毛淑德：一些天文學(xué)軼事
如今，中國(guó)天文正努力向前，走上世界舞臺(tái) | 圖源：pixabay.com
“遂古之初，誰(shuí)傳道之？”，中國(guó)先民對(duì)于宇宙的好奇與探索古已有之，中國(guó)天文也曾有過(guò)輝煌燦爛的歷史，擁有世界上最完美的彗星以及超新星記錄。四百多年前，隨著望遠(yuǎn)鏡的誕生，中國(guó)天文、科技反而逐漸落后于人，令人痛心遺憾。如今，隨著一代代天文人的努力，中國(guó)天文正努力向前，走上世界舞臺(tái)。
撰文 | 毛淑德
責(zé)編 | 鄭曉晨
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空氣，看不見(jiàn)，摸不著，卻關(guān)乎存亡。
學(xué)術(shù)氣氛，對(duì)一個(gè)一流的研究所來(lái)說(shuō)，從某種意義上講，就如同空氣之于人類(lèi)的重要性一樣。但學(xué)術(shù)氣氛這一科研要素，卻很難定量評(píng)估，不如基金項(xiàng)目和發(fā)表論文的多寡那么直觀、定量可比，往往不得重視。
這些年來(lái)，我訪(fǎng)問(wèn)過(guò)眾多國(guó)內(nèi)外研究所、天文機(jī)構(gòu)，可以很明顯的感覺(jué)到兩種截然不同的狀態(tài)，有些研究所內(nèi)門(mén)庭緊閉，大家互不交流往來(lái)，沉悶感油然而生，有些則不然。
拿我曾多次訪(fǎng)問(wèn)的英國(guó)劍橋大學(xué)天文研究所為例，該所在國(guó)際上享有很高的聲譽(yù)，第一任所長(zhǎng)是工作比肩諾貝爾獎(jiǎng)的 Fred Hoyle 教授 [1]。天文所每天上、下午各有一次茶歇，大家自發(fā)地聚集在一個(gè)開(kāi)放空間進(jìn)行學(xué)術(shù)討論，其中不乏皇家學(xué)會(huì)會(huì)員 [2]，那種沸沸揚(yáng)揚(yáng)的討論場(chǎng)面足以震撼每一位訪(fǎng)客，濃郁的學(xué)術(shù)氣氛撲面而來(lái)。
我的母校普林斯頓大學(xué)天體物理系也是一個(gè)學(xué)術(shù)氣氛相當(dāng)濃厚的地方。1988-1992年，我在那里攻讀博士學(xué)位，當(dāng)時(shí)博士還是四年學(xué)制（現(xiàn)已改為五年）。彼時(shí)，系里不過(guò)只有15名教授，與學(xué)生總數(shù)相當(dāng)。四年下來(lái)，每位教授平均指導(dǎo)一名學(xué)生。研究生前兩年主修基礎(chǔ)課，課程倒是不多，不過(guò)五門(mén)（恒星物理、星際間界質(zhì)、星系動(dòng)力學(xué)、高能天體物理、河外天文學(xué)/宇宙學(xué)）。
除此之外，每名研究生每年還需要準(zhǔn)備兩次前沿報(bào)告，分別關(guān)于理論天體物理和觀測(cè)天文學(xué)。其余時(shí)間，學(xué)生們每學(xué)期將在不同導(dǎo)師的指導(dǎo)下開(kāi)展研究，完成相應(yīng)課題并發(fā)表。如此兩年下來(lái)，學(xué)生們往往能夠深入了解天文學(xué)各領(lǐng)域知識(shí)和進(jìn)展，明確自己的興趣與特長(zhǎng)，從而選定合適的博士論文題目，最終完成自己的博士學(xué)業(yè)。
與英國(guó)劍橋大學(xué)天文研究所一樣，普林斯頓天體物理系里每天下午三點(diǎn)也有個(gè)茶歇，少不了眾多教授和學(xué)生的參與，大家習(xí)慣于一邊愜意地喝茶，一邊嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜懻摽茖W(xué)問(wèn)題。
