他算出核试验不会毁灭整个世界

梦晨 克雷西 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

家人们，国内刚上映的《奥本海默》都看过了吗？

电影因在很多方面都尊重历史，不少细节还原到位而广受好评。

但唯独爱因斯坦出场的部分，是由导演诺兰改编的。

故事里，爱因斯坦虽然出场次数和时长都不多，但充当了奥本海默的导师和知己一般的关键角色。

在一个情节中，奥本海默拿着数据在湖边找到爱因斯坦，询问原子弹爆炸产生的链式反应是否会毁灭整个地球。

今天我们已经知道答案是不会，但对当时的科学家们来说，这是关乎人类命运的一场豪赌。

……

历史上，奥本海默身边确实有一位导师般的人物，他与奥本海默也有过这样一场湖边谈话。

但这个人不是爱因斯坦，而是另一位物理学家亚瑟·康普顿（Arthur Compton）。

在物理学最著名大合照“1927年索尔维会议合影”中，康普顿坐在第二排中间位置。

同年，他因实验发现以他命名的康普顿效应、证实了电磁辐射的粒子性质获诺贝尔物理学奖。

在当时关于量子力学的争论中，康普顿既不属于玻尔的哥本哈根学派，也未加入以爱因斯坦为首的反对者阵营，而是一个实验派：不站队，只关注实验结果。

尽管不如大合照中各位理论大佬那么出名，但康普顿其实是整个曼哈顿计划的关键人物。

战后他继续当一个实验派，对世界做出更多贡献，我们今天常见的路灯和汽车减速带都和他有关系。

下面先从康普顿的视角，重新回顾一下原子弹诞生过程中，科学家们是如何确认世界不会因此毁灭的。

百万之三的可能性也不敢轻视

在原子弹真正被造出来之前，曼哈顿计划的科学家们发现一种非常可怕的风险：

原子弹爆炸靠的是核裂变，但在爆炸产生的高温中，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，就像太阳上发生的事一样。

1943年7月，奥本海默带着这个问题找到康普顿商讨。

当初正是康普顿力荐奥本海默负责整个计划的，高层认为奥本海默缺乏管理经验，但康普顿看中奥本海默熟悉炸弹的设计方案。

康普顿后来这样回忆当时他们的顾虑：

如果氢会聚变，那么海水中的氢呢？原子弹爆炸会不会引发整个海洋的爆炸。空气中的氮也不稳定，虽然比氢好一些……

他们推测如果由此引发不可控的链式反应，海洋和大气都会被点燃。

很多年后康普顿对知名作家、诺贝尔文学奖得主赛珍珠表示，“与其冒险为人类拉上最后的帷幕，还不如接受纳粹的奴役”。

但无论如何，当时纳粹一方也在研究自己的核武器，所以康普顿和奥本海默别无选择，只能在努力抢先早出原子弹，同时尝试量化风险。

最终康普顿决定，如果计算证明地球被原子弹毁灭的可能性超过百万分之三，他就不会继续曼哈顿计划。

这段故事后来由赛珍珠撰文发表出来，刊登在1959年的《美国周刊》上

后来计算结果低于这个数，计划还在继续。

在已经解密的一份档案中，他们总结了当时的相关计算，其中也用到康普顿之前的诺奖成果：

不管加热到什么温度，大气层都不可能被点燃产生链式反应，就算是体积大于1000立方米的超级核弹，康普顿散射理论也会提供额外的安全保证。

其中康普顿散射是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。

时间来到两年后。

1945年7月16日，代号“三位一体”的人类首次核试验在美国新墨西哥州的沙漠开展。

尽管有了计算结果保证安全性，当爆炸真的发生时，目击者中还是有人会忍不住担心。

光比声音的速度更快，在听到爆炸声前，无声的白色光芒是唯一主角，电影中诺兰也用了无声的手法来表现这段场景。

负责测量伽马辐射程度的意大利物理学家Emilio Segrè后来承认，“印象最深的是那压倒性的明亮光芒……爆炸时我在费米附近……尽管我已经知道不可能，有一瞬还是担心爆炸会点燃大气层，从而毁灭地球。”

