苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)(综述)

                     

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   苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,/ˌtʃəndrəˈʃeɪkər/,音译:昌德拉谢卡;\(^\text{[4]}\) 泰米尔语:சுப்பிரமணியன் சந்திரசேகர்,罗马化:Cuppiramaṇiyaṉ Cantiracēkar;1910 年 10 月 19 日-1995 年 8 月 21 日)\(^\text{[5]}\) 是一位印裔美国理论物理学家,在恒星结构、恒星演化以及黑洞等领域作出了卓越贡献。他在职业生涯中也曾将相当一部分时间投入于流体力学研究,特别是稳定性与湍流理论,并在这些领域取得了重要成果。钱德拉塞卡与威廉·A·福勒因在 “与恒星结构与演化有关的重要物理过程的理论研究” 方面的贡献,共同获得 1983 年诺贝尔物理学奖。他对恒星演化的数学处理为现代天体物理学提供了众多关于大质量恒星及黑洞晚期演化阶段的理论模型。\(^\text{[6][7]}\) 许多重要的科学概念、机构与发明均以他命名,包括著名的钱德拉塞卡极限与钱德拉 X 射线天文台。\(^\text{[8]}\)

   钱德拉塞卡出生于英属印度晚期(英属拉杰时期),一生研究范围极广,涉及恒星结构、白矮星、恒星动力学、随机过程、辐射输运、氢负离子的量子理论、流体力学与磁流体稳定性、湍流、椭球平衡体的平衡与稳定性、广义相对论、黑洞的数学理论以及引力波碰撞理论等多个物理领域。\(^\text{[9]}\) 在剑桥大学期间,他提出了一个解释白矮星结构的理论模型,首次将电子简并物质中电子速度导致的相对论性质量变化纳入计算。通过此理论,钱德拉塞卡得出结论:白矮星的质量不能超过太阳质量的 1.44 倍——这一极限即著名的钱德拉塞卡极限。钱德拉塞卡还修正了扬·奥尔特等人最早提出的恒星动力学模型,将银河系中恒星围绕银心旋转时受到的引力场涨落影响纳入考量。他为这一复杂的动力学问题给出了数学解——涉及二十个偏微分方程,并由此提出了一个新的物理量:动力摩擦。这种效应一方面会减缓恒星的运动速度,另一方面又有助于维持星团的整体稳定。钱德拉塞卡进一步将分析扩展至星际介质,证明银河中的气体与尘埃云分布极为不均匀,揭示了星系结构与动力学之间更深层次的联系。

1. 早年生活与教育

   钱德拉塞卡于 1910 年 10 月 19 日出生在英属印度的拉合尔(Lahore,今属巴基斯坦),出身于一个泰米尔人家庭。\(^\text{[11]}\) 他的父母分别是希塔·巴拉克里希南(Sita Balakrishnan,1891–1931)与钱德拉塞卡拉·苏布拉马尼亚·艾耶尔。\(^\text{[12]}\) 钱德拉塞卡出生时,其父在英属印度西北铁路局担任副审计长,因此一家居住在拉合尔。钱德拉塞卡(常被称为 Chandra)有两位姐姐——拉贾拉克希米与巴拉帕尔瓦蒂;三位弟弟——维什瓦纳坦、巴拉克里希南与拉马纳坦;以及四位妹妹——萨拉达、维迪娅、萨维特丽和森达丽。他的叔父正是印度著名物理学家、诺贝尔奖得主钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼。他的母亲是一位热爱学术与文学的女性,曾将易卜生的戏剧《玩偶之家》翻译成泰米尔语,被认为是启发钱德拉塞卡早年智识兴趣的重要人物。\(^\text{[13]}\)1916 年,钱德拉塞卡一家从拉合尔迁往阿拉哈巴德,并于 1918 年定居在马德拉斯(Madras,今金奈)。

