【電影背後】從核子科學角度，挖掘你沒注意到的《奧本海默》細節

2023-07-28電影神搜

你看過近期討論度最高的電影《奧本海默》了嗎？這部由克里斯多夫諾蘭導演與著名演員席尼墨菲合作的史詩巨作講述的是二戰時期曼哈頓計畫的重要推手——羅伯特奧本海默與最終投放到廣島和長崎的兩顆核彈誕生前的故事，電影裡充滿了各式艱澀的科學知識，就讓我們透過這篇文帶你認識你從未探索過的電影細節吧！

《奧本海默》的故事背景

自馬克斯波恩以機率波的視角解釋構成萬物的原理後，科學家對於新、舊物理的爭吵與分裂變得日益嚴重。當時誕生了許多受到新物理洗禮的科學家代表，其中《奧本海默》便是一部以科學家奧本海默的生平為基礎的傳記式電影。

1938 年奧托哈恩、莉澤邁特納等科學家發現了用一顆中子撞擊鈾礦會讓鈾的原子核產生分裂，這個現象被稱為核分裂；這是一件令人興奮的事，因為科學家終於發現了不同於以往的科學反應，但在納粹德國崛起的年代，這個發現也催生了「核彈」的發明。

核彈的原理與曼哈頓計劃

核彈的原理可以追溯到物質的組成方式，原子藉由能量將質子及中子綑綁在一起，而這股能量便稱為「結合能」。1905 年由愛因斯坦發表於《物理年鑑》的「質能等價」(E=mc2) 確立了質量與能量是等價的，舉一例：當有一公斤的質量被轉換為能量時，這股能量大約會是 21.5 百萬公噸的 TNT 炸藥。若科學家可以藉由核分裂的方式將綁束物質的結合能釋放出來那他們將可以獲得一個巨大的能量，那是遠超當時技術所能釋放的炸彈規模。

也因此，對於「核子」與「物質」的認識勢必成為了「核彈」能被研發的首要條件。1942 年由美國軍方所組建起的「曼哈頓計劃」其意圖正是想搶在納粹德國以前製作出核彈，也因此當時美國軍方選定將量子物理帶入美國本土的先驅科學家奧本海默作為計畫主持人。

奧本海默：沒有拿過諾貝爾奬的計劃主持者？

不同於一般人對於「成功科學家」會有一個諾貝爾奬的想像，奧本海默終其一生並未獲得任何一個諾貝爾奬的肯定。這並不全然是因為核彈是一個有爭議的發明，更因為整個計畫的執行面是龐大的，也因此計畫主持者必須要是一位懂得多方領域基礎知識的佼佼者，這樣的「全才管理者」勢必難以就某領域做出更深的貢獻，卻能成為一個計畫裡最至關重要的人物。

而奧本海默正是符合這種條件的人士，在劍橋大學受過實驗物理訓練的他清楚知道實驗物理上所面對的侷限，而在各根廷大學攻讀博班的經驗也讓他擁有世界最一手且最一流的科研知識，值得一提的是，奧本海默的博班指導教授便是前述所提及的著名科學家波恩。也因此他具備足夠的能力調和新、舊時代的物理知識，又能清楚地調度多個領域的人才。

從曼哈頓一號到三位一體的爆炸：談《奧本海默》裡的科學正確

諾蘭導演的電影一直以「科學正確」著稱，《奧本海默》亦是如此，電影在「時間」掌控上是非常精準的，比方在「三位一體」試爆的中心點與計畫的基地之間距離 15 公里，依照聲音的傳遞速度，在觀看者看到爆炸後須等待約 42 秒的時間才能聽到爆炸聲。

這也是為什麼觀影者在收看《奧本海默》試爆片段時不會如預期地在看到爆炸畫面之後就看到了爆炸聲，大家在二刷電影時也不妨在心中默數從看到爆炸到聽到爆炸聲響的中途有幾秒吧！

值得一提的是，由於曼哈頓計劃具備高度防密的機制，許多部門的工作是被迫分割開來且限制溝通的。舉一例，讓電影裡奧本海默不顧安全限制拜訪科學家恩理科費米所進行的工作便是建造「芝加哥 1 號反應器」，這個反應器不只是人類第一個可控式的原子能反應器，更是提供「鈽」這個燃料元素的反應器。

科學家們害怕釋放成了啞彈？

電影《奧本海默》裡還有一個令觀眾印象深刻的橋段，便是在試爆之前一眾科學家對於是否有可能釋放啞彈而感到緊張的橋段。這是因為當時在廣島所釋放的槍式結構核彈是一個很簡單的構造，因此完全未經測試就被投放戰場使用了。

然而，《奧本海默》裡所進行的「三位一體」試爆是以傷害力更強的「球型鈽彈」所做的試爆。

這顆核彈的設計要點是要在引爆後讓燃料達到超臨界狀態 (supercritical) 以讓大量中子藉由連鎖反應 (chain reaction) 催化核反應的進行來達到快速的能量產出。科學家們想到了以兩種不同爆炸速度的炸藥包裹在核心內層，當炸藥因為「同步」爆炸的慣性向內擠壓時便可以讓核心的燃料達到此一條件。也因此，若無法達到「同步」的爆炸，那無疑是在釋放一顆啞彈，不但讓整個計劃泡湯外，也有風險使得內層具放射性的燃料散佈在釋放點的周遭。