常被天文界遺漏的諾獎得主
——記格·赫茲堡與赫茲堡天體物理研究所

□ 林元章

常被天文界遺漏的諾獎得主
——記格·赫茲堡與赫茲堡天體物理研究所

□ 林元章

馬克斯威亞毫米波和紅外望遠(yuǎn)鏡

諾貝爾獎獲得者格哈特·赫茲堡

筆者曾在天文書刊中多處看到天文領(lǐng)域和與天文有關(guān)領(lǐng)域的諾貝爾獎得主名錄，例如吳鑫基先生的“現(xiàn)代天文學(xué)與諾貝爾獎”①，歐陽自遠(yuǎn)先生的“非天文專業(yè)諾獎得主的天文學(xué)貢獻(xiàn)”②，張明昌先生的“天文學(xué)與其他科學(xué)——天文學(xué)PK數(shù)學(xué)”③，以及蘇宜先生編著的《天文學(xué)新概論》④。然而所有這些諾獎得主名單中，均遺漏掉對天文學(xué)有重要貢獻(xiàn)的1971年諾貝爾化學(xué)獎得主、天體物理化學(xué)家格哈特·赫茲堡（Gerhard Herzberg）。為了頌揚(yáng)赫茲堡在天體物理學(xué)上的重要貢獻(xiàn)，加拿大國家研究院（National Rearch Council,簡稱NRC，相當(dāng)于中國科學(xué)院）于1975年成立了以他的名字命名的赫茲堡天體物理研究所（Herzberg Institute of Astrophysics,簡稱HIA，或NRC—HIA）。本文的主要目的就是為了填補(bǔ)上述名單中的這一重要遺漏。

讀者看到本文稱呼赫茲堡為天體物理化學(xué)家之后，可能會一頭霧水：天體物理化學(xué)家？那他到底是天文學(xué)家或是物理學(xué)家？或是化學(xué)家？簡單的回家就是“都是”。看了下面的介紹之后，就會明白的確如此。他實(shí)際上是一位物理化學(xué)家，也研究天體的化學(xué)組成。物理化學(xué)是一門交叉學(xué)科，主要用物理學(xué)的方法（如光譜學(xué)和激光技術(shù)等）研究物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)。中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所（其前身為中國科學(xué)院上海物理化學(xué)研究所）、大連化學(xué)物理研究所和福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，均為我國在此領(lǐng)域的重要研究機(jī)構(gòu)。赫茲堡在物理化學(xué)領(lǐng)域的重大貢獻(xiàn)已由獲得1971年諾貝爾化學(xué)獎所體現(xiàn)，而他在行星大氣、彗星和星際介質(zhì)的化學(xué)組成方面，也做出重要貢獻(xiàn)。赫茲堡獲得1971年諾貝爾獎的依據(jù)是在分子的電子結(jié)構(gòu)和幾何學(xué)，特別是自由基的電子結(jié)構(gòu)和幾何學(xué)方面做出重大貢獻(xiàn)。這些貢獻(xiàn)惠及的領(lǐng)域包括物理化學(xué)、天體物理和量子力學(xué)。因此筆者認(rèn)為可以稱他為天體物理化學(xué)家。

格·赫茲堡1904年12月25日出生于德國漢堡。1928年在達(dá)姆斯塔特（Darmstadt）技術(shù)大學(xué)獲工程物理學(xué)博士學(xué)位。1929～1930年在哥丁根大學(xué)和布里斯托爾（Bristol）大學(xué)作博士后，得到名師詹·弗朗克（James Franck）和馬·波恩（Max Born）的指導(dǎo)。然后回到達(dá)姆斯塔特技術(shù)大學(xué)任物理講師，同時進(jìn)行了光譜學(xué)研究。當(dāng)他感覺到希特勒殘暴政權(quán)愈益得勢后，于1935年遷居加拿大，1945年獲得加拿大國籍。1935～1945年他在薩斯卡通（Saskatoon）的薩斯喀徹溫（Saskatchewan）大學(xué)任教，并繼續(xù)光譜學(xué)研究。1937年出版專著《原子光譜和原子結(jié)構(gòu)》，并于隨后40年間出版了4卷光譜學(xué)巨著：《雙原子分子光譜》（1939），《多原子分子的紅外和拉曼光譜》（1945），《多原子分子的電子光譜和電子結(jié)構(gòu)》（1966），以及《雙原子分子常數(shù)》（1979）。他是光譜學(xué)，尤其是分子光譜的國際權(quán)威學(xué)者。

