在電影中，歐本海默走進勞倫斯（Ernest Lawrence）的實驗室時，見到他正在打造迴旋加速器。沒錯，迴旋加速器就是勞倫斯發明的，剛好今天是他的冥誕（1901年8月8日），來分享一下他如何發明這個影響深遠的裝置。 天然放射源 1909年，拉塞福於用鐳所輻射出來的α粒子轟擊金箔，赫然發現α粒子竟會反彈，按他自己的形容：「簡直就像是朝著一張紙巾發射十五吋砲彈，結果砲彈卻彈回來打到你自己！」。面對此一事實，拉塞福才提出原子的絕大部分質量集中於原子核，週遭圍繞著電子的原子模型。 十年之後，拉塞福又用α粒子轟擊氮氣，竟出現原本沒有的氫原子核（拉塞福便命名為質子）與氧氣。顯然既然氧是由氮變成的，那麼是不是可以也用同樣方法，將別的元素轉化成另一種元素，甚至鍊土成金或是製造出尚未發現的元素？ α粒子實際上就是氦原子核，本身帶正電，而越重的元素其原子核內部的質子越多，對α粒子的正電排斥力也就越強，使得天然放射源所產生的α粒子難以接近，無法一探究竟。拉塞福便在1927年大聲疾呼，要物理學家找出產生高速粒子的方法。 直線加速器 就在1927這一年，從挪威來到德國攻讀物理博士的威德羅（Rolf Widerøe）發現了一篇的論文。這篇論文是瑞典科學家伊辛（Gustaf Ising）於1924年發表的，裡面描繪出直線加速器的構想，也就是在帶電粒子的行進方向上安置多個高壓電場，來推動粒子加速前進。 不過伊辛並沒有把機器做出來，也不知道直線加速器的構想是否真的可行。威德羅便決定以此做為博士論文的題目，結果他藉由轉換電場的正負極方向，先推後拉地加速鈉離子和鉀離子，而於1928年成功將這兩種粒子的速度提高兩倍到5萬電子伏特，完成世上第一台直線加速器。 不過物理學家所需的粒子至少要達百萬電子伏特以上，威德羅這台加速器所能賦予的能量遠遠不足，只能算是完成概念驗證，並不具實用價值。但若要做出百萬電子伏特以上的直線加速器，不但需要很大的空間，也要很高的電壓，建造費用與運作成本都相當高昂。正當歐洲的物理學家試圖克服困難，打造更高能量的直線加速器時，在大西洋的另一端，未滿30歲的美國物理學家勞倫斯卻另闢蹊徑，想出另一種加速粒子的方法。 迴旋加速器 勞倫斯出生在南達克達州的一個小鎮，憑藉著優異的學術表現，24歲就取得耶魯大學的物理博士學位，並在隔年獲聘為助教授。1928年他轉往加州大學柏克萊分校任教，隔年春天，他在圖書館翻閱期刊時，看到威德羅的博士論文。雖然勞倫斯只懂一點德文，無法全然了解論文內容，但還是從插圖看出來粒子加速的原理。他興起也來造一台直線加速器的念頭，但計算後發現要將粒子加速到一百萬電子伏特，所需的距離遠超過現有的實驗室空間。 他尋思是否可能讓加速器擺得進實驗室，忽然靈機一動：把直線改成螺旋狀，用磁場引導帶電粒子的行進方向，如此就能縮小加速器的尺寸，而且不必用到很高的電壓，就能讓粒子逐步加速到極高的能量。勞倫斯立刻找了研究生李文斯頓（Stanley Livingston）幫忙打造，他們先做出直徑僅4吋的迴旋加速器（Cyclotron），於1931年1月把質子加速到8萬電子伏特，只用到1,800伏特的電壓。 李文斯頓憑此成果拿到博士學位後，繼續和勞倫斯合作，著手把迴旋加速器的尺寸加大到11吋。1931年8月3日，出差在外的勞倫斯收到一封電報，寫著：「李文斯頓博士要我告訴你，他已經獲得1,100,000伏特的質子。他還要我加上”Whoopee!”。」這無疑是勞倫斯預先收到的最佳生日禮物。 達成這個重要里程碑後，勞倫斯在8月26日就向學校爭取到設立「輻射實驗室」，繼續打造更大的迴旋加速器。他們陸續完成27吋、37吋的尺寸，到了1939年5月已達60吋，可將粒子加速到16百萬電子伏特。 貢獻與影響 自1938年起，輻射實驗室就轟出許多前所未見的放射性同位素，同時也用來進行腫瘤的醫療實驗。1939年的諾貝爾物理獎便頒給勞倫斯，以表揚他在「迴旋加速器的發明和發展及因此取得的成果，特別是在人造放射性元素方面」。不過由於第二次世界大戰爆發，勞倫斯直到隔年二月底才在柏克萊校園內接受頒獎。 曼哈頓計畫啟動後，勞倫斯也扮演了重要角色。他除了向上層力薦歐本海默，本身也負責製備原子彈所需的鈾燃料，所用的便是迴旋加速器改裝而成的巨型質譜儀，以「電磁分離法」將鈾-235與鈾-238分開來。。 第二次世界大戰結束後，輻射實驗室的物理學家麥克米蘭（Edwin McMillan）針對粒子質量會隨著速度提高而增加的相對論效應，於1945年打造出同步加速器，再次突破迴旋加速器的能量瓶頸；到1974年，這所實驗室已經發現16種新元素，另外還發現了反質子與反中子。 輻射實驗室後來改為隸屬於美國能源部的「勞倫斯柏克萊國家實驗室」（Lawrence Berkeley National Laboratory），至目前為止，這所實驗室誕生了十五名諾貝爾獎得主，除了勞倫斯本人，我國的李遠哲也是其中之一。 另外勞倫斯於1952年在柏克萊東方60公里處設立的分支實驗室，後來獨立為「勞倫斯利佛摩國家實驗室」（Lawrence Livermore National Laboratory）去年在核融合上也取得重要突破。他們於2022年12月首度達成輸出能量（3.15 百萬焦耳）大於輸入能量（2.05 百萬焦耳）的「能量淨增益」里程碑，前天（8月6日）又宣布，獲得比上次更多的輸出能量。 這些科學成就都需要政府挹注鉅額經費才能達成，而這正是勞倫斯在戰後不斷鼓吹的「大科學」。1968年獲諾貝爾物理獎得主、也曾在柏克萊為勞倫斯效力的阿瓦瑞茲（Luis Alvarez）便在悼念他的文章這麼說：「他一定會被記得是迴旋加速器的發明人，然而更重要的是，他應該被記得是現代科研方式的發明人。」 按：本文改寫自發表於本月（8月號）的《工業材料》雜誌 參考資料：
