Giảng dạy

Oppenheimer nhận được học bổng nghiên cứu của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ tại Viện Công nghệ California (Caltech) tháng 9 năm 1927. Bridgman cũng muốn ông tới Harvard, nên cuối cùng các bên thỏa hiệp để ông chia niên khóa 1927-1928 làm đôi, năm 1927 ở Harvard và năm 1928 ở Caltech.[24] Tại Caltech ông kết thân với Linus Pauling, và họ dự định tiến hành đột phá nghiên cứu về bản chất của liên kết hóa học, lĩnh vực mà bấy giờ Pauling đang tiên phong, với Oppenheimer cung cấp giải pháp toán học và Pauling diễn giải kết quả. Cả mối cộng tác lẫn tình bạn của họ tan vỡ ngay từ trứng nước khi Pauling bắt đầu nghi ngờ Oppenheimer trở nên quá gần gũi với vợ ông, Ava Helen Pauling. Một lần, khi Pauling đang ở chỗ làm, Oppenheimer đến nhà riêng của vợ chồng Pauling và mời Ava Helen hẹn hò ở Mexico. Mặc dù bà từ chối và kể lại chuyện cho chồng,[25] thái độ dường như thờ ơ của bà về việc đó làm cho Pauling hết chịu nổi và chấm dứt quan hệ với Oppenheimer. Oppenheimer sau này có mời Pauling làm lãnh đạo Sư đoàn Hóa học của Dự án Manhattan, nhưng Pauling từ chối, nói rằng mình theo chủ nghĩa hòa bình.[26]

Mùa thu năm 1928, Oppenheimer thăm viện nghiên cứu của Paul Ehrenfest ở Đại học Leiden, Hà Lan, nơi ông gây ấn tượng bằng việc giảng bài bằng tiếng Hà Lan, mặc dù ít sử dụng tiếng này trước đó. Chính tại đây ông bắt đầu có biệt hiệu Opje,[27] về sau chuyển ngữ sang tiếng Anh thành "Oppie".[28] Từ Leiden ông tiếp tục chuyển tới ETH ở Zurich để làm việc với Wolfgang Pauli về cơ học lượng tử và phổ liên tục. Oppenheimer rất kính trọng và quý mến Pauli và có lẽ đã bắt chước phong cách cá nhân cũng như cách tiếp cận có phê phán đối với các vấn đề của Pauli.[29]

Trở lại Hoa Kỳ, Oppenheimer chấp nhận ghế phó giáo sư tại Đại học California tại Berkeley, nơi Raymond T. Birge mong mỏi ông tới đến nỗi sẵn sàng chịu chia sẻ ông với Caltech.[26]

Trước khi trở thành giáo sư ở Berkeley, Oppenheimer bắt đầu nhiễm lao nhẹ, và quyết định sống vài tuần cùng em mình Frank tại một trại chăn nuôi ở New Mexico, nơi ông thuê và cuối cùng mua lại. Khi nghe tin rằng trang trại đó có thể thuê được, ông kêu lên, "Hot dog!", và sau này gọi nó bằng tên Perro Caliente, có nghĩa là "hot dog" trong tiếng Tây Ban Nha.[30] Về sau ông thường nói rằng "vật lý và miền quê vắng vẻ" là "hai tình yêu lớn" của mình.[31] Ông khỏi bệnh lao và trở lại Berkeley, nơi ông nổi danh như một người hướng dẫn và cộng tác với một thế hệ những nhà vật lý, những người ngưỡng mộ trí tuệ uyên bác và những quan tâm rộng rãi của ông. Nhiều sinh viên và đồng nghiệp thấy ở ông có gì mê hoặc: nồng nhiệt đến độ thôi miên trong đối thoại nơi riêng tư, nhưng thường tỏ ra lạnh băng ở những nơi đông người. Những người liên hệ với ông chia làm hai phái: một số thấy ông là một người khắc kỷ, một thiên tài lạnh lùng và ấn tượng, số còn lại thấy ông như một kẻ điệu bộ màu mè và bất an.[32] Hầu hết các học trò của ông thuộc nhóm thứ nhất, thần tượng và tiếp thu luôn các cách đi đứng, nói năng và những điệu bộ khác, kể cả khuynh hướng đọc các tác phẩm lớn bằng ngôn ngữ gốc của ông.[33] Hans Bethe nói về ông:

Có lẽ yếu tố quan trọng nhất ông mang tới việc giảng dạy là khiếu nhận biết tinh nhạy của ông. Ông luôn luôn biết nơi đâu là những vấn đề quan trọng, thể hiện trong lựa chọn chủ đề của ông. Ông luôn sống với những vấn đề đó, nỗ lực tìm ra lời giải, và ông trình bày mối quan tâm của mình với nhóm nghiên cứu. Vào thời đỉnh cao, có khoảng 8 tới 10 nghiên cứu sinh trong nhóm của ông, bên cạnh khoảng 6 nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ. Ông gặp nhóm này mỗi lần một ngày ở văn phòng, và thảo luận với từng người và tình hình nghiên cứu của sinh viên đó. Ông quan tâm tới mọi thứ, và một buổi chiều họ có thể thảo luận điện động lực học lượng tử, tia vũ trụ, tạo cặp electron và vật lý hạt nhân.[34]

