是如何一步步进入原子时代的。

质能方程

1905年，爱因斯坦提出了著名的质能方程E=MC2 ，这也许是你见过的最简单的公式之一，但它的意义却是开创性的。爱因斯坦第一次揭示了质量和能量的关系，自此，质量和能量两个看似毫不相干的基本物理量，实现了相互转化的可能，这为人类进入原子能时代奠定了理论基础。

核裂变

1914年，著名小说家赫伯特·乔治·威尔斯在读了弗雷德里克·索迪的科学论文《镭的阐明》后，写出科幻小说《获得自由的世界》，描写了一场全球性战争，在这场战争中，一座座城市被一种大规模杀伤性武器摧毁，威尔斯给这种武器取名“原子弹”。

然而，即便是提出质能方程的爱因斯坦，在很长一段时间内，也认为核能无法被利用，因为没有人能够分裂原子。直到1932年，英国物理学家约翰·道格拉斯·考克饶夫和爱尔兰实验物理学家瓦尔顿设计了第一台高压加速器，通过加速质子撞击锂原子核的方式，实现了第一次人工诱发的核反应。同年，英国物理学家詹姆斯·查德威克发现中子可以替代带有正电荷的质子，不带电荷的中子成为最理想的“裂核武器”。

在高中物理教材中，我们可以学到核裂变的基本原理：当中子撞击原子核时，原子核会分裂，这个过程中会出现质量亏损。根据质能方程E=MC2，这部分亏损的质量会以巨大的能量释放，而这个能量就是我们所说的核能。

1933年，核物理学家利奥·西拉德在看完《获得自由的世界》后提出，如果能找到一种元素，在用中子来分裂它的原子核的同时又能释放出多个中子，而释放的中子再去撞击其他原子核，从而发生连锁反应，不就能够造出小说中所说的原子弹吗？

1938年，德国化学家奥托·哈恩进行了著名的“镭钡间皮分馏”实验，在用中子轰击铀后，原子核分裂，产生了许多β放射性核素，其中之一是放射性钡。1939年，哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼第一次使用术语“铀裂变”来形容这一过程，他们预测存在释放的中子，指出在裂变过程中会发生连锁反应。这让科学家们意识到西拉德的想法确实能够实现，通过链式核反应，原本存在于小说中毁天灭地的炸弹将会出现在现实中。

“曼哈顿计划”与“铀俱乐部”

当第二次世界大战爆发，流亡美国的爱因斯坦意识到，一旦被德国率先研发出原子弹，战争的局势将变得无可挽回。于是，在他的带领下，一众科学家联名写信给当时的美国总统罗斯福，建议启动原子弹的研发与制造计划。而这就是后来大名鼎鼎的“曼哈顿计划”的由来，该计划的领导人正是奥本海默。与“曼哈顿计划”相对应的，则是由德国科学家沃纳·海森堡领导的“铀俱乐部”计划。第一枚原子弹爆炸进入倒计时。

点燃大气

在原子弹真正被制造出来之前，“曼哈顿计划”的科学家意识到一种非常可怕的风险：原子弹爆炸靠的是核裂变，但在爆炸时产生的高温中，氢等较轻的原子核可能聚变成更重的原子核，并释放大量能量，他们推测，如果由此引发不可控的链式反应，海洋和大气也许都会被点燃。

电影中也对这一风险有着重要的描述，奥本海默为此陷入犹豫和迷茫，好在后来通过计算证明了这一担忧是多余的。现实中，一份解密档案资料显示，“曼哈顿计划”的科学家总结了当时的相关计算，最终得出结论：不管加热到什么温度，大气层都不可能被点燃发生链式反应，就算是体积大于1000立方米的超级核弹，康普顿散射理论（指高速电子与光子的碰撞，能量从电子向光子的转移，会消耗链式反应所需的热量）也会提供额外的安全保证。

临界质量

其实，无论是“曼哈顿计划”还是“铀俱乐部”计划的科学家，对于制造原子弹的方法都很清楚，那就是搜集足够多的核裂变材料，然后用中子进行轰击，引发链式反应，不断释放能量，最终毁灭一切。然而，没有人知道引发链式反应究竟需要多少裂变材料，这个数量被称为临界质量，也就是刚好能维持原子核链式反应所需的最低质量。不同的可裂变材料，受核子的性质（如裂变横切面）、物理性质、物料形状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等因素影响，而产生不同的临界质量。

电影中，奥本海默分别选择了铀-235和钚-239两种材料，其中铀-235采用枪式结构引爆，而钚-239采用内爆式结构，制成的原子弹即后来在日本投下的“小男孩”和“胖子”。

根据洛斯阿拉莫斯实验室的计算结果，铀-235的临界质量为52千克，钚-239的临界质量为10千克。而同期海森堡提交的报告上，却得出了不同的结果，认为铀-235想要达到临界质量至少需要13000千克。随着挪威重水生产厂被盟军摧毁，战时的德国再也无力承担原子弹的研发公务，自此，“铀俱乐部”计划陷入停滞。

关于海森堡为何会得出如此结果，原因令人困惑，如今回头去看，海森堡作为一名顶级物理学家，所谓的不擅长数学也是看和谁比。这一谜团也被称为二十世纪科学史上最大的谜题——“海森堡之谜”。

“三位一体”核试

1945年5月7日，经过三年努力，代号“三位一体”的人类史上首次核弹爆炸试验成功，现场留下一个直径76米、铺满玻璃结晶的巨坑，爆炸时的蘑菇云高达12千米。当奥本海默看到核爆场景，脑中浮现的是印度《薄伽梵歌》中的文字：“千百烈日当空争辉，或许可与至尊者那宇宙形象中的光芒相提并论。”

盗火者

电影将奥本海默比喻成“为人类盗取火种的普罗米修斯”，也暗示了他的结局：美苏争霸，冷战铁幕下，麦卡锡主义盛行，由于他本人特殊的立场与人际关系，奥本海默最终被剥夺安全许可，并被罢免了原子能委员会顾问主席的职位，直到2022年年底，这一决定才被政府撤销，他才被正名。