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xirainbow木虫 (正式写手)
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【趣闻】黑洞的故事zz
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http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f15ead20100fhfv.html 首先感谢本文作者stringplayer。花了一些时间，终于知道了这个帖子最初是发在水木清华的。但到水木已经找不到这个帖子了。所以无法给出原文链接；（ 黑洞故事 序 某人爱听故事，那就先讲一个，这也是某人唯一看得下去的部分吧。 蝴蝶是森林里以美丽著称的居民。从这片森林的第一棵小草出生，它们就移居此地，千百年来，它们没有一刻停止过寻找，寻找美丽的东西。它们用玫瑰的嫣红，梨花的洁白，溪水的清澈，露珠的晶莹装扮自己的薄翼，它们还受到虞美人花瓣的启发，把双翅修成美丽的心形。蝴蝶们不懈的追求，让她们成为森林之 神的宠儿。传说，每一只蝴蝶前世都是一朵花，今世，变成了精灵。可是有一天，暴风雨不期而至，它毫不吝惜的吹倒大树，打落花瓣，肆无忌惮。一只年轻的蝴蝶无力抵抗那肆虐的暴力，被雨点打昏了过去。当她醒来，发现自己在一个小屋的窗台上。当她都抖翅膀上的雨水，准备飞回森林的时候，她发现在窗户里面，有一支正在燃烧的蜡烛，她从没见过蜡烛，但是那摇曳的火焰，变幻着异彩，让她无法把目光移开。过了很久，她恋恋不舍的回到森林，告诉了自己的同伴。蝴蝶们立刻聚集在一起，她们决定派出三个志愿者去采集那神秘的绚丽。 经过一番准备，第一只蝴蝶出发了。她来到了那扇窗前，可是窗户紧紧锁着，没办法，只好在外边欣赏了一夜，然后飞回森林，向同伴激动地描述了那奇迹般的美丽，于是，第二只蝴蝶迫不及待的出发了。这一次，窗户仍然紧紧地锁着，她鼓起勇气，从窗户的缝隙中钻了过去，她的翅膀被粗糙的木刺刮伤，美丽的花纹也被划脏，蝴蝶们总算可以得到这迷人的色彩了，她高兴地想着，忘记了疼痛，飞向火焰。可是当她要接近的时候，一股热浪袭来，她惊恐万分，什么都来不及想，拼命的逃回森林，同伴们发现倒在地上的她，翅膀上有一点擦不去的焦黑。蝴蝶们有些犹豫了，但是第三个志愿者毅然决定前往。飞越重重密林，忍着剧痛钻过小窗，她也来到了蜡烛的前边。她不由自主地被那婀娜的火光吸引着，直到一种焦灼的恐惧袭上心头。但是它太美了，蝴蝶们需要这样的美丽，她终于不顾一切飞去，她飞到了火焰的中央，她看到自己身上也充满了那炫目的色彩，她做到了！一团火焰向窗外飞去，越飞越低，越飞越低。。。。。。 以上的故事，讲的是黑洞和物理学家。当然，物理学家们比蝴蝶要幸运一些， 虽然，黑洞远比烛光要美丽的多，要可怕的多。 第一章 黑洞是个很自然的想法，自然到早在1784 年，牛顿发表落地苹果及其数学原理之后一个世纪，就有个叫John Michell 的人写信给卡文迪许说， 如果有个星星比太阳密五百倍，那么这颗星星发出的光就会被引力拉回去 。可惜卡文迪许好像不是很感兴趣，他在一年前失去了父亲，得到了130 万英镑的遗产，这对于雨人似的小卡来说肯定比发现氢气，做个扭秤什么 的头疼。（小卡对于金钱的概念几乎为零，有一次，经朋友介绍，一老翁前来帮助他整理图书。此老翁穷困可怜，朋友本希望卡文迫许给他较厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪许一字未提。事后那朋友告诉卡文迪许，这老翁已穷极潦到，请他帮助。卡文迪 许惊奇地问：“我能帮助他什么？”朋友说：“给他一点生活费用。”卡文迪许急忙从口袋掏出支票，边写边问：“2 万镑够吗？”朋友吃惊地叫起来：“太多，太多了！”可是支票已写好，速度之快，不愧是我辈中人） Michell 的黑猩猩模型很快就被大牛拉普拉斯接着发展了一下，现在我们好像一提起黑洞都会把他老人家抬出来，其实思想上并没有前进多少 。 说到拉普拉斯，给某人讲讲他的故事吧。想当年年轻的拉普拉斯拿着一个名流的推荐信找到方正大师级的人物达朗贝尔，人家根本就没放在心上。于是他就回去写了一篇论述力学几何的文章，这回把老人家高兴得差点让他去做教父。——如果有自信，我们自己就是最好的推荐人。 拉普拉斯研究的东西很简单，就是我们头顶的星空。 他问的问题也很简单，我们的太阳系是稳定的吗？牛顿早就给出了回答：神会在合适的时间加以调节。拉普拉斯用了二十五年写了五卷《天体力学》，证明了一大堆关于扰动，轨道之类的结论，其实和牛顿说的一样，不过是用了另一种神的语言，数学。拉普拉斯的书里毫不脸红，毫不提及原作者的引用了拉格朗日，勒让德等人的工作。这在那个鱼传尺素的浪漫年代让好多人过高的评价了他的贡献。不过唯一的例外是，他不能不提到牛顿。 拉普拉斯36 岁的时候成为法国科学院院士，那一年他给一个非凡的16 岁毕业生进行考试，那个人日后让他做了内政大臣，这个毕业生叫作拿破仑٠波拿巴。 拿破仑有一次问到在他那些伟大的证明中上帝扮演了什么样的角色，拉普拉斯说：“陛下，我不需要这个假设。” “大自然的全部结果不过是少数几个永恒定律的简单推论。” ——拉普拉斯 “一個第一流的数学家，拉普拉斯很快就暴露出自己只是个平庸的行政官;从他最初的工作我们就发觉，我们受骗了。