這些年過(guò)去，很多事很多人漸漸在腦海中淡去，唯有茶歇時(shí)的某些討論仍令我記憶猶新，比如某次關(guān)于1987A超新星的討論。當(dāng)時(shí)，有人聲稱(chēng)1987A超新星產(chǎn)生了一個(gè)周期為半秒的脈沖星信號(hào) [3]，但理論上講，轉(zhuǎn)速如此快的脈沖星不應(yīng)或很難存在，因?yàn)榫薮蟮碾x心力會(huì)將中子星撕地粉碎（見(jiàn)附錄）。
大家對(duì)發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果很是困惑，茶歇時(shí)議論紛紛，系主任 Jerry Ostriker 教授也加入了討論，面對(duì)大家的問(wèn)詢(xún)，他想也沒(méi)想地回道：“應(yīng)該是噪音，” 他頓了頓，又補(bǔ)充道，“如果不是噪音，我還有三個(gè)理論解釋”。有意思的是，這個(gè)所謂的 “半秒脈沖星信號(hào)”，最終被證明確實(shí)是假的。
后來(lái)，Jerry在一次喝茶時(shí)調(diào)侃，稱(chēng)自己在《自然》雜志上發(fā)表的所有文章也都是有錯(cuò)誤的，因?yàn)椤蹲匀弧冯s志往往過(guò)于追求新聞效應(yīng)而缺乏足夠考證，并不能盲信。喝茶時(shí)能聽(tīng)到教授們對(duì)那些尚無(wú)定論的課題展開(kāi)激烈討論，這一過(guò)程往往比上課還要獲益良多。
提及 Jerry Ostriker 教授，他的思維敏捷、能言善辯（有人說(shuō)是詭辯）在天文圈里是出了名的。我曾擔(dān)任過(guò)他半年的研究助理，不時(shí)找他討論，往往進(jìn)門(mén)前堅(jiān)信他的錯(cuò)漏，出來(lái)時(shí)卻已被他說(shuō)服。如此反復(fù)，最終常常難以達(dá)成共識(shí)（不過(guò)，后來(lái)的觀測(cè)表明，由他提出的 “BL Lac天體是由于微引力透鏡效應(yīng)造成的” 這一理論確實(shí)不對(duì)）。
猶記得第一次見(jiàn)到 Jerry Ostriker 教授，是在1988年的一個(gè)秋天，我懷著忐忑不安的心情拜訪(fǎng)他，希望可以在他的指導(dǎo)下開(kāi)展一些課題研究。他問(wèn)我：“你想做什么？”，“量子宇宙學(xué)?！?我答道。他愣了足足半分鐘才道：“這個(gè)比較難，除了這個(gè)，你可以在我的一百多篇文章中任意挑選一個(gè)題目”。我研讀了半年文獻(xiàn)后，選擇了一個(gè)有關(guān)微波背景輻射的課題。
時(shí)值天文學(xué)家通過(guò)火箭實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微波背景輻射的能譜偏離黑體輻射（見(jiàn)圖3左），而 Jerry Ostriker 教授恰巧有個(gè)理論可以解釋這一偏離，于是他建議我計(jì)算一下?？上В?dāng)時(shí)我初到美國(guó)，迷上了計(jì)算機(jī)，在課題上花的時(shí)間寥寥，進(jìn)展緩慢。更不幸的是，這個(gè)課題尚未完成，就在1990年被 COBE衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)之前的觀測(cè)結(jié)果是錯(cuò)誤的，微波背景輻射能譜明明是完美的普朗克黑體譜（見(jiàn)圖3右）。
這次并不成功的合作，有部分原因可歸于科學(xué)的不可預(yù)見(jiàn)性，但卻令我深以為憾。直到2004年，我以及另外兩名天文學(xué)家終于和他一起合作完成了一篇關(guān)于引力透鏡和暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)的文章，總算是了了遺憾，達(dá)成了與他合作的心愿！
