他是天體物理學的一代宗師，也是學科發展的絆腳石？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！11-09 10:02
撰文 | 王善欽
在天文學與物理學的發展史上，亞瑟·斯坦利·愛丁頓（Arthur Stanley Eddington，1882-1944）是一個無法繞開的人物。他的主要成就在於天文學，特別是恆星物理學領域。
然而，因為他在驗證愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）的廣義相對論方面的名聲太大，很多人反而忽略了他在天文學領域的偉大成就與崇高地位。更悲劇的是，他因為對白矮星研究的固執己見，而被認為是一個排斥異己，阻礙恆星物理學發展的粗暴學閥。
那麼，愛丁頓對天文學的貢獻有哪些？他真的是阻礙恆星物理學發展的絆腳石嗎？本文介紹天體物理學一代宗師愛丁頓傳奇的一生。
悽苦的童年
1882年12月28日，愛丁頓出生於英國威斯特摩蘭（Westmorland，現在的坎布里亞[Cumbria])的肯德爾（Kendal）。愛丁頓的父親亞瑟·亨利·愛丁頓（Arthur Henry Eddington，1850-1884）於1871年畢業於倫敦大學，後來擔任一個貴格會學校的校長；他的母親是薩拉·安·肖特·愛丁頓（Sarah Ann Shout Eddington，1852-1924）。愛丁頓有一個姐姐，維妮弗蕾德·愛丁頓（Winifred Eddington，1879-1954）。
1884年2月14日，愛丁頓的父親死於傷寒大流行，還不到34歲。當時愛丁頓不滿2週歲，他的姐姐也才5歲。愛丁頓的母親帶着一雙兒女搬到濱海韋斯頓（Weston-super-Mare），住在沃利斯科特（Walliscote）路42號一棟名為“瓦金”（Varzin）的房子。在這裏，愛丁頓的母親依靠微薄的收入艱辛地撫養兩個孩子。這段悽苦的時光令愛丁頓無法忘懷，在其功成名就後還不時向後輩講起。
搬家後，愛丁頓先在家裏學習，接着在一所預科學校學習了三年。此時的愛丁頓已經對星空產生興趣，經常試着數星星，這為他後來進入天文學領域種下了種子。
數學優等生，高級牧馬人
1893年，愛丁頓進入布林梅林（Brynmelyn）學校。他很快顯示出自己在數學與英語文學等方面的異常天賦。
因為成績優異，愛丁頓獲得獎學金，在15歲時（1898年10月）進入曼徹斯特歐文斯學院（Owens College，即現在的曼徹斯特大學）學習。在大學期間，他主攻物理學，多次獲得獎學金。
1902年，19歲的愛丁頓以一等榮譽畢業，還獲得了劍橋大學的獎學金，於同年10月到劍橋大學讀研究生，導師是赫爾曼（Robert Alfred Herman，1861–1927）。
1904年，愛丁頓參加了劍橋大學數學課程考試。這是劍橋大學一項古老的學業傳統，傳言因為早期的學生考試時要坐在三腳凳上答題，該考試又被稱為“數學三腳凳”（Mathematical Tripos），向來以題目難度大、強度高（考多天，一天考6-8小時）而著稱。獲得第一名的學生被授予“高級牧馬人”（Senior Wrangler）稱號，他們被譽為全英國最聰明的人，有些獲獎者的家鄉會因此組織父老鄉親上街慶祝。歷年“數學三腳凳”考試的前幾名中，有很多人在後來成為著名科學家。愛丁頓的導師赫爾曼是1882年的“高級牧馬人”。
22歲的愛丁頓在這次考試中榮獲第一名，成為這項考試歷史上第一個在入學兩年後就獲得“高級牧馬人”稱號的人。不過，他在進劍橋大學前就已讀了四年本科，在數學各學科方面比劍橋本科生更有經驗。即使如此，能夠在高手如雲的劍橋大學獲得這個成就，也足以證明他不凡的數學能力。
