特立独行霍伊尔:一位卓有成就的天文学家的人生故事

作者:张贵平来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-12-15


				

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引子

  虚构的科学故事,固然有引人入胜的地方;不过,真实的科学家人生故事,更能起激励人心的作用。本文介绍一位卓有成就的天文学家的人生故事,希望能激发读者走上自由探索的道路。这位天文学家是英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Sir Fred Hoyle1915-2001。以他的成就,特别是恒星中元素合成理论的最早提出以及系统构建,霍伊尔本可获得诺贝尔物理学奖。但是,由于他的自由探索引起了同行的争议,诺贝尔奖失之交臂。但霍伊尔并不以为憾。取代他、以恒星中元素合成理论在1983年获得诺贝尔奖的,是他的合作者之一威廉·福勒(William Fowler1911-1995)。具体的缘由,且听我从霍伊尔的学业说起。

学业:从颠沛流离的童年开始

  在第一次世界大战爆发后的第二霍伊尔出生于英格兰约克郡宾利区的一个村庄。在他父亲的布料生意失败之后,6岁的霍伊尔不得不跟着父母离开家园,迁移到埃塞克斯的瑞利小镇。之后霍伊尔一家虽然回到宾利,但仍然多次迁移,霍伊尔不得不频繁地转学。如此不稳定的童年求学经历,一方面使霍伊尔经常甚至长时间地错过学校课程(有时他还逃学!),另一方面却养成了他酷爱阅读、喜欢自学、独立思考、特立独行、不服从权威的终身习惯。和普通孩子不同的是,他在小学起就尤其喜欢阅读天文学书籍——这也成了他一生的志趣。11岁升学进入宾利文法学校后,认识到后续的学业和事业需要自己脚踏实地打好基础,霍伊尔对正规教育有了更积极的态度,在广泛阅读的同时在学校功课上进步明显,因此在中学毕业后考入剑桥大学,直到1939年理论物理专业硕士毕业,练就了强大的学术能力。他的大学老师中,既有量子力学奠基人玻恩和狄拉克,也有天文学家爱丁顿,其中狄拉克还是他的硕导。

事业:从二战战火中开始

  霍伊尔离开校园的1939年,也是德国入侵波兰第二次世界大战爆发的年份。在纳粹引起的战火中,高雅的科学研究不得不先放一边,实用的技术发展更迫切,霍伊尔的主要工作是为英国海军部研制雷达。但以霍伊尔的志趣和能力,他显然是不会满足于技术上的一点点进步的。就在为英国海军部研制雷达的同时,霍伊尔同赫尔曼·邦迪Hermann Bondi1919-2005和托马斯·戈尔德Thomas Gold1920-2004相识相知,他们在业余时间一起探讨天文学,特别是哈勃定律星系退行的速率与星系距离的比值是一常数)。由哈勃定律推导出的大爆炸宇宙学说是正确的吗?化学元素从大爆炸中产生的当时流行说法是正确的吗?第一个问题中一个显而易见的矛盾是在从哈勃第一次测得的哈勃常数推导出来的宇宙年龄只有18亿年,而已知的地球年龄45亿年就要比它大1.5倍!在二战期间业余但深刻的探讨中,霍伊尔已经和邦迪戈尔德一起创建了稳恒态宇宙学——到目前为止唯一对大爆炸宇宙学说提出挑战的替代性学说。二战结束后的1948年,霍伊尔的两篇稳恒态宇宙学论文,以及邦迪戈尔德的一篇论文,正式发表。这是他们对第一个问题的回答。现在回头看,哈勃常数得到了重新测量,宇宙年龄也被重新估计,当时那个显而易见的矛盾已经不再存在。但是,对大爆炸宇宙学说的质疑却一直存在,宇宙学还没有成长为一门成熟可靠的学科。

  不相信大爆炸学说的霍伊尔对第二个问题的回答,取得了比第一个问题更丰硕的成果:恒星中的元素合成理论。在1946年英国皇家天文学会一次会议上宣读并于当年正式发表的、长达40页的长篇论文《从氢元素开始的元素合成》中,作为唯一的作者,霍伊尔提出:(1)宇宙中开始时只有氢元素;(2)氦元素在“正常”恒星的热核反应中合成产生;(3)其他元素从氢和氦元素中合成产生,所产生的元素和地球上的元素有类似的分布。这是一篇识破天机的论文,因为当时流行的是伽莫夫等人提出的几乎所有元素都是在大爆炸中产生的观点,还没有人认识到重元素是在恒星中合成产生的。这篇论文不仅提出了这些新观点,还提供了在天文观测中和在实验室中可以检验这些观点的方法。但是,按照社会常规,识破天机的新学说,在刚开始时,是难以产生石破天惊的效果的——这篇论文被业界也被社会冷落了11年,直到1957年四位作者合作写就的、论证更系统更具体的、长达108页的长篇论文《恒星中的元素合成》发表。《恒星中的元素合成》在科学发展上的意义是如此重大——使年轻的恒星科学走向成熟,以至于到目前为止,它仍然是唯一一篇以四位作者的名字首字母命名的论文,即B2FH论文。这四位作者按署名顺序是玛格丽特·伯比奇(Margaret Burbidge1919-)、杰弗里·伯比奇(Geoffrey Burbidge1925-2010)、威廉·福勒和弗雷德·霍伊尔。在40年后的回忆文章中,第一作者玛格丽特·伯比奇不仅明确指出《恒星中的元素合成》的起源是1946霍伊尔的论文《从氢元素开始的元素合成》,还明确说明了霍伊尔在理论创建上的思路和根据。威廉·福勒在自传中也承认恒星中的元素合成理论是霍伊尔1946年首先提出的。那么,1983年的诺贝尔物理学奖,为什么不仅忽视了在天文观测中验证了霍伊尔观点的前两位作者伯比奇夫妇,还忽视了理论创建者、第四作者霍伊尔,而只颁给在实验室中验证了霍伊尔观点的第三作者威廉·福勒呢?这涉及到霍伊尔特立独行的后续人生,也涉及诺贝尔奖的评奖制度。 

