なぜオッペンハイマーはマンハッタン計画のリーダーになったのですか?

ポピュラーサイエンスタイムズ記者 陳潔

ノーラン監督の新作映画「オッペンハイマー」は中国本土で2週間以上公開されている。この映画は、大衆の映画鑑賞への熱意を喚起すると同時に、ハードコアな物理学の知識に対する人々の興味も刺激した。

9月8日、捜狐会長兼CEOの物理学博士である張朝陽氏が「張朝陽の物理学教室」というオフライン授業を行った。これは映画のハードコアな鑑賞ガイドとも言える。

量子力学の分野に重要な貢献をした

教室では、レトロなスーツとシルクハットを身にまとい、葉巻をくわえた張朝陽さんが、オッペンハイマーの古典的なイメージを再現しただけでなく、同じくハードコアな数式推論を使って、この伝説の人物が量子力学に貢献したことを語った。

有名な「ボルン・オッペンハイマー近似」は、オッペンハイマーと彼の指導者ボルンが共著した論文で提案されました。これは、量子力学を用いて分子の挙動を理解する上で大きな進歩であると今でもみなされており、現代の量子化学の基礎を構成しています。張朝陽はこの方法を用いて水素分子イオンを処理し、変分法を用いてその波動関数を解き、分子結合の物理的本質は電子がもたらす引力ポテンシャルであると説明し、オッペンハイマーの量子力学への初期の貢献に対するハードコアな解釈を与えた。

なぜオッペンハイマーはマンハッタン計画のリーダーになったのですか?張朝陽氏は、まずオッペンハイマー氏は物理学と冶金学を理解しているだけでなく、一流の管理能力も備えていると考えている。米軍はオッペンハイマーが問題の本質を最もよく理解できる最も賢い科学者であると信じていた。 「後に、これは極めて正しい決断だったことが証明された」と張朝陽氏は語った。

核分裂は女性科学者によって発見された

この映画で最も衝撃的なシーンは、世界初の原子爆弾が爆発した瞬間です。現地の学生への質問：原子爆弾と水素爆弾の物理原理の違いは何ですか？張朝陽氏は、「一つは核分裂、もう一つは核融合だが、どちらもアインシュタインのE=mc^2の応用である」と説明した。

原爆開発の初期段階で、オッペンハイマーは「核分裂連鎖反応によって地球が爆発する可能性がある」という問題に直面したが、これは映画の中で再現されている。これに対して張朝陽氏は、物理的な観点からさらに説明を行った。核分裂により極めて高い温度が発生し、空気中で水素核融合や窒素核融合の連鎖反応が引き起こされ、その結果地球が爆発するというのだ。 「しかし、その後、空気中の水素濃度はそれほど高くなく、核分裂のエネルギーは空気中のヘリウムをより高次の元素に変換するのに十分ではなかったため、連鎖反応は起こり得なかったことが確認されました。」

さらに、張朝陽は映画では触れられなかった詳細を付け加えた。「核分裂を発見したのは女性科学者だった。遠くデンマークにいる彼女が、手紙を通じてベルリンの同僚たちに、中性子を使って重金属の原子核を攻撃し、核分裂が起こることを実現させたのだ。」そしてオッペンハイマーはこれを利用して原子爆弾を製造したのです。映画で語られているように、人類の運命の転換点は、人類が火を発明したときと、原子核からエネルギーを発見したときでした。

中性子減速：重水への賭けがドイツの核計画を誤った方向に導いた

原子爆弾は制御不能な核分裂連鎖反応であり、核物質は製造前に精製されなければならない。張朝陽氏は、原子爆弾の原理を分析し、核分裂は実際には中性子を使って原子核を攻撃することで起こる核分裂であると述べた。衝突の確率が高ければ高いほど、より多くの中性子が放出され、これらの中性子は次の原子核に衝突し続けます。 「衝突率を上げるには、中性子の速度を遅くするのが最善の方法です。」

中性子を減速させる方法は科学的な問題であるだけでなく、第二次世界大戦中のドイツの原子爆弾計画の崩壊に直接つながった。

「歴史的に見て、ドイツの原爆計画は中性子を減速させるために重水を使用したために失敗した。」張朝陽氏は、オッペンハイマー氏のチームのドイツ人科学者ハイゼンベルク氏とフェルミ氏はともに、中性子を減速させるためにグラファイトを使うことを考えたと述べた。実験により、中性子は減速されるものの、グラファイト内の炭素も中性子を吸収することがわかった。ハイゼンベルクはグラファイトを放棄し、重水を使って減速するしか選択肢がなかった。フェルミは、グラファイトには不純物が多すぎると考え、より純度の高いグラファイトを使用することでこの問題を解決できると考えました。ヒトラーがノルウェーに建設した重水工場が連合国によって爆撃された後、ドイツは最も基本的な中性子減速装置さえ開発することができなかった。

映画では、シカゴに到着した後、科学者ボーアはオッペンハイマーに、ハイゼンベルクが減速するために重水を使ったと興奮気味に語り、「彼らは道を間違えた、分岐点に行ってしまった」と語る。