撰文 | 王善钦
在天文学与物理学的发展史上,亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington,1882-1944)是一个无法绕开的人物。他的主要成就在于天文学,特别是恒星物理学领域。
然而,因为他在验证爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)的广义相对论方面的名声太大,很多人反而忽略了他在天文学领域的伟大成就与崇高地位。更悲剧的是,他因为对白矮星研究的固执己见,而被认为是一个排斥异己,阻碍恒星物理学发展的粗暴学阀。
那么,爱丁顿对天文学的贡献有哪些?他真的是阻碍恒星物理学发展的绊脚石吗?本文介绍天体物理学一代宗师爱丁顿传奇的一生。
爱丁顿。图片来源:Library of Congress Prints and Photographs Division Washington, D.C. 20540 USA
凄苦的童年
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1882年12月28日,爱丁顿出生于英国威斯特摩兰(Westmorland,现在的坎布里亚[Cumbria])的肯德尔(Kendal)。爱丁顿的父亲亚瑟·亨利·爱丁顿(Arthur Henry Eddington,1850-1884)于1871年毕业于伦敦大学,后来担任一个贵格会学校的校长;他的母亲是萨拉·安·肖特·爱丁顿(Sarah Ann Shout Eddington,1852-1924)。爱丁顿有一个姐姐,维妮弗蕾德·爱丁顿(Winifred Eddington,1879-1954)。
1884年2月14日,爱丁顿的父亲死于伤寒大流行,还不到34岁。当时爱丁顿不满2周岁,他的姐姐也才5岁。爱丁顿的母亲带着一双儿女搬到滨海韦斯顿(Weston-super-Mare),住在沃利斯科特(Walliscote)路42号一栋名为“瓦金”(Varzin)的房子。在这里,爱丁顿的母亲依靠微薄的收入艰辛地抚养两个孩子。这段凄苦的时光令爱丁顿无法忘怀,在其功成名就后还不时向后辈讲起。
搬家后,爱丁顿先在家里学习,接着在一所预科学校学习了三年。此时的爱丁顿已经对星空产生兴趣,经常试着数星星,这为他后来进入天文学领域种下了种子。
数学优等生,高级牧马人
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1893年,爱丁顿进入布林梅林(Brynmelyn)学校。他很快显示出自己在数学与英语文学等方面的异常天赋。
因为成绩优异,爱丁顿获得奖学金,在15岁时(1898年10月)进入曼彻斯特欧文斯学院(Owens College,即现在的曼彻斯特大学)学习。在大学期间,他主攻物理学,多次获得奖学金。
1902年,19岁的爱丁顿以一等荣誉毕业,还获得了剑桥大学的奖学金,于同年10月到剑桥大学读研究生,导师是赫尔曼(Robert Alfred Herman,1861–1927)。
1904年,爱丁顿参加了剑桥大学数学课程考试。这是剑桥大学一项古老的学业传统,传言因为早期的学生考试时要坐在三脚凳上答题,该考试又被称为“数学三脚凳”(Mathematical Tripos),向来以题目难度大、强度高(考多天,一天考6-8小时)而著称。获得第一名的学生被授予“高级牧马人”(Senior Wrangler)称号,他们被誉为全英国最聪明的人,有些获奖者的家乡会因此组织父老乡亲上街庆祝。历年“数学三脚凳”考试的前几名中,有很多人在后来成为著名科学家。爱丁顿的导师赫尔曼是1882年的“高级牧马人”。
22岁的爱丁顿在这次考试中荣获第一名,成为这项考试历史上第一个在入学两年后就获得“高级牧马人”称号的人。不过,他在进剑桥大学前就已读了四年本科,在数学各学科方面比剑桥本科生更有经验。即使如此,能够在高手如云的剑桥大学获得这个成就,也足以证明他不凡的数学能力。
由于爱丁顿在数学上的才能,著名数理逻辑学家与哲学家贝特朗·罗素(Bertrand Russell,1872-1970)在1954年写的一篇名为《数学家的噩梦:方形教授的愿景》(The Mathematicians’s Nightmare: the Vision of Professor Squarepunt)的短篇小说中将他作为核心人物。
明信片上的莫尔豪斯彗星的图像。图片来源:users.erols.com/njastro/barry/pages/postcd11.htm
1910年,戴森(Frank Watson Dyson,1868-1939)担任皇家天文学家,爱丁顿继续担任首席助理。1912年10月10日,爱丁顿与同事在巴西观测日全食,这为他后来观测1919年日全食积累了宝贵的经验。
多个优秀成果使爱丁顿成为天文学领域的新秀。1913年,年仅30岁的爱丁顿成为剑桥大学天文台普卢姆天文学和实验哲学教授(Plumian Professor of Astronomy and Experimental Philosophy)。
1914年,31岁的爱丁顿出任剑桥大学天文台台长,并成为英国皇家学会会员。这一年,他出版《恒星运动与宇宙结构》(Stellar Movements and the Structure of the Universe)一书,总结了他对银河系中恒星运动与星团动力学的数学研究。
爱丁顿(大约1914年)。图片来源:Elliott & Fry. From Hutchinson's Splendour of the Heavens (1923).