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1941年哥本哈根密會的另一個疑點
關於1941年海森堡拜會波耳的羅生門，除了我在上一篇〈為什麼海森堡未造出原子彈〉所分析的，還有個蠻奇怪的史料，這件事在電影《奧本海默》所改編的原著傳記《奧本海默——美國的普羅米修斯》中也有寫到。1943年12月30日波耳抵達美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）後，向歐本海默等人轉述海森堡在那次會面所透露的訊息： 「波耳不只告訴他們海森堡證實了德國炸彈計畫的存在，他還展示了一張他說是炸彈的草圖，聲稱是海森堡本人畫的。不過只看了一眼，每個人就都認為草圖描繪的不是炸彈，而是鈾反應器。『天啊，』貝特看見那張草圖時說：『德國試圖對倫敦投擲反應器。』」 為什麼我覺得奇怪？因為波耳當時受到蓋世太保的監視，海森堡怎可能留下一張親筆所繪的反應器給波耳，萬一被蓋世太保拿到，海森堡肯定會因洩漏軍事機密而觸犯叛國罪，他何必留下會危及性命的證據？ 如果這張圖不是海森堡所繪，那麼就是波耳自己畫的了。他應該是在事後才憑記憶畫下海森堡向他描述的裝置（或者波耳辦公室有黑板的話，海森堡也可能畫在黑板上再擦掉），但因為誤把反應器當成原子彈，才會氣憤地對海森堡下逐客令，並在多年之後仍堅持海森堡當時的意思是正在全力研製原子彈。 那麼波耳為什麼要說是海森堡本人畫的？只因為他太害怕德國先造出原子彈，所以希望藉此讓美國更卯足全力趕工？（不過這張圖反而讓歐本海默第二天向葛羅夫斯將軍報告說：一個爆炸的鈾堆實際上是沒什麼用處的軍事武器。） 不過在電影《奧本海默》中，並沒有讓波耳展示這張圖，只是讓他以口頭說海森堡透露他們用的減速劑是重水。為什麼諾蘭在這裡反而沒有忠於原著？讓波耳從口袋拿出一張紙，聲稱是海森堡畫的原子彈草圖，這樣不是更有戲劇張力嗎？難道諾蘭也覺得海森堡不可能畫這張圖，才棄而不用這則史料？另一方面，波耳這樣的大師竟然看不出反應器不等於炸彈，似乎也有違他的人設？ 總之，這則史料還蠻耐人尋味的，不管就實際歷史或是就這部電影而言。
為什麼海森堡未造出原子彈？
如電影《奧本海默》所演的，由於德國物理學率先發現鈾的核分裂並釋出超乎預期能量，引起美國擔心納粹若有核武，後果將不堪設想，於是全力投入曼哈頓計畫，務求盡快做出原子彈對付德國。 結果後來發現德國在核能的研究根本還差得遠，按理說德國不乏這方面的專家，所佔領的地區又有開發原子彈所需的豐富資源，為什麼反而落後美國這麼多？德國主持核武計畫的是海森堡（Werner Heisenberg），有人相信他也不樂見納粹擁有原子彈，所以基於良心而故意拖延；有人則認為他始終為虎作倀，只是能力不足才做不出來。究竟哪個才是真相？ 矩陣力學 1924年，前一年剛獲得博士學位的海森堡也順利取得大學任教資格，他原本要在哥廷根大學擔任講師，同時擔任玻恩（Max Born）的助手，但一筆突來的獎助金，讓他得以前往丹麥跟隨波耳（Neils Bohr）做研究。波耳才於1922年獲頒諾貝爾物理獎，獲獎原因是九年前提出電子軌道量子化的原子模型；這正是吸引海森堡研究原子物理的原因，如今有機會蒙大師親炙，他當然要好好把握。 沒想到海森堡在哥本哈根待不到一年就取得巨大成果。他深入探討波耳的原子模型，發現其實根本無從得知電子軌道半徑的大小，唯一能觀測到的只有電子躍遷到另一軌道的前後，所吸收或釋出的電磁波頻率及能量差異。因此，他主張無需行星軌道這種古典模型的假設，而應該用觀測到的能量與頻率來描述粒子的行為。 第二年海森堡回到哥廷根大學後，經由玻恩與同僚約爾丹（P. Jordan）的協助（幫他用數學本來就有的矩陣運算處理複雜的計算），發表矩陣力學，為量子力學奠定數學基礎。 不確定性原理 1926年，海森堡受波耳之邀，重返哥本哈根大學講課，同時擔任波耳的助手。第二年他就發表了更令古典物理搖搖欲墜的「不確定性原理」（他用的德文原本是Ungenauigkeit，相當於英文的inaccuracy）──不可能同時精確測量出粒子的位置與動量。因為要知道粒子愈精確的位置，就得用波長更短的光來「照射」粒子，但光的波長越短，能量就越強，也就更會影響粒子的動量，所以永遠都會顧此失彼。 但波耳隨即給予當頭棒喝：這樣的解釋仍未脫古典物理的觀念，因為這等於承認粒子有確切的位置和動量，只是我們無法精確測量出來，但並非如此！