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太阳永远到达不了钱德拉塞卡极限只能成为一个
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工作狂

钱德拉塞卡最让人震惊的地方,是他匪夷所思的工作量。

1937年,钱德拉塞卡加盟了芝加哥大学旗下的叶凯士天文台。但这个天文台并不在伊利诺伊州的芝加哥,而在威斯康辛州的威廉斯湾。与此同时,钱德拉塞卡也是芝加哥大学天文系的教员,必须得开两个半小时的车,去大学本部给学生上课。

相信所有的大学“青椒”都有体会,第一次给学生上一门新课,有多辛苦和煎熬。我第一次上“热力学与统计物理”的那个学期,差不多完全废了,根本没时间做任何研究。

钱德拉塞卡加盟芝加哥大学天文系的时候,是系里唯一的一名理论家,所以就承担起了为研究生制定专业课的任务。他总共制定了18门课,要在两年之内上完。而钱德拉塞卡本人就要上12门。也就是说,他那一年上了6门新课;每次上课,都得先开两个半小时的车。

www.337.net 1二战后,钱德拉塞卡有门课仅有两个学生选。要给这两人上一次课,钱德拉塞卡来回一趟就得开五个小时的车。后来,这两个学生比钱德拉塞卡更早拿诺贝尔奖。他们就是大家都很熟悉的杨振宁和李政道。图为李政道(左)和杨振宁(右)在杨振宁的办公室,照片为美国物理联合会(AIP)赠与果壳网科学人。

但即使有这么繁重的教学任务,钱德拉塞卡的科研工作也完全没受影响。1937年,他一共发表了6篇科研论文,还写出了他的第一本学术专著。

最恐怖的是,这离他一生中最忙碌的时期,还相差甚远。

1952年,钱德拉塞卡进入了他一生中最忙碌的时期。那一年,他开始担任《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)的主编。

那时,《天体物理学杂志》还只是一个芝加哥大学的校内期刊。很长一段时间,杂志社员工就只有两个:钱德拉塞卡和一个兼职的秘书。他们两人要应付杂志社的一切事务,无论是学术、财务、宣传、印刷,事无巨细,通通得管。

更恐怖的是,钱德拉塞卡本身也是兼职。在他担任主编期间,芝加哥大学分派给他的教学任务还和原来一模一样。而钱德拉塞卡自己在科学上的产出,也是一点都没减少。

这种生活持续了整整20年。20年间,钱德拉塞卡被牢牢拴死在芝加哥大学,几乎没出去开过学术会议,更别提出去旅游了。但正是这20年,让《天体物理学杂志》从一个芝加哥大学的校内期刊,摇身一变成了全世界排名第一的天文学顶级期刊。

1971年,年过六旬的钱德拉塞卡终于撑不住了,他辞去了《天体物理学杂志》主编的职务。在他的告别晚宴上,一位杂志社的高管这么说到:“在《天体物理学杂志》的稿件中,经常看到有人提钱德拉塞卡极限;但那些作者不知道的是,钱德拉塞卡根本没有极限。”

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段子手

一提到钱德拉塞卡,很多人脑海里立刻会浮现出一位严肃、刻板、不拘言笑的苦行僧。但事实上,他还是一个典型的段子手。下面就来分享几个钱德拉塞卡自己经常讲的故事。

在一次跨越黑海的旅行中,钱德拉塞卡被安排与三位女士同住一间船舱。他们商量了一个方案:钱德拉塞卡先在舱外等候,三位女士就寝后会关灯,然后钱德拉塞卡再摸黑上床。

结果第一夜就发生了意外。钱德拉塞卡进船舱后,发现窗户依然是开的。钱德拉塞卡就和靠窗的女士讲,船长曾吩咐过晚上要关窗户,否则海浪会打进来。但那位女士说自己需要新鲜空气,坚持不肯关窗。

结果他们还没睡下多久,外面一个大浪打来,把他们都弄成了落汤鸡。

钱德拉塞卡后来回忆,说这是他人生中唯一一次,同时与三位女士淋浴。

前面说到,钱德拉塞卡要开两个半小时的车,去芝加哥大学本部上课。他喜欢捎带一些乘客。他们总是早上6点出发,每次都走同一条的路线,停靠同一个的加油站,然后中途在同一家餐厅用餐。

但凡事总有意外。有一次,钱德拉塞卡带着自己的一名女研究生从芝加哥返回自己住的城市。结果由于天气恶劣、路面结冰,他们掉进了一条沟里。当时暴风雪肆虐,把两人弄得狼狈不堪。幸好离车祸地点不远处有一户人家,两人才得救。

后来钱德拉塞卡回忆,那个女研究生当时甚至为第二天的报纸想好了一个标题:“女学生冻死在教授怀里!”