拉普拉斯不能从真实的观点看出任何问题，他处处寻求精巧，想出的只是些胡涂主意，最后把无穷小的精神带进行政机关来” ——拿破仑 这个故事告诉我们，如果你什么事都干不好，多半就只能当个数学家或者物理学家了。 “我们知道得不多，我们未知的无限。” ——78 岁的拉普拉斯对这个世界说的最后一句话 第二章 黑洞的想法只在大师们的脑子里闪了几十年，然后就被彻底遗忘了。这主要归功于一些顽固的认为光是一种波动的人，以及在那个没有牛顿的时代里，美丽得让人无法争辩的实验事实（我认为雅致的杨式环绝对可以胜任图腾膜拜）。最重要的是，在这个阵营里，有一位堪与牛顿比肩的人物，麦克斯威。 小麦最让人难忘的贡献当然是他那惊为天人的一组方程。为了一窥上帝之书，他19 岁去了三一学院，陶瓷套到开尔文(勋爵，贵族哦），霍普金斯等牛师，他们都是可以用数学唱歌的那种人，而小麦碰巧也有长江后浪推前浪的天才。 小麦24 岁的时候发表了关于磁力线的第一个方程，论文的题目叫做《法拉第的力线》。那个时候人们最喜爱的仍然是迅雷不及掩耳盗铃之势的超距作用，小麦给正处在襁褓中的场的概念带来了亟需的呵护。恰好这一年，法拉第决定退休了。 小麦28 岁的时候，有一天风和日丽，像往常一样看了看黄历，“益出行，访友”，于是他脑子一热，决定去拜访法拉第。愉快地交换了一下物理学界的花边新闻之后，“你是唯一真正理解我的人，但你不该停留于用数学来解释我的观点，应该突破它。”这位68 岁的科学巨匠如此道别。 不久，一篇《论物理的力线》在《哲学杂志》上被m，小麦完成了关键的突破。其后，伟大的方程接连降生，那位在海边捡贝壳小孩的信笔涂鸦一起构筑了被我们成为经典物理的不朽神砥 。 那个时代的物理学家对论文很虔诚，每一片都要被m。小麦提出光是电磁波之前只写过两篇电磁学论文。据我所知，活在我们这个时代的甲虫里，只有Wilson 才有那样的心境了，他得诺贝尔奖的时候，一共有25 篇文章。 小麦在剑桥也属于卡文迪许实验室，卡文迪许留下的笔记上有这样的纪录“狗毛磨擦放电要大于猫毛磨擦放电”，而小麦刚好有一只名叫托比的小狗，和一群实验物理学家同事。。。。。。谨以此事告诫某人，养宠物的事一定要三思，牛顿的小猫除了在他们家门上有自己的出入通道外，也不得不忍受和主人一样废寝忘食的悲惨生活。 如果让牛顿研究地球在太阳系中的命运，月球多半要被忽略，而如果让小麦来做，恐怕我们会得到无穷多个月球影响下千疮百孔的地球妈妈了。小麦发展的这种方法，我们称为统计力学。我们来看看统计物理的奠基者之一玻耳兹曼对麦克斯韦一篇论述气体动力理论的文章的反应：（在那篇文章中，麦克斯韦阐明了如何精确求解气体迁移系数，在那里分子间力是分子间距离的负5 次幂的函数） 一个音乐家听出几个小节就能认出莫扎特、贝多芬还是舒伯特，同样，一个数学家读几页就能看出是柯西、高斯、雅可比、赫姆霍茨还是基尔霍夫。法国数学家形式优雅超群，而英国人，特别是麦克斯韦，则具有戏剧性的感觉。例如谁不知道麦克斯韦关于气体动力学理论的论文？首先是对速度变化的庄严壮丽的论述，然后状态方程从一边进入，有心场中的运动方程从另一边进入。公式的混乱程度越来越高。突然，我好像听到定音鼓，鼓槌四击"敲定N=5"。邪恶的精灵V（两个分子的相对速度）消失了；就像在音乐中一样，一直突出的低音突然沉寂了，似乎不可超越的东西好像被魔术般的一声鼓鸣超越了。 这不是问为何这个或那个代之而起的时候。如果你不能与那音乐一道同行同止，那它放在一边吧。麦克斯韦不写注释的标题音乐。一个结果紧随另一个结果，连绵不断，最后，像一阵意外的旋风，热平衡条件和迁移系数的表示式突然出现在我们面前，紧接着幕落了！ 可惜的是，这位小麦在世的时候，没有多少人能理解他的思想。即使是亥姆霍兹和波耳兹曼这样的一时泰斗也花了几年的力气去读小麦的《电磁学通论》，虽然这本书一上市就被抢购一空。这情形颇有点像Weyl 的《群论和量子力学》，那也是一本在每个物理学家的书架上落了灰的书。 小麦的妻子晚年多病，他必须经常守在身旁，在最后的日子里，甚至三四周都没有上床休息。爱人离去后不久，心力憔悴的麦克斯韦停止了48 年的沉思。 第三章 1900 年，数学巨人希尔伯特提出长久不衰的23 个问题。 1900 年，开尔文勋爵向世人宣布“物理学的大厦已经建成......只是远处的天空还飘着两朵让人不安的乌云。” 1900 年，普朗克提出量子论的原型。 1900 年，苏黎世综合技术学校一个普通的毕业生为了找工作而伤神。他在五年后，让乌云变成倾盆大雨，彻底清洗了物理学。(对比一下我们这一代人的千禧年，实在不值一提） 阿尔伯特٠爱因斯坦是一个孤独的思想者，他不关心试验，不关心同事的进展，他所拥有的是对这个世界的一些最基本的信念，简洁，美丽。所以当大多数物理学家沉浸在牛顿——麦克斯威所建立的完美模型中修修补补的时候，爱因斯坦却在抱怨麦克斯威方程在牛顿理论的参考系变换下居然如此丑陋！他在1905 年将一份《论运动物体的电动力学》寄给当时最权威的《物理学年鉴》，按照他的习惯，这篇论文当然不只讲电动力学，实际上，明眼人一下子就看得出来，爱因斯坦提出了新的时空观。幸运的是论文通过了，发表了，尽管爱因斯坦没有提到任何实验证据（其实他也不知道 ）。他等待着想象中随之而来的批评和诘难。可是，等到的只是难耐的寂静。 几个月后，他收到一封信，署名马克斯٠普朗克，当时最著名的物理学家。