[天文人物]苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡

释放双眼,带上耳机,听听看~!

(选自天文爱好者1996年第二期。作者卞毓麟)

1995年8月21日,深受国际天文学界尊敬的著名天文学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subramanyan Chandrasekhar)因心力衰竭在芝加哥大学校医院病逝,享年85岁。人们常亲切地称呼这位美籍印度人为钱德拉(Chandra)。他生前曾说过:“凡是智慧的,也都是美的”。他的一生是智慧的一生,也是体现科学之美的一生。他去世后,89岁高龄的旅美德国物理学家、因“对核反应理论的贡献,特别是建立恒星能源的理论”而获得1967年诺贝尔物理学奖贝特在英国权威性的科学杂志《自然》上刊登了一则讣告,讣告的结束语是:“钱德拉是一位世界一流的天体物理学家,一个既美又热情的人。我为认识他而感到高兴。”

从出生到出国的那些年

1910年10月19日,钱德拉塞卡出生于英属印度的拉合尔(今属巴基斯坦)。其父艾亚尔年轻时学业优异,后来在印度铁路部门担任高级职务。母亲叫巴拉克里希南,是一位文化素养颇高的家庭主妇。艾亚尔夫妇有多个小孩,钱德拉是长子。他五岁就开始跟父亲学习算术和英语,跟母亲学习泰米尔语。不久,父母就发现他特别聪明,尤其对数学的悟性更是令人惊奇。

1916年,艾亚尔举家迁居马德拉斯。钱德拉在那里长大,后来在马德拉斯大学主修物理,兼修数学。他阅读的内容远远超过了规定的课程。例如,1927年暑假期间,十七岁的钱德拉就阅读了物理学前沿的许多文献和书籍,包括一些著名的物理学家海森堡、狄拉克、泡利等人的论文,还有索末菲的著作《原子结构和光谱线》。他对费米量子统计理论以及拉尔夫·福勒将这种理论应用于研究“白矮星”的结构特别感兴趣。由此,他完成了自己的第一篇科研论文《康普顿散射和新统计学》,于1928年发表在《皇家学会论文集》,当时他才十八岁。正是这篇论文,奠定了他被剑桥大学录取为研究生的基础。

钱德拉20岁时以全班第一的成绩大学毕业。1930年7月31日,他从孟买乘船前往英国继续深造。在历时三个月的航程中,他克服晕船之苦,专心思考福勒关于白矮星的那篇论文……

 钱德拉塞卡极限

那时候,人们研究白矮星的时间还不长。起初,美国天文学家沃尔特·西德尼·亚当斯于1914年至1915年间发现,天狼星的伴星和波江座中的一颗暗星的光度都很低,但表面温度却相当高。1924年,英国著名天文学家爱丁顿从理论上推算出,天狼星的伴星直径比行星天王星还小得多,其密度却高达每立方厘米53千克!正因为它的表面积太小,所以往外辐射的总能量就比普通恒星少得多。他把这样的恒星称为“白矮星”。白,是指温度高,发光呈白色;矮,是指个子小,光度低。当时许多人认为爱丁顿的见解过于离奇,但后来的研究却无可辩驳地证明了爱丁顿是正确的。

随着时间的推移,科学家们渐渐揭开了白矮星的物质密度为什么那么高的奥秘。原来,白矮星内部的原子都被“挤碎了”,电子跟原子核“分了家”。在白矮星中,原子核跟原子核彼此挨得很近,以至于可以把整个白矮星看做是由一大团原子核构成,所有的电子则为全体原子核所共有。此时,这些电子都处于一种特殊的状态下,称为“简并态”,这些电子本身则组成了所谓的“简并电子气体”。简并电子气体具有一种特殊的力量,称为“简并电子压”,它足以抵挡由于物质密度巨大而产生的强大引力(即白矮星自身的引力),从而使白矮星维持稳定的平衡。

钱德拉塞卡在船上想到,根据费米和狄拉克的量子统计理论,可以推断白矮星的简并电子气体中,必有大批电子的运动速度是极快的,这样就必须运用爱因斯坦的狭义相对论,才能准确地研究它。也就是说,原先福勒的研究结果还需要进一步发展和推广。

钱德拉塞卡进行了大量的计算。他随身携带的三本学术名著—爱丁顿的《恒星的内部结构》、康普顿的《X射线和电子》,以及索末菲的《原子结构和光谱线》,为他进行这项研究提供了很大的帮助。最后,他得出了一个始料未及的重要结果:白矮星的质量有一个极限,约等于1.44个太阳质量。也就是说,不可能存在质量超过1.44个太阳质量的白矮星!这就是著名的“钱德拉塞卡极限”

