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11月5日 从神秘的脉冲星谈起 何香涛
主讲人简介
何香涛，北京师范大学天文系教授，北京天文协会理事长，中国天文协会副理事长，毕业于北京师范大学物理系，毕业后留校任教至今。何教授对各种天体现象有很深的造诣。
内容简介
今天我向大家介绍的是天上的一种星叫做脉冲星，我们说脉冲星，最早预言是在上一个世纪的30年代，大家知道，原子核是由质子和中子组成的，外边是电子围绕着旋转，那么大家知道，这个质子带的是正电，外边这个电子带的是负电，怎么形成中子呢，只要电子和质子合并在一起，那就变成了中子，换句话说，如果有人力气特别大，把这个原子的电子给它压回到原子核里边去，那就说，电子和质子合在一起，也变成了中子，那我们这个原子就不再存在了，而变成了光有一个核的中子的核，那这样的话，岂不是电子和质子都变成中子了吗，所以这个想法非常有意义。上一个世纪的30年代，英国的卡文迪史实验室，发现了中子以后，在哥本哈根一些年轻的物理学家讨论，预言了中子星的存在，那么主要的预言者就是前苏联的著名物理学家叫做朗道。朗道预言了中子星的存在，最终，在一次实验检查中发现了脉冲星的信号，不仅从理论上，而且从实际观测中也证实了脉冲星的存在。
我们这个宇宙上的所有的东西都在向老的方向发展，宇宙中的星球也都在向“死亡”的方向发展，我们的太阳也在走向灭亡，也会爆发，但是我们人类是有智慧的生物，我相信等不到太阳爆发，我们地球上巨大的宇宙飞船都把大家载到宇宙上去，我们找另外一个太阳，那个太阳既年轻，环境又好，所以我们搬到另外一个星球上生活，那过的生活比在地球上可能更好，这就需要我们大家、科学家努力。
全文
大家好，今天我向大家介绍的是天上的一种星叫做脉冲星，大家知道天上的星星数也数不清，那么多星星，为什么挑出脉冲星来给大家介绍呢，主要的原因之一，就是脉冲星非常重要，我们说在科学上，这件事情重要不重要，一个很重要的标志，就是要获得诺贝尔奖金，天文学自己没有独立的诺贝尔奖金，而是把天文学的诺贝尔奖金，和物理学合在一起，那么物理学家把天文学合进来的时候，觉得天文学家也不一定能得到分到多少诺贝尔奖金，但是从上一个世纪60年代开始，天文学连连续续有很多巨大的发明，其中之一就是脉冲星的发现，我们会看到脉冲星发现不久，就给了诺贝尔奖金，不仅如此，这个脉冲星得了一个诺贝尔奖金还不够，很快，到了上一个世纪的90年代，又获得一个诺贝尔奖金，所以这一种星就获得两个诺贝尔奖金，可见这个星特别的重要，但是从另一方面，我想在座的，对于脉冲星都比较陌生，所以我加了一个标题，叫做神秘的脉冲星，我希望通过今天的讲座，一方面大家了解脉冲星怎么重要，另外呢，能够把脉冲星的神秘的面纱给它揭开。
我们说脉冲星，最早预言是在上一个世纪的30年代，大家知道，脉冲星的预言首先是由理论学家来预言的，我们谈脉冲星，首先应该从物质的结构来谈起，上一个世纪的30年代，那个时候，大家对于物质的结构就有了认识，什么认识呢，就说物质都是由原子组成的，原子再组成分子，最后组成各种物质，而对于原子有一个基本的认识，就说原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子来组成的，我打一个比方，假如说我就是一个原子核，站在北京，那么原子核的尺寸大约是1米，围绕原子核的电子在什么地方呢，要在140公里之外，也就是说，如果我站在这个地方，在北京，那么围绕我这个原子核的电子就在天津，就这么远，这就是原子的结构，那么到了上一个世纪的30年代，就发现了一个很重要的物理的基本粒子，叫做中子，这个中子是1932年由英国的卡文迪史实验室发现的，我们说组成原子核，原来认为主要是由质子组成的，外边是由电子围绕的，卡文迪史发现中子以后，就发现了原子核，实际上由两种物质组成的，一个是质子，一个是中子，也就是说，原子核是由质子和中子加在一起组成的，外边围绕的是电子，这件事情本来很普通，但是当时，一些物理学家就在讨论，中子发现以后有没有什么重要的，或者是深奥的物理意义，有没有应用前景。
