钱德拉塞卡

从钱德拉塞卡百年说起

南京师范大学物理科学与技术学院 吕铭 陆建隆 选自《物理教学》2011第3期

大师疑问 路在何方

钱德拉塞卡2009年10月31日,享誉海内外的杰出科学家、中国航天事业奠基人、两弹一星功勋奖章获得者之一钱学森先生(1911~2009年)与世长辞。随之,“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”这一“钱学森之问”引起了广泛的热议和深入的思考。上至总理、下至普通老百姓都尝试着去寻找答案,探寻问题解决之道。在从社会环境、教育制度、教育工作者水平等方面寻找答案的同时,人们不妨剖析一些典型的杰出人物成才的成长经历、个人品质以及取得成就的因素,也许是破解大师疑问的另一通道。本文说的是印度裔美籍天体物理学家、诺贝尔物理学奖得主钱德拉寨卡(S.Chandrasekhar 1910~1995年),今年恰逢钱德拉塞卡诞辰100周年。缅怀科学巨匠钱德拉塞卡好学、严谨、执着以及富有创造性的一生,在给了我们许多宝贵的思想启迪中。我们仿佛有了一些零星答案。

家学渊源 志向高大

萨婆罗门扬•钱德拉塞卡(以下简称钱德拉)1910年10月19日出生于英属印度旁遮普邦的首府拉合尔(现属巴基斯坦)。源于一种幸运,他降临在不落俗套的冢族中。在印度,大多数人理解的西方教育仅仅是通向仕途的一块敲门砖。钱德拉的祖父却用自己的真知灼见,在接受西方教育的同时,保有着对印度优良传统的继承与探索。尽管家庭人口不断增多,收入菲薄,钱德拉的祖父还是继续学习。他收藏了大量不同科目的书籍,建立了一个精致的家庭图书馆。艾亚尔(钱德拉的父亲)和拉曼(Raman,1888~1970年印度物理学家,钱德拉的叔叔)的初等教育就是在他的指导下完成的。祖父同孩子们共享他对印度古典音乐的爱好和他的精致图书。孩子们也体验到了他的自由思想和他引入宗教信仰的批判精神。这样的影响变成了传统,因此钱德拉很幸运地拥有了一个坚实,但不平凡的平台。

5岁时钱德拉开始学习,他跟母亲学泰米尔语,跟父亲学英语和算数。钱德拉在学习中表现出来的聪慧,深深的印在了父母的心里。他的母亲是一位接受几年基础教育的传统女性,但在对印度传统文化的深刻理解中显示出了印度女性少有的一种远见。在钱德拉10岁时,他母亲就把拉马努金(1887~1920年印度现代数学家)作为钱德拉的学习榜样,希望钱德拉有一天能像拉马努金一样对印度的科学发展起到推动作用。两年后当拉曼也对拉马努金大为颂扬的时候,在钱德拉的心中油然而生一种追求纯粹科学的决心。这么多年在母亲的言传身教中,钱德拉继承了古印度文化的优良传统,特别是执着的追求精神。

由于父亲的专制,家中的女孩们没有得到与男孩同等的教育机会。现实生活的不公正,钱德拉将自己满腔的热诚转向了祖父的图书室,在那里他发现了圆锥曲线和微积分的书籍,并立即孜孜不倦的阅读起来。钱德拉11岁开始接受正规教育,他就读的特里普利凯恩中学被认为是马德拉斯地区最好的学校,他跳了两个年级,被直接接纳为中学三年级的学生。钱德拉虽然才华横溢,但是对他人依然关爱与体谅,以致别人对他毫无嫉妒之心,且倍受大家称赞。在这样的赞美中,钱德拉仍然默默地刻苦学习,他凭借坚实的数学基础和惊人的自学能力提前学习了几何和代数的全部内容,事实上还掌握了更多的内容一一排列组合、解三次方程等。在假期里,他继续自学解析几何和微分方程。1931年5月12日他在信中写道:“我不清楚你是否知道这一情况——我在五年级以后就去海滨祈祷——要把我的一生塑造成类似爱因斯坦或黎曼的一生。”13岁时的理想对于大部分孩子来说仅仅就是一个肥皂泡似的承诺,然而钱德拉心中的这种情结却伴随着他的成长变成了一朵美丽的奇葩。

