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亚瑟斯坦利爱丁顿

亚瑟斯坦利爱丁顿(Arthur Stanley Eddington,1882年12月28日1944年11月22日),英国天文学家、物理学家、数学家,,第一位用英语宣讲相对论的科学家,自然界密实物体的发光强度极限被命名为“爱丁顿极限”。1919年写了“重力的相对理论报导”,第一次向英语世界介绍了爱因斯坦的广义相对论理论。著作有《恒星和原子》、《恒星内部结构》、《基本理论》、《科学和未知世界》、《膨胀着的宇宙:天文学的重要数据》、《质子和电子的相对论》、《物理世界的性质》、《科学的新道路》等等。 [1]

亚瑟斯坦利爱丁顿出生于英格兰肯达尔一个贵格会家庭,父亲是一个中学校长,死于1884年席卷英格兰的伤寒大流行,他的母亲独立承担抚养他们姐弟俩的责任。爱丁顿幼年是在家中随母亲学习。1893年他进入布里麦伦学校,他显示出在数学和英国文学方面的天赋。1898年他获得60英镑的奖学金,因此得以进入曼彻斯特的欧文斯学院(后改组成如今的曼彻斯特大学)学习物理学,1902年以优异成绩获得科学学士学位。

因为突出的成绩,获得剑桥大学三一学院75英镑的奖学金,1905年获三一学院硕士学位,进入卡文迪许实验室研究热辐射。

1905年他到格林威治天文台工作,分析小行星爱神星的视差,他发现了一种基于背景两颗星星的位移进行统计的方法,因此于1907年获得史密斯奖。这个奖项使他获得剑桥大学的研究员资格。1912年达尔文的儿子,剑桥大学的终身教授去世,爱丁顿被推荐接替他的职位。1913年初,爱丁顿被任命为剑桥大学天文学和实验物理学终身教授。1914年被任命为剑桥大学天文台台长,不久就被选为英国皇家学会会员。

第一次世界大战期间,他被要求服兵役,但由于他信仰贵格会,同时又是一个和平主义者,他拒绝服兵役,他的同事以他在科学研究方面的重要作用为由,成功地要求政府免除了他的兵役。

一战过后,爱丁顿率领一个观测队到西非普林西比岛观测1919年5月29日的日全食,拍摄日全食时太阳附近的星星位置,根据广义相对论理论,太阳的重力会使光线弯曲,太阳附近的星星视位置会变化。爱丁顿的观测证实了爱因斯坦的理论,立即被全世界的媒体报道。当时有一个传说:有记者问爱丁顿说是否全世界只有三个人真正懂得相对论,爱丁顿回答“谁是第三个人?”

但现在的历史学家研究认为,当时爱丁顿的数据并不准确,可是歪打正着地宣布了相对论理论的正确。

爱丁顿还从理论上研究恒星内部的结构,提出恒星由向内的重力和向外的光辐射压力维持平衡,内部是高温的离子化状态的气体,相当于理想气体。经过他的数学模型计算,他解释了造父变星的变化周期理论。

爱丁顿拍照的1919年日食1920年,爱丁顿第一个提出恒星的能量来源于核聚变,为此他和詹姆士金斯爵士进行了一场旷日持久的辩论,直到1939年美国天文学家汉斯贝特计算出太阳的能源是氢原子经过四步核聚变反应形成氦才算结束。

1923年他出版了《相对论的数学理论》,爱因斯坦认为这本书是:“在所有语言中是表达这个主题最好的版本”。

从1920年开始,直到他去世,他一直致力于将量子理论、相对论和重力理论统一起来,形成一个“基本理论”,到晚年几乎达到痴迷的程度。他确信质子的质量和电子电荷的数值不是偶然形成的,是“为了形成宇宙的自然和完美的特性”。

由于他过于相信自然的完整,当时对微细构造常数α的数值测量接近1/136,他坚持必须应该是1/136整,后来更精确的测量证明是接近1/137,他又宣称必须是1/137整,但实际目前最精确的测量证明是1/137.035 999 76(50)。学生给他取了一个昵称"Adding'One"。

