說起白矮星，對(duì)天文學(xué)有所了解的同學(xué)一定不會(huì)陌生，它是較小質(zhì)量恒星的演化終點(diǎn)，并且有一個(gè)特殊性質(zhì)——這類致密天體存在質(zhì)量上限，約為1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量[1]，在學(xué)術(shù)上一般稱為錢德拉塞卡極限。
錢德拉塞卡（1910-1995）是著名印度裔天體物理學(xué)家，1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，獲獎(jiǎng)理由是「有關(guān)恒星結(jié)構(gòu)及其演化的重要物理過程的理論研究」，其中就包括計(jì)算白矮星的質(zhì)量上限。
錢德拉塞卡本人推導(dǎo)的錢德拉塞卡極限方程。當(dāng)μe取2時(shí)，錢德拉塞卡極限為1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量︱參考文獻(xiàn)[1]
這一諾獎(jiǎng)級(jí)想法的誕生地并不是某個(gè)有著悠久學(xué)術(shù)傳統(tǒng)的高?；蜓芯吭?，而是一艘從印度孟買開往意大利威尼斯的輪船[2]。彼時(shí)錢德拉塞卡還沒過自己的20歲生日，他剛從印度馬德拉斯大學(xué)畢業(yè)，準(zhǔn)備前往英國(guó)劍橋大學(xué)深造。
登船時(shí)錢德拉塞卡隨身攜帶了三本書，分別是英國(guó)天體物理學(xué)家愛丁頓的《恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)》（The Internal Constitution of Stars），美國(guó)物理學(xué)家康普頓的《X射線和電子》（X-Rays and Electrons: An Outline of Recent X-Ray Theory）以及德國(guó)物理學(xué)家索末菲的《原子結(jié)構(gòu)和譜線》（Atomic Structure and Spectral Lines）。另外錢德拉塞卡早已對(duì)英國(guó)物理學(xué)家福勒發(fā)展的白矮星理論相當(dāng)熟悉。
當(dāng)輪船在地中海平穩(wěn)航行時(shí)，以上這些元素在錢德拉塞卡的腦海中激烈碰撞，最終引導(dǎo)他思考一個(gè)問題：如果白矮星中心密度如此之高，那么是否需要考慮狹義相對(duì)論的影響？錢德拉塞卡很快就注意到，如果考慮了相對(duì)論效應(yīng)，白矮星應(yīng)當(dāng)會(huì)存在一個(gè)質(zhì)量上限。
青年時(shí)期的錢德拉塞卡，攝于1934年︱AIP
一個(gè)剛剛本科畢業(yè)的準(zhǔn)研究生在旅途中產(chǎn)生了如此洞見，難道錢德拉塞卡真的是天才，竟發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)整個(gè)學(xué)界都未曾觸及的暗角？在回答這個(gè)問題以前，有必要簡(jiǎn)單回顧一下白矮星研究的相關(guān)歷史。
歷史上第一顆被發(fā)現(xiàn)的白矮星可以追溯到1783年威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)的波江座40B；1862年，美國(guó)著名制鏡大師克拉克首次觀測(cè)到我們的恒星鄰居天狼星擁有一顆暗淡的伴星天狼星B，這是人類發(fā)現(xiàn)的第二顆白矮星。在克拉克發(fā)現(xiàn)天狼星B之前約20年，德國(guó)天文學(xué)家貝塞爾曾通過天狼星的自行曲線推斷天狼星有一位看不見的「伙伴」。
天狼星B大小與地球相當(dāng)，質(zhì)量與太陽(yáng)相當(dāng)︱Wikipedia@Tomruen
看起來天文學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)了白矮星的身影，但直到20世紀(jì)初，隨著天體光譜測(cè)量技術(shù)日趨成熟，學(xué)者們才正式注意到這類天體其實(shí)有別于大多數(shù)常見的恒星。有關(guān)白矮星的嚴(yán)肅研究以及系統(tǒng)搜尋都始于20世紀(jì)20年代，所以在1930年前后，不論是身經(jīng)百戰(zhàn)的大佬們，還是像錢德拉塞卡這樣的學(xué)術(shù)萌新，白矮星對(duì)他們而言都可以算是一個(gè)全新的領(lǐng)域。按照錢德拉塞卡自己的說法，1930年夏天時(shí)他作為一位剛畢業(yè)的本科生，所掌握的物理、天文以及數(shù)學(xué)知識(shí)都只是一些基礎(chǔ)得不能再基礎(chǔ)的內(nèi)容了[3]。如果這不是過分自謙而是相對(duì)客觀的自我評(píng)價(jià)，可以說錢德拉塞卡能做出如此非凡的發(fā)現(xiàn)除了必不可少的自身努力，歷史的進(jìn)程也是其發(fā)現(xiàn)之路上的重要一環(huán)，翻譯成時(shí)下語(yǔ)言，就是成功抓住了風(fēng)口。
