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pi 70億光年外傳來(lái)超級(jí)大爆炸，8顆太陽(yáng)質(zhì)量瞬間消失，細(xì)節(jié)令科學(xué)家困惑( 四 )


觀測(cè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)傾向用探測(cè)結(jié)果來(lái)直接挑戰(zhàn)陳述清晰、放話最狠的理論預(yù)言， LIGO-Virgo引力波探測(cè)合作團(tuán)隊(duì)深諳這一點(diǎn)，用這一類(lèi)模型的數(shù)值模擬結(jié)果，有的放矢，更能同時(shí)引起觀測(cè)家和理論家的興趣，使得這一觀測(cè)結(jié)果廣為關(guān)注。研究人員認(rèn)為本次GW190521引力波事件的三個(gè)黑洞中至少有一個(gè)黑洞的質(zhì)量落在這一PI導(dǎo)致的黑洞質(zhì)量缺口之內(nèi)，也是首次相對(duì)直接探測(cè)到中等質(zhì)量黑洞，這便是很多天文學(xué)家驚呼的原因了。
事實(shí)上，PI模型并不是唯一解。近年來(lái)天體物理學(xué)家提出了磁化大質(zhì)量恒星模型。暫不考慮恒星旋轉(zhuǎn)的因素，在非常大的質(zhì)量范圍內(nèi)，大質(zhì)量恒星內(nèi)部有電磁波輻射場(chǎng)（即光子氣體）、熱氣體和磁場(chǎng)，可以由各種可能的不同組份比例形成處于靜止平衡態(tài)的磁化大質(zhì)量恒星。基于這類(lèi)模型，可以更進(jìn)一步進(jìn)行球?qū)ΨQ(chēng)徑向擾動(dòng)穩(wěn)定性分析，并且涉及的靜態(tài)平衡和擾動(dòng)都是在廣義相對(duì)論框架中進(jìn)行。關(guān)鍵在于，這類(lèi)恒星內(nèi)部溫度完全可以不用高到產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)不穩(wěn)定性，從而不涉及PI或者PPI所觸發(fā)的熱核反應(yīng)。一旦這類(lèi)磁化大質(zhì)量恒星逐步演化到廣義相對(duì)論磁流體擾動(dòng)失穩(wěn)時(shí)，整個(gè)磁化恒星體系就可以直接動(dòng)力塌縮形成各種質(zhì)量的黑洞——包括恒星級(jí)質(zhì)量黑洞和中等質(zhì)量黑洞，并不會(huì)存在中等質(zhì)量黑洞低端的斷檔。同時(shí)，這類(lèi)過(guò)程可以在相應(yīng)的物理參數(shù)范圍內(nèi)表現(xiàn)為宇宙時(shí)空中的γ射線暴（Gamma-Ray Bursts，簡(jiǎn)稱(chēng)“GRBs”）和快速射電暴（Fast Radio Bursts，簡(jiǎn)稱(chēng)“FRBs”），或者是其他波段的短促而猛烈的高能電磁爆發(fā)（Electromagnetic Bursts，簡(jiǎn)稱(chēng)“EMBs”）。
插曲：追溯高能γ光子產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
這里再講一個(gè)關(guān)于高能γ光子產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的插曲。今天高能天體物理過(guò)程中常常用到的正負(fù)電子對(duì)這一重要物理概念，正是源于在實(shí)驗(yàn)室中最早發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)的核物理實(shí)驗(yàn)——由我國(guó)核物理先驅(qū)趙忠堯先生首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。
1927年，趙忠堯前往美國(guó)加州理工學(xué)院留學(xué)，師從美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主密立根（Robert Millikan）攻讀博士學(xué)位。本來(lái)密立根只給了他一個(gè)容易的題目以便讓其盡快獲得學(xué)位。可是趙忠堯卻認(rèn)為這項(xiàng)關(guān)于光學(xué)干涉的實(shí)驗(yàn)過(guò)于簡(jiǎn)單，希望學(xué)習(xí)更多的物理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。他這樣的想法甚至讓密立根覺(jué)得他有些不知天高地厚，但最終還是同意讓他做了前沿實(shí)驗(yàn)課題，“硬γ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)的吸收系數(shù)測(cè)量”，驗(yàn)證當(dāng)時(shí)剛問(wèn)世的康普頓（Compton）散射公式——克萊因-仁科（Klein-Nishina）公式（1929年），這是對(duì)低能經(jīng)典的湯姆森 (Thompson) 散射的高能相對(duì)論推廣，涉及量子電動(dòng)力學(xué)。硬γ射線表示能量高的γ射線光子，即電磁波長(zhǎng)更短或頻率更高。
