1.24 23 钱德拉塞卡的科学之路

23 钱德拉塞卡的科学之路

萨婆罗门扬·钱德拉塞卡(1910—1995),印度裔美国天文学家和物理学家。

1983年因为对恒星结构和演化过程的研究,特别是因为对白矮星的结构和变化的精确预言,获得诺贝尔物理学奖。

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印度裔美国天文学家和物理学家钱德拉塞卡

“我坐着睡还真香哩!”

钱德拉塞卡在英国剑桥大学留学时,不习惯英国的饭菜,所以他的父亲总是催促他偶尔去伦敦旅行。在伦敦他可以在饭店里或者他以前的同学罗摩克里希南的家里,吃到合口味的印度式素食。罗摩克里希南住在伦敦,他能烧极好的香辣咖喱米饭和其他印度人特别喜爱的菜肴。可是对钱德拉塞卡来说,他的经济并不宽裕,因此觉得这种旅行的费用太贵了。

他告诉父亲:

“我倒是宁愿购买一本好书,不愿只为了吃一顿饭而去伦敦。”

他说最佳的解决办法便是“不去想吃的事情”;重复吃相同的、乏味的东西,这样就“没有什么好坏之分了”。然而,他确实期盼来自家乡的含有帕帕达姆和咖喱粉的食物包裹。好在他的女房东常为他烤或煎帕帕达姆,并在煮土豆里加上一点咖喱粉,使他的一日三餐有印度风味。

在经济上,他的一年340英镑的奖学金足够支付学费和膳宿,能提供一种舒适但决不奢侈的生活。钱必须节约下来用以购买书和必要的衣服,还指望在回印度之前用于在欧洲大陆的短期旅游。他决心不让父亲或别的任何人承担额外的资费,因此他生活俭朴。在他从印度出发的旅途中,当他不得不在威尼斯等待次日早晨换乘火车去英国时,他在火车站度过了一整夜,而不是去一个旅馆找膳宿。

“我干吗要为睡一夜支出3英镑?我坐着睡还真香哩!”

世界就是这样结束的!

1934年底,钱德拉塞卡终于顺利完成关于白矮星的研究。他相信他的研究一定具有重大意义,是恒星演化理论中的一个重大突破。他把他的研究成果写成两篇论文,交给了英国皇家天文学会。皇家天文学会作出决定,邀请他在1935年1月的会议上,简单说明自己的研究成果。

会议定于1935年1月11日星期五举行,钱德拉塞卡踌躇满志,自信在星期五下午的发言中,他宣布的重要发现将一鸣惊人。在会议上,钱德拉塞卡简短介绍了自己的研究:一颗恒星在烧完了它所有的核燃料之后,将发生什么情形?如果不考虑相对论性简并,恒星最终都塌缩为白矮星,这正是爱丁顿同意的理论;但是,当人们考虑到“相对论简并”的时候,任何一颗质量大于1.44M⊙(M⊙表示太阳质量)的恒星在塌缩时,由于巨大的引力超过恒星物质在压缩时产生的简并压力,这颗恒星将经过白矮星阶段继续塌缩,它的直径越变越小,物质密度也越来越大,直到……

“啊,那可是一个很有趣的问题”,他明确地宣称:“一颗大质量的恒星不会停留在白矮星阶段,人们应该推测其他的可能性。”

接着,大会主席请爱丁顿讲“相对论性简并”,爱丁顿开始发言了。钱德拉塞卡怀着异常紧张的心情,等待着这位权威的裁定。爱丁顿说:

“钱德拉塞卡博士谈到了简并。就此而论,通常使用两种表达:‘普通的’简并和‘相对论性’简并。……我不知道我是否应该逃离这次会议,不过我的论点是并不存在像相对论性简并这样的东西!……恒星不得不继续辐射、再辐射和收缩、再收缩,我推测,这样直到它达到几千米的半径为止,此时重力变大,足以抑制住辐射,从而恒星最终归于平静。……”

“各种不同的偶然事件也许会介入以拯救恒星,但我希望有比这更多的保护。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!”

