歐本海默與天文學

奧本海默：原子彈之外的科學成就

看完諾蘭導演的《奧本海默》，大部分的焦點自然集中在歐本海默 （ J. Robert Oppenheimer ） 如何領導核武研發，尤其在曼哈頓計劃的關鍵角色。這部電影確實詳盡地描繪了原子彈的誕生及其所帶來的震撼，從而突顯出他不可磨滅的成就。然而，筆者卻想說說他在原子彈以外的科學成果。

1930 年代：物理學變革與挑戰的 10 年

1930 年代是全球歷史上既迷人又極具爭議的一段時期。從經濟、政治、文化到科技，見證了無數劇烈的變革。這些變革不僅為核物理學的飛速發展提供了契機，而這門學科在該 10 年內確實也有突飛猛進的進展。經濟層面上，大蕭條導致全球經濟急劇下滑。這一前所未有的危機深深撼動了人們對政府和資本主義制度的信賴。在探索新的經濟與政治模式的過程中，許多國家被推向了極端的思想路徑，尤其是法西斯主義。隨著這些激進思想的興起，國際局勢日益緊張，最後悲劇性地引發了第二次世界大戰。在文化方面，這是現代藝術、文學和音樂的盛世。新興的藝術運動，例如超現實主義和表現主義，得到了熱烈的追捧。爵士樂和搖滾樂帶來的新風潮，使人們對音樂有了前所未有的熱情。同時，電影逐漸成為主流的娛樂，並深刻地塑造了當時的生活和文化觀念。科技進展方面，這 10 年無疑是充滿突破的。無線電和電視的普及為家庭帶來了新的娛樂方式，而飛機和汽車技術也得到了空前的發展。這些革命性的創新不僅改寫了人們的日常生活，更進一步重塑了全球的經濟和政治版圖。

歐本海默的天體物理學突破：黑洞的誕生之謎

在這樣的地緣政治動盪背景下，核物理學正悄悄地展開了一場寂靜的革命。歐本海默無疑是這場革命的先驅之一。人們常因他在曼哈頓計劃中的重要角色而提及他，但他對於恆星最終命運，特別是黑洞形成的深入研究，為我們今日對宇宙的認知鋪設了基石。在投入原子彈研發之前，他已是一名探索核物理未知之地的頂尖科學家。他特別對宇宙中的重力崩潰過程著迷。在 1930 年代末，他首次指出了原子核（也就是現稱的中子星核心）可以達到的最大質量極限，超過這一極限後，它將崩潰變成「暗星」，即現今所稱的黑洞。 儘管大眾對歐本海默的認知主要集中在曼哈頓計劃上，但其在天體物理學的突出貢獻，如今仍是我們研究和理解黑洞的關鍵基石。試想一下，當一顆星體受到強大的重力吸引，使其質量持續向中心集中時，物理學家一直困惑：星體為什麼不會因為其巨大的重力而崩潰呢？太陽的質量是地球的 330,000 倍，但其密度卻不及地球的四分之一。這意味著，在太陽的內部，有某種不為人知的力量正在抵抗重力。這種力量不可能僅僅是化學反應、重力的縮減或是持續的燃料補給，否則太陽的生命期會遠遠縮短，且其密度應當更高。真正的答案在於太陽內部發生的核反應，這些反應所釋放的能量足以對抗外部的重力。

歐本海默在恆星演化領域的研究更加深入。他發現，當恆星消耗完其所有燃料時，核心會開始縮小，導致核心溫度驟增。目前我們已知，隨著核心溫度的提升，碳會開始進行核融合，生成新的元素。但是，當這些核反應達到一定極限時，恆星的核心將無法支撐，從而崩潰並形成黑洞。此外，歐本海默的研究揭示了恆星會有不同的命運。例如，質量較小的恆星，如我們的太陽，最終會轉化為白矮星。然而，若恆星的質量超過錢德拉塞卡 （ Chandrasekhar ） 所設定的特定極限，它則有可能形成一個黑洞。因此，當我們觀測宇宙中的各種星體時，這些理論提供了一個解讀恆星如何形成、發展及其最後命運的框架。而在這一系列發現和理論建立中，歐本海默的角色絕對是關鍵且不可或缺的。

托爾曼–歐本海默–沃爾科夫極限：中子星質量的關鍵發現

核物理學的探索速度日新月異。 1932 年，查兌克 （ James Chadwick ） 首次確定了中子的存在。僅過一年，巴德 （ Walter Baade ） 和茲威基 （ Fritz Zwicky ，他同時也是暗物質研究的先驅）就提出了一個假說：巨大恆星在生命終結時可能會形成中子星。這個假設深深吸引了 20 世紀 30 年代的歐本海默。他決定探究中子星的本質，無論是從增加其質量還是壓縮其體積的角度，都試圖尋找其存在的極限。歐本海默相信，中子星的質量上限可能與錢德拉塞卡為白矮星定下的極限類似。 歐本海默在研究中也得到了托爾曼 （ Richard Tolman ） 的工作啟示，並與沃爾科夫 （ George Volkoff ） 攜手合作，共同發現這些天體所經歷的物理過程具有一致性。不論是中子、質子，還是電子，因為它們都屬於費米子，都必須遵循包立 （ Pauli ） 的不相容原理。這一原理形成了一種反作用的壓力，這使得像中子星或白矮星這樣的恆星殘骸不會超過其臨界質量。這一質量的上限最初是由歐本海默和沃爾科夫針對中子星提出來的，如今我們稱其為托爾曼-歐本海默-沃爾科夫極限，或縮寫為 TOV 極限。現代天文核物理學的研究顯示，這一極限的質量約為 2.2 到 2.9 太陽質量。

驚人的一致性：現代觀測與理論的中子星質量匹配

對於中子星的現代觀測與理論預測的匹配度，結果確實相當引人入勝。對於那些對中子星質量極限充滿好奇心的讀者，筆者建議他們不要僅僅依賴維基百科上的最大質量中子星清單做為參考，因為那上面列出的多數中子星，其質量和距離都存在著不確定性。相對地，以下 3 個精確的觀測結果其實更具參考價值。首當其衝的是毫秒脈衝星 PSR J0740+6620 。儘管它的旋轉速度驚人，其質量已被確定為 2.08 太陽質量，這一數值的誤差範圍僅為3％，與TOV極限的預測相當吻合。 接著，在 2017 年， LIGO-Virgo 合作組首次觀察到中子星間的合併事件： GW170817 。這兩顆中子星合併前的總質量大約是 2.75 太陽質量。令人驚訝的是，它們在合併後迅速形成了一個可能是高速旋轉的中子星，但這個新形成的星體在短短的一秒鐘內就崩潰，成為了一個黑洞。 此外，在 2019 年， LIGO-Virgo 合作組又一次觀察到了中子星的合併事件，命名為 GW190425 。這次的中子星合併所產生的總質量更大，介乎 3.3 至 3.7 太陽質量之間。而令人關注的是，這次合併後它們直接崩潰成為了一個黑洞，這暗示了中間並沒有中子星的存在階段。

每當我們提到歐本海默，我們不應只是聚焦於他的私人生活、政治信仰或其在原子彈研發中的巨大成就。實際上，他對天文物理學的深入研究也有不可忽視的貢獻，特別是他對中子星與黑洞之間的質量劃分理論，也許具有更長遠的歷史意義。而當歐本海默引述了《薄伽梵歌》：「現在我成了死神，諸世界的毀滅者。」時，他所描述的不僅是原子彈的破壞性。那些質量過大而最終走向滅亡，化做奇異點的中子星，也應被包含在他的言論中。