Warum wurde Oppenheimer zum Leiter des Manhattan-Projekts?

Reporter Chen Jie von Popular Science Times

Nolans neuer Film „Oppenheimer“ ist seit mehr als zwei Wochen auf dem chinesischen Festland im Kino. Es weckte nicht nur die Begeisterung der Öffentlichkeit für Filme, sondern auch ihr Interesse an grundlegendem Physikwissen.

Am 8. September hielt Zhang Chaoyang, Doktor der Physik, Vorsitzender und CEO von Sohu, einen Offline-Kurs mit dem Titel „Zhang Chaoyangs Physikunterricht“ ab, der als Hardcore-Leitfaden zum Ansehen des Films angesehen werden kann.

Leistete wichtige Beiträge auf dem Gebiet der Quantenmechanik

Im Klassenzimmer stellte Zhang Chaoyang, gekleidet in einen Retro-Anzug, einen Zylinder und eine Zigarre in der Hand, nicht nur Oppenheimers klassisches Bild wieder her, sondern verwendete auch dieselben knallharten Formelableitungen, um den Beitrag der legendären Figur zur Quantenmechanik zu erläutern.

Die berühmte „Born-Oppenheimer-Näherung“ wurde in einem von Oppenheimer und seinem Mentor Born gemeinsam verfassten Artikel vorgeschlagen. Es gilt noch immer als großer Durchbruch bei der Nutzung der Quantenmechanik zum Verständnis des Molekülverhaltens und stellt den Grundstein der modernen Quantenchemie dar. Zhang Chaoyang verwendete diese Methode zur Verarbeitung von Wasserstoff-Molekülionen und nutzte dann die Variationsmethode zur Lösung ihrer Wellenfunktion. Er erklärte, dass das physikalische Wesen molekularer Bindungen das von Elektronen hervorgerufene Anziehungspotential sei, und lieferte eine knallharte Interpretation von Oppenheimers frühem Beitrag zur Quantenmechanik.

Warum wurde Oppenheimer zum Leiter des Manhattan-Projekts? Zhang Chaoyang ist davon überzeugt, dass Oppenheimer nicht nur etwas von Physik und Metallurgie versteht, sondern auch über erstklassige Managementfähigkeiten verfügt. Das US-Militär war davon überzeugt, dass Oppenheimer der intelligenteste Wissenschaftler war, der das Wesen des Problems am besten erfassen konnte. „Später stellte sich heraus, dass dies eine äußerst richtige Entscheidung war“, sagte Zhang Chaoyang.

Die Kernspaltung wurde von einer Wissenschaftlerin entdeckt

Die schockierendste Szene des Films ist der Moment, als die erste Atombombe der Welt gezündet wurde. Eine Frage an die Studierenden vor Ort: Was ist der physikalische Unterschied zwischen Atombomben und Wasserstoffbomben? Zhang Chaoyang erklärte: „Das eine ist die Kernspaltung, das andere die Kernfusion, aber beide sind Anwendungen von Einsteins E=mc^2.“

In der Anfangsphase der Entwicklung der Atombombe stieß Oppenheimer auf das Problem, dass „eine Kettenreaktion der Kernspaltung die Erde zur Detonation bringen könnte“, was im Film thematisiert wird. Daraufhin lieferte Zhang Chaoyang eine zusätzliche Erklärung aus physikalischer Sicht: Bei der Kernspaltung entstehen extrem hohe Temperaturen, die eine Kettenreaktion aus Wasserstofffusion oder Stickstofffusion in der Luft auslösen, die wiederum die Erde zur Explosion bringt. „Später wurde jedoch bestätigt, dass die Wasserstoffkonzentration in der Luft nicht so hoch war und die Energie der Kernspaltung nicht ausreichte, um das Helium in der Luft in höhere Elemente umzuwandeln, sodass keine Kettenreaktion stattfinden konnte.“

Darüber hinaus fügte Zhang Chaoyang ein Detail hinzu, das im Film nicht erwähnt wurde: „Die Entdeckerin der Kernspaltung war eine Wissenschaftlerin. Sie war es, die im fernen Dänemark ihren Kollegen in Berlin in Briefen erklärte, wie man mit Neutronen Schwermetallkerne angreift und so die Kernspaltung ermöglicht.“ Und Oppenheimer nutzte dies, um die Atombombe zu bauen. Wie es im Film heißt, waren die Wendepunkte im Schicksal der Menschheit der erste, als der Mensch das Feuer erfand, und der zweite, als er entdeckte, dass Energie aus dem Atomkern gewonnen wird.

Neutronenbremsung: Die Wette auf schweres Wasser führte Deutschlands Atomprogramm in die Irre

Bei einer Atombombe handelt es sich um eine unkontrollierbare Kernspaltungskettenreaktion. Vor ihrer Herstellung müssen die nuklearen Materialien gereinigt werden. Bei der Analyse des Prinzips der Atombombe sagte Zhang Chaoyang, dass es sich bei der Kernspaltung eigentlich um die Spaltung handelt, die durch den Beschuss von Atomkernen mit Neutronen verursacht wird. Je höher die Wahrscheinlichkeit einer Kollision der beiden ist, desto mehr Neutronen werden freigesetzt, und diese Neutronen bombardieren weiterhin den nächsten Atomkern. „Um die Kollisionsrate zu erhöhen, ist es am besten, die Neutronen abzubremsen.“

Die Verlangsamung von Neutronen ist nicht nur ein wissenschaftliches Problem, sondern führte auch direkt zum Scheitern des deutschen Atombombenprogramms im Zweiten Weltkrieg.

„Historisch gesehen scheiterte Deutschlands Atombombenprogramm an der Verwendung von schwerem Wasser zur Abbremsung der Neutronen.“ Zhang Chaoyang sagte, dass sowohl die deutschen Wissenschaftler Heisenberg als auch Fermi aus Oppenheimers Team daran gedacht hätten, Graphit zum Abbremsen von Neutronen zu verwenden. Experimente ergaben, dass Neutronen abgebremst wurden, der Kohlenstoff im Graphit die Neutronen jedoch auch absorbierte. Heisenberg hatte keine andere Wahl, als auf Graphit zu verzichten und zur Verlangsamung schweres Wasser zu verwenden. Fermi glaubte, dass Graphit zu viele Verunreinigungen enthielt und dass dieses Problem durch die Verwendung von Graphit höherer Reinheit gelöst werden könnte. Nachdem die von Hitler in Norwegen errichtete Schwerwasseranlage von den Alliierten bombardiert worden war, war Deutschland nicht einmal in der Lage, die grundlegendste Neutronenverzögerung zu entwickeln.

Im Film erzählte der Wissenschaftler Bohr Oppenheimer nach seiner Ankunft in Chicago aufgeregt, dass Heisenberg schweres Wasser verwendet habe, um abzubremsen: „Sie sind vom Weg abgekommen, sie sind an eine Weggabelung geraten.“