【科普閱讀】從科學角度談你從未探索過的《奧本海默》細節

知名導演諾蘭的電影《奧本海默》在近期上映了，這部作品講述影響了整個世界的曼哈頓計畫與由席尼莫非所飾演的計畫領導者羅伯特歐本海默（Robbert Oppenheimer）的故事，在電影裡除了驚人的對峙與引爆核彈橋段之外也充滿了各種科學知識。或許面對大量的物理知識對觀影者是一種挑戰，也因此本文將以核子工程的角度撰寫最平易近人的科普文章希望能夠協助大家了解這部作品奧秘。本文將以科普閱讀角度從近代物理史出發，講述電影裡的先備知識並對電影裡出現的橋段做更詳細的解釋。

核子近代物理

 1905年愛因斯坦（Tom Conti飾）在《物理年鑑》上發表了四篇足以改變世界的論文進而震撼整個物理學界，愛因斯坦是一位厭於自證的物理學家（這或許也是為什麼電影《奧本海默》裡愛因斯坦會自嘲科學家歐本海默的數學比他本人還好），然而他對於科學的重新詮釋改變了人們觀看事務的觀點。其中「質能等價」更是日後影響了全世界的重要理論，其公式為：

質能等價

其中c為光速、m為質量而E則為能量，這個公式亦是現今核分裂發電的重要依據，因為根據理論，將中子與質子結合起來是有一股「結合能」的，而若我們能將個能量釋放出來，那將是一股超越長理所能想像的能量，比方理論上一公斤物質的結合能約等於21.5百萬公噸的TNT炸藥，若我們有辦法釋放出這個原子的結合能那我們便有辦法得到如此大的能量。

分裂的學派與分裂的原子

 在電影《奧本海默》裡引述了大量的科學家與其相關事件，這是因為在曼哈頓計劃前，物理學界出現了兩位位讓科學家們分裂出三派的人物——埃爾溫薛丁格（Erwin Schrödinger）、馬克斯波恩（Max Born）、維爾納海森堡（Werner Heisenberg，由Matthias Schweighöfer飾演），前者將物質的「粒子性」和「波動性」以函數的方式提出，波恩則以機率波函數的方式詮釋了薛丁格的觀點，而後者則在這個基礎上提出了著名的「測不準原理」（Uncertainty Principle），也就是一個粒子的動量（momentum）和位置（position）是不可能被同時精確地測量出來。

愛因斯坦與不擲骰子的上帝

這兩個理論簡直讓整個科學界分裂成了兩大派，其中以愛因斯坦為首的反對者認為將一個尚未知曉是否有其他影響到波動與粒子的外因歸納成「測不準」是一個非常不負責的說法，一封由愛因斯坦寄給波恩的信件甚至提及了著名的言論「上帝不擲骰子」（God does not play dice with the universe）來嚴正表明他的不認同。儘管以現今的觀點來看，由波恩所詮釋的量子物理更貼近主流學術的觀點，但針對物質狀態的爭論無疑將整個物理界分裂成了兩派。但或許當時的科學家沒想過原來除了學界被分裂了，原子也能被分裂。

哈恩與麥特納於納粹德國崛起前的工作合影

1938年德國科學家奧托哈恩（Otto Hahn）與一眾諸如麗澤麥特納（Lise Meitner）的科學家對於核分裂現象的發現震撼了整個科學界，他們的發現證實了一個元子是可以藉由中子的碰撞分裂成兩顆原子的。這是一件令人興奮的事情，因為「核分裂」的發現使人們離「原子」的組成有了更新的理解，也讓人們更得以接近所謂科學上的「真理」，更重要的事它提供了一個讓我們得以釋放出將原子的結合能，產生超乎常理的能量。

曼哈頓計劃的籌備期與歐本海默

但放在納粹德國崛起的二戰時期可就不是同一件事了，核分裂的發現結合到質能等價上就預示了以核分裂為基礎所製造的核彈勢必會成為兩方陣營想獲得的終極武器。而為防止敵營獲得足以摧毀美國本土的重大殺傷性武器，以歐本海默為首的頂尖科學家開始嚴密籌備日後改變世界的曼哈頓計劃。

奧本海默本人與量子力學

而電影《奧本海默》正是以科學家歐本海默為主體的傳記電影。比起藉由實驗獲得結果，歐本海默更像是一位藉由思考與運算堆砌真理的「理論物理學家」，而有趣的是提出波函數分裂了整個物理學界的波恩正是他的博士班導師，也因此從哥跟廷大學出身的他非常理解德國所具備的科學資本，這或許也是他作為將量子物理引入美國的先驅者之外，能被任命為曼哈頓計劃主持人的決定性因素。

曼哈頓計劃：全才管理者

不同於許多人對「成功科學家」會拿到諾貝爾獎的想法，其實真正的核子工程學者不一定要專精於一門科學，事實上正好相反，能統籌不同領域的科學家並能適當地彼此溝通才有能力成為核子工程裡的領導者。而歐本海默正是如此的人物——從實驗物理跨足到理論物理的經驗讓他懂得這兩大分支在執行上會面對的問題，而涉入不同學派觀點的經驗讓他能夠理解達成實務面的可能性。

世界上第一個反應爐草圖設計

比方電影以費米（Enrico Fermi，由Danny Deferrari飾演）為首所執行的「芝加哥一號反應器」正是如此，作為實體實驗工程的展現，第一個由人類所製造出來的、可以控制的核分裂反應器正式宣佈了要將核分裂應用到實體面是有可能的，而這也依賴了大量的理論預算，包含該使用多高濃度的燃料？該怎麼確保反應的熱是安全的？該怎麼挑選控制棒的材質？芝加哥一號反應器的出現不只代表了人類正確地實踐了核分裂，也代表能夠統合起理論與實驗的「全才」才是整個計劃真正需要的人物。也因此在電影《奧本海默》裡，不同方的知識觀點與交流是被嚴密禁止的，如此一來才能確保儘管有間諜洩漏了曼哈頓計劃的某個環節，都不會有除了歐本海默以外的人真正地知道這整個計劃的實體。