由於愛丁頓在數學上的才能，著名數理邏輯學家與哲學家貝特朗·羅素（Bertrand Russell，1872-1970）在1954年寫的一篇名為《數學家的噩夢：方形教授的願景》（The Mathematicians’s Nightmare: the Vision of Professor Squarepunt）的短篇小説中將他作為核心人物。
早期天文生涯
1905年，愛丁頓研究生畢業，隨即進入卡文迪許實驗室，研究熱離子發射；同時，他還教工程系學生數學。不過，他對物理實驗和教學都不感興趣。
幸好，在同事惠特克（Edmund Whittaker，1873-1956）的推薦下，愛丁頓在1906年初獲得格林尼治皇家天文台的職位，擔任皇家天文學家克里斯蒂（William Christie，1845-1922）的首席助理。
從1906年到1917年之間，愛丁頓主要研究恆星運動與星團動力學。他對球狀星團動力學的研究成為該領域的一個突破。
在此期間，他也觀測了小行星的視差[注1]、彗星與日全食。通過對比小行星433 Eros的照相底片，結合他發展出的新統計方法，他測出433 Eros的視差，並因此獲得1907年的史密斯獎（Smith’s Prize）與劍橋大學的一項獎學金。1908年，愛丁頓對莫爾豪斯彗星（Comet Morehouse，C/1908 R1）進行了仔細觀測，於1910年發表了相關論文。愛丁頓在論文裏提出：太陽發出的大量離子會對彗星造成影響。這個想法後來被帕克（Eugene Newman Parker，1927-2022）發展為“太陽風”這個重要概念。（編者注：參見《他的姓名值15億美元：天才少年的傳奇人生》）
1910年，戴森（Frank Watson Dyson，1868-1939）擔任皇家天文學家，愛丁頓繼續擔任首席助理。1912年10月10日，愛丁頓與同事在巴西觀測日全食，這為他後來觀測1919年日全食積累了寶貴的經驗。
多個優秀成果使愛丁頓成為天文學領域的新秀。1913年，年僅30歲的愛丁頓成為劍橋大學天文台普盧姆天文學和實驗哲學教授（Plumian Professor of Astronomy and Experimental Philosophy）。
1914年，31歲的愛丁頓出任劍橋大學天文台台長，併成為英國皇家學會會員。這一年，他出版《恆星運動與宇宙結構》（Stellar Movements and the Structure of the Universe）一書，總結了他對銀河系中恆星運動與星團動力學的數學研究。
恆星物理學
從1916年開始，愛丁頓的主要研究興趣從偏數學的恆星動力學轉移到偏物理的恆星物理學。
在1916-1926年的10年間，愛丁頓在恆星脈動、輻射轉移與恆星能源方面獲得了眾多突破性的成果，使其學術生涯進入了另一個輝煌的階段，奠定了他作為一名偉大天文學家的歷史地位。
首先，愛丁頓研究了造父變星的物理機制。造父變星的亮度會週期性變化，這是因為它們會週期性地膨脹-收縮（脈動）。愛丁頓通過計算證明，造父變星的亮度變化源自其不透明度的變化，後者又源自温度的變化——氦被電離的比例變化。這個機制被稱為“愛丁頓閥”（Eddington valve）。由於不透明度的符號是希臘字母κ（kappa），因此這個機制被稱為“kappa機制”，後來也被用於其他脈動變星的研究。
1920年，愛丁頓發表論文《恆星的內部結構》（The Internal Constitution of the Stars）。他否定了此前被廣泛接受的恆星能源模型，該模型認為：恆星收縮，將物質的重力勢能的一部分轉化為熱，這些熱成為恆星的能源。這就是著名的“開爾文-亥姆霍茲機制”（KH機制）。愛丁頓認為，根據愛因斯坦相對論中的質能關係式（E=mc2），4個氫的質量略大於1個氦，損失的質量會轉化為巨大的能量；哪怕恆星中可被用以聚變的氫只佔恆星質量的5%，其聚變產生的能量也足以讓恆星持續發光。他還指出，氦與氦的聚變以及更重元素之間的聚變也可能在恆星內部發生。現代的研究表明愛丁頓的這些看法都是正確的。