1929年，趙忠堯?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)只有輕元素的γ射線吸收較為符合理論公式預(yù)言，而重元素（如鉛）的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果大了約40%，他稱(chēng)此現(xiàn)象為γ射線的反常吸收。在稍后的一段時(shí)間內(nèi)，英國(guó)劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的G. T. P. Tarrant，德國(guó)威廉皇帝學(xué)會(huì)化學(xué)研究所（馬普化學(xué)所前身）的邁特納（L. Meitner，邁特納女士是王淦昌先生的導(dǎo)師，因1938年第一個(gè)理論解釋奧托發(fā)現(xiàn)的核裂變而成名，參見(jiàn)《她是奠基“核裂變”理論的物理學(xué)家，卻拒絕了曼哈頓計(jì)劃》）和H. H. Hupfeld也發(fā)現(xiàn)了γ射線的反常吸收現(xiàn)象。1930年趙忠堯在對(duì)γ射線散射輻射強(qiáng)度和角分布的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，伴隨著γ射線的反常吸收還出現(xiàn)了能量為0.5MeV的“附加散射輻射”。
實(shí)際上，這就是正負(fù)電子對(duì)湮滅而轉(zhuǎn)化為一對(duì)γ光子的湮滅輻射，而反常吸收正是因?yàn)槟芰孔銐蚋叩娜肷洇霉庾愉螠甾D(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)而使得γ光子數(shù)目減少——趙忠堯已經(jīng)找到了正電子存在的證據(jù)，它就是對(duì)應(yīng)帶負(fù)電的電子的反物質(zhì)粒子。非常可惜的是，當(dāng)時(shí)狄拉克方程對(duì)可能存在反粒子的理論預(yù)言剛剛提出不久（1928年），趙忠堯和密立根都沒(méi)能把異常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與狄拉克的理論聯(lián)系起來(lái)。英國(guó)和德國(guó)的兩個(gè)小組分別得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅晚于（約1-2年后）趙忠堯的實(shí)驗(yàn)，而且結(jié)果也不正確，并沒(méi)能得出關(guān)鍵的0.5MeV。
更遺憾的是，從理論上解釋正負(fù)電子對(duì)湮滅和輻射做出重要工作的布萊克特（Patrick Blackett）和奧基亞利尼（Giuseppe Occhialini）在他們的論文中并未正確地引用趙忠堯的實(shí)驗(yàn)工作結(jié)果。各種因素綜合在一起，客觀上影響了國(guó)際物理學(xué)界對(duì)趙忠堯?qū)嶒?yàn)結(jié)果的及時(shí)肯定，直接導(dǎo)致他的重要貢獻(xiàn)被同時(shí)代學(xué)者所遺忘。
1932年，同是密立根學(xué)生的安德森（Carl D. Anderson）首先在高能宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，由此與維克托·赫斯（Victor Hess）共享了1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他后來(lái)表示受到了趙忠堯?qū)嶒?yàn)結(jié)果的啟發(fā)。直到上世紀(jì)80年代末，由著名物理學(xué)家楊振寧先生等人深入考證相關(guān)文獻(xiàn)后，這段重要的物理學(xué)歷史才得以澄清。

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