實(shí)際上抓住風(fēng)口的遠(yuǎn)不止錢德拉塞卡一位學(xué)者。錢德拉塞卡最早的一篇討論白矮星質(zhì)量上限的論文[4]于1931年7月發(fā)表在《天體物理學(xué)報(bào)》上，而至少有兩位學(xué)者早于錢德拉塞卡在公開的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了討論白矮星質(zhì)量上限的文章，一位是安德森（Von Wilhelm Anderson）[5]，另一位是斯托納（Edmund Clifton Stoner）[6]。由此還引起了后世[7] [8]關(guān)于白矮星質(zhì)量上限發(fā)現(xiàn)權(quán)的爭(zhēng)論。對(duì)于錢德拉并非獨(dú)立做出發(fā)現(xiàn)的觀點(diǎn)，《錢德拉塞卡傳》的作者專門撰文[9]駁斥了相關(guān)說法，另一位學(xué)者特林布爾[10]也認(rèn)可錢德拉塞卡的發(fā)現(xiàn)獨(dú)立于前人。錢德拉塞卡的處理白矮星的方式是證明他獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的最好證據(jù)：安德森與斯通納對(duì)恒星建模時(shí)都將其視為密度均勻的球體[11]，錢德拉塞卡則在計(jì)算時(shí)引入了愛丁頓描述恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多方模型[12]，后者也更貼近真實(shí)情況。
多方指數(shù)n=3時(shí)的密度-半徑關(guān)系常用于擬合較大質(zhì)量白矮星內(nèi)部的密度變化︱Wikipedia@Carlo Del Noce
按照正常的故事發(fā)展，年紀(jì)輕輕做出諾獎(jiǎng)級(jí)發(fā)現(xiàn)的錢德拉塞卡大概不用多久就會(huì)走上人生巔峰，功成名就。但接下來登場(chǎng)的一位重磅人物影響了整個(gè)故事的走向。
在英國(guó)求學(xué)期間，錢德拉塞卡一直沒有放棄對(duì)白矮星質(zhì)量問題的追尋。1934年下半年，錢德拉塞卡投入了大量時(shí)間精力構(gòu)建白矮星的精確理論，他希望自己的工作能一勞永逸地解決當(dāng)時(shí)學(xué)者們諸多爭(zhēng)論。
在1935年1月的一次皇家天文學(xué)會(huì)會(huì)議上，錢德拉塞卡作了約半小時(shí)的報(bào)告介紹自己的研究。接下來一位報(bào)告人是著名的愛丁頓，而讓錢德拉塞卡頗感意外的是，愛丁頓的報(bào)告內(nèi)容[13]完全是為他「度身定制」：愛丁頓明確反對(duì)錢德拉塞卡的論證，表示「我認(rèn)為應(yīng)當(dāng)有一條自然定律阻止恒星以這種荒謬的方式演化！」[14]，并且暗示錢德拉塞卡得到如此荒謬的結(jié)論是因?yàn)樗噶艘恍┫氘?dāng)然的錯(cuò)誤。在錢德拉塞卡打算為此爭(zhēng)辯兩句時(shí)，卻被會(huì)議主席制止，并表示錢德拉塞卡應(yīng)當(dāng)向愛丁頓致謝。
愛丁頓，攝于1932年︱Encyclop?dia Britannica
關(guān)于這段學(xué)術(shù)爭(zhēng)論，坊間有個(gè)流傳甚廣的說法，即「愛丁頓當(dāng)眾撕毀了自己學(xué)生錢德拉塞卡關(guān)于白矮星具有極限質(zhì)量的論文」。這樣的描述放在89年后的今天也是相當(dāng)炸裂，「大佬手撕萌新論文」大概會(huì)成為各大網(wǎng)絡(luò)社交平臺(tái)的熱搜。不過首先可以明確錢德拉塞卡的導(dǎo)師并非愛丁頓，而是另一位著名物理學(xué)家拉爾夫·福勒（Ralph H. Fowler）。錢德拉塞卡在1933年拿到博士學(xué)位，不久就成為劍橋三一學(xué)院研究員，1935年時(shí)他跟愛丁頓應(yīng)該算同事關(guān)系。
福勒肖像︱Cavendish Laboratory
愛丁頓「撕毀」錢德拉塞卡論文的炸裂說法，目前已知的最早出處是美國(guó)記者、專欄作家蒂爾尼（John Tierney）于1982年發(fā)表的一篇文章[15]，里面提到「 and (Eddington) proceeded to tear apart Chandrasekhar's paper」。這句話從字面上確實(shí)可以理解成撕毀論文，但我目前所見有關(guān)錢的傳記、訪談以及當(dāng)時(shí)的會(huì)議記錄等一手資料中，似乎未再出現(xiàn)類似的說法。
