第5章　坍縮是必然的

即使我們認(rèn)為

在所有力中最強(qiáng)的核力

也頂不住引力的擠壓

茨維基

在三四十年代，弗里茲·茨維基（Fritz Zwicky）的許多同事都認(rèn)為他是一個(gè)令人頭痛的小丑，后代的天文學(xué)家回頭來看，會(huì)認(rèn)為他是一個(gè)有創(chuàng)造力的天才。

“在我1933年認(rèn)識(shí)弗里茲時(shí)，他完全相信自己內(nèi)心有一條通向終極知識(shí)的道路，而別人個(gè)個(gè)都是錯(cuò)的。”[142]福勒這么說，那時(shí)他是加州理工學(xué)院（加利福尼亞理工學(xué)院）的學(xué)生，茨維基在那兒教書和研究。從40年代后期就在學(xué)院與茨維基同事的格林斯坦（Jesse Greenstein）回憶說，茨維基是“一個(gè)喜歡自我宣揚(yáng)的天才……無疑，他具有與眾不同的思想，但是，盡管他不承認(rèn)，他確實(shí)有些粗野，也不是那么能控制自己……他上一門物理課，讓誰(shuí)聽課全憑他喜歡，如果他認(rèn)為誰(shuí)能夠領(lǐng)會(huì)他的思想，他就讓他來聽課……[在學(xué)院的物理教授中，]他很孤單，而且不討學(xué)校的喜歡……他常在發(fā)表的文章中猛烈攻擊別人”。[143]

敦實(shí)而自負(fù)的茨維基總喜歡斗爭(zhēng)——他不懈地宣揚(yáng)他那通向終極知識(shí)的思想路線，夸耀它所帶來的啟示。30年代，他在一個(gè)個(gè)演講、一篇篇文章中宣傳他的中子星概念——這個(gè)概念是他茨維基為了解釋天文學(xué)家觀察到的高能現(xiàn)象超新星和宇宙線的起源而創(chuàng)造的。他甚至到全國(guó)性的廣播節(jié)目中去普及他的中子星。[144]但是，仔細(xì)研究會(huì)發(fā)現(xiàn)，他的文章和演說是不能令人信服的，它們沒有提供多少能證實(shí)他思想的東西。

有一個(gè)傳說。在茨維基大肆宣揚(yáng)時(shí)，有人問密立根（Robert Millikan，是他將加州理工學(xué)院建成為科研院校中的一個(gè)強(qiáng)者），為什么把茨維基留在加州，他回答說，也許茨維基的遠(yuǎn)見中有些是對(duì)的。密立根與科學(xué)機(jī)構(gòu)的其他一些人不同，他一定感覺到了茨維基直覺的天賦——等到35年之后人們才普遍認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，那時(shí)，實(shí)測(cè)天文學(xué)家在天空中發(fā)現(xiàn)了真實(shí)的中子星，證實(shí)了茨維基關(guān)于它們的一些夸大的論斷。

在茨維基的論斷中，與本書關(guān)系最密切的是中子星扮演的恒星遺骸的角色。我們將看到，質(zhì)量太大的不能成為白矮星的正常恒星死亡后可能成為中子星。假如所有的大質(zhì)量恒星都以這種方式死亡，那么宇宙就能擺脫那種最奇異的假想的星體遺骸：黑洞。輕恒星死亡后變成白矮星，重恒星變成中子星，看來大自然沒有辦法生成黑洞了。愛因斯坦和愛丁頓以及他們那個(gè)年代的大多數(shù)天文學(xué)家可以長(zhǎng)長(zhǎng)地舒一口氣。

茨維基是1925年受密立根吸引來到加州理工學(xué)院的。密立根希望他在原子和晶體的量子力學(xué)結(jié)構(gòu)方面做理論研究，但在20年代后期和30年代初，茨維基越來越多地對(duì)天文學(xué)感興趣。在帕薩迪納工作的人，是很難不為天文學(xué)的宇宙著迷的，那兒不僅是加州理工學(xué)院的家，也是威爾遜山天文臺(tái)的家，天文臺(tái)有著世界最大的直徑為2.5米（100英寸）的反射望遠(yuǎn)鏡。

1931年，茨維基認(rèn)識(shí)了巴德（Walter Baade），他剛從漢堡和哥廷根來到威爾遜山，是一名優(yōu)秀的實(shí)測(cè)天文學(xué)家。他們有相同的文化背景：巴德是德國(guó)人，茨維基是瑞士人，都講德語(yǔ)。他們也都?xì)J佩對(duì)方的成就。不過，他們的共同之處到此為止。巴德的氣質(zhì)跟茨維基不同，他沉默、高傲，很難接近，消息靈通——而且對(duì)同事的怪癖很寬容。從第二年到第二次世界大戰(zhàn)期間兩人決裂，茨維基常令巴德忍無可忍。“茨維基叫巴德納粹，但他不是。巴德說，他害怕茨維基會(huì)殺他。讓他們這對(duì)兒住在同一間屋子里是很危險(xiǎn)的。”格林斯坦回憶說。[145]

1932和1933年間，巴德和茨維基常在帕薩迪納用德語(yǔ)熱烈討論叫“新星”的星體，它會(huì)突然爆發(fā)，比先前亮10 000倍，然后大概過一個(gè)月，又慢慢暗淡下來，回到正常狀態(tài)。巴德憑他淵博的天文學(xué)知識(shí)知道，有初步的證據(jù)表明，除了這些“平常的”新星外，可能還存在不平常的罕見的超級(jí)光亮的新星。天文學(xué)家起初并沒想到這些新星是超亮度的，因?yàn)閺耐h(yuǎn)鏡看它們表現(xiàn)的亮度跟平常的新星差不多是一樣的。然而，它們處在特殊的星云（閃光的“云”）里。20年代，威爾遜山和別處的觀測(cè)開始讓天文學(xué)家相信，那些星云不像我們?cè)日J(rèn)為的那樣只是我們銀河系中的氣體云，而本來就是一些星系——由近1012（萬(wàn)億）顆恒星形成的巨大集合，遠(yuǎn)在我們自己的星系之外。我們所看到的這些星系里的罕見新星比我們自己星系里的平常新星遙遠(yuǎn)得多，為了能夠表現(xiàn)出從地球上看到的亮度，它們必然在本質(zhì)上具有比平常新星強(qiáng)得多的發(fā)光能力。

世紀(jì)之交以來，天文學(xué)家觀測(cè)到36顆這樣的超光亮新星，巴德從已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)中把能找到的觀測(cè)數(shù)據(jù)都收集起來，將這些數(shù)據(jù)同他得到的有關(guān)新星到銀河系距離的觀測(cè)資料相結(jié)合，根據(jù)結(jié)合計(jì)算這些超光亮新星發(fā)出了多少光。他的結(jié)果令人驚訝：在爆發(fā)中，超光亮新星的發(fā)光本領(lǐng)典型地比我們的太陽(yáng)大108（1億）倍！（現(xiàn)在我們知道，這些距離在30年代被低估了約10倍，[146]相應(yīng)地，超光亮新星的發(fā)光能力應(yīng)比我們太陽(yáng)強(qiáng)1010（100億）倍。[147]這在很大程度上也應(yīng)歸功于巴德1952年的工作。）

喜歡極端的茨維基被這些超光亮新星迷住了。他和巴德沒完沒了地討論，將它們命名為超新星。他們?cè)O(shè)想（對(duì)的），每顆超新星都是正常恒星爆炸產(chǎn)生的。因?yàn)楸ㄌ珶幔麄儾孪耄ㄟ@回錯(cuò)了），更多的能量是通過紫外線和X射線輻射出去的，而可見光較少。由于紫外線和X射線不能穿透地球大氣，所以不可能測(cè)量它們包含了多少能量。然而，有可能根據(jù)觀測(cè)到的光譜線和決定在爆炸中超新星熱氣體行為的物理學(xué)定律來估計(jì)能量。

將巴德的觀測(cè)和平常新星的知識(shí)與茨維基的理論物理學(xué)認(rèn)識(shí)相結(jié)合，巴德和茨維基得到結(jié)論（錯(cuò)的），來自超新星的紫外線和X射線攜的能量至少是可見光的1萬(wàn)倍或者也許1 000萬(wàn)倍。[148]喜歡極端的茨維基立刻認(rèn)定較大的因子（1 000萬(wàn)）是正確的，而且滿懷熱情地引用它。

這個(gè)（不正確的）1 000萬(wàn)的因子意味著，在超新星最亮的幾天內(nèi)，它將發(fā)出巨大的能量：大約是我們的太陽(yáng)在它100億年壽命中以熱和光的形式輻射出的能量的100倍。這差不多是我們將太陽(yáng)質(zhì)量的十分之一轉(zhuǎn)化為純光能所能獲得的能量！

（由于后來幾十年的超新星的觀測(cè)研究——許多工作是茨維基自己做的——我們現(xiàn)在知道，巴德—茨維基超新星能量估計(jì)并沒偏離太遠(yuǎn)，但我們也知道，他們的能量計(jì)算有嚴(yán)重的缺陷：幾乎所有釋放的能量實(shí)際上都是被稱為中微子的粒子帶走的，而不是他們認(rèn)為的X射線和紫外輻射。巴德和茨維基能得到正確答案全靠運(yùn)氣。）

巨大的超新星能量會(huì)來自哪里呢？為解釋這個(gè)問題，茨維基提出了中子星。

茨維基對(duì)物理學(xué)和天文學(xué)的所有分支都感興趣，他想象自己是一個(gè)哲學(xué)家。他試圖以一種被他后來稱為“形態(tài)學(xué)方式”的方法把他遇到的所有現(xiàn)象都聯(lián)系起來。1932年，在所有物理學(xué)和天文學(xué)課題中最受歡迎的是核物理學(xué)，即研究原子核的學(xué)問。茨維基從那兒汲取了他的中子星思想的關(guān)鍵要素：中子的概念。