也正是这次核试验，让奥本海默说出了他最著名的那句名言：

现在我变成了死亡，世界的毁灭者。

“三位一体”核试验使用的是钚基原子弹。

在当时的方案中，铀和钚都能用于制造原子弹，但铀基弹的材料利用率低，威力不如钚基弹。

可以通过中子轰击铀-238转化为钚-239，但以此产生的钚只占很小一部分，还必须要将二者分离。

而康普顿负责的，正是建造将铀转化为钚的核反应堆、以及寻找将钚与铀分离的方法。

最终，先投在广岛的“小男孩”是此前从未测试过的铀基弹。

后投在长崎的那颗“胖子”，就是康普顿负责的钚基弹。

整个曼哈顿计划中，康普顿在早期规划、推荐奥本海默当负责人、建造反应堆，以及最后建议对日本使用原子弹中都发挥了关键作用。

虽然电影为了增加戏剧性，把他的戏份安排给了爱因斯坦，但康普顿一生中还有更多不太被人熟知的贡献值得挖掘。

发现光电子假说实证获诺贝尔奖

康普顿出生于书香门第，父亲是伍斯特大学的校长，母亲于1939年被评为“美国母亲”。

此外康普顿家中还有两个哥哥，兄弟三人都是普林斯顿大学的博士。

长兄卡尔·康普顿和次兄威尔逊·康普顿分别担任过MIT和华盛顿州立大学校长。

其中长兄卡尔同样与曼哈顿计划密切相关。

△康普顿(左)和长兄卡尔

我们回到康普顿本人，1916年，24岁的康普顿取得了他的博士学位。

毕业后的他先到明尼苏达大学担任了物理教师，但之后并没有选择在物理学界继续耕耘，而是到西屋公司工作。

康普顿在那里对钠灯进行了改进，我们常见的黄光路灯就是钠蒸汽灯。

在第一次世界大战期间，他还为美国陆军信号部队开发了航空仪器。

但康普顿并没有因为这些而忘记初心，他依旧是对物理爱得深沉——1919年，康普顿前往英国剑桥大学的卡文迪许实验室深造，回到了物理学界。

康普顿的导师也都是有头有脸的人物——提出原子结构模型的卢瑟福和因电子衍射实验获诺贝尔奖的G.P.汤姆逊。

△卢瑟福(左)和G.P.汤姆逊

在那里，他研究了伽马射线的散射与吸收，为日后发现的康普顿效应奠定了基础。

在γ射线的散射实验中，康普顿发现有些现象用当时的理论无法解释。

这个问题一直留在了康普顿的脑海之中，回到美国之后，他又改用X射线进行了散射实验。

于是便有了康普顿最为著名的成就——康普顿效应的发现。

康普顿效应从实验层面证实了爱因斯坦的光电子假说。而这项成果也受到了爱因斯坦的大力称赞。

他发现，在X射线经过一些物质的散射后，散射光中会出现波长更长（频率、能量更低）的光线。

同时康普顿也找到了入射光与散射光波长之间的定量关系：

(其中，△λ为入射波长λ0与散射波长λ之差，h为普朗克常数，c为光速，m为电子的静止质量，φ为散射角。)

起初，康普顿试图用经典电磁理论进行解释，但很快发现和γ射线的现象一样无法解释。

于是他想到了爱因斯坦的光量子理论，从光子和电子碰撞的角度成功地揭开了现象背后的秘密。

正是这一发现让光(电磁波)的粒子性暨波粒二象性得到了验证。

在这之后，怀疑否定光量子说的声音在学界销声匿迹。

1927年，康普顿凭借这一成果获得了诺贝尔物理学奖。

时间转眼来到了30年代，康普顿的研究方向悄然发生了变化，他开始研究宇宙射线。

△1933年，康普顿与学生一起研究宇宙射线

彼时的人们已经知道了它的存在，但宇宙射线究竟是何种物质一直是个未解之谜。

康普顿和其他研究者一起踏遍了世界的许多角落，最终发现两极地区的宇宙射线比赤道上强15%。

最终康普顿提出，宇宙射线是由带电粒子组成的，而不是密立根等人推测的光子，并很好地贴合了观察到的现象。

除了研究物理，还是个发明家

二战结束后的1946年，康普顿又重返华盛顿大学，并出任该校第九任校长。

当了八年校长后，62岁的康普顿在1954年从华盛顿大学退休，但仍继续担任教职到1961年。

在这期间，康普顿还解锁了自己的另一重身份——发明家。

康普顿发明的减速带，与X射线散射和宇宙射线一同被载入史册。

彼时的美国交通已经初见规模，汽车的拥有量也达到了一定程度。

作为校长的康普顿也对校园中随意穿行的车辆感到了厌烦。

此前为了解决行人穿行马路的安全问题，一些地方将马路上的人行道抬高以达到让汽车减速的目的。

但这种方式的反而会在车辆加速时带来危险，最终康普顿经过反复研究，设计出了由带有斜坡的凸块组成的“驼峰式”减速带，解决了这一问题。

此后，这种减速带开始在美国各地得到应用，成为了现代减速带的鼻祖。

1962年，这位物理学界的传奇人物在美国加州的伯克利与世长辞，享年69岁。

为了纪念康普顿，NASA将伽马射线天文台用他的名字命名，圣路易斯的名人步行街上出现了一颗属于他的星星，月球上也有了(以他和哥哥共同命名的)康普顿环形山……

△康普顿伽马射线天文台

One More Thing

相信各位已经了解了康普顿的故事和成就，但对于奥本海默或许还有一个疑问：

在真实的历史当中，奥本海默到底认不认识爱因斯坦呢？

答案是认识，但两人的关系与电影中描写的有所不同。

在自传中，奥本海默这样写到：

虽然我认识爱因斯坦已有二、三十年了，但直到他生命的最后十年，我们才成为亲密的同事和朋友。

参考链接：
[1]https://nautil.us/the-day-oppenheimer-feared-he-might-blow-up-the-world-355603/
[2]https://www.insidescience.org/manhattan-project-legacy/atmosphere-on-fire
[3]http://large.stanford.edu/courses/2015/ph241/chung1/docs/buck.pdf
[4]https://thebulletin.org/2015/07/trinity-now-and-then
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Compton
[6]https://www.sinoconcept.co.uk/purchasing-guides/everything-about-speed-bumps/what-is-speed-bump/who-invented-speed-bumps/