普朗克的垂青让其他一些物理学家开始擦擦眼镜，挠着头去理解这个三级专利员的异想天开。爱因斯坦没猜错，批评和诘难如期而至，甚至到了瑞典皇家科学院不敢再拖延他的诺贝尔奖的时候，都要在电报上加一句:不是因为相对论。爱因斯坦没猜错，他的美感，和上帝不谋而合。 无论怎样，1905 年五篇顶级水平的论文为他赢得了大师的声誉，尤其是他那种理论家的终极形式的思考，让人不由得想起亚里士多德的雅典年代，让习惯了培根归纳法的人们眼前一亮，原来物理可以这样做。可惜今天我们不再有这样的领袖，每一个理论家都要不断得去关心最新的实验，不断地和同行讨论，以免误入歧途。不再有人能质疑物理学是实验科学，不再有人能自信而平静的说：“ 我相信，单纯的思考足以了解整个世界。” 1908 年九月，爱因斯坦曾经的数学教授，把他亲切的称为“懒狗”的闵可夫斯基（他现在已经是世界数学中心哥廷根的名师了）用这样的话宣布了狭义相对论的最优美形势： “我要摆在你们面前的空间和时间的观点，已经从实验物理学的土壤中萌芽了，那里积蓄着它们的力量。他们是基本的。从今往后，空间和时间本身都将注定在黑暗中消失，只有二者的一种结合能保持为一个独立的实体。” 这是闵可夫斯基的绝唱，几个月后，他死于阑尾炎。 而此时的爱因斯坦，事业一帆风顺，刚刚晋升为二级专利员。 第四章 没有几个定律可以冠以“万有”的头衔，就像牛顿引力那样。这个定律在整整两个世纪中经受住越来越严格的检验，那些和理论不符的观测要么在不久之后被证明是误差，要么更加深了人们对于牛顿的笃信——天王星的轨道异常，于是万有引力定律告诉你，把望远镜对准某处，你会发现新的天体。于是勒维耶发现了海王星。而在那之后几乎没有人会再怀疑牛顿引力定律。人类的智慧能够产生这样的奇迹，物理学能够有这样的威力，这简直和爱情一样不可思议。 不过20 世纪初的时候，水星和月球轨道都有些无法解释的行为，后一个其实是观测误差，而前一个，预示着这个古老法则的失败。 对于爱因斯坦来说，这些可疑的矛盾并没有多大意思，他追求的是那些最基本的原理。牛顿引力依赖于相互距离，可在不同的参考系中看，这个距离是不一样的，（这一定让你想到库伦力，不过和引力不同的是，那里有磁力来补充）爱因斯坦确信，违反相对性原理的理论不可能是对的，即使那是伟大的万有的牛顿的引力定律。没有止步于足以让他一生荣耀的狭义相对论，这对于物理学实在是件幸运的事。 1907 年，有人请爱因斯坦写一篇关于相对论的综述，这让他有机会细细审视了自己的世界。有一天， “我正坐在伯尔尼专利局的桌旁时，突然出现一个想法：‘如果一个人自由下落，他将感觉不到自己的重量。’这被爱因斯坦称为是一生中最快乐的思想，（它的准确表述是，惯性质量和引力质量相等）在这样的参考系中，没有引力，狭义相对论控制一切，这是爱因斯坦为世界新添的规则，叫做等效原理（实际上在和量子力学结合后，这是个很让人迷惑的原理）既然有了引力，那么就不该总是局限于惯性系，可是像在牛顿——麦克斯威理论时出现的那种丑陋的参考系变换是不能忍受的，所以爱因斯坦要求所有的物理定律在所有的参考系下都具有原来的形式，这当然又是出于他那种与生俱来的美感。 几天后，他用这两个原理进行了最擅长的思想试验，发现引力越强的地方，时间就流失的越慢。这些论证直到今天都没有人能够做什么改进。然后他开始考虑引力和相对论的统一，一个多月后，他决定放弃。引力是那样一个庞然大物，爱因斯坦还没有做好准备。他决定去关心一下“小东西的天地”，因此，他埋头于原子，分子，辐射，一直到1911 年，他的心又回到了引力。 小东西的天地最终为他赢得了诺贝尔奖，而引力让他成为我们这个时代的思想导师。在物理学里， 最美丽的理论是属于引力的，最难的问题是属于引力的，最天才的学者也属于引力。这种情况，直到今天也没有改变（一家之言，无意引起争端）。 第五章 爱因斯坦首先想到的是潮汐力（一个让人咬牙切齿的恶妇，当年彗星mm不顾一切飞向木星gg 的时候，离了八丈远就被她撕开。。。。。。灭绝师太啊）在牛顿理论中，不同位置受到不同的引力，合起来就是每天的潮涨潮落。而爱因斯坦在想，根据等效原理，自由下落的人如何解释自己被撕成碎片呢？（某人会不会觉得这样说有点bt?那就换一个说法)站在地球上的人如果让两个小球自由落下，直到地心，那 么原本分开的它们会在那里相遇。这一切在爱因斯坦看来只有一个解释，质点沿着直线走，而时空是弯曲的（所以小球的距离可能越来越远，也可能越来越近）。1911 年到1912 年，爱因斯坦试图用时间卷曲，空间平直来解释潮汐（这主要是因为之前已经发现的引力时间膨胀），这一年，让爱因斯坦被迫得到一个结论，他必须认真对待闵可夫斯基的思想（准确地说，就是一个标量的距离，又叫做原时），尽管他曾经只对其置之一笑。 1912 年夏，这个此时身在布拉格的教授已经认识到潮汐其实是时空曲率。8 月，他回到母校综合技术学院，向老朋友格罗斯曼解释了自己的思想，问问有没有什么现成的数学调料可以帮他作出引力大餐，格罗斯曼去图书馆浏览之后带回来一个好消息和一个坏消息，好消息是黎曼的几何也许是爱因斯坦想要的，坏消息是微分几何太难了。有多难呢？爱因斯坦在10 月份写信给索末菲（没时间讲他的故事了，他是个很大的物理学家，弟子比他还牛），信上说：“在我的一生中，还从来没有这么艰难的奋斗过，而且我已经对数学充满了敬佩，他那精妙的部分至今在我简单的头脑中还只能认为是一种奢望！同这个问题（引力）比起来，原先的相对性理论不过是儿童游戏。” 