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黑洞的洛可可

李 泳
2019-01-11 10:04:12  来源:科技日报

  字里行间

  偶见钱德拉塞卡的《黑洞的数学理论》中译本(高等教育出版社,2018),从封面看,它与朗道的课本属同一系列,但却是头回露面。原书是36年前出版的,如今名气大但流量小,很多人知道它却不读它。

  读这本书很费功夫,陷入公式丛林,很容易迷失;想找一条小路钻出来直达结果,却连结果的影子都没有,因为结果都藏在方程里。钱德拉塞卡钟爱方程,爱得死去活来。多数物理学家从方程看物理性质,天体物理学家只用方程解当下的问题,而他看方程就是方程,从结构看它们的意义。他知道自己的书读起来费劲,告诉读者说他的逻辑路线要大力气才能跟得上,从一步到下一步有时要50页,容不得偷懒。他的推导写满了6个笔记本,600多页,藏在芝加哥大学的图书馆里。

  钱德拉塞卡大学时就开始“算星星”了。1928年他18岁,在印度马德拉斯大学见到了《原子结构和光谱》的作者索末菲,索末菲告诉他,书里的东西过时了,应该学新量子论。然后他又读了Fowler的《论致密物质》和爱丁顿的《恒星的内部结构》,19岁在去剑桥读研究生的船上算出了白矮星的临界质量,颠覆了爱丁顿的结果,可惜人微言轻,成了众人眼里的“企图杀害爱老的堂吉诃德”。他与爱丁顿的故事颇像少侠与武林至尊的故事,在科学江湖里司空见惯了。但在纪念爱丁顿100周年时,钱德拉塞卡依然称赞爱丁顿是当时最伟大的天体物理学家,是广义相对论的代言人。

  钱德拉塞卡1939年离开星体研究,20多年后卷土重来,走进广义相对论(GR),1962年像小学生一样参加了在华沙举行的GR3(第三届广义相对论与引力论会议),会议讨论了奇点、能量定理、引力波,但没有黑洞。彭罗斯的时空图和引力子的费曼图都在会上第一次露了脸,钱德拉塞卡原先做引力坍缩,这会儿开始关心GR如何影响引力体的稳定性。他虽然“迟到”(51岁),却赶上了GR和黑洞的黄金年代。那时,几拨小伙伴正在GR弄潮(主要是苏联的泽尔多维奇群和美国的惠勒群、席艾玛群),遇到一个有趣的问题:旋转的黑洞会被它自己的脉动撕裂吗?年轻人Teukolsky发展了一种微扰方法,Starobinsky等用计算机模拟证明了旋转黑洞总是稳定的。遗憾的是,他们没有找到一个恰当的数学形式就半途而废,跑去赶黑洞的霍金辐射的新潮了。于是,钱德拉塞卡从1975年开始钻进方程的丛林,闭关8年,绘出了他的洛可可图画。1983年,他出版了《黑洞的数学理论》,并因为星体结构和演化的成就与William A. Fowler分享了诺贝尔奖。

  《黑洞的数学理论》的核心和特色就是黑洞时空的引力扰动,是他多年工作的总结。第4章整合了他分散在不同论文里的方法和结果,“形成一个和谐统一的”处理方法。第6—9章专注克尔时空,还重新分析了彭罗斯以数值模型说明的过程。第9章是全书的高潮,主要是他发表在《皇家学会会刊》的系列成果。钱德拉塞卡还别出新裁地在末尾加了一节“自省”,承认他的处理方法复杂而冗长,却呈现了一个“洛可可”的世界:辉煌、愉悦、华丽——这几个响亮的词儿也许能概括他的数学风格。

  这本书中,钱德拉塞卡很个性地追求了一些没有物理意义的纯数学,而忽略了一些黑洞的“现实”问题,如吸积过程、事件视界、时空奇点、霍金辐射和小黑洞的量子效应等等,严格说来,这并不算一个完备的课本,但Kip Thorne称它为黑洞时空微扰的“手册”,倒是很恰当的。

编辑:张苇柠

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