波耳主張「互補原理」是萬物的本質，某樣性質總是和另一項性質互補，就像「波粒二象性」，粒子特性越明顯，波的特性就越不明顯，反之亦然，但這兩個互補的特性永遠存在。因此問客觀的位置與動量是什麼是沒有意義的，我們能掌握的只有觀測到的結果。 海森堡大澈大悟：並非測不準，而是原本就具不確定性；他隨後也改用德文的Unsicherheit與英文的uncertainty稱之。海森堡與波耳就此開創了哥本哈根學派，連同稍早玻恩對薛丁格方程式的機率詮釋，徹底改變了量子物理。海森堡成為物理界耀眼的新星，1932年獲頒諾貝爾物理獎後，更是躋身大師之列，他萬萬沒想到有一天亦師亦友的波耳會與他決裂。 哥本哈根之會 1941年9月中旬的某一天，海森堡來到哥本哈根大學拜會波耳。此時二次大戰已開打兩年，德國已閃電戰席捲歐陸，包括丹麥也在一年半前淪陷，海森堡深信無需原子彈，德國肯定也會取得最後勝利。（此時德國在東西戰線都勢如破竹，美國尚未參戰，要到年底在蘇聯的德軍受制於嚴寒天候，以及日本偷襲珍珠港迫使美國宣戰後，戰局才開始扭轉。） 是的，海森堡和同事們正在研究核反應器以及原子彈，儘管目前仍無太多進展，但戰爭結束後勢必會繼續進行。屆時不僅德國，包括英美等國的科學家，也都要面對是否應該研發武器的道德問題。這正是他特地來拜訪波耳的原因，希望恩師明白他並不願意也不會做出原子彈給德軍用於這次戰爭，但更重要的是，是否有可能也讓所有的物理學家都能同意不要致力於製造原子彈。 然而海森堡知道蓋世太保一直在監聽波耳，為了避免這番談話危及自己，因此他並未明白說出，而是以間接的方式小心謹慎地向波耳暗示。但大概他表達得太過隱晦了，反而造成波耳誤解，竟然憤而對他下逐客令，匆匆結束這場會面。海森堡沮喪地離開，心裡明白恩師從此與他恩斷義絕了……。 波耳記得的並非如此 不過當波耳看到歷史作家容克（Robert Jungk）在1958年出版的書中，按海森堡如上所述記載哥本哈根那次會面後，氣憤地下筆寫信給海森堡，要提醒他事實並非如他所言。波耳寫了好幾封，但一封都沒有寄出去，這些塵封的信稿直到2002年才公開，其中一封寫道： 「……。你在那裏的含糊其辭只讓我確信，在你的領導下，德國一定會盡全力研製原子彈。」 在另一封信中，波耳也說： 「你告訴我，你堅信這場戰爭如果持續夠久，最後的勝負關鍵將是核子武器，而我沒有感覺到你給了我任何暗示，說你和你的朋友正在往另一個方向努力。」 究竟海森堡是想避免各界指責他為虎作倀，才故意扭曲與波耳的談話內容，來美化自己的在戰爭中的角色？抑或波耳原本就對海森堡為納粹效力感到不悅，所以聽不進他的婉轉表態？ 如果說海森堡和波耳的此次會面因為沒有第三人證，成了各說各話的羅生門，那們是否有其它證據佐證德國未能開發出原子彈，真的是如海森堡戰後好幾次宣稱的，他是故意拖延，而不是不知道怎麼做？ 秘密錄音 1945年5月到6月之間，包括海森堡在內的十名負責核能研發的科學家被美、英兩國的特遣隊擄獲後，於7月初安置到英國劍橋附近的「農場會館」（Farm Hall）。他們渾然不知建築物內到處都安裝了竊聽器，錄下他們的對話。 當他們於8月6日晚餐前得知美國在廣島投下原子彈時，每個人都驚駭不已，他們在餐桌上的討論當然也被錄了下來，以下是摘錄其中的譯稿。 （前略） 哈恩（Otto Hahn，就是他最先發現核分裂）：「……。如果美國人有個鈾彈，那你就是二流的了，可憐的過氣海森堡。」 勞厄（Max von Laue）：「無知的！」 海森堡：「他們提到原子彈時有用到鈾這個字嗎？」 眾人：「沒有。」 海森堡：「那就跟原子沒有關係。雖然相當於兩萬噸的巨爆是很驚人。」 ……（眾人討論，略） 哈恩：「他們領先我們有五十年。」 海森堡：「整件事我一點兒也不相信。他們得把他們全部的五億英鎊用來分離同位素才有可能。」 魏茨澤克（Carl von Weizsäcker）：「如果這很簡單而且同盟國也知道有多簡單，那麼他們就會知道我們繼續往下做的話，很快就會找出方法。」 哈恩：「我覺得再二十年也做不到。」 魏茨澤克：「我不認為它和鈾有關係。」 哈恩：「它一定是顆相當小的原子彈——像手那樣。」 海森堡：「我願意相信它是顆高壓炸彈，但我不相信它和鈾有任何關係。它只是化學的東西，他們大幅增加反應速率，才大幅提高了爆炸威力。」 ……（眾人討論，略） 海森堡：「關於那顆炸彈我還是一個字也不信，雖然我可能是錯的。我認為他們頂多有10噸的濃縮鈾，但絕不可能有10噸的鈾-235。」 哈恩：「我想一顆（原子彈）只需要很少的235。」 海森堡：「如果他們只能慢慢地濃縮鈾，他們是可以打造持續下去的引擎（指核反應器），但不可能用來產生那樣的爆炸——。」 哈恩：「但如果他們有，假定說30公斤的純235好了，他們不能拿它來製造炸彈嗎？」 海森堡：「但這仍不足以爆炸，因為平均自由路徑還是太大了。」 …
電影《奧本海默》中的真與假
