Entdecken Sie die Geschichte hinter „Oppenheimer“, die Nolan nicht verfilmt hat

Vor Kurzem kam der biografische Film „Oppenheimer“ von Nolan, der auch Regie führte, weltweit in die Kinos und rückte den legendären Wissenschaftler, der als „Vater der Atombombe“ bekannt ist, wieder ins Rampenlicht der Öffentlichkeit. Allerdings hat Oppenheimers komplizierte Lebensgeschichte dazu geführt, dass die meisten Menschen seine akademischen Beiträge über die Entwicklung der Atombombe hinaus, insbesondere seine Leistungen in Bereichen wie der Astrophysik, ignorierten. Lassen Sie uns heute über die Geschichte hinter Oppenheimer sprechen.

Ein Leben voller Leiden für die Atombombe

Oppenheimer wurde als „Amerikas Prometheus“ bezeichnet. 1942 wurde er zum Chefwissenschaftler des Manhattan-Projekts ernannt und war für die Entwicklung der Atombombe verantwortlich. Im Film „Oppenheimer“ gibt es ein Detail: Groves, der militärische Leiter des Manhattan-Projekts, fragte Oppenheimer einmal, wie wahrscheinlich es sei, dass eine Atombombe alles Leben auf der Erde vernichten würde. Oppenheimer antwortete ruhig: „Die Wahrscheinlichkeit liegt nahe Null.“ Groves fragte zurück: „Nahe Null? Null ist gut.“

Standbilder aus dem Film Oppenheimer

Diese Vorstellung erscheint heute beinahe bizarr, doch tatsächlich war die Sorge, dass Atombomben die Erde in Brand setzen könnten, während des gesamten Manhattan-Projekts stark verbreitet.

Dies liegt daran, dass Oppenheimer im Rahmen des Manhattan-Projekts entdeckte, dass sich unter den extrem hohen Temperaturen, die bei der Kernspaltung herrschen, leichte Atome wie Wasserstoff zu schwereren Atomkernen zusammenlagern können und dabei enorme Energie freisetzen. Diese Entdeckung führte später zur Entwicklung der Wasserstoffbombe. Obwohl der Wasserstoffgehalt in der Atmosphäre extrem gering ist, kann die hohe Temperatur nach der Detonation einer Atombombe dazu führen, dass sich die Wasserstoffatome im Wasserdampf trennen und dadurch eine großflächige Kernfusion ausgelöst wird. Mit anderen Worten: Eine Atombombe könnte die Erde selbst in einen riesigen, sich ausdehnenden Feuerball verwandeln.

Im Jahr 1945 entwickelte Oppenheimer mit seinem Team die erste Atombombe der Welt und führte die Testexplosion erfolgreich durch. Als ein riesiger Atompilz in den Himmel von New Mexico aufstieg, war Oppenheimer nicht erfreut darüber, dass er die Erde nicht in Brand gesetzt hatte. Später beschrieb er es als Erinnerung an eine Zeile aus dem indischen Epos Bhagavad Gita: „Ich bin jetzt der Gott des Todes, der Zerstörer der Welten.“ Obwohl spätere Generationen diese Passage vor allem als Beleg für Oppenheimers Anti-Atomkraft-Haltung verwendeten, platzte es Oppenheimer damals, wie Historiker unter Berufung auf einige Passanten am Tatort berichten, eigentlich mit einem eher klischeehaften Satz heraus: „Das Ding funktioniert.“

Einen Monat später warf das US-Militär Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki in Japan ab und beendete damit den Zweiten Weltkrieg. Danach war Oppenheimer nie wieder in der Waffenforschung tätig.

Die vergessenen Errungenschaften der Astrophysik

Die Zeit vor der Leitung des Manhattan-Projekts war der Höhepunkt von Oppenheimers akademischer Karriere, insbesondere in Bereichen wie der Astrophysik. Um Oppenheimers Beiträge zur Astrophysik zu verstehen, wollen wir zunächst einige physikalische Kenntnisse wiederholen.

Ein Stern besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Die enorme Schwerkraft des Sterns führt dazu, dass diese Materialien im Kern des Sterns eine Reihe von Kernfusionsreaktionen durchlaufen und Energie freisetzen. Diese Energien sorgen für einen enormen Strahlungsdruck aus dem Inneren des Sterns nach außen und verhindern so, dass der Stern unter enormen Gravitationsbedingungen nach innen kollabiert. Der Gleichgewichtszustand in diesem Stadium wird in der Astronomie als Hauptreihenstadium bezeichnet.

