誰先提出了中子星的概念

2020-11-24 人民網

原標題：誰先提出了中子星的概念

1932年2月27日，英國物理學家查德威克投給《自然》雜誌的一篇論文發表。在這篇論文裡，查德威克宣布自己發現了新的粒子——中子。兩天後，即2月29日，蘇聯物理學家朗道發表了一篇論文，猜測所有恆星內部都可能存在一個非常緻密的巨大「原子核」，這個巨大原子核內部，電子和質子靠得非常近。這樣一個「巨大的原子核」的概念，也跟現在中子星的概念很接近。這兩件事的順序讓很多人認為：朗道在知道查德威克的論文之後，首次提出了中子星的概念。

然而，論文從開始構思，到寫作，再到投稿，最後通過編輯甚至審稿人的審核，需要的時間一般比較長，不可能僅僅經過2天就完成全部程序。那麼，是不是朗道在查德威克尚未發表論文時先聽到了這個消息——就像2017年雙中子星碰撞的大批論文發表前就已經有內部消息流出？事實上，查德威克是在1932年1月28日才開始按照居裡夫人的女兒和女婿——小居裡夫婦的實驗方案來搜尋中子，所以必然在此後才發現中子，而朗道的那篇論文實際上在1931年2月就已經完成了。這個時間順序一下子就把上面兩種可能性都推翻了。

朗道寫那篇論文時，還不知道中子這個概念，這一點也可以從他論文裡看出：論文裡面根本沒有提到中子，而為了解釋為什麼質子和電子靠得非常近卻不發生彼此湮滅，他採取玻爾剛剛提出的「能量守恆定律不再成立」的假說。而如果認為存在中子，就不必引入玻爾的這個假說了。

1933年12月中旬，天文學家巴德和茲威基在一次會議上首次提出可能有一種星體完全由中子構成。他們以超新星釋放的巨大能量作為出發點：一個正常的恆星收縮成一個半徑只有十幾千米的星體，釋放出的引力能才足以讓超新星那麼亮、那麼持久。而一個星體被壓得這麼小，那電子就和質子結合成中子，與之前就存在的中子一起，構成了中子星。

巴德和茲威基將這次談話的摘要發表在1934年的一期《物理評論》上面，討論了中子星、超新星與宇宙線的關係。然後，二人又於同一年在《美國國家科學院院刊》上發表了兩篇論文，更加詳細地討論了這些概念。

我們可以對比一下朗道與巴德、茲威基的工作。朗道於1931年的論文裡猜測的「巨大原子核」，看上去是「中子星」，其實只是一個「質子+電子」星，只是裡面的質子和電子靠得非常近、密度也非常大而已。而1933年年底巴德和茲威基提出的卻是「中子星」。二者有著本質的差異。這就如我們知道水是氫和氧構成的，但如果只是將氫和氧混合在一起，卻並不是水。

儘管現在我們可以判定朗道並不是第一個提出中子星的物理學家，但他那篇論文裡的一個副產品卻值得注意：他在文章一開始就討論恆星的極限質量，推導出的極限質量為2.8×1033克，他認為這個值約等於1.5個太陽質量。實際上，太陽質量是1.989×1033克，所以他計算出的那個值，其實是1.4個太陽質量，這個值其實是白矮星的極限質量！朗道算出了白矮星的極限質量，但卻以為算的是所有恆星的極限質量。

而就在朗道寫下這篇文章的同一年，來自印度的青年天文學家錢德拉塞卡發表了一篇重要論文，這篇論文針對白矮星，計算出的極限質量是0.9個太陽，因為他將裡面的一個因子取為2.5。朗道計算時將那個因子正確地取為2，得到了比錢德拉塞卡精確很多的值。但由於朗道沒有將這個結果應用到白矮星，錢德拉塞卡將這個結果應用到了白矮星，這個質量值因此被稱為白矮星的「錢德拉塞卡極限」。

今天我們回顧朗道那篇文章，會感覺相當可惜，他算出了白矮星的質量極限，卻沒有讓這個極限命名為「朗道極限」；他猜測到了質子與電子緊密靠近的一個巨大原子核，卻沒有進一步想到完全由中子構成的星體。

然而，對於這個後來在物理學的多個領域都做出傑出成就的偉大的物理學大師，這些都是可以原諒的，畢竟他寫完那篇論文時才剛滿23歲。

(責編：張麗瑋、吳楠)

