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“现在,我是世界上唯一知道星星为什么会发光的人”

撰文 | 鞠强(粒子、弦与宇宙学硕士)

 

星星为什么会发光?太阳为什么会发光?

而今,在面向小朋友的天文科普书里也可以看到对恒星发光机制的解释。但在100年前,这个研究领域是片空白。

图丨wiki

对于“恒星发光”的问题,人类一直充满好奇和探究。比如,关于“太阳发光的原因”,古希腊哲学家阿那克萨戈拉认为太阳是一块炽热的石头,后来英国天文学家威廉·赫歇尔在1800年发现了太阳的红外辐射,还提出太阳发光是因为它有炽热而发光的大气层。但类似的理论都存在一个问题,就是无法解释发光的能量从何而来。1925年,英国天文学家塞西莉·佩恩-加波施金在她的博士论文中指出:恒星的主要成分是氢,其次是氦,这就是恒星发光的燃料。

下一步,物理学家需要弄明白的是:燃料是如何燃烧的。1929年,有位年轻人决定破解这个秘密。他叫弗里茨·豪特曼斯(Fritz Houtermans),当时26岁,在柏林工业大学工作。两年前,他刚刚在哥廷根大学获得博士学位,导师是发现“原子和电子碰撞规律”的诺奖得主詹姆斯·弗兰克。

1927年的豪特曼斯丨wikimedia

 “怎样用势锅来煮氮核” 

在柏林,豪特曼斯遇见了年轻的英国天文学家罗伯特·阿特金森,两人一起投入对恒星发光机制的探索。他们经过研究认为,在恒星内部的高温作用下,恒星的原子核会失去外围的电子而被摧毁,这是一种热核反应,热核反应释放的能量使恒星能够燃烧数十亿年甚至更久——这与我们今天在书上看到的解释非常接近。1929年5月,二人合写论文《怎样用势锅来煮氮核?》投到了《物理杂志》。

不过,文章发表的时候题目被改成了平淡无奇的《恒星中元素合成的可能性问题》。这篇论文奠定了研究恒星发光机制的基础,为此后汉斯·贝特等人以“碳循环理论”正确解释恒星内部的热核反应铺平了道路,帮助天文学家最终揭开了恒星发光的秘密。写完论文的那天晚上,豪特曼斯约上同为哥廷根大学物理学博士的女朋友夏洛特一起散步。两人边走边聊,夏洛特突然感慨道:“看,繁星照耀,多美丽啊!”繁星?这不正是豪特曼斯的研究对象嘛!于是他对女友说:“是啊,现在我是世界上唯一知道星星为什么会发光的人。”(OS:虽然他和阿特金森一起完成了研究工作,但在当时的情境下,忽略阿特金森是完全可以理解的。)

前排右二是夏洛特,后排中间是豪特曼斯,这个聚会是哥廷根大学的同事们一起庆祝夏洛特获得博士学位。丨参考资料[3]

夏洛特后来成了豪特曼斯的夫人。1930年,两人一起参加了在黑海之滨的敖德萨举行的物理学会议。会议期间,两人在一次短途旅行中举行了婚礼。证婚人是同样参加了这次会议的著名物理学家沃尔夫冈·泡利和鲁道夫·佩尔斯。1932年,豪特曼斯、夏洛特和女儿摄于柏林

 刻意拖延原子弹研究 

研究恒星发光机制时,豪特曼斯已经意识到:核裂变能够释放巨大的力量。豪特曼斯有四分之一的犹太血统,又是德国共产党党员。因此,当德国纳粹于1933年上台后,他面临着直接的危险。当年夏天,他和家人移居英国。出于对社会主义的向往,1934年底,他又携家带口前往苏联。在苏联期间,他和同事一起对核裂变进行了更深入的研究。但在苏联的“肃反运动”中,他因为被怀疑是德国间谍而被关进监狱。1940年,豪特曼斯回到德国,在纳粹威胁下,他不得不进行有关原子弹的研究。