然而这时候的“卷曲定律”依然依赖于参考系，1913 年，他告诉洛仑兹，因为微分几何的方程不能遵守一般的相对性原理，他的信心在动摇。 爱因斯坦不懈地寻找着一个不依赖于任何参照系的卷曲定律，他完全不理会欧洲同行们的最新动态，他们根本不愿意和任何类似微分几何这样的麻烦沾上边）甚至战火下的隆隆炮声也不能让他分心。（爱因斯坦似乎在任何情况下都能做研究，比如，一边抱着小儿子，嘴里回答着大儿子的问题，还能够入神的演算） 1915 年6 月，受到数学教父希尔伯特的邀请，他在哥廷根度过了一个星期，作了6 次2 小时的演讲，而数学王国的居民也让他倍感亲切（当时物理学家里能和他讨论几何的好像还没有）。两位伟人的会面颇有点张三丰见方正的味道， 又让我不由得想起霍金和strominger 侃大山的那个下午，神往。。。。。。 然而回到柏林，他立刻发现了一件可怕的事，卷曲定律不仅不满足广义协变（就是与参考系无关，前面提到的相对性原理），而且计算出的水星轨道进动只有观测的一半。整个十月，他不顾一切的查错，修正。定律对参照系的依赖不像以前那么强了。十一月四日，他向普鲁士科学院周末会议提交了这个定律。然 后接着查错，修正。十一月十一日，他提交了新的版本。然后计算水星轨道进动，结果无误，他欣喜若狂。 十一月十八日，他迫不及待的报告了这一胜利。但是定律仍然违反广义协变，于是继续查错，修正。这一次，是最关键的一个。十一月二十五日，这个世界上最美丽的理论诞生了。十一月二十日，希尔伯特提交了他的引力定律，正确的，经由简洁优美的数学道路达到。但是新定律很快就命名为“爱因斯坦方程”，正如希尔伯特所言，哥廷根街上每个小孩都比爱因斯坦更了解思维几何，可建立引力定律的仍然是爱因斯坦，而不是数学家。 在黑暗中找寻我们感觉得到却表达不出的真理的年月里，那强烈的欲望和动摇的信心以及成功前的焦虑，只有亲身经历过的人才能体会。 —阿尔伯特٠爱因斯坦 [ Last edited by xirainbow on 2009-11-23 at 12:26 ] |
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第六章 广义相对论很自然的让人们想到，现在可以让光回到我们真实的世界上了。那么强大的引力场会不会像第二章提到的那样变出一个黑猩猩呢？ 史瓦西，20 世纪初最有名的天体物理学家，1915 年，他在很短的时间内就找出了爱因斯坦方程的第一个精确解，计算简洁优美，即使那是在一战的战场上完成的。史瓦西描述了一个球对称星体外部的时空，再配合由星体的物态方程得到的内部时空就可以完全的描述这个简单的宇宙。然而史瓦西的外部解里面，有两件不寻常的东西。首先，在某一个半径处（史瓦西半径），解出现奇异，后来发现这是因为坐标选得不好。可是这个半径仍然有一些奇怪的性质，那里的时间被无限的膨胀，在远处的观察者看来，就像是一张永恒不变的照片；另外，小于那个半径的正质量物体，只能向半径为零的地方落去，绝对无法回头，而究竟落向何处呢？史瓦西的解在半径为零的地方也有奇异，那个奇异却是用任何坐标变换都无法消除的。我们把这一点叫做奇点，已知的物理在那里全都失效，所以，物体落到那里的时候，物体这个词就已经没有意义了（后来的理论猜测那里可能连接着另一个宇宙，也可能有其他的办法避免奇点，这都是后话）。我们看到，广义相对论预言了它自己的失败，尽管在那同时，还有另一个美妙的预言——视界。 视界就是上面提到的史瓦西半径处的球面，在它的里面包藏着可怕的奇点，在它内部的东西，包括光，都不能逃出，因此尽管外部的探险者可以有去无回的杀到视界里面，他却不能为家乡父老带来任何信息——他毅然踏入史瓦西半径时的光辉形象将永远留在那里，以至于我们无法去缅怀，还以为他在那里犹豫不决。 不幸的是这个有趣的思想没有得到爱因斯坦直觉的检验，更不幸的是这也不符合爱丁顿的口味，最不幸的是史瓦西四个月以后去世了。 当广义相对论提出的时候，是爱丁顿带着一帮人趁着日食的时候看看远处的星光会不会被太阳偏折，观测的当晚，老人家紧张的一夜没睡。“他显然不懂相对论，否则，会和我一样安安稳稳的睡觉。无论怎样，广义相对论是对的，不然，我会为仁慈的上帝感到遗憾。” ——小爱对老爱失眠的评价 爱丁顿当时的测量误差和真值差不多大（用我们现在的话说就是相对不确定度几乎为百分之百），不过他还是发表结果支持爱因斯坦（幸好他没听见前面的话），然后爱因斯坦就成了神。所以你可以想象爱丁顿当时的权威有多大，基本上，天文学家，天体物理学家都是闭着眼睛跟他走。一个例外史瓦西已经死了，另一个例外钱德拉塞卡还默默无闻。而大众的焦点是：英国科学家支持德国学者的理论。 第七章 史瓦西的“怪物”在二三十年代得到了广泛的批评，因为前面提到的两位大人物都拒绝这个其实深刻而美妙的预言，他们用了很多方法来论证自然界不可能出现史瓦西奇点，比如恒星自身的弹性还有压力可以阻止它塌缩到视界以内等等，他们的影响一直持续到四五十年代，直到60 年左右，黑洞才作为一个无法避免的理论结果被众人接受，这是后话了。（值得一提的是，魏格纳的大陆板块漂移学说和黑洞同时提出，然后一样遇到莫大的阻力，直到60 年才重见天日）而其他人呢？据说当时有个记者去问爱丁顿，“听说这个世界上只有包括您在内的三个人懂得广义相对论。。。。。。”爱丁顿若有所思。“教授先生？”记者急了。“我在想第三个人是谁。” 