中子在本章和下一章都很重要，我現(xiàn)在暫時(shí)離開茨維基和他的中子星，來談?wù)勚凶拥陌l(fā)現(xiàn)和它與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

1926年“新的”量子力學(xué)定律建立后（第4章），物理學(xué)家在接下來的5年里，用這些量子力學(xué)定律去探索微觀世界。他們揭開了原子以及那些由原子組成的分子、金屬、晶體和白矮星物質(zhì)等材料的秘密（卡片5.1）。接著，1931年，物理學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)到了原子的中心和處在中心的原子核。

原子核的性質(zhì)曾是個(gè)大秘密。大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為它是由一組電子和雙倍的質(zhì)子以某種未知的方式束縛在一起而構(gòu)成的。但是，英國(guó)劍橋的盧瑟福（Ernst Rutherford）有不同的假設(shè)：原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。那時(shí)，已經(jīng)知道質(zhì)子是存在的，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)研究幾十年了，而且還知道它比電子重約2 000倍，帶有正電荷。中子還不知道。為了用量子力學(xué)定律成功解釋原子核，盧瑟福只好假定中子是存在的。成功的解釋需要三個(gè)條件：（1）中子必須具有大致與質(zhì)子相同的質(zhì)量，但不帶電荷。（2）每個(gè)核必須包含大致相同數(shù)目的中子和質(zhì)子。（3）所有中子和質(zhì)子必須通過一種新類型的力緊密地聚集在小小的核內(nèi)——這種力既不是電力，也不是引力，自然被稱為核力（現(xiàn)在我們也稱它強(qiáng)力）。中子和質(zhì)子通過幽閉的無規(guī)則的高速運(yùn)動(dòng)來對(duì)抗原子核的約束，這些運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生簡(jiǎn)并壓力，壓力與核力平衡以維持核的穩(wěn)定和約10-13厘米的大小。

1931年到1932年初，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們競(jìng)相檢驗(yàn)原子核的這種描述。方法是，用高能輻射轟擊原子核，設(shè)法將盧瑟福假想的中子從核中打出來。1932年，盧瑟福自己的實(shí)驗(yàn)小組成員查德威克（James Chadwick）贏得了競(jìng)賽。查德威克的轟擊成功了，中子大量出現(xiàn)，正好具有盧瑟福假想的那些性質(zhì)。世界各地的報(bào)紙熱熱鬧鬧地宣布了這個(gè)發(fā)現(xiàn)，茨維基當(dāng)然也注意了。

中子出現(xiàn)的那年，正是巴德和茨維基在為認(rèn)識(shí)超新星奮斗的一年。在茨維基看來，這個(gè)中子正好就是他們需要的東西。[149]他推測(cè)，正常星體的核，比如密度為每立方厘米100克，可能會(huì)通過坍縮達(dá)到像原子核那樣的密度，即每立方厘米1014（百萬(wàn)億）克，也許在那個(gè)收縮的星體核中的物質(zhì)會(huì)使自己變成中子的“氣體”——茨維基稱它為“中子星”。假如真是這樣，茨維基算出（這回對(duì)了），收縮核的強(qiáng)大引力會(huì)緊緊地將它束縛起來，這不僅會(huì)減小它的周長(zhǎng)，還會(huì)減少它的質(zhì)量。星體核現(xiàn)在的質(zhì)量將比它坍縮前輕10%。那10%的質(zhì)量跑到哪兒去了呢？茨維基猜想，它們變成了爆發(fā)的能量（這回他又對(duì)了。見圖5.1和卡片5.2）。

茨維基相信（對(duì)了），假如星體收縮核的質(zhì)量與太陽(yáng)的質(zhì)量相同，那么當(dāng)核轉(zhuǎn)變成中子星時(shí)，那10%的質(zhì)量將轉(zhuǎn)變?yōu)楸l(fā)的能量，約1046焦耳，接近茨維基所想的超新星需要的動(dòng)力。爆發(fā)的能量能將星體外層加熱到很高的溫度，然后將它們吹散在星際空間（圖5.1）；星體爆炸時(shí)，因高溫而發(fā)光，那正是他和巴德所認(rèn)定的超新星的行為。

茨維基不知道什么東西能引起星核坍縮而使它轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶有牵膊恢篮嗽谔s時(shí)有什么行為，所以他沒法估計(jì)坍縮會(huì)持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間（是慢慢收縮，還是迅速坍縮？）（60年代，我們終于發(fā)現(xiàn)了所有的細(xì)節(jié)，原來坍縮是很劇烈的；強(qiáng)大的引力在不到10秒鐘內(nèi)就使星體從地球那么大坍縮到100千米的周長(zhǎng)）。茨維基也沒有完全認(rèn)識(shí)核收縮的能量如何能產(chǎn)生超新星爆發(fā)，或者說，他不理解，為什么爆炸的碎屑在幾天里會(huì)那么耀眼，而且還能亮幾個(gè)月，而不是幾秒鐘、幾個(gè)小時(shí)或者幾年？然而，他知道——或者說他認(rèn)為他知道——在中子星形成時(shí)放出的能量正好是那么多，這對(duì)他足夠了。

茨維基并不滿足于解釋超新星，他還想解釋宇宙間的一切事物。1932～1933年，在所有還沒解釋的事物中，在加州理工學(xué)院最受注意的是宇宙線——來自空間的轟擊地球的高速粒子。學(xué)院的密立根是宇宙線研究的世界領(lǐng)袖，他為它們命了名；安德森發(fā)現(xiàn)，有些宇宙線是由反物質(zhì)構(gòu)成的。[150]愛走極端的茨維基想讓自己相信，大多數(shù)宇宙線來自我們太陽(yáng)系以外（這是對(duì)的），而且大多數(shù)還來自我們銀河系之外——實(shí)際上，來自宇宙最遙遠(yuǎn)的地方（錯(cuò)了）——然后，他相信（基本是對(duì)的），所有宇宙線攜帶的能量，大約與整個(gè)宇宙間超新星釋放的總能量相同。在茨維基看來，下面的結(jié)論是顯然的（也許是對(duì)的[151]）：宇宙線是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。

茨維基認(rèn)識(shí)到超新星、中子星和宇宙線的這些聯(lián)系是在1933年下半年。因?yàn)榘偷聫V博的實(shí)測(cè)天文學(xué)知識(shí)是這些聯(lián)系的決定性基礎(chǔ)，而茨維基的許多計(jì)算和推測(cè)也是在與巴德的口頭討論中完成的，所以茨維基和巴德同意一起在斯坦福大學(xué)（從帕薩迪納出發(fā)，輕輕松松沿海濱坐一天的車就到了）舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上報(bào)告他們的工作。他們報(bào)告的摘要刊在1934年1月15日出版的《物理學(xué)評(píng)論》上，如圖5.2。這是物理學(xué)和天文學(xué)史上最富遠(yuǎn)見的文獻(xiàn)之一。[152]

他們明確地?cái)嘌裕嬖诔滦沁@樣一類獨(dú)特的天體——不過，要等到4年以后的1938年，巴德和茨維基才能拿出嚴(yán)格證明它們不同于普通新星的充分證據(jù)。他們第一次為這種天體提出了“超新星”的名字；正確地估計(jì)了超新星釋放的能量；提出了宇宙線來自超新星的建議——在1933年還是似乎合理的假說，但沒有嚴(yán)格確立（見腳注）。他們發(fā)明了由中子形成的星體的概念——這個(gè)概念到1939年才在理論上獲得廣泛的贊同，而實(shí)際觀測(cè)確認(rèn)要等到1968年。他們?yōu)檫@個(gè)概念起了中子星的名字。他們還“完全保留”（這大概是謹(jǐn)慎的巴德插進(jìn)的一個(gè)短語(yǔ)）地提出，超新星是正常星向中子星轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物——到60年代初，人們才看到這個(gè)建議在理論上是可能的，但等到60年代末在古代超新星爆發(fā)的氣體內(nèi)發(fā)現(xiàn)脈沖星（旋轉(zhuǎn)的磁性的中子星）后，它才得到觀測(cè)的證明。

30年代的天文學(xué)家熱烈響應(yīng)巴德—茨維基超新星概念，但對(duì)茨維基關(guān)于中子星和宇宙線的思想?yún)s不大看得起。普遍認(rèn)為它“太假了”；可能還有人說它“建立在不可靠的計(jì)算基礎(chǔ)上”，說得很對(duì)。茨維基的文章和談話沒有為他的思想提供更充分的證明線索。事實(shí)上，我在仔細(xì)研究茨維基那個(gè)年代的文章后發(fā)現(xiàn)，他沒有很好地理解物理學(xué)定律，所以沒能證明他的想法。本章后面我還會(huì)回來談這一點(diǎn)。

回溯起來，有些科學(xué)概念本來是很顯然的，所以我們會(huì)奇怪，當(dāng)時(shí)竟沒有人馬上認(rèn)識(shí)到它們。中子星與黑洞的聯(lián)系就是這樣的例子。茨維基在1933年就可能發(fā)現(xiàn)這個(gè)聯(lián)系，但他沒有；6年以后，這種聯(lián)系才初步建立起來，而在20多年以后它才確定下來。這段令物理學(xué)家想起來就臉紅的曲折經(jīng)歷，是本章后面的主題。

物理學(xué)家是如何認(rèn)識(shí)到中子星—黑洞聯(lián)系的呢？為講好這個(gè)故事，先應(yīng)該知道關(guān)于這個(gè)聯(lián)系的一些事情，下面我們就來看看。