我们知道，上一个世纪原子研究的中心之一，是在丹麦，丹麦的哥本哈根，大家知道原子核的模型，是由上一个世纪著名的物理学家玻尔首先提出来的，中间有个原子核，外边有个电子来旋转，所以在哥本哈根这个小组里边，就在热烈地讨论，那么中子发现以后有没有深远的意义，当时有个年轻的留学生，是从前苏联到哥本哈根来学习的，他叫朗道，朗道就想到。
如果我们的原子核是由质子和中子组成的，外边是电子围绕着旋转，那么大家知道，这个质子带的是正电，外边这个电子带的是负电，怎么形成中子呢，只要电子和质子合并在一起，那就变成了中子，换句话说，如果有人力气特别大，把这个原子的电子给它压回到原子核里边去，那就说，电子和质子合在一起，也变成了中子，那我们这个原子就不再存在了，而变成了光有一个核的中子的核，那这样的话，岂不是电子和质子都变成中子了吗，所以这个想法非常有意义，有意义在什么地方呢，就是说有可能把我们的物质压得特别密集，一直压缩成只有原子核，而这个原子核呢，完全由中子组成的，我们打个比方，比方你去买一件东西，买一件家具甚至说你盖一座大楼，如果从天文学家的角度来看，这里边全是空的，为什么呢，因为你组成的最基本的东西是原子，而原子核加上外边的电子，如果说你把这个大楼给我压缩一下，全压缩成中子，那这个大楼就一点点，小得可怜，非常小一点，那你说了，你说我不要这座大楼，我把空的东西都给它压掉，都变成一个中子组成的大楼，那岂不是要简单得多了吗，如果一个聪明的地产商就会说，好了，你要想买这样的大楼，也可以，请你把这个电子都给我压到原子核里边去，这个压起来太困难，事实上来讲在地球上面是做不到的，那么朗道我想到，地球上做不到的事情在天上能不能做到呢，因为天上的事情跟地面上有很大的区别，它有各种的物理条件，可以是高温的，可以是高压的，可以是高密（度）的，可以是非常强的磁场，所以就想到，天上有可能造成一种物理环境，把这个电子，都压到原子核里边去，然后呢，质子和电子都合成中子，这样的话，我这样一个天体，就变得没有了质子，没有了电子，只有中子，而且非常非常密集，那么这样一个星是什么星呢，完全由中子组成的，就叫做中子星，这就是上一个世纪的30年代，英国的卡文迪史实验室，发现了中子以后，在哥本哈根一些年轻的物理学家讨论，预言了中子星的存在，那么主要的预言者就是前苏联的著名物理学家叫做朗道。
这就是卡文迪史实验室，这是我访问英国的时候，站在前面照了一张相，因为实验室非常有名，做了很多的重要的实验，那么这个实验室呢，里边出了好多个诺贝尔奖金的获得者，那这件事情，预言完以后，是上一个世纪的30年代，预言完以后，天文学家很有兴趣，就说我到天上找一找，看看能不能找到朗道预言的这个中子星，左找右找，找了很长时间都没有找到，毫无踪影，也就是说，找这个中子星太困难，那么找来找去，在一个意外的场合被发现了，我们看一下怎么个意外的场合发现的，大家知道第二次世界大战以后，英国的射电天文学非常发达，什么叫射电天文学呢，就是无线电天文学，因为英国在战争时期它有好多雷达设备，二次世界大战的时候跟德国战争的时候，雷达设备很先进，那么二次世界大战以后，英国这些雷达设备的工作者很多都转过来搞天文，这种天文学我们管它叫做射电天文学，在这个天文学里从事研究的呢，其中有一个研究者叫做休依什，他在研究什么呢，想通过射电天文来研究太阳的闪烁现象，我们看上去太阳非常明亮，这是发的光，除此之外太