钱德拉塞卡惊呆了!怎么爱丁顿从来没有同他讨论过这一点呢?!半年多来他们几乎每周都要讨论好几次,在这么多的相互讨论中,爱丁顿至少应该表白一下他的观点才对呀!其实,爱丁顿的发言中并没有真正意义上驳倒钱德拉塞卡的逻辑和计算,他只是声称,钱德拉塞卡的结果过于“稀奇古怪和荒诞”。这哪里是科学的反驳?创新的理论永远是“稀奇古怪”甚至是“荒诞”的,这是每一位科学大师都亲身经历过的呀!

钱德拉塞卡研究的这种恒星的最终结局(“直径越变越小,物质密度也越来越大,直到……”),实际上就是现在已被广泛承认的黑洞(black hole),这个名称是30多年后于1969年由美国科学家惠勒正式确定的。但1935年1月11日的那个下午,爱丁顿断然宣布它是绝不可能存在的。他的理由只不过是一种直觉:“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!”

可以想象,1935年1月11日的这个下午对于钱德拉塞卡来说,真是一个惨淡得可怕的下午。他曾经痛心地回忆过那次会议结束后的惨况,他写道:

“在会议结束后,每个人都走到我面前说‘太糟糕了。钱德拉,太糟糕了。’我来参加会议时,本以为我将宣布一个十分重要的发现,结果呢,爱丁顿使我出够了洋相。我心里乱极了。我甚至不知道我是否还要继续我的研究。那天深夜大约一点钟我才回到剑桥,我记得我走进了教员休息室,那是人们经常聚会的场所。那时当然空无一人,但炉火仍然在燃烧。我记得我站在炉火前,不断地自言自语地说:‘世界就是这样结束的,不是“砰”的一声巨响,而是一声呜咽。’”

在这件事情上,爱丁顿是彻底地错了。他的自信让他几乎毁掉了一位年轻的物理学家,而且也让他犯下一次重大的错误。他的这种行为与他曾经的信条相左:年轻时爱丁顿鼓励自己和他人“勇敢地飞向太阳”,但是到了年老的时候,还是成为阻碍别人飞行的障碍。

孤独的科学之路

爱丁顿打压钱德拉塞卡的事情发生以后,钱德拉塞卡开始还想通过玻尔、泡利等著名物理学家的介入,把这场争论继续下去,但是由于当时物理学家们正忙于建立量子力学而无心介入,钱德拉塞卡的处境变得十分不利,人们对爱丁顿的嘲笑记忆深刻,这使得他几乎失去了在英国寻找一个职位的任何机会。没有办法,他只得于1937年来到美国,很幸运的是他在芝加哥大学叶凯士天文台找到了一个职位。与此同时,钱德拉塞卡决定不与爱丁顿争论,暂时放弃恒星演化的研究,但他坚信他的理论总有出头露面的一天。于是他把他的整个理论推导、计算、公式等,统统写进了一本书中,这本书就是《恒星结构研究导论》。

写完这本书以后,他改弦更张,开始研究星体在星系中的几率分布,后来又转而研究天空为什么是蓝颜色的。有趣的是,钱德拉塞卡似乎十分满意这种不断转换研究领域的做法,以至于他后来又全面地研究了磁场中热流体的行为、旋转物体的稳定性、广义相对论,最后他又从一种全然不同的角度回到了黑洞理论。1983年,他终于因为“对恒星结构和演化过程的研究,特别是因为对白矮星的结构和变化的精确预言”,获得了诺贝尔物理学奖,但这已经是他提出这种理论48年后的事了!

法国著名作家蒙田曾意味隽永地说过:

“命运对于我们并无所谓利害,它只供给我们利害的原料和种子,任那比它更强的灵魂随意变转和利用,因为灵魂才是自己的幸与不幸的唯一主宰。”

钱德拉塞卡后来的经历,可以说是蒙田说法的一个佐证。

科学家的傲慢

1935年1月11日那个下午突然落到钱德拉塞卡头上的严重打击,有可能毁掉一个人的人生;但对于具有“更强的灵魂”的钱德拉塞卡,这一严重的打击却给了他一个千载难逢的机会,使他悟出了一个深刻的道理:为什么科学家到了50岁以后(甚至更早),就基本上不再会有什么创造性了,科学家为什么不能像伟大的文学家、艺术家那样不断地具有创新精神呢?钱德拉塞卡通过自己奇特的经历,找到一个答案:

