連鎖反応: オッペンハイマー映画の物理学の説明

物理学者の J. ロバート オッペンハイマーは「原爆の父」と考えられており、彼の生涯はクリストファー ノーラン監督の最新映画で語られます。ノーランの履歴書には、SF に印象的なアプローチをとった『インセプション』や『インターステラー』などの映画が含まれています。

インターステラーと同じように、オッペンハイマーの映画には、当面の問題の物理学について議論するシーンがいくつかあります。 20世紀の有名な物理学者が何人か映画の中で言及されており、他の人も作品の登場人物として登場します。

この映画の一部は、核分裂とそれが引き起こして大量のエネルギーを放出する連鎖反応の物理学を扱うオッペンハイマーの難しさです。映画の議論を理解しやすいように、ここで物理学についてまとめてみましょう。

物理学者のオッペンハイマーは、量子力学の研究がピークに達していたときにヨーロッパで博士号を取得しました。ニールス・ボーア、マックス・ボルン、J.J.トムソン、ヴェルナー・ハイゼンベルクなどの名前がこの分野の柱を形成していました。

オッペンハイマーはヨーロッパ滞在中に研究とアイデアに触れ、その知識を米国にもたらす責任がありました。これが、彼がマンハッタン計画における核分裂と連鎖反応の研究に最適な人材となった要因の 1 つでした。

オッペンハイマーがヨーロッパに行く前でさえ、20 世紀初頭に若い物理学者が彼の方程式を発表しました。アインシュタインは、物質とエネルギーが同等であることを示す有名な方程式 E = mc² を導入しました。

この方程式の主な結果の 1 つは、物質はエネルギーに変換でき、このエネルギーを使用して何らかの方法で使用することが可能になるということです。数年後、科学界はこの単純な方程式が大量破壊兵器を生み出す可能性があることに気づきました。

物質が私たちに提供できるエネルギーを利用する方法の 1 つは、核分裂です。核分裂は、原子核がより小さな核をもつ 2 つ以上の原子に分裂するときに起こります。

原子が２つに分裂すると、大量のエネルギーが放出されます。ただし、このプロセスを開始するには、ウランやプルトニウムの一部の同位体など、分裂の限界にある元素を使用する方が簡単です。

オッペンハイマーが自問したのは、爆発を引き起こす可能性のあるこのプロセスをどのように強化するかということでした。

映画の中のいくつかの議論では、数人の物理学者が連鎖反応の数学について議論するために集まります。このアイデアは比較的単純ですが、20 世紀の物理学者を頭痛の種にさせた数学が含まれています。

連鎖反応は、最初の核分裂の後に起こる一連の核分裂です。最初の核分裂で生成された中性子は他の原子に衝突し、原子が分裂し、さらに中性子が放出されて他の原子に衝突します。

その結果、大量のエネルギーが次々と急速に放出されることになります。いわば爆発です。

この映画に注意を払うと、材料の臨界量と、形状の連鎖反応を引き起こす方法についての言及を聞くことができます。臨界質量は、連鎖反応プロセスを開始するために可能な最小質量です。

オッペンハイマーでは、物理学者が物質を未臨界のままにする最良の手法は何か、またトリガーを通じて臨界質量を活性化する方法は何かについて議論しているのが見られます。

オッペンハイマーが計算の問題に直面していたのは事実です。計算では、連鎖反応が止まらず、大気圏自体で終わりのないプロセスが始まり、地球が燃えてしまう可能性があります。

物理学者は計算を確認するためにアインシュタインを追ったが、後にオッペンハイマーのチームは計算に誤りがあり、大気中で連鎖反応が続く可能性はゼロに近いことに気づいた。