书城科普宇宙未解之谜(世界未解之谜精编)
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第22章 白矮星之谜

宋朝诗人苏东坡在一首词中写道:“会挽雕弓如满月,西北望,射天狼”。但是天狼星从来不出现在西北方向。苏东坡这样写,是因为在中国古代,天狼星代表侵略。北宋时,侵略力量主要来自西北方的西夏。

天狼星的希腊名字为大犬座α星。“天狼”是中国人起的名字。它是除太阳外,肉眼看来最亮的一颗恒星。冬天的黄昏之后,出现在东南方的天空。

恒星,顾名思义在天空中是不动性的。也就是说,在地球上的人看来,恒星之间的相对位置是不变的,这是由于它们离我们太远的缘故。太阳是离我们最近的恒星,光走8分钟可以到达地球。其他恒星就远多了,离太阳最近的比邻星和南门二(它们是一对双星,是两个互相绕着转的太阳),光到达地球要走4年多。也就是说,它们距离我们4个多光年(光走一年的距离称为一光年)。牛郎星距离我们16光年,织女星则有27光年,它们二者相距也差不多16光年。因为恒星离我们非常遥远,它们之间也相距十分遥远,所以肉眼一般很难看出恒星之间相对位置的变化。只有离地球最近的一些恒星,我们才能察觉这种变化。

1834年,人们发现距我们约9光年的天狼星在天空的位置有周期性变化,推测它可能有一颗质量不小的伴星。天狼星位置的周期性变化,正是天狼与其伴星绕着它们的共同重心旋转的表现。28年后,发现了这颗伴星,质量与太阳差不多,但体积只有地球那么大。由于体积太小,虽然表面温度高达1万度(太阳表面仅6千度),发出很强的白光,仍很难发现它。因为它又白又小,所以称其为白矮星。当时最让人惊讶的是它的密度,约为175千克/立方厘米,这是地球上的任何物质都远远比不上的。此后在银河系中发现了越来越多的白矮星,密度一般在每立方厘米0.1~100吨。目前理论估计银河系中的白矮星约有100亿颗。

最早认识到白矮星质量密度极高、白矮星在银河系中数量很多的人,是英国天体物理学家爱丁顿。最早认识到电子之间的泡利斥力可以抗拒恒星引力塌缩的人是英国物理学家狄拉克。而第一个建立起白矮星结构理论的人,则是印度青年物理学家钱德拉塞卡。

1930年,在一艘从印度开往英国的轮船上,一位20岁的印度青年一会儿冥思苦想,一会儿埋头计算。他就是钱德拉塞卡,大学毕业后打算去投奔著名的爱丁顿教授,攻读天体物理。此时他正在钻研白矮星的结构。他把相对论、量子论与统计物理结合到一起考虑,认为泡利不相容原理所产生的电子之间的排斥力有一个限度。这种排斥力可以抵挡住质量小于1.4个太阳质量的恒星的重力,但抵挡不住质量更大的恒星的重力。也就是说,小于1.4个太阳质量的恒星在冷却的时候,有可能靠这种力抵挡住自身的万有引力,不再进一步塌缩,而形成原子核在电子海洋中漂浮的状态。白矮星上的物质就处于这种状态。但是,如果恒星质量大于1.4个太阳质量,这种力将抗不住恒星的自身引力,恒星将进一步塌缩下去。他认为,1.4个太阳质量是一个界限,不存在大于这个质量的白矮星。

当轮船靠岸时,他已经得出了重要的结果。钱德拉塞卡非常兴奋,准备把自己的研究结果作为见面礼,送给爱丁顿教授。钱德拉塞卡满心以为爱丁顿教授会夸奖他。然而,爱丁顿听完他的讲述后非常冷淡,认为他的结论不对。钱德拉塞卡是个忠厚而彬彬有礼的青年,他没有与教授争吵,而是进一步推敲自己的工作。以后钱德拉塞卡曾多次向爱丁顿陈述自己的观点,均被爱丁顿否定。

有一天,爱丁顿告诉24岁的钱德拉塞卡,为他争取到一个在重要学术会议上报告其工作的机会,而且运用自己的影响为钱德拉塞卡争得比别人更长的报告时间,使他能够更充分地阐述自己的观点。在开会之前,他又告诉钱德拉塞卡,他也要在这个会议上作报告,而且题目与钱德拉塞卡相同,都是关于星体塌缩与白矮星形成的。钱德拉塞卡立刻担心起来,怕爱丁屯抢夺他的研究成果。然而,结果却与他预料的完全相反。当钱德拉塞卡报告完自己的工作的时候,爱丁屯当面撕掉钱德拉塞卡的论文,说他是一派胡言。钱德拉塞卡当众出丑,而且失去了在英国寻找职业的机会,因为大家都认为他在学术上闹了大笑话。钱德拉塞卡不得不到美国去谋取生路。

然而泡利肯定了钱德拉塞卡的工作。当钱德拉塞卡向泡利征求意见,并告诉泡利,爱丁顿教授认为他的这一工作违反泡利不相容原理的时候,泡利笑了起来,说:你的这件工作也许违背了爱丁顿不相容原理,但没有违背我的不相容原理。

钱德拉塞卡的理论终于得到了公认。