諾蘭這部電影主要是根據 ”American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer” 這本書（中譯本書名和電影相同也叫《奧本海默》，由時報出版發行）。這本書的兩位作者蒐集了數千份記錄、信件和大量的機密文件，並採訪近百位奧本海默的朋友、親屬和同事，花了二十五年時間才完成這本上千頁的巨著，堪稱是最具代表性的歐本海默傳記， 2006 年也獲得普立茲獎以及美國國家書評獎的肯定。 那麼電影《奧本海默》是否符合書中所記載的史實？我得佩服的說：是的，除了少數幾處之外，幾乎都忠於史實，甚至很多對白完全就是當事人當初的原話。電影中有些情節觀眾可能會以為是特意塑造的戲劇效果，其實也都是真的，例如：（以下涉及電影情節，僅適合已看過電影者。） 歐本海默真的曾在教授桌上的蘋果下毒。 泰勒真的計算出核爆可能引發失控的連鎖反應，點燃整個大氣層。 歐本海默的情人瓊真的服藥之後，頭埋入浴缸中溺死，引起各方猜測是否真屬自殺。 最後一次的內爆測試的確顯示核試爆可能失敗。 原子彈試爆前夕的確暴風雨來襲，直到清晨四點才開始放晴。 歐本海默真的和太太約定以「收床單」為暗號，通知她核試爆結果。 費曼真的沒用黑玻璃，在軍車內以裸眼直視核試爆的光芒。 歐本海默真的在出口同位素給挪威的聽證會中講了那些話，引起哄堂大笑，讓在場的史特勞斯又窘又怒。 不過也有幾處就與史實不符了，包括： 波耳差點吃下毒蘋果 並沒有。毒蘋果事件發生在 1925 年晚秋，1926 年春天，拉塞福才將歐本海默介紹給波耳認識。 建議歐本海默前往哥廷根大學的人也不是波耳，而是是哥廷根大學的理論物理研究所主任玻恩。玻恩到劍橋訪問時遇見歐本海默，認為他頗有天分，便邀請他來自己的學校，玻恩也就成為他的指導教授。 歐本海默去找愛因斯坦驗算大氣層是否有可能被引爆 並沒有，他是去芝加哥大學請康普頓驗算。（康普頓於1923年以實驗證明X光散射的數據只能用粒子碰撞解釋，證明愛因斯坦的光量子假說。他在曼哈頓計畫中負責領導芝加哥大學的冶金實驗室。） 事實上，歐本海默在 1947 年接任普林斯頓高等研究院院長前，對愛因斯坦這些抗拒哥本哈根學派的老頑固是相當不以為然的。1945 年，歐本海默被高等研究院列入終身教授的候選人名單，愛因斯坦也不贊成，認為包立更適合。不過九年之後歐本海默面臨聽證會調查時，愛因斯坦仍和其他教授聯名聲援歐本海默。 波耳說海森堡於 1941 年來訪時，告訴他德國使用重水做減速劑 波耳的確於 1943 年底來到洛斯阿拉莫斯，也真的曾在往英國的飛機上沒戴氧氣罩而昏厥過去，但是他並不知道德國研發原子彈的情況，反而以為海森堡向他保證德國正全力研製原子彈。美國直到 1944 年 11 月，才由派往歐洲搶奪德國科學家的特遣隊確認德軍並無原子彈，短期內也造不出來。 至於海森堡當初到丹麥跟波耳說了什麼，原本領先的德國又為什麼沒做出原子彈，可參考下一篇〈為什麼海森堡未造出原子彈？〉。
當青年奧本海默遇上物理大師們
電影《奧本海默》相當沉重，這一篇來講講奧本海默年輕時與幾位物理大師有趣的互動。1925 年奧本海默遠赴英國劍橋大學留學，卻因不善實驗物理而勉強熬過沮喪的一年。第二年，奧本海默轉往德國哥廷根大學，轉攻量子物理的理論，結果就像從陸地回到水中的魚突然發現自己可以大展身手，整個人煥然一新、充滿自信。他在德國結識了許多量子物理的重要人物，除了學術上的討論，也留下不少令人莞爾的對話。 玻恩 (Max Born) 奧本海默的指導教授玻恩當時已是大師級的人物，他於 1925 年協助海森堡完成矩陣力學的數學基礎，第二年還石破天驚地用機率詮釋薛丁格方程式，相當不以為然的愛因斯坦才寫信給他說：「無論如何，我確信祂（上帝）不會擲骰子。」 不過玻恩有時會在冗長的計算中犯些小錯誤，所以常請他的研究生複查他的數學。有一次，玻恩給了奧本海默一組計算。幾天後奧本海默交回來，竟對玻恩說：「我找不到任何錯誤——你真的是自己一個人做的嗎？」 奧本海默拿到博士學位要回美國時，玻恩對他說：「你可以離開，但我可不行。你留給我太多作業了。」 狄拉克 (Paul Dirac) 狄拉克於 1927 年來到哥廷根大學時，對於量子電動力學已做出許多重要貢獻。他大奧本海默不到兩歲，兩人可說完全相反，奧本海默博學多聞、熱愛文學藝術，但狄拉克只專注於物理。事實上，狄拉克是個典型的亞斯伯格症患者，完全沒有浪漫情懷，他曾劈頭就問奧本海默：「他們告訴我你除了研究物理也寫詩。你怎麼會兩種都做？物理是我們試圖向人們說明，讓他們得以明瞭本來不知道的事，詩歌卻恰恰相反。」（意指詩是把本來就知道的事寫得沒人能懂。） 狄拉克對於奧本海默有能力閱讀各種原文的文學作品也無動於衷，還說：「為什麼你要浪費時間在這些垃圾上面？我認為你付出太多時間給音樂和你的繪畫收藏品了。」儘管如此，他們兩人仍是好朋友，奧本海默最開心的就是見到狄拉克，聽他分享最新的量子理論。 包立 (Wolfgang Pauli) 包立絕對是天才型的人物，高中畢業那年就寫了關於廣義相對論的論文，距離愛因斯坦發表廣義相對論還不到三年；他在 1924 年 24 歲時，提出「包立不相容原理」，建構了電子軌域的模型，不同元素為何有相似的物理與化學性質也獲得解釋。不過絕頂聰明的包立卻總是與物理實驗相剋。每當他走進實驗室，不知為什麼，實驗儀器總是會故障甚至爆炸，後來就有「包立效應」這個詞來描述此一奇特現象。 