他没有能完成自己的研究,爱丁顿于1944年在剑桥逝世,他的著作《基本理论》直到1946年才出版。

他在逝世前,1938年,他担任了国际天文学联合会主席。直到去世。

他在晚年激烈地反对印度科学家苏布拉马尼扬钱德拉塞卡提出的关于白矮星的最大质量限界理论,苏布拉马尼扬钱德拉塞卡认为超过这个界限,恒星的坍塌会形成中子星、夸克星,直到黑洞。事实证实苏布拉马尼扬钱德拉塞卡是正确的,他为此获得了1983年诺贝尔物理学奖。

爱丁顿最早的工作是关于恒星运动的研究,在这以后,他又从1916年开始研究星体的内部结构,研究结果发表于他的第一部重委著作《星体的内部结构》之中。他介绍了一种以往被忽视的现象,即可能通过辐射压力对星体的平衡产生的巨大影响,热能由星球内部到外部的传播,并不像原先人们所设想的那样通过对流实现,而是由辐射实现。

正是在这项研究工作中,爱丁顿全面地总结出了质量。发光度之间的关系。这一关系发现于1924年。它指出,一星体所拥有的质量越大,就能发出越多的光。这一结论的价值在于,如果一颗恒星的固有亮度已知,就可根据此亮度确定它的质量。爱丁顿还认识到,恒星的体积有一个极限:质量能超过太阳质量10倍的星体,其数量相对而言就较少了,而任何质量超过太阳50倍的星体,由于过度的辐射压力,就不可能是稳定的。

爱丁顿写了大量科学专著及通俗读物。他的一些著作相当流行,其中《膨胀中的宇宙》一版再版。正是由于爱丁顿的介绍,爱因斯坦的广义相对论才传播到了讲英语的国家之中。爱丁顿受相对论影响极深,并为此理论提出了实验证据。他观察了1919年的全日烛并提交了一份报告,报告说,爱因斯坦在广义相对论中所作的一项极为精确的出人意料的预言被成功地观察到了,这就是光线在通过恒星(即太阳)的引力场时产生的轻微弯曲。1924年,爱因斯坦的理论得到了进一步支持:应爱丁顿的请求,沃尔特亚当斯探测并量度了天狼星的高密度白矮伴星天狼星日的谱线波长的偏移,从而证实了爱因斯坦的预言恒星光线由于引力场的作用会变红。这样,爱丁顿做了许多工作把爱因斯坦的理论建筑在严格坚实的基础之上。在他的《相对论的数学原理》中,爱丁顿还极为精辟地阐述了这一理论。

多年之间,爱丁顿埋头钻研一种深奥晦涩但又极富挑战性的理论,该理论在他身后才发表在遗著《基础理论》之中。大致说来,爱丁顿的思想是:科学中的基本常量,诸如质子的质量,电子的质量和电荷负载等,是“宇宙结构的自然与完全的规定”,它们的值也并非偶然的。爱丁顿曾致力于发展一个能把上述值推出来的理论,但未能成功。

著作

爱丁顿也写过许多科普著作,最著名的是他在1929年阐述过一个“无限猴子理论”,就是说“如果许多猴子任意敲打打字机键,最终可能会写出大英博物馆所有的书” [2]

《恒星和原子》 1926年

《恒星内部结构》 1926年

《基本理论》 1946年

《科学和未知世界》 1929年

《膨胀着的宇宙:天文学的重要数据》 1900年-1931年

《质子和电子的相对论》 1936年

《物理世界的性质》 1928年

《科学的新道路》 1935年

《空间、时间和引力:广义相对论进阶》 1920年

《物理学的哲学》

《物理学的领域》

有记者问爱丁顿说是否全世界只有三个人真正懂得相对论,爱丁顿思考了一下,回答“我正在想第三个人是谁?”

爱丁顿曾说,“我认为,熵增原则即热力学第二定律是自然界所有定律中至高无上的。如果有人指出你的宇宙理论与麦克斯韦方程不符那么麦克斯韦方程可能有不对;如果你的宇宙理论与观测相矛盾嗯,观测的人有时也会把事情搞错;但是如果你的理论违背了热力学第二定律,我就敢说你没有指望了,你的理论只有丢尽脸、垮台。” [2]


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