阳还向我们吹风，吹的风叫做太阳风，那么太阳风有很多重要的意义，而且太阳风呢，实际上不是非常频繁的，那么吹的，而是说呢，真像刮风一样，一阵阵的刮来，而且太阳风里边有些现象叫做闪烁现象，也就是说，有起伏，他要研究太阳风里边的闪烁现象，怎么研究呢，就把无线电望远镜对上太阳背后的浩瀚的宇宙，去看里边的星，比方说我观测其中的一颗星，那么星光通过太阳的周围过来以后，我们观测这个星光有没有变化，通过这个星光的变化，来看太阳风的闪烁，这个变化和我们平常看到的星星，我们说眨巴眼，在那儿闪不一样，我们看到晚上的星星都在那儿眨巴眼，一闪一闪的，那个闪烁不是由于太阳风造成的，而是由于我们大气，原理是一样的，就是说，大气本身有闪烁，有抖动，所以我们看到所有的星，我们看见的星星都在那儿闪，一点一点地闪烁，所以我们叫星星在眨巴眼。
看这个星在太阳旁边的星星来观测它，观测它的闪烁现象，就可以研究从太阳里边刮出来的风，这个风也有闪烁现象，就做这件事情。那么这个天线和我们普通的天线不太一样，我们看上去，这个天线就像一个网状一样，就在地上支了好多木头架子，这个架子上面挂了好多线，如果说得通俗一点，就像晾衣服的绳子一样，这是我站在天线（底下）照的相，这个天线下边，羊群还在下边，不管怎么说吧，我们就说这么一个巨大的天线阵，就通过这个来研究太阳的闪烁现象，也就是说接受从太阳背后来的星，观测它有没有闪烁，我们说要观测这个闪烁很重要的一点，就要记录这个星，星光的变化，所谓闪烁就是在变化，有起伏，看它的起伏，当时设计了这个天线以后，就开始进行观测，那么这个天线呢，是1967年7月份投入观测，8月份就发现了，从外边过来的星的，有那么几颗星，它那个闪烁现象非常特殊，非常有规律的闪烁，到11月份再重复观测，那么观测的结果还发现这个星，非常有规律的在这儿闪烁，我们知道上一个世纪的60年代，那会儿的观测设备还比较落后，不像现在我们什么都通过计算机，当时就是最原始的那种记录仪，就是说我观测的话，就有一个记录仪，这个记录仪就是纸带，纸带出来以后，我就是看它上边的记录，我们先看一下它记录到什么东西，这就是当时的原始的记录，大家看横的线里边，就是当时的一个原始的记录，那么设计这个天线的人，叫做休依什，他的一个女研究生叫做贝尔，贝尔这个人非常细心，本来就是看这些纸带，而贝尔呢，眼睛非常的敏锐，而且呢，对这个纸带，仔仔细细地进行研究，她就发现在纸带上边有些个非常规则的信号，我们看这是她原始的纸带，1967年8月6号的原始的纸带，她就在纸带上去掉了那个噪音以后，就居然发现了，把噪音去掉以后，就发现了非常规律的这种脉冲的信号，就是一个一个的脉冲，脉冲的时间间隔非常短，只有几秒钟，一个个的脉冲信号，她就把这个信号，就告诉她的导师休依什，说我发现有一些个星星，有非常规律的脉冲信号，和普通的我们观测到的，那个星星的星光的闪烁不一样，因为那个星光闪烁，是依靠太阳风，太阳风有变化，它就有闪烁，而太阳风和太阳的活动有关系，所以这个风有时候风力强，有时候风力弱，那个信号不是规律的，这个信号可是太规律了，总是这样，经过几次重复观测以后，发现这个信号永远没有变化，人们就想，这是什么东西，这个星星为什么发这个信号，一开始有人很天真，说这个是不是宇宙间有智慧的生命给我们发信号，发的这个信号，但是再仔细一看，宇宙间有智慧的生命给我们发信号，不可能这么不停的发，他还得睡觉呢，白天发了以后，晚上得休息，而这个是无休止的，如此规律地老发信号，于是这个导师就想到，这个星发的规律的信号，就是当年朗道预言的中子星，就是说，我们找了好长时间，几十年找不到，无意中，通过研究太阳的太阳风，找到的这个星就是当年的中子星，所以就重复检测，观测记录，这个女学生据说检测了五千米的记录，从中找到了几颗呢，一共才找到了四颗，这个星，大家知道，重要的科学成就发表的话，往往发表在英国的一个杂志叫《Nature》上边，1968年发表这个文章，就是说，发现了四颗非常重要的有规律的在这儿发脉动信号的星，那么发表以后，全世界天文学家都引起重视，立即 