奧本海默是在 1929 年到瑞士跟大他四歲的包立學習。毒舌的包立曾批評奧本海默：「他的想法總是非常有趣，但是他的計算總是錯誤。」還故意叫他「喃–喃–喃先生」(Nim-Nim-Nim man)，只因奧本海默演講中途要思考如何講的時候，會發出「喃–喃–喃」的聲音。奧本海默也會拿「包立效應」來開包立玩笑，但奧本海默還是非常崇拜包立的。 愛因斯坦 對於那些不願接受新的量子理論的保守大老們，年輕的奧本海默可就毫無敬意了。他曾在 1935 年造訪普林斯頓高等研究院，回來後寫信給他弟弟說：「普林斯頓是個瘋人院。那些自大的啟蒙者只能在這與世隔絕的地方發光。愛因斯坦根本頭殼壞去。(Einstein is completely cuckoo.)」 奧本海默大概完全想不到有一天他會擔任高等研究院的院長。 參考資料： 1. 《奧本海默》，時報出版 2. 《愛因斯坦的辦公室給了誰》，天下文化出版
看電影《奧本海默》前，先來科普一下
簡單說，這次諾蘭的《奧本海默》並不燒腦，可是資訊量龐大。不但出現很多科學家與歷史事件，又是以倒敘與順序交叉進行，不熟悉的觀眾大概很難立即掌握整個來龍去脈。為了幫助讀者在看這部片時能進入狀況，我就以奧本海默為主軸，盡量不劇透地依時間順序，簡單介紹片中比較關鍵的科學家及其背景。 1924年，奧本海默到英國劍橋大學留學 當時最先進的物理研究都在歐洲，「核子物理之父」拉塞福在劍橋大學主持的卡文迪許實驗室更是聚集了青年才俊。不過奧本海默未能獲得拉塞福指導，偏偏他的指導教授偏重實驗物理，讓手腳笨拙的奧本海默痛苦不堪。這一年海森堡也到丹麥哥本哈根大學跟波耳學習。波耳當時已是量子物理的大師，他於1913年用量子理論修正了拉塞福的原子模型，指出電子只能在特定的一些公轉軌道上，除非吸收或輻射足夠的能量，才會躍遷到另一個軌道。波耳的原子模型成功符合許多光譜實驗，因而獲頒1922年的諾貝爾物理獎。奧本海默曾說波耳是他的上帝。 1926年，奧本海默轉往德國哥廷根大學 哥廷根大學是當時量子理論的聖地。奧本海默在這裡結識了年紀相差不多的海森堡、費米、泰勒與許多後來成為量子物理大師的年輕學者；其中費米與泰勒二人之後都加入曼哈頓計畫。1927年奧本海默取得博士學位；海森堡則發表「不確定性原理」，指出粒子的位置與動量不可能同時獲知，打破古典物理的認知，而於1932年獲頒諾貝爾物理獎。 奧本海默返美短暫一年後，於1928年到荷蘭任教；他在這裡有了「奧比耶」(Opje)的暱稱，回到美國後就成了「奧比」(Oppie) 。他造訪德國萊比錫大學時結識同樣來自美國的物理學家拉比，成為他一輩子情義相挺的好友。拉比後來因為核磁共振的技術獲頒1944年的諾貝爾物理獎 1929年，奧本海默到加州大學柏克萊分校任教 奧本海默和比他早一年來的物理學家勞倫斯很快成為知交。勞倫斯未曾留學歐洲，算是美國土生土長的實驗物理學家，兩年之後他發明迴旋加速器，以前所未有的能量撞擊粒子，開啟了人造放射性元素的研究，因而獲頒1939年的諾貝爾物理獎。 從1929年到1933年，美國陷入經濟大蕭條，很多人失去工作。同情勞工的奧本海默因此支持工會與共產主義，勞倫斯雖然相當不以為然，但仍相信奧本海默的忠誠，後來還力薦他加入曼哈頓計劃。 1939年，奧本海默得知德國發現核分裂 這件事得從費米講起。他於1934年用慢中子轟擊各種元素，得到具有放射性的同位素，甚至發現比鈾重的超鈾元素，而於1938年獲得諾貝爾物理獎。孰料德國科學家重做費米的實驗，卻發現他根本搞錯了，鈾原子核吸收中子後並沒有變成超鈾元素，而是分裂成兩個較輕的原子核，並再釋出2~3個中子，而減少的質量依E=MC^2公式換算後恰好就是產生的能量。 這消息是波耳於1月初來美國參加研討會時透露的，剛移居美國的匈牙利物理學家西拉德得知後立刻覺得大事不妙。他幾年前就想過核反應若產生兩個以上的中子，可以引發連鎖反應，產生巨大的能量，倘若德國用來發展原子彈，後果將不堪設想。於是他一方面找費米進行實驗確認，一方面擬了封信請愛因斯坦一起背書，促請羅斯福總統展開核連鎖反應的研究。 9月，德國入侵波蘭，開啟了第二次世界大戰。10月羅斯福簽署成立「鈾諮詢委員會」，著手評估多少鈾才能產生連鎖反應。結果花了將近兩年的時間，才確認原子彈可以小到掛在轟炸機上，羅斯福終於在1941年10月批准原子彈研發計畫。兩個月後日本偷襲珍珠港，美國正式參戰。 1942年到1945年，奧本海默領軍開發原子彈 這段故事就請直接觀看電影。但有件事電影裡沒特別交代，那就是羅斯福於1945年4月病逝，才由副總統杜魯門接任總統。杜魯門希望在7月17日舉行的波茲坦會議前確認手上有什麼籌碼，才要求核子試爆要在會議前完成。 1947年，奧本海默應史特勞斯之邀，擔任普林斯頓高等研究院院長 普林斯頓高等研究院是由幾位猶太商人出資於1930年設立，並不隸屬於普林斯頓大學，只是成立之初借用數學系的辦公室。獲邀進駐的科學家可以專心思考，無須教學也不用發表論文。 第一批進駐的六位科學家包括了愛因斯坦、哥德爾、馮紐曼。