相關焦點

  • 「雙子」,中子與中子星——漫談朗道與中子星
    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。
  • 理論分析:簡述中子星和黑洞
    自從物理學家茨威基和同事沃爾特 巴德提出中子星的概念之後，後來擔任原子彈研製的曼哈頓計劃負責人、美國德裔猶太物理學家奧本海默（J.奧本海默設想，如果按照茨威基和沃爾特 巴德提出的，大質量恆星因為內核坍塌為超新星提供巨大的能量，恆星內核物質轉化為單一的中子內核，那麼中子星的最大質量就成為一個至關重要的問題。如果中子星存在任意大的質量，當時科學家們推測的黑洞就不會形成，因為中子星不會因為自身的引力坍塌成為黑洞。顯然奧本海默確信中子星存在一個最大值，如果質量大於這一閾值極限，大質量恆星最終的演化結果就會形成黑洞。
  • 科普:白矮星與中子星的區別
    何為中子星了解中子星之前我們首先了解何為脈衝星，脈衝星是變星的一種，脈衝星首次發現在一九六七年，脈衝星又稱波震，也是中子星的一種，脈衝星能夠周期性的發送脈衝信號，自轉非常的快，最初我們對於恆星的認識，一直認為恆星是恆久不變的星球，但是隨著對恆星研究的發現，恆星並不是恆久不變的，因此有時候對恆星發展過程形成的星球稱之為變星，脈衝星就是恆星發展過程中形成的一種變星
  • 中子星的密度就是原子核的密度?為什麼地球還沒坍縮成中子星?
    其實中子星密度也沒什麼好稀奇的，假如按中子星的門檻計算密度的話，不過就是和原子核的密度差不多！而原子核就是物質世界中最小組成部分原子的核心而已，去掉了核外電子，剩下的就是原子核！一、中子星是怎麼形成的？
  • 中子星由中子組成,既然中子呈中性,為啥會有超強的磁場?
    最快的毫秒級脈衝星，如代號為J1739-285的中子星，自轉速度達到每秒1122轉；已知最高轉速的中子星PSR0535-69，轉速高達每秒1968轉。中子星剛形成時，溫度可達10^12K，就是萬億開爾文，而太陽表面溫度才6000K，中心溫度才1500萬K。中子星溫度比太陽溫度高出上億倍。
  • 中子有了中子星,夸克卻還發現夸克星
    中子有了中子星，夸克卻還發現夸克星，這是怎麼回事呢？雙中子星合併中子星目前已經在宇宙中觀測到，而至今也沒有在宇宙中找到夸克星的蹤跡，夸克星只是一種理論上存在的天體。理論上，中子星和夸克星都是大質量恆星的演化終點，造成它們組成上存在區別的本質原因是質量的不同，夸克星要比中子星的質量更大。首先，我們簡單來了解一下中子星是怎麼形成的。內部結構恆星通過內部核聚變反應能夠產生很強的輻射壓，這種向外的壓力與自身重力相平衡。
  • 磁場強度比典型中子星高千倍,科學家提出磁星磁場來源新理論
    磁星是目前宇宙中能觀察到擁有最強磁場的一種中子星，然而它們的磁場起源仍有分歧。最近，根據德國馬克斯普朗克天體物理研究所、巴黎地球物理研究所（IPGP）科學家們合作開發的新模型，磁星磁場可以在中子星的形成過程中放大。
  • 神奇的量子物理:白矮星與中子星的奧秘
    其實，這是對量子概念的過度神秘而形成的成見。廣義地說，在宏觀世界，牛頓力學是描述萬物運動的基本定律；在微觀世界，量子力學卻是萬物之本；在高速與高能的環境，愛因斯坦相對論是理論指針。那麼，廣袤的宇宙，又是什麼力學統治著世界？難道也存在量子效應主導的天體現象嗎？回答是的，恆星演化終結殘留下的中心天體，諸如白矮星和中子星，它們就是量子物理控制宇宙的案例。
  • 黑洞和中子星撞擊,誰更勝一籌,等你來揭秘
    科學家們將對中子星碰撞時產生引力波的觀測與核理論聯繫起來，以闡明中子星的大小和本質。當談到中子星物理學時，大小很重要。中子星，是大質量恆星的坍縮核心，它把物質緊密擠壓，使原子分裂，幾乎所有的東西都變成了中子。
  • 吃一小勺中子星會怎樣?地球可能就這麼沒了
    目前，距離地球最近的一顆中子星在400光年外，其名為RX J1856.5-3754，這顆中子星於1992年被發現，在1996年被確認為中子星，它的直徑在10到30千米 之間，並以每小時39萬千米的速度在星際介質中飛行著，想要吃上一勺中子星，RX J1856.5-3754無疑是最好的選擇。
  • 當黑洞與中子星相撞,中子星會被黑洞吞噬嗎?
