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《黑洞与时间弯曲》论战

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第二天早晨,钱德拉塞卡坐火车到伦敦,然后乘出租车来到伯林顿宫的皇家天文学会。在他和朋友麦克里(Bill McCrae)等着会议开幕时,爱丁顿走过来,刚看了议题的麦克里问他,“爱丁顿教授,我们该怎么理解您说的‘相对论性简并’?”爱丁顿转向钱德拉塞卡,回答说,“那会令你吃惊的。”说着就走了,令钱德拉塞卡更加焦虑不安。

会终于开始了。学会主席宣布了许多事情,许多天文学家又做了不同性质的发言,时间拖长了。最后才轮到钱德拉塞卡。他抑制着不安,作了一个完美的报告,特别强调了他的白矮星的最大质量。

会员们礼貌地鼓掌后,主席请爱丁顿讲话。

爱丁顿开始平和地回顾了白矮星的研究历史,然后,他激动地讲述了钱德拉塞卡的最大质量结果所隐含的令人不安的事实:在钱德拉塞卡以水平方向画星体周长、垂直方向画星体质量的图中(图4.4),只有在一组质量和周长条件下,引力能被非热压力(星体冷却后仍然存在的压力)所平衡:这就是白矮星。在钱德拉塞卡白矮星曲线的左边区域(阴影区,小周长星体),星体的非热简并压力完全超过了引力。简并压力将使区域内的任何星体发生爆炸。在白矮星曲线右边的区域(白区,较大周长的星体),引力完全超过了星体的简并压力。任何一颗处在这个区域的冷星都将在引力挤压下立刻发生坍缩。

左:A.S.爱丁顿,1932年。右:S.钱德拉塞卡,1934年。[左:UPI/Bett-man提供;右:钱德拉赛卡提供。

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太阳能存在于白区只是因为它现在还很热;它的热(热产生的)压力设法平衡了引力。然而,当太阳最终冷却下来时,热压力将消失,从而不可能继续维持自身。引力将迫使它收缩得越来越小,将它的电子挤到越来越小的格子里去,直到它们最后具有足够的简并压力(非热压力)来抵抗引力,阻止压缩。在这个压缩“死亡”的过程中,太阳质量将近似保持为常数,但它的周长会减小,所以它将沿着图4.4中的水平线向左移动,最终停在白矮星曲线上——那是它的归宿。太阳将成为一颗白矮星永远停留在那里,逐渐冷却,成为黑矮星——一颗冷的、暗淡的固态星体,约地球大小,但质量和密度比地球大100万倍。

太阳的这个最终命运似乎令爱丁顿很满意。比钱德拉塞卡的1.4个太阳质量的白矮星极限质量更大的星体——例如,天狼星,天狼B的伴星,2.5个太阳质量——就没有这样令人满意的归宿。假如钱德拉塞卡是正确的,这样的星体就永远不可能像太阳那样平静地死亡。当它向空中发出的辐射带走了足够的热量而开始冷却时,它的热压力将衰减,引力的挤压将使它收缩得越来越小。像天狼星那么大质量的恒星,非热简并压力是不可能阻挡这样的收缩的。这一点在图4.4中看得很清楚,在那里,阴影区没有延伸到能与天狼星的收缩路线相交的高度。爱丁顿发现,这个预言令人不安。

“恒星将不得不持续地辐射下去,收缩下去。我想,它会一直辐射收缩到几公里的半径,那时引力会变得很强大,足以平息这些辐射,而恒星也最终找到了安宁。”(用90年代的话说,它必然形成黑洞。)爱丁顿告诉他的听众,“钱德拉塞卡博士以前得到过这个结论,在最近的一篇文章里他又特别强调了这一点。在同他讨论的时候,我被迫作出这样的结论:这几乎是相对论性简并公式的一个反证。可能会出现许多事件来挽救恒星,但我想的不仅是这样的保护。我想,应该存在一个自然律来阻止恒星那么荒谬的行为!”9

接着,爱丁顿论证钱德拉塞卡结果的数学证明不能令人相信,因为它的基础是在没有充分根据的条件下人为地将狭义相对论与量子力学揉在一起。“这样的产儿,我想不会是合法婚姻的结果。”爱丁顿说,“我自己满意的是[如果揉合是对的],相对论修正将获得补偿,于是我们回到‘平常的’公式”(也就是回到5/3的阻抗,它允许白矮星有任意大的质量,从而压力能够阻止天狼星在图4.4中假想虚线上的收缩)。然后,爱丁顿大概讲了他认为狭义相对论和量子力学应该怎样融合,融合的方法与钱德拉塞卡、斯托纳和安德森用过的都不同。爱丁顿宣称,这将使所有的恒星都摆脱黑洞的命运。

钱德拉塞卡惊呆了。他从没想到他的工作会遭到这么大的攻击。爱丁顿为什么不事先跟他讨论呢?至于爱丁顿的论证,在钱德拉塞卡看来似是而非——几乎肯定是错的。

那时候,爱丁顿才是英国天文学的伟人;他的发现几乎都是充满传奇的。天文学家们对太阳和天狼星那样的正常恒星的内部,对它们的大气和它们发出的光的认识,在很大程度上都是靠爱丁顿的发现。所以,学会的会员们和来自全世界的天文学家们,都自然地满怀敬意地听他讲话。显然,如果爱丁顿认为钱德拉塞卡的分析错了,那么它一定是错的。