如果愛丁頓真的現(xiàn)場(chǎng)手撕了錢德拉塞卡的論文/報(bào)告，那接下來這句「（愛丁頓）的演講頻頻被笑聲打斷」對(duì)于錢德拉塞卡來說無異于傷口撒鹽
結(jié)合上下文以及故事背景，其實(shí)把蒂爾尼的記述看作是一種文學(xué)上的修辭更為合適，因?yàn)殄X德拉塞卡整篇報(bào)告的立論基礎(chǔ)是白矮星理論應(yīng)當(dāng)考慮狹義相對(duì)論效應(yīng)，而愛丁頓在報(bào)告開篇就指出不存在所謂的「相對(duì)論性簡(jiǎn)并」，如果愛丁頓所言非虛，那么錢德拉塞卡的理論在學(xué)術(shù)上確實(shí)會(huì)被碾得粉碎。考慮到愛丁頓在20世紀(jì)30年代已是名滿天下，在恒星結(jié)構(gòu)領(lǐng)域更是絕對(duì)權(quán)威，他的言論在天文界有著一錘定音的份量，對(duì)新人的批駁更是如此。所以不管愛丁頓的觀點(diǎn)是否正確，錢德拉塞卡在現(xiàn)場(chǎng)受到的打擊都是實(shí)打?qū)嵉摹?/p>
當(dāng)會(huì)議結(jié)束，與會(huì)者幾乎都認(rèn)為確實(shí)是錢德拉塞卡錯(cuò)了。甚至于錢德拉塞卡內(nèi)心都發(fā)生了動(dòng)搖，他陷入了嚴(yán)重的自我懷疑，最后只能寫信求助各方學(xué)者。在與玻爾、泡利、狄拉克等一流物理學(xué)者交流后，錢德拉塞卡逐漸意識(shí)到犯了錯(cuò)誤的并不是自己，而是大名鼎鼎的愛丁頓。同年7月的國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)巴黎大會(huì)上，愛丁頓繼續(xù)向錢德拉塞卡「開火」，公開表示所謂的極限質(zhì)量是謬論。錢德拉塞卡也在現(xiàn)場(chǎng)，他回憶稱當(dāng)時(shí)給主持會(huì)議的美國(guó)天文學(xué)家羅素塞了張紙條，希望可以現(xiàn)場(chǎng)回應(yīng)愛丁頓的言論。羅素稍后給錢德拉塞卡回了張紙條，寫道：「我建議你不要回應(yīng)」。
雖然拒絕錢德拉塞卡公開回應(yīng)愛丁頓，但羅素私底下曾對(duì)錢德拉塞卡說：「到了外頭，我們就不信愛丁頓了」。羅素的兩套說辭其實(shí)代表了當(dāng)時(shí)相當(dāng)一部分學(xué)者的態(tài)度，他們實(shí)際上十分清楚兩人孰對(duì)孰錯(cuò)，但礙于愛丁頓的巨大聲望，不愿公開表態(tài)。
1939年巴黎新星與白矮星天體物理學(xué)會(huì)議與會(huì)者合影，前排左三是羅素，右二為愛丁頓，后排右二是錢德拉塞卡︱AIP
愛丁頓是否對(duì)錢德拉塞卡存在偏見，所以才如此針鋒相對(duì)？看起來前者在仰仗自己的學(xué)術(shù)威望故意打壓作為新人的后者，但如果了解過愛丁頓的一些「學(xué)術(shù)八卦」，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這其實(shí)是愛丁頓一貫的學(xué)術(shù)風(fēng)格。即便是面對(duì)金斯、米爾恩等段位相當(dāng)?shù)膶W(xué)者，只要存在分歧，愛丁頓照樣會(huì)展現(xiàn)出咄咄逼人的姿態(tài)。在與金斯?fàn)幷摵阈钱a(chǎn)能機(jī)制時(shí)，愛丁頓曾寫道「對(duì)于認(rèn)為恒星的溫度不足以產(chǎn)生這一反應(yīng)的批評(píng)（指金斯），我不會(huì)作回應(yīng)，他首先得找到一個(gè)比恒星核心更熱的地方」[16][17][18]。在恒星產(chǎn)能機(jī)制這個(gè)問題上，愛丁頓確實(shí)笑到了最后，而白矮星的物理并沒有如他所愿。
1926年5月的《自然》增刊上有愛丁頓「hotter place」的另一個(gè)版本︱參考文獻(xiàn)[18]
盡管愛丁頓并非故意針對(duì)錢德拉塞卡，但在20世紀(jì)30年代的最后幾年中，錢德拉塞卡需要頻頻面對(duì)一些本不該存在的學(xué)術(shù)壓力，對(duì)其白矮星研究的公正評(píng)價(jià)也因此推遲了近半個(gè)世紀(jì)。1939年后，錢德拉塞卡決定不再與愛丁頓爭(zhēng)論了，他把自己的研究方向從恒星結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為恒星動(dòng)力學(xué)，并且在往后的學(xué)術(shù)生涯中，只要在一個(gè)領(lǐng)域取得了滿意成果，就會(huì)轉(zhuǎn)變方向嘗試攻克另一個(gè)領(lǐng)域的課題。錢德拉塞卡在自己五十余年的學(xué)術(shù)生涯中涉獵了包括恒星結(jié)構(gòu)、恒星動(dòng)力學(xué)、恒星輻射轉(zhuǎn)移、磁流體力學(xué)、平衡橢球體、黑洞在內(nèi)的諸多研究領(lǐng)域，他就像一位勤奮的登山家，只要成功登頂一座山峰，就把目標(biāo)指向另一座高峰。