值得注意的是赫茲堡曾于1945～1948年在美國芝加哥大學(xué)所屬的葉凱士天文臺（Yerkes Observatory）工作，把他的光譜學(xué)知識應(yīng)用于天體研究，破譯了許多恒星、行星、彗星和星際介質(zhì)的化學(xué)組成，尤其是這些天體中存在的各種分子，包括確認(rèn)彗星的主要成分中有水。

此后赫茲堡又回到加拿大，在加拿大的國家研究院（NRC）工作，直到退休。在此期間，他主要從事多原子分子的光譜和結(jié)構(gòu)研究，特別是自由基的結(jié)構(gòu)。自由基是一種不穩(wěn)定的分子，它們形成于丟失電子的化學(xué)反應(yīng)過程，往往是與氧結(jié)合時產(chǎn)生的。自由基的生命期只有百萬分之幾秒，然后就從其他分子那里獲得電子，并形成新的分子結(jié)構(gòu)。正是在自由基研究中的重大貢獻(xiàn)，成了他獲得諾貝爾化學(xué)獎的關(guān)鍵原因。赫茲堡曾擔(dān)任NRC的物理學(xué)部主任（1948～1955年），純粹物理學(xué)部主任（1959～1969年），加拿大物理學(xué)家協(xié)會主席（1966～1967年），以及國際純粹和應(yīng)用物理聯(lián)合會主席（1957～1963年）。

加拿大NRC所屬的赫茲堡天體物理研究所（HIA）是加拿大最大和最重要的天文研究機(jī)構(gòu)。該所于1975年成立時的總部位于首都渥太華，1995年所本部遷到西部的不列顛哥倫比亞省的維多利亞（Victoria）附近，即著名的自治領(lǐng)天體物理臺（Dominion Astrophysical Observatory,簡稱DAO）所在地。目前HIA除了直轄的DAO和自治領(lǐng)射電天體物理臺（Dominion Radio Astrophysical Observatory簡稱DRAO）之外，還管理幾個很大的國際合作項(xiàng)目，包括加法夏望遠(yuǎn)鏡（CFHT）、雙子座天文臺（GO）、馬克斯威亞毫米和紅外望遠(yuǎn)鏡（JCMT）、阿卡塔瑪毫米和亞毫米波陣（ALMA），分別簡介如下：

1.

DAO

建立于1918年，海拔230米。其最大望遠(yuǎn)鏡口徑1.85米（稱Plaskett鏡）。此鏡1900年開始研制，原想成為當(dāng)時世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，但因進(jìn)度太慢，被1917年建成的美國威爾遜山天文臺的口徑2.5米鏡（稱Hooker鏡）超越。1962年又建造了1.20米望遠(yuǎn)鏡。DAO的傳統(tǒng)研究課題是雙星，特別是其中之一為白矮星或黑洞的特殊雙星。

2.

DRAO

建立于1960年的DRAO位于不列顛哥倫比亞省的Okanagan 瀑布附近，海拔545米。主要設(shè)備有直徑26米的單天線射電望遠(yuǎn)鏡和綜合孔徑射電干涉儀。前者工作在多個波段，包括1.4吉赫(波長21厘米)的氫譜線、1.6吉赫的羥基譜線和6.6吉赫的甲烷譜線。后者由7個口徑為9米的天線組成，東西方向基線長600米， 工作波段為408兆赫和1.4吉赫，均為偏振觀測，可獲得射電源區(qū)的4個斯托克斯參數(shù)。此外還有一具位于Pentincton附近的10.7厘米波長的太陽輻射流量儀。

3.

CFHT

1979年建成的口徑為3.6米的加法夏望遠(yuǎn)鏡，位于夏威夷島Mauna Kea山上海拔4200米處，由加拿大、法國和夏威夷大學(xué)合作建造。加拿大負(fù)責(zé)光學(xué)系統(tǒng)，法國負(fù)責(zé)機(jī)械和電控部分，夏威夷大學(xué)則承擔(dān)臺址和各種支持。觀測時間分配為加拿大和法國各占42.5%，夏威夷大學(xué)占15%。CFHT的觀測項(xiàng)目主要為類星體和河外星系，以及星際氣體和塵埃。

4.

GO

雙子座天文臺（Gemini Observatory ）于2000年由美國、英國、加拿大、智利、巴西和阿根廷合作，在夏威夷Mauna kea山上(海拔4213米)和智利的Cerro Pachon(海拔2722米）各建口徑8.2米的薄型望遠(yuǎn)鏡，分別稱為雙子北鏡和雙子南鏡，分別承擔(dān)北天球和南天球的深空探測。

5.