苏联秘密警察(NKVD)档案中的豪特曼斯照片,摄于1937年丨Wikimedia

在这个研究岗位上,豪特曼斯结合此前对核裂变的研究,很快独立得出了制造原子弹所需的全部基本概念。1941年8月,他在一篇题为《关于链式反应的研究》的报告中,讨论了快中子链式反应、中子减速、铀235和临界质量的大小,还指出94号元素(钚)可以用来制造原子弹。但是,豪特曼斯深知这种武器一旦投入使用会造成多么严重的后果。因此,他在表面上配合纳粹,实则尽量拖延,比如他把那份重要的报告偷偷锁在了保险箱里,只有极少人才知道这份报告的存在。他的刻意隐瞒使纳粹当局在很长时间里对他的研究进展一无所知,也就没有找到研制原子弹的正确道路。直到1944年,豪特曼斯见纳粹德国败局已定,已不可能制造出原子弹,才部分公开了自己的研究。根据后来解密的资料,如果不是豪特曼斯从中阻挠,德国有可能首先造出原子弹。一旦纳粹获得这种可怕的杀人武器,后果将不堪设想。

 物理学界的段子手 

美籍德裔物理学家、提出地球发电机理论的瓦尔特·埃尔萨瑟曾在自己的回忆录里这样评价豪特曼斯:“豪特曼斯是我见过的人当中最幽默的人,他储存着几乎取之不竭的故事和笑话。”用现在的话说……豪特曼斯大概相当于物理学界的段子手吧。反犹主义甚嚣尘上的时代,别人嘲讽他的犹太血统,豪特曼斯这样反击:

“当你们的祖先还生活在森林里的时候,我的祖先已经在制造假支票了!”

豪特曼斯 | University of Bern

德国物理学家哈罗·冯·巴特拉曾把豪特曼斯讲过的幽默故事收集起来,编成一本叫《物理学家豪特曼斯博士轶事》的小册子,并于1982年出版。其中一则是这样的:在20世纪的杰出科学家中,有7位来自匈牙利,分别是:力学家冯·卡门、1943年诺贝尔化学奖得主乔治·赫维希、物理化学家迈克尔·波兰尼、物理学家西拉德、1963年诺贝尔物理学奖得主维格纳、“计算机之父”冯·诺依曼以及“氢弹之父”爱德华·泰勒。一个当时并不发达的小国匈牙利,诞生了这么多杰出科学家——豪特曼斯版本的解释是:

他们其实都是火星人!他们之所以要冒充匈牙利人,是因为担心自己的火星口音被识破,而匈牙利人除了说匈牙利语时没有口音外,说任何其他语言时都带着口音。这样,他们伪装成匈牙利人潜伏在地球就会非常安全。

被关在苏联监狱时,豪特曼斯曾遭到秘密警察的刑讯逼供,要求他承认自己是德国派来的间谍。豪特曼斯就编了个故事,说自己间谍活动的主要内容是发明了一台可以测定苏联飞机飞行速度的仪器,还胡乱画了一张仪器图。为了让这个故事听起来更加真实,他还交待了德国驻苏联大使馆和他接头的两个军官的名字(其实这两个名字来自与拿破仑作战的两位德国将军)。豪特曼斯这种毫无忌惮的娱乐精神有时也会将自己置于险境。他嗜烟如命,在德国研究核反应时,曾欺骗纳粹头目说,从一种马其顿烟叶里可以提炼出生产原子弹所需的重水……结果真的弄到了烟叶。不过当他打算再次这么做时,盖世太保发现了其中的蹊跷。为此,豪特曼斯险些丢掉了性命。

大约60岁时的豪特曼斯,此时他在瑞士伯尔尼大学工作丨参考资料[3]

二战结束后,豪特曼斯返回哥廷根大学。1952年,他前往瑞士伯尔尼大学工作。1966年,他在伯尔尼去世,享年63岁。在物理学界的浩瀚星空中,他并非很醒目的一颗,可是,至少在某个面对爱人的夜晚,他是世界上第一个知道星星为什么会发光的人。

 

参考文献

[1]杨建邺,刘明.豪特曼斯和他传奇的一生[J].自然辩证法通讯,1995(02):71-79

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Fritz_Houtermans

[3]Iosif B. Khriplovich. "The Eventful Life of Fritz Houtermans", Physics Today, Volume 45, Issue 7, 29 – 37 (1992

[4]https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/5020-5

本文经授权转载自微信公众号“果壳”,编辑:麦芽杨。
 



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