電影中特別拍攝愛因斯坦與哥德爾一起散步的場景，因為愛因斯坦曾說自己的工作沒啥意思，進研究室就只為了有榮幸同哥德爾一起散步回家。哥德爾在1930年提出不完備定理，隔年發表後震驚各界，因為它徹底粉碎了數學家試圖建立完善的數學體系的夢想。 除了擔任高等研究院院長，奧本海默也在1947這一年成立的美國原子能委員會(AEC)中，擔任總顧問委員會主席。 1954年，奧本海默接受聽證會調查 前一年史特勞斯被艾森豪總統任命為新一任AEC主席後，突然在12月通知奧本海默，說他遭人檢舉危及國家安全，建議他辭去總顧問委員會主席。奧本海默不願蒙受不白之冤，寧可接受聽證會調查，電影便是從這裡開始以奧本海默的角度回顧……。 電影另一條敘事支線則是以黑白畫面呈現史特勞斯的視角，從他1958年中結束AEC主席任期後，接受艾森豪任命為商務部長，也要面對參議院聽證會，開始回顧與奧本海默的交集。 最後兩人接受聽證調查的結果雖然已是史實，這裡就不透露，留待讀者隨著劇情推展去體會奧本海默的情感糾結、良心掙扎、起伏人生以及最終命運囉。
發明雷射的人
「早安，女士先生們，我們今天在此向各位宣布：人類已經成功達成科學家們企求多年的目標。有史以來第一次，出現了同調性（coherent）的光源。換句話說，追尋已久的雷射不再是難以捉摸的夢想，而是已經確立的事實。」1960 年 7 月 7 日，梅曼（Theodore Maiman）博士在紐約的一場記者會中自豪地如此宣告。 的確，自 1950 年代起各路人馬競相研發雷射，卻始終難以突破，沒想到最後拔得頭籌的，竟然不是貝爾實驗室等有著輝煌紀錄的研發機構，而是製造飛機的休斯公司（Hughes Aircraft Company）在二次大戰後才成立的實驗室，而且發明者是加入才第四年的梅曼。 梅曼出生於 1927 年 7 月 11 日，從小就是個過動兒，卻能耐著性子跟在當電子工程師的父親身邊做實驗，也因此十幾歲時便能幫別人修理電器用品來賺取零用錢。他在史丹福大學拿到電機碩士學位後，繼續攻讀博士，但轉向實驗物理，利用微波光學測量氦原子光譜的精細結構，而這也為他日後研發雷射打下基礎。 梅曼拿到物理博士學位後，於 1956 年到休斯公司的原子物理部門上班，負責改良為陸軍打造的邁射（MASER）設備。邁射和雷射都是基於同樣的原理。原子吸收能量（入射光子）後，電子會被激發到較高的能階，但因激發態較不穩定，因此電子會再跳回低能階，同時以光子（放射光子）的形式釋出兩個能階的能量差距。 如果入射光子的頻率剛好對應於兩個能階的能量差距，那麼誘發出的放射光子，無論是頻率、相位、前進方向都會和入射光子完全相同（稱為同調性），於是便有了兩個同調性的光子。這兩個光子又可激發出另兩個光子，如此不斷倍增便產生能量極強又集中的光束。這種方式產生的光束就叫「受激輻射造成的光增強」（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），簡稱雷射（LASER）。若光束是波長比可見光長（因此能量較低）的微波，就叫「受激輻射造成的微波增強」，把 Light 換成 Microwave，簡稱邁射。 雷射和邁射的理論基礎最早是由愛因斯坦在 1917 年發表的論文中所提出，此後又有許多物理學家進行相關實驗，並提出如何付諸實現的構想，但要到 1953 年，美國物理學家湯斯（Charles Townes）才利用激發態的氨分子成功產生邁射。不過湯斯的邁射無法連續發射，反倒是蘇聯物理學家巴索夫（Nikolay Basov）和普羅霍洛夫（Alexander Prokhorov, 他的生日很巧和梅曼一樣是 7 月 11 日）在前一年同樣利用氨氣，產生可連續輸出的邁射，只是外界直到 1954 年才知道這項成果。 湯斯不以邁射為滿足，打算朝能量更強的雷射邁進，他和貝爾實驗室的蕭洛（Arthur Schawlow）合作，於 1958 年提出發表雷射的論文並申請專利。在此同時，IBM、RCA、西屋電氣，以及麻省理工學院、哥倫比亞大學等學術機構也都投入雷射的研發。 鑒於邁射的成功，大家都繼續用氣體分子做為激發介質，但梅曼卻是採取完全不同的進路。首先，他採用的激發介質是紅寶石（當然不是昂貴的天然紅寶石，而是用人工合成的），這是因為他在改良給陸軍的邁射設備時，發現紅寶石的效果更好，也可大幅縮小設備的體積。其次，他還另闢蹊徑使用閃光燈以脈衝的方式照射，而不是像其它團隊那樣，一直地持續不斷地輸入能量。 梅曼在紅寶石表面鍍上一層銀作為反射鏡，紅寶石晶體內的鉻原子受到強光激發後輻射出光子，這些光子在紅寶石兩端的反射鏡來回反射，又激發出更多同調光子，如此不斷倍增；其中部分光子從半反射鏡那一端穿透而出，產生波長 694 奈米的紅光雷射。1960 …
開啟電力時代的人