   钱德拉塞卡在 12 岁之前一直由家中教师教授课程。\(^\text{[13]}\) 在中学阶段,他的父亲教授他数学与物理,而母亲则教他泰米尔语。1922 年至 1925 年间,他就读于马德拉斯特里普利坎的印度中学。随后,他进入马德拉斯总统学院就读,该校隶属于马德拉斯大学。1925 年至 1930 年间,他在此完成本科课程。1929 年,他受到阿诺德·索末菲一次讲座的启发,撰写了自己的第一篇论文——《康普顿散射与新统计》。\(^\text{[14]}\)1930 年 6 月,他以优异成绩获得物理学荣誉学士学位。同年 7 月,钱德拉塞卡获得印度政府奖学金,前往剑桥大学攻读研究生,并被三一学院录取——这一机会由他曾通信交流的物理学家 R. H. 福勒促成。在赴英旅途中,钱德拉塞卡利用航行时间推导出白矮星中简并电子气体的统计力学理论,并在福勒此前研究的基础上,加入了相对论修正项(详见后文 “学术遗产” 部分)。

2. 剑桥大学时期

   在进入剑桥大学的第一年,作为 R. H. 福勒的研究生,钱德拉塞卡主要从事平均不透明度的计算,并将所得结果应用于改进简并恒星极限质量模型的构建。在英国皇家天文学会的会议上,他结识了著名天体物理学家 E. A. 米尔恩。

   1931 年夏天(研究生第二年),他受马克斯·玻恩邀请前往哥廷根大学的理论物理研究所工作,研究主题包括不透明度、原子吸收系数及恒星光球层模型。在保罗·狄拉克的建议下,他在最后一年(1932 年 9 月至 1933 年 5 月)前往哥本哈根理论物理研究所深造,在那里他结识了尼尔斯·玻尔。在哥本哈根期间,他与维克托·魏斯科普夫、莱昂·罗森菲尔德、乔治·普拉泽克及马克斯·德尔布吕克等人成为好友——他们当时都住在同一家旅馆。

   因在简并恒星研究方面的成果,钱德拉塞卡获得了铜质奖章,并于 1933 年夏季获得剑桥大学哲学博士学位,其论文题为《旋转自引力多项式星体》。1933 年 10 月 9 日,他被选为剑桥大学三一学院奖学金研究员,任期为 1933 年至 1937 年,成为继斯里尼瓦萨·拉马努金之后,第二位获得三一学院奖学金的印度人(间隔 16 年)。有趣的是,他原本确信自己无法获得该奖学金,因此已提前计划赴牛津大学在米尔恩门下继续研究,并甚至在当地租好了公寓。\(^\text{[14]}\)

   1934 年,钱德拉塞卡访问了苏联列宁格勒(今圣彼得堡),结识了多位著名天体物理学家,包括维克托·安巴楚缅与尼古拉·亚历山德罗维奇·科济列夫,并与列夫·朗道相识。

   在此期间,钱德拉塞卡也与英国著名天体物理学家阿瑟·爱丁顿爵士相识。爱丁顿起初对他的研究表现出兴趣,但在 1935 年 1 月的一次公开演讲中,却严厉批评了钱德拉塞卡的理论(详见下节 “与爱丁顿的争论” 与 “钱德拉塞卡—爱丁顿之争”)。

