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[转载]“双子”,中子与中子星——漫谈朗道与中子星

已有 1041 次阅读 2019-3-11 16:08 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

徐仁新 中科院高能所 6天前

徐仁新  北京大学物理学院

来源:《现代物理知识》 


中子星因其极端物理环境而深受物理学和天文学领域学者们的青睐,其研究在这两个领域均不可或缺。天文学家观测发现的若干类高能天体现象与中子星的存在紧密相关,而物理学家则将中子星当作重要的天体实验室来认识自然基本规律。值得一提的是,中子星概念最早由朗道提出,历史上可以追溯到20世纪30年代初中子的发现。对这段脍炙人口历史的回顾,不仅使人因身临其境地体会“微观”与“宇观”的学科交融而受益,而且有助于培养科学创新精神。这一题材在基础物理教育中显然具有现实意义。

 

前苏联理论物理学家朗道是公认的物理全才和奇才。他于1908年出生,1962年因严重车祸而丧失研究能力并于同年“因他对于凝聚态物质(特别是液氦)的先驱性理论”而荣获诺贝尔物理学奖,1968年去世。在教育方面,朗道与栗弗席兹等筹划和编写的十卷本巨著《理论物理教程》对国际理论物理的教育影响深远,至今乃被奉为“经典”。

 

朗道
前苏联物理学家


关于朗道生平、学术传记式的介绍很多,且其传奇式的“八卦”故事也遍及网络。然而这些作者们大多侧重于朗道作为一个物理学家,特别是凝聚态物理学家的一面,而鲜少涉及他对天体物理,特别是“中子星”概念的提出的另一面。例如,人们通常认为朗道最重要、最著名的贡献被概括为所谓的“朗道十诫”中,那里就未包含“中子星”概念的提出。本文拟弥补这一缺憾。

 

在1937年苏联政治气氛紧张期间,朗道为了将自己塑造成包括西方在内的全世界认可的学术权威以抵消自己的社会压力,他向当时著名杂志Nature投稿并于1938年发表了一篇关于恒星能源的文章。据统计,朗道一生共在Nature 杂志发表了六篇论文,其中独立署名的三篇Nature文章之一就是这篇恒星能源短文。读者或许由此评估那篇Nature 短文在朗道心目中的份量;但值得注意的是,该短文中提及的关于中子星和恒星能源的概念其实早已出现于他1932年写的一篇较详细的论文中了。由此可见,不应轻易忽略朗道也是一名天体物理学者。

 

总之,应该说朗道是比较在意自己关于恒星能源和中子物质的想法的。本文试图介绍并讨论朗道的天体物理这一面,以对众多“朗道读物”作一补充。为此,让我们从19世纪末、20世纪初那个激动人心的时代开始。

 

从一个古老的概念——“双子”谈起  相对于汤姆孙1897年发现电子而言,中子的发现要晚得多。中子概念的提出是与人类探索原子核(英国实验物理学家卢瑟福根据α散射实验提出原子的“有核模型”)组成的过程分不开的。1920年卢瑟福在题为《原子核组成》的讲座中强调了实验上发现一些原子核的电荷数约只有其质量数的一半,并指出:“……电子可能与氢核很紧密地结合而形成一类新的中性双子(doublet)”。他还推测双子会在物质中自由运动,难被探测,或许不能被限制于密封容器中。人们一般认为,1921年哈金斯在讨论同位素分类时明确地用“中子”(neutron)这个词代替卢瑟福的“双子”。

 

中子的发现也曾经历一番周折。1930年博特和贝克报道用Po的α射线轰击Be时产生的一种中性“γ射线”,它比一般γ射线的穿透能力强很多。1932年居里夫妇用这种“γ射线”轰击石蜡中的质子,并且根据出射质子的能量推算“γ射线”的能量(约为50MeV)。为何Be原子核被α射线轰击后能够产生如此高能的γ射线?当年,深受卢瑟福“双子”概念影响的查德威克注意到居里夫妇的实验,并怀疑这种射线不是γ射线而是他一直实验寻找的中子(“双子”)。为了搞清楚博特等发现的射线到底是γ射线还是中子,查德威克将这种射线轰击He、Li、N 等其他原子核,也测得了这些核不同的反冲动能。如果认为那种射线是γ射线,则根据反冲动能推算的γ射线能量差别很大;但若认为那种射线就是质量跟质子相近的中子,就没有这些矛盾了。因此查德威克认为“中子可能存在”,并因中子发现很快荣获1935年诺贝尔物理学奖。