與愛丁頓的爭(zhēng)論讓錢德拉塞卡逐漸領(lǐng)悟到科學(xué)研究的核心并不是，也不應(yīng)該是無休止的爭(zhēng)論，而是保持活躍以及持續(xù)產(chǎn)出。自己的研究工作是否有價(jià)值，后世自有公論。這一想法促使是錢德拉塞卡改變自己的研究領(lǐng)域。他的另一個(gè)感悟則是，一位在某個(gè)領(lǐng)域擁有巨大聲望的學(xué)者固然是可敬的，但這些聲望很可能會(huì)在某些場(chǎng)合成為壓垮新人的巨石。
2017年10月19日Google慶祝錢德拉塞卡107周年誕辰制作的涂鴉︱Google
參考
[1]https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/chandrasekhar-lecture.pdf
[2]美 瓦利 卡邁什瓦爾·C Wali, Kameshwar Chandrasckhar.孤獨(dú)的科學(xué)之路:錢德拉塞卡傳[M].上?？萍冀逃霭嫔?2006.
[3]Chandrasekhar S. The Richtmyer Memorial Lecture—Some Historical Notes[J]. American Journal of Physics, 1969, 37(6): 577-584.
[4]Chandrasekhar S. The maximum mass of ideal white dwarfs[J]. Astrophysical Journal, vol. 74, p. 81, 1931, 74: 81.
[5]Anderson W. über die Grenzdichte der Materie und der Energie[J]. Zeitschrift für Physik, 1929, 56(11): 851-856.
[6]Stoner E C. LXXXVII. The equilibrium of dense stars[J]. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1930, 9(60): 944-963.
[7]Nauenberg M. Edmund C. Stoner and the discovery of the maximum mass of white dwarfs[J]. Journal for the History of Astronomy, 2008, 39(3): 297-312.
[8]Blackman E G. Placing Chandra’s work in historical context[J]. Physics Today, 2011, 64(7): 8-9.
[9]https://pubs.aip.org/physicstoday/article/64/7/9/1017313
[10]Trimble,Virginia.Chandrasekhar and the history of astronomy[J].Asia Pacific Physics Newsletter, 2012, 1(01):63-65.DOI:10.1142/S2251158X12000100.
[11]Three hundred years of gravitation[M]. Cambridge University Press, 1987.
[12]一團(tuán)孤立的恒星氣體物質(zhì)在自引力的作用下處于平衡態(tài)時(shí)的數(shù)學(xué)模型
[13]https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1935Obs....58...33
[14]I think there should be a law of Nature to prevent a star from behaving in this absurd way!
[15]http://prints.iiap.res.in/handle/2248/1676
[16]We do not argue with the critic who urges that the stars are not hot enough for this process; we tell him to go and find a hotter place.
[17]https://en.wikiquote.org/wiki/Arthur_Eddington
[18]Eddington A S. The source of stellar energy[J]. Nature, 1926, 117(2948): 25-32.
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