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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