所以你可以明白广义相对论一开始是如何获得广泛的支持，还有要成为爱丁顿这样的牛人需要练就怎样的本领才能对付如长江之水滔滔不绝的谀美之词。 其实爱丁顿能够有这么大的影响力，当然是凭真本事的。他在天体物理，天文观测方面的贡献无愧于一个领袖的称号。不过这份权威是把双刃剑，所以我很喜欢Witten，他很谦虚，有豪气，才气，灵气，就是没霸气。权威，就像权利一样是双刃剑，能让一个革命性的思想迅速深入人心，也能让一个天才石沉大海，钱德拉塞卡，就是这不幸人中的一个。 1928 年，小钱17 岁，但是已经掌握了相当多的数学，物理，化学。恰好那一年，大物理学家索莫菲到印度访问，像所有虔诚的学徒一样，小钱想尽办法得到了一次和索莫菲面谈的机会，当他信心满满的告诉大师自己已经掌握的知识后，索莫菲告诉他，那些，已经是陈旧的东西，我们的世界正在接受一场革命，由海森堡，薛定谔，狄拉克等人领导，他们手举的旗帜上写着:量子力学。 小钱从此如痴如醉的学习新物理，他碰巧读到富勒的一篇文章，用电子简并压来解释白矮星的稳定，这篇文章的reference 里有一本《恒星的内部结构》，正是这本书让钱德拉塞卡开始了与白矮星，与天体物理的持久爱情，这本书的作者是爱丁顿。两年后，钱德拉塞卡拿到剑桥的offer，那里是他心目中的英雄，爱丁顿，富勒的故乡。 漫长的海上航行，不用考试，不用上课，不用在操场里追漂亮mm（2001 年Nobel winer Eric A. Cornell 云），于是他可以安静的考虑一下，电子的简并压能有多厉害。其实在踏上不列颠岛的前夕，钱德拉塞卡就已经注定要名留青史。今天，我们称他的旅行笔记为“钱德拉塞卡极限” 第八章 小钱一到了剑桥就找富勒，但是富勒看不懂。论文最后交给美国《天体物理学杂志》，到发表已经过了整整一年。但是，论文没引起什么注意，小钱为了学位sci 的要求，只好转到其他问题，直到三年后，一个苏联天体物理学家告诉他，要吸引他们这群人的眼球，就用事实证明，所有的白矮星，都没有超过1.4 个太阳质量。小钱从爱丁顿那里借来了一台计算机，在那个时候，计算机有多贵重大家应该有点概念，如果没有傍到老爱这样的大款，钱德拉塞卡活着的时候别想有什么做为了。这台计算机叫做布伦瑞克，他帮助小钱锻炼强壮的上肢，耐心，还附赠了成功时的无比喜悦。在冗长计算的每一天，爱丁顿都会慰问快变成机器人的年轻博士，和他的布伦瑞克，来看看有没有新的发现。终于，小钱被允许在皇家天文学会报告自己的结果，不过他同时听说，在他的报告之后，爱丁顿紧接着会做一个关于“相对论性简并”的讲话，爱丁顿了解自己所作的一切，却从未提到他本人的工作， 小钱只好带着焦急和愤怒到了伦敦。会议开始前，一个老朋友问爱丁顿：“我们该怎么理解您说的‘相对论性简并’？”，爱丁顿转向小钱：“那会令你吃惊的。”1935 年1 月11 日，小钱作了一个完美的报告，紧接着爱丁顿上台。“对于超过了1.4 太阳质量的恒星，按照钱德拉塞卡博士的预言，它们会一直塌缩下去，不断的辐射，直到只有几公里半径，引力非常的强大，足以平息这些辐射，而恒星也就得到了永恒的宁静（这其实就是史瓦西怪物了）。。。。。。我相信，应该存在一个自然律来阻止恒星那么荒谬的行为！” 爱丁顿攻击了小钱报告的每一个方面，诸如没有正确的融合相对论与量子力学等（当时量子场论还很幼稚），来自全世界的天文学家照例满怀敬意的听完了讲话，然后一个个去安慰恍如隔世的小钱，其中一个人说到：“我知道爱丁顿是对的，尽管不知道为什么。” 极端ft 的小钱写信给他在哥本哈根的朋友Rosenfeld，希望听一听玻尔的意见（此时，玻尔已经是那位和爱因斯坦论战的量子物理学的教父了），几天后，Rosenfeld 回信，“我和玻尔都没有从爱丁顿的讲话中听到任何有意义的东西，我们相信，你是对的，别让那些大神父们把你吓成这样。” 直到30 年代后期，天文学家和物理学家接触的多了，才慢慢认识到爱丁顿的错误，可爱丁顿仍然坚持着想象中的那个“自然律”，这让我想起普朗克，想起王国维。 1939 年的一次天文会议中，爱丁顿再一次攻击了小钱的结论，小钱给主持人Russell 递了张字条要求答辩，Rusell 也会了张字条说：“最好不要”，尽管早些时候，他私下告诉钱德拉塞卡“走出这里，我们都不信爱丁顿 。”天文学家们最终都背着爱丁顿接受了钱德拉塞卡极限，不过对于另一件事他们确定无疑，超过1.4 个太阳质量的恒星最终会通过一些不知道的方法发射自身的物质，然后乖乖的进入白矮星的墓穴，爱丁顿的直觉不会错。 1939 年，钱德拉塞卡离开了恒星死亡领域，直到1/4 个世纪后才会回来，他会在1983 年的时候写一本书《The Mathematics of BlackHoles》，那将成为未来十年的黑洞研究手册，并且可以在物理系资料室找到（就在北边第一排最下层，有一张我夹了字条的，不知道还在不在）爱丁顿直到1944 年去世都喜爱钱德拉塞卡，钱德拉塞卡也一直高度评价这位伟人，尊敬他。这是两位真正的学者。 第九章 恒星的最终命运对于天文学家来说是一种信仰，他们并未放弃过寻找与白矮星不同的归宿——只要不是史瓦西怪物就行。1934 年，Phys.Rev 上发表了一篇极富远见的文章，作者是茨危基和巴德，他们为恒星提供了新型的墓穴。茨危基和巴德当时是Caltech 的教授，Caltech 能像现在这么牛，（有多牛，我就不废话了。觉得和普林斯顿一起堪称理论物理的两大圣地），密里根的作用就像北大蔡元培一样。（此人运气真好，听过庞加莱，普朗克，迈克尔逊.