3. 职业生涯与研究

早期职业生涯

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   1935 年,钱德拉塞卡应哈佛天文台台长哈洛·沙普利之邀,前往美国担任为期三个月的理论天体物理学访问讲师。他于当年 12 月启程赴美。在哈佛期间,钱德拉塞卡以其卓越的学识与才华给沙普利留下了深刻印象,但他婉拒了对方提供的哈佛研究奖学金职位。此时,钱德拉塞卡结识了著名的荷兰天体物理观测学家赫拉德·柯伊伯,后者是当时白矮星领域的权威。柯伊伯不久前刚被奥托·斯特鲁维招募至耶基斯天文台,该台隶属于芝加哥大学,位于威斯康星州威廉斯湾,由该校校长罗伯特·梅纳德·哈钦斯主管。斯特鲁维早已听闻钱德拉塞卡的学术声誉,正考虑聘请他担任三位天体物理学教员之一,另两位候选人分别是柯伊伯与丹麦理论物理学家本特·斯特龙格伦。\(^\text{[14]}\) 在柯伊伯的推荐下,斯特鲁维于 1936 年 3 月邀请钱德拉塞卡前往耶基斯天文台,并向他正式提供职位。钱德拉塞卡对此极感兴趣,但最初仍婉拒邀请,返回英国。不久之后,校长哈钦斯在他返航途中特地发去电报敦促他接受职位。最终,钱德拉塞卡同意,并于 1936 年 12 月重返美国,出任芝加哥大学理论天体物理学助理教授。\(^\text{[14]}\) 此外,哈钦斯还曾在一起种族歧视事件中出面干预。当时,院长亨利·盖尔以种族理由否决了钱德拉塞卡参与斯特鲁维组织的课程教学的资格。对此,哈钦斯坚定地回应道:“无论如何,让钱德拉塞卡先生去教这门课。”\(^\text{[15]}\)

   钱德拉塞卡的整个职业生涯都在芝加哥大学度过。1941 年,他被晋升为副教授,两年后的 1943 年,年仅 33 岁的他便升任为正教授。\(^\text{[14]}\)1946 年,普林斯顿大学向钱德拉塞卡提供了一个职位,以接替亨利·诺里斯·拉塞尔的空缺,并开出芝加哥大学薪资的两倍。为了挽留他,校长罗伯特·哈钦斯立即将他的薪资提高至与普林斯顿相同的水平,并成功说服他留在芝加哥。1952 年,经恩里科·费米邀请,钱德拉塞卡被任命为莫顿·D·赫尔理论天体物理学杰出服务教授,并加入恩里科·费米研究所。1953 年,他与妻子拉莉莎·钱德拉塞卡正式加入美国国籍。\(^\text{[16]}\)

   1966 年,美国国家航空航天局在芝加哥大学建立了天体物理与空间研究实验室。钱德拉塞卡在该大楼二层四个角落办公室之一办公(其余三位入驻者为约翰·A·辛普森、彼得·迈耶与尤金·N·帕克)。20 世纪 60 年代末,高层公寓建成后,钱德拉塞卡居住于莱克肖尔大道 4800 号,晚年则搬至多彻斯特大楼 5550 号。

与爱丁顿的争论

   从剑桥大学毕业后,钱德拉塞卡与阿瑟·爱丁顿保持着密切联系。1935 年,他在英国皇家天文学会会议上发表了关于恒星结构方程的完整解。然而,爱丁顿在他报告之后立即安排了一场演讲,并在会上公开批评了钱德拉塞卡的理论。这一事件使钱德拉塞卡深感沮丧,也由此引发了一场持续多年的科学争论。爱丁顿拒绝接受恒星存在质量上限的观点,并提出了自己的替代理论模型。\(^\text{[17]}\)

   钱德拉塞卡随后寻求多位著名物理学家的支持,包括莱昂·罗森菲尔德、尼尔斯·玻尔与克里斯蒂安·穆勒等人,他们普遍认为爱丁顿的反驳缺乏科学依据。在整个 1930 年代,两人之间的紧张关系持续存在。爱丁顿在多个学术会议上公开批评钱德拉塞卡的研究,双方也多次在论文中互相对比与辩驳。最终,钱德拉塞卡于 1939 年完成了他关于白矮星理论的系统研究,并得到了学界广泛的赞誉。爱丁顿于 1944 年去世,而尽管两人曾有严重分歧,钱德拉塞卡仍多次公开表示,他深深敬佩爱丁顿,并一直视他为朋友。\(^\text{[17]}\)

第二次世界大战时期

   在第二次世界大战期间,钱德拉塞卡受聘于马里兰州阿伯丁试验场的弹道研究实验室工作。期间,他研究了多项与弹道学和冲击波物理相关的问题,并撰写了多份技术报告,包括:《平面激波的衰减》(1943 年)《105 毫米炮弹的最佳爆炸高度》《三重激波存在的条件》\(^\text{[18]}\)《由弹丸反射波干涉所产生拍频波确定弹丸速度的方法》\(^\text{[19]}\)《爆炸波的正常反射》\(^\text{[20][9]}\) 由于他在流体力学与气体动力学方面的专长,罗伯特·奥本海默曾邀请他加入洛斯阿拉莫斯的曼哈顿计划。然而,由于安全许可审批延误,钱德拉塞卡最终未能参与该计划。据传,他当时曾短暂访问过加洛川电磁分离项目。