Wenn die Kernreaktion im Inneren eines Sterns ihre Grenzen erreicht, auf welche Energie kann der Stern dann zurückgreifen, um sich selbst zu erhalten, wenn ihm der Brennstoff ausgeht? Nach dem Pauli-Prinzip können sich in der aus Fermionen bestehenden mikroskopischen Welt nicht zwei oder mehr Teilchen im exakt gleichen Zustand befinden, und wenn sie zusammen sind, stoßen sie sich unweigerlich gegenseitig ab. Elektronen, Protonen und Neutronen sind allesamt Fermionen und unterliegen daher alle dem Pauli-Prinzip. Auf diese Weise bestimmt die gegenseitige Abstoßung der Fermionen das Schicksal der Sterne, nachdem ihnen der Brennstoff für ihre Kernreaktionen aufgebraucht ist.

Standbilder aus dem Film Oppenheimer

Der indisch-amerikanische Physiker Chandrasekhar schlug vor, dass ein herkömmlicher Weißer Zwerg den Entartungsdruck der Elektronen nutzen würde, um seiner eigenen enormen Schwerkraft zu widerstehen. Überschreitet die Masse des Weißen Zwergs jedoch eine bestimmte Obergrenze, werden die Elektronen zusammengedrückt und verbinden sich mit den Protonen im Kern. Dadurch werden die Bemühungen des Weißen Zwergs, seiner eigenen Schwerkraft zu widerstehen, wirkungslos, was zu einem katastrophalen Kollaps führt. Im Jahr 1930 berechnete Chandrasekhar die Obergrenze der Masse eines Weißen Zwergs, die sogenannte „Chandrasekhar-Grenze“. Bei einem typischen Weißen Zwerg liegt die Chandrasekhar-Grenze bei etwa dem 1,4-fachen der Sonnenmasse.

In einem 1939 in Zusammenarbeit mit Volkoff veröffentlichten Artikel schlug Oppenheimer eine stabile Lösung vor, die dichter ist als ein Weißer Zwerg – das nicht rotierende Neutronensternmodell. Das Modell verwendet die allgemeine Relativitätstheorie und die ideale Fermi-Gasgleichung, um zu beweisen, dass es eine obere Massengrenze für stabile, nicht rotierende Neutronensterne gibt. Später wurde diese Obergrenze als „Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze“ bezeichnet.

Da in dieser Arbeit jedoch nur der kombinierte Druck zwischen den Neutronen berücksichtigt und der thermische Druck sowie die starke Kraft zwischen den Neutronen außer Acht gelassen wurden, betrug die ermittelte Obergrenze der Masse fälschlicherweise nur das 0,7-fache der Sonnenmasse. Die moderne Kernphysik kann grundsätzlich bestätigen, dass der Wert der „Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze“ mehr als das Zweifache der Sonnenmasse betragen sollte. Im Jahr 2017 entdeckte das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory erstmals die Verschmelzung zweier Neutronensterne in der 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie NGC4993. Die Ergebnisse dieser Beobachtung zeigten, dass die „Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze“ von Neutronensternen das 2,17-fache der Sonnenmasse überschreiten kann.

Vorhersage der Existenz Schwarzer Löcher

Im Jahr 1939 veröffentlichten Oppenheimer und sein Student Snyder eine weitere bahnbrechende Arbeit mit dem Titel „On the Continued Gravitational Contraction“, die das Schicksal der Sterne auf die Spitze trieb. In dieser Arbeit bewiesen sie, dass ein Stern mit ausreichender Masse, nachdem er seinen Kernbrennstoff aufgebraucht hat, unter seiner eigenen Schwerkraft weiter schrumpft und bis auf den Schwarzschildradius schrumpft. Am und innerhalb des Schwarzschildradius kann nicht einmal Licht entweichen, sodass der gesamte Himmelskörper dunkel wird. Solche Himmelskörper wurden später „Schwarze Löcher“ genannt.

Treffen von Einstein und Oppenheimer im Jahr 1950

Auf der Grundlage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie legte die Arbeit nicht nur den Entstehungsprozess Schwarzer Löcher klar dar, sondern wies auch speziell auf eine Reihe von Merkmalen Schwarzer Löcher hin, die bis heute nicht überholt sind. Interessanterweise versuchte Einstein, der die allgemeine Relativitätstheorie entwickelte, zu beweisen, dass schwarze Löcher nicht existieren könnten, als Oppenheimer diese Arbeit über Schwarze Löcher im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie fertigstellte.

Drei Jahre später ging Oppenheimer nach Los Alamos, wo er in der Öffentlichkeit sein Image als „Vater der Atombombe“ festigte. In den Augen der Physiker war Oppenheimers wichtigster Beitrag in seinem Leben seine Forschung, die bewies, dass Schwarze Löcher entstehen müssen.

Yang Zhenning bemerkte einmal mit Bedauern: „Als er 1967 an Krebs starb, war die Existenz Schwarzer Löcher in der Astrophysik noch nicht allgemein anerkannt. Hätte er noch fünf Jahre gelebt, wären Schwarze Löcher von allen erkannt worden.“ Dies ist die Geschichte, die der Regisseur dieses Films, Nolan, nicht erzählt hat.

(Autor: Wang Zhongshan. Fotoquelle: Stills Review-Experte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)