莫雷的课）在这位校长的努力下，Caltech迅速聚集了一大批名留青史级的人物，一跃成为顶尖的研究中心。事情开始于1932-1933 年发现的异常明亮的星体，多亮我也记不清了，看看天体讲义吧-_-b，茨危基和巴德对此非常感兴趣，起了个名字，叫“超新星”。 为了解释超新星巨大的能量来源，茨危基发明了“中子星”。话说卢瑟福提出了中子的假说后，卡文迪许实验室的老大当然是一言九鼎，于是全世界的实验家都在不停的轰击阿轰击阿，结果让卢瑟福的小弟查德维克轰到了。这是1932 年的事。茨危基毫不犹豫的使用了这个最新的概念。这是一个很极端的人，当时的天文估算跨度都是几个数量级，他只用最大的；他并不能很好的理解物理定律，因此中子星的论证也站不住脚，可他就是绝对相信。茨危基用所有的机会向世人解释自己的发明，毫不留情的攻击一切反对者，以至于有人问密里根，为什么还把茨危基留在Caltech，密里根回答说，在他的远见中，也许有一些是对的。密里根的话，35 年之后被验证。 茨危基知道中子的简并压比电子大得多，核物质的密度也比原子大得多，他想这就是那些大质量恒星的最终归宿了，可惜他不是钱德拉塞卡，没有想到去算一算中子星的最大质量——实际上他也不会算。altech 里真正懂物理的有两个人，托尔曼和奥本海默，这两个人直到1938 年才注意到中子星这个想法，只不过这个想法属于另一个人，他是和茨危基完全不一样的物理学大师，朗道。 大家对朗道直接的认识应该是那套圣经级的理论物理教程吧，我觉得本科里能做的最有意义的事就是仔细读一遍朗道全书（sigh,我是没戏了），差不多都是前无古人后无来者的好。力学那本有朗道的简 介，我就不罗嗦了，说点花边新闻吧，顺便祝与我同居4 年的文文生日快乐，明天再说正事。 据说在一此科学院会议上有个生物学家讲遗传，进化论什么的。说是上一辈怎么样（比如是六指），下一辈发生的可能性就大增。朗道当时问了个很X 的问题：“那您怎么解释处女？” 据说朗道看了歌德巴赫猜想以后惊叹道：“为什么素数要相加呢？素数是用来相乘而不是相加的。” 朗道总说自己当年参加某会议的时候，有幸和Einstein 说过几句话，而有某个认识Landau 的人说Landau纯属幻想，当时此人和Landau一起，坐在那次开会的大厅的最后几排，连听都听不清，根本不可能谈话。 朗道一直对自己没能早生几年，赶上物理学的黄金年代耿耿于怀，有一次在柏林开会的时候他抱怨道 ：“所有的漂亮姑娘都被人抢走了，并结了婚，所有好的物理问题都被人解决了。我实在不喜欢剩下的那些东西。” 后一句在朗道解决了超流问题后不攻自破，前一句大概是我们共同的心声吧（真的感谢某人，其实，永远都不算晚）。 |
3楼2009-11-21 20:02:49
小木虫:)
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31 第十章 那是在1937 年的时候,作为苏联理论物理的领袖,朗道觉得斯大 林的清洗正一步步逼近,公众的注意,或许能够让他得到保护。朗道亟 需一个能在东西方科学界都掀起波澜的想法，他最后的选择，就是中 子星（朗道称之为中子核，是在恒星内部的中子星，为恒星提供能源） 朗道把稿件直接寄给玻尔，希望能够得到他的推荐让自己的文章 在《nature》（当时已经是最权威的了）上发表。因为当时严格的审查， 朗道只能用点春秋之笔，玻尔也是个聪明人，当天就回了信。当时苏 联党报之一《消息报》的编辑们良知未泯，他们连同玻尔的意见一起， 盛赞了朗道的成果，“。。。。。。尼尔斯.玻尔对这位苏联科学家的工作 给以极高的补充评价，说‘朗道的新思想是很杰出而大有希望的。’” 可惜政治从来都不拒绝疯狂，1938 年4 月28 日，一辆黑色的小 轿车停在朗道的楼下，未婚妻无助的看着克格勃的身边，爱人那憔悴 的身影，和漆黑监狱里未知的命运。 不过朗道比大多数苏联科学家要幸运，他一年后就被释放了，原 32 因是苏联最著名的实验物理学家皮卡查发现了超流，他直接告诉斯大 林，除了朗道，没人能解释。皮卡查是对的，苏联也因此得到了一个 莫大的荣誉——诺贝尔奖。 朗道的文章是大多数物理学家必读的，奥本海默也不例外。在他 看来，茨危基是在科幻，而朗道的提议则需要认真对待。对了，顺便 说说奥本海默吧。 奥本海默刚到Caltech 的时候是个糟糕的老师，你差不多可以把 一切有此含义的形容词放在他身上，据说他的头一节课很有特点，论 证有力，言简意赅，见解高妙。课讲完了，人也都走了，托尔曼（我 在前面提到过）对他说：“好的，罗伯特，讲的太好了，但我一个该 死的词都没听懂。” 不过奥本海默终究是个天生的领导者，他的课很快就成为最受欢 迎的，甚至不得不劝学生别来听第四遍，也正是因为他，一些原本要 去哥本哈根，去卡文迪许的博士后们，最终选择了加州理工。他的这 份天才，在日后研究原子弹时举足轻重，甚至费曼也乐于接受他的领 导（虽然恶作剧是免不了的）。 33 奥本海默是个嗅觉极其灵敏的理论家，他很快就注意到中子星极 大质量的问题。然后历史在这里重演：奥本海默的博士后沃尔克夫像 钱德拉塞卡一样，把大部分时间花在计算器的键盘上，他也用数值计 算的方法得到中子星的质量上限，大概是1.5 到3 个太阳质量，不同 的是，奥本海默的指导让他事半功倍，而爱丁顿则讳莫如深；并且他 用的计算器，名字叫马尔琴特。 这个结果又一次让人失望，看来我们还是没有找出恒星所有可能 的归宿。