恒星死后的命運(yùn)如何？第4章揭示了部分答案，畫在圖5.3的右邊（與圖4.4是一樣的）。那個(gè)答案依賴于恒星的質(zhì)量是小于還是大于1.4個(gè)太陽(yáng)（錢德拉塞卡極限質(zhì)量）。

假如恒星質(zhì)量小于錢德拉塞卡極限，比如太陽(yáng)自己，它在生命的盡頭將走上圖5.3中寫著“太陽(yáng)之死”的路徑。它一面向空間輻射光，一面慢慢冷卻，失去（熱產(chǎn)生的）熱壓力。因?yàn)閴毫p小了，它不再能夠抵抗引力向內(nèi)的擠壓。引力迫使它收縮。收縮時(shí)，它在圖5.3中向著左端移動(dòng)到更小的周長(zhǎng)，而總是處在圖中相同的高度上，因?yàn)樗馁|(zhì)量不會(huì)改變（注意，圖中質(zhì)量向上、周長(zhǎng)向右增加）。收縮時(shí)，內(nèi)部的電子被擠到越來越小的格子里。最后，電子以它強(qiáng)大的簡(jiǎn)并壓力頂住了星體的收縮。簡(jiǎn)并壓力對(duì)抗著星體向內(nèi)的引力擠壓，迫使它在圖5.3的白區(qū)和陰影區(qū)的邊界曲線（白矮星曲線）上安靜下來，走進(jìn)白矮星的墓穴。如果星體還要收縮（也就是從白矮星曲線向左走進(jìn)陰影區(qū)），電子簡(jiǎn)并壓力會(huì)變得更強(qiáng)，使星體膨脹又回到白矮星曲線。如果星體還要膨脹到白區(qū)，電子簡(jiǎn)并壓力將減弱，引力又使它收縮，回到白矮星曲線。這樣，星體除了永遠(yuǎn)停留在白矮星曲線上，沒有別的選擇。引力和壓力在這里完全平衡，它將慢慢冷卻而變成一顆黑矮星——一個(gè)地球大小卻具有太陽(yáng)質(zhì)量的冰冷而黑暗的天體。

假如恒星質(zhì)量超過了錢德拉塞卡1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的極限，比如天狼星，它在生命的盡頭會(huì)走上“天狼星之死”的道路。當(dāng)它發(fā)出輻射，冷卻收縮，沿著那條道路向左走向越來越小的周長(zhǎng)時(shí)，它的電子也被擠到越來越小的格子里。這些電子以不斷增大的簡(jiǎn)并壓力反抗著，然而反抗是徒勞的。因?yàn)楹阈琴|(zhì)量太大，引力足以壓倒一切電子的反抗。電子不可能產(chǎn)生足夠的簡(jiǎn)并壓力來對(duì)抗恒星的引力，[153]恒星必然像愛丁頓說的那樣，“繼續(xù)地輻射下去，收縮下去，我想，它會(huì)一直輻射收縮到幾千米的半徑，那時(shí)引力會(huì)變得很強(qiáng)大，足以平息這些輻射，而恒星也最終找到了安寧。”

如果不是中子星，恒星的命運(yùn)可能會(huì)是這樣的。假如茨維基是對(duì)的，中子星能夠存在，那么它們一定會(huì)像白矮星，不過內(nèi)部壓力是中子而不是電子產(chǎn)生的。這意味著在圖5.3中應(yīng)該有一條類似于白矮星曲線的中子星曲線，但周長(zhǎng)（標(biāo)在水平軸上）大約是幾百千米，而不是幾萬(wàn)千米。在中子星曲線上，中子壓力完全與引力相平衡，所以中子星會(huì)永遠(yuǎn)留在那兒。

假定中子星曲線在圖5.3中向上延伸到更大的質(zhì)量，就是說，假定它像圖中的曲線B那樣，那么，天狼星死亡時(shí)不會(huì)生成黑洞。相反，它會(huì)收縮到中子星曲線，然后就不再收縮了。如果還要收縮（就是說，向中子星曲線的左端移動(dòng)，進(jìn)入陰影區(qū)），它內(nèi)部的中子將反抗擠壓，產(chǎn)生巨大的壓力（部分是因?yàn)楹?jiǎn)并，即“幽閉”，部分是核力）；壓力很大，足以超過引力從而使星體向外擴(kuò)張，回到中子星曲線。如果星體想擴(kuò)張到白區(qū)，中子的壓力將降低，又讓引力占上風(fēng)，將星體擠壓回來。這樣，天狼星沒有別的選擇，只好停在中子星曲線上，永遠(yuǎn)留在那兒，慢慢冷卻下來，成為一顆致密、冰冷而黑暗的中子星。

假定中子星曲線不向上延伸到更大的質(zhì)量，而是像假想曲線A那樣彎曲。這意味著任意中子星都存在一個(gè)極大質(zhì)量，類似于白矮星的1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的錢德拉塞卡極限。對(duì)中子星來說，也像白矮星的情形一樣，極大質(zhì)量的存在預(yù)示著一個(gè)極其重要的事實(shí)：在質(zhì)量超過極大值的恒星內(nèi)，引力將完全超越中子的壓力。于是，當(dāng)這么大質(zhì)量的恒星死亡時(shí)，它要么放出足夠多的質(zhì)量而低于極大值，要么在引力作用下無情地收縮下去，通過中子星曲線，然后——假如除了白矮星、中子星和黑洞以外，沒有其他可能的星體歸宿——它會(huì)一直收縮下去，形成一個(gè)黑洞。

因此，中心問題，也就是關(guān)系著大質(zhì)量恒星的最終命運(yùn)的問題是，一個(gè)中子星能有多大質(zhì)量，如果可以很大，大于任何正常星體，那么黑洞就不可能在真實(shí)宇宙中形成。如果中子星有一個(gè)極大的可能質(zhì)量，而那個(gè)極大質(zhì)量又不是太大，那么黑洞是會(huì)形成的——除非還有什么別的在30年代未曾想到過的恒星歸宿。

現(xiàn)在看來，這條推理路線那么明顯，但茨維基沒走上來，錢德拉塞卡沒走上來，愛丁頓也沒走上來，真是令人奇怪。不過，就算茨維基走上來了，也不會(huì)走得太遠(yuǎn)，他對(duì)核物理和相對(duì)論了解得太少，不可能發(fā)現(xiàn)物理學(xué)定律是否為中子星安排了質(zhì)量極限。然而，在加州理工學(xué)院真有兩位懂物理的人，他們能推導(dǎo)中子星的質(zhì)量：一個(gè)是托爾曼（Richard Chace Tolman），他從化學(xué)家變成物理學(xué)家，寫過一本題為《相對(duì)論、熱力學(xué)和宇宙學(xué)》的經(jīng)典教科書；另一個(gè)是奧本海默（J.Robert Oppenheimer），他后來將領(lǐng)導(dǎo)美國(guó)發(fā)展原子彈。

但是，托爾曼和奧本海默對(duì)茨維基的中子星一點(diǎn)興趣也沒有，直到1938年他們才注意到它，那年，中子星的思想發(fā)表了（名字稍有不同，叫中子核），作者是另一個(gè)人，他不像茨維基那樣不太討人喜歡，而是大家尊敬的莫斯科的朗道（Lev Davidovich Landau）。

朗道

朗道關(guān)于中子核的文章實(shí)際上是一篇求助的呼喚。[154]那時(shí)，斯大林的清洗運(yùn)動(dòng)席卷整個(gè)蘇聯(lián)，朗道很危險(xiǎn)。他希望以他的中子核思想在報(bào)紙上激起大波，這樣可能會(huì)使他免遭逮捕和死亡，但關(guān)于這點(diǎn)，托爾曼和奧本海默一無所知。

朗道的危險(xiǎn)來自他過去與西方科學(xué)家的接觸。

俄國(guó)革命不久，科學(xué)成了新共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)人特別關(guān)注的目標(biāo)。列寧促使在1919年的布爾什維克黨第八次會(huì)議上通過一項(xiàng)決議，免除了對(duì)科學(xué)家的意識(shí)形態(tài)純潔性的要求：“工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問題需要立刻廣泛地發(fā)揮我們從資本主義那里得來的科學(xué)和技術(shù)專家們的作用，盡管他們難免沾染些資產(chǎn)階級(jí)的思想和作風(fēng)。”特別令蘇維埃科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者們關(guān)心的是蘇聯(lián)理論物理學(xué)的可憐狀況，所以，托共產(chǎn)黨和政府的福，蘇聯(lián)最有才華和希望的年輕理論家們來到列寧格勒（圣彼德堡）讀了幾年研究生，完成相當(dāng)于博士學(xué)位的課程后，被送到西歐作一兩年的博士后研究。

為什么要讀博士后呢？因?yàn)榈?0年代，物理學(xué)已經(jīng)太復(fù)雜了，博士水平的培養(yǎng)不能滿足精通的需要。為了在全世界促進(jìn)更高的培養(yǎng)，一個(gè)博士后獎(jiǎng)學(xué)金體系就建立起來了，主要靠洛克菲勒基金的資助（來自資本主義石油企業(yè)的好處）。任何人，即使是熱情的蘇聯(lián)馬克思主義者，都能競(jìng)爭(zhēng)獎(jiǎng)學(xué)金，獲獎(jiǎng)?wù)呔捅环Q為“博士后研究生”或簡(jiǎn)稱“博士后”。

