Джулиус Роберт Оппенгеймер — американскийфизик-теоретик, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, член Национальной академии наук США (с 1941 года). Широко известен как научный руководитель Манхэттенского проекта, в рамках которого в годы Второй мировой войныразрабатывались первые образцы ядерного оружия; из-за этого Оппенгеймера часто называют «отцом атомной бомбы». Aтомная бомба была впервые испытана в Нью-Мексико в июле 1945 года.

После Второй мировой войны он стал руководителем Института перспективных исследований в Принстоне. Он также стал главным советником в новообразованной Комиссии США по атомной энергии и, используя своё положение, выступал в поддержку международного контроля над ядерной энергией с целью предотвращения распространения атомного оружия и ядерной гонки. Эта антивоенная позиция вызвала гнев ряда политических деятелей во время второй волны «Красной угрозы». В итоге, после широко известного политизированного слушания в 1954 году, он был лишён допуска к секретной работе (англ. security clearance). Не имея с тех пор прямого политического влияния, он продолжал читать лекции, писать труды и работать в области физики. Десять лет спустя президент Джон Кеннеди наградил учёного премией Энрико Ферми в знак политической реабилитации; награда была вручена уже после смерти Кеннеди Линдоном Джонсоном.

Наиболее значительные достижения Оппенгеймера в физике включают: приближение Борна — Оппенгеймера для молекулярных волновых функций, работы по теории электронов и позитронов, процесс Оппенгеймера — Филлипс в ядерном синтезе и первое предсказание квантового туннелирования. Вместе со своими учениками он внёс важный вклад в современную теорию нейтронных звёзд и чёрных дыр, а также в решение отдельных проблем квантовой механики, квантовой теории поля и физики космических лучей. Оппенгеймер был учителем и пропагандистом науки, отцом-основателем американской школы теоретической физики, получившей мировую известность в 30-е годы XX века.

Научная работа

Научные исследования Оппенгеймера относятся к теоретической астрофизике, тесно связанной с общей теорией относительности и теорией атомного ядра, ядерной физике, теоретической спектроскопии, квантовой теории поля, в том числе к квантовой электродинамике. Его привлекала формальная строгость релятивистской квантовой механики, хотя он и сомневался в её правильности. В его работах были предсказаны некоторые более поздние открытия, в том числе обнаружение нейтрона, мезона и нейтронных звёзд.

За время пребывания в Гёттингене Оппенгеймер опубликовал более десятка научных статей, в том числе много важных работ по недавно разработанной квантовой механике. В соавторстве с Борном была опубликована знаменитая статья «О квантовом движении молекул», содержащая так называемое приближение Борна — Оппенгеймера, которое позволяет разделить ядерное и электронное движение в рамках квантовомеханического описания молекулы. Это позволяет пренебречь движением ядер при поиске электронных уровней энергии и, таким образом, значительно упростить вычисления.Эта работа остаётся самой цитируемой статьёй Оппенгеймера.

В конце 1920-х годов основной интерес для Оппенгеймера представляла теория непрерывного спектра, в рамках которой он разработал метод, позволяющий вычислять вероятности квантовых переходов. В своей диссертации в Гёттингене он рассчитал параметры фотоэлектрического эффекта для водорода под действием рентгеновского излучения, получив коэффициент затухания на границе поглощения для электронов K-оболочки («K-границе», англ. K-edge). Его расчёты оказались правильными для измеренных рентгеновских спектров поглощения, но не согласовались с коэффициентом непрозрачности водорода на Солнце. Годы спустя было обнаружено, что Солнце по большей части состоит из водорода (а не тяжёлых элементов, как тогда считалось) и что вычисления молодого учёного были на самом деле верны. В 1928 году Оппенгеймер выполнил работу, в которой было дано объяснение явления автоионизации при помощи нового эффекта квантового туннелирования, а также написал несколько статей по теории атомных столкновений.[44] В 1931 году совместно с Паулем Эренфестом он доказал[45] теорему, согласно которой ядра, состоящие из нечётного числа частиц-фермионов, должны подчиняться статистике Ферми — Дирака, а из чётного — статистике Бозе — Эйнштейна. Это утверждение, известное как теорема Эренфеста — Оппенгеймера, позволило показать недостаточность протонно-электронной гипотезы строения атомного ядра.

Фотография с лос-аламосского бейджа Оппенгеймера

Оппенгеймер внёс существенный вклад в теорию ливней космического излучения и других высокоэнергетических явлений, использовав для их описания существовавший тогда формализм квантовой электродинамики, который был разработан в пионерских работах Поля Дирака, Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули. Он показал, что в рамках этой теории уже во втором порядке теории возмущений наблюдаются квадратичные расходимости интегралов, соответствующих собственной энергии электрона. Это трудность была преодолена только в конце 1940-х годов, когда была развита процедура перенормировок. В 1931 году Оппенгеймер в соавторстве со своим студентом Харви Холлом (Harvey Hall) написал статью «Релятивистская теория фотоэлектрического эффекта», в которой, основываясь на эмпирических доказательствах, они (правильно) ставили под сомнение следствие уравнения Дирака, состоящее в том, что два энергетических уровня атома водорода, различающиеся лишь значением орбитального квантового числа, обладают одинаковой энергией. Позднее один из аспирантов Оппенгеймера, Уиллис Лэмб, доказал, что это различие энергии уровней, получившее название лэмбовского сдвига, действительно имеет место, за что и получил Нобелевскую премию по физике в 1955 году.

В 1930 году Оппенгеймер написал статью, которая, по существу, предсказывала существование позитрона. Эта идея была основана на работе Поля Дирака 1928 года, в которой предполагалось, что электроны могут иметь положительный заряд, но при этом отрицательную энергию. Для объяснения эффекта Зеемана в этой статье было получено так называемое уравнение Дирака, объединявшее квантовую механику, специальную теорию относительности и новое тогда понятие спина электрона. Оппенгеймер, пользуясь надёжными экспериментальными свидетельствами, отвергал первоначальное предположение Дирака о том, что положительно заряженные электроны могли быть протонами. Из соображений симметрии он утверждал, что эти частицы должны иметь ту же массу, что и электроны, в то время как протоны гораздо тяжелее. Кроме того, согласно его расчётам, если бы положительно заряженные электроны являлись протонами, наблюдаемое вещество должно было бы аннигилировать в течение очень короткого промежутка времени (менее наносекунды). Аргументы Оппенгеймера, а также Германа Вейля и Игоря Тамма заставили Дирака отказаться от отождествления положительных электронов и протонов и явным образом постулировать существование новой частицы, которую он назвал антиэлектроном. В 1932 году эта частица, называемая обычно позитроном, была обнаружена в космических лучах Карлом Андерсоном, который был награждён за это открытие Нобелевской премией по физике за 1936 год.