最后,再讲一个钱德拉塞卡最喜欢的故事。

一个很老的园丁正在果园里种芒果树。一个国王看到后觉得特别好笑,就走上前去问他:“老头,你是在种芒果树吧?”

“是的,陛下。”老人说。

“你现在多大年纪了?”国王又问。

“我已经快90岁了,陛下。”老人回答。

“你觉得你能活到这些芒果树长大结果吗?”国王嘲讽道。

“不能。”老人说。“但我吃的芒果来自于我的父辈所种的树。我希望我的儿孙将来也能吃到来自这颗树上的芒果。”

国王被感动了,赏给老园丁5枚金币。国王走后,老园丁偷笑到:“好傻的国王,居然说我不能从种树上得到什么。”(编辑:婉珺)

白矮星也是坍缩的结果,是一个电子简并压抵御住引力收缩的极端星球,这个星球有地球大小,质量却达到了地球的20多万倍,上面1个立方米物质达到1吨到10吨。

天才少年

著名的物理学家、天文物理学家钱德拉塞卡出身于印度科学名门。他的叔叔拉曼是全亚洲第一个诺贝尔科学奖得主。

www.337.net 2钱德拉塞卡。图片来源:Chandra.harvard.edu

钱德拉塞卡从小就是一个远近闻名的神童,每次考试都是年级第一。有一次,一个老师问钱德拉塞卡喜欢吃什么蔬菜,他回答是黄秋葵。从那以后,这个老师就开始劝告班上的其他学生要多吃黄秋葵,他认为钱德拉塞卡就是因为爱吃这种蔬菜才会变得这么聪明。

钱德拉塞卡15岁就考上了大学。尽管年纪小,但在学术上他可谓是鹤立鸡群。在没人指导的情况下,他自己写了一篇科研论文,然后发表在当时很有名的《英国皇家学会会刊》上。这让他得到了一笔印度政府的奖学金,可以去英国继续深造。

得到奖学金后,钱德拉塞卡和当地的教育局官员见了一面。那个官员问了一个让人啼笑皆非的问题:“我们对你寄予厚望,所以才会把奖学金给你,你去英国以后,能否在4年之内当上英国皇家学会的院士,好让我们也长长脸?”钱德拉塞卡哭笑不得,只好委婉地告诉那位官员,当英国皇家学会院士是一件极端困难的事,就连大名鼎鼎的狄拉克当时也还没被选上。

顺便说一句。钱德拉塞卡确实没能在4年之内当上英国皇家学会的院士,但他也只花了14年。

太阳的归宿只能成为一个白矮星,关于白矮星的质量下限目前尚无定论,一般认为太阳质量0.8倍~7倍的中小质量恒星,归宿就会成为一个白矮星。

倒霉青年

19岁那年,钱德拉塞卡坐上了开往英国的客轮,要去剑桥大学攻读博士学位。但他上船的时候却满怀悲伤,因为他妈妈得了重病,肯定活不到他学成归来。此外,他是第一次坐远洋客轮,所以晕船晕得特别厉害。

为了摆脱这些痛苦,钱德拉塞卡决定在坐船期间做一点科学研究。他研究的是白矮星。

天上所有的恒星,终其一生都要面对一个艰巨的任务,那就是要抵抗自身的引力。绝大多数恒星(例如太阳)都是靠核聚变来对抗引力的。具体地说,就是靠其中心区域的氢原子核不断聚合成氦原子核所释放出的巨大能量。但核聚变的原料并非无穷无尽。当中心区域的核聚变原料都耗尽的时候,恒星就难逃一死;届时它会抛出所有外围的物质,然后留下一个内核。

但这个内核又靠什么来抗衡引力呢?答案是“电子简并压力”。电子大家应该都很熟悉了,那什么是简并压力呢?

