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诺奖人物科普篇(二十八):Subrahmanyan Chandrasekhar,优雅的科学独行者!

历史编译稿介绍钱德拉塞卡的白矮星质量极限、学术争论和天体物理研究。英文资料来自Famous Scientists,个人译者未署名。

诺奖人物科普篇(二十八):Subrahmanyan Chandrasekhar,优雅的科学独行者!主题插画

历史编译稿:本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists;具名作者及译者未能从导出稿中核实,原发表日期待核实。

走在正确的道路上,独行者也未必感到孤单!

1935年,英国皇家天文学会的会议上,一位初出茅庐的年轻人,向与会的科学家们宣读了自己的论文。然而,他并没能得到期待中的掌声。

在24岁的苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)宣读完自己的论文后,时任天体物理学界权威的亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)爵士当众严厉批评他的研究结论,这是一个非常古怪的结论!

48年后,两鬓斑白的苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡终于得到了天文界姗姗来迟的认可。1983年,因“在星体结构和进化方面的研究”,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡被授予该年度的诺贝尔物理学奖!

图1:苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡
图1:苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡

年少求学路:物理学的启蒙

苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)于1910年10月19日出生在英属印度的拉合尔(现位于巴基斯坦)。

他出生在一个书香世家,在十个孩子中排行第三,母亲是一名翻译家,父亲是西北铁路局副审计长。诺贝尔物理学奖得主C.V.拉曼(C. V. Raman)是他的伯父。

1922年,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡成为了马德拉斯印度教中学的一名学生,直至1925年,年仅14岁的钱德拉塞卡决定前往马德拉斯的总统学院攻读物理学学士学位(马德拉斯现在被称为钦奈)。

1929年,18岁的钱德拉塞卡撰写了第一篇学术论文《The Compton Scattering and the New Statistics》。次年,他被授予物理学荣誉学士学位。

图2:物理学家C.V. 拉曼
图2:物理学家C.V. 拉曼

钱德拉塞卡在物理学方面的非凡潜力逐渐展现了出来,因此,他获得了在英国剑桥大学攻读博士学位的奖学金。

在剑桥大学,钱德拉塞卡的导师是物理学家兼天文学家拉尔夫·福勒(Ralph Fowler)。1930年,钱德拉塞卡在乘船从印度前往英国的途中,阅读了由福勒和其他科学家们撰写的关于白矮星中退化电子气体的研究论文。他试图将阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的新相对论引入其中,对曾经被用于理解电子行为的经典物理学进行更新。

完成这项工作时,钱德拉塞卡年仅19岁,但最终却因此获得了诺贝尔物理学奖。

1931年,钱德拉塞卡受邀前往德国哥廷根,与未来的诺贝尔物理学奖得主马克斯·博恩(Max Born)共度暑假。

1932年,钱德拉塞卡再次移居丹麦哥本哈根,在诺贝尔物理学奖得主尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)12年前创建的理论物理研究所工作。1933年,钱德拉塞卡回到剑桥大学,并于22岁时获得博士学位,同时还被授予了支持他继续留在剑桥大学开展4年研究的奖学金。

图3:白矮星
图3:白矮星

恒星的命运:未知的极限

钱德拉塞卡在18至28岁(1929至1939年)期间对恒星物理学—天体物理学产生了浓厚的兴趣。

1930年,乘船前往剑桥大学攻读博士学位的钱德拉塞卡在途中计算出了一个数字。为了纪念他,这个数字现在被称为“钱德拉塞卡极限”:它的数值是1.4。

这个数字决定着恒星的命运。

1931年,钱德拉塞卡在《天体物理学杂志》上发表了他的研究成果。

20世纪30年代,天体物理学家们认为:所有恒星终将演化为白矮星;再过几十亿年,我们的太阳也会变成白矮星。

但是钱德拉塞卡却发现:白矮星只有在质量小于或等于太阳质量的1.4倍时才能存在。最初,钱德拉塞卡计算出的极限数值是1.7(白矮星的质量极限约为1.7个太阳质量),随着时间的推移,他对这一数值进行了改进。

在恒星生命的最后阶段,如果它的剩余质量大于太阳质量的1.4倍,那么它的最终命运将发生改变。

恒星中核反应的外压和引力的内拉通常是平衡的。当恒星的生命接近尾声时,在燃烧了大量燃料之后,向外的推力会减弱,恒星的体积开始缩小。缩小的程度取决于恒星的质量,因为质量越大,向内的引力就越强。

如果塌缩后的行星质量小于或等于钱德拉塞卡极限,恒星就会演变为白矮星,密度约为每立方厘米1公吨。

如果塌缩后的行星质量高于钱德拉塞卡极限,恒星就有以下两种可能:

·成为中子星,密度通常约为每立方厘米5亿吨;

·成为黑洞,中心奇点密度无限大。

图4:宇宙黑洞
图4:宇宙黑洞

钱德拉塞卡并没有提出中子星或黑洞的存在,但他在1932年写道:对于所有质量高于(钱德拉塞卡)极限的塌缩恒星,没有任何已知的力量可以阻止奇点的形成。对于物理学家来说,奇点是一个体积为零的点,恒星的全部质量都被引力挤压到这个点上。现在,我们已经知道所有黑洞的中心都有一个奇点。