爱丁顿和英国另一位声名卓著的天体物理学家米尔恩都觉得钱德拉塞卡得出的结果令人难以置信,并且都不愿意向英国皇家学会推荐他的文章。于是,钱德拉把文章寄给美国的《天体物理学》杂志,并于1931年三月正式发表。

钱德拉于1930年至1934年在剑桥大学三一学院当研究生,研究理论物理。在此期间,他进一步完善了有关白矮星的理论。1935年一月,他应邀在英国皇家天文学会就此作一报告。他讲完后,爱丁顿当即在会上再次强烈反对。

当然,爱丁顿的反对也是可以理解的。他本人已经证明:一颗恒星,无论其质量是多大,都可以达到某种稳定的状态。而且,人们已经逐渐认识到,在恒星的一生中,白矮星乃是星体内部核燃料用尽后所处的最后阶段。为什么普通恒星的质量可大可小,而白矮星这种老年恒星的质量就不能超过钱德拉塞卡极限呢?

钱德拉请他认识的几位著名的理论物理学家—罗森菲尔德、波尔和泡利发表意见,他们都认为他并没有错。

问题出在哪里?直到几年后人们才找到了答案:钱德拉塞卡极限确实是白矮星的质量极限,质量超过这一极限的老年恒星是不会变成白矮星的,它们最终将演变为密度比白矮星更大的天体,也就是中子星或者黑洞。可是在1935年,无论是钱德拉塞卡本人,还是其他的科学家,都还不知道这一点。

硕果累累

钱德拉于1933年至1937年在剑桥大学任教,1937年移居美国,在芝加哥大学当助教,然后当副教授,并于1943年提升为教授。1937年一月,他在正式就职前回印度旅行了一次,然后与学生时代的老朋友拉丽莎结婚。

钱德拉是圣雄甘地的热烈支持者。不过在第二次世界大战期间,他觉得最重要的事情是要战胜德国法西斯。出于这种责任感,他用部分时间参与了美国军方的科研项目。在美国,钱德拉夫妇曾因为肤色黝黑而屡次受到种族歧视。但考虑到将要在美国长期生活下去,他们仍于1953年加入了美国籍。钱德拉的父亲对此十分恼火,因为他一直尽力在印度为钱德拉找一份好工作。

1952年,他成功地说服了美国天文学会同芝加哥大学合作,将原为该校校刊的《天体物理学》杂志扩展为一份全国性的学术刊物。他本人从1952年至1971年一直担任主编。这项“服务性”的工作占据了他的大量时间。作为一种牺牲,他本人发表的论文数量明显减少了;作为一种回报,《天体物理学》杂志则成为国际上少数最具权威性的天文刊物之一。

钱德拉将自己的科研活动划分为七个阶段,各阶段的研究成果大多以一部详尽的专著作为总结。

第一阶段:1929~1939年,主要研究恒星的结构,包括白矮星理论,著有《恒星结构研究导论》(1939年)。

第二阶段:1939~1943年,研究恒星动力学和布朗运动理论,著有《恒星动力学原理》(1943年)。

第三阶段:1943~1950年,主要研究辐射转移和行星大气理论,著有《辐射转移》(1950年)。

第四阶段:1952~1961年,研究成果总结在《流体动力学和磁流体的稳定性》一书中(1961年)。

第五阶段:1961~1968年,著有《椭球体的平衡形状》(1968年)。

第六阶段:1962~1971年,研究相对论和相对论天体物理学的一般理论。

第七阶段:1974~1983年,主要研究黑洞的数学理论,其著名专著《黑洞的数学理论》(1983年)。此书因论述极为透彻,而被贝特誉为“令人生畏”。从1989年至1991年,芝加哥大学出版社还陆续出版了六卷本的《钱德拉塞卡论文选集》。

钱德拉的学识和风范吸引了来自世界各地的学生。由他指导而获得博士学位的研究生达五十人以上。20世纪40年代中期有一段时间,他曾每周驱车数百公里,为两名旅美中国学生授课。后来,这两位年轻人因“对宇称(守恒)定律的深入研究,从而导致基本粒子方面的一些重大发现”而荣获了1957年的诺贝尔物理学奖,他们就是李政道和杨振宁。

七十三岁的生日礼物

钱德拉塞卡1944年当选为英国皇家学会会员,1955年当选为美国科学院院士。他的卓越成就,理所当然地获得了科学界的褒奖。例如:

