「雙子」,中子與中子星——漫談朗道與中子星

徐仁新北京大學物理學院

來源：《現代物理知識》

中子星因其極端物理環境而深受物理學和天文學領域學者們的青睞，其研究在這兩個領域均不可或缺。天文學家觀測發現的若干類高能天體現象與中子星的存在緊密相關，而物理學家則將中子星當作重要的天體實驗室來認識自然基本規律。值得一提的是，中子星概念最早由朗道提出，歷史上可以追溯到20世紀30年代初中子的發現。對這段膾炙人口歷史的回顧，不僅使人因身臨其境地體會「微觀」與「宇觀」的學科交融而受益，而且有助於培養科學創新精神。這一題材在基礎物理教育中顯然具有現實意義。

前蘇聯理論物理學家朗道是公認的物理全才和奇才。他於1908年出生，1962年因嚴重車禍而喪失研究能力並於同年「因他對於凝聚態物質（特別是液氦）的先驅性理論」而榮獲諾貝爾物理學獎，1968年去世。在教育方面，朗道與慄弗席茲等籌劃和編寫的十卷本巨著《理論物理教程》對國際理論物理的教育影響深遠，至今乃被奉為「經典」。

朗道

前蘇聯物理學家

關於朗道生平、學術傳記式的介紹很多，且其傳奇式的「八卦」故事也遍及網絡。然而這些作者們大多側重於朗道作為一個物理學家，特別是凝聚態物理學家的一面，而鮮少涉及他對天體物理，特別是「中子星」概念的提出的另一面。例如，人們通常認為朗道最重要、最著名的貢獻被概括為所謂的「朗道十誡」中，那裡就未包含「中子星」概念的提出。本文擬彌補這一缺憾。

在1937年蘇聯政治氣氛緊張期間，朗道為了將自己塑造成包括西方在內的全世界認可的學術權威以抵消自己的社會壓力，他向當時著名雜誌Nature投稿並於1938年發表了一篇關於恆星能源的文章。據統計，朗道一生共在Nature雜誌發表了六篇論文，其中獨立署名的三篇Nature文章之一就是這篇恆星能源短文。讀者或許由此評估那篇Nature短文在朗道心目中的份量；但值得注意的是，該短文中提及的關於中子星和恆星能源的概念其實早已出現於他1932年寫的一篇較詳細的論文中了。由此可見，不應輕易忽略朗道也是一名天體物理學者。

總之，應該說朗道是比較在意自己關於恆星能源和中子物質的想法的。本文試圖介紹並討論朗道的天體物理這一面，以對眾多「朗道讀物」作一補充。為此，讓我們從19世紀末、20世紀初那個激動人心的時代開始。

從一個古老的概念——「雙子」談起相對於湯姆孫1897年發現電子而言，中子的發現要晚得多。中子概念的提出是與人類探索原子核（英國實驗物理學家盧瑟福根據α散射實驗提出原子的「有核模型」）組成的過程分不開的。1920年盧瑟福在題為《原子核組成》的講座中強調了實驗上發現一些原子核的電荷數約只有其質量數的一半，並指出：「……電子可能與氫核很緊密地結合而形成一類新的中性雙子（doublet）」。他還推測雙子會在物質中自由運動，難被探測，或許不能被限制於密封容器中。人們一般認為，1921年哈金斯在討論同位素分類時明確地用「中子」（neutron）這個詞代替盧瑟福的「雙子」。

中子的發現也曾經歷一番周折。1930年博特和貝克報導用Po的α射線轟擊Be時產生的一種中性「γ射線」，它比一般γ射線的穿透能力強很多。1932年居裡夫婦用這種「γ射線」轟擊石蠟中的質子，並且根據出射質子的能量推算「γ射線」的能量（約為50MeV）。為何Be原子核被α射線轟擊後能夠產生如此高能的γ射線？當年，深受盧瑟福「雙子」概念影響的查德威克注意到居裡夫婦的實驗，並懷疑這種射線不是γ射線而是他一直實驗尋找的中子（「雙子」）。為了搞清楚博特等發現的射線到底是γ射線還是中子，查德威克將這種射線轟擊He、Li、N 等其他原子核，也測得了這些核不同的反衝動能。如果認為那種射線是γ射線，則根據反衝動能推算的γ射線能量差別很大；但若認為那種射線就是質量跟質子相近的中子，就沒有這些矛盾了。因此查德威克認為「中子可能存在」，並因中子發現很快榮獲1935年諾貝爾物理學獎。