初出茅庐 才华横溢

15岁时,钱德拉以优异的成绩结束了中学阶段的学习,成为马德拉斯大学物理系的一名学生。在大学的头两年,钱德拉的学业进展得相当顺利。自学数学使他远远超过其他学生,同时他还学习物理学、化学、英语和梵文。钱德拉狂热地投身于学习,因此父亲逐渐开始关心他的身体。父亲始终坚持说:“到海滨去呼吸一下新鲜空气。”在这样的场合,钱德拉总是从父亲的视线中消失。他去邻居家,在那里读了好几个小时,然后回家告诉父亲,他已去过海滨了。当然钱德拉不是书呆子,在学习以外的领域,他是出色的网球运动员,优秀的辩论家,被大家誉为知识广博的学者。在结束了第一学年物理优等生学位课程的学习之后,他发现自己对数学物理学的兴趣胜过纯粹数学。1927年夏天,他阅读了《原子结构和光谱线》,这一本书将他又一次带入了美丽的物理世界。在他扎实的数学功底以及强大的兴趣下,原本晦涩难懂的书读起来竟变得津津有昧。1928年,对于钱德拉的人生来说是一个充满喜悦与转折的一年。在马德拉斯与索末菲(Sommerfeld,1868~1951年德国物理学家)的相遇在他晚年依旧记忆犹新。通过与索末菲的交谈,钱德拉了解到了薛定谔、海森堡、狄拉克、泡利等创立起来的量子理论已经使原有的物理学体系发生了彻底的改变。然而在信息闭塞的印度依旧如前,钱德拉认识到在发展并不完善的印度社会之外,存有一个更美好的世界,那里是进行科学研究的天堂。一种在心中埋下的科学探索情结,在钱德拉的心中又荡起了涟漪。

1929年当时还在印度读书的钱德拉就写了两篇有分量的物理学论文。其中一篇题为“康普顿散射和新统计学”的论文。论文递交给剑桥大学三一学院的福勒(Alfred Fowler,1911~1995年,美国物理学家)教授,福勒对论文很满意,遂推荐给《皇家学会会报》刊出。第二篇论文刊在《哲学杂志》上。能够在世界顶级科学刊物上发表论文,这坚定了钱德拉塞卡从事物理学原创性研究的决心,也成为他的科学生涯开始的标志。更可喜的是1930年,他被授予印度政府奖学金,钱德拉怀揣着梦想登上了去英国的船。

在从马德拉斯到南安普顿的海上18天旅程中,他一直思考福勒的理论。当时,英国理论物理学家福勒借助费米—狄拉克量子统计法解释白矮星内部的物理机制,提出在白矮星内部的物质致密状态下,电子被“压”到比它原来可以活动的空间体积小10 000倍的“格子”中,成为“囚禁”的电子,这种状态被称为“电子简并”态,它所产生的“简并压力”非常大,大得足以抵抗引力的收缩。福勒的解释得到了当时天体物理学界的公认,爱丁顿等天文学家甚至认为,与白矮星相关的问题已经全部解决了。和当时许多天体物理学家类似,钱德拉最初并未对福勒的解释提出质疑,只是从理论简单性和完备性的审美角度,试图将因相对论所引起的变化加入到福勒理论中。“钱德拉努力完成了计算,期望求出福勒理论的一个简洁的、相对沦性推广。然而,令他大为惊奇的是,他碰到了截然不同的情况。”那一刻他感到一些不知所措,他反复的核对着一遍又一遍,直到他认为毫无问题。也许白矮星的问题并没有全部解决,他喃喃道,是的,我确定是这样。钱德拉他得出了一个令人震惊的答案:只有质量小于1. 44个太阳质量的白矮星才可能与挤压它的引力相抗衡;否则不相容原理造成的电子简并力就不能抗衡引力。这意味着没有哪个白矮星的质量可以超过1.44个太阳质量(钱德拉塞卡极限)。也许谁都不会想到,这样的一个论证是他53年后,手捧诺贝尔奖的力作。他的那份才华,不但没有昙花一现,而且在后来近53年的探索之路中永葆长青。

