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核科学群英谱(12):孤独逆境中的砥砺前行者 钱德拉塞卡 精选

已有 5742 次阅读 2022-7-14 20:34 |系统分类:科普集锦

在诺贝尔物理奖获得者中有些学者获奖时很年青[威廉-劳伦斯-布拉格(William Lawrence Bragg) 1915年获奖时25岁,还不到而立之年), 有些学者已经鲐背之年[亚瑟·阿斯金(Arthur Ashkin), 2018年获奖时已经96岁],可见从取得突破性研究成果到获得诺贝尔奖的时间有长有短。布拉格的论文发表到获奖近三年时间,李-杨的弱相互作用宇称不守恒从发表文章[Phys. Rev. 104, 254 (1956)]到获奖只有1年时间;而阿斯金从发表成果到获奖接近60年时间。可见,做出重大成果的学者如果能够健康长寿,那么获奖几率就会线性增加。本文主角苏布拉马尼扬-钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,1910年10月19日-1995年8月21日,下文简称为钱德拉)的代表性成果是他在19岁(1929年)就有雏形、在24岁时公开总结报告的,而获得诺贝尔物理奖(1983年)则是差不多半个世纪之后的事情了,那时已经古稀之年。

钱德拉出生在拉哈尔(Lahore,原为英属印度次大陆,现为巴基斯坦第二大城市)市,在他出生的时候他的父亲是英属印度次大陆西北铁路的副稽查长,母亲曾把Henrik Ibsen的作品 A Doll‘s House 翻译为坦米尔语),家里在印度属于高种姓有名望的家族; 家里共有9个孩子(钱德拉排行第三)。他的叔叔是1930年诺贝尔物理奖获得者拉曼(Chandrasehara Venkata Raman)。在1916年他们搬家到阿拉哈巴德(Allahabad)市,1918年到印度东南部陈奈(Chennai)市。

钱德拉的启蒙教育是在家里,他父亲教他数学、物理,他母亲教他坦米尔语,1922-1925年在陈奈市一家高中读书,1925-1930在马德拉斯大学(University of Madras) 读大学,1929年在那里听了索末菲的讲座受到启发写了第一篇文章《康普顿散射与新的统计(Compton scattering and new statistics)》,不久顺利发表 [Proceedings of the Royal Society 125, 231 (1929)]。他在1930年获得学士学位,同年7月他获得印度奖学金去英国剑桥大学读研究生,导师是福勒(Ralph Howard Fowler, 剑桥大学三一学院,钱德拉因为1929年发表论文曾与他联系过;在钱德拉塞卡到剑桥的第二个学期,福勒学术休假,狄拉克(Paul Dirac)一度成为他的正式导师;博士论文答辩和口试时的导师依然为福勒)。

按照正常的节奏,这个阶段的钱德拉没有什么故事。然而钱德拉塞卡第一个学术高潮在这个年纪就不合时宜地、甚至有些过早地到来了。在他从印度到英国的旅途中,他把路上的时间求解白矮星内简并电子气体的统计性质,对于福勒(Ralph Howard Fowler) 的工作做了相对论修正。他本来期望求出福勒理论的一个简洁的、相对论性推广的结果,然而他得到了一个与预期非常不一样的结果:一颗恒星如果最后的命运是白矮星的话,他的质量有一个极限;如果恒星的质量超过这个极限,就不能变成白矮星;否则在福勒理论中就会出现一个物理上没有意义的负半径。这个质量极限是以物理学常数以及恒星物质平均分子量表示的,因此很容易计算出来[这个质量极限就是著名的“钱德拉塞卡极限”]。那么质量大于这个极限的恒星命运是什么?当时他很兴奋,于是记下这些结果,并希望找机会和福勒讨论。