除了 Jerry Ostriker 教授，系里的其他教授也都是天文界的翹楚，包括我的導(dǎo)師，Bohdan Paczynski 教授（我已另有撰文紀(jì)念他 [4]）、James Gunn 教授、Richard Gott 等。其中，James Gunn 教授是天文界唯一一位能夠同時(shí)兼顧理論、觀測(cè)和儀器制造的全能科學(xué)家。據(jù)我所知，在儀器制造方面，他曾參與設(shè)計(jì)了Palomar天文臺(tái)的雙色光譜儀和哈勃望遠(yuǎn)鏡上的儀器（WFPC），也正是他所制造的五色相機(jī)保證了SLOAN數(shù)字巡天計(jì)劃能在2000年順利開(kāi)展。
目前，基于SLOAN數(shù)字巡天計(jì)劃的文章、引文成千上萬(wàn)，這一計(jì)劃也成為天文史上最成功的巡天計(jì)劃，將在幾十年內(nèi)對(duì)天文學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。另一位教授 Richard Gott 對(duì) James Gunn 教授的評(píng)價(jià)非常貼切, “如若末日降臨，世間只剩Gunn教授一名天文學(xué)家，他也能恢復(fù)重建整個(gè)天文學(xué)。”
James Gunn 教授的夫人 Jill Knapp 也是系里的教授，且在觀測(cè)方面頗有建樹(shù)。我申請(qǐng)普林斯頓研究生時(shí)，她恰好負(fù)責(zé)系里的招生，曾警告我美國(guó)官僚主義的嚴(yán)重，早早地打破了我的美好幻想。他們夫妻伉儷情深，幾乎每天都同時(shí)上、下班，有一次還見(jiàn)他們肩并肩坐在系所樓前的石階上，仰望星空，真是無(wú)盡的浪漫！
Richard Gott 也是一位頗具傳奇色彩的教授。他非常健談，且能暢聊數(shù)個(gè)小時(shí)不休，這一點(diǎn)曾讓許多學(xué)生很是無(wú)奈。所以，如若必須見(jiàn)他，大家都會(huì)選擇即將下班的時(shí)間點(diǎn)，或者提前和其他學(xué)生約好，定點(diǎn) ‘馳援’。他是相對(duì)論和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的專(zhuān)家，我曾有幸和他一起合作完成了一篇關(guān)于宇宙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的論文。也正是他，與北大的李立新教授聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了利用宇宙弦或可實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越。
有人玩笑說(shuō)，時(shí)空穿越對(duì)其他人來(lái)講或許不可能，但Gott 不同，他是萬(wàn)能的上帝（Gott原為德文，有 “上帝” 之意）。有一次，辦公樓前的一棵樹(shù)被閃電擊中而攔腰折斷，大家調(diào)侃道：“這大概是來(lái)自上帝的警告，因?yàn)槲覀兣e(cuò)了宇宙學(xué)?！?/span>
普林斯頓天體物理系除了這些聲名赫赫的教授外，每周三還會(huì)邀請(qǐng)一位國(guó)際知名學(xué)者前來(lái)做學(xué)術(shù)報(bào)告（colloquium），這是拓寬知識(shí)面的寶貴機(jī)會(huì)，幾乎每個(gè)教授和學(xué)生都會(huì)自發(fā)參加。高年級(jí)學(xué)長(zhǎng)甚至曾告誡我，一定要去參加學(xué)術(shù)報(bào)告，哪怕在那里睡覺(jué)。
實(shí)際上，曾被費(fèi)曼在書(shū)中多次提及的天體物理系第一任系主任——大名鼎鼎的 Henry Russell 教授，他就是逢報(bào)告必睡的典型 [5]。這一優(yōu)良傳統(tǒng)顯然得到了很好的傳承，據(jù)我博士生期間觀察，當(dāng)時(shí)的系主任 Jerry Ostriker 教授聽(tīng)報(bào)告時(shí)也幾乎場(chǎng)場(chǎng)入睡，不過(guò)令人拍案稱(chēng)奇的是，報(bào)告一結(jié)束，他便能立馬醒來(lái)提問(wèn)，且問(wèn)題往往犀利而正中要害。
