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谁先提出了中子星的概念

  • 文章来源:科技日报
  • 文章发布时间:2018年09月07日
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  科林碎玉

  1932年2月27日,英国物理学家查德威克投给《自然》杂志的一篇论文发表。在这篇论文里,查德威克宣布自己发现了新的粒子——中子。两天后,即2月29日,苏联物理学家朗道发表了一篇论文,猜测所有恒星内部都可能存在一个非常致密的巨大“原子核”,这个巨大原子核内部,电子和质子靠得非常近。这样一个“巨大的原子核”的概念,也跟现在中子星的概念很接近。这两件事的顺序让很多人认为:朗道在知道查德威克的论文之后,首次提出了中子星的概念。

  然而,论文从开始构思,到写作,再到投稿,最后通过编辑甚至审稿人的审核,需要的时间一般比较长,不可能仅仅经过2天就完成全部程序。那么,是不是朗道在查德威克尚未发表论文时先听到了这个消息——就像2017年双中子星碰撞的大批论文发表前就已经有内部消息流出?事实上,查德威克是在1932年1月28日才开始按照居里夫人的女儿和女婿——小居里夫妇的实验方案来搜寻中子,所以必然在此后才发现中子,而朗道的那篇论文实际上在1931年2月就已经完成了。这个时间顺序一下子就把上面两种可能性都推翻了。

  朗道写那篇论文时,还不知道中子这个概念,这一点也可以从他论文里看出:论文里面根本没有提到中子,而为了解释为什么质子和电子靠得非常近却不发生彼此湮灭,他采取玻尔刚刚提出的“能量守恒定律不再成立”的假说。而如果认为存在中子,就不必引入玻尔的这个假说了。

  1933年12月中旬,天文学家巴德和兹威基在一次会议上首次提出可能有一种星体完全由中子构成。他们以超新星释放的巨大能量作为出发点:一个正常的恒星收缩成一个半径只有十几千米的星体,释放出的引力能才足以让超新星那么亮、那么持久。而一个星体被压得这么小,那电子就和质子结合成中子,与之前就存在的中子一起,构成了中子星。

  巴德和兹威基将这次谈话的摘要发表在1934年的一期《物理评论》上面,讨论了中子星、超新星与宇宙线的关系。然后,二人又于同一年在《美国国家科学院院刊》上发表了两篇论文,更加详细地讨论了这些概念。

  我们可以对比一下朗道与巴德、兹威基的工作。朗道于1931年的论文里猜测的“巨大原子核”,看上去是“中子星”,其实只是一个“质子+电子”星,只是里面的质子和电子靠得非常近、密度也非常大而已。而1933年年底巴德和兹威基提出的却是“中子星”。二者有着本质的差异。这就如我们知道水是氢和氧构成的,但如果只是将氢和氧混合在一起,却并不是水。

  尽管现在我们可以判定朗道并不是第一个提出中子星的物理学家,但他那篇论文里的一个副产品却值得注意:他在文章一开始就讨论恒星的极限质量,推导出的极限质量为2.8×1033克,他认为这个值约等于1.5个太阳质量。实际上,太阳质量是1.989×1033克,所以他计算出的那个值,其实是1.4个太阳质量,这个值其实是白矮星的极限质量!朗道算出了白矮星的极限质量,但却以为算的是所有恒星的极限质量。

  而就在朗道写下这篇文章的同一年,来自印度的青年天文学家钱德拉塞卡发表了一篇重要论文,这篇论文针对白矮星,计算出的极限质量是0.9个太阳,因为他将里面的一个因子取为2.5。朗道计算时将那个因子正确地取为2,得到了比钱德拉塞卡精确很多的值。但由于朗道没有将这个结果应用到白矮星,钱德拉塞卡将这个结果应用到了白矮星,这个质量值因此被称为白矮星的“钱德拉塞卡极限”。

  今天我们回顾朗道那篇文章,会感觉相当可惜,他算出了白矮星的质量极限,却没有让这个极限命名为“朗道极限”;他猜测到了质子与电子紧密靠近的一个巨大原子核,却没有进一步想到完全由中子构成的星体。

  然而,对于这个后来在物理学的多个领域都做出杰出成就的伟大的物理学大师,这些都是可以原谅的,毕竟他写完那篇论文时才刚满23岁。

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