由于没有更恰当的词,我只能说这似乎是有一些科学家对大自然产生某种傲慢的态度。这些科学家有过伟大的洞见,获得过伟大的发现,但他们此后就以为他们的成就,足以说明他们看待科学的特殊方法必然是最正确的。但是科学并不承认这种看法,大自然一次又一次地表明,构成大自然基础的各种真理超越了最强有力的科学家。

钱德拉塞卡以爱丁顿和爱因斯坦为例:

以爱丁顿为例,他是一位科学伟人,但他却认为,必然有一条自然定律阻止一个恒星变为一个黑洞。他为什么会这么说呢?无非是他不喜欢黑洞的想法。但他有什么理由认为自然规律应该是怎样的呢?同样,人们都十分熟悉爱因斯坦的那句不赞成量子力学的话:“上帝是不会掷骰子的。”他怎么知道上帝喜欢做什么呢?

钱德拉塞卡由于这次严重打击而转变研究领域,这一转变居然使他受益匪浅,形成了以后不断转变研究领域的特殊风格。虽然不免孤独,却因为每到一个新领域他都不可避免地是“新手”,不可能有“傲慢”的机会,只能老老实实从虚心当学生开始,这样倒使得他一生“谦逊”地对待大自然。真是“塞翁失马,焉知非福”!

这一事例应该让人们得到更多的感受吧!

一张照片的启示

印度裔美国物理学家瓦利在他写的《孤独的科学之路——钱德拉塞卡传》一书的开篇就讲了一个故事:

当我第一次进入钱德拉塞卡的办公室时,立即对挂在他办公桌对面墙上的一幅照片产生了兴趣。我正凝视这幅照片之际,钱德拉向我讲述了如下的故事:他在1962年《纽约时报》杂志的封面上第一次看到这幅照片,并致函给该杂志社索要一张复印照片;杂志社叫他去询问艺术家皮耶罗·博雷洛。博雷洛的回答多少有点让钱德拉塞卡吃惊——博雷洛说,“只要钱德拉塞卡愿意说明为什么要此幅照片,他就能得到它的复印件,甚至原件”。钱德拉塞卡回答博雷洛说:

“你的这幅照片之所以留给我深刻印象,在于你以极其生动的方式形象地描绘了一个人对于自己为取得成就所付出努力的内心感受:一个人爬到扶梯的中途,然而他所看到的一点东西和他所渴望看到的相去甚远,即使他爬到扶梯的顶部。影子使他感觉到自己的位置更低,只是加深了他对达到目的的绝对不可能性的真正认识。”

瓦利最后说道:

钱德拉塞卡对该照片形象描绘的画面所作出的解释再生动不过了。它描绘的是人类永远不断地探索知识的精髓;探索中所取得的成功、所遭遇的挫折和探索的局限性,以及在未知面前所表现出来的个人的惧怕。

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一个人(在扶梯上)的个别视野

听狄拉克的课犹如听绝妙的音乐

由于钱德拉塞卡在读大学时几乎没有学过近代数学,所以他不得不用功跟上数学课程。对比起来,物理学比较容易,他已自学了统计力学和相对论;所以,福勒和爱丁顿的课程对他来说更像是复习。第一学期里,狄拉克的课程也是如此。

狄拉克上课时,基本上是把自己刚出版的著作内容用端正、细小的笔迹复写到黑板上。钱德拉塞卡已从头到尾详细地读过这部著作。然而,他仍继续上狄拉克的课(实际上,他在剑桥当研究生的日子里,上了三遍同样的课),因为他很欣赏狄拉克根据自己独到的见解,用极其清晰明了的方式表达自己理念的精湛技巧。如钱德拉塞卡在此后很久的一次电台访谈中所解释的,听狄拉克的课就像倾听绝妙的音乐。人们不止一次地听贝多芬交响曲,而每次都有新发现,这是常见的事。

第二学期里,狄拉克的课上升到高阶水准。听他课的学生在第一学期开始时有40人,可是到学期结束只有8人;第二学期,包括钱德拉塞卡在内,只有4人继续上课。

1931年1月21日钱德拉塞卡写信给朋友说:

狄拉克讲课是巧妙的。现今他涉及量子力学中科学和玄学之间界限模糊的那个领域(正如大多数人的看法),而他的课是富有哲理性和深奥的——人们或许仅能在别的少数几个地方听到像这样的讲课。狄拉克始终是严肃的,他是一个“冥思苦想的人”;而爱丁顿却总是好笑和幽默的。