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简单是真理的标记,美是真理的光辉

一颗恒星的前世今生(下)

· 科学趣闻

大家好!上一期的推送中,我们一起观看了“高能版太阳的后裔”,于是,我们知道了“太阳的后裔”有个非常卡哇伊的名字白矮星(white Drawf),在很长一段时间里,天文学界都认为,白矮星是所有恒星的后裔,直到一位印度男同学提出异议。

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他就是美籍印裔天体物理学家,诺贝尔物理学奖得主——苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)。

多年以后,当73岁的钱德拉塞卡站在诺贝尔物理学奖的领奖台上,他应该会想起19岁的自己漂洋过海,从印度赴英国剑桥读书前,在船上度过的那些个不眠夜晚。

那是1930年,这一年,他的叔叔拉曼刚刚获得了诺贝尔物理学奖。钱德拉的学霸人设,也因他前一年的学术论文《康普顿散射和新统计学》漂亮地立了起来。英国剑桥教授、著名的物理学家拉尔夫·福勒(Ralph Howard Fowler)相中了他,于是,钱德拉怀揣着即将扬名立万的激动和喜悦,登上了开往英国的轮船。

只是没想到,我们的这位物理天才……晕船……

为了让自己舒服一些,钱德拉开始预!习!功!课!当时他主要预习的,是导师福勒关于白矮星的一篇论文。

白矮星这个小东西,密度高得惊人,那时,科学家已经推算出,它的密度高达1,000,000g/cm3,而地球的密度是5.5g/cm3。也就是说,一颗与地球体积相当的白矮星,其表面重力约等于地球的18万倍。理论上讲,白矮星应该和其他的星星一样,在自身强大的引力下坍塌,然而并没有。

这一现象困惑了科学界很久,直到福勒在这篇论文中,用量子力学理论解答了这个问题。

福勒指出,由于引力引起的剧烈收缩,白矮星中的原子都被“碾碎”了,电子从原子核里面跑出来了。根据著名的“泡利不相容原理”,电子是有排他性的,相同状态的电子不能占据空间中的同一个位置,相互靠近的电子,将产生一种新的排斥力,这就是“电子简并压力”。而白矮星处于一种致密状态,其电子的可活动空间比其原来小了10000倍,由此产生的“电子简并压力”足以抗衡自身引力,阻止白矮星进一步坍缩,而维持稳定的状态。

福勒的观点回答了“白矮星为何不会自我坍缩”这一问题,因此科学界一致认为,既然不会坍塌,那么恒星走到白矮星这一步就是终点了。

话说,在船上颠簸的学霸钱德拉看到这一段时,忍不住拿出纸笔开始计算,算着算着,他全身的毛孔都张开了。他发现,白矮星的质量有一个上限,这个数值约等于太阳质量的1.44倍

上一期我们讲过,恒星发生一系列核聚变后会留下一个内核。钱德拉认为,这个内核质量一旦超过了1.44倍太阳质量,就会继续演化,换句话说白矮星并不是恒星演化的唯一终点!这就是后来举世闻名的“钱德拉塞卡极限”。

19岁的钱德拉刚一下船就直奔剑桥,把论证“钱德拉塞卡极限”的论文交给了老师福勒。福勒觉得这事情太大,得从长计议……于是,2年后,钱德拉才把论文发表在美国《天体物理学杂志》上,公开了“钱德拉塞卡极限”。然而,天文学界和物理学界并没有人鸟他……

一战成名之路受挫,钱德拉只好把精力放在其他的研究方向上。

1933年,23岁的钱德拉博士毕业了(这读博的速度真是让人羡慕嫉妒恨)顺利进入剑桥三一学院担任研究员。在那里,他遇到了打怪升级路上的巨型BOSS、爱因斯坦的好基友——亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)

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爱丁顿是天文学界的泰斗,他首次提出恒星的能量来自核聚变;还发现了天体发光强度的极限,也就是“爱丁顿极限”;甚至连“白矮星”这个名字,都是爱丁顿给起的;最关键的是……他还亲自论证过“无论质量大小

恒星都将达到一种稳定的状态”……

因此,当钱德拉来投奔他时,爱丁顿感觉像在看一只bug……不过,作为大BOSS,他还是有着基本的风度,不仅没有抨击钱德拉的理论,还把自己的名牌计算机借给钱德拉用。

然鹅……钱德拉给了爱丁顿一个“惊喜”:“师父!人家算了很多遍!质量超过1.44倍太阳的玩意,绝不可能成为白矮星!“爱丁顿心里一凉,难道自己的理论有误?

