《奥本海默》硬核观影指南来了
  • 来源:科普时报
  • 作者:陈杰
  • 2023-09-15 13:08

诺兰新作《奥本海默》内地上映已两周有余,在引发公众观影热情的同时,也激发了人们对硬核物理知识的兴趣。

9月8日,物理学博士、搜狐董事局主席兼首席执行官张朝阳用一堂《张朝阳的物理课》线下课带来的解读,可谓是该片硬核观影指南。


在量子力学领域作出重要贡献


课堂上,张朝阳一身复古西装,头戴礼帽、手拿雪茄,不仅还原了奥本海默的经典形象,更是以一如既往的公式硬核推导,讲述这位传奇人物在量子力学方面的贡献。

著名的“玻恩-奥本海默近似”是由奥本海默和导师玻恩合著的论文提出,至今被视为利用量子力学认识分子行为的重大突破,构成了现代量子化学的基石。张朝阳利用该方法处理氢分子离子,再利用变分法求解其波函数,说明分子键的物理本质是电子带来的吸引势,硬核解读了奥本海默早期对量子力学的贡献。

奥本海默为什么能成为“曼哈顿计划”的领导者?张朝阳认为,首先奥本海默不仅懂物理、冶金,还有超一流的管理能力。美国军方认为,奥本海默是最聪明、最能把握问题实质的科学家。“后来也证明,这是一个无比正确的决定。”张朝阳说。


核裂变由一位女科学家发现


影片里最震撼人心的画面,莫过于世界首颗原子弹被引爆的瞬间。对现场学生提问原子弹与氢弹物理原理有什么区别?张朝阳解释称,“一个是核裂变,一个是核聚变,但都是爱因斯坦E=mc^2的应用。”

在原子弹研发前期,奥本海默遭遇到“裂变链式反应可能引爆地球”难题,这在电影中得以还原。对此,张朝阳从物理层面作了补充解释:核裂变产生极端高温,引发空气中的氢聚变或者氮聚变的链式反应,进而引爆地球。“不过,后面证实了空气中的氢浓度没有那么高,而核裂变的能量不足以把空气中的氦变成更高的元素,所以链式反应无法产生。”

此外,张朝阳还补充一个电影中没有提及的细节,“核裂变的发现者是一位女科学家,是她远在丹麦遥靠书信指导她在柏林的同事用中子打击重金属核,并意识到裂变的发生。”而奥本海默以此造出了原子弹。正如电影所说,人类命运的转折点,第一次是人类发明了火,第二次是从原子核里找到了能量。


中子减速“押宝”重水让德国核计划走上歧路


原子弹是不可控的裂变链式反应,制造原子弹前要提纯核原料。在解析原子弹原理时,张朝阳说,核裂变其实就是用中子去轰击原子核产生的裂变,两者撞的概率越高,所释放的中子就越多,这些中子会继续轰击下一个原子核。“为了提高撞击率,让中子的速度慢下来是最好的办法。”

中子如何减速不仅是一个科学难题,更直接导致二战时德国原子弹计划的破灭。

“历史上德国的原子弹计划,是因为使用重水减速而走了岔路的历史的。”张朝阳说,德国科学家海森堡和奥本海默团队的费米都想到了用石墨为中子减速,实验发现中子是减速了,但石墨中的碳也把中子给吸收了。海森堡没办法只能放弃石墨改用重水来减速。而费米认为石墨的杂质太多,采用更高纯度的石墨后这个问题就解决了。希特勒建在挪威的重水工厂在被盟军炸毁后,德国连最基本的中子减速都没有搞出来。

电影中,科学家玻尔到芝加哥后兴奋地告诉奥本海默,海森堡是用重水来减速的,“他们走到歧路上去了,走到岔道上去了。”

责任编辑:毛梦囡
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