特立独行的后续人生:从学科专家到独立学者

  1973年之前的霍伊尔,是一位成功的体制内学科专家,在1957年就当选为英国皇家学会会员。1967创建了剑桥著名的理论天文研究所并担任首任所长 1970担任英国皇家学会副会长并在1971年至1973年间担任会长。在1972霍伊尔还被爵士——这是之后他的英文称呼前总带着Sir的原因独立思考、不服从权威,但并没有出格的行为。

  但是,在1973年,由于校方维持长期的紧张关系霍伊尔辞去剑桥大学的一切职务,隐居到湖区成为一位独立学者。这就不仅是思想上的独立思考了,而是行动上的特立独行甚至出格了。从那时起,他发表了很多不同于学科权威的观点。例如,在生命科学领域,霍伊尔认为地球上的最早生命可能来自太空。在20世纪90年代天文学家在星际发现氨基酸说明霍伊尔生命来源观点不无道理。又如,在考古历史领域,霍伊尔认为4000多年前的英国先人建设巨石阵的原因是用来跟踪太阳和月亮的轨迹以预测日食和月食。牛津大学霍金斯教授通过分析其石环和土环的结构,发现巨石阵可以确定太阳和月亮在不同季节不同方位并进一步预测日月星辰在不同季节的起落,说明霍伊尔巨石阵为古人天文台的观点应该是正确的。再如,在行星科学领域,霍伊尔认为太阳爆发抛出的物质形成行星。2015年发现的系外行星K2-22b,轨道半长径和恒星半径之比只有3.32,喷发大量物质在行星前后都形成和太阳系彗星类似的尾巴(图1)。对此现象的最佳解释是:K2-22b是一颗从恒星K2-22中爆裂产生还不久的行星,它自己也在喷发过程中,它的喷发形成了前后的尾巴。这间接证明了霍伊尔太阳系行星从太阳中起源的观点……

恒星K2-22与它那前后尾巴的行星K2-22b

  除了科学作品,离开体制失去稳定收入的霍伊尔,部分原因为了谋生,还写了很多科普读物、科幻小说、电视连续剧——特立独行,说起来很简单,做起来却很难。不仅如此,失去了体制内的地位和资源,在社会评议上还会遇到很多阻力,例如在诺贝尔奖同行评议的评奖制度中。特立独行霍伊尔,在同行评议中得到什么评价,可想而知。评奖委员会的投票结果,更不可能有利于他,即使他的发现权和卓越成就都是如此显而易见。但即使错失诺贝尔奖,霍伊尔也不以为憾——毕竟,在他眼中,自由比名利更重要。

  后记

  从恒星中元素合成理论的角度,组成我们身体的各种元素,除了最轻的,都来自恒星。和恒星的寿命相比,我们的生命很短暂,而且最终都将回归恒星,这就是所谓“尘归尘,土归土”。但会思考的生命,总归是有意义的。元素的起源,生命的来源,行星的起源,恒星的演化,宇宙的起源……所有这些问题,霍伊尔都曾经深入思考过,并提出了自己的观点。有的,例如恒星中元素合成理论,已经被广泛接受,成为恒星核合成科学的基础。其他的,例如太阳系行星从太阳中起源的观点,虽然没有被广泛接受,或者存在错误,但一定会启发后人继续深入思考,而不满足于流行的“标准”学说,特别是在流行的“标准”学说其实只是连自圆其说都达不到的“假说”的情况下。这,就是特立独行的霍伊尔的人生意义吧(图2

霍伊尔

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    图片引用说明:

    图1翻译自R. Sanchis-Ojeda、S. Rappaport 和E. Pallé等人2015年的论文《The K2-ESPRINT Project. I. Discovery of the Disintegrating Rocky Planet K2-22b with a Cometary Head and Leading Tail》,The Astrophysical Journal. 812 (2): 112. arXiv:1504.04379。

    图2来自http://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev.aa.20.090182.000245,是Fred Hoyle1982年论文《The Universe: Past and Present Reflections》正文前他的照片。

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