不幸的是,钱德拉塞卡的观点遭到了当时天文物理学界在恒星研究领域最具权威的剑桥大学教授亚瑟·爱丁顿爵士(Sir Arthur Eddington)的反对。

爱丁顿不相信物质可以被挤压到钱德拉塞卡理论所预言的惊人密度。毕竟,按照钱德拉塞卡的理论预估:整个月球的质量可以被挤压成一栋大建筑的体积,或者什么都没有!不,爱丁顿说,这样的密度是不可能存在的。

爱丁顿坚定地认为:一定有某种尚未发现的更高的科学原理,能够阻止密度惊人的物体形成。

现如今我们已经知道,钱德拉塞卡是对的,爱丁顿是错的。不幸的是,尽管赢得了沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)、尼尔斯·玻尔等著名物理学家的私人支持,钱德拉塞卡的理论却并没有得到广泛认同。因为尼尔斯·玻尔、保罗·狄拉克(Paul Dirac)等著名物理学家只能给予他私下支持,但他们拒绝公开发声支持钱德拉塞卡的理论。

图5:天体物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿
图5:天体物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿

优雅的科学独行者

1937年,为期四年的奖学金期满,钱德拉塞卡对剑桥大学不接受他提出的关于大质量恒星命运的理论感到沮丧。

此后,钱德拉塞卡前往美国芝加哥大学担任助理研究员,并终身与该大学保持联系,成为该大学的名誉教授。

钱德拉塞卡利用两年时间继续研究有关白矮星形成的极限理论,然后划清界限,继续前进。这将成为他剩余职业生涯的固定工作模式:掌握一个领域,在该领域发表突破性研究成果,然后继续前进。

钱德拉塞卡将自己的职业生涯划分为以下几个阶段:

·1929-1939年:白矮星理论

·1938-1943年:恒星动力学,包括布朗运动理论

·1943-1950年:辐射传递理论

·1952-1961年:流体力学和水磁稳定性

·1961-1968年:椭圆形平衡图形的平衡与稳定

·1962-1971年:广义相对论和相对论天体物理学

·1974-1983年:黑洞数学理论

1952年,钱德拉塞卡成为《天体物理学杂志》的执行主编,并一直担任这一重要职务直至1971年,将该杂志从一本普通的刊物打造为最具影响力的国际天体物理学杂志。

图6:恒星的命运
图6:恒星的命运

最终,科学家们接受了钱德拉塞卡是正确的,爱丁顿是错误的。这是一个缓慢的过程,大约需要30年。

现在人们已经知道:恒星的最终命运取决于它们的质量。较小的恒星会演变成白矮星,而较大的恒星在演变为超新星后,最终会变成中子星或黑洞。

1983年,因为“对星体结构和物理演化过程的研究”,钱德拉塞卡被授予该年度的诺贝尔物理学奖。

1995年8月21日,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡因心脏病突发去世,享年84岁。

如今,以他的名字命名的美国国家航空航天局“钱德拉X射线天文台”在地球轨道上继续运行。这个天文台名副其实,它观测到了新的黑洞、超大质量黑洞和特殊的一类黑洞。

图7:钱德拉天文台拍摄到的超新星
图7:钱德拉天文台拍摄到的超新星

从青年到暮年,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡用了数十年的时间,才得到了天体物理学界迟来的肯定。

一颗大质量的恒星不会停留在白矮星阶段,我们应该考虑其他的可能性。恒星会持续塌缩,体积会越变越小,密度会越来越多,直到…这位初出茅庐的年轻人对恒星的命运做出了神奇且准确地预测,却没有猜对自己的命运。

来自天体物理学界权威亚瑟·斯坦利·爱丁顿的质疑,其他天体物理学家们的集体声讨,曾经踌躇满志的苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡就这样走上了一条踽踽独行的科学求索之路!

当两鬓斑白的苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡终于接过那份沉甸甸的荣誉奖章时,真理的光芒,就这样投射而下。坎坷的命运无法打败他,就终将使其强大!

原文链接:

https://www.famousscientists.org/subrahmanyan-chandrasekhar/

资料来源:《Famous Scientists》

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编辑说明

编辑说明:爱丁顿在会议上公开批评钱德拉塞卡的结论有历史来源支持;“当众撕讲稿”的实体动作未获留存原英文及官方历史资料支持,已改为严厉批评,不保留未经支持的戏剧化细节。其余研究经历与原图注保留。

补充参考资料

Chandra天文台:钱德拉塞卡科学之旅

NASA:恒星生命周期

来源与编辑记录

根据博士科普公众号完整历史文章导出恢复。

校订说明:编辑说明:爱丁顿在会议上公开批评钱德拉塞卡的结论有历史来源支持;“当众撕讲稿”的实体动作未获留存原英文及官方历史资料支持,已改为严厉批评,不保留未经支持的戏剧化细节。其余研究经历与原图注保留。

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