為什么到西歐去讀博士后呢？因?yàn)樵?0年代，西歐是理論物理學(xué)的圣地，幾乎是每一個(gè)世界知名的理論物理學(xué)家的故鄉(xiāng)。蘇聯(lián)的領(lǐng)導(dǎo)者們?yōu)榱孙@示他們的恩賜，要把西方的理論物理灌輸?shù)教K聯(lián)，沒有別的選擇，只好將他們年輕的理論家送到那兒去培養(yǎng)，也顧不上精神污染的危險(xiǎn)了。

在經(jīng)歷過到列寧格勒，然后去西歐，然后回蘇聯(lián)的年輕蘇維埃理論家中，朗道在物理學(xué)界是最有影響的。他1908年出生在一個(gè)小康的猶太家庭（父親是里海之濱巴庫(kù)的石油工程師），他16歲進(jìn)列寧格勒大學(xué)，19歲本科畢業(yè)。在列寧格勒技術(shù)物理學(xué)院只讀了兩年的研究生，他就完成了相當(dāng)于博士學(xué)位的學(xué)習(xí)，然后來到西歐。在1929～1930年的18個(gè)月里，他走遍了瑞士、德國(guó)、丹麥、英國(guó)、比利時(shí)和荷蘭的大理論物理學(xué)中心。

德國(guó)出生的皮爾斯（Rudolph Peierls）是朗道在蘇黎世的博士后同學(xué)，他后來回憶說，“我還清晰記得朗道1929年在蘇黎世出現(xiàn)在泡利的系里時(shí)，給我們留下的深刻印象。……沒過多久就能發(fā)現(xiàn)他對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的深刻認(rèn)識(shí)和他解決基礎(chǔ)問題的技巧。他很少詳細(xì)閱讀理論物理學(xué)的論文，只是大概看看，問題是否有趣，如果有趣，作者的方法是什么。然后他開始自己計(jì)算，如果答案和作者的一致，他就贊同這篇文章。”[155]皮爾斯和朗道成了最要好的朋友。

朗道高而瘦，對(duì)別人、對(duì)自己都很嚴(yán)厲。他很失望自己晚生了幾年。他認(rèn)為，物理學(xué)的黃金年代是1925～1927年，那時(shí)德布羅意、薛定諤、海森伯、玻爾等人正在開創(chuàng)新的量子力學(xué)。如果生得早些，他朗道也能加入其間了。“所有的漂亮女孩兒都被搶走跟人結(jié)婚了，所有好的物理問題都被解決了。我實(shí)在不喜歡剩下的那些東西。”[156]1929年，他在柏林曾這樣失望地抱怨。但是，實(shí)際上，量子力學(xué)和相對(duì)論的結(jié)果的探索才剛剛開始，那些結(jié)果也會(huì)帶來驚奇：原子核的結(jié)構(gòu)、核能、黑洞和它們的蒸發(fā)、超流、超導(dǎo)、晶體管、激光以及磁共振圖像等，這只不過是幾個(gè)例子。朗道雖然悲觀，但他將成為探尋這些結(jié)果的核心人物。

朗道是一個(gè)熱情的馬克思主義者和愛國(guó)者，1931年一回到列寧格勒，他就決心集中精力向蘇聯(lián)輸入現(xiàn)代理論物理學(xué)，在后面的章節(jié)我們會(huì)看到，他取得了巨大的成功。

朗道回國(guó)不久，斯大林的鐵幕降下來，再去西方幾乎不可能了。據(jù)朗道在列寧格勒的同學(xué)蓋莫夫（George Gamow）后來回憶，“俄國(guó)科學(xué)現(xiàn)在成了與資本主義世界斗爭(zhēng)的武器。跟希特勒將科學(xué)和藝術(shù)分為猶太的和亞利安的一樣，斯大林發(fā)明了資產(chǎn)階級(jí)科學(xué)和無產(chǎn)階級(jí)科學(xué)的名詞。俄國(guó)科學(xué)家同資本主義國(guó)家科學(xué)家‘友好’……成了一種犯罪。”[157]

政治氣候從惡劣走向恐怖。1936年，在強(qiáng)迫農(nóng)業(yè)合作化過程中殺害了六七百萬(wàn)農(nóng)民和富農(nóng)（土地所有者）的斯大林，開始了對(duì)全國(guó)政界和知識(shí)界領(lǐng)導(dǎo)人長(zhǎng)達(dá)7年的清洗，現(xiàn)在稱這場(chǎng)清洗為大恐怖。清洗處決了幾乎所有原列寧的政治局成員。蘇維埃軍隊(duì)的最高指揮官們，71名共產(chǎn)黨中央委員會(huì)委員中的50名，大多數(shù)的駐外使節(jié)以及非俄羅斯聯(lián)邦的總理和高級(jí)官員，都在清洗中被處決或者被迫消失，永遠(yuǎn)不再出現(xiàn)。據(jù)保守估計(jì)，大約700萬(wàn)人被抓進(jìn)監(jiān)獄，250萬(wàn)人死亡——其中一半是知識(shí)分子，包括大批科學(xué)家和一些研究群體。蘇聯(lián)的生物學(xué)、遺傳學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)被毀了。[158]

1937年下半年，朗道（他現(xiàn)在是莫斯科理論物理學(xué)研究的領(lǐng)導(dǎo)者）感到清洗的惡浪正向他逼近。他在惶恐中尋求保護(hù)，一個(gè)可能的辦法是，讓公眾都來注意他這個(gè)知名的科學(xué)家，于是他在他的科學(xué)思想中找一個(gè)可能在西方和東方都激起巨瀾的東西。他選的是從30年代就開始思考的一個(gè)思想：像太陽(yáng)那樣的“正常”恒星，可能會(huì)在中心擁有中子星——朗道稱它們是中子核。

朗道是這樣想的：太陽(yáng)和其他正常恒星通過（熱產(chǎn)生的）熱壓力來抵抗引力而維持自身。太陽(yáng)向空間輻射熱和光時(shí)，必然要冷卻、收縮，在大約3000萬(wàn)年的時(shí)間里慢慢死亡——除非它有什么辦法補(bǔ)充失去的熱量。在20年代和30年代，有令人信服的證據(jù)表明，地球在10億年或更長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持著大致相同的溫度，所以太陽(yáng)也一定通過某種方式補(bǔ)充它的熱量。愛丁頓等人已經(jīng)在20年代提出（對(duì)的），新的熱量可能來自核反應(yīng)，在反應(yīng)中，一類原子核轉(zhuǎn)變成另一類原子核——現(xiàn)在我們稱它為核燃燒或核聚變，[159]見卡片5.3。不過，到1937年，核燃燒的細(xì)節(jié)還了解太少，物理學(xué)家不知道它是否能夠這樣。朗道的中子核提供了一個(gè)很誘人的可能。

茨維基曾想象，在正常星坍縮成中子星時(shí)釋放的能量為超新星提供了動(dòng)力，同樣，朗道也能想象，太陽(yáng)或其他正常恒星也是通過它們的原子一個(gè)個(gè)被中子核捕獲時(shí)釋放的能量來補(bǔ)充動(dòng)力的（圖5.4）。

原子被中子核捕獲很像一塊石頭從很高的地方落到水泥板上：引力將石塊拉下來，使它獲得很高的速度，當(dāng)它打在水泥板上時(shí)，巨大的動(dòng)能（運(yùn)動(dòng)的能量）會(huì)使它摔得粉碎。同樣，朗道認(rèn)為，中子核上的引力能使塌陷的原子達(dá)到很高的速度。當(dāng)這些原子落進(jìn)核時(shí)，會(huì)碎裂開來，動(dòng)能（相當(dāng)于總質(zhì)量的10%）將轉(zhuǎn)化為熱量。在這樣的圖景中，太陽(yáng)的最終熱量來源是中子核的強(qiáng)大引力；而對(duì)于茨維基的超新星，核的引力在塌陷原子的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為熱量的過程中只有10%的作用。

與中子核捕獲原子（圖5.4）相比，核燃料的燃燒（卡片5.3）只能將百分之零點(diǎn)幾的燃料質(zhì)量轉(zhuǎn)化為熱量。換句話說，愛丁頓的熱源（核能）大約比朗道的熱源（引力能）小30倍。[160]

朗道在1931年實(shí)際上發(fā)現(xiàn)了他的中子核思想的更原始的形式。但是，那時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)中子，原子核也還是個(gè)謎，所以，在他1931年的模型里，核捕獲原子釋放能量是通過一個(gè)完全假想的過程，而過程的基礎(chǔ)（錯(cuò)的）在于懷疑量子力學(xué)定律在原子核問題上可能會(huì)失敗。[161]現(xiàn)在中子發(fā)現(xiàn)5年了，原子核的性質(zhì)也開始為人們所認(rèn)識(shí)，朗道可以讓他的思想更精確更服人了。把它向世界提出來，在大眾中激起波瀾，他也許能夠躲過斯大林大清洗的浪頭。

1937年下半年，朗道寫了篇稿子講他的中子核思想；[162]為保證它能受到盡可能多的注意，他采取了一系列非常的措施：他把稿子交給蘇聯(lián)的Doklady Akademii Nauk（《蘇聯(lián)科學(xué)院報(bào)告》）發(fā)表，同時(shí)將英文稿寄給哥本哈根的玻爾——也就是錢德拉塞卡受愛丁頓攻擊時(shí)曾求助過的那位西方著名物理學(xué)家（玻爾作為蘇聯(lián)科學(xué)院榮譽(yù)院士，即使在大恐怖年代，也多少還能為蘇聯(lián)當(dāng)局所接受）。同稿子一起，朗道還給玻爾寫了下面的信：