愛丁頓還指出，熱壓不足以平衡恆星的自身的引力，為避免恆星塌縮，輻射壓是必需的。他是第一個認識到這一點的人，更重要的是，這一結論至今依然成立。在計算恆星輻射轉移的過程中，愛丁頓給出了一個近似，即“愛丁頓近似”。
1924年，愛丁頓得到著名的“質量-光度關係”（質光關係）：主序星的光度與恆星質量的n次方成正比。現在的觀測表明n的取值範圍約為2.3到4之間。
恆星物理學方面的研究為愛丁頓帶來了崇高的聲譽。1924年，41歲的他拿下天文學領域的三個大獎：英國皇家學會金質獎章（Gold Medal of the Royal Astronomical Society）、亨利·德雷珀獎章（Henry Draper Medal）與布魯斯獎章（Bruce Medal）。（編者注：關於德雷珀獎章可參見《她做了一個“違背祖訓”的決定，然後將一個學科推進了幾十年》）
然而，就在這一年的11月4日，愛丁頓72歲的母親逝世。母親的離去讓他悲痛萬分，在此後憶及童年時更加傷感。童年時與母親及姐姐相依為命的一幕幕，愛丁頓一直無法忘懷。
1925年，愛丁頓得到了球對稱天體的輻射極限值，即愛丁頓極限（Eddington limit）。當球對稱天體的亮度超過這個極限時，輻射壓超過引力，外層粒子逃逸。愛丁頓極限與恆星質量成正比；對於太陽，其愛丁頓極限是太陽亮度的3.2萬倍。
1926年，愛丁頓出版專著《恆星的內部結構》。這本書成為此後一整代天體物理學家的標準教科書。1928年，愛丁頓獲得皇家學會皇家獎章（Royal Society Royal Medal）。
愛丁頓的這些工作迅速成為研究恆星物理學的基礎，一些經典結論至今依然是恆星物理學教材的基本內容。他的研究風格也深刻影響了此後的恆星物理學家。
將愛因斯坦推上神壇
愛丁頓除了在恆星物理學方面做出開創性貢獻之外，他在同時期還深入學習了廣義相對論。他讀研究生期間，他的導師赫爾曼開設了微分幾何學課程，而廣義相對論的主要數學工具就是微分幾何學。憑藉自己的數學與物理學方面的功底，愛丁頓迅速掌握廣義相對論，成為當時最懂相對論的英國學者之一。
廣義相對論提出了幾個預測，其中一個是光在引力場中走彎曲路線，偏折角約為1.75角秒。在愛丁頓的鼓吹下，戴森為1919年5月29日的日全食組織了兩個遠征隊。第一個遠征隊由克羅莫林（Andrew Crommelin，1865-1939）與戴維森（Charles Davidson，1875-1970）帶領，前往巴西北部的索布拉爾（Sobral）；第二個遠征隊由愛丁頓與科廷翰（Edwin Cottingham，1869-1940）帶領，前往非洲西海岸的普林西比（Príncipe）島。
索布拉爾遠征隊最終確定恆星發出的光因為太陽的引力而偏折，偏折角約為1.98角秒，隨機誤差不超過6%。雖然普林西比島遠征隊的觀測過程有些波折，但他們確定的光線偏折角在1.55-1.94角秒之間，平均值為1.61角秒，誤差為0.3角秒。
1919年11月6日，愛丁頓在英國皇家學會會議公佈：日全食期間觀測到的星光偏折角度與愛因斯坦的理論符合。這是人類首次通過觀測證實廣義相對論的預言。
這個結果不僅有力提升了愛因斯坦在物理學界的地位，使其成為物理學界的新領袖，也轟動了各國媒體。此前在公眾面前默默無聞的愛因斯坦立即被大眾視為超越牛頓的偉大物理學家。可以説，是愛丁頓將愛因斯坦推上了神壇。
2008年上映的電影《愛因斯坦與愛丁頓》，以愛丁頓説服英國同事通過日全食驗證廣義相對論為線索，講述了愛丁頓與愛因斯坦在英國與德國交戰期間珍貴的跨國友誼。