系统化的研究哲学

   钱德拉塞卡曾写道,他从事科学研究的动力源于希望 “以自己最大的能力参与科学各个领域的进步”。在他看来,贯穿其全部学术工作的首要动机是系统化。他在论文中如此阐述:“科学家所努力追求的,本质上是选择一个特定的领域、一个特定的方面或一个特定的细节,观察它能否在一个具有形式与连贯性的整体体系中找到恰当的位置;如果不能,他就必须继续探索更多信息,以帮助他实现这一目标。”\(^\text{[21]}\)

   钱德拉塞卡形成了一种独特的研究风格——他善于在多个物理与天体物理学领域中逐一精通、逐一系统化。因此,他的科研生涯可被划分为若干相对独立的阶段。他在每个阶段中都会深入研究某一主题,连续发表多篇论文,随后撰写一本系统总结该领域核心思想的专著,然后转向新的研究方向。这种系统化的研究节奏贯穿了他的一生:1929–1939 年:研究恒星结构,尤其是白矮星理论;1939–1943 年:转向恒星动力学与布朗运动理论;1943–1950 年:研究辐射输运理论与氢负离子的量子理论;1950–1961 年:集中于湍流理论、流体力学与磁流体稳定性;1960 年代:研究椭球平衡体的平衡与稳定以及广义相对论;1971–1983 年:深入发展黑洞的数学理论;1980 年代后期:专注于引力波碰撞理论。\(^\text{[9]}\) 钱德拉塞卡这种 “逐个征服、逐步系统化” 的科研方式,使他在多个物理学分支中都留下了深远的理论遗产。

与学生的合作

   钱德拉塞卡非常重视与学生的合作,并为此深感自豪。他曾指出,在他长达半个世纪(约 1930–1980)的科研生涯中,合作者的平均年龄始终保持在 30 岁左右——这意味着他总是与年轻一代共同探索前沿科学。他严格要求学生在获得博士学位前,必须称呼他为 “钱德拉塞卡教授”;而在博士毕业后,学生与其他同事一样,可直接称呼他为 “钱德拉”。在 20 世纪 40 年代任职于耶基斯天文台期间,钱德拉塞卡每周末都会往返 150 英里(约 240 公里)驱车前往芝加哥大学授课。当时听他课的学生中有两位后来成为诺贝尔奖得主——李政道与杨振宁——而他们的获奖时间甚至早于钱德拉塞卡本人。著名天体物理学家卡尔·萨根曾回忆钱德拉塞卡的课堂氛围:“那些毫无准备、提出无关紧要问题的学生,往往会被他‘当场处决’;但凡是有价值的问题,钱德拉塞卡都会给予极为认真、细致的回应。”\(^\text{[22]}\)

其他学术与出版活动

   从 1952 年至 1971 年,钱德拉塞卡担任《天体物理学期刊》主编。\(^\text{[23]}\)1957 年,当尤金·帕克提交论文,首次提出 “太阳风” 的理论时,两位审稿人均予以否定。然而,钱德拉塞卡作为主编,经过审阅后认为帕克的工作在数学上没有错误,于是顶住压力,于 1958 年毅然发表了这篇论文。\(^\text{[24]}\) 这项决定后来被证明具有划时代意义。

   1990 年至 1995 年间,钱德拉塞卡致力于一个特别的研究项目——他尝试使用现代微积分语言与方法,重新阐释艾萨克·牛顿爵士的《自然哲学的数学原理》中的几何推理过程。这一工作最终形成著作《给普通读者的〈原理〉》,于 1995 年出版。此外,钱德拉塞卡还在引力波碰撞理论 \(^\text{[25]}\) 与代数特殊扰动 \(^\text{[26]}\) 等课题上进行了深入研究。