親愛的玻爾先生！

我隨信給您寄來一篇我寫的關(guān)于星體能量的文章。如果您認(rèn)為它還有點(diǎn)兒物理意義，請(qǐng)您把它交給《自然》。如果您不嫌太麻煩，我會(huì)樂意聽聽您對(duì)這個(gè)工作的意見。

萬(wàn)分感謝。

您的，L.朗道

1937年11月5日，莫斯科

（《自然》是英國(guó)科學(xué)雜志，及時(shí)發(fā)表一切科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)，也是世界各類科學(xué)期刊中發(fā)行量最大的雜志之一。）

朗道有個(gè)身居高位的朋友——他一聽到玻爾認(rèn)可了他的文章并交給了《自然》，就讓《消息報(bào)》（蘇聯(lián)最有影響的兩家報(bào)紙之一，是由蘇聯(lián)政府管理并代表政府的報(bào)紙）編輯部給玻爾發(fā)了一封電報(bào)。電報(bào)是1937年11月16日發(fā)出的：

請(qǐng)告知您對(duì)朗道教授工作的意見。電告您的簡(jiǎn)單結(jié)論。

《消息報(bào)》編輯部

玻爾顯然對(duì)這個(gè)要求感到疑惑和憂慮，當(dāng)天就從哥本哈根回了信：

朗道教授關(guān)于大質(zhì)量恒星的中子核的新思想是很杰出而大有希望的。我會(huì)很高興地對(duì)它和朗道的多個(gè)其他研究發(fā)表一個(gè)簡(jiǎn)短的評(píng)價(jià)。請(qǐng)更詳細(xì)地告訴我，為什么要我的意見。

玻爾

《消息報(bào)》編輯部回答說，他們想把玻爾的意見在報(bào)上發(fā)表。11月23日，他們真那么做了，那是一篇講述朗道的思想并給予高度贊揚(yáng)的文章：

朗道教授的工作在蘇聯(lián)科學(xué)家中間激起了極大的興趣，他大膽的思想為天體物理學(xué)中最重要的過程之一帶來了新的生命。有充分的理由認(rèn)為，朗道的新假說將被證明是正確的，它將為天體物理學(xué)中的一大堆尚未解決的問題帶來答案。……尼爾斯·玻爾對(duì)這位蘇聯(lián)科學(xué)家[朗道]的工作作了極高的補(bǔ)充評(píng)價(jià)，說“L.朗道的新思想是很杰出而大有希望的。”[163]

這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)還是沒能挽救朗道。1938年4月28日清晨，他寓所的門響了，未婚妻科娜在門里震驚地看到他被一輛黑色官方轎車帶走了。許多人遭遇的命運(yùn)現(xiàn)在也降臨到了朗道的頭上。

轎車將朗道帶到莫斯科最臭名昭著的政治監(jiān)獄——布提斯卡雅。人家告訴他，他的德國(guó)間諜活動(dòng)已經(jīng)暴露了，他得為此付出代價(jià)。滑稽的罪名是無關(guān)緊要的（朗道，一個(gè)猶太人，熱情的馬克思主義者，為納粹德國(guó)做間諜？），實(shí)際上那時(shí)幾乎所有的罪名都是可笑的。在斯大林的俄國(guó)，很少有人知道被抓進(jìn)監(jiān)獄的真正原因——不過，關(guān)于朗道的案子，在最近公開的克格勃文件中可以找到一點(diǎn)兒線索：[164]他在與同事的談話中，批評(píng)過共產(chǎn)黨和蘇聯(lián)政府的科研組織方式和大恐怖引發(fā)的1936～1937年的大逮捕。這些批評(píng)被認(rèn)為是“反蘇聯(lián)行為”，很容易讓人進(jìn)監(jiān)獄。

朗道很幸運(yùn)，他在獄中只待了一年就活著出來了——這是少有的。他在1939年4月被釋放，卡皮查（Pyotr Kapitsa）救了他。卡皮查是30年代蘇聯(lián)最著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他直接向莫洛托夫和斯大林說明了理由：朗道，而且在蘇聯(lián)所有的理論物理學(xué)家中，只有朗道有能力解開超流出現(xiàn)之謎。[165][超流是在卡皮查實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的，英國(guó)劍橋的阿倫（J.F.Allen）和米斯納（A.D.Misener）也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了。如果蘇聯(lián)科學(xué)家能解釋這個(gè)現(xiàn)象，就能雙倍地向世界證明蘇聯(lián)科學(xué)的能力。][166]

朗道從監(jiān)獄出來，憔悴不堪，病情嚴(yán)重。終于，他在身心恢復(fù)后，用量子力學(xué)定律解開了超流之謎，贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。但他的精神崩潰了，再也經(jīng)受不住來自政治集團(tuán)的哪怕一點(diǎn)點(diǎn)精神壓力。

奧本海默

在加利福尼亞，奧本海默照習(xí)慣仔細(xì)讀了朗道發(fā)表的每一篇文章。于是，朗道發(fā)表在1938年2月19日《自然》雜志上的關(guān)于中子核的文章立刻就引起了他的注意。茨維基提出的中子星為超新星提供能源的思想，在奧本海默看來，是容易破碎的幻想，而朗道提出的為正常恒星提供能源的中子核則值得認(rèn)真考慮。也許，太陽(yáng)真有這樣的核？奧本海默發(fā)誓要把它弄清楚。

奧本海默的研究風(fēng)格與我們迄今為止在本書遇到的任何一個(gè)人都不同。巴德和茨維基一起工作，是平等的伙伴，兩人的才能和知識(shí)互為補(bǔ)充；錢德拉塞卡和愛因斯坦喜歡一個(gè)人做研究；而奧本海默熱情洋溢，身邊總簇?fù)碇淮笕簩W(xué)生。愛因斯坦曾為教學(xué)感到痛苦，而奧本海默卻是在講課中成長(zhǎng)起來的。

跟朗道一樣，奧本海默也到過西歐理論物理學(xué)圣地學(xué)習(xí)；跟朗道一樣，奧本海默一回家，就著手把從歐洲學(xué)來的理論物理學(xué)傳給他的祖國(guó)。

回到美國(guó)時(shí)，奧本海默贏得了巨大的榮譽(yù)，包括哈佛和加州理工在內(nèi)的十所美國(guó)大學(xué)和兩所歐洲大學(xué)都為他提供了教授的職位。這些邀請(qǐng)中，有一個(gè)來自在伯克利的加利福尼亞大學(xué)，那兒根本沒有理論物理。奧本海默后來回憶，“我訪問了伯克利，我想我應(yīng)該去那兒，因?yàn)槟莾菏腔哪！彼诓死荛_創(chuàng)一些完全屬于他個(gè)人的東西。不過，奧本海默同時(shí)接受了伯克利和加州理工的邀請(qǐng)，因?yàn)樗略趯W(xué)術(shù)上孤獨(dú)。秋天和冬天他在伯克利，春天在加州理工學(xué)院。“我保持著與加州理工的聯(lián)系……如果我偏離基礎(chǔ)太遠(yuǎn)了，那兒能讓我走回來；我還能從那兒學(xué)到一些在發(fā)表的文獻(xiàn)里可能反映得不夠充分的東西。”

奧本海默剛當(dāng)老師時(shí)，對(duì)學(xué)生太嚴(yán)厲，太沒有耐心，太傲慢。他不了解學(xué)生知道多少，也不愿讓自己適應(yīng)他們的水平。1930年春，他在加州理工學(xué)院的頭一課真是講絕了——論證有力，語(yǔ)言優(yōu)美，見解深遠(yuǎn)。課講完了，人都走了，托爾曼（這位從化學(xué)家來的物理學(xué)家現(xiàn)在是他的親密朋友）跟在身后，讓他回到現(xiàn)實(shí)：“好的，羅伯特，”他說，“講得太好了，但我一個(gè)該死的詞兒也沒聽懂。”[167]

然而，奧本海默很快就會(huì)講課了。一年中，研究生和博士后從美國(guó)各地聚到伯克利來跟他學(xué)物理。幾年內(nèi)，他就讓伯克利成為在美國(guó)理論物理學(xué)博士后看來比歐洲更有吸引力的地方。

奧本海默的一個(gè)博士后塞伯（Robert Serber）后來講述了跟他工作的感受：“奧比（伯克利的學(xué)生都這么叫他）反應(yīng)快，很急躁，講話刻薄，剛當(dāng)老師的時(shí)候，聽說他對(duì)學(xué)生很嚴(yán)厲，但經(jīng)過5年后，他成熟了（愿他早年的學(xué)生也相信這一點(diǎn)）。他的[量子力學(xué)]課能激發(fā)人的靈感，也是一個(gè)教育成果。他讓學(xué)生感到物理學(xué)的邏輯結(jié)構(gòu)那么美妙，物理學(xué)的發(fā)展那么激動(dòng)人心。這門課幾乎每個(gè)人都聽過不止一次，奧比有時(shí)勸學(xué)生不要來聽第三次、第四次，但勸不住……

“奧比同他的研究生們的合作方式也是前所未有的。他的小組由8～10名研究生和六七名博士后組成。每天他在辦公室同小組見一面。會(huì)見前，組員們陸續(xù)進(jìn)來，在桌旁和墻邊坐下。奧比走進(jìn)來，逐個(gè)地同他們討論研究問題的狀況，別的人在旁聽著，發(fā)表意見。所有的人都面對(duì)著廣泛的問題。奧本海默對(duì)什么事情都感興趣，一個(gè)題目接著一個(gè)題目地來，彼此依存。下午，他們可能討論電動(dòng)力學(xué)、宇宙線、天體物理和核物理。”

