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核科学群英谱(11):标新立异的学者 弗里德-霍伊尔

已有 50930 次阅读 2022-7-7 19:10 |系统分类:科普集锦

     在二十世纪的核科学领域中有一位学者,他本来是一位天文学家,却在核天体物理领域做出了开创性的贡献,其中有些想法简直就是神来之笔;他的生活工作特色鲜明,甚至可以说独树一帜。当然他也不是什么事情都正确,他也会犯错误,不过瑕不掩瑜。他的一生精彩纷呈、标新立异,这位学者就是英国学者弗里德-霍伊尔教授(Fred Hoyle,1915年6月24日 -2001年8月20日)。

    弗里德-霍伊尔出生在英国约克郡西区的一个小村里,他的父亲是一名小提琴手,母亲是一个剧院的钢琴演奏家。他中学毕业后就在剑桥的Emmanuel 学院学习数学。在25岁他离开剑桥去朴次矛斯(Portsmouth) 为海军部研究雷达,那时英国海军雷达计划所雇佣的人力资源比曼哈顿计划还要多,霍伊尔与其中两个同事经常在一起深入讨论宇宙学。这个工作使他有机会去北美出差,霍伊尔就用这个机会拜访天文学家和核物理学家 (例如去加州理工学院等地学习和研究超新星领域的课题,而去加拿大学习核物理),并开始思考超新星的核合成问题。1945年二战结束后,他作为一名讲师回到剑桥大学并在那里工作了28年,1973年(主要因为人际关系)辞职后搬家去英国西北部山区的湖区(the Lake district)。他喜欢荒野跋涉、著书、访问世界各地的研究所、思考某些不为主流所认可的想法。这段时间他出版了大量的科学著作核科幻小说,在世界各地做报告。82岁时曾因跌入溪谷受伤,此后健康日下直至在86岁去世。

霍伊尔在科学上的贡献主要是他在剑桥大学的那段时间。我们在《核科学群英谱(9):”战舰“贝特》中提到爱丁顿(Arthur Eddington) 猜想恒星内能量起源于氢合成氦的核反应,贝特等在三十年代末研究了这个物理过程的细节。而宇宙如何从氦继续合成更重原子核,在四十年代还没有其它人系统地研究过。

霍伊尔第一篇重要文章是在1946年关于宇宙中铁元素丰度方面[F. Hoyle,  "The Synthesis of the Elements from Hydrogen". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 106 (5): 343 (1946), 下载地址: https://academic.oup.com/mnras/article/106/5/343/2601776]。在这篇文章中他提出恒星燃烧到最后内部温度可以高达50亿度,这个温度远远超过一般主序星内热核反应的温度(太阳内部温度不到2千万度);在这个温度下各种元素相对丰度可以通过统计力学方法给出;塌缩星体的转动不稳定性使得这些重元素被抛到星际空间中。他的第二篇重要文章是在1954年发表的[F. Hoyle, "On Nuclear Reactions Occurring in Very Hot STARS.I. the Synthesis of Elements from Carbon to Nickel". The Astrophysical Journal Supplement Series 1, 121 (1954). 下载网址:DOI:10.1086/190005],在文中他证明了从碳到铁这些元素是通过不断演变过程中的星体(一般恒星和爆炸前超新星)不同壳层内通过特定融合反应合成的,这些不同壳层内元素丰度分布是不同的,到现在这依然是一些元素合成的主要物理图像。在五十年代核天体理论与实验方面几位活跃的专家聚在加州理工学院,包括伯比奇夫妇(Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge) 、福勒(Alfred Fowler, 1983年诺贝尔奖获得者)和霍伊尔。这个四人小组(伯比奇夫妇、福勒和霍伊尔) 共同总结了宇宙如何合成那些化学元素的思路,在1957年发表了一篇著名的“综述“论文,这篇论文按照四人姓氏的第一个字母,称为B-2FH (2为上标,表示有两个作者首字母为B)论文,投稿通讯地址是加州理工学院[如果霍伊尔像现在考核这样重视第一通讯单位,那么投稿地址一定为共同第一单位或者直接把剑桥大学放在第一单位,因为这个四人小组的精神领袖和引导者是来自剑桥大学的霍伊尔]。实际上这篇论文不仅仅综述了以往的结果,还增加了通过中子俘获反应合成重元素(现在称为s-过程和r-过程)的新内容。这篇文章影响很大,在此后研究天体重元素合成的理论发展时都会引用这篇文章, 而霍伊尔的那二篇开创性工作则反而渐渐没有人注意和提及了;直到2007年庆祝B-2FH 论文50周年的国际会议时那两篇重要文章在才被翻出来。这个情况其实对这个领域内的学者略显尴尬,因为这表明这个领域的论文作者们在引文时人云亦云,对于哪些重要进展都是看别人怎么说自己也就怎么说[当然,不仅核天体物理如此,其它领域也基本如此,一般情况下论文作者对于学科的历史细节并不太过在意],只看B-2FH 那篇”综述”论文。