4. 个人生活

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图 3:钱德拉塞卡与他的兄弟姐妹在印度马德拉斯(现金奈)合影。从左至右坐着的分别是:巴拉、萨维特丽、钱德拉、萨拉达、拉贾姆;站立者从左至右依次为:维迪娅、巴拉克里希南、维什瓦姆、拉马纳坦与森达丽。

   钱德拉塞卡是 C. V. 拉曼的侄子,后者曾于 1930 年获得诺贝尔物理学奖。

   1936 年 9 月,钱德拉塞卡与拉莉莎·多拉伊斯瓦米结婚。两人最初相识于马德拉斯总统学院,当时同为在校学生。1953 年,他正式成为美国归化公民。在人格与风格上,许多同事与学生认为钱德拉塞卡温和、积极、慷慨、谦逊、细致且乐于讨论;但也有人形容他在私人事务上较为内敛、严肃、急躁甚至固执,\(^\text{[22]}\) 对那些嘲讽或否定他研究成果的人,则极少宽恕。\(^\text{[27]}\) 钱德拉塞卡是一位素食主义者。\(^\text{[28]}\)

   1995 年,钱德拉塞卡在芝加哥大学医院因心脏病发作去世,享年 84 岁。他早在 1975 年就曾经历过一次心脏病发作。\(^\text{[22]}\) 他的妻子拉莉莎·钱德拉塞卡比他多活了 18 年,于 2013 年 9 月 2 日逝世,享年 102 岁。\(^\text{[29]}\) 她是一位文学与西方古典音乐的热心研究者。\(^\text{[27]}\)

   有一次在讨论《薄伽梵歌》时,钱德拉塞卡说道:“在发言之前,我想先作一个个人声明,以免接下来的言论被误解——我认为自己是一个无神论者。”\(^\text{[30]}\) 他在其他多次演讲中也表达过相同立场。卡梅什瓦尔·C·瓦利曾引用他说:“我在任何意义上都不是一个宗教人士;事实上,我认为自己是个无神论者。”\(^\text{[31]}\) 在 1987 年 10 月 6 日于芝加哥大学接受凯文·克里斯丘纳斯采访时,钱德拉塞卡提到:“当然,(奥托·斯特鲁维)知道我是无神论者,但他从未在我面前提起过这个话题。”\(^\text{[32]}\) 出于对丈夫无神论信仰的尊重,钱德拉塞卡的妻子在家中从不陈列她随身带来的神像或宗教饰物。\(^\text{[33]}\)

5. 奖项、荣誉与遗产

诺贝尔奖

   1983 年,钱德拉塞卡因其在恒星结构与演化中关键物理过程的理论研究而获得诺贝尔物理学奖的一半。虽然他接受了这一荣誉,但他对诺贝尔委员会的引文感到失望——因为奖项仅仅提及了他早期的研究成果,而未能体现他一生的系统性贡献。他认为这在某种程度上贬低了自己毕生的科学成就。该奖项的另一半授予了威廉·A·福勒。

其他奖项与荣誉

学术遗产

   钱德拉塞卡最著名的科学成就之一是天体物理学中的 “钱德拉塞卡极限”。该极限给出了白矮星的最大质量——约为 1.44 倍太阳质量,也即是恒星在超新星爆发后坍缩成中子星或黑洞所需超过的最小质量。这一极限最早由钱德拉塞卡于 1930 年在他从印度前往英国剑桥攻读研究生的首次航行途中计算得出。1979 年,美国国家航空航天局将其 “四大太空天文台” 之一命名为钱德拉 X 射线天文台,以纪念他的贡献。该命名来自一次全球征名活动,共收到来自 50 个州与 61 个国家的 6000 份提名。该天文台于 1999 年 7 月 23 日由哥伦比亚号航天飞机发射升空并部署入轨。此外,多个重要科学名词与实体以他命名:钱德拉塞卡数:磁流体力学中的一个重要无量纲数;小行星 1958 Chandra;喜马拉雅钱德拉望远镜。在《英国皇家学会院士传记回忆录》中,天体物理学家 R. J. 泰勒*曾写道:“钱德拉塞卡是一位典型的应用数学大师——他的研究主要服务于天文学,而像他这样的人,或许再也不会出现了。”\(^\text{[1]}\)

