Филмът "Опенхаймер" разби световния боксофис още с премиерата си през юли, а миналия уикенд триумфира напълно заслужено на церемонията на наградите "Оскар".

Всъщност, биографичната драма на Кристофър Нолан разпали с нова искра интереса към живота на загадъчния учен Дж. Робърт Опенхаймер.

Макар че той остава в историята като баща на атомната бомба, ранният му принос към квантовата механика е в основата на съвременната квантова химия.

Разработките му и до днес са източник на ценна научна информация за структурата на молекулите, разказва FastCompany.

В сърцето на бомбата: Тъмната история, която няма да видите в „Опенхаймер“

В началото на филма видни учени от онова време, сред които Нобеловите лауреати Вернер Хайзенберг и Ърнест Лорънс, правят комплимент на младия Опенхаймер за новаторската му работа върху молекулите.

През 1927 г. Опенхаймер публикува статия под заглавие "За квантовата теория на молекулите", заедно със своя научен консултант Макс Борн.

В този документ е описано това, което обикновено се нарича приближение на Борн-Опенхаймер.

Макар че в името се споменават както Опенхаймер, така и неговият съветник, повечето историци признават, че теорията е дело най-вече на Опенхаймер.

Тя предлага начин за опростяване на сложния проблем относно описанието на молекулите на атомно ниво.

Представете си, че искате да изчислите оптималната молекулна структура, моделите на химичните връзки и физичните свойства на една молекула, използвайки квантова механика.

Бихте започнали с определяне на позицията и движението на всички атомни ядра и електрони и с изчисляване на зарядните привличания и отблъсквания, възникващи между тези частици в молекулата.

Изчисляването на свойствата на молекулите е още по-сложно на квантово ниво, където частиците имат вълнови свойства и учените не могат да определят точното им местоположение.

Вместо това частици като електроните трябва да бъдат описани чрез вълнова функция, която описва вероятността електронът да се намира в определена област в пространството. Определянето на тази вълнова функция и съответните енергии на молекулата е известно като решаване на молекулното уравнение на Шрьодингер.

За съжаление това уравнение не може да бъде решено точно дори за най-простата възможна молекула - H₂⁺, която се състои от три частици: две водородни ядра (или протони) и един електрон.

Квантова надпревара: САЩ и Китай напред в инвестициите, Европа има талант

Подходът на Опенхаймер дава възможност да се получи приблизително решение. Той забелязва, че атомните ядра са значително по-тежки от електроните, като един протон е близо 2000 пъти по-масивен от един електрон.

Това означава, че ядрата се движат много по-бавно от електроните, така че учените могат да мислят за тях като за неподвижни обекти, докато решават уравнението на Шрьодингер само за електроните. Този метод намалява сложността на изчисленията и позволява на учените сравнително лесно да определят вълновата функция на молекулата.

Това приближение може да изглежда като незначителна корекция, но приближението на Борн-Опенхаймер далеч надхвърля опростяването на квантовомеханичните изчисления за молекули. То всъщност определя начина, по който химиците разглеждат молекулите и химичните реакции.

В научните представи молекулите изглеждат като набор от фиксирани ядра с общи електрони, които се движат между тях. В часовете по химия учениците обикновено изграждат модели "топка и пръчка", състоящи се от твърди ядра (топки), които споделят електрони чрез свързваща рамка (пръчки). Тези модели са пряко следствие от апроксимацията на Борн-Опенхаймер.

Getty Images/ Робърт Опенхаймер в кабинета си в Института за напреднали изследвания в Принстънския университет

Тя оказа влияние и върху начина, по който учените възприемат химичните реакции. По време на реакция атомните ядра не са неподвижни; те се пренареждат и движат. Електронните взаимодействия направляват движенията, като образуват енергийна повърхност, по която ядрата могат да се движат по време на реакцията.

По този начин електроните управляват движението на молекулата по време на химичната реакция.

Опенхаймер доказва, че начинът, по който електроните се държат, е същността на химията като наука.

Сейнт Джон: Райското убежище на Опенхаймер след ада от атомната бомба

Изчислителна квантова химия

Във века след публикуването на приближението на Борн-Опенхаймер, учените подобряват способността си да изчисляват химичната структура и реактивността на молекулите.

Тази област, известна като изчислителна квантова химия, се разраства експоненциално с широкото разпространение на по-бързи и по-мощни изчислителни ресурси от висок клас. Понастоящем химиците използват изчислителната квантова химия за различни приложения, вариращи от откриване на фармацевтични продукти до проектиране на по-добри фотоволтаици.

В основата на голяма част от тези изследвания е апроксимацията на Борн-Опенхаймер.