许多人不理解为什么B-2FH 那篇论文没有提到霍伊尔1954年的重要工作,这是霍伊尔不认真?或者根本不在意提不提自己的工作?是有意遗漏的吗?这些今天已经不知道了, 也不再重要了。根据克雷顿教授 (Donald Delbert Clayton,福勒的学生) 与霍伊尔的多次私人交往谈话,克雷顿认为这个完全令人不解的疏忽是因为霍伊尔当年没有认真阅读伯比奇夫妇文章的校样。

霍伊尔在1954年那篇文章第IV节中,计算了三个alpha粒子的核反应合成碳-12过程,一般而言这个过程是不能直接发生的,这是因为三个alpha粒子的状态(用波函数描述)与碳-12 原子核波函数相差实在太大了;如果看反应前后的波函数,这个三个alpha粒子合成碳-12的反应是不能发生的,而要想发生这个反应,需要碳-12 原子核在大约7.7 兆电子伏特激发能附近有一个状态,它的自旋-宇称是0+,这个状态可以近似为三个alpha 粒子的集团结构;而人们知道,碳-12原子核基态则是普通的、形变不太大的近球形原子核,与三个alpha 粒子的集团结构完全不同。因为宇宙里碳元素的丰度很高,根据霍伊尔的逻辑,为了解释这个现象,就需要碳-12原子核有这么一个奇怪的状态!这个后来被实验证实的态称为“霍伊尔态”[而且霍伊尔为了推动寻找碳-12这个奇怪集团态的核物理实验付出相当的努力!]。因为霍伊尔态非常有名,三个alpha 粒子合成碳-12 的过程也非常”惊险“,这个过程需要很多条件”配合“才能完成,这里对此做一个说明。对这个过程不感兴趣的读者可以跳过这个说明,不过这个过程实在精彩,跳过去也许是比较遗憾的事情。

恒星燃烧氢,把氢变成氦(质子通过核反应变成 alpha 粒子)释放能量;那么恒星如何合成比alpha 粒子更重的原子核呢?有以下两个容易想到的过程:

1、alpha 粒子+ p(质子) à   Li-5(锂-5).

2、alpha 粒子+ n(中子) à He-5 (氦-5).

可惜这两个过程都不行, 锂-5和氦-5 都不稳定,在10的负22 次方秒量级的时间内就衰变了,这个衰变太快了;可是直接用三个alpha合成碳-12原子核的过程也不靠谱 [见霍伊尔1954年文章中式(24)下面的讨论]; 还有一种可能,就是 alpha + alpha à Be-8(铍-8),可是Be-8也不稳定,在7乘以10的负17 秒的时间会衰变;但是这个过程比alpha 粒子+p 或 alpha 粒子+n 的过程要好多了,寿命长了很多,多少还能剩下那么一点点儿 铍-8的残留。可是,恒星正靠这么一点儿残留与alpha 粒子的反应合成更重的元素C-12! 这是怎么做的呢?氢-燃烧合成alpha 粒子即将结束之前,产生能量越来越少,恒星塌缩内部升温,典型温度在2亿度,此时铍-8丰度大约为十亿分之一量级,恒星靠这个丰度的铍-8 合成碳-12,几乎相当于中了一个六合彩!

为什么这么说呢?alpha粒子 + 铍-8 à 碳-12 如果只看能量上似乎是可行的,alpha 粒子的结合能28.296 兆电子伏特;铍-8的结合能 56.500 兆电子伏特,碳-12 的结合能为 92.162 兆电子伏特。这样这个反应似乎可以进行下去,而且反应还能释放能量 Q=92.162- 28.296 -56.500 = 7.366 兆电子伏特。可是,这个反应前后波函数差异太大,实际上是不能发生的。我所说的”六合彩”指的是碳-12 需要有一个态,能量靠近Q值附近、角动量-宇称等于0+。有这样的态吗?实验上发现,果真有一个0+ 态、波函数近似为三个 alpha 集团;唯一有点小麻烦的是能量比 7.366 兆电子伏特高一点儿,激发能为7.66 MeV,二者相差不到 0.3 兆电子伏特。为了克服这么一点儿能量的差异,恒星内部 Be-8+ alpha 的聚合反应靠的是热运动能量,即那些能量比较高的少数情况(麦克斯韦分布高能量的尾巴部分)。从以上描述可以知道,这个过程是多么惊险,可谓玄之又玄!任何人看到这个结果都会大吃一惊,深觉不可思议。这个反应“设计”如此精妙,以致于成为宇宙人择原理(anthropic principle,有许多文章讨论这个想法) 的重要证据。