白矮星，中子星都不够用，我们很难相信那些几十个太阳质 量的恒星会乖乖的脱去外衣，剩下一个和太阳差不多重的核等待死 亡。人们仍然期待着另一个新的思想，尽管答案早就在1915 年提出。 战争，耗尽了全世界理论物理学家的精力，直到50 年代，两个 人从各自国家的氢弹研究中功成名就，重新找到奥本海默的脚印，真 理才继续向我们接近。这两个人是天体物理的波尔式人物：惠勒，还 有泽尔多维奇。 34 第十一章 惠勒1933 年的时候博士毕业，那时候大多数人都会选择去跟随 奥本海默作PD，但是惠勒觉得两个人个性不同，所以找了一个没多 大名气纽约大学的老板。显然这个牛人是不可能在那里安分的，他跑 来跑去，最后到了普林斯顿。在那里，和来访的玻尔一起发展了核裂 变的理论，只是他们未曾想到，天真的物理学家们天真的好奇心，最 后成为屠杀人类的工具 。 1939 年9 月1 日，惠勒和玻尔的文章发表在Phy.Rev 上，相隔几 页的地方，是奥本海默和他的学生斯尼德的文章。也就在这一天，希 特勒的军队开进波兰，大战爆发。 物理学家们在战争中成为政客手中的棋子，这些我不愿多说 。 但还是忍不住提起些旧事，你可以看到，我们两位主角间不寻常的纠 葛。 奥本海默市曼哈顿计划的负责人，看到几十万人在原子弹下丧 生，他痛苦的说道：“如果原子弹一定要添加进战争国家或准备战争 35 国家的军火库，那么人类总会有诅咒洛斯阿拉莫斯（奥本海默的总部） 的一天。粗俗也罢，幽默也罢，夸张也罢，总之，物理学家已经认识 到犯罪了；而这时他们不能失去的良知。” 惠勒是当时反应堆工程的首席科学家，他的反应却不一样：“回 头来看（1939 年我和玻尔的研究），我感到很难过。我首先是以物理 学家的眼光来看核裂变的，其次才是以一个公民的眼光来看它，怎么 会这样呢？为什么我就没想到自己首先是一个公民，其次才是物理学 家呢？。。。。。。假如那转折的一天不是1945 年8 月6 日，而是1943 年8 月6 日，该会有多大不同啊！” 所以你可以理解奥本海默非常激烈地反对氢弹计划，不惜触怒权 贵。政客们举行了一次听证会，决定他对国家的忠诚。所有的物理学 家都支持奥本海默，除了泰勒——如果没有战争，和那些无事生非的 议员，他其实是一个不可多得的理论天才。 那天泰勒的证词可以在解密的原子能委员会纪录上看到：我相信 ——当然，这只是信仰问题，没有什么专业问题和背景——奥本海默 博士，凭他的性格，是不会故意也不会愿意做危害国家安全的事情的。 36 所以，如果你们的问题说的是一种倾向的话，我可以说，我找不到什 么理由说他不忠；如果问题是要凭他在1945 年以来的行为来作出明 智的判决，那么我可以说最好也不要肯定他的忠诚。 泰勒的话让几乎所有在场作证的物理学家惊呆，他在其后立即被 整个物理学界唾弃，郁郁终生。我所知道公开站出来为泰勒说话的有 两位，一个是惠勒，另一位是杨振宁。 跑题了，不好意思。 刚才提到在同一期Phy.Rev 上有奥本海默的文章，在那篇文章里 他和学生一起考察星体塌缩的过程。这实际上是需要90 年代的计算 机才能勉强做到的，但是奥本海默具有优秀理论家的素养，直觉告诉 他什么重要，什么不重要，他排除了旋转，形状，内部压力。。。。。。 结果令人吃惊，在远处的观察者看来，星体塌缩越来越慢，最后在临 界半径（史瓦西半径）处静止。而在星球表面的人看来，恒星加速的 通过史瓦西半径，直到被挤碎，最后变成零体积。其实，这就是我们 今天认识到的黑洞。 37 黑洞的研究在十几年后才重新开始，惠勒坚决不同意奥本海默的 看法，他的思想和爱丁顿差不多，不过更为无赖。他把爱丁顿所说的 那个自然律归结为量子引力，这是一个你可以做任何猜测都不会过分 的题目。 理论物理学家是这样一群人，他们在星期一三五研究引力，星期 二四六研究量子物理，然后星期天祈祷某个人，最好是他自己，把两 者统一起来，结束自己精神分裂的生活。 ——忘了是谁说的了 不过奥本海默的文章一发表就被放在朗道的“黄金名单”里， 能过入选这份名单，说明论文作者得到了20 世纪十大理论家之一的 首肯。朗道说：奥本海默一定是正确的，虽然人类理解起来还有些困 难。”（这还不是朗道最嚣张的一句话，他一直坚持爱因斯坦的智力是 2，其他物理学家智力是1，他自己是1.5） 因为朗道，苏联人很早就接受黑洞的存在，比西方早20 年。 38 第十二章 朗道之后，泽尔多维奇就成了苏联的惠勒。他也是个犹太人，没 上过大学，20 岁的时候自学到了博士学位。苏联研究原子弹计划的 时候，泽尔多维奇已经是颇有权威的物理学家，领导一个小组，而朗 道是他的手下。据说朗道对此人非常不屑，经常在背后骂老板：母狗， 泽尔多维奇。不过后者倒是一直把朗道当成尊敬的老师，虽然泽尔多 维奇从没听过朗道的课（想听朗道的课实在很难，要经过两三轮考试， 不过听过他课的学生基本上组成了苏联的理论物理学界） 泽尔多维奇在50 年代后期对原子弹失去了兴趣，开始转向天体 物理。他是个非常棒的领导者，知人善用，提拔了很多日后成为物理 大家的年轻人，像挪维科夫等。金兹堡（大家还记得金兹堡——朗道 方程吧）的评价是“泽尔多维奇点火，队员们加油”。在1961 年建立 的泽尔多维奇小组，到了1964 年，就已经是全世界最优秀的了。 像惠勒一样，泽尔多维奇很快就发现，研究氢弹的那一套东西可 以毫不费力的搬到他的新课题上。他们很快就利用计算机模拟了星体 塌缩的细节，考虑了在氢弹中一样重要的压力，核反应，激波，辐射 等效应。