要解释简并压力,就不得不提到著名的泡利不相容原理。这个原理是“一山不容二虎”在微观世界的具体体现。你可以把原子核和电子当成是一对跳舞的男女。跳得正高兴的女生,都会讨厌别的女生来抢自己的舞伴。类似地,如果有一个新的电子靠近,原来的那个电子就会对她产生出一种强大的排斥力,从而把这个新电子赶走。这种排斥力,就是我们前面说的“简并压力”。顾名思义,“电子简并压力”就是发生在电子之间的简并压力。而靠电子简并压力对抗引力的天体,就是所谓的白矮星。

很长一段时间,天文学家都相信天上所有的恒星最后都会变成白矮星。但正是在这艘开往英国的客轮上,钱德拉塞卡有了一个惊人的发现:白矮星存在着一个质量上限,也就是1.44倍太阳质量;如果白矮星的质量超过这个上限,其内部的电子简并压力就不足以再抵抗引力,它就会继续地塌缩下去。这就是著名的钱德拉塞卡极限

但倒霉的是,钱德拉塞卡遇到了一个非常可怕的敌人,他就是英国著名天文学家爱丁顿。之前我们谈到,爱丁顿由于1919年的日全食观测而名动天下;除此之外,他也是当时恒星结构领域最大的权威。

钱德拉塞卡刚提出白矮星质量极限的时候,爱丁顿还是很宽容的:他认为钱德拉塞卡的推导过程中,使用了很多近似和假设;要是用最严格的数学方法推导,肯定能推翻这个错误的结论。但当钱德拉塞卡真的用最严格的数学方法,再次证明他的结论正确的时候,爱丁顿被彻底激怒了。

www.337.net,在1935年的一次英国皇家天文学会会议上,爱丁顿以公开羞辱的方式向钱德拉塞卡发难;他宣称泡利不相容原理根本不能研究白矮星结构,所以钱德拉塞卡的白矮星质量极限是彻头彻尾的歪理邪说。此后4年,爱丁顿一直对此念念不忘,只要参加学术会议,必然会痛批钱德拉塞卡的理论。

由于爱丁顿的巨大敌意,钱德拉塞卡不得不离开恒星结构与演化的研究领域。这次痛苦的经历也让钱德拉塞卡形成了一种独一无二的研究风格:他一生中先后进入了7个完全不同的天文学研究领域,然后在每一个领域都做到了世界第一。

太阳是一颗黄矮星,凭着它自身的质量,在死亡时中心压力无法达到激活碳核聚变的能力,因此核聚变反应终止,就不会发生超新星大爆炸,只会变成一个红巨星,抛弃外壳部分质量后,中心部分只能成为一个白矮星。

只不过它的坍缩只到电子简并态为止,成为一个白矮星。虽然白矮星没有质量下限,但比太阳质量小的红矮星理论上不会变成白矮星,最终结局是燃烧殆尽成为一个黑矮星。它们寿命特长,宇宙寿命138亿年了,至今还没有一颗红矮星死去,都还生机勃勃,所以没有观测证据。

而大于太阳质量8倍的恒星,在死亡时会发生超新星大爆炸,爆炸后中心的残留质量会超过太阳质量的1.44倍,因此电子简并压就无法支撑引力导致的继续探索,最终会成为一个中子星,依靠中子简并压支撑引力压力,形成一个平衡。中子星比白矮星极端多了,直径只有10~20公里大小,确有太阳质量的1.45倍~2倍之多,上面每立方厘米的物质达到1亿~20亿吨重。

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太阳在死亡时变成一个红巨星,其外壳要消散在太空中,损失一部分质量,这样太阳质量怎么可以达到钱德拉塞卡极限呢?钱德拉塞卡极限是由印度裔美籍天文物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡提出来的一个理论,因此就以他的名字命名。这个理论的意思就是说恒星死亡时残留的质量不得超过钱德拉塞卡极限,否则电子简并压就无法抵御引力的压力,坍缩就将继续,最终收缩为一个中子星或者黑洞。其表达式为:

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