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論戰

第二天早晨,錢德拉塞卡坐火車到倫敦,然後乘出租車來到伯林頓宮的皇家天文學會。在他和朋友麥克裡(Bill McCrae)等著會議開幕時,愛丁頓走過來,剛看了議題的麥克裡問他,「愛丁頓教授,我們該怎麼理解您說的『相對論性簡並』?」愛丁頓轉向錢德拉塞卡,回答說,「那會令你吃驚的。」說著就走了,令錢德拉塞卡更加焦慮不安。

會終於開始了。學會主席宣佈了許多事情,許多天文學家又做了不同性質的發言,時間拖長了。最後才輪到錢德拉塞卡。他抑制著不安,作了一個完美的報告,特別強調了他的白矮星的最大質量。

會員們禮貌地鼓掌後,主席請愛丁頓講話。

愛丁頓開始平和地回顧了白矮星的研究歷史,然後,他激動地講述了錢德拉塞卡的最大質量結果所隱含的令人不安的事實:在錢德拉塞卡以水平方向畫星體周長、垂直方向畫星體質量的圖中(圖4.4),只有在一組質量和周長條件下,引力能被非熱壓力(星體冷卻後仍然存在的壓力)所平衡:這就是白矮星。在錢德拉塞卡白矮星曲線的左邊區域(陰影區,小周長星體),星體的非熱簡並壓力完全超過了引力。簡並壓力將使區域內的任何星體發生爆炸。在白矮星曲線右邊的區域(白區,較大周長的星體),引力完全超過了星體的簡並壓力。任何一顆處在這個區域的冷星都將在引力擠壓下立刻發生坍縮。

左:A.S.愛丁頓,1932年。右:S.錢德拉塞卡,1934年。[左:UPI/Bett-man提供;右:錢德拉賽卡提供。

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太陽能存在於白區只是因為它現在還很熱;它的熱(熱產生的)壓力設法平衡了引力。然而,當太陽最終冷卻下來時,熱壓力將消失,從而不可能繼續維持自身。引力將迫使它收縮得越來越小,將它的電子擠到越來越小的格子裡去,直到它們最後具有足夠的簡並壓力(非熱壓力)來抵抗引力,阻止壓縮。在這個壓縮「死亡」的過程中,太陽質量將近似保持為常數,但它的周長會減小,所以它將沿著圖4.4中的水平線向左移動,最終停在白矮星曲線上——那是它的歸宿。太陽將成為一顆白矮星永遠停留在那裡,逐漸冷卻,成為黑矮星——一顆冷的、暗淡的固態星體,約地球大小,但質量和密度比地球大100萬倍。

太陽的這個最終命運似乎令愛丁頓很滿意。比錢德拉塞卡的1.4個太陽質量的白矮星極限質量更大的星體——例如,天狼星,天狼B的伴星,2.5個太陽質量——就沒有這樣令人滿意的歸宿。假如錢德拉塞卡是正確的,這樣的星體就永遠不可能像太陽那樣平靜地死亡。當它向空中發出的輻射帶走了足夠的熱量而開始冷卻時,它的熱壓力將衰減,引力的擠壓將使它收縮得越來越小。像天狼星那麼大質量的恆星,非熱簡並壓力是不可能阻擋這樣的收縮的。這一點在圖4.4中看得很清楚,在那裡,陰影區沒有延伸到能與天狼星的收縮路線相交的高度。愛丁頓發現,這個預言令人不安。

「恆星將不得不持續地輻射下去,收縮下去。我想,它會一直輻射收縮到幾公里的半徑,那時引力會變得很強大,足以平息這些輻射,而恆星也最終找到了安寧。」(用90年代的話說,它必然形成黑洞。)愛丁頓告訴他的聽眾,「錢德拉塞卡博士以前得到過這個結論,在最近的一篇文章裡他又特別強調了這一點。在同他討論的時候,我被迫作出這樣的結論:這幾乎是相對論性簡並公式的一個反證。可能會出現許多事件來挽救恆星,但我想的不僅是這樣的保護。我想,應該存在一個自然律來阻止恆星那麼荒謬的行為!」9

接著,愛丁頓論證錢德拉塞卡結果的數學證明不能令人相信,因為它的基礎是在沒有充分根據的條件下人為地將狹義相對論與量子力學揉在一起。「這樣的產兒,我想不會是合法婚姻的結果。」愛丁頓說,「我自己滿意的是[如果揉合是對的],相對論修正將獲得補償,於是我們回到『平常的』公式」(也就是回到5/3的阻抗,它允許白矮星有任意大的質量,從而壓力能夠阻止天狼星在圖4.4中假想虛線上的收縮)。然後,愛丁頓大概講了他認為狹義相對論和量子力學應該怎樣融合,融合的方法與錢德拉塞卡、斯托納和安德森用過的都不同。愛丁頓宣稱,這將使所有的恆星都擺脫黑洞的命運。

錢德拉塞卡驚呆了。他從沒想到他的工作會遭到這麼大的攻擊。愛丁頓為什麼不事先跟他討論呢?至於愛丁頓的論證,在錢德拉塞卡看來似是而非——幾乎肯定是錯的。

那時候,愛丁頓才是英國天文學的偉人;他的發現幾乎都是充滿傳奇的。天文學家們對太陽和天狼星那樣的正常恆星的內部,對它們的大氣和它們發出的光的認識,在很大程度上都是靠愛丁頓的發現。所以,學會的會員們和來自全世界的天文學家們,都自然地滿懷敬意地聽他講話。顯然,如果愛丁頓認為錢德拉塞卡的分析錯了,那麼它一定是錯的。