在第一个学期(11月中旬)钱德勒塞卡被引荐参加勒皇家天文学会的会议[不做报告],尽管他把自己的结果以及与其它教授们相关工作通过通讯讨论过,然而他的结果几乎没有任何反响。现在我们当然可以想象他彼时的惴惴不安和失望心理。他开始希望把成果刊登在《皇家天文学会月刊上》,后来因为福勒和米尔恩(Edward Arthur Milne) 的反对无法刊登,因此最后发表在美国的《天体物理学杂志》 74卷81页(1931年3月)。[注:1932年朗道在《苏联物理学杂志》第1卷 285页发表论文“论恒星的质量”,也给出同样的公式,不过他的解释和结论与钱德拉塞卡不同,他说“质量大于1.5倍太阳质量的恒星存在量子力学定律遭到破坏的区域“,即认为这个结果太反常了,因此他情愿放弃这个结果。还有人提出 Edmund C. Stoner 也独立发现了这个极限,甚至更早一些。]

他次年夏天暑假去德国哥廷根访学时曾反复纠结是否应该做纯粹物理理论研究,不过这种尝试进展不大,而在天体物理方面进展则很好,特别是牛津大学的米尔恩教授对他的鼓励和合作论文使他在第二年第一学期很充实,那段时间他在多个问题[恒星吸收系数、恒星光球模型、恒星大气中的电离]上取得了进展。

      钱德拉在狄拉克推荐和建议下,在研究生最后一年到丹麦的玻尔所访学,他的本意还是尝试做物理工作,不过仍不顺利。而在那里尼尔斯-玻尔对于天体物理也不感兴趣。他后来回忆说:“那件事对我是一次相当严厉的打击。我于1932年到哥本哈根是带着我能够把自己融入物理学、量子力学的某项研究工作的希望。我尝试勒这个问题,却失败了”。因此在哥本哈根,他在天体物理方面依然主要是独立工作的。虽然他那时没有能够在物理学主流方向发展,但是在天体物理方面的研究工作进展很快。仅在1932年12月到1933年5月份,他完成了4篇论文。即使放到现在的快节奏时代,这个成绩依然是十分高效的。

钱德拉的博士学位口试是在6月20日,主考人是爱丁顿(Arthur Eddington)和福勒二位熟悉的老师,结果也很好。研究生阶段结束后,他没有抱任何希望(因为太难了)地申请了剑桥三一学院的研究员职位;在此之前唯一一个入选的印度学者是印度天才数学家拉马努金(Srinivasa Ramanujan)而且发生是在1917年的事情;当时钱德拉塞卡已经准备好去牛津大学并开始准备好在那里租房子了。因此可以想象,当他看到三一学院研究员名单上有自己名字时那种感觉与“范进中举”的情形多么相似(即震惊而兴奋)。有了这个职位,他可以有四年时间有保障地工作,而且其中一年可以自己选择工作地点;对他而言可以(也应该)考虑结婚的事情。这个职位也使得他有更多的机会接触到爱丁顿、米尔恩等人。他一直没有放弃他的白矮星质量极限那个他在19岁就得到的反常结果。到了这个阶段他自信和轻松多了。他花时间完成了白矮星的详尽数值分析,到了1934年他向皇家天文学会提交了2篇论文,并在1935年1月会议上做了简短叙述。

正是在这次会议上钱德拉受到了爱丁顿的羞辱,爱丁顿的结论是“应该有一条自然定律阻止恒星以这种荒谬的方式演化”等。这使得钱德拉塞卡发愣、震惊和抑郁。当时爱丁顿具有崇高的威望和权威,是具有国际声望的大人物。几乎没有人对于钱德拉塞卡有任何形式的支持(事后福勒在私下给他一些安慰),因此那时他处于完全失败的心态中。事实上在会议前几个月爱丁顿经常找钱德拉塞卡讨论,但是爱丁顿一直没有说钱德拉塞卡有错误,而是选择了在一个公开场合令他丢丑。 他认为他已经没有机会使得其它天文学家相信他的结果。于是他向当时的物理学家求助。钱德拉在玻尔所的朋友罗森菲尔德(Leon Rosenfield) 对他的个人通讯鼓励倒是很给力,还把他们的通信交给玻尔讨论;钱德拉也把相关资料寄给了狄拉克和泡利,可是这些人没有一个愿意介入公开的争论并做出一个权威性的声明。出现这么多人隔岸观火的原因是除了人们纠结的人际关系,当时很多人认为天体物理学复杂而粗糙,人们不指望在这方面取得重大进展。在这段时间,而钱德拉一直困难而执着地致力于说服爱丁顿。