學(xué)術(shù)報(bào)告之外，物理系的學(xué)生們常邀請(qǐng)報(bào)告人共進(jìn)午餐（Wednesday Lunch，Wunch），餐點(diǎn)通常是采購(gòu)于普林斯頓人盡皆知的小餐館Hoagie Haven [6] 中的三明治。大家不遺余力地利用午餐時(shí)間，一方面向報(bào)告人宣傳自己的工作，一方面打聽(tīng)物理系之外的訊息。這樣的餐會(huì)，我參加過(guò)多次，其中印象最深的是 S.Chardrasekhar，James Binney 和 Peter Goldreich 三位教授。
Chandrasekhar教授供職于芝加哥大學(xué)，他是 Jerry Ostriker 教授的導(dǎo)師，曾因發(fā)現(xiàn)白矮星的質(zhì)量上限而獲得1983年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。據(jù)說(shuō)，他授課時(shí)，曾創(chuàng)造了班內(nèi)所有成員（李政道和楊振寧，包括他自己）都獲得諾貝爾獎(jiǎng)的 “奇跡” [7]。他一生涉獵極廣 [8]，且工作方式奇特：某一時(shí)期只專(zhuān)注于一個(gè)領(lǐng)域的工作，解決問(wèn)題發(fā)表專(zhuān)著后，進(jìn)入下一個(gè)領(lǐng)域，并從此再不涉足上一個(gè)領(lǐng)域。
某次，Chandrasekhar教授前往普林斯頓高等研究院訪(fǎng)問(wèn)期間，兩位印度研究生費(fèi)了九牛二虎之力將他請(qǐng)來(lái)參加我們的午餐會(huì)，大家都非常激動(dòng)。按照慣例，大家依次介紹自己的工作，期待他的評(píng)價(jià)，結(jié)果他僅說(shuō)了一句 “你們做的東西我都不清楚”，便開(kāi)始重點(diǎn)描述他自己手頭的工作，當(dāng)時(shí)他正在研究牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》, 對(duì)牛頓推崇備至 [9]。不得不說(shuō)，他的言行中處處透露出一名學(xué)者的清高與孤傲，給我留下了極深的印象，他的一句話(huà)讓我牢記至今—— 科學(xué)追求，永無(wú)止境（the endless pursuit of science）。
另一位來(lái)自加州理工學(xué)院的 Peter Goldreich 教授也對(duì)我影響深遠(yuǎn)，他曾在行星形成、動(dòng)力學(xué)以及脈沖星原理等方面都做出了杰出的貢獻(xiàn)。午餐會(huì)時(shí)，他坦率地提及，科研往往會(huì)碰壁（run into a brick wall），碰壁時(shí)也無(wú)需泄氣，不過(guò)是換一個(gè)課題或改變一下研究方式，僅此而已。此后幾十年漫漫科研路，我每每碰到困難時(shí)，不時(shí)憶起他的話(huà)，方能保持初心堅(jiān)持至今。
我們的午餐會(huì)也曾邀請(qǐng)過(guò)牛津大學(xué)的 James Binney 教授，他撰寫(xiě)的《星系天文學(xué)》和《星系動(dòng)力學(xué)》頗為流行，天文界幾乎人手一冊(cè)。James Binney教授知識(shí)面極廣，午餐會(huì)時(shí)能夠?qū)γ恳粋€(gè)學(xué)生的工作做出詳細(xì)評(píng)點(diǎn)。
后來(lái)，我應(yīng)邀前往牛津去參加一位博士生的畢業(yè)答辯，再次與 James Binney 教授相遇。英國(guó)的博士畢業(yè)答辯（viva）委員會(huì)通常由一個(gè)校外考官和一個(gè)校內(nèi)考官組成。答辯前，由每個(gè)教授各自撰寫(xiě)評(píng)語(yǔ)。答辯時(shí)，學(xué)生可以在5-10分鐘內(nèi)做一個(gè)簡(jiǎn)短的工作總結(jié)，重點(diǎn)是提問(wèn)環(huán)節(jié)，教授可就論文中的任何內(nèi)容提問(wèn)，時(shí)間不限，（往往）問(wèn)到學(xué)生答不出來(lái)為止。答辯結(jié)束后，兩位教授將一起撰寫(xiě)答辯和綜合評(píng)語(yǔ)。