愛丁頓也因為驗證廣義相對論而在公眾中名聲大噪，成為家喻户曉的科學家。而且愛丁頓擅長用通俗而精確的語言向同行與大眾介紹相對論，使相對論在英語世界的影響力迅速提高。他對日全食的觀測因此被稱為“愛丁頓實驗”（Eddington experiment），儘管有人在後來質疑愛丁頓獲得的數據質量，但此後的多次日全食觀測得到的結果均與廣義相對論的理論值符合；此外，現代天文學家用現代測量設備和軟件對其原始圖像進行重新分析，也證實愛丁頓的結果是比較可靠的。
愛丁頓對廣義相對論的研究也做出了原創性貢獻，特別是著名的“愛丁頓-芬克爾斯坦座標”（Eddington–Finkelstein coordinates），可以被追溯到愛丁頓1924年的一個研究，不過他與芬克爾斯坦（David Finkelstein，1929-2016）都沒有給出表達式。
白矮星之爭
愛丁頓不僅精通相對論，也精通量子力學。他將量子力學中的簡併壓的概念引入恆星物理之中，以描述白矮星這樣的緻密星，因此他成為白矮星理論研究的先驅之一。
白矮星是一些恆星演化到後期暴露出來的緻密核心，因其温度高而顯示為“白”，又因為其亮度低而屬於矮星。天狼星B是最著名的白矮星之一，它是天狼星的伴星，其亮度約為天狼星的萬分之一。
然而，諷刺的是，愛丁頓不接受相對論與量子力學中的簡併壓概念的結合。他認為：相對論是正確的，量子力學中的簡併壓的公式也是正確的；但是，二者的結合不是“婚生的”，是無根據的。
這個觀點是他與錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995，簡稱錢德拉）發生矛盾的根源。
1930年，錢德拉同時考慮相對論與簡併壓，使用近似的方法得到結論：白矮星的質量存在一個上限，並非所有恆星都以白矮星為演化的終點；質量超過極限的白矮星會繼續收縮，沒有力量可以抵抗這種收縮。此後，錢德拉通過精確計算證明了自己此前的結論，並在1934年底提交了報告。
愛丁頓無法接受“相對論簡併壓”這個概念，更無法想象一些天體會無限塌縮。1935年初，在錢德拉做報告後，愛丁頓反對錢德拉的結論，並走上講台，反駁錢德拉。主持人還要求錢德拉感謝愛丁頓糾正了他的“錯誤”。
後來他們又在其他地方開會，愛丁頓還是公開反對錢德拉的研究成果。散會後，他找到錢德拉説，這只是學術爭論，不影響個人交情。錢德拉問：“那你現在同意我的觀點了嗎？”愛丁頓回答：“不同意。”錢德拉鬱悶地説：“那還有什麼好説的呢？”然後轉身離開了。
這些事讓錢德拉一度很受打擊，為此不再研究白矮星。不過，他與愛丁頓的私人感情並未因此受到破壞。二人一直結伴同遊，直到錢德拉離開英國，此後他們還一直通信。
後來的研究表明，有些恆星演化到後期，內部會形成中子星，其最高質量可以達到2-3個太陽質量。如果其殘骸質量超過大約3個太陽質量，就無可避免地成為黑洞。至今為止的觀測也表明，所有白矮星的質量都低於1.4個太陽質量，錢德拉對白矮星極限質量的計算是正確的，雖然他沒有考慮中子星的可能性。[注2]
錢德拉遺憾地説：“愛丁頓在30年代時已精通廣義相對論，他完全有能力推導出恆星質量過大時會塌縮的結論。如果愛丁頓真的這麼做了，他會成為20世紀最偉大的天體物理學家。”
他是學科發展的絆腳石嗎？
錢德拉認為，愛丁頓的權威，使他的錯誤觀點在整整兩代人的時間裏影響了恆星物理尤其是白矮星方面的研究。這個評價讓人覺得愛丁頓簡直是這個領域的絆腳石。然而，事實真的是這樣嗎？
2003年，貝特（Hans Bethe，1906-2005）在發表《我的天體物理學生涯》（My Life in Astrophysics）一文中，總結了自己在天體物理學上的學術探索歷程。貝特在文章中提到，他讓博士研究生馬沙克（Robert Marshak，1916-1992）研究白矮星，“他（關於白矮星）的學位論文很優秀。多年後，加州理工學院的白矮星專家告訴我，這篇論文當時依然是理解白矮星的基礎。”馬沙克於1939年在康奈爾大學獲得博士學位，其學位論文標題是“對恆星內部構造理論的貢獻”（Contributions to the Theory of the Internal Constitution of Stars）。
