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他是天体物理学的一代宗师,也是学科发展的绊脚石?
亚瑟·爱丁顿凭借出色的数学才能与扎实的物理学功底,在天文学的多个领域做出杰出贡献,后成为天体物理学领域的一代宗师。爱丁顿也因为观测证实广义相对论而名声大噪,直接将爱因斯坦推上神坛,以至于人们忽视了他自身的成就。然而,因一些固执观点,他被一些人认为是阻碍恒星物理学发展的粗暴学阀。在一次著名天体物理学家钱德拉塞卡的报告后,爱丁顿因为持反对意见而直接抨击钱德拉塞卡的理论。他真的是恒星物理学发展的绊脚石吗?他有哪些重要的科学贡献?
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
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
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。
早期天文生涯
1905 年,爱丁顿研究生毕业,随即进入卡文迪许实验室,研究热离子发射;同时,他还教工程系学生数学。不过,他对物理实验和教学都不感兴趣。
幸好,在同事惠特克(Edmund Whittaker,1873-1956)的推荐下,爱丁顿在 1906 年初获得格林尼治皇家天文台的职位,担任皇家天文学家克里斯蒂(William Christie,1845-1922)的首席助理。
从 1906 年到 1917 年之间,爱丁顿主要研究恒星运动与星团动力学。他对球状星团动力学的研究成为该领域的一个突破。
在此期间,他也观测了小行星的视差[注1]、彗星与日全食。通过对比小行星 433 Eros 的照相底片,结合他发展出的新统计方法,他测出 433 Eros 的视差,并因此获得 1907 年的史密斯奖(Smith's Prize)与剑桥大学的一项奖学金。1908 年,爱丁顿对莫尔豪斯彗星(Comet Morehouse,C/1908 R1)进行了仔细观测,于 1910 年发表了相关论文。爱丁顿在论文里提出:太阳发出的大量离子会对彗星造成影响。这个想法后来被帕克(Eugene Newman Parker,1927-2022)发展为“太阳风”这个重要概念。(编者注:参见《他的姓名值 15 亿美元:天才少年的传奇人生》)
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).
恒星物理学
从 1916 年开始,爱丁顿的主要研究兴趣从偏数学的恒星动力学转移到偏物理的恒星物理学。
在 1916-1926 年的 10 年间,爱丁顿在恒星脉动、辐射转移与恒星能源方面获得了众多突破性的成果,使其学术生涯进入了另一个辉煌的阶段,奠定了他作为一名伟大天文学家的历史地位。
首先,爱丁顿研究了造父变星的物理机制。造父变星的亮度会周期性变化,这是因为它们会周期性地膨胀-收缩(脉动)。爱丁顿通过计算证明,造父变星的亮度变化源自其不透明度的变化,后者又源自温度的变化——氦被电离的比例变化。这个机制被称为“爱丁顿阀”(Eddington valve)。由于不透明度的符号是希腊字母 κ(kappa),因此这个机制被称为“kappa 机制”,后来也被用于其他脉动变星的研究。
造父变星原型星——仙王座 δ 星(Delta Cephei)——的亮度演化曲线。图片来源:ThomasK Vbg
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=mc^2),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。
将爱因斯坦推上神坛
爱丁顿除了在恒星物理学方面做出开创性贡献之外,他在同时期还深入学习了广义相对论。他读研究生期间,他的导师赫尔曼开设了微分几何学课程,而广义相对论的主要数学工具就是微分几何学。凭借自己的数学与物理学方面的功底,爱丁顿迅速掌握广义相对论,成为当时最懂相对论的英国学者之一。
广义相对论提出了几个预测,其中一个是光在引力场中走弯曲路线,偏折角约为 1.75 角秒。在爱丁顿的鼓吹下,戴森为 1919 年 5 月 29 日的日全食组织了两个远征队。第一个远征队由克罗莫林(Andrew Crommelin,1865-1939)与戴维森(Charles Davidson,1875-1970)带领,前往巴西北部的索布拉尔(Sobral);第二个远征队由爱丁顿与科廷翰(Edwin Cottingham,1869-1940)带领,前往非洲西海岸的普林西比(Príncipe)岛。
索布拉尔远征队最终确定恒星发出的光因为太阳的引力而偏折,偏折角约为 1.98 角秒,随机误差不超过 6% 。虽然普林西比岛远征队的观测过程有些波折,但他们确定的光线偏折角在 1.55-1.94 角秒之间,平均值为 1.61 角秒,误差为 0.3 角秒。
1919 年 5 月 29 日的日全食照片之一。这张照片出现在戴森、爱丁顿与戴维森发表于 1920 年的论文中。图片来源:Frank Watson Dyson
1919 年 11 月 6 日,爱丁顿在英国皇家学会会议公布:日全食期间观测到的星光偏折角度与爱因斯坦的理论符合。这是人类首次通过观测证实广义相对论的预言。
这个结果不仅有力提升了爱因斯坦在物理学界的地位,使其成为物理学界的新领袖,也轰动了各国媒体。此前在公众面前默默无闻的爱因斯坦立即被大众视为超越牛顿的伟大物理学家。可以说,是爱丁顿将爱因斯坦推上了神坛。
2008 年上映的电影《爱因斯坦与爱丁顿》,以爱丁顿说服英国同事通过日全食验证广义相对论为线索,讲述了爱丁顿与爱因斯坦在英国与德国交战期间珍贵的跨国友谊。
《爱因斯坦与爱丁顿》的 DVD 封面图。这部电影中,大卫·特南特(David Tennant,1971-)饰演爱丁顿,安迪·瑟基斯(Andy Serkis,1964-)饰演爱因斯坦。图片来源:BBC.co.uk
爱丁顿也因为验证广义相对论而在公众中名声大噪,成为家喻户晓的科学家。而且爱丁顿擅长用通俗而精确的语言向同行与大众介绍相对论,使相对论在英语世界的影响力迅速提高。他对日全食的观测因此被称为“爱丁顿实验”(Eddington experiment),尽管有人在后来质疑爱丁顿获得的数据质量,但此后的多次日全食观测得到的结果均与广义相对论的理论值符合;此外,现代天文学家用现代测量设备和软件对其原始图像进行重新分析,也证实爱丁顿的结果是比较可靠的。
1930 年 6 月,爱因斯坦与爱丁顿在剑桥大学天文台交谈。图片来源:Winifred Eddington
爱丁顿对广义相对论的研究也做出了原创性贡献,特别是著名的“爱丁顿-芬克尔斯坦坐标”(Eddington–Finkelstein coordinates),可以被追溯到爱丁顿 1924 年的一个研究,不过他与芬克尔斯坦(David Finkelstein,1929-2016)都没有给出表达式。
1932 年的爱丁顿。图片来源:Encyclopaelig;dia Britannica, Inc.
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