    當黑洞與中子星相撞，中子星會被黑洞吞噬嗎？中子星跟黑洞的大名相信大家都聽說過，那麼如果中子星跟黑洞接觸到一起會產生什麼現象呢？中子星跟黑洞相比，如果按從體型上來說的話，90%的中子星都比黑洞大。如果按體積算的話，99.99%的黑洞都比中子星大，後來有天文學家通過大量的計算和分析更精確的得出黑洞的最大質量是500億倍太陽的質量，最小質量也是太陽的4.2倍。而中子星的最大質量是太陽質量的4.2倍，最小的質量是0.4倍太陽質量，而黑洞的硬度和密度是中子星的億兆的立方倍，所以說對於黑洞來說的話中子星只是虛胖而已。
  • 華中農業大學在中子星結構與高密物質物態研究中獲進展!
    研究揭示了夸克物質在中子星內的可能相變途徑，構造了多種混雜星結構模型，並提出以NICER探測器的觀測精度以及GW170817引力波信號給出潮汐形變量限制，區分不同的混雜星結構難度較大。該研究對於理解夸克物質在中子星內出現的可能方式很有意義。
  • 中子星的密度為什麼這麼大?
    要了解為什麼中子星會質量巨大，我們就得先從原子結構說起。原子結構其實有很多人對原子結構都有誤會，這是因為上學的時候，老師為了方便教學，會用一些模型，這些模型的比例實際上都有問題。電子簡併壓力不過，形成中子星的過程中，如果引力巨大無比，這時候就會把原子們使勁壓縮，說白了，引力就在提供這樣的能量，想要使得電子進入原子核內。不過，這時候還有一種量子效應叫做電子簡併壓力，它是因為泡利不相容原理產生的力。這種簡併壓力可以和引力相互抵抗，讓電子不至於進入原子核。
  • 如果沒有中子星,宇宙將缺少很多元素
    當然，在人類真正觀測到中子星之前，還是只能依靠於數據上面的猜測，事實上，早在上個世紀30年代，就已經有天文學家提出靈力中子星的概念，最終也確定了中子星的主要組成部分，就是中子，雖然有了這樣的概念猜測，但是卻一直沒有真正的探測到中子星的情況。
  • 中子星是由簡併中子構成的緻密星，具有強磁場的中子星是脈衝星
    太空生物學·黃媂有一種特殊的緻密天體叫做「中子星」，起源於大質量恆星核坍縮的過程，從恆星內部的核反應逐漸生成不同元素構成的核，直到鐵核的形成，再到鐵核的坍縮形成元初的「中子星」以及伴隨著的「超新星爆發」。因此「中子星」實際上是由超新星爆發直接導致的，在爆發的過程裡面，恆星的包層被炸碎了，瀰漫到星際空間裡面，而由鐵核坍縮變成元初的「中子星」形成了一個非常緻密的天體。
  • 還是中子星嗎？科學家終於找到了夸克星的證據
    簡單來說，白矮星是密集的原子核，中子星可以看作是一個巨大的原子核（中子團），夸克星是一個巨大的中子，黑洞則是理論上的奇點。從重量和密度來看，夸克星是介於黑洞和中子星之間。大約40年前首次提出這種可能性以來，一直是物理學的最重要目標之一。
  • 天文學的四大發現之一中子星:宇宙中的奇葩
    什麼是中子星：中子星（neutron star），又名波霎，是恆星演化到末期，經由引力坍縮（重力崩潰）發生超新星爆炸之後，可能成為的少數終點之一，質量沒有達到可以形成黑洞的恆星在壽命終結時塌縮形成的一種介於白矮星和黑洞之間的星體，其密度比地球上任何物質密度大相當多倍
  • 迷你黑洞,還是巨型中子星?
    周一 · 知古通今 | 周二 · 牧夫專欄 周三 · 太空探索 |周四 · 觀測指南周五 · 深空探測 |周六 · 茶餘星話兩顆中子星碰撞的藝術概念圖Credit：Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science然而，流體靜力平衡也有它的極限。總有那麼一個臨界點，物質再也抵抗不住重力，這個極限值大約比2倍太陽質量還要大一點。
  • 緻密星團中黑洞-中子星的併合可能無法釋放電磁波
    李子琦原文連結：https://phys.org/news/2020-05-black-holes-neutron-stars-merge.html在如圖中所示的球狀星團NGC3201這類天體稠密的環境中，黑洞-中子星併合無法被觀測到，即在融合過程中不釋放電磁輻射。
  • 誕生於巨大恆星死亡之時的 「中子星」到底有多大?
    我們知道，中子星的體積相對來說比較小。據研究人員估測，一顆質量約為太陽 1.4 倍的中子星的半徑介於 8 至 16 公裡之間。而相比之下，太陽的半徑約為 69.6 萬公裡。用我們的望遠鏡看去，就連普通的恆星也太過渺小、不過是個光點而已。因此，想直接測量中子星的體積是不可能的。不過，天體物理學家非常擅長開展間接測量。