1920年,爱丁顿发表论文《恒星的内部结构》(The Internal Constitution of the Stars)。他否定了此前被广泛接受的恒星能源模型,该模型认为:恒星收缩,将物质的重力势能的一部分转化为热,这些热成为恒星的能源。这就是著名的“开尔文-亥姆霍兹机制”(KH机制)。爱丁顿认为,根据爱因斯坦相对论中的质能关系式(E=mc2),4个氢的质量略大于1个氦,损失的质量会转化为巨大的能量;哪怕恒星中可被用以聚变的氢只占恒星质量的5%,其聚变产生的能量也足以让恒星持续发光。他还指出,氦与氦的聚变以及更重元素之间的聚变也可能在恒星内部发生。现代的研究表明爱丁顿的这些看法都是正确的。
爱丁顿还指出,热压不足以平衡恒星的自身的引力,为避免恒星塌缩,辐射压是必需的。他是第一个认识到这一点的人,更重要的是,这一结论至今依然成立。在计算恒星辐射转移的过程中,爱丁顿给出了一个近似,即“爱丁顿近似”。
1924年,爱丁顿得到著名的“质量-光度关系”(质光关系):主序星的光度与恒星质量的n次方成正比。现在的观测表明n的取值范围约为2.3到4之间。
爱丁顿1924年的论文中给出的恒星的质光关系。横坐标为恒星质量的对数,纵坐标为恒星亮度的对数(视星等)。不同质量的恒星,指数不同,因此图中的斜率不同。图片来源:Eddington, A. S. MNRAS, 84, 308-332
恒星物理学方面的研究为爱丁顿带来了崇高的声誉。1924年,41岁的他拿下天文学领域的三个大奖:英国皇家学会金质奖章(Gold Medal of the Royal Astronomical Society)、亨利·德雷珀奖章(Henry Draper Medal)与布鲁斯奖章(Bruce Medal)。(编者注:关于德雷珀奖章可参见《她做了一个“违背祖训”的决定,然后将一个学科推进了几十年》)
然而,就在这一年的11月4日,爱丁顿72岁的母亲逝世。母亲的离去让他悲痛万分,在此后忆及童年时更加伤感。童年时与母亲及姐姐相依为命的一幕幕,爱丁顿一直无法忘怀。
1925年,爱丁顿得到了球对称天体的辐射极限值,即爱丁顿极限(Eddington limit)。当球对称天体的亮度超过这个极限时,辐射压超过引力,外层粒子逃逸。爱丁顿极限与恒星质量成正比;对于太阳,其爱丁顿极限是太阳亮度的3.2万倍。
1926年,爱丁顿出版专著《恒星的内部结构》。这本书成为此后一整代天体物理学家的标准教科书。1928年,爱丁顿获得皇家学会皇家奖章(Royal Society Royal Medal)。
爱丁顿的这些工作迅速成为研究恒星物理学的基础,一些经典结论至今依然是恒星物理学教材的基本内容。他的研究风格也深刻影响了此后的恒星物理学家。
钱德拉认为,爱丁顿的权威,使他的错误观点在整整两代人的时间里影响了恒星物理尤其是白矮星方面的研究。这个评价让人觉得爱丁顿简直是这个领域的绊脚石。然而,事实真的是这样吗?