   在职业生涯中,钱德拉塞卡共指导了 45 名博士生。\(^\text{[44]}\) 他去世后,妻子拉莉莎·钱德拉塞卡将他的诺贝尔奖金全数捐赠给芝加哥大学,用于设立 “苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡纪念奖学金”。该奖学金于 2000 年首次颁发,每年授予在物理系或天文学与天体物理学系博士项目中表现最为杰出的申请者。\(^\text{[45]}\) 此外,自 2014 年起,亚太物理学会联合会设立了 “钱德拉塞卡等离子体物理奖”,以表彰在等离子体物理领域作出杰出贡献的科学家。\(^\text{[46]}\)

   钱德拉天体物理学院是一个面向高中生的教育项目,由麻省理工学院的科学家担任导师 \(^\text{[47]}\),并由钱德拉 X 射线天文台资助 \(^\text{[48]}\)。该项目旨在培养青年学生对天体物理学的兴趣与研究能力。著名天体物理学家卡尔·萨根在其著作《魔鬼出没的世界》中称赞道:“我是在苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡那里,第一次领悟到什么是真正的数学优雅。” 2017 年 10 月 19 日,为纪念钱德拉塞卡诞辰 107 周年及其 “钱德拉塞卡极限” 的发现,谷歌在 28 个国家同步发布了纪念他的 Google Doodle。\(^\text{[49][50]}\)

   2010 年,值钱德拉塞卡百年诞辰之际,芝加哥大学举办了题为 “钱德拉塞卡百年纪念研讨会” 的学术会议。与会的世界顶尖天体物理学家包括:罗杰·彭罗斯、基普·索恩、弗里曼·戴森、贾扬特·纳利卡尔、拉希德·苏尼亚耶夫、G. 斯里尼瓦桑与克利福德·威尔等人。研讨会的研究报告随后于 2011 年结集出版,书名为:《从流体流动到黑洞:献给钱德拉塞卡百年诞辰的致敬》\(^\text{[51][52][53]}\)。

6. 出版著作

书籍

注释

期刊论文

   钱德拉塞卡一生共发表了约 380 篇论文 \(^\text{[55][1]}\)。他在 1928 年,仍为本科生时,发表了第一篇论文,主题是康普顿效应 \(^\text{[56]}\);而他最后一篇论文发表于 1995 年,距他去世仅两个月,被接受发表的主题是恒星的非径向振荡 \(^\text{[57]}\)。芝加哥大学出版社将他的重要论文编为七卷本的《钱德拉塞卡精选论文集》出版。

关于钱德拉塞卡的书籍与论文

7. 参考文献

  1. Tayler, R. J.(1996)。〈苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡:1910 年 10 月 19 日—1995 年 8 月 21 日〉,《英国皇家学会院士传记回忆录(Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society)》,第 42 卷,页 80–94。DOI: 10.1098/rsbm.1996.0006。ISSN 0080-4606。S2CID 58736242。
  2. “Subrahmanyan Chandrasekhar – 数学谱系计划(The Mathematics Genealogy Project)”**。网址:[www.genealogy.math.ndsu.nodak.edu](https://www.genealogy.math.ndsu.nodak.edu)。原始网页于 2024 年 6 月 4 日存档。
  3. [1](https://www.refworld.org/legal/legislation/natlegbod/1951/en/97165)**
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  5. Osterbrock, Donald E.(1998 年 12 月)。〈苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(1910 年 10 月 19 日-1995 年 8 月 21 日)〉,《美国哲学学会会刊》,第 142 卷第 4 期,页 658–665。美国哲学学会出版。ISSN 0003-049X。JSTOR 3152289。(需注册或订阅访问)
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8. 延伸阅读

   讣告

9. 外部链接


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