在英國(guó)，參加一位學(xué)生的博士論文答辯，從論文研讀到評(píng)語(yǔ)撰寫(xiě)，往往需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，報(bào)酬卻很少，大約150英鎊左右。相比而言，國(guó)內(nèi)的答辯往往流于形式。但即便如此，還是有不少教授反映，英國(guó)的博士文憑含金量正在逐年下降。當(dāng)時(shí)，我擔(dān)任那位博士生的校外考官，而 James Binney 教授恰好是那場(chǎng)博士答辯的校內(nèi)考官。
答辯時(shí)還發(fā)生了一個(gè)小插曲，當(dāng)時(shí)我們正聊得高興，他突然一拍腦袋，“糟了，我忘了穿學(xué)位袍（academic gown）”，立馬帶著我大步流星地前往他的Merton學(xué)院去取學(xué)位袍，總算是保證了答辯的合規(guī)有效。答辯時(shí)，他精力充沛，不停發(fā)問(wèn)，三個(gè)小時(shí)后仍沒(méi)有任何停止的跡象，我最后不得不打斷他，算是解救了那位答辯的學(xué)生——Vaslily Belokurov，現(xiàn)已成為劍橋大學(xué)教授。
2017年3月末，James Binney 教授作為中科院的國(guó)際杰出學(xué)者，應(yīng)邀訪(fǎng)問(wèn)了國(guó)內(nèi)多所大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)。在受邀在清華大學(xué)作報(bào)告時(shí)，快到報(bào)告時(shí)間，才見(jiàn)他自遠(yuǎn)處大步流星的走來(lái)，與三十年前匆忙取學(xué)位袍的他殊無(wú)二致。
前些年，我在加州理工學(xué)院偶遇了 Jill Knapp 教授，她對(duì)我說(shuō)，“討論才是我們天文學(xué)家必須要做的事情（all we astronomers do is talk）”，令我頗為觸動(dòng)，畢竟，我們這些天文人都不是急功近利的商人，平生所愿不過(guò)是能留下一些可傳于世，可表于書(shū)的工作，周?chē)己玫膶W(xué)術(shù)氣氛，專(zhuān)業(yè)互補(bǔ)的討論至關(guān)重要。
但愿不久的未來(lái)，大多數(shù)天文研究院所、機(jī)構(gòu)都能敞開(kāi)大門(mén)，以開(kāi)放的胸襟讓每一位訪(fǎng)客都能感受到其由內(nèi)而外散發(fā)出的濃郁學(xué)術(shù)氣氛，雖然，這本應(yīng)是一個(gè)科研單位永葆活力的根本，卻也正是躋身世界一流的關(guān)鍵之所在！
附 錄
讓我們考慮一個(gè)恒星（見(jiàn)圖），其質(zhì)量為M, 半徑為R，轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率為ω。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，處于恒星表面的粒子上將受到兩個(gè)力：萬(wàn)有引力和離心力。為了保證脈沖星不被撕碎，則萬(wàn)有引力（F）必須大于離心力（F’）：F=mGM/R2 ≥ F’=mω2R ， ω=2π/T ，其中T為周期。據(jù)此，我們可得出 :
對(duì)于一個(gè)脈沖星，M≈1.4太陽(yáng)質(zhì)量=2.8*1030kg，R≈10km，則T≥1ms。除非質(zhì)量很大，或半徑很小 （這需要比較特殊的狀態(tài)方程），旋轉(zhuǎn)周期很難小于1毫秒。
制版編輯 | 盧卡斯