Ông hợp tác chặt chẽ với Ernest Lawrence và những nhà tiên phong về cyclotron làm việc cho Lawrence, giúp đỡ họ diễn giải dữ liệu mà những thiết bị của họ tạo ra tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley.[35] Năm 1936 ông được thăng chức lên học hàm giáo sư đầy đủ với mức lương hậu hĩnh 3300 đôla một năm. Đổi lại Berkeley yêu cầu ông chấm dứt dạy ở Caltech, nên cuối cùng một thỏa thuận đạt được theo đó trường cho ông 6 tuần mỗi năm ở Caltech, vừa đủ để dạy chương trình một học kỳ.[36]

Nghiên cứu

Oppenheimer thực hiện những khám phá quan trọng về thiên văn học lý thuyết (đặc biệt là về thuyết tương đối tổng quát và lý thuyết hạt nhân), vật lý hạt nhân, phổ học, và lý thuyết trường lượng tử, mở rộng lý thuyết này vào điện động lực học lượng tử. Hình thức luận toán học của cơ học lượng tử tương đối tính cũng thu hút sự quan tâm của ông, mặc dù ông nghi ngờ tính khả thi của nó. Công trình của ông tiên đoán nhiều phát hiện về sau, bao gồm neutron, meson và sao neutron.[37]

Ban đầu, mối quan tâm chính của ông là về lý thuyết phổ liên tục và bài báo đầu tiên của ông (1926) liên quan tới lý thuyết lượng tử về phổ dải phân tử. Ông phát triển một phương pháp để thực hiện tính toán về xác suất chuyển vị. Ông tính toán hiệu ứng quang điện cho hydrogen và tia X, thu được hệ số hấp thụ tại bờ năng lượng mức K. Tính toán của ông phù hợp những quan sát về hấp thụ tia X ở Mặt Trời, nhưng không khớp cho trường hợp hydrogen. Nhiều năm về sau người ta nhận ra rằng Mặt Trời phân lớn cấu tạo từ hydrogen và hóa ra tính toán của ông thực sự đã chính xác.[38][39]

Oppenheimer cũng có những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực lý thuyết về phơi chiếu tia vũ trụ và bắt đầu công trình mà về sau dẫn tới mô tả về xuyên hầm lượng tử. Năm 1931 ông đồng tác giả một bài báo về "Lý thuyết tương đối tính về Hiệu ứng quang điện" với học trò của mình Harvey Hall,[40] trong đó, dựa trên bằng chứng thực nghiệm, ông đã bác bỏ chính xác khẳng định của Dirac rằng hai mức năng lượng của nguyên tử hydrogen có cùng năng lượng. Theo sau đó, một nghiên cứu sinh của ông, Willis Lamb, xác định rằng đây là hệ quả của thứ về sau biết tới dưới tên Dịch chuyển Lamb, nhờ đó Lamb giành giải Nobel Vật lý năm 1955.[37]

Oppenheimer cùng với nghiên cứu sinh tiến sĩ đầu tiên của ông, Melba Phillips, nghiên cứu về tính toán độ phóng xạ nhân tạo dưới bắn phá deuteron. Khi Ernest Lawrence và Edwin McMillan bắn phá hạt nhân với deuteron họ tìm thấy kết quả gần phù hợp với tiên đoán của George Gamow, nhưng khi thử với năng lượng cao hơn và các hạt nhân nặng hơn, kết quả không còn tương thích. Năm 1935 Oppenheimer và Phillips hoàn thành một lý thuyết mà ngày nay được gọi là quá trình Oppenheimer-Phillips để giải thích các kết quả, một lý thuyết còn được sử dụng tới ngày nay.[41]

Ngay từ 1930, Oppenheimer đã viết một bài báo về cơ bản tiên đoán được sự tồn tại của positron, sau khi Paul Dirac đề xuất rằng electron có thể có điện tích dương và năng lượng âm. Bài báo của Dirac đưa ra phương trình Dirac, thống nhất cơ học lượng tử, thuyết tương đối hẹp và khái niệm spin còn mới mẻ bấy giờ để giải thích Hiệu ứng Zeeman.[42] Oppenheimer, dựa trên bằng chứng thực nghiệm, đã bác bỏ ý kiến cho rằng các electron được tiên đoán có điện tích dương là proton. Ông lập luận rằng chúng phải có cùng khối lượng như electron, trong khi thí nghiệm cho thấy proton nặng hơn nhiều. Hai năm sau, Carl David Anderson phát hiện ra positron và nhận giải Nobel Vật lý năm 1936.[43]

