物理群星
威廉·福勒 肖像

图:AIP 埃米利奥·塞格雷视觉档案馆 / Wikimedia Commons / 经 AIP 许可使用

威廉·福勒

William Alfred Fowler

1911–1995 · 生于美国宾夕法尼亚州匹兹堡 · 美国

原子与核物理天体与宇宙学

一个英国人跑进他的实验室说「碳-12 一定有个能级,否则我们不会存在」——他把手头的活停了去找,几个月后找到了

理论说恒星里发生着什么,只有在有人把那些反应真的量出来之后才算数。福勒一辈子干的就是这件事:在加州理工一间叫凯洛格的实验室里,用加速器把一条条核反应的截面测出来,测了将近六十年。

他不是那种在黑板上想出宇宙的人。恒星模型里每一个反应速率的数字,背后都有一次这样的测量。

从核物理到恒星

凯洛格辐射实验室原本是做核物理的普通实验室。1930 年代它测轻核的反应,战时改做近炸引信和火箭,战后福勒把它带回核物理——并且做了一个当时看来偏门的决定:专门去测那些在恒星内部才要紧的反应。

麻烦在于能量。恒星中心的典型热运动能量只有几十千电子伏,在这个能区反应截面小到几乎测不到;实验只能在高一些的能量上做,再把曲线小心地外推下去。这套「测得到的地方尽量测,测不到的地方规规矩矩外推」的手艺,是核天体物理这门学科的地基。

1953 年的那次拜访

1953 年,一个英国人闯进实验室,说碳-12 必定有一个此前没人发现的能级,位置在 7.65 MeV 附近,否则恒星造不出足够的碳、地球上也就不会有他和在场的各位。

实验室里起初没人当真:从「我们存在」推出一条核能级,这在当时听起来更像玄学而不是物理。但霍伊尔不走,福勒就让人试了。几个月后,邓巴、皮克斯利、温泽尔与惠林在实验室里找到了这个能级,测得 7.68 MeV。

这件事改变了福勒的方向。此后他与霍伊尔成了长期合作者:一个从天上往下推,一个从加速器往上测。

B²FH

1955 年他去剑桥访学,与霍伊尔、杰弗里·伯比奇与玛格丽特·伯比奇合作,把恒星合成元素的全部路径整理成一个体系。1957 年的那篇长文按四人姓氏首字母被称为 B²FH:氢烧成氦,氦烧成碳氧,一路到铁;铁之后靠中子俘获,分慢的 s 过程与快的 r 过程。

这篇论文的分工很清楚:理论框架主要来自霍伊尔,天文观测的约束来自伯比奇夫妇,而支撑整套东西的核反应数据来自福勒的实验室。此后三十年,核天体物理基本是在填这张表格的空格。

1983 年

诺贝尔奖发给了福勒与钱德拉塞卡,理由是「对宇宙中化学元素形成所涉核反应的理论与实验研究」。霍伊尔不在名单上。

这件事在当时就有争议,至今仍被举为诺奖漏人的例子之一。福勒本人对霍伊尔的贡献从不含糊——他在多个场合把那次 1953 年的拜访讲成自己学术生涯的转折点。

1995 年 3 月 14 日他在帕萨迪纳去世,八十三岁。他留下的东西不太像一般意义上的「发现」:那是一张越填越满的反应速率表。今天任何一个恒星演化的模拟程序跑起来,读进去的第一批数字就在那张表上。

代表方程

恒星里反应到底有多快

⟨σv⟩∝∫0∞σ(E) E e−E/kBT dE\langle \sigma v \rangle \propto \int_0^{\infty} \sigma(E)\, E\, e^{-E/k_BT}\,\mathrm{d}E

恒星内部的核反应速率,等于反应截面乘上相对速度、再按麦克斯韦分布对所有能量求平均。麻烦在于恒星里的典型能量只有几十千电子伏,截面小到直接测不出来——凯洛格实验室的工作就是在加速器上尽可能往低能测,再把曲线外推到恒星的能区。今天所有恒星模型里的反应速率表,源头都是这一类测量。

铁以后的元素分两条路

τn≫τβ (s 过程)vs.τn≪τβ (r 过程)\tau_n \gg \tau_\beta\ (\text{s 过程}) \qquad\text{vs.}\qquad \tau_n \ll \tau_\beta\ (\text{r 过程})

铁以后再聚变就不放能量了,重元素只能靠中子俘获往上堆。两条路的区别只是快慢之比:如果俘获中子的间隔远长于 β 衰变的寿命,核每吸一个中子就有时间衰变一次,沿着稳定核素带慢慢爬(s 过程,发生在红巨星内部);如果中子密度高到俘获远快于衰变,核来不及衰变就被塞成极富中子的样子,再一路衰变回来(r 过程,发生在超新星与中子星并合中)。金、铂、铀走的是后一条。

伟大发现