GM
在上一章中我们曾经指出，强场的条件是
2 ..1。
cR
现在，我们从另一个角度来看这个问题。如果质量为
M
的体系所产生的引力场是强的，它们的空间尺度就应当是
R ..
GM 。换句话说，倘若质量为
M的体系是强引力场的
2
c
GM
源，那么这个体系就应该压缩到
R ..2 那么小的空间范
c
围里去。下面的表中给出一些物体的
GM
的值。
2
c
名称质子人地球太阳银河
2
GM
c（厘米）
10-52 10-23 10-1 105 1016
根据我们在地面实验室中的经验，要想完成表中所要求
的压缩，似乎是完全不可能的。用目前最强有力的压缩机也
不能使水的体积缩小十分之一。所以，要想把偌大的太阳压
缩成一个直径仅几公里的球，似乎是童话中的事。
·90·
自然界到底有没有强大的压缩机能把弱场物体压缩成强
场呢？上面的经验使许多人对这个问题持否定态度。因此，
自然界到底有没有强场物体存在，也使人们怀疑。如果根本
没有强场物体存在，那么，广义相对论即使再好，也是无用武
之地的东西了。
自然界到底有没有强大的压缩机能把弱场物体压缩成强
场呢？上面的经验使许多人对这个问题持否定态度。因此，
自然界到底有没有强场物体存在，也使人们怀疑。如果根本
没有强场物体存在，那么，广义相对论即使再好，也是无用武
之地的东西了。
引力坍缩
这个问题是从分析星的平衡性质开始的。一颗星的性质
最主要的决定于两种力，一种是星体自身的引力，一种是星中
物质的压力。倘若压力大于引力，星体将发生膨胀；若引力大
于压力，则星体将收缩；两者相等时，星体达到平衡。
早在
1930年，密尔恩分析一种没有能源的、由经典理想
气体构成的星。他发现，在这种情况，压力总是不能与引力相
抗衡。任何质量的这种体系，在自身引力的作用下总要无限
坍缩下去，一直到空间尺度缩小到零。物质密度增加到无穷
为止。
随后，张德拉塞卡和朗道分别指出密尔恩的分析不完备。
·91·
因为在高密度下，物质的性质远远不能用经典理想气体来描
写。这时必须考虑量子力学中的不相容原理。这种不相容原理
能产生巨大的抵抗坍缩的力量。这种压力通常叫做简并性压
力。仔细说来，在高密态情况下的简并性压力，大体可以分成
两大类：一类是简并电子压力，当物质密度在
104 —108克/厘
米
3范围时，它起主要作用；另一类是简并中子压力，当物质密
度在
1012 —1015克/厘米
3范围时，它起主要作用。具体计算表
明，考虑到简并性压力后的确使问题有所好转，在一定质量范
围内的天体不会出现密尔恩式的无限坍缩。张德拉塞卡的计
算表明，当压缩到一定空间尺度后，简并电子的压力将与自引
力达到平衡，稳定下来成为一种致密的星，叫做简并矮星，白
矮星就是一种简并矮星。天狼
B星是一颗白矮星。但是，简并
电子压力也并不能彻底排除无限坍缩的威胁，特别是对于质
量大于
1.5个太阳质量的天体来说，不再能形成稳定的简并
矮星。摆在它面前的命运依旧是坍缩。
张德拉塞卡曾经这样来描述当时的境遇：“我们的结论
是，在我们能够回答下列基本问题之前，有关恒星结构的分析
不可能获得较大的进展。这个问题就是给定一个含有电子及
原子核（总体是电中性的）的封闭体，如果我们无限地压缩这
些材料，将会发生什么事情？”
以上的讨论都是基于牛顿引力理论的。
到三十年代末，奥本海默采用广义相对论来分析这个问
题。结果仍然没有变化。虽然他们证明了在一定质量范围内
坍缩后能存在稳定的中子星（即简并中子压力与自引力抗衡
·92·
而形成的星体）。但是，他还说：“当所有热核能源耗尽之后，
一颗足够重的星体将会（无限）坍缩。”
而形成的星体）。但是，他还说：“当所有热核能源耗尽之后，
一颗足够重的星体将会（无限）坍缩。”
：
1．发生引力坍缩，形成大量的致密天体。
2．致密天体大体有两大类，一是由有限坍缩形成的，例
如白矮星和中子星，另一种则是由无限坍缩形成的天体。
第一个结论就牛顿引力理论或广义相对论来说都是一
样。第二个结论当然只能靠广义相对论来得到，因为牛顿的
引力理论不适用于强场情况。先讨论第一个结论的观测证
实。
强场天体在何处？
1934年巴德和茨维基发表了一篇短文，对找寻这种奇异
的天体提出了一些猜测。这篇文章行文之短，涉及面之多，预
测之大胆和准确在物理学和天文学史上是罕见的。我们与其
复述他们的观点，不如原文照录：
超新星和宇宙线
在每个星系（星云）中，每几百年要发生一次超新星爆发。一个超新星的寿命
大约是二十天，当它们绝对亮度极大时，可高达
Mv＝-14m。超新星的可见辐
射
Lv 大约为我们太阳辐射的
108倍，即
Lv＝3.78 × 1041尔格/秒。计算指
出，总辐射（包括可见的和不可见的在内）数量大约是
Lr ＝ 107 Lv＝3.78
·93·
× 10× 10尔格/秒。所以，超新星在它的整个寿命中发射的总能量为
Er≥105 Lr
＝3.78×1053尔格/秒。如果超新星最初是十分普通的质量为
M＜1034克的
恒星，则
Er /c2与它本身的
M同量级。在超新星过程中，大块的物质湮灭了。
此外，还可以设想，宇宙线是自超新星产生的。假定在每个星云中每一千年左右
有一颗超新星出现，则在地球上所观测到的宇宙线强度将为
σ＝ 2×10-3尔
格／厘米
2·秒量级。观测值约为
σ＝3×10-3尔格／厘米
2·秒作为存照，我们
还提出这样的观点：超新星是表示从普通星到中子星的过渡：所谓中子星，就
是星的最终阶段，它完全由挤得极紧的中子构成。
随后三十多年的观测研究证明巴德和茨维基的立此存照
是正确的。最关键的证据是关于蟹状星云的研究结果。
蟹状星云是银河系中一个弥漫的气状星云。它的光度很
大，差不多相当于
100个太阳的光度。星云的能量从何而来？
这个问题吸引着许多天文学家。
早在
1928年就有人提出蟹状星云与
1054年的超新星
