物理群星
亚瑟·爱丁顿 肖像

图:Bain News Service / 美国国会图书馆(公有领域)

亚瑟·爱丁顿

Arthur Stanley Eddington

1882–1944 · 生于英国肯德尔 · 英国

天体与宇宙学相对论

一战刚结束,他带着英国的望远镜去证明一个德国人是对的

「我正在想,第三个人会是谁。」

—— 有人说全世界只有三个人懂广义相对论时的回答,据其同事转述

1916 年,英国和德国正在打仗。英国的科学期刊拒收德国论文,两国学者互相断绝往来。

爱因斯坦的广义相对论就在这一年发表在德国的期刊上。一位剑桥的天文学家通过中立国荷兰的同事拿到了论文,读完之后成了它在英语世界最早、最卖力的传播者。

贵格会信徒的两难

爱丁顿是贵格会信徒,和平主义者。1918 年英国实行普遍征兵,他以宗教信仰为由申请免服兵役——这在当时被普遍视为怯懦,不少申请者被判入狱。

剑桥的同事们为他辩护,理由是他的科研工作有国家价值。当局起初不接受。最后皇家天文学家戴森提出了一个方案:1919 年 5 月将有一次日全食,是检验广义相对论的绝佳机会,而爱丁顿是英国最懂这个理论的人,应当由他率队观测。

当局同意了,条件是战争结束时他必须去准备这次远征。

于是出现了一个奇特的局面:一个英国和平主义者被免除兵役的条件,是去证明一个德国人的理论。

1919 年 5 月 29 日

广义相对论预言星光经过太阳附近时会偏折 1.75 角秒——恰好是牛顿引力粗糙估算值的两倍。要看到它,必须在日全食时拍下太阳周围的恒星,再与几个月后同一片天区的夜间照片比对,看恒星位置有没有挪动。

远征分两路:爱丁顿去西非的普林西比岛,另一队去巴西的索布拉尔。

普林西比那天下雨,云层拖到日食快开始才裂开一道缝。他抢拍了十六张底片,大半是空的;回英国后一张张量过去,够格的只有两张。

11 月 6 日的联席会议上——会场正面挂的是牛顿像——戴森把结论念了出来:偏折量站在爱因斯坦那边,不是牛顿这边。

消息第二天上了伦敦各报的头版,牛顿被推翻的说法传遍全世界。一位在敌国工作、几个月前还没人听说过的德国教授,一夜之间成了名人。

(后来有人质疑索布拉尔那组数据的取舍是否带有偏向。1979 年格林尼治用现代方法重新处理同一批底片,判定爱丁顿当年的取舍站得住。此后几十次日食观测与雷达、射电测量把这个结果确认到千分之一以内。)

恒星为什么发光

爱丁顿真正的本行是恒星结构。

1920 年,在核物理还几乎不存在的时候,他提出恒星的能量来自氢聚变成氦——阿斯顿刚测出四个氢原子比一个氦原子重约 0.7%,而按 E=mc2E = mc^2,这点质量差足够太阳烧几十亿年。有人反驳说恒星内部的温度不足以克服质子间的斥力,爱丁顿的回答是:那就请他们去找一个更热的地方。(量子隧穿八年后给出了答案。)

1926 年的《恒星内部构造》确立了这门学科:辐射压与引力的平衡、质光关系、以及后来以他命名的光度上限——一个天体的辐射压不能超过自身引力,否则外层会被吹散。这条上限今天仍是判断黑洞吸积速率与类星体质量的基本工具。

1935 年 1 月 11 日

爱丁顿一生最受争议的一天。

在皇家天文学会的会议上,二十四岁的钱德拉塞卡报告了白矮星的质量上限:超过约 1.44 倍太阳质量,简并压撑不住,星体只能继续坍缩。会前几周爱丁顿常来与他讨论,还替他争取了报告时间,却从未透露自己的看法。

钱德拉塞卡讲完,主持人宣布下一位发言者:爱丁顿。他上台把这套理论称作归谬法,说应该存在一条自然定律阻止恒星以这种荒谬的方式行事。

全场无人为钱德拉塞卡说话。泡利、玻尔、狄拉克私下都认为他是对的,但没人愿意公开与爱丁顿对撞。钱德拉塞卡两年后离开英国去了芝加哥,此后再没长住英国。

爱丁顿的分量太重,而他这一次错了。黑洞的研究因此至少被拖慢了二十年。

有人说全世界只有三个人真正懂广义相对论时,爱丁顿沉默了一会儿,回答说:我正在想第三个人会是谁。这句俏皮话流传至今,而它背后那种确信,既成就了 1919 年,也造成了 1935 年。

代表方程

星光经过太阳边缘的偏折

θ=4GMc2R=1.75′′\theta = \frac{4GM}{c^2 R} = 1.75''

广义相对论预言的偏折角是牛顿引力预言值的两倍。1919 年日食观测测到的正是这个两倍值,牛顿理论由此第一次被观测直接否定。

爱丁顿光度极限

LEdd=4πGMmpcσTL_{\mathrm{Edd}} = \frac{4\pi G M m_p c}{\sigma_T}

一个天体的辐射压不能超过自身引力,否则外层会被吹散。这条上限决定了黑洞吞噬物质的最快速率,也是判断类星体质量的基本工具。

伟大发现

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这些发现页把他列为关键人物。