Vào cuối những năm 1930 Oppenheimer bắt đầu quan tâm tới thiên văn vật lý, có thể nhờ qua tình bạn với Richard Tolman, dẫn tới một loạt các bài báo. Bài đầu tiên trong số đó, cùng viết với Robert Serber mang tựa đề "Về tính ổn định của các nhân sao Neutron",[44] Oppenheimer khám phá các đặc tính của sao lùn trắng. Sau đó ông viết một bài khác với một trong các sinh viên của mình, George Volkoff, "Về các nhân Neutron khối lượng lớn",[45] trong đó họ chứng minh rằng có một giới hạn, gọi là Giới hạn Tolman-Oppenheimer-Volkoff, đối với khối lượng của các sao mà vượt quá đó chúng sẽ không tồn tại ổn định như những sao neutron nữa mà sẽ trải qua sự sụp đổ hấp dẫn. Cuối cùng, năm 1939, Oppenheimer và một sinh viên khác của ông, Hartland Snyder, viết bài báo "Về sự co hấp dẫn liên tục",[46] tiên đoán sự tồn tại của thứ mà ngày nay được gọi là hố đen. Đây là bài báo được trích dẫn nhiều thứ hai của ông sau bài về xấp xỉ Born–Oppenheimer, và những bài báo này là yếu tố quan trọng trong việc làm mới lại ngành nghiên cứu vật lý thiên văn ở Hoa Kỳ những năm 1950, chủ yếu bởi John A. Wheeler.[47]

Các bài báo của Oppenheimer bị cho là khó hiểu ngay cả so với tiêu chuẩn của các chủ đề trừu tượng mà ông là chuyên gia. Ông yêu thích sử dụng những kỹ thuật toán học tao nhã, nhưng hết sức phức tạp, để chứng minh các nguyên tắc vật lý, mặc dù ông thường bị chỉ trích là có những lỗi về toán, thường là do vội vàng. Snyder nói, "vật lý thì ông ấy tuyệt, nhưng số học thì tồi tệ".[37]

Oppenheimer chỉ công bố có 5 bài báo khoa học, một trong số đó về lý sinh học, sau Chiến tranh thế giới thứ hai, và không bài nào sau năm 1950. Murray Gell-Mann là nhà khoa học khách mời tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton năm 1951 từng làm việc với ông, nhận xét rằng:

Ông ấy không có Sitzfleisch, hay 'khúc thịt ngồi,' như khi bạn ngồi trên ghế. Theo như tôi biết, ông ấy không bao giờ viết một bài báo dài hay làm một tính toán dài, không bất cứ thứ gì kiểu đó. Ông không có kiên nhẫn cho chúng; công trình của riêng ông chỉ bao gồm những aperçus-bài tổng quan ngắn, nhưng là những bài khá xuất chúng. Nhưng ông gây cảm hứng cho người khác làm việc, và ảnh hưởng của ông thật siêu phàm.[48]

Những mối quan tâm trải khắp của Oppenheimer đôi khi cản trở sự tập trung của ông vào những dự án cụ thể. Chẳng hạn năm 1933 ông học tiếng Phạn và gặp nhà Ấn Độ học Arthur W. Ryder ở Berkeley. Ông đọc Bhagavad Gita trong tiếng Phạn gốc và sau đó coi đó là một trong những cuốn sách hình thành nên triết học nhân sinh của mình.[49] Một người bạn và đồng nghiệp thân thiết của ông, Isidor Rabi, đưa ra cách lý giải của riêng mình:

Oppenheimer quá mức am hiểu những lĩnh vực này, vốn nằm ngoài truyền thống khoa học, ví dụ như mối quan tâm của ông tới tôn giáo, nhất là tôn giáo Hindu, dẫn tới một cảm giác về sự thần bí của vũ trụ bao quanh ông như một đám sương mù. Ông nhìn vào vật lý sáng rõ, hướng về thứ đã được thực hiện, nhưng ở biên cương của nó ông có khuynh hướng thấy có nhiều hơn những thứ huyền bí và mới mẻ hơn là thực sự có … [Ông quay lưng] khỏi những phương pháp cứng nhắc, thô thiển của vật lý lý thuyết để đi vào lĩnh vực thần bí của trực giác rộng mở.[50]

Bất chấp điều đó, nhiều nhà quan sát chẳng hạn như Luis Alvarez nhận xét rằng giá như ông sống đủ lâu để chứng kiến những tiên đoán của mình được thực nghiệm chứng minh, Oppenheimer hẳn phải giành một giải Nobel với công trình về sụp đổ hấp dẫn, liên quan tới sao neutron và hố đen.[51][52] Ngày nay nhìn lại, một số nhà vật lý và sử gia xem đây là cống hiến quan trọng nhất của ông, nhưng những nhà khoa học cùng thời với ông không đánh giá như vậy.[53] Nhà vật lý đồng thời là sử gia khoa học Abraham Pais từng hỏi Oppenheimer rằng ông tự xem điều gì là cống hiến khoa học đáng kể nhất của mình; chính Oppenheimer đã nêu công trình về electron và positron chứ không phải sụp đổ hấp dẫn.[54] Oppenheimer được đề cử giải Nobel Vật lý 3 lần, vào các năm 1945, 1951 và 1967, nhưng không đoạt giải.[55]