1940年，馬沙克發表論文《白矮星的內部温度》（The Internal Temperature of White Dwarf Stars），他明確指出這篇文章的主要部分寫於自己在康奈爾大學讀博期間。馬沙克這篇長達33頁的論文深入研究了白矮星的內部温度，並明確提到了與“簡併位形有關的錢德拉塞卡理論”。
雖然馬沙克只是個例，但我們可以窺一斑而知全豹：愛丁頓的激烈反對肯定摧毀了錢德拉繼續研究白矮星的熱情，也很可能打擊了劍橋大學甚至英國天文學界研究白矮星的熱情；但是，英國之外的白矮星研究並未中斷，甚至很可能沒有受到多大影響（從馬沙克文章引用的情況與被引用情況，都能側面證明這一點）。因此，愛丁頓對白矮星研究的阻礙作用可能遠低於錢德拉與後人們的想象。我們不應該高估愛丁頓在這方面的負面作用。
愛丁頓對整個恆星物理領域研究的打擊更小。馬沙克在1940年與貝特合作發表了研究紅矮星與亞矮星的文章《應用於恆星的推廣的托馬斯-費米方法》（The Generalized Thomas-Fermi Method as Applied to Stars），馬沙克還在同年發表了《關於太陽的點對流模型的註記》（Note on the Point-Convective Model for the Sun）。至於其他人在恆星物理方面的工作更不勝枚舉。
“數字”物理學與科學哲學
從20世紀20年代開始，愛丁頓也研究一些與量子力學、時空有關的問題。
1936年，愛丁頓出版《質子和電子的相對論》（Relativity Theory of Protons and Electrons），論述了量子理論，研究了一些常數之間的關係。不過，他做的都是一些拼湊類型的數字遊戲。例如，當物理學實驗得到精細結構常數α約為1/136時，他認為宇宙中質子的總數應該是136×2^256——這個數字被稱為“愛丁頓數”（Eddington number），這樣就可以讓α等於1/136；然而，後來的研究表明α約為1/137，於是他又將質子總數修改，以讓α等於1/137。（編者注：參見《追尋物理學中“魔數”的最準確結果》）這樣的研究具有循環論證的特徵，損害了愛丁頓在物理學界的聲譽。
愛丁頓愛騎車，因此還發明瞭另一個靠譜得多的“愛丁頓數”：騎行者在至少E天內每天騎車至少E英里。他自己的愛丁頓數是84英里，這意味着他騎行超過84英里的天數是84。這個概念與後來出現的H因子很類似：學者的N篇論文被引用超過N次，其H因子就是N。
在科學哲學領域，愛丁頓是一個非決定論者，他認為量子力學中的不確定性原理代表了微觀世界的本質，在其背後並不存在一個隱變量。這個觀點與他的摯友愛因斯坦的決定論觀點對立，與“哥本哈根學派”的解釋一致。他的部分科學哲學思想體現在他1939年出版的《物理科學哲學》（Philosophy of Physical Science）一書中。
逝世與紀念
1944年11月22日，愛丁頓因癌症在劍橋的伊夫林（Evelyn）療養院逝世，享年61歲，後被安葬在劍橋阿森松（Ascension）教區他母親的墓地中。直到逝世一週前，他還給錢德拉寫了最後一封信。
著名天文學家羅素（Henry Norris Russell，1877-1957）在悼念愛丁頓的文章的開頭説：“愛丁頓爵士的死奪走了天體物理學領域的最傑出代表。”
與愛丁頓“相愛相殺”的錢德拉也為他寫了悼文，他説，後代會將愛丁頓作為他那個時代裏僅次於史瓦西（Karl Schwarzschild，1873-1916）的偉大天文學家。筆者的觀點是，愛丁頓在天體物理學領域的成就與影響力都不低於史瓦西。