到了英国一年,他把这篇论文给了福勒,福勒有点迷惑,怛依旧被钱德拉的独立性与创造力所吸引。福勒把论文给米尔恩(E.A.Milne,著名天体物理学家)看,征求他的意见。米尔恩同福勒一样,也持怀疑态度。虽然两位教授对钱德拉的结论持强烈怀疑态度,但钱德拉通过与他们的讨论和争辩,愈加相信临界质量是狭义相对论和量子统计结合的必然产物。1932年,他在《天文物理学杂志》上发表了一篇论文,公开宣布了自己的观点。但天文学界对它没有什么反应,钱德拉没有再做无谓的争辩,只是潜下心来继续研究。

孤独探索 硕果累累

经过在剑桥的学习,钱德拉逐步完善了自己的发现。在1935年皇家天文学会的会议上,钱德拉迎来了自止人生的转折点。对于一个24岁的年轻人来说,这样的场面确实有些大,但是如果一切顺利的话,他就将功成名就。然而,事情的发生是如此的突然。当钱德拉在会上宣读完自己的论文,当时天体物理学界的权威爱丁顿走上讲台。他当众把钱德拉的讲稿撕成两半,宣称其理论全盘皆错,原因是它得出一个“非常古怪的结论”。听众顿时爆发出笑声。那一刻钱德拉感到上帝和自己开了一个玩笑,呆呆地站在那里久久的回不过神来。很多年后钱德拉回忆到,同到学校自己自言白语重复着:“世界就是这样终结的,世界就是这祥终结的,世界就是这样终结的。不是伴着一声巨响,而是伴着一声呜咽。”钱德拉科学探索之路到这被重重写下了一笔,这样一种打击可能会使得一个年轻的科学家夭折。钱德拉在这样的打击下没有对科学研究之路失去信心,在1937年到了芝加哥大学以后不久,他把自己的理论写进了一本书里,然后不再去理会它。

他没有像费恩曼一样一生关注的皆是最主流、最时髦的问题,而是在科学的冷门中独自前行。科学研究路上,没有结伴同行的朋友,他怀揣着许许多多的问题穿梭于剑桥大学中,一遍又一遍,另类而又孤独。然而他却在孤独中给了科学探索另一种诠释。一个空白的开头,一本专著的结尾,这样一种逻辑,在他一生的创造之中整整出现了七次。七次孤独的开始,却在七次的“丰富”中画上了圆满的句号。1939年,他出版《恒星结构研究引论》一书,系统论述恒星内部结构理论,其中也收录了得出“钱德拉塞卡极限”的那篇论文。在自己的第一部著作《恒星结构研究导论》出版后,他投入了恒星动力学领域的研究。他在这一领域工作了几年,于1943年又出版了《恒星动力学原理》。接着又转向辐射转移的研究,1950年出版《辐射转移》一书,总结了他在恒星和行星大气辐射转移理论方面的主要工作。钱德拉塞卡对科学追求的脚步没有变得单一:1952~1961年他把研究方向转向流体力学和磁流体力学的稳定性;1961~1968年椭球平衡体的平衡和稳定性;1962~1971年广义相对论和相对论天体物理学;1974~1983年黑洞的数学理论。对于自己频繁的改变研究领域,钱德拉是这样回答的:“每隔十年就投身于一个新的研究领域,可以保证研究者保持谦虚的精神。我认为在理解大自然的过程中谦虚精神,是持续进行科学探索的先决条件。”也许这就是指导钱德拉一生的“研究哲学”,引人深思啊。

1983年,当他从瑞典国王手中接过诺贝尔奖章时,已是两鬓斑白的垂垂老者。回忆起这段往事时他是这么说的:“如果爱丁顿当时承认了黑洞理论,他将会使这整个领域变成一个引人注目的研究领域,黑洞的许多性质将会提前20到30年被人们发现,不难想象,理论天文学将会大不相同。但这种判断不该由我来作——喏,我想我可以说,这种结局对天文学是有益处的。但我不认为对我个人有益。爱丁顿的赞美之词将使我那时在科学界的地位有根本的改变,我会在天文学界里大有名气。但我的确不知道,在那种诱惑的魔力面前我会怎么样。”这不禁让我想到法国著名作家蒙田曾意味隽永地说过:“命运对于我们并无所谓利害,它只供给我们利害的原料和种子,任那比它更强的灵魂随意变转和利用,因为灵魂才是自己的幸与不幸的唯一主宰。”钱德拉的经历是这样一种观点的佐证。