1947年,获剑桥大学亚当斯奖金。

1952年,获太平洋天文学会布鲁斯奖章。

1953年,获英国皇家学会金质奖章。

1957年,获美国文理学院拉姆福德奖章。

1962年,获英国皇家奖章。同年,获印度国家科学院尼瓦萨·罗摩奴奖章。

1966年,获美国国家科学奖章。

1968年,获印度共和国最高荣誉奖章。

1971年,获美国科学院德雷伯奖章。

1974年,获美国物理学会海涅曼奖。

1983年,获美国凯斯西储大学迈克尔逊—莫雷奖。同年,获瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖。

1984年,获英国皇家学会科普利奖章。同年,获印度物理学会比拉纪念奖。

1985年,获印度国家科学院巴布纪念奖……

当然了,最令世人瞩目的还是诺贝尔物理学奖。当初,瑞典发明家诺贝尔在法律上生效的第二份遗嘱中写道:

他的整个遗产的不动产部分,可以“由指定的遗嘱执行人进行安全可靠的投资,并且作为一笔基金,每年以其利息用奖金的形式分配给那些……对人类做出较大贡献的人。”奖金分为五份,其处理如下:

一部分颁发给在物理学领域内有重大发现或发明的人(物理学奖)。

一部分颁发给在化学领域内有重大发现或创新的人(化学奖)。

一部分颁发给在医学和生理学领域内有重要发现或进展的人(医学和生理学奖)。

一部分颁发给在文学领域内有理想主义倾向的杰出作品的人(文学奖)。

还有一部分颁发给在促进民族和解或政治和解,裁军及维护和平的事业上做出了很多很好的工作的人(和平奖)。

诺贝尔的遗嘱中没有提到天文学。然而,随着天文学和物理学的融合渗透不断深化,在1967年,天文学终于在诺贝尔奖的竞争中实现了零的突破,获奖者就是本文一开始提到的贝特。七年后,英国的赖尔因发展射电天文学中的综合孔径技术、休伊什因发现脉冲星而分享了1974年的诺贝尔物理学奖。1978年,美国的彭齐亚斯和威尔逊又因为发现了宇宙微波背景辐射而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。

1983年10月19日,七十三岁的钱德拉塞卡收到了一份极为珍贵的生日礼物:瑞典皇家科学院宣布,因“对恒星结构及其演化理论作出的重大贡献”而授予他1983年度的诺贝尔物理学奖。这确实是对他半个多世纪科研生涯的公正评判。与他分享该年度诺贝尔物理学奖的科学家是威廉·福勒(注意,不是前文提到的那个拉尔夫·福勒!),获奖原因是“对宇宙中形成化学元素的核反应的理论与实验研究”。

美是真理的光辉

钱德拉对科学之美有着深远的思索和研究。1979年七月份,他在著名的《今日物理》杂志上发表《自然科学中的美以及对美的追求》一文。文中说道:

我现在要分析的问题是,如何用类似于文学艺术批评中评价艺术作品的方式,来评价科学理论。为此,对于美必须采用某种准则。我采用的准则有两个:一个是弗兰西斯·培根的准则,没有一种极端的美在它的和谐之中不具有某种奇妙之处!第二个准则是海森堡说的一句话,是对培根准则的补充:美是各部分之间、以及部分与整体之间的内在的一致。

钱德拉认为,爱因斯坦的广义相对论就是这种美的“一个很好的例子”。他不赞成波尔的说法:广义相对论“对我来说就像是一件要从远处欣赏和赞美的伟大的艺术品”。20世纪60年代末,英国著名的雕刻家亨利·穆尔访问芝加哥大学时,钱德拉曾问他:应该怎样看雕像,应该从远处看还是从近处看?穆尔答道:伟大的雕塑作品能够而且应该从各种距离来看,因为从每一种尺度上都会揭示出美的新特点。他并且举出了米开朗琪罗的雕像为例子。钱德拉认为:“同样,广义相对论在任何水平上都显示出奇妙的和谐。”

像所有的诺贝尔奖得主一样,钱德拉也在颁奖仪式上发表了演说。他的结束语是:“简单是真理的标记,而美是真理的光辉。”

简单、真实和美,就是这位献身于探索宇宙奥秘的印度人的基本信条。

美哉,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡!

(全文完)

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8 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 阿尔丁巴特M1

    跟别人学的

  2. 天文萌新

    这字怎么都花花绿绿的,看着难受啊

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