「密度跟原子核相當的物質」概念的提出英國核物理學家查德威克發現中子後不久，伊凡寧柯（1904～1994）等人相繼提出原子核由質子和中子組成。伊凡寧柯是朗道在列寧格勒大學本科時期的同學。在本科階段，他倆與另一位同學伽莫夫（1904～1968）曾經一起學習和評論相對論和量子論，受人矚目，時稱少年「三劍客」；也曾一起合作發表過研究論文。伽莫夫是熱大爆炸宇宙學、α衰變的勢壘隧穿機制以及胺基酸三聯碼概念的提出者。可以想像，中子的發現或許也曾經是這三人熱鬧討論的話題。伊凡寧柯的這篇文章很短，該文首先肯定了查德威克對Be射線的解釋，再提出所有「核電子」擠進原子α粒子或中子並喪失電子原有屬性（如自旋和磁矩等）的可能性，更指出中子多大程度上能像質子和電子那樣當作基本粒子。這些觀點是難能可貴的；要知道，第一個弱相互作用的定量理論是費米在1934 年完成的。

查德威克推測可能存在中子的消息同樣受到朗道的重視。1932年1 月7日朗道向PhysikalischeZeitschrift der Sowjetunion雜誌投稿，後被接受發表於該刊。目前一般認為，有關「中子星」的概念就是在這篇論文中首次提出的；1938年的論文是該文的總結和深化。朗道提出「中子星」概念的邏輯思路很值得科學史學者參考；概括於如下兩點。

A.首次提出可能存在核心由「密度跟原子核相當的物質」組成的星體（後稱「中子星」）。這一點具有前瞻性，而中子星逐漸成為天文學和物理學領域的研究熱點。類似於伊凡寧柯對於原子核結構的思索，朗道的觀點是，星核足夠高的密度不僅可以因引力能的下降導致整個星體穩定，而且一旦質子和電子「緊密結合」，將使得電子的動能下降。關於恆星的整體結構，朗道認為恆星的「中子核心」與周圍物質「這兩個相的邊界條件是由通常的化學勢平衡確定」；而任一現代的中子星結構正是沿此觀點建立的。

B.認為利用這種星體結構可以自然地解決當時流行的兩個挑戰性問題：恆星塌縮和能源機制。如果只有以上一點「A」的話，朗道中子星方面的探索或許僅為又一「屠龍絕技」，因為當時的天文觀測方面不存在這樣一種恆星結構的必要。所以，為了將他的中子星概念在學術界「賣」出去，朗道聲稱他的星體結構可同時解決「恆星塌縮」和「能源機制」疑難。為此，朗道不惜提出了現在看來是錯誤的兩個概念：1. 所有恆星都具有一個「中子核心」以便提供發光能源；2. 恆星內部存在「違背量子力學定律的病態區域」以便使質子和電子「緊密結合」得像基本粒子那樣（如果量子力學定律成立的話，質子和電子只能結合成太大的「氫原子」）。

應該說，以上錯誤的「B」對於合理的「A」在學術界的流行是有幫助的。我們今天很難考證當年朗道是先想到了「A」還是「B」，但有一點是清楚的：朗道對當時「恆星塌縮」和「能源機制」兩個疑難問題了解得全面、深入。可見，科學的進步終由問題所驅動。

胡適曾言「大膽假設、小心引證」以教誨人們如何拿捏「創新」和「嚴謹」，但這一哲學在實際研究工作中卻很難精確地指導。儘管朗道的兩篇論文中充斥著不少經不起時代推敲的錯誤概念，但七十餘年後的今天我們還不得不提及它們；因為「密度跟原子核相當的物質」概念是在那裡首先提出的，並且為了理解當今探測到的大量天文觀測現象，我們離不開這種物質。

本文選自《現代物理知識》2010年第6期 時光摘編