    到了1935年7月国际天文学联合会在巴黎召开,而在会议上爱丁顿在一个小时的报告中相当大的篇幅批评钱德拉,说这是异端邪说,白矮星质量极限是一个谬误等等。钱德拉在会议上想回答问题,而会议主席却不允许。四年之后(1939年)在巴黎的另一个国际会议上,爱丁顿和钱德拉都做了报告,但是公说公有理、婆说婆有理,讨论并没有什么结果。而极其遗憾和可惜的是,这次会面也是两个人最后一面;这次会议之后很快战争爆发,虽然此后他们依然保持着相当频率的通讯,而爱丁顿1944年去世一直没有面对面讨论机会。根据钱德拉的结果,不是一切恒星都会变成白矮星,应该处在除了白矮星以外的其它终结方式,如果质量更大的恒星塌缩下去,状态是什么?假如这个问题在钱德拉塞卡质量极限问题提出之后立即放到大家日程上来,那么中子星和黑洞就会作为概念很快进入天文学领域。可是因为爱丁顿对钱德拉塞卡质量极限概念的断然否定,中子星和黑洞概念过了多年才被提出来。

钱德拉说:“我并不认为爱丁顿针对我的激烈抨击时出自个人动机,这可以归结为一种高人一等的优越感、贵族气派的科学观。爱丁顿对于自己的见解如此自信,以至于就他个人来说,他便是小人国中的格利佛。”他认为爱丁顿或多或少有种族主义的倾向。不管怎样,这次长久的精神创伤对钱德拉的生活、对待科学的态度产生很大影响;很大程度上因为这个原因,在三一学院研究员聘期后半段开始考虑离开英国,并且在多个场合表示爱丁顿或多或少有种族主义的倾向[in part racially motivated]。

我们现在设想另外一个场景:爱丁顿对于面对钱德拉白矮星质量极限的成果公开地大加赞赏,由此采纳黑洞概念,爱丁顿将成为认识黑洞的第一人,提早在广义相对论框架内研究引力塌缩,从而跻身20世纪的排位非常靠前的伟大科学家;而钱德拉则成为爱丁顿的左膀右臂而一帆风顺;这对于二人似乎都是双赢。另一方面,这样一来也就没有今天的钱德拉了,这个假设场景中的钱德拉很快会入选皇家学会,在年青时代就能找到一个舒适职位(甚至受重大的名誉和奖励的拖累),而现实中的钱德拉与此迥异,他一生都在挑战自我,把自己生命献给了科学研究。 生活也罢,科学研究和个人成长也罢,长短、成败是辩证的。

1936年9月钱德拉回国结婚,12月去美国芝加哥叶凯士天文台工作,制定那里的研究生课程。从1938-1944年,教学、研究、著述相互交织,他精力充沛研究了很多问题,1944-1949年,他研究辐射转移问题。因为各种原因,他在战争期间仅在1943年-1944年部分地参加了弹道试验、冲击波理论、中子扩散相关的输运等问题的研究。因为审查等各种问题,他没有参加曼哈顿计划。战争结束后,很多学校都要重建,他收到很多名校的邀请,最后决定继续留在芝加哥大学。从1952-1971年他担任了《天体物理学杂志》的常务编辑,对该期刊的发展居功至伟。不过任何事情都有两面性,这也为他带来了一定烦恼。

钱德拉在芝加哥逐步适应了美国的社会和科学环境,勤奋地开展科研、教学和公共服务工作,在生活和工作中高度自律,成为芝加哥大学杰出教授的典范。除了前面讨论的白矮星质量极限问题,他在天文学多个领域做出了重要贡献,包括星系结构、星系动力学、辐射转移、流体和磁流体动力学稳定性、湍流、广义相对论、黑洞数学理论、引力波等。