每年春天，奧本海默把書和論文塞進(jìn)他的敞篷車?yán)铮竺孀蠋讉€(gè)學(xué)生，開到帕薩迪納。塞伯說，“放棄我們?cè)诓死姆孔雍凸⑹菬o所謂的，我們相信在帕薩迪納可以找到一個(gè)月租金25美元的花園房子。”[168]

針對(duì)每個(gè)令他感興趣的問題，奧本海默都會(huì)選一個(gè)學(xué)生或博士后去研究它的細(xì)節(jié)。對(duì)朗道的問題，中子核能否維持太陽(yáng)的熱量，他選擇了塞伯。

奧本海默和塞伯很快發(fā)現(xiàn)，假如太陽(yáng)的中心有中子核，假如核的質(zhì)量占太陽(yáng)質(zhì)量的大部分，那么核的強(qiáng)大引力將緊緊地抓住太陽(yáng)的外層物質(zhì)，使太陽(yáng)周長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際的長(zhǎng)度。于是，朗道的中子核思想只有在核的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)才能成立。

“中子核的質(zhì)量能有多小？”奧本海默和塞伯被迫這樣問自己。“中子核可能的極小值是什么？”注意，這個(gè)問題是與黑洞存在的決定性問題相反的：為知道黑洞是否能夠形成，我們需要知道一顆中子星的最大可能質(zhì)量（上面圖5.3）。奧本海默還一點(diǎn)兒也沒看到極大質(zhì)量問題的重要性，但他現(xiàn)在知道，對(duì)朗道的思想來說，中子核的極小質(zhì)量是關(guān)鍵的。

朗道在文章里也知道中子核極小質(zhì)量的重要，還用物理學(xué)定律估算過。奧本海默和塞伯仔細(xì)審查了朗道的估計(jì)。他們看到，朗道恰當(dāng)?shù)乜紤]了核內(nèi)部和附近引力的吸引，這是對(duì)的；他考慮了核的中子的簡(jiǎn)并壓力（當(dāng)中子被擠壓到一個(gè)小空間內(nèi)時(shí)由中子的幽閉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力），也是對(duì)的；但是，他沒有考慮中子彼此之間的核力，這就錯(cuò)了。那種力當(dāng)時(shí)也還沒有完全明白，不過對(duì)奧本海默和塞伯來說，已經(jīng)足以得到一個(gè)可能的結(jié)論（不是絕對(duì)確定，只是可能）：中子核的質(zhì)量不可能小于1/10太陽(yáng)質(zhì)量。假如自然生成了比這還輕的中子核，它的引力還不夠維持自己，壓力將使它爆炸。

乍看起來，這并不排除太陽(yáng)擁有一個(gè)中子核。畢竟，奧本海默和塞伯估計(jì)允許的1/10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的核太小了，可能會(huì)藏在太陽(yáng)內(nèi)部而不會(huì)對(duì)它的表面性質(zhì)產(chǎn)生太多的影響（不會(huì)影響我們看見的事情）。但是，進(jìn)一步計(jì)算核的引力與周圍氣體壓力間的平衡，他們發(fā)現(xiàn)核的效應(yīng)是藏不住的：核外包著一層白矮星型的物質(zhì)殼，差不多跟太陽(yáng)一樣重，殼外卻只有很少的正常氣體，太陽(yáng)將一點(diǎn)兒也不像我們現(xiàn)在看見的樣子。所以，太陽(yáng)不可能有中子核，維持太陽(yáng)熱量的能源一定來自別的地方。

那是哪兒呢？當(dāng)奧本海默和塞伯在伯克利計(jì)算的時(shí)候，紐約綺色佳康奈爾大學(xué)的貝特（Hans Bethe）和喬治·華盛頓大學(xué)的克里奇菲爾德（Charles Critchfield）正在用新發(fā)現(xiàn)的核物理學(xué)定律來詳細(xì)說明核燃燒（原子核聚變，卡片5.3）能夠維持太陽(yáng)和其他恒星的熱量。愛丁頓對(duì)了，朗道錯(cuò)了——至少對(duì)太陽(yáng)和大多數(shù)恒星來說是這樣的。（90年代初，有些巨星看來也許就在用朗道的機(jī)制。[169]）

奧本海默和塞伯一點(diǎn)兒也不知道朗道的文章是他在絕望中寫來躲避監(jiān)獄和可能的死亡的，所以，在1938年9月1日，朗道正在布提斯卡雅監(jiān)獄受折磨的時(shí)候，他們向《物理學(xué)評(píng)論》投了一篇批評(píng)他的文章。因?yàn)槔实朗谴笪锢韺W(xué)家，足以激起人們的熱情，所以他們直截了當(dāng)?shù)卣f：“[我們根據(jù)]朗道的估計(jì)……導(dǎo)出[中子核的]0.001個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的[極小]極限質(zhì)量。這個(gè)數(shù)似乎是錯(cuò)的。……通常假定的自旋交換類型的[核力]否定了質(zhì)量與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)暮阈菚?huì)存在[中子]核。”[170]

朗道的中子核與茨維基的中子星實(shí)際上是同一種東西。中子核不過正好是以某種方式處在正常恒星內(nèi)部的中子星。在奧本海默看來，這一定是很清楚的，他現(xiàn)在開始考慮中子星了，當(dāng)然也得無情面對(duì)茨維基本該解決卻沒能解決的問題：嚴(yán)格地說，大質(zhì)量恒星在耗盡（據(jù)貝特和克里奇菲爾德的觀點(diǎn)）維持其熱量的核燃料后，會(huì)遭遇什么樣的命運(yùn)？它們會(huì)留下哪種遺骸呢：白矮星？中子星？黑洞？還是別的什么？

錢德拉塞卡的計(jì)算已經(jīng)不容置疑地證明，質(zhì)量小于1.4個(gè)太陽(yáng)的恒星一定會(huì)變成白矮星。茨維基在大膽地猜想，至少某些質(zhì)量大于1.4個(gè)太陽(yáng)的恒星會(huì)坍縮形成中子星，并在此過程中產(chǎn)生超新星。茨維基能是正確的嗎？是不是所有大質(zhì)量恒星都像這樣死亡，從而使宇宙遠(yuǎn)離黑洞？

奧本海默作為理論家的一大本領(lǐng)是能正確認(rèn)識(shí)復(fù)雜的問題，能剝?nèi)ニ膹?fù)雜性，發(fā)現(xiàn)左右它的核心。幾年后，他成為美國(guó)原子彈計(jì)劃的領(lǐng)導(dǎo)人時(shí)，這種才能將卓越地發(fā)揮出來。現(xiàn)在，面對(duì)恒星的死亡，他感到忽略茨維基所宣揚(yáng)的所有復(fù)雜的東西——如恒星坍縮的細(xì)節(jié)，正常物質(zhì)向中子物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，巨大能量的釋放以及超新星和宇宙線的可能動(dòng)力，這些都與恒星的最終命運(yùn)無關(guān)。惟一相關(guān)的事情是中子星所能有的最大質(zhì)量。假如中子星能有任意大的質(zhì)量（上面圖5.3中的曲線B），那么黑洞永遠(yuǎn)不會(huì)形成。假如中子星的質(zhì)量有一個(gè)可能的極大值（圖5.3曲線A），那么質(zhì)量大于極大值的恒星可能在死亡時(shí)形成黑洞。

極大質(zhì)量的問題已經(jīng)完全清楚地提出來了，奧本海默還是跟平常的作風(fēng)一樣，和學(xué)生一道開始明確地、有條不紊地去解決它——這回跟他的年輕人叫沃爾科夫（George Volkoff）。奧本海默和沃爾科夫?qū)ふ抑凶有琴|(zhì)量的經(jīng)過和奧本海默在加州理工學(xué)院的朋友托爾曼的重要貢獻(xiàn)，見卡片5.4。這個(gè)故事講述了奧本海默的研究方法和物理學(xué)家采取的幾個(gè)策略。那時(shí)，關(guān)于決定他們正在研究的現(xiàn)象的定律，他們知道一些，但不是全部。在這里，奧本海默知道量子力學(xué)和廣義相對(duì)論，但不論他還是任何別的人都不太了解核力。

盡管核力知識(shí)貧乏，奧本海默和沃爾科夫還是能夠不容爭(zhēng)辯地說明（卡片5.4），中子星有一個(gè)極大質(zhì)量，它介于半個(gè)和幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間。

又經(jīng)過50年的努力，到90年代，我們知道奧本海默和沃爾科夫是正確的；中子星的確有一個(gè)極大允許質(zhì)量，現(xiàn)在知道它在1.5到3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，[171]與他們的大致估計(jì)是一樣的。另外，自1967年以來，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了幾百顆中子星，還高精度地測(cè)量了其中幾個(gè)的質(zhì)量，測(cè)得的質(zhì)量都接近1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，為什么呢？我們不知道。

奧本海默和沃爾科夫的結(jié)論不會(huì)令愛丁頓和愛因斯坦那些詛咒黑洞的人滿意。如果人們最終相信了錢德拉塞卡（在1938年，大多數(shù)天文學(xué)家都逐步理解他了），相信了奧本海默和沃爾科夫（那時(shí)反駁他們也不容易），那么，不論白矮星還是中子星，它們那樣的墓穴都不能埋葬大質(zhì)量的恒星。還有別的可信的方式讓大質(zhì)量恒星避免死于黑洞嗎？是的，有兩條。

第一，所有大質(zhì)量恒星都可能在成長(zhǎng)中釋放大量的物質(zhì)（例如，通過強(qiáng)大的風(fēng)吹散星球表面，或者通過核爆炸），從而將質(zhì)量減小到1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量以下，進(jìn)入白矮星的墓穴；或者（假如誰(shuí)相信茨維基的機(jī)制，不過很少有人相信），它們會(huì)在超新星爆發(fā)中釋放物質(zhì)，將質(zhì)量減到大約1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量以下，然后終結(jié)在中子星墓穴里。從40年代到50年代直到60年代初，大多數(shù)天文學(xué)家——假如他們都考慮這個(gè)問題——都相信這一點(diǎn)。