图4.4 像太阳和天狼星(不是天狼B)那样的正常恒星冷却时,一定会发生收缩,沿着图中的质量-周长曲线向左运动。太阳的收缩在到达阴影区边缘(白矮星曲线)时停止,那里的简并压力平衡了引力的挤压。相反,天狼星的收缩不可能这样停下来,因为它永远也不会达到阴影区的边缘。这些结论的不同表示请看卡片4.2。假如照爱丁顿宣布的那样,白矮星物质的压缩阻抗总是5/3,也就是说相对论在高密度下没有将它减小到4/3,那么质量-周长图将具有点虚线的形式,从而天狼星将在这条线上停止收缩。

会后,会员们一个个走到钱德拉塞卡跟前来安慰他。米尔恩告诉他,“我知道爱丁顿是对的,尽管不知道为什么。”

第二天,钱德拉塞卡开始向他的物理学朋友们求助9在给哥本哈根的罗森菲尔德(Leon Rosenfeld)的信中,他写道:“假如爱丁顿是对的,那我最近四个月的工作全都将化为灰烬。爱丁顿能对吗?我非常想知道玻尔的意见。”(尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)是量子力学创立者之一,30年代最受尊重的物理学家。)两天后,罗森菲尔德回信了,保证他和玻尔都相信爱丁顿是错的,而钱德拉塞卡是对的。“我想,你的信有点儿令我吃惊,”他写道,“因为没人会那样去追问那些[你用来推导4/3阻抗的]方程,你信中说的爱丁顿的评论完全是模糊不清的。所以你最好高兴起来,别让那些大神父们把你吓成这个样子。”在同一天的后一封信里,罗森菲尔德写道:“玻尔和我在爱丁顿的讲话中绝对没看出一点儿有意义的东西。”10

但是,天文学家当初对这个问题并不是那么清楚的。他们在这些量子力学和相对论问题上没有多少专门经验,所以爱丁顿的权威在他们中间还影响了几年。而且,爱丁顿仍然坚持着自己的立场。他同黑洞的对立蒙住了他的双眼,他的判断也是一团云雾。他太想“有一个自然律来阻止恒星那么荒谬的行为”了,在他的余生,他仍然相信有这样的定律——事实上,并没有。

到30年代后期,天文学家通过与物理学家同事的对话,认识到了爱丁顿的错误,但由于尊重他早年的巨大成就,他们没有公开这么讲。1939年在巴黎的一次天文学会议的演讲中,爱丁顿又攻击了钱德拉塞卡的结论。在爱丁顿讲话时,钱德拉塞卡给主持人罗素(Henry Norris Russell,来自美国普林斯顿大学的著名天文学家)递了张字条,请允许他答辩。罗素也回了张字条说,“最好不要”,尽管那天早些时候,罗素曾私下告诉钱德拉塞卡,“走出这儿,我们都不相信爱丁顿。”11

全世界的主要天文学家最终都——至少背着爱丁顿——接受了钱德拉塞卡的最大白矮星质量,那么,他们愿意承认黑洞能在真实宇宙中存在吗?一点儿也不。假如自然没有提供爱丁顿寻找的那种对抗黑洞的定律,那么它一定会找到别的出路:大概每颗大质量的恒星在老化和垂死过程中会向星际空间发射足够多的物质,将自身质量减到1.4个太阳以下,从而平安进入白矮星的墓穴。12在爱丁顿论战失败后,大多数天文学家都相信这种看法,而且一直坚持到60年代初。

对钱德拉塞卡来说,与爱丁顿的争论给他造成了很大的伤害。大约40年后,他回忆说,“我感到天文学家无一例外地都认为我错了。他们把我看成一心想杀害爱丁顿的堂·吉诃德。你可以想象,当我发现自己在同天文学的巨人论争,而且我的工作完全不被天文学界相信——那对我来说是多么沮丧的经历啊。下一步做什么,我只得自己下决心。我应该在我的余生继续奋斗吗?毕竟那时我才二十四五岁,我想自己还可以做30到40年的科学工作。我根本没有想过拿重复别人做过的事情来当科学创造。对我来说,更好的是改变我的兴趣进入别的什么领域。”13

于是,1939年,钱德拉塞卡离开了白矮星和恒星死亡的领域,等四分之一世纪以后他才会回来(第7章)。

那么爱丁顿呢?他对钱德拉塞卡为什么那样无情?对爱丁顿来说,这样的对待似乎一点儿也不过分。在他看来,生命之路,就是吵闹和自由的理性论争。以这种态度对待年轻的钱德拉塞卡,在某种意义上,可能是尊重的表现,也是一个信号,说明他已经接受了钱德拉塞卡,把他作为天文学的建立者中的一员。事实上,从1935年他们第一次对立到1944年爱丁顿去世,爱丁顿对钱德拉塞卡都表现出热情和喜爱,钱德拉塞卡尽管为争论而难过,也还是同样地尊重和爱戴爱丁顿。1

[1] 1982年,钱德拉塞卡发表了纪念A·S·爱丁顿诞辰100周年的演说,全面总结并高度评价了爱丁顿的功绩。这篇演说的中译文收在我们这个“第一推动丛书”系列里《莎士比亚、牛顿和贝多芬——不同的创造模式》一书中(杨建邺、王晓明等译,1997)。——译者