爱丁顿：广义相对论与恒星内部结构理论的科学家

生平简介

爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)英国天文学家和物理学家。1882年12月28日生于肯德尔,1944年11月22日卒于剑桥。1905年毕业于剑桥大学三一学院。1906～1913年在格林威治天文台任职,1913～1944年任剑桥大学天文学教授,1914年起任剑桥大学天文台台长。曾任英国皇家天文学会会长、物理学会会长、数学协会会长,并于1938～1944年任国际天文学联合会主席。

爱丁顿的研究领域广泛,在相对论、宇宙学、恒星内部结构理论和恒星动力学等领域都做出了创造性的贡献。他早期的工作(1906～1914年)主要是研究恒星的运动和分布,研究成果收集在1914年出版的《恒星运动和宇宙结构》一书中。1919年他带领一个观测队到西非的普林西比岛观测日全食,第一次证实了爱因斯坦的广义相对论所预言的光线的引力弯曲现象。爱丁顿是英国最早研究广义相对论的科学家,他所写的《相对论的数学理论》(1923年)被爱因斯坦誉为这个领域内最好的作品之一。二十年代,爱丁顿在恒星内部结构的研究方面取得重大成果。他首次提出,在恒星内部能量由里向外转移的方式主要不是对流而是辐射,并用辐射平衡取代了对流平衡。他于1924年从理论上确立了恒星的质光关系。这些研究成果都收在1926年出版的《恒星内部结构》一书中。爱丁顿是造父变星动理论的创始人之一。他摒弃了双星假说,而用脉动假说来解释造父变星的亮度变化和视向速度变化。他在恒星大气、线吸收、星际物质的物理性质和化学成分等方面,也做过一些重要的研究工作。

主要贡献

爱丁顿在天文学和物理学两个学科都做出了很大贡献。有人为他没有获诺贝尔奖而鸣不评。他在天文学方面曾用10年时间专门研究恒星内部结构和能量来源,取得了举世公认的成就。

我们观测恒星,只能观测到恒星外层大气的活动。恒星大气层只是它整体结构很薄的一层。一般说来,恒星是一个稳定的、对称的炽热气体星球。它的中央有一个产能的核心,是恒星的“心脏”。核心外面是辐射层和对流层。应该明白,恒星内部结构主要由它的质量、化学组成和所处的演化阶段(即年龄)来决定,上述说的结构是指类似太阳的恒星。(www.xing528.com)

关于恒星内部结构的理论研究,最先做出卓越贡献的是英国著名天文学家爱丁顿,他在1920年就指出,恒星内部的核心是具有产能作用的热气体球,并以辐射的方式向外传输它的能量。

恒星内部的物质越向中心密度越高,一般说来,恒星内部温度在几百万至数千万度的状态,不断地向宇宙空间辐射巨大的能量。那么,恒星如此长期消耗能量,靠什么来补充呢?过去有人设想可能是众多的陨石降落在恒星上,类似炉火中添煤一样；有人设想可能是某种化学反应；有人认为是天然放射性物质的能量释放。但这都是不可能的,这些设想都不能说明恒星数十亿年的能量供应。1938年,美国物理学家、1967年诺贝尔物理学奖获得者贝蒂指出,热核反应是长期维持恒星能量消耗的主要能源。恒星内部的产能方式是4个氢原子核聚变为一个氦原子核的原子核反应。从而证明了爱丁顿早在1920年提出的恒星内部结构理论的正确性。现已弄清,氢是恒星内部产能的“燃料”,氦是恒星“烧完的灰渣”,碳则是“燃烧”过程的“催化剂”。

1919年参与组织两个日食观测队分别去西非和巴西观测5月29日的日全食,并亲自率队去西非,分析证实了A.爱因斯坦的光线经过引力场发生偏折的预言。这是广义相对论的三大天文验证之一。1920年,他把爱因斯坦提出的质能关系式应用于恒星能源的研究,认为恒星的能源不是来自于它的引力收缩,而是来自于恒星内部的核反应,反应时的质量亏损转化成巨大的能量。这一预言被后来进一步的研究所证实。

1923年他出版了《相对论的数学原理》一书,该书被爱因斯坦誉为该领域的最佳作品之一。1924年发表重要论文《恒星的质光关系》,提出的恒星质量与它的光度之间的理论关系与实测资料十分吻合。这篇论文中还提出了白矮星的概念,认为它是一类光度很低、体积很小、但密度却高得惊人的特殊恒星,后来的天文观测证实了这一预言。还对恒星内部结构作了开创性的研究。其主要成果概括在他的1926年出版的天文学名著《恒星的内部结构》一书中。晚年还深入探讨了自然界一些基本常数之间的相互关系。