结果验证了他们的导师朗道的判断——奥本海默和斯尼德是 39 对的，塌缩产生黑洞，而且细节就像奥本海默二十年前猜测的那样离 奇。 而在不久前的某一天，惠勒急匆匆地赶到普里斯顿的一个相对论 讨论班，他在黑板上激动得画了一个又一个圈，“当恒星超过2 个太 阳质量的最大中子星质量时,塌缩会产生黑洞。”，惠勒在洛斯阿拉莫 斯（就是奥本海默预言中会被诅咒的地方）的朋友用计算机模拟验证 了这一点。 于是惠勒立刻成为了最坚定的黑洞拥护者。关于他承认错误之 快，有史为证。 惠勒有个学生，就是近代物理学上唯一一个美国本土的可以让美 国自豪的理论物理学家费因曼。有一阵两人从事一个关于量子电动力 学里的推迟势问题。做了几个月以后，觉得差不多可以交账。恰好这 时有个国际会议，两人就商定把这个工作拿上去宣读，并且分配费因 曼讲上半部分，惠勒讲下半部分。等到会议进行中间大家休息吃茶点 时，泡利走过来和费因曼打了个招呼，费因曼那么大咧咧的人也紧张 的够呛。泡利就问费因曼最近在做什么工作，会议准备讲什么报告。 40 费因曼据实回答了他和惠勒要讲的课题以及怎么分配要宣讲的内容。 泡利思索了片刻，神秘一笑，冲费因曼耳朵小声说了句：“你放心， 惠勒教授不会做他那部分报告的。”果然，惠勒最终也没有做那个部 分报告，因为那是错的。 鉴于泡利没有对黑洞发表过很重要的看法，不再讲这位传奇人物 了，但是泡利绝对是物理学独一无二的法官，现在的理论家没有这样 一位试金石式的同僚，实在是件很不幸的事，还是忍不住提两件事， 泡利还在当学生的时侯有一次参加会议，爱因斯坦刚演讲完，泡利举 手，然后站起来说：我认为爱因斯坦不完全是愚蠢的。这是他的第一 个名言。泡利在哥本哈根也是唯一一个敢打断玻尔讲话的，并且毫不 客气的指出其错误的人，对于其他人的尖刻就更不用说了。他也有被 人打击的时候，据说（不太确定）说有一次泡利和狄拉克聊天，泡利 说牛顿是500 年出一位的人物，爱因斯坦是100 年出一次，然后问迪 拉克,那我们应该是多久出一次？迪拉克诚惶诚恐地回答，老弟，我 们说的可是牛顿和爱因斯坦。 1963 年，类星体被发现（就是很象星星，其实是很大很远的星 系，星云），为此举行了一次国际会议。惠勒在会上发表了关于星体 塌缩的长篇演讲，他非常热情的讲了一遍奥本海默和斯尼德1939 年 41 的文章，然而此时的奥本海默，已经在政治的风浪中疲惫不堪，不再 关心物理学了。林欲静而风不止，什么时候物理学家们才能无忧无虑 的只为了人类心智的荣耀而活着呢？ 惠勒演讲的时候，不断地寻找着昔日导师的身影，他本想借此机 会向奥本海默致歉，但在他上台的那一刻，阿本海默起身离开。当他 在台上盛赞老师的卓识远见时，奥本海默正坐在走廊的长椅上和朋友 聊别的事情。惠勒三十年后回忆起那一幕，说起来还很难过，两眼满 是悲伤。 42 第十三章 物理学需要大众的眼球，需要宣传，这是个无可奈何的事实。大 公司不会资助一个听起来似乎没有任何意义的题目，例如：低能有效 拉氏量（对不起了qq)。没人关心，就没有钱，但物理学家是需要钱 和尊敬的。因此我们首先需要一个好名字，超弦是个好例子，听起来 就很拉风，比如由普林斯顿的弦乐四重奏啦，还有俺这个pp 的id 和 昵称啦等等；然后我们需要形象代言人，比如霍金，再比如Witten， 美国新闻周刊评出美国在世的50 位最有影响的人物，Witten 紧随麦 当娜。（不过Hawking,Witten 是很不一样的，Hawking 是个公关高手， 而Witten 其实是个很腼腆内向的人，只不过他实在是太牛了，几乎 和牛顿一样牛。关于他的介绍，偶老板写过一片三言两语说Witten 的文章，好像科学版有，忘了） 60 年代初，我们的主角有两个名字，苏联人叫它冷冻星，西方 人称为塌缩星，一静一动，倒是挺贴切。不过这种名字太学究气，完 全不利于科学研究与文明宣传的结合，惠勒是很早认识到这一点的 人。 据说惠勒如果躺在浴缸里很长时间那就是在酝酿给什么东西改 43 改名字，他对于自己的新命名极端的自信，根本不在乎别人是否接受， 想到了就用，就好像从来都没有别的名字。 1967 年，他先是在一个脉冲星会议上，然后在一个题为“我们 的宇宙，已知与未知”的演讲中坚持不懈地强调了他的新发明： “由于下落的越来越快，塌缩恒星的表面将越来越快地离开远 处的观察者。光向红端移动，一毫秒一毫秒的变暗，在不足一秒的时 间内，就暗得看不见了。。。。。。恒星像柴郡猫一样的消失，猫只留下 它的微笑，而恒星只留下它的引力。引力，是的，只有引力，没有光， 同样也没有出现任何粒子。而且，从外面看，光和粒子时一样的。。。。。 落下黑洞只是为它补充了质量，增强了引力。” 这个世界上第一次出现了黑洞这个词，不是平地惊雷，而是像 一片黄叶落地般自然。这就是惠勒的本事。 几个月内，新名字就被东西方的物理学家所接受，而且意料之 中的也被大众所接受，虽然他们并不知道这个简单的名字里，有多少 44 让人震惊的秘密！ 法语里黑洞是trou noir，比较lewd，所以被抵制了好多年。 说到法语，好像我们一直都没提到过欧洲，其实也就是在这个 时候，剑桥里有位名师希埃玛（这是位甘为人梯的老先生，自己并没 有成为教授），他的学生们陆陆续续的学成下山，在奔向烛光的蝴蝶 群中遥遥领先，让古老的三一学院再次成为圣地。 |
4楼2009-11-21 20:03:43