所有的大型的望远镜，都掉过来，来观测这种星，1968年发现，然后就观测，很快就在这个基础上就发现了比较多，1968年发现，1974年就给了诺贝尔奖金，也就是说，这个星如此之重要，所以呢，很快就给了诺贝尔奖金，它重要在什么地方呢，就证明了这个原子的结构，的的确确是由中子和质子组成的，而且把电子压到原子核里是完全可能的，不光物理学家感兴趣，天文学家也感兴趣，就是说我天上这颗星，确确实实存在着一种非常奇异的星，这个星就是把所有的物质中，这个电子都压到原子核里边去，统统这个东西就变成中子了，所以这个星就是中子星，而这个中子星如此之密集，就像我刚才说的，比原来的一般的物质密集了不知多少倍，它的潜在意义，物理意义和应用前景都是非常非常重要。
那么你怎么断定，你看到的这个发脉冲的信号，就只能是中子星呢，会不会是其他的天体呢，我们来分析一下，我们说，只能是中子星，其他的星不可能，为什么，我们看看天上的星，天上的星，我们说我们看到这个星，它的这个所谓脉冲信号就是它的光在变化，就是这个星的光在变化，一会儿变亮，一会儿变暗，而且变化的周期我刚才说了，非常非常快，就是几秒钟变一次，几秒钟变一次，很快，那么天上的星，星光发生变化，有没有可能性呢，完全有可能性，天上有很多星，那个星光是在变化，具体说来呢，就说我们看到天上的星，星光发生变化了，我们管它叫做变星，变星有几种原因呢，变星我们大体分析起来，有三种原因，可以使得天上星光发生变化，一种原因最简单的，就是天上两颗星一块绕着旋转，有两颗星，比方说我这个拳头是两颗星，这两颗星如果都对着你的话，你看的话比较亮，如果这两颗星一个在前边，一个在后边，就把它遮挡住了，这个星就变了，所以只要一个星绕着一个星转，那么你看上去这个星，它那个星光就不断地变化，这样一个星绕着一个星不断的变化，我们管这种星叫做双星，天上的双星多不多呢，很多，就跟人间一样，大概天上的星星有一半是双星，跟我们人间夫妻一样，有一半是双星，所以天上有一半的星是双星，一个绕着一个转，它们的星光都在发生变化，可是我们就想到，如果是双星的话，一个星绕着一个星转，转的速度不可能太快，我们打一个简单的比方，月亮和地球也可以看作是个双星，月亮绕地球多长时间转一周呢，大家都知道，一个月转一周，如果你让月亮几秒钟绕地球转一周，几乎是不可能的，更何况天上的两颗星，几秒钟转一周，也不可能，因为它的周期太短了，两个星绕转，不可能达到几秒钟转一周的这么快的速度，那么第二种可能性，就是这个星还可以脉动，什么叫星星脉动，就这个星星，一会儿膨胀，一会儿收缩，这个有没有可能呢，也有可能，这样的星看上去它的星光也在发生变化，但是这个星星脉动我们简单地算一算就会发现，这个脉动的周期不可能太快，一般说，最少也得几个小时，甚至几天脉动一次，要是一两秒钟脉动一次，这么大一个星球，从理论上是不可能的，也就是说，星星脉动是可以的，但是脉动的速度这么快，就像大喘气一样，一收一缩，达到一两秒钟的时间，也是做不到的，还有一种情况，就这个星星在自转，在旋转，旋转的话，如果我这个星星一边是亮的，一边是暗的，我转一周，那岂不是亮的就冲着我们，再转一周，亮的又过来，那看上去这个星光也在发生变化，就是这个星星在旋转，这个可能不可能呢，这个非常可能，我们说天上的星星都在转，如果我们把地球看作天上的一个星星，我们地球转不转呢，当然地球在转，地球是多长时间转一周，24小时转一周，月球转不转，月球也在转，月球一边绕着地球公转，一边自己还自转，而且月球的自转周