史瓦西與愛丁頓在年輕時就成為好友。史瓦西逝世後，愛丁頓寫了悲痛的悼文，當時德國與英國還在交戰，這樣的跨國友誼尤其珍貴。1933年，史瓦西的女兒桑頓（Agathe Thornton，1910-2006）因為猶太血統而逃離納粹德國，來到英國劍橋。[注3]一貧如洗的桑頓及時獲得一名匿名者的資助，得以繼續自己的學業。後來，人們發現這名匿名資助者就是愛丁頓。
為了紀念愛丁頓，劍橋大學的西北校區被命名為“愛丁頓區”，人們在他幼時的故居立了紀念牌，記下了他對科學的貢獻。此外，月球上的一座隕石坑和小行星2761號都被命名為“愛丁頓”。
英國皇家天文學會設立“愛丁頓獎章”，獎勵那些在理論天體物理學領域做出傑出貢獻的天體物理學家或物理學家。這個獎章於1953年首次頒發，多位大師獲得過這個獎章。
有意思的是，錢德拉雖然獲得了諾貝爾物理學獎與其他多項大獎，但沒有獲得愛丁頓獎。看來英國皇家天文學會不忘愛丁頓的“初心”，哪怕錢德拉在白矮星方面的觀點已經被證明是正確的，也絕不把愛丁頓獎頒發給愛丁頓反對過的錢德拉。
得失是非
愛丁頓幼年喪父，在清苦的環境中長大。憑藉過人的天賦，他很快少年得志：21歲獲得劍橋大學數學學業考試第一名，30歲成為教授，31歲成為劍橋大學天文台台長，41歲獲得3項天文學大獎。此後的他一生順遂。1934年4月16日，51歲的愛丁頓成為《時代》（Time）週刊的封面人物。
愛丁頓的一生雖然不算長壽，但他是快樂的。錢德拉回憶，他在劍橋大學時，經常看到愛丁頓在劍橋的大街上叼着煙斗，自得其樂。愛丁頓雖然也有急躁的時候，但他又是善良而温情的，他匿名資助史瓦西女兒這件事就體現出這一點。
愛丁頓在恆星動力學、恆星物理學、星際物質、彗星、日食觀測、天體光譜學、廣義相對論等方面均有不同程度的貢獻。
作為一名偉大的天文學家，他對恆星物理學的先驅性研究為人類認識恆星的物理性質奠定了基礎；他負責的日食觀測隊驗證了愛因斯坦的廣義相對論，不僅將愛因斯坦推上神壇，更直接推動了廣義相對論被世人及時接受。然而，他在白矮星研究領域固執己見，抵制正確結論，客觀上導致這一領域的研究受到一定影響，不過這個影響遠沒有大多數人認為的那麼大。
與歷史上很多偉大的科學家一樣，愛丁頓並不完美。後代會因為他的負面影響而批評他，但卻無法否定他的偉大貢獻與高尚人格。他的偉大功績與他的錯誤都將永載史冊；前者讓後人景仰，後者讓後人吸取教訓。
不過，有一點是肯定的：他的功績遠超過他的過錯。
註釋
[注1]在不同的位置觀測天體，會看到天體與不同的背景恆星重疊，不同視線之間的夾角的一半就是視差。為了測出視差，天文學家通常在地球位於公轉軌道的不同位置處多次觀測恆星，獲得多組視差，然後再用統計學方法得到視差的精確值。
[注2]當白矮星高速自轉或具有強磁場時，其極限質量會顯著提高，即可以擁有更大得多的質量。但至今為止，即使觀測到質量超過白矮星的極限質量，也不影響錢德拉的計算的正確性，因為他的計算不考慮磁場與自轉的影響。
[注3]史瓦西共有一個女兒與兩個兒子。他的長子馬丁·史瓦西（Martin Schwarzschild，1912-1997）於1936年離開德國，後來成為傑出的恆星物理學專家。他的次子阿弗雷德·史瓦西（Alfred Schwarzschild，1914-1944）留在德國，於1944年不幸死於納粹德國的種族滅絕屠殺。
出品：科普中國
1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。
2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。
版權説明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯繫後台。