誕生 1856 年 7 月 9 日午夜，位於現今克羅埃西亞西部，一個人口不到五百人的小村莊斯米連 (Smiljan，當時屬於奧地利帝國)，一名塞爾維亞婦人在分娩途中，突然雷電交加，暴雨伴隨著狂風傾盆而下。受到驚嚇的接生婆喃喃說道：「這是壞預兆，這孩子一定是黑暗之子。」產婦忍著疼痛以堅定的語氣反駁：「不，他會是光明之子！」 產婦說的話不只是期望，還真的成了預言，因為數小時後她生下的小孩，日後便是促成電力普及的關鍵人物——特斯拉 (Nikola Tesla)。 其實當 26 歲的特斯拉於 1882 年來到巴黎時，入夜後的市區街道已是燈火通明，固然其中大部分仍是煤氣燈，但有些路燈已經改用電弧燈。不過弧光燈需使用高伏特的交流發電機，不適用於戶內，因此愛迪生在巴黎成立分公司，希望用直流電網搭配他的白熾燈泡，取代室內的煤氣燈。特斯拉就是被愛迪生歐洲分公司雇用為初級工程師，才辭去布達佩斯電信局的工作，興沖沖地來到巴黎。 愛迪生公司 特斯拉很快展露電學天分，解決公司在各地發電站的大小問題，還改良愛迪生的標準發電機。不過他念茲在茲的，卻是研發他在布達佩斯時想出來的新型交流馬達，利用電磁感應，不需電刷與整流器，效率更佳、用途也更廣。問題是交流馬達無法接上直流電網，自然被主管否決，特斯拉索性申請調到美國總公司，希望當面說服愛迪生。 1884 年，愛迪生熱情接見早已而耳聞其優異表現的特斯拉，並賦予他許多重要任務。特斯拉不負所望一一搞定，其中包括一項須在時限內解決的發電機同步運作問題，愛迪生還特別懸賞五萬美元獎金。沒想到愛迪生竟食言而肥，還笑特斯拉不懂美國人的幽默。特斯拉大失所望，他之前已經知道愛迪生對交流電不屑一顧，只寄望用這筆獎金私下開發交流感應馬達，如今顯然已無待下去的必要，於是來不到一年就斷然辭職。 失業的特斯拉人生地不熟，只能到建築工地幹粗活，賺著日薪兩美元的辛苦錢。幸好一年多後，工頭無意間聽見特斯拉批評愛迪生的電網，說得頭頭是道，於是把他介紹給西聯電報公司 (Western Union Telegraph) 的主管。特斯拉終於在 1887 年獲得資金挹注讓他成立公司，他不但打造出交流感應馬達的原型機，還設計出多相交流發電機，這一年他就申請了四十項專利，架構出完整的交流電系統。 西屋公司 第二年，特斯拉受邀至美國電氣工程師協會演講，並展示他的設計。他的演說論文刊出後，引起西屋公司創辦人威斯汀豪斯 (George Westinghouse) 注意。此時西屋已經在部分城市建立交流電發電站，為商家提供照明，等於是與愛迪生直接競爭。不過在馬達這塊領域，西屋沒有產品可與愛迪生競爭，如果特斯拉的交流感應馬達真的管用，將會是一大利器。此外，他的多相交流電系統或許也能大幅改善西屋現有電網的安全性與穩定性。威斯汀豪斯派人去考察特斯拉的實驗室後，立即和他簽約，除了當下給付 7 萬美元，未來交流感應馬達所產生的每匹馬力，都要再付 2.5 美元的權利金給特斯拉。 特斯拉加入西屋陣營後沒多久，愛迪生先暗中支持交流電的動物實驗，讓民眾目睹狗和馬被活活電死，再運作讓紐約監獄改用電椅執行死刑，強化民眾對交流電的嫌惡。更大的打擊隨之而來，1890 年底，英國霸菱兄弟銀行倒閉，造成不斷擴大的金融危機，西屋電氣因而面臨資金缺口。在威斯汀豪斯的請求下，特斯拉一口答應放棄權利金，仍繼續為西屋開發交流電系統。 1893 年的芝加哥萬國博覽會，西屋用特斯拉的交流電系統點亮近十萬個燈泡，正式宣告了家庭照明新時代的來臨。西屋也因而拿到尼加拉瀑布水力發電的標案，於 1896 年成功將交流電輸出到水牛城，正式宣告交流電時代的來臨。西屋贏得電流大戰的最後勝利，然而這也是特斯拉最輝煌的時刻，自此他的人生將一路走下坡。 殞落 特斯拉著迷於電的隔空傳輸，陸續發明了特斯拉線圈、廣播、無線電、遙控器，但他卻都沒有從中賺到錢。尤其他夢想著在全球建造三十座高塔，透過巨型的特斯拉線圈讓所有人都能免費獲得電力，不但耗盡所有積蓄，也耗盡投資人的信心。 其實特斯拉如果沒有放棄西屋原本答應給他的權利金，光計算到 1905 年他的馬達專利到期為止，至少可以拿到 1,750 萬美元，約當於現在的 4 億 8 千萬美元，再怎樣也能過著優渥的生活，結果他因積欠帳單，輾轉落腳在不同旅館。直到 1934 年，西屋公司安排已經 …
最後一個無所不知的人——湯瑪斯·楊 250 歲冥誕
1773 年 6 月 13 日，湯瑪斯·楊 (Thomas Young) 出生於英國南部一個小鎮。他兩歲即能閱讀，六歲就把聖經從頭到尾讀完兩遍，並開始自學拉丁文，十四歲時已會十二種語言。他也靠自己研讀牛頓所著的《自然哲學的數學原理》與《光學》，以及拉瓦謝的《化學要論》；此外他還會自製顯微鏡與望遠鏡。 歷史上不乏楊這樣的天才兒童，但是能夠像他這樣一生跨足醫學、光學、力學、語言、音樂等完全不同的領域，而且還都能做出重要貢獻的人，恐怕就寥寥無幾了。 視覺 楊原本以行醫為職志，取得醫學博士學位後即以醫生為業。他從十八歲到二十八歲這十年間，發表許多關於視覺的重要論文，例如 1793 年解釋眼睛能看遠看近，是由於水晶體改變曲率來調節焦距；1801 年率先提出散光的現象，並主張眼睛有三種感光細胞，分別接收不同波長的色光，才綜合產生彩色的視覺。因此楊堪稱是生理光學的創始者。 雙狹縫實驗 楊從研究彩色視覺進一步探討光的本質。當時主流思想是牛頓的粒子說，儘管與他同時代的惠更斯與虎克等人曾主張光是一種波，卻礙於牛頓的權威地位而被棄置一旁（註）。