Getty Images / 1947 г. Алберт Айнщайн и Робърт Опенхаймер в един от задълбочените си разговори, посветени на науката

Въпреки многото си приложения, теорията не е съвършена. Например, приближението често се нарушава при химични реакции, предизвикани от светлината.

Химиците проучват възможностите за заобикаляне на тези случаи. Въпреки това приложението на квантовата химия, което е възможно благодарение на приближението на Борн-Опенхаймер, продължава да се усъвършенства.

В бъдеще новата ера на квантовите компютри може да направи изчислителната квантова химия още по-стабилна чрез извършване на по-бързи изчисления върху все по-големи молекулярни системи.

От "измъчен гений" до "трагичен интелект"

Въпреки огромният принос към сферата на квантовата химия, Опенхаймер остава в историята като изобретател на атомната бомба.

Интензивният интерес към живота му и амбивалентните чувства към бомбата го превръщат в митологизирана личност: от "измъчен гений" до "трагичен интелект", който другите се опитват да разгадаят.

Ако някога хората са си представяли деня на Страшния съд като акт на Божия гняв, сега светът може да изчезне за миг, без да има никакво свещено значение, без история за спасение.

Както по-късно казва физикът Исидор Исаак Раби, бомбата "третира хората като материя", нищо повече.

Но Опенхаймер използва религиозен език, когато говори за проекта, сякаш за да подчертае тежестта на значението му.

Атомната бомба е изпитана за първи път рано сутринта на 16 юли 1945 г. в сухия басейн на южната част на Ню Мексико. Опенхаймер кръщава този опит "Тринити", като се позовава на сонет на английския ренесансов писател Джон Дон, чиито стихове са известни с това, че сливат свещеното и профанното.

Защо секс сцена в „Опенхаймер“ скандализира индийските зрители

По-късно Опенхаймер твърди, че си е спомнил думи от Бхагавад-Гита, класически хиндуистки текст, докато е бил свидетел на гледката и звука на гъбения облак. "Аз станах Смъртта, разрушителят на световете" – редове, които първоначално описват Господ Кришна, разкриващ пълната си сила.

Според брата на Опенхаймер – Франк, който е физик и е бил с него по това време, двамата просто са казали на глас: "Работи".

Getty Images / На полигона за ядрени опити в Ню Мексико учени измерват радиоактивността в изпепелени пясъчни частици два месеца след експлозията. От ляво на дясно: д-р Кенет Т. Бейнбридж, Джоузеф Г. Хофман, д-р Дж. Р. Опенхаймер, директор на проекта за атомна бомба, д-р Л. Х. Хемпелман, д-р Р. Ф. Бахер д-р В. В. Вайскопф

Контрастът между техните разкази говори за двойствения образ на Опенхаймер: технически експерт, който създава оръжие и поетичен хуманист, обременен от моралното значение на бомбата за човечеството.

Да си спомниш кой си: Робърт Дауни Джуниър и метаморфозата в "Опенхаймер"

Среща с неописуемото

Само няколко седмици след теста, атомни бомби сравняват със земята Хирошима и Нагасаки. На 6 и 9 август тези градове престават да съществуват.

Робърт Джей Лифтън, експерт по психология на войната, насилието и травмите, нарича преживяването на оцелелите в Хирошима "смърт в живота", среща с неописуемото.

"Физиците познават греха", отбелязва Опенхаймер две години след бомбардировките "и това е знание, което никога не могат да загубят."

Първият полигон за ядрени бомби очаква бум на туристи заради „Опенхаймер“

Бомбата, която ще сложи край на всички войни?

След края на войната много от учените, работили по проекта "Манхатън", се опитват да изтъкнат, че атомната бомба не е просто поредното оръжие. Твърдят, че нейната огромна заплаха ще направи войната отживелица.

Когато през 1949 г. Съветският съюз се сдобива със своя атомна бомба, Опенхаймер и неговата група от научни съветници се противопоставят на предложението САЩ да отговорят с водородна бомба, хиляда пъти по-мощна от атомните бомби, хвърлени върху Япония.

Противопоставянето му проправя пътя към политическо изпадане в немилост. В рамките на няколко години САЩ и Съветският съюз изпробват водородни бомби.

Започва ерата на взаимното гарантирано унищожение в случай на ядрена атака. Днес девет държави разполагат с ядрени оръжия, но 90% от тях все още принадлежат на САЩ и Русия.

В края на живота си Опенхаймер отговаря на въпрос за перспективата за преговори за ограничаване на разпространението на ядрените оръжия.

"Закъсняхме с 20 години", казва той. "Трябваше да се направи още на следващия ден след Тринити".