严谨执着 无所不在

有人说,一个人对学术的严谨与执着常常会显现在生活的各个角落。在阅读他的传记时,也时常感到他的严谨已经渗入了他的生活。

在钱德拉和费米共同指导下做研究的李政道回忆道:“事实上,费米每天同我们共进午餐,我们大家都在公共食堂吃热狗。当时无法想象钱德拉会这么做。钱德拉穿着外套系上领带,总是一本正经。而费米却总是卷起自己的衣袖。”有这样一些事实常常在我脑际浮现:他穿着做工考究的西装,举手投足之间温文尔雅的风度,授课时广博的学识令学生陶醉。无论从物理学还是从哲学的观点出发,钱德拉散发着优雅的大师般的气宇。

他的板书和讲稿是那样整洁和优美,以致可以直接拿去印刷。钱德拉把8.5英寸×11英寸的标准纸旋转90度以便写出冗长的方程式和复杂的计算、代数运算做校核(他的学生不变的继承这种习惯)。一个有名的故事是,在20世纪40年代中后期,钱德拉每星期从叶凯士天文台驱车数百英里到芝加哥大学为只有两名学生的班级上课。而1957年的诺贝尔物理学奖,就授予了这个班级的全体:杨振宁和李政道两位先生。在这讲究“成本效率”滥用于高等教育的事业日子里,钱德拉用自己的执着捍卫这所大学的教育传统。甚至有人会提出关于时间和精力的相应投入问题,然而对于严谨执着的钱德拉来说并没有考虑这些。

1952~1971年钱德拉任美国《天体物理学杂志》主编。20年里钱德拉将这样一个校级杂志变成了世界顶级的杂志,一路走来是充满艰辛的。为了杂志的质量,他从不带任何政治偏好,也不带任何的个人感情。有一个故事大概是这样讲得:一位叫小小沃德尔的人,在最后一次论文被拒绝后,出车祸去世了。他的父亲要求钱德拉全文发表他儿子的论文。钱德拉是这么说得:“您在极其悲痛的时刻打电话给我,要求我发表您儿子的论文。出于一个编辑的诚实,我不能够将它全文发表,不过我已经顺利地把他缩减成我认为可以发表的篇幅,我力所能及的就是这些。”他是那样的谨慎、专注、全心全意、恪尽职守。做好这份杂志,他没有想过什么功利。他好朋友的女儿曾经对他说:“钱德拉,我真烦恼。您以前所有的学生都高升了,您为什么还在这里,陷在威廉斯贝停滞不前?”回忆这样的故事总让钱德拉极为快乐。在做主编的20年里,他从没减少过任何教学任务。学生回忆道:每当他投入工作时,他就会坐在一张非常整齐、清洁的书桌前,寻觅数学的秩序。每天至少工作12小时,一周工作7天,花费10年左右,得到了“某种见解”以后才罢休——也就是说,直到宇宙的某一个方面完全约化为一组方程时才罢休。这样的严谨与执着也为他一生的杰出,做了一种诠释。

掩卷沉思 若有所悟

家族的不落俗套,给了钱德拉坚实而不平常的起点,注定了钱德拉有一个与众不同的开始。少时的聪慧勤奋,以及志向高大的胆识,给了他走向纯粹科学的动力。在成长道路中逐步深化的严谨、执着的精神是他成为科学“常青树”的保障。在物欲横流、急功近利的时代,我们的社会应该避免庸俗、回归经典、涤荡心灵或许才能走出物质丰富,精神匮乏的生活导向。当“一夜”成名,浮躁喧嚣出现在学术圈时,无论是学生还是教育工作者都要有“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”的人生境界。既然我们选择了做研究,就要坐得了冷板凳,耐得住寂寞,吃得了辛苦。在基础教育课程与教学改革、高等教育质量内涵不断提升的今天,我们应该给学生梦想、信心、胆识;培养他们严谨、执着的学习品质;指导他们科学探究、不断提升创新的意识和能力。

文件下载(已下载 2801 次)

发布时间:2011-10-18 14:44:11  阅读次数:12157

评论

由于网络审查方面的原因,本网站即日起关闭留言功能,若有什么问题可致信站长邮箱:fjphysics@qq.com。