第二，除白矮星、中子星和黑洞墓穴外，可能還存在著大質(zhì)量恒星的第四種墓穴，是30年代還沒認(rèn)識(shí)到的。例如，我們可以想象圖5.3的一個(gè)墓穴，周長(zhǎng)在中子星和白矮星之間——幾百或1 000千米。大質(zhì)量恒星可能在變得更小而形成中子星或黑洞之前就在這種墓穴停止了收縮。

假如沒有第二次世界大戰(zhàn)和后來冷戰(zhàn)的干擾，奧本海默和他的學(xué)生們或別的人，很可能在40年代考察這種墓穴，他們將嚴(yán)格地證明，不存在這第四種墓穴。

然而，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了，它耗盡了幾乎全世界所有理論物理學(xué)家的精力。接著，戰(zhàn)后的氫彈緊急計(jì)劃進(jìn)一步耽誤了物理學(xué)家回到正常生活中來（見下一章）。

最后，50年代中期，兩個(gè)物理學(xué)家從各自的氫彈研究中脫穎而出，來到奧本海默和他的學(xué)生們離開了的地方。他們是美國(guó)普林斯頓大學(xué)的惠勒（John Archibald Wheeler）和莫斯科應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所的澤爾多維奇（Yakov Borisovich Zel’dovich）——兩位杰出的物理學(xué)家，將成為本書后面的主角。

惠勒

1956年3月，惠勒花了幾天時(shí)間研究錢德拉塞卡、朗道以及奧本海默和沃爾科夫的文章，他在這兒發(fā)現(xiàn)了值得深入探索的奧秘。[177]質(zhì)量大于1.4個(gè)太陽(yáng)的恒星死亡時(shí)只能形成黑洞，而沒有別的選擇，這能是真的嗎？不久后，惠勒寫道，“在廣義相對(duì)論關(guān)于宇宙的結(jié)構(gòu)和演化的所有結(jié)果中，大質(zhì)量物體的命運(yùn)問題是最具挑戰(zhàn)性的。”他決心去完成錢德拉塞卡、奧本海默和沃爾科夫開創(chuàng)的星體墓穴的探索。

惠勒為了把他的使命表達(dá)得更準(zhǔn)確，仔細(xì)描述了構(gòu)成冷星和死星的那一類物質(zhì)，稱它為熱核演化終點(diǎn)的物質(zhì)，因?yàn)闊岷艘辉~在為星體的核燃燒和氫彈提供動(dòng)力的聚合反應(yīng)中已經(jīng)用得很普遍了。這類物質(zhì)是絕對(duì)冷的，已經(jīng)燃盡了核燃料，不會(huì)有什么辦法通過任何類型的核反應(yīng)從它的核內(nèi)得到更多的能量。因?yàn)檫@個(gè)理由，本書將用冷死物質(zhì)來代替“熱核演化終點(diǎn)的物質(zhì)”。

惠勒為自己設(shè)的目標(biāo)是認(rèn)識(shí)所有能用冷死物質(zhì)構(gòu)造的物體，這將包括像鐵球那樣的小物體，像由鐵構(gòu)成的冷死行星那樣的較重物體以及其他更重的物體，如白矮星、中子星和別的物理學(xué)定律允許的任意類型的冷死物體。惠勒想要一個(gè)冷死事物的綜合編目。

惠勒的工作模式同奧本海默一樣，身邊圍著一幫學(xué)生和博士后。他讓他們中的一個(gè)來自猶他州的虔誠(chéng)摩門教徒哈里森（B.Kent Harrison）來解決具體的冷死物質(zhì)狀態(tài)方程。這個(gè)物態(tài)方程將描述這類物質(zhì)的壓力在密度越來越高時(shí)會(huì)如何增加——或者等價(jià)地說，它的壓縮阻抗如何隨密度的增長(zhǎng)而變化。

惠勒為哈里森計(jì)算冷死物質(zhì)的狀態(tài)方程準(zhǔn)備了足夠的指導(dǎo)，因?yàn)樵跊Q定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理學(xué)定律（量子力學(xué)定律和核物理定律）的領(lǐng)域內(nèi)，他躋身于世界最偉大的專家行列之中。在過去的20年里，他發(fā)展了描述原子核行為的強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)模型；他同玻爾一道發(fā)現(xiàn)了核裂變（像鈾、钚那樣的重原子的分裂，這是原子彈的基礎(chǔ)）；他還曾是設(shè)計(jì)美國(guó)氫彈的一個(gè)小組的領(lǐng)導(dǎo)人（第6章）。[178]憑著這些經(jīng)歷，惠勒指引哈里森在錯(cuò)綜復(fù)雜的問題中穿行。

他們關(guān)于冷死物質(zhì)狀態(tài)方程的分析結(jié)果，我們?cè)诳ㄆ?.5中討論說明。在白矮星密度方面，它與錢德拉塞卡研究白矮星時(shí)用的物態(tài)方程是一樣的（第4章）；在中子星密度方面，它與奧本海默和沃爾科夫用過的相同（卡片5.4）；密度在白矮星以下以及在白矮星和中子星之間時(shí)，方程是全新的。

掌握了冷死物質(zhì)的狀態(tài)方程后，惠勒請(qǐng)來自日本的博士后若野正巳（Masami Wakano）去做一件沃爾科夫?yàn)橹凶有呛湾X德拉塞卡為白矮星做過的事情：將物態(tài)方程與廣義相對(duì)論方程結(jié)合起來，描述星體內(nèi)部引力與壓力的平衡；根據(jù)這樣的結(jié)合導(dǎo)出描述星體結(jié)構(gòu)的微分方程；然后數(shù)值求解這個(gè)微分方程。數(shù)值計(jì)算將給出所有冷死星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，而最重要的是能給出星體的質(zhì)量。

30年代，為了計(jì)算一個(gè)星體的結(jié)構(gòu)（星體內(nèi)部密度、壓力和引力的分布），錢德拉塞卡和沃爾科夫在劍橋和伯克利的計(jì)算器上敲打了好多天。50年代就大不一樣了。普林斯頓有世界上第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)，MANIAC——在普林斯頓高等研究院的一間滿是真空管和電纜的屋子里，這原是為氫彈設(shè)計(jì)建造的。有了MANIAC，若野用不了一個(gè)小時(shí)就能解決一顆星的結(jié)構(gòu)。

若野的計(jì)算結(jié)果見圖5.5。本圖是冷死物體的嚴(yán)格而最終的分類，它回答了我們?cè)诒菊虑懊鎴D5.3的討論中所提出的所有問題。

在圖5.5中，星體周長(zhǎng)向右，質(zhì)量向上。周長(zhǎng)和質(zhì)量處在白區(qū)的任何恒星的內(nèi)部引力都大于其壓力，所以引力使星體向左收縮。在陰影區(qū)的恒星，壓力大于引力，所以壓力使星體向右膨脹。只有在白區(qū)和陰影區(qū)的界線上，引力和壓力才相互平衡，因此，這條邊界線就是處于壓力—引力平衡狀態(tài)的冷死星曲線。

假如你沿平衡曲線追蹤，你會(huì)遇到密度越來越高的死“星”。在最低密度（沿圖的底線，大部分看不見），這些“星”根本不是什么恒星，不過是由鐵構(gòu)成的冷行星。（當(dāng)木星最終耗盡內(nèi)部的熱輻射而冷卻下來時(shí)，也將落在平衡曲線最右端的附近，盡管它大部分是由氫而不是鐵構(gòu)成的。）比行星密度高的地方是錢德拉塞卡的白矮星。

當(dāng)你到達(dá)曲線上白矮星部分的最高點(diǎn)（具有1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的錢德拉塞卡極限質(zhì)量的白矮星[181]），然后繼續(xù)向更高密度走，你會(huì)遇到不可能自然存在的冷死星，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑湛s和膨脹中是不穩(wěn)定的（卡片5.6）。從白矮星密度走到中子星密度，這些不穩(wěn)定平衡星體的質(zhì)量將減小到大約0.1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的極小值，周長(zhǎng)為1 000千米，中心密度為3×1013克/厘米3。這是最初的中子星，也就是奧本海默和塞伯研究過的“中子核”，他們?cè)C明這種核不可能比0.001個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量更小，那是朗道為太陽(yáng)內(nèi)核所設(shè)想的質(zhì)量。

走在平衡曲線上，我們遇見了質(zhì)量大約從0.1～2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的整個(gè)中子星族。2個(gè)太陽(yáng)的中子星極大質(zhì)量到90年代仍然有些不確定，因?yàn)闃O高密度下的核力行為還沒有得到很好的認(rèn)識(shí)。極大值可能低到1.5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，但不會(huì)更低；也可能高到3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，但也不會(huì)更高多少。

在平衡曲線的（近似）2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的峰值上，中子星終結(jié)了。當(dāng)我們沿著曲線進(jìn)一步向更高的密度追蹤時(shí)，平衡的星體也像在白矮星和中子星之間那樣，是不穩(wěn)定的（卡片5.6）。因?yàn)橄嗤睦碛桑@些不穩(wěn)定的“星”在自然界是不存在的。假如真形成了這種星體，它們立刻會(huì)坍縮成為黑洞，或爆炸成為中子星。