当名望、辉煌、荣耀,作为科学家个人生涯的主要动机时,这些曾做出过重要贡献的人,开始故意为难年轻人。

爱丁顿为钱德拉设计了一场“鸿门宴”。他让钱德拉向皇家天文学会提交了研究成果,并获得会议现场发言机会。会议当天,钱德拉自我感觉非常良好,他信心满满地向大家阐述了自己的理论:“一颗大质量恒星的后裔,可能并不是白矮星”

这时,大BOSS爱丁顿,带着他的BIG surprise上场了!

“钱德拉塞卡博士谈到了简并......我不知道我是否应该逃离这次正在召开的会议,不过我的论文的论点是并不存在像相对论简并这样的东西!

......

钱德拉塞卡博士在以前曾得到此结果......我认为应有一条自然定律阻止恒星以这种荒谬的方式行动!

......“

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爱丁顿发言完毕后,钱德拉彻底凌乱了。不同意我的理论你早说啊!咱俩又不是没有讨论过!在这种场合撕我合适吗?!

然而,在场的科学家们,几乎一边倒地支持爱丁顿,皇家天文学会甚至要钱德拉向爱丁顿的发言致谢。此时,钱德拉的内心有如一千万头草泥马飞奔而过……

“世界就是这样终结的,不是伴着一声巨响,而是伴着一声呜咽”。多年后,钱德拉仍然记得自己当时的自言自语。

会议结束后,迫于爱丁顿的“淫威”,许多学者虽然心里认同钱德拉,但并不愿意公开支持他的理论。更过分的是,爱丁顿在接下来的几年里,逮着机会就在公开场合批判钱德拉。钱德拉在英国的科研事业跌落谷底,天才少年竟然失业了……

1937年,绝望的钱德拉转战美国,到芝加哥大学任教,并从此放弃了对“钱德拉塞卡极限”的研究。扬名立万的梦想破灭后,钱德拉不再研究热点问题,而是静静做学问,避免站在聚光灯下。

极度低调的钱德拉,在教学上的态度绝对是兢兢业业,据说他的板书美观简洁到可以直接拿去出版的地步。

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但是,那场噩梦般的争论导致钱德拉在美国依然备受冷落。据说有一年下暴风雪,愿意来听课的只有两个学生。

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你们没有看错,这两个学生就是中国物理学界的巨擘:李政道、杨振宁。

7年后,也就是1944年,大BOSS爱丁顿去世。从这一年开始,钱德拉的努力慢慢受到世人的认可。或许是被爱丁顿伤得太深,钱德拉每隔一段时间就换一个研究方向,一旦获得成果就不再继续深入。直到60多岁,钱德拉塞卡仍能定期把精力转向以前从未涉足的新领域。

他认为,成功使得一些人“对大自然逐渐产生了一种傲慢的态度,他们以为,只有自己对大自然的理解才是正确的”。但实际上,“作为大自然基础的各种真理,比最聪明的科学家更加强大和有力”。因此,他愿意把更多的机会让给投身科学研究的年轻人,避免自己的经验和资历像当年爱丁顿一样,桎梏住学生的思想。

随着天文学的发展,现在我们知道了,大质量的恒星(大于太阳质量8倍)经过核聚变后,内核会继续坍塌,从而发生超新星爆炸。这个过程中,恒星发射出最耀眼的光芒,正式向宇宙宣告它的谢幕。

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内核质量在1.44倍~3.2倍太阳质量之间的恒星,会演化成中子星(“奥本海默极限”);而内核质量大于3.2倍太阳质量的恒星,会由中子星继续演化成黑洞。

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上图呈现了小质量恒星及大质量恒星不同的演化过程

如果当年,沿着钱德拉塞卡的推论计算,中子星和黑洞两个概念会比现实早20~30年进入天文物理学。

1983年10月19日,钱德拉获得了诺贝尔物理学奖,这一天是他73岁生日,而他获奖的理论是20岁时就提出的“钱德拉塞卡极限”。再次印证了那句老话:“想获得诺贝尔奖,你得活得足够长”。

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在颁奖仪式上,钱德拉这样致辞:

“简单是真理的标记,而美是真理的光辉”

The simple is the seal of the true and Beauty is the splendour of truth

这一刻,时光仿佛倒流回1930年,20岁的钱德拉在那艘开往英国的轮船上,在浩渺的星空下,推算出了“钱德拉塞卡极限”:

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THE END

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