霍伊尔不仅神奇地预言了碳-12的三个alpha集团状态,而且在1954年那篇文章中的式 (27) 完整地描述了这个重要的碳-12 合成过程。早在1946年他关于宇宙元素合成的正确图像姑且不论,单凭预言霍伊尔态[同时推动寻找这个奇怪的状态]并解释宇宙重关键的元素碳-12 合成这一点,已能使得他跻身为世界著名学者;他组织B-2FH 文章更增加了他在核天体物理领域的贡献。因此,假如授予他诺贝尔物理奖,也属于众望所归。

可是,霍伊尔没有被授予诺贝尔奖,获奖人是他的论文合作者福勒。后人是如何解读这件事情的呢?这件事有二种说法。一种说法是霍伊尔的某些“评说”导致一些争议,例如他公开评述过他的同事安东尼-休伊什(Antony Hewish)因为发现脉冲星获诺贝尔物理奖、然而贡献更大的研究生约瑟琳-贝尔(Jocelyn Bell)没有获奖,即这个结果不公平之类。霍伊尔不善于和同事相处,使得他在剑桥大学内部很孤立,这是他从那里辞职的主因。还有一种说法是说诺贝尔奖不仅是评价和奖励某一个成果的,也是对于学者的整体认可;因为有人批评霍伊尔作为一个学者坚持一些错误想法。

那么,所谓霍伊尔错误的学术工作主要指什么呢?一个是霍伊尔一直坚持静态宇宙观,不相信大爆炸理论,认为一个时间起点的宇宙观是伪科学、不合常理。有趣的是,“大爆炸”这个词用于命名勒梅特(Georges Lemaitre)、伽莫夫宇宙的模型居然是由霍伊尔首先提出的: 他在BBC电台 [1949年3月28日播出]广播时,被认为是带有轻蔑的口吻说出“大爆炸”这个词的(霍伊尔本人后来澄清说这件事没有侮辱性质,只是面对听众时强调二种理论的不同);在另一次BBC 采访时,他说“许多学者喜欢‘大爆炸’的原因时他们被创世纪那本书洗脑了”。学术观点的不同导致(不该出现的人际关系方面)争议。霍伊尔还有一个观点被当时学者不以为然,就是他[和另一位学者 Chandra Wickramasinghe] 在七十年代反复强调地球上的生命来自于外太空,不是起源于地球;他们坚信彗星上有不少成分的有机物,而那时人们认为彗星上主要是冰,有机物不存在(现在人们认识到这一点上霍伊尔其实是对的,如67P彗星上有16种不同的有机化合物);他们甚至认为 1918年那次大流感其实是彗星尘埃所带来的病毒,他们还为此专门出版过一本书《Evolution from space》。

实际上不论站在哪个方面,人们心里都清楚授予福勒诺贝尔奖而不授予霍伊尔诺贝尔奖对于霍伊尔是很不公平的。福勒本人也认可霍伊尔研究的开创性贡献,他说:“恒星内核素合成的概念是霍伊尔在1946年建立的,他通过证明恒星如何合成关键的元素碳、然后恒星死亡后这些元素如何被并入其它恒星或行星,从而为宇宙不同元素的存在提供了一个解释。含有这些元素的新恒星有开始新一轮的生死过程,合成越来越重的元素。霍伊尔提出其它更稀有的元素由超新星爆炸过程解释,这些超新星爆炸在宇宙中时有发生,爆炸的温度和压力足以产生这些元素 [The concept of nucleosynthesis in stars was first established by Hoyle in 1946. This provided a way to explain the existence of elements heavier than Helium in the universe, basically by showing that critical elements such as carbon could be generated in stars and then incorporated in other states and planets when the star dies… …]”. 这段话是关于霍伊尔对核天文学方面贡献的恰当评价。

毫无疑问,霍伊尔是一个伟大的人、一个正直的人,他对于探索大自然一直有很强的好奇心,并不懈追求真理。他是对于宇宙合成重元素机制开展科学研究的第一人,他还很勇敢、幸运、准确地预言了恒星合成碳元素(这一关键元素)的详细过程,顺便预言了碳原子核一个非常奇特的状态。一个人取得了如此伟大的成就,即便被人为的过分挑剔甚至被孤立因而没有被授予诺贝尔奖,不过那又有什么太大的关系呢?当他独自面对自然和思考宇宙奥秘时,他应该一直是非常兴奋和满足的,而且不时地产生奇思妙想。他辞职后野外跋涉、著书、思考其它领域的科学问题,每一件事都做得有声有色。他的人生轨迹和成就像万花筒一样精彩纷呈!




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