圖5.5是絕對(duì)嚴(yán)格和不容爭(zhēng)辯的：在白矮星和中子星之間不存在第三類穩(wěn)定的大質(zhì)量的冷死物體。因此，像天狼星那樣質(zhì)量大于2個(gè)太陽(yáng)的恒星在耗盡核燃料后，要么釋放所有多余的質(zhì)量，要么發(fā)生坍縮，超過白矮星和中子星的密度，進(jìn)入臨界周長(zhǎng)以內(nèi)——在90年代的我們能完全肯定，它們會(huì)形成黑洞。坍縮是必然的。對(duì)質(zhì)量足夠大的星體來說，不論電子的簡(jiǎn)并壓力還是中子間的核力，都阻止不了坍縮。引力甚至超過了核力。

不過，還有一條出路，可以讓所有恒星，甚至最大質(zhì)量的恒星，逃脫黑洞的命運(yùn)；也許，所有大質(zhì)量恒星在它們晚年或死亡中（以風(fēng)或爆炸的形式）放出足夠的質(zhì)量，使自己小于2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這樣就能終結(jié)在中子星或白矮星的墓穴。在40年代、50年代和60年代初，假如天文學(xué)家從各方面考慮星體最終命運(yùn)的問題，他們都會(huì)傾向這個(gè)觀點(diǎn)。（然而，大體說來，他們不會(huì)考慮這個(gè)問題。沒有什么觀測(cè)數(shù)據(jù)促使他們?nèi)タ紤]它，天文學(xué)家的注意力都被吸引到其他類型的物體上去了——正常恒星、星云、星系——他們得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)夠多了，夠富挑戰(zhàn)性了，夠報(bào)答他們了。）

在90年代當(dāng)期，我們知道重星確實(shí)會(huì)在成長(zhǎng)和死亡時(shí)放出大量物質(zhì)。事實(shí)上，放出物質(zhì)之多是驚人的：大多數(shù)誕生時(shí)有8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星因釋放了足夠的質(zhì)量而終結(jié)在白矮星的墓穴；而大多數(shù)天生有8～20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，最后成了中子星。這樣看來，大自然也幾乎不愿自己看到黑洞。但并不完全這樣：大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)提醒我們（但沒有確實(shí)證明），多數(shù)天生大于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星在死亡時(shí)還是那么重，它們的壓力抗拒不了引力。當(dāng)它們耗盡核燃料開始冷卻時(shí)，引力超過了壓力，它們便坍縮而形成黑洞。在第8章里，我們會(huì)看到這樣一些觀測(cè)數(shù)據(jù)。

我們還有好些關(guān)于科學(xué)和科學(xué)家的本質(zhì)的東西，需要從30年代的中子星和中子核的研究中學(xué)習(xí)。

奧本海默和沃爾科夫研究的東西是茨維基的中子星，而不是朗道的中子核，因?yàn)橹凶有菦]有星體物質(zhì)的包圍。不過，奧本海默對(duì)茨維基不太尊重，他不愿用茨維基的名字來命名它們，而堅(jiān)持用朗道的名字。這樣，他和沃爾科夫講述他們結(jié)果的那篇發(fā)表在1939年2月15日《物理學(xué)評(píng)論》上的文章，題目就叫“關(guān)于大質(zhì)量中子核”。[182]為保證沒人誤會(huì)他關(guān)于這些星體思想的來源，奧本海默在文章里零星地提了朗道，而茨維基先發(fā)表的那么多東西，他一次也沒引用過。

就茨維基來說，1938年，他一直在關(guān)注著托爾曼、奧本海默和沃爾科夫的中子星研究，他們?cè)趺醋鲞@個(gè)？他憤怒了。中子星是他的孩子，而不是他們的；他們沒有權(quán)力研究中子星——而且，盡管托爾曼偶爾跟他談?wù)劊瑠W本海默卻根本沒理他！

然而，在茨維基就中子星寫的大量文章中，只有空談和猜想，沒有實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容。他更多地在忙著觀測(cè)尋找超新星（很成功），忙著寫文章談中子星和它在超新星中的作用，從來沒找時(shí)間來充實(shí)內(nèi)容。不過，想同別人爭(zhēng)，還得自己行動(dòng)。1938年初，他盡自己的努力完成了中子星的數(shù)學(xué)理論，并同他的超新星觀測(cè)結(jié)合起來。他努力的結(jié)果發(fā)表在1939年4月15日的《物理學(xué)評(píng)論》上，題目是“高坍縮星體的觀測(cè)和理論”。[183]他的文章比奧本海默和沃爾科夫的長(zhǎng)兩倍半，沒有單獨(dú)提他們兩個(gè)目前的文章，不過提了沃爾科夫個(gè)人的一篇輔助性的小文章。這篇文章沒有什么值得記住的東西，事實(shí)上，很多都是完全錯(cuò)誤的。相反，奧本海默—沃爾科夫一文卻是一篇杰作，優(yōu)美而富有遠(yuǎn)見，所有細(xì)節(jié)也都是正確的。

盡管如此，半個(gè)多世紀(jì)過去了，我們今天還是尊敬茨維基的——他發(fā)現(xiàn)了中子星的概念；正確認(rèn)識(shí)到了中子星是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物和能源；他和巴德在觀測(cè)上證明了超新星實(shí)際上是一類獨(dú)特的天體；他開創(chuàng)并實(shí)現(xiàn)了幾十年的確定性的超新星觀測(cè)研究；另外，他還有許多中子星和超新星之外的見解。

他對(duì)物理學(xué)定律的認(rèn)識(shí)那么少，而他的遠(yuǎn)見那么多，這是怎么回事呢？在我看來，他的身上融合著幾種個(gè)性特征：他對(duì)理論物理學(xué)的理解足夠讓他在定性上（如果不是定量的話）正確認(rèn)識(shí)事物；強(qiáng)烈的好奇心令他緊跟發(fā)生在物理學(xué)和天文學(xué)中的每一件事情；他能以某種直覺的方法識(shí)別（別人很少能做到）不同現(xiàn)象之間的聯(lián)系；另外，同樣重要的是，他太相信內(nèi)心的通向真理的道路，從來不怕他的猜想會(huì)如何愚弄自己。他知道他是對(duì)的（盡管他常常是錯(cuò)的），如山的證據(jù)也不能令他相信他認(rèn)為是錯(cuò)誤的東西。

朗道跟茨維基一樣，也很自信，也不怕自己像傻子。例如，他毫不猶豫地發(fā)表了他1931年的觀點(diǎn)：恒星由超致密的星核提供能源，量子力學(xué)定律在那兒失敗了。朗道對(duì)理論物理學(xué)的把握遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了茨維基，他是20世紀(jì)十大理論家之一。不過，他的猜想錯(cuò)了，而茨維基是對(duì)的。太陽(yáng)沒有中子核的能源；超新星才由中子星提供能量。那么，朗道與茨維基相比，是不是差點(diǎn)兒運(yùn)氣呢？也許部分是這樣，但還有一個(gè)因素：茨維基投身在威爾遜山的環(huán)境中，那兒是世界天文觀測(cè)的中心。他還與世界大實(shí)測(cè)天文學(xué)家巴德（他掌握著觀測(cè)數(shù)據(jù)）合作；在加州理工學(xué)院，他可以而且確實(shí)幾乎每天都與世界上的宇宙線觀測(cè)大師們交談。反過來，朗道與實(shí)測(cè)天文學(xué)幾乎沒有直接往來，他的文章也證明了這一點(diǎn)。沒有這些實(shí)際接觸，他不可能培養(yǎng)出對(duì)遠(yuǎn)在地球之外的那些事物的敏銳感覺。朗道最偉大的勝利是用量子力學(xué)定律解釋超流現(xiàn)象，在這項(xiàng)研究中，他與實(shí)驗(yàn)家卡皮查進(jìn)行過廣泛的交流，那時(shí)卡皮查正在探索超流的細(xì)節(jié)。

與茨維基和朗道不同的是，對(duì)愛因斯坦來說，觀測(cè)與理論之間的密切接觸并不很重要：他發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論的引力定律就幾乎沒有靠什么觀測(cè)。但這是一個(gè)罕見的例外。觀測(cè)與理論在多方面的相互影響對(duì)物理學(xué)和天文學(xué)大多數(shù)分支的發(fā)展是有基本意義的。

奧本海默又如何呢？他的物理學(xué)造詣是堪與朗道比肩的。他與沃爾科夫合作的關(guān)于中子星結(jié)構(gòu)的文章是歷史上最偉大的天體物理學(xué)文獻(xiàn)之一，但盡管文章優(yōu)美，卻“只不過”為中子星的概念填充了一些細(xì)節(jié)。概念實(shí)際上還是茨維基的孩子——超新星也是他的，星核坍縮形成中子星從而為超新星提供動(dòng)力的思想還是他的。為什么奧本海默有那么多好條件，卻沒有茨維基那么多創(chuàng)造呢？我想，主要是因?yàn)樗辉敢狻踔烈苍S害怕——猜想。奧本海默的好朋友和崇拜者拉比（Isidore I-Rabi）更深刻地描述過這一點(diǎn)：

“我以為，奧本海默在某些方面受科學(xué)傳統(tǒng)以外的東西的影響太深，比如他對(duì)宗教特別是對(duì)印度宗教的興趣，產(chǎn)生了霧一般的對(duì)宇宙奧秘的感覺。面對(duì)已經(jīng)做過的事情，他把物理學(xué)看得很清楚，但在學(xué)科的邊緣，他卻感到神秘和奇異的事情比實(shí)際存在的多得多。他不太相信已經(jīng)掌握的理論工具的威力，沒有將他的思想發(fā)揮到盡頭，因?yàn)樗灸艿馗械剑绻退膶W(xué)生想比現(xiàn)在走得更遠(yuǎn)，就必須靠新的思想和方法。”[184]