核分裂：使用上真正面臨的困擾

如此聽起來，製作核彈應該不會是一件太困難的事，只要我們將燃料製作出來並包裹成一顆炸彈投放下去就可以了，但實則不然。曼哈頓計畫理面對到的問題在物理層面上分別有二：燃料濃縮與維持超臨界狀態。

中子物理反應圖，可為臨界狀態；A為超臨界狀態；C為次臨界狀態

在國中理化我們學過核分裂是藉由中子與物質的原子核碰撞後產生更多的中子來持續反應，這個狀態稱之為「連鎖反應」（chain reaction），而若一個中子與原子核反應後再產生一顆中子，這個時候便稱之為臨界狀態（critical）、若產生超出一顆中子則為超臨界狀態（supercritical），反之則為次臨界狀態（subcritical）。值得一提的是為了確保反應穩定，核能電廠對於核反應的要求為「臨界狀態」，使反應前後的中子能夠繼續支撐反應進行，而若產生過多的中子則會使用緩速劑（moderator）吸收，這也是電影《奧本海默》裡美國與德國的知識競賽分水嶺，在曼哈頓計劃以石墨作為緩速劑，而德國則使用重水來作為緩速劑，此一設計也成為了兩派陣營在設計進度上的重大分水嶺。

核分裂示意圖

而與可控的反應器不同，核彈需要在平常狀態維持次臨界狀態以避免浪費燃料，而引爆後須維持在超臨界狀態以讓反應能夠快速進行。也因此電影裡的球形核彈（也是日後在長崎引爆的核彈Fat Man的原型）採用「內爆」（implosion）的方式擠壓燃料核心，使得燃料達到臨界質量（critical mass）使反應能在瞬間達到超臨界條件。我們可以看到下圖是球型核彈的設計模型，外層是負責引爆的炸藥，核彈設計時採用不同引爆速度的炸藥，使得反應能夠同步藉由慣性協助核心燃料達到超臨界狀態。

核彈Fat Man的設計草圖，亦是電影裡的核彈設計

這也是為什麼《奧本海默》的中後段有大篇幅的試爆橋段，因為當時科學家們必須確保「內爆」機制是毫無差池的，否則核彈一但無法達到超臨界狀態，就等同是釋放了一顆啞彈，且讓核心具有輻射的燃料外洩的風險。值得一提的是再廣島所投放當槍型核彈由於不採用內爆機制，而是簡單的鈾彈構造，也因此當初並未對核彈「Little Boy」做測試，便將此核彈投放到廣島上了。

惡魔核心

再來是燃料提純，在電影裡，席尼莫非介紹了曼哈頓計劃中製作核彈所需的高濃度鈾以及鈽，才能使反應達到超臨界狀態。儘管現代可以使用重水反應爐將鈾礦中的U-235與U-238以作用截面積（cross-section）不同的方式提純，在當時所採用的技術幾乎是低效率且費時的工作。也因此當時採用鈾與鈽彈一起提純、一起製作核彈的想法。值得一提的是，在提純時也須注意不能使得核燃料達到臨界狀態，否則就會產生如東海村JCO臨界事故甚至是在曼哈頓計劃尾端產生的「惡魔核心事故」般不可抹滅的悲劇。

致命的連鎖反應

有趣的是面對新科學，這群有著世界大師級別的大腦曾經思考過一個問題：核彈是否會毀滅掉整個地球？這也是電影《奧本海默》裡數度掙扎的爭執點。這個問題被建立起來的原因在於：在核彈釋放的瞬間會產生高溫，而這個溫度是有機會產生和太陽運作原理相同的核融合反應（Nuclear Fusion），意即若釋放的能量夠大，則地球上存在於大氣和海洋裡的氫（Helium, Deuterium, Tritium）就會產生核融合釋放出能量並持續反應直到能量不足以反應。

或許放在近日來看，當時所釋放的核彈規模並不如現在精準計算後能造成的殺傷力，這個問題確實是有點杞人憂天，但它卻又不是一個空穴來風的問題。而這也貫穿整部電影成為了警世預言：若人類持續發展核武到底，總有一天我們所掌握的威力將會帶來毀滅性的傷害。

結語

早在希臘哲賢時期哲學家就在探究著「物質」是怎麼組成的，也因為有了這個問題才在古典物理時期發現了原子，而當科學家不滿於未解題時，近代物理學的出現又成為了劃時代的發現。在瑪麗居禮（Marie Curie）發現了「放射性」之後科學家對於放射性物質知識的渴求也造就了「核分裂」的發現，最後又因為人類的慾望造就了核彈與改變世界的曼哈頓計劃。

瑪莉居禮，歷史上唯一一位獲得兩項不同科學領域諾貝爾獎的科學家

其實一路走來會發現——好奇、探索與了解，正是驅使人類成長的關鍵，但人類無止盡的貪婪最後卻又造就了一顆又一顆具毀滅性的核彈，雖然《奧本海默》是一部警世傳記的電影，但我們不必畏懼對於這部電影裡出現的那些難以被我們所理解的詞彙，因為這正和當時科學家所極力探索的知識是一樣的。或許在閱讀完這篇文章之後能讓你更加理解這部作品在做些什麼，但抱持著對於事情的未知、求知與敬畏或許正是諾蘭導演企圖教會我們的一堂課。