 

“密度跟原子核相当的物质”概念的提出   英国核物理学家查德威克发现中子后不久,伊凡宁柯(1904~1994)等人相继提出原子核由质子和中子组成。伊凡宁柯是朗道在列宁格勒大学本科时期的同学。在本科阶段,他俩与另一位同学伽莫夫(1904~1968)曾经一起学习和评论相对论和量子论,受人瞩目,时称少年“三剑客”;也曾一起合作发表过研究论文。伽莫夫是热大爆炸宇宙学、α衰变的势垒隧穿机制以及氨基酸三联码概念的提出者。可以想象,中子的发现或许也曾经是这三人热闹讨论的话题。伊凡宁柯的这篇文章很短,该文首先肯定了查德威克对Be射线的解释,再提出所有“核电子”挤进原子α粒子或中子并丧失电子原有属性(如自旋和磁矩等)的可能性,更指出中子多大程度上能像质子和电子那样当作基本粒子。这些观点是难能可贵的;要知道,第一个弱相互作用的定量理论是费米在1934 年完成的。

 

查德威克推测可能存在中子的消息同样受到朗道的重视。1932年1 月7日朗道向PhysikalischeZeitschrift der Sowjetunion 杂志投稿,后被接受发表于该刊。目前一般认为,有关“中子星”的概念就是在这篇论文中首次提出的;1938年的论文是该文的总结和深化。朗道提出“中子星”概念的逻辑思路很值得科学史学者参考;概括于如下两点。

 

A. 首次提出可能存在核心由“密度跟原子核相当的物质”组成的星体(后称“中子星”)。这一点具有前瞻性,而中子星逐渐成为天文学和物理学领域的研究热点。类似于伊凡宁柯对于原子核结构的思索,朗道的观点是,星核足够高的密度不仅可以因引力能的下降导致整个星体稳定,而且一旦质子和电子“紧密结合”,将使得电子的动能下降。关于恒星的整体结构,朗道认为恒星的“中子核心”与周围物质“这两个相的边界条件是由通常的化学势平衡确定”;而任一现代的中子星结构正是沿此观点建立的。

 

B. 认为利用这种星体结构可以自然地解决当时流行的两个挑战性问题:恒星塌缩和能源机制。如果只有以上一点“A”的话,朗道中子星方面的探索或许仅为又一“屠龙绝技”,因为当时的天文观测方面不存在这样一种恒星结构的必要。所以,为了将他的中子星概念在学术界“卖”出去,朗道声称他的星体结构可同时解决“恒星塌缩”和“能源机制”疑难。为此,朗道不惜提出了现在看来是错误的两个概念:1. 所有恒星都具有一个“中子核心”以便提供发光能源;2. 恒星内部存在“违背量子力学定律的病态区域”以便使质子和电子“紧密结合”得像基本粒子那样(如果量子力学定律成立的话,质子和电子只能结合成太大的“氢原子”)。

 

应该说,以上错误的“B”对于合理的“A”在学术界的流行是有帮助的。我们今天很难考证当年朗道是先想到了“A”还是“B”,但有一点是清楚的:朗道对当时“恒星塌缩”和“能源机制”两个疑难问题了解得全面、深入。可见,科学的进步终由问题所驱动。

 

胡适曾言“大胆假设、小心引证”以教诲人们如何拿捏“创新”和“严谨”,但这一哲学在实际研究工作中却很难精确地指导。尽管朗道的两篇论文中充斥着不少经不起时代推敲的错误概念,但七十余年后的今天我们还不得不提及它们;因为“密度跟原子核相当的物质”概念是在那里首先提出的,并且为了理解当今探测到的大量天文观测现象,我们离不开这种物质。

 

本文选自《现代物理知识》2010年第6期   时光摘编




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