圖4.4 像太陽和天狼星(不是天狼B)那樣的正常恆星冷卻時,一定會發生收縮,沿著圖中的質量-周長曲線向左運動。太陽的收縮在到達陰影區邊緣(白矮星曲線)時停止,那裡的簡並壓力平衡了引力的擠壓。相反,天狼星的收縮不可能這樣停下來,因為它永遠也不會達到陰影區的邊緣。這些結論的不同表示請看卡片4.2。假如照愛丁頓宣佈的那樣,白矮星物質的壓縮阻抗總是5/3,也就是說相對論在高密度下沒有將它減小到4/3,那麼質量-周長圖將具有點虛線的形式,從而天狼星將在這條線上停止收縮。

會後,會員們一個個走到錢德拉塞卡跟前來安慰他。米爾恩告訴他,「我知道愛丁頓是對的,儘管不知道為什麼。」

第二天,錢德拉塞卡開始向他的物理學朋友們求助9在給哥本哈根的羅森菲爾德(Leon Rosenfeld)的信中,他寫道:「假如愛丁頓是對的,那我最近四個月的工作全都將化為灰燼。愛丁頓能對嗎?我非常想知道玻爾的意見。」(尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)是量子力學創立者之一,30年代最受尊重的物理學家。)兩天後,羅森菲爾德回信了,保證他和玻爾都相信愛丁頓是錯的,而錢德拉塞卡是對的。「我想,你的信有點兒令我吃驚,」他寫道,「因為沒人會那樣去追問那些[你用來推導4/3阻抗的]方程,你信中說的愛丁頓的評論完全是模糊不清的。所以你最好高興起來,別讓那些大神父們把你嚇成這個樣子。」在同一天的後一封信裡,羅森菲爾德寫道:「玻爾和我在愛丁頓的講話中絕對沒看出一點兒有意義的東西。」10

但是,天文學家當初對這個問題並不是那麼清楚的。他們在這些量子力學和相對論問題上沒有多少專門經驗,所以愛丁頓的權威在他們中間還影響了幾年。而且,愛丁頓仍然堅持著自己的立場。他同黑洞的對立蒙住了他的雙眼,他的判斷也是一團雲霧。他太想「有一個自然律來阻止恆星那麼荒謬的行為」了,在他的餘生,他仍然相信有這樣的定律——事實上,並沒有。

到30年代後期,天文學家通過與物理學家同事的對話,認識到了愛丁頓的錯誤,但由於尊重他早年的巨大成就,他們沒有公開這麼講。1939年在巴黎的一次天文學會議的演講中,愛丁頓又攻擊了錢德拉塞卡的結論。在愛丁頓講話時,錢德拉塞卡給主持人羅素(Henry Norris Russell,來自美國普林斯頓大學的著名天文學家)遞了張字條,請允許他答辯。羅素也回了張字條說,「最好不要」,儘管那天早些時候,羅素曾私下告訴錢德拉塞卡,「走出這兒,我們都不相信愛丁頓。」11

全世界的主要天文學家最終都——至少背著愛丁頓——接受了錢德拉塞卡的最大白矮星質量,那麼,他們願意承認黑洞能在真實宇宙中存在嗎?一點兒也不。假如自然沒有提供愛丁頓尋找的那種對抗黑洞的定律,那麼它一定會找到別的出路:大概每顆大質量的恆星在老化和垂死過程中會向星際空間發射足夠多的物質,將自身質量減到1.4個太陽以下,從而平安進入白矮星的墓穴。12在愛丁頓論戰失敗後,大多數天文學家都相信這種看法,而且一直堅持到60年代初。

對錢德拉塞卡來說,與愛丁頓的爭論給他造成了很大的傷害。大約40年後,他回憶說,「我感到天文學家無一例外地都認為我錯了。他們把我看成一心想殺害愛丁頓的堂·吉訶德。你可以想像,當我發現自己在同天文學的巨人論爭,而且我的工作完全不被天文學界相信——那對我來說是多麼沮喪的經歷啊。下一步做什麼,我只得自己下決心。我應該在我的餘生繼續奮鬥嗎?畢竟那時我才二十四五歲,我想自己還可以做30到40年的科學工作。我根本沒有想過拿重複別人做過的事情來當科學創造。對我來說,更好的是改變我的興趣進入別的什麼領域。」13

於是,1939年,錢德拉塞卡離開了白矮星和恆星死亡的領域,等四分之一世紀以後他才會回來(第7章)。

那麼愛丁頓呢?他對錢德拉塞卡為什麼那樣無情?對愛丁頓來說,這樣的對待似乎一點兒也不過分。在他看來,生命之路,就是吵鬧和自由的理性論爭。以這種態度對待年輕的錢德拉塞卡,在某種意義上,可能是尊重的表現,也是一個信號,說明他已經接受了錢德拉塞卡,把他作為天文學的建立者中的一員。事實上,從1935年他們第一次對立到1944年愛丁頓去世,愛丁頓對錢德拉塞卡都表現出熱情和喜愛,錢德拉塞卡儘管為爭論而難過,也還是同樣地尊重和愛戴愛丁頓。1

[1] 1982年,錢德拉塞卡發表了紀念A·S·愛丁頓誕辰100週年的演說,全面總結並高度評價了愛丁頓的功績。這篇演說的中譯文收在我們這個「第一推動叢書」系列裡《莎士比亞、牛頓和貝多芬——不同的創造模式》一書中(楊建鄴、王曉明等譯,1997)。——譯者