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xirainbow木虫 (正式写手)
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【趣闻】黑洞的故事2zz
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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）。 |
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