楊以一系列的實驗展示光的繞射、干涉等現象，證明光是一種波，其中 1803 年所做的實驗更是影響深遠。 他用不透光的紙遮住窗戶，只留個小孔讓光透進來，然後將很薄的卡片立在這束細光中間，從卡片兩旁通過的光投射到牆壁上，形成干涉條紋。光如果是粒子，不是通過卡片的左邊就是右邊，不會有干涉條紋，因此光顯然是波才對。 但畢竟粒子說已盛行百餘年，楊的實驗結果仍難以扭轉大家的觀念，不過十年之後，法國物理學家菲涅耳 (Augustin Fresnel) 跟隨楊的腳步，提出更明確的實驗結果與理論基礎，波動說終於逐漸獲得各界認同。 百年之後量子力學興起，揭櫫了其實光既是粒子也是波，而且楊的實驗經科學家改良為雙狹縫實驗後，發現電子、原子甚至分子等也會出現干涉現象，證實就連物質也具有波粒二象性。 雙狹縫實驗還有個奇特的觀測效應，一旦觀測光或粒子通過哪道狹縫，干涉現象就會消失，彷彿光和粒子知道有人在偷看就會改變行為似的。這不但佐證了哥本哈根詮釋（處於各種可能性疊加在一起的量子世界，直到進行觀測時才塌陷為一個確定狀態），甚至還衍伸出宛若顛覆因果關係的實驗結果。 羅塞塔石碑 羅塞塔石碑 (Rosetta Stone) 於 1799 年在埃及出土後，因為上面除了古埃及的象形文字，還刻有希臘文與當時平民書寫用的世俗體草書，學者們因此樂觀相信可經由互相比對，破解已失傳一千多年的古埃及象形文字。 然而多年過去，無數學者競相投入卻始終徒勞無功，直到 1819 年，楊發揮其語言天分，率先指認出碑上某一重複出現、有著外框的古埃及象形文字，其實是做為表音符號，代表「托勒密」(Ptolemy) 這個外來統治者的音譯（就像中文「牛頓」只是 Newton的音譯，跟牛並沒有關係）。 法國青年歷史學家商博良 (Jean-François Champollion) 受此啟發，辨認出與托勒密並列的另一人名，就是埃及豔后「克麗奧佩特拉」。商博良陸續又解出幾個象形符號，最後領悟出古埃及象形文並非中文般的表意符號，而是表音符號，才終於在 1822 年完全破解埃及象形文字。 除了這幾樣影響深遠的重大發現，楊還在材料力學、表面張力、血液流動、音樂的平均律等不同領域，也都作出後來以他為名的重要貢獻。2007 年出版的湯瑪斯·楊傳記，書名便叫《最後一個無所不知的人》(The Last Man Who Knew Everything)；的確，隨著學科越分越細，現在已不可能再像他這樣橫跨各種領域。可惜這位曠世奇才未滿 56 歲，就因動脈粥狀硬化離開人世了。 註：微積分也是如此，儘管萊布尼茲的微積分體系較為簡明易懂，但英國卻一直使用牛頓艱澀複雜的版本，直到他死後才開始從善如流。 參考資料：
她的研究促成 PCR 成功商業化，但她什麼都沒得到
1975 年夏，在辛辛那提大學取得細胞生物學碩士學位的錢嘉韻面臨抉擇：她已獲得獎學金可留校繼續攻讀博士，但未婚夫張南驥還在愛荷華州立大學讀碩士，她應該待在辛辛那提或是轉往愛荷華？ 他們倆原是輔仁大學生物系的同班同學，但大學四年期間，張南驥對錢嘉韻的愛慕之心一直藏在心中。1972 年畢業後，張南驥去服兵役，隔年聽聞錢嘉韻到美國留學，便寫信向她請教留學事宜，但實則藉此逐步表達愛意。 錢嘉韻雖然在書信往返中對張南驥頗有好感，但等到他來美國相見時，她反而卻步了，直到張南驥後來又從愛荷華過來找她，兩人談起聖經教義產生共鳴，才打開心房，互訂終身。然而他們若不想分隔兩地，勢必要有一人轉學，錢嘉韻沒考慮太久，便主動表示願意配合張南驥，前往愛荷華州立大學攻讀神經生物學博士。 他們兩人先後取得博士學位後，相偕於 1982 年返台，同在陽明醫學院任教。錢嘉韻專心於神經科學的研究與教學，完全沒有料到幾年之後，她已拋在腦後的碩士論文竟成了改變世界的關鍵環節。 **** 1983 年 4 月的一個夜晚，在美國生技公司 Cetus （註）任職的生物化學家穆利斯 (Kary Mullis) 開車載著女友前往度假小屋時，突然靈光一閃，想出可以在短時間內大量複製 DNA 特定片段的方法，也就是如今我們所熟知的「聚合酶連鎖反應」(Polymerase Chain Reaction，簡稱 PCR)。不過當他回到公司進行實驗後，卻一直無法獲得預期的擴增效果。第二年公司高層逼迫穆利斯讓另一個小組加入研究，才終於用大腸桿菌中的 DNA 聚合酶做為酵素，成功展現 PCR 的實際成效。 不過 PCR 的第一步要將 DNA 加熱到 95℃，讓纏繞的雙螺旋分開，聚合酶才能以分開的兩條 DNA單鍊為模板，合成出互補的單鍊，使得 DNA 倍增。然而大腸桿菌的 DNA 聚合酶在高溫下即失去活性，因此必須等溫度降至 37 ℃ 才能加進來，於是每倍增一次，就要再重覆一次加熱、降溫、加入酵素的過程。必須如此重覆 30 到 40 次，才能獲得足夠數量的 DNA，但每次都要靠人工操作，費時又費力，使得 PCR 的實用性大打折扣。 如果有耐高溫的 DNA 聚合酶就好了。這樣一開始就可以全放進去，然後讓機器自動調節溫度的變化，三、四十次的倍增過程中完全不用人工作業，大幅提升 PCR 的效率。 於是穆利斯的團隊開始發掘耐熱的菌種，最後在一篇 1976 …