物理群星
汉斯·贝特 肖像

图:洛斯阿拉莫斯国家实验室,1940 年代(署名许可)

汉斯·贝特

Hans Bethe

1906–2005 · 生于德国斯特拉斯堡 · 德国 → 美国

原子与核物理天体与宇宙学

算清了太阳为什么会发光,也算清了原子弹为什么会炸

诺贝尔物理学奖 1967 对核反应理论的贡献,特别是关于恒星能量产生的发现

「我呼吁所有科学家,停止并放弃创造、发展、改进和制造核武器的一切工作。」

—— 1995 年广岛五十周年之际致全世界科学家的公开信,据英文原文意译

太阳为什么会发光,是个困扰了物理学半个多世纪的问题。

按化学燃烧算,太阳几千年就烧完了。开尔文和亥姆霍兹提出靠引力收缩释放能量,能撑几千万年——可地质学家从岩层里读出的地球年龄是几十亿年,差了两个数量级。爱丁顿 1920 年猜测答案在原子核里,但具体是哪些反应、快慢如何,没人算得出来。

一场会议和一年的计算

1938 年 3 月,华盛顿开了一次天体物理会议。贝特本来对天文没什么兴趣,是被同事拉去的。会上他听懂了问题的形状:需要找到一组核反应,在太阳中心那个温度密度下,产能率恰好等于太阳的光度。

传说他在回程的火车上就算出来了。实际上他花了几个月,把每一种可能的核反应逐一筛过。

答案有两条路。轻一点的恒星走质子-质子链:氢核一步步并起来,最终四个氢变成一个氦。重一点、更热的恒星走碳氮氧循环:碳原子核捕获质子,转一圈放出氦核,自己变回碳——碳只是催化剂,净效果还是四氢变一氦。

两种路径都对温度极其敏感,这解释了为什么恒星的光度随质量陡增。1939 年论文发表,太阳为什么发光这个问题解决了。二十八年后他为此获得诺贝尔奖。

洛斯阿拉莫斯的理论部

1943 年,奥本海默请贝特出任洛斯阿拉莫斯理论部主任。这个位子上坐着的人要管住费曼、泰勒这样一群人——泰勒因为没拿到这个职位而长期不快。

贝特的做法是当面辩论:任何人可以在任何时候挑战任何结论,包括他自己的。费曼后来回忆说,他的主要工作就是站在贝特对面说「不对」,然后两人一起把问题吵清楚。

战后贝特成了美国最坚定的军控倡导者之一。他反对氢弹的研制,1954 年在奥本海默的安全听证会上为其作证,1958 年出任禁核试谈判的科学顾问,此后几十年一直在这条线上。1995 年,广岛五十周年,八十九岁的他发表公开信,呼吁全世界的科学家停止一切与核武器有关的工作。

又一列火车

1947 年 6 月的谢尔特岛会议上,兰姆报告了氢原子能级的那个微小偏差。会后贝特坐火车回斯克内克塔迪,在车上做了一个粗糙的非相对论估算,得到约 1040 兆赫——与实测的 1000 兆赫惊人地接近。

他的做法是把无穷大在两处减掉,让差值有限。这不是严格的重整化,但它第一次表明这个方向走得通。朝永、施温格、费曼随后把它做成了完整的理论。

贝特活到九十八岁,在康奈尔待了七十年。九十多岁时他还在发表关于超新星和中微子的论文。他从来不是那种以某一个惊天想法著称的物理学家——他是那种什么都能算,而且算得对的人。

代表方程

氢聚变为氦

4 1H→4He+2e++2νe+26.7 MeV4\,^{1}\mathrm{H} \rightarrow{} ^{4}\mathrm{He} + 2e^{+} + 2\nu_e + 26.7\ \mathrm{MeV}

四个氢核并成一个氦核,损失掉的那点质量按 E=mc2E = mc^2 变成能量。太阳每秒把四百万吨自己转成光,已经这样烧了四十六亿年。

碳氮氧循环

12C→13N→⋯→12C+4He^{12}\mathrm{C} \rightarrow{} ^{13}\mathrm{N} \rightarrow \cdots \rightarrow{} ^{12}\mathrm{C} + {}^{4}\mathrm{He}

碳在这里只当催化剂,转一圈又变回碳,净效果还是四氢变一氦。比太阳更重更热的恒星主要靠这条路发光。

伟大发现