2003年,贝特(Hans Bethe,1906-2005)在发表《我的天体物理学生涯》(My Life in Astrophysics)一文中,总结了自己在天体物理学上的学术探索历程。贝特在文章中提到,他让博士研究生马沙克(Robert Marshak,1916-1992)研究白矮星,“他(关于白矮星)的学位论文很优秀。多年后,加州理工学院的白矮星专家告诉我,这篇论文当时依然是理解白矮星的基础。”马沙克于1939年在康奈尔大学获得博士学位,其学位论文标题是“对恒星内部构造理论的贡献”(Contributions to the Theory of the Internal Constitution of Stars)。
1940年,马沙克发表论文《白矮星的内部温度》(The Internal Temperature of White Dwarf Stars),他明确指出这篇文章的主要部分写于自己在康奈尔大学读博期间。马沙克这篇长达33页的论文深入研究了白矮星的内部温度,并明确提到了与“简并位形有关的钱德拉塞卡理论”。
虽然马沙克只是个例,但我们可以窥一斑而知全豹:爱丁顿的激烈反对肯定摧毁了钱德拉继续研究白矮星的热情,也很可能打击了剑桥大学甚至英国天文学界研究白矮星的热情;但是,英国之外的白矮星研究并未中断,甚至很可能没有受到多大影响(从马沙克文章引用的情况与被引用情况,都能侧面证明这一点)。因此,爱丁顿对白矮星研究的阻碍作用可能远低于钱德拉与后人们的想象。我们不应该高估爱丁顿在这方面的负面作用。
爱丁顿对整个恒星物理领域研究的打击更小。马沙克在1940年与贝特合作发表了研究红矮星与亚矮星的文章《应用于恒星的推广的托马斯-费米方法》(The Generalized Thomas-Fermi Method as Applied to Stars),马沙克还在同年发表了《关于太阳的点对流模型的注记》(Note on the Point-Convective Model for the Sun)。至于其他人在恒星物理方面的工作更不胜枚举。
“数字”物理学与科学哲学
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从20世纪20年代开始,爱丁顿也研究一些与量子力学、时空有关的问题。
1936年,爱丁顿出版《质子和电子的相对论》(Relativity Theory of Protons and Electrons),论述了量子理论,研究了一些常数之间的关系。不过,他做的都是一些拼凑类型的数字游戏。例如,当物理学实验得到精细结构常数α约为1/136时,他认为宇宙中质子的总数应该是136×2256——这个数字被称为“爱丁顿数”(Eddington number),这样就可以让α等于1/136;然而,后来的研究表明α约为1/137,于是他又将质子总数修改,以让α等于1/137。(编者注:参见《追寻物理学中“魔数”的最准确结果》)这样的研究具有循环论证的特征,损害了爱丁顿在物理学界的声誉。
爱丁顿爱骑车,因此还发明了另一个靠谱得多的“爱丁顿数”:骑行者在至少E天内每天骑车至少E英里。他自己的爱丁顿数是84英里,这意味着他骑行超过84英里的天数是84。这个概念与后来出现的H因子很类似:学者的N篇论文被引用超过N次,其H因子就是N。
在科学哲学领域,爱丁顿是一个非决定论者,他认为量子力学中的不确定性原理代表了微观世界的本质,在其背后并不存在一个隐变量。这个观点与他的挚友爱因斯坦的决定论观点对立,与“哥本哈根学派”的解释一致。他的部分科学哲学思想体现在他1939年出版的《物理科学哲学》(Philosophy of Physical Science)一书中。