关于钱德拉论文的引用有一个有趣的事情。他在1941年前后写了一个备忘录给自己,并不打算发表。当他把它拿给冯-诺伊(John Von Neumann)曼看的时候,冯-诺伊曼坚持把它发表在《现代物理评论—Reviews of Modern Physics》上,因为钱德拉很犹豫,冯-诺伊曼自作主张替他投寄了出去,结果变成一篇经典引文[Rev. Mod. Phys. 15, 1 (1943)]。根据目前APS 的引文库,现在引用数已经6600多次;是钱德拉引用最多的论文之一。

钱德拉像那个时期的其它印度学者一样,在欧美的个人生活中遭受了很多歧视。他在印度本土乘坐火车,英国白人不肯同他在一个车厢;他去英国求学的轮船中,所有印度人被安排在餐厅一个特别的角落;他办理入学手续,被官僚纠缠;在去美国领事馆他本人和妻子各自受到刁难;在二战期间他在阿伯丁武器试验场工作阶段,由于肤色偶尔遭受到骚扰和羞辱[例如在餐厅只能在特定通道,否则就会有麻烦等等]。不用说钱德拉,就连他的叔叔、著名物理学家拉曼在访问美国时也时有类似窘迫。这些仅仅是被文字纪录的事情,可以想象,那些没有纪录的“小”事情何其多也。钱德拉不仅在学术圈外面的欧美普通社会生活中受到许多令人不快的待遇,在学术圈内部涉及到国际关系方面也是比较弱势的。在二战中印度的态度和作为、在越战以及后来各种国际事件变故中也很容易被同行或同事明里暗里的质疑。钱德拉一方面作为一个学者勤奋工作,另一方面也受到因为印度出身和肤色方面导致的无形压制而吃了苦头;也正因为如此,钱德拉的“社会生活”很少,交往范围几乎限于学术圈(同行或学生),离群索居是他在美国的一种生活方式。所以,“科学无国界而科学家有国界”是毫无疑问的。

那么,像钱德拉这种在欧美学术界已经成名,一直没有回到印度工作的原因是什么呢?根据钱德拉自己的说法,印度的学术圈政治手腕是至关重要的,我们今天依然能看到印度社会生活中拖沓和奇怪的事情,这些对于单纯的学者是很难适应的,而这一点在欧美社会中相对而言好得多;他一旦回到印度,在他的那个年代背景下很快就会不可避免地卷入政治。

作为一个在学术界和现实生活中遭受很多委屈的学者,钱德拉对于很多事情的认识往往是很深刻的。钱德拉自己说:“如果在30岁时我的研究得到公认并不与爱丁顿发生争论的话,我可能会想到诺贝尔奖;如果那样,在那个研究方向我就不会有动力,也不会有吸引力。”关于人们对于刻板印象科学家所要求的正义感,他说:“这里的科学家、自己的同事和朋友有多少人为正确的东西站出来过?例如魏格纳(见核科学群英谱系列-10:”魔术师 尤金-帕尔-魏格纳”),人人都知道他错误的政治观点[赞美越战、指责盟国和印巴、说在越南非法使用的落叶剂对人和环境无害等], 可是我见到他在午餐时发表这些观点时,没有一个人说一句反对的话… … 难道人们对于他科学成就的尊敬使得人们的良心被压抑到那种地步吗?“,关于个人成就方面,他说:”最终后代的评价才是真正重要的,真正成功的是坚持走自己的路,不受命运的影响,无论是好是坏。一般来说,子孙后代的评价与同代人的评价是没有联系的“。关于他自己长期辛勤而自律地从事科研或相关事宜,他说:”我确实根本不清楚,这样一心一意追求科学、牺牲人生其它事情是否正当;因为牵连到不仅仅是本人,还牵连周围有关系的人,特别是妻子… … 我还在搞科研, 多半出自我的兴趣,而且还因为我不知道我还能做点儿别的什么,我已经习惯于一种生活方式,那是很难改变的… … 其实可以让自己的生命简简单单的地流逝,充实的东西不一定就是追求某些目标的生活,必须还有一些别的东西”。关于社会公众对于科学家的某些刻板印象即不在乎名声或世俗的东西,唯一感到兴趣的就是追求真理方面,他说:”我是完全受科学魅力影响开始从事研究的 … … 希望借助于献身科学取得成就出名可能是正确的, 但是必须为此付出巨大的劳动和艰苦的工作,必须在正确的道理上坚持不懈; 如果不是过分不幸,在长途跋涉中必定能做出某件事 … … 人们从事科学的动机是随时间变化的… … 当公认、辉煌、荣誉作为科学家个人生涯的主要动机持续成为主导的时候,危害的后果就是主要的,那些曾经作出过重要贡献的人总记得自己的成功,想被看作特殊人物.. … 这就是为什么像萨哈(Meghnad Saha)、玻色(Satyendra Nath Rose)和拉曼这三位做出过重要贡献的人彼此不能和谐相处。“