JCMT

詹·克·馬克斯威望遠(yuǎn)鏡（James Clerk Maxwell Telescope）由美國、加拿大和荷蘭合作建造，口徑15米，安裝在夏威夷Manua Kea 山上（海拔4092米）。JCMT由27塊加工精度優(yōu)于50 微米的金屬面板組成，每塊面板可以調(diào)節(jié)。為了防止溫度變化造成的鏡面變形，望遠(yuǎn)鏡放置于溫度可調(diào)的圓頂室中。JCMT是目前已建成的口徑最大的亞毫米波和紅外望遠(yuǎn)鏡。

6.

ALMA

阿塔卡瑪大毫米/亞毫米波陣（Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array）由歐洲、美國、加拿大、智利和東亞國家聯(lián)合建造。它由66個直徑為12米和7米的天線組成陣列，位于智利北部海拔5000米的沙漠中，其探測目標(biāo)為宇宙早期以及局部恒星和行星的形成。

第一排：左 阿爾貢坤射電天文臺（ARAO）的10.7cm太陽流量計；右 阿爾貢坤射電天文臺（ARAO）的46米射電望遠(yuǎn)鏡；第二排：左 渥太華河太陽觀測臺（ORSO）的色球望遠(yuǎn)鏡；中 阿爾貢坤射電天文臺的36面一維干涉儀（波長為10cm） ；右 渥太華河太陽觀測臺（ORSO）

筆者曾于1985～1986年，根據(jù)中國科學(xué)院與加拿大國家研究院之間的學(xué)者交換協(xié)議，到HIA與該所太陽物理學(xué)家V·Gaizauskas進(jìn)行合作研究。當(dāng)時HIA所本部仍在首都渥太華，HIA直轄的單位除了上述DAO、DRAO和CFHT外，還有位于加拿大東部森林中的阿爾貢坤射電天文臺（Algonqin Radio Astronomical Observatory,簡稱ARAO）和位于首都郊外的渥太華河太陽觀測臺（Ottawa River Solar Observatory簡稱ORSO）。ARAO有一臺1966年建成的直徑46米的射電望遠(yuǎn)鏡，是當(dāng)時世界上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡之一。它的工作波段為分米和厘米波，后來擴(kuò)展到毫米波段，主要用于觀測星際分子譜線，開展宇宙化學(xué)研究。他們曾發(fā)現(xiàn)了50多種星際分子，該領(lǐng)域的研究有可能對宇宙生命起源的探索做出貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)70年代建立的ORSO是加拿大的主要光學(xué)太陽觀測臺，位于渥太華河北岸的一個半島上，離市區(qū)30公里。該臺的主要設(shè)備是一臺完全自動化的高分辨率太陽色球望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡口徑25厘米，主光路中配備波帶寬度為±0.25埃的Hα濾光器，通過電腦控制可使通光波長在Hα±1.4埃的15個波長點(diǎn)之間來回掃描，從而取得準(zhǔn)同時性的Hα附近的多波段太陽單色像，主要研究太陽耀斑等活動現(xiàn)象。

當(dāng)時的HIA總部設(shè)有天文、行星科學(xué)、空間物理和光譜學(xué)共4個研究室。赫茲堡當(dāng)時已過了退休年齡，但是仍然堅(jiān)持每天上班，而且經(jīng)常是研究所里上班最早的一位。記得在1985年末的圣誕節(jié)晚會上，筆者走到他跟前向他致意，當(dāng)他得知筆者來自中國科學(xué)院后，談到有一位中國物理化學(xué)家名叫吳學(xué)周（吳學(xué)周院士曾任中國科學(xué)院上海物理化學(xué)研究所和長春應(yīng)用化學(xué)研究所所長），曾于20世紀(jì)30年代在德國與他一起研究自由基光譜和分子振動光譜。已獲諾貝爾獎的赫茲堡在HIA期間仍然勤奮工作，并且不斷取得新的成就，受到全研究所工作人員的敬仰和愛戴。赫茲堡于1999年3月去世，享年94歲。

（責(zé)任編輯 張長喜）

1. 中國國家天文，2012年11期14～22頁; 2. 中國國家天文，2012年11期56～59頁; 3. 天文愛好者，2013年8期80頁～83頁; 4. 2009，北京，科學(xué)出版社，第7頁中表列。