钱德拉是孤独的科学家,这种孤独是一种孤立和无奈,也造就了他的勇敢和坚韧; 他在学术之路和个人生活中遭遇了多个人为困境乃至种族歧视,但是他勇敢地从恼怒和愤懑中走出来,同时也看透了世态的悲喜剧。他是一位十分伟大的学者。

 

后记:在写这篇文章的时候我多次停笔,主要是不知道如何表述复杂的个人感触。青年时代的钱德拉重要贡献遭忽视羞辱而无助,甚至在欧美日常生活中遭受种族歧视,他的各种遭遇令人唏嘘。钱德拉教授一生基调是在逆境中砥砺前行,思想达到了很高的境界。

“核科学群英谱系列文章”的写作初衷是根据个人喜好展示原子核科学领域前辈们的风采,因此基调或许应该是正面的、积极的;但是我在写迈特纳在德国受到性别歧视[核科学群英谱(6):无冕女王-迈特纳、吴健雄]、霍伊尔受到排挤[核科学群英谱(11):标新立异的学者 弗里德-霍伊尔]时,我的心里是非常难受的。传统的传记也罢、科普也罢,往往只说这些学者或事件中积极的一面,实际上另一面也是很有意义的,很多读者应该也愿意看到这些伟大学者作为普通人的另一面。每一个人都有缺点,都是活生生的、真实的人;世界上没有神,后辈不必也不能造神。

因为对于核科学贡献而获得诺贝尔奖的学者有30多人,钱德拉原则上是天文学家,他作为主角出现在这个系列是否合适?我专门与周围朋友或同事讨论过。这些朋友的理由是:钱德拉几乎敲开了致密星体的大门,而致密星体[中子星]是当今核天体物理的主角之一;就像居里夫人的年代连中子还远远没有发现而现在把她列为核科学先驱,钱德拉这个伟大形象出现在核科学群英谱中将为核科学增添光辉。

本文主要集中在白矮星钱德拉质量极限相关的部分。这方面的文献比较多,也很详细;钱德拉在社会生活中遭受的种族歧视是在他的传记内找到的。本文写作过程中部分观点与原子能院的LZH 老师讨论过,并参考了以下书籍或网页:

1、《孤独的科学之路—钱德拉塞卡传》,作者 卡迈什瓦尔-C-瓦利 (Kameshwar C. Wali);何妙福、傅承启 译,上海世纪出版股份有限公司、上海科技教育出版社 (2006).

2、”Chandrasekhar vs Eddington – unanticipated confrontation”, Kameshwar C. Wali, Physics Today 35, 33 (1982).

3、”Edmund C. Stoner and the Discovery of the Maximum Mass of White Dwarfs”.  Michael Nauenberg, Journal for the History of Astronomy, Vol. 39, page 297-312 (2008).  

4、https://en.wikipedia.org/wiki/Subrahmanyan_Chandrasekhar

5、https://baike.baidu.com/item/苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡/2190314?fr=aladdin

 




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