无问西东：徐遐生和他的科学遗产
林潮 毛淑德 郑晓晨 ｜ 撰文
2023年4月22日，著名美籍华裔天体物理学家徐遐生 (Frank Hsia-San Shu，1943-2023) 在美国加州的家中溘然长逝，亲朋故旧环绕，享年79岁。
这位在星系结构和恒星形成领域产出诸多开创性成果的杰出科学家虽已辞世，却贡献了极其丰富的科学遗产，包括大量颇具原创性和深刻见解的科学工作。他所著的两本天文类书籍甚至成为范本教科书，引领一批批年轻人踏上了仰望星空之路。徐遐生晚年致力于新能源技术的研究，以期应对全球性气候危机，这对于一位专注于天体物理一辈子的科学家来说，无异于开辟了人生的第二个战场。2009年，因为对于理论天体物理学的突出贡献，他被授予了有“东方诺贝尔奖”之称的邵逸夫天文学奖。同年，太平洋天文学会为他颁发了天文学界最重要的荣誉之一——布鲁斯奖 (Catherine Wolfe Bruce Gold Medal)，肯定了他的终生成就。
1943年，徐遐生出生于中国南方的一座著名城市——昆明。恰逢二战，硝烟遍地，许多大学为了躲避战火的波及撤离到了昆明，彼时的西南联大成为众多知识分子们的世外桃源，这其中就包括徐遐生的父亲，著名的数学家、工程师徐贤修 (Shien-Siu Shu) 先生。徐遐生六岁时，他的父亲获得了美国印第安纳州西拉斐特普渡大学 (Purdue University) 数学系的教职，阖家得以移民美国。此后，徐遐生在美国中西部度过了自己的童年岁月。
徐遐生很早就对数学和物理展露出了强烈的兴趣，由于成绩优异，他被马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院破格录取，成为该校物理学专业有史以来年纪最小的本科生（之一）。在麻省理工学院就读期间，他遇到了他的启蒙导师林家翘 (Chia-Chiao Lin) 先生，开始了盘状星系的动力学研究。
图2：旋涡星系M51和它的伴星系。徐遐生和林家翘共同提出了旋臂结构的密度波理论。图源：NASA
1963年，徐遐生从麻省理工学院毕业，前往剑桥市的哈佛大学攻读天文学博士学位，与林家翘的合作仍得以延续。基于波动力学，二人共同建立起了系统的密度波假说，即将盘状星系中的旋臂结构解读为一种旋涡状的波现象，本质可归为物质（恒星和气体）在低引力势旋臂区域的流进和流出（图2）。虽然波动图案如何放大至星系尺度的旋臂结构仍然是一个颇富争议的课题，但密度波理论至少基于第一性原理出发，合理地解释了盘状星系的旋涡特性。不仅如此，许多天体，包括星系盘、双星、环绕年轻恒星的原行星盘乃至于土星环，它们的引力稳定性以及结构问题都可与密度波理论挂钩。
徐遐生的许多工作都聚焦于基础性的理论研究，虽然密度波理论令他声名大噪，但恒星形成才是他的关注重点。在他看来，恒星不仅是质点，也是光点。正是那些巨大的OB型恒星，在光学和紫外线波段熠熠生辉，照亮了盘状星系的旋臂结构（图 2）。
1968年，博士毕业的徐遐生来到位于纽约市的石溪大学(Stony Brook University)，开始带领团队研究由密度波引发的激波如何将弥漫的恒星介质压缩成为更致密的巨型分子云，而这一过程往往与恒星形成密切相关。期间，徐遐生还曾与荷兰格罗宁根大学(University of Groningen) 的射电天文学家合作，为密度波理论寻求进一步的观测实证。
1973年，徐遐生入职加州大学伯克利分校，此后，他开始关注单颗恒星的形成，这也是他后来最负盛名的研究领域之一。当时，有关恒星形成，科学界已达成基本共识，认定致密的星际气体分子云是恒星诞生的摇篮，而分子云的冷却和自引力坍缩构成了恒星形成的基本图景。不过，这种模型很理想化，但具体形成细节大家还知之甚少，尤其当天文学家开始利用高精度、大口径地面望远镜，结合哈勃等太空望远镜，特别是太空红外探测器，绕过地球大气层，直接观测恒星形成区时，发现恒星诞生的环境其实相当复杂，不仅有湍动的气体，无序的磁场，还有强烈的喷流。
为了弥补理论与观测的差异，填补恒星形成的空白细节，徐遐生和他的合作者们不得不直面一系列引力坍缩过程中的障碍，比如角动量和临界磁场之类的关键性问题。
图3：恒星形成过程示意图。图源：Merel van ‘t Hoff
考虑到年轻的恒星盘在宇宙中随处可见，徐遐生提出了普适理论框架，即为标准的“四相”图模型（图3）：
首先，在引力、磁场以及湍流的共同作用下，弥散的星际介质中部分分子云区域形成致密的团块；
随后，致密的分子云团块在自引力作用下塌缩，气体快速旋转下落，涡动成盘，质量聚集于中心区域形成原恒星；原恒星周围强烈的磁场环境将进一步扰动周边气体，并将部分气体喷射出去，形成可观测到的喷流现象；
最后，通过动量传递，阻止更进一步的气体补充，新恒星诞生，周边环绕的残留气体将成为孕育行星的原行星盘。
这一图景即为现在被奉为圭臬的恒星形成标准模型。该模型不仅将理论和观测紧密关联，更是在后续获得了不少独立的观测实证，例如在原初陨石中发现的放射性遗迹很可能是初生太阳耀斑时期的产物。随着现有空间探测能力的极大提升，尤其在韦布太空望远镜的加持下，未来，我们有望进一步验证并完善整个恒星形成模型（图4）。
图4：NGC 346是近邻星系中最为活跃的恒星形成区之一，韦布望远镜的最新观测数据将为早期恒星形成提供新视角。图源：NASA, ESA, CSA, STScI, A. Pagan (STScI)
尽管部分理论假设尚存争议，但徐遐生的科学成就毋庸置疑。在研究上，他总是见解独到，思维活跃，果断地引入基本概念，摸索观测背后的可能真相。同时，他也是一位高产、优质的作家。除了众多高被引论文外，他于1982年撰写的《物理宇宙》(The Physical Universe)，堪称天文学的入门级教科书，两卷《天体物理学》(The Physics of Astrophysics，1991-1992) 已然成为广大天文学专业本科生乃至研究生群体的必读教材。
1994年至1996年期间，徐遐生担任美国天文学会主席。时值东亚区域天文学蓬勃发展的阶段，他积极推动了两地的合作与交流。在他的大力促成下，率属于台北“中央研究院”的天文与天体物理研究所成立。2002年，徐遐生追随其父亲的脚步，遴选成为新竹国立清华大学校长，而他的父亲徐贤修先生曾于1970年至1975年间担任该职。
2006年，已逾花甲之年的徐遐生选择回到美国加州大学圣地亚哥分校，并于2009年成为该校的名誉教授。在人生的最后十几个年头里，仰望了几十年星空的他开始着眼于脚下的地球，关注气候危机，研究如何使用熔盐反应堆从核废料中提取能量，并将废弃的生化物质转化为可以封存的惰性产品，研究如何从大气中去除碳。即便在生命的最后阶段，他还在病痛中坚持撰写一本名为《科学的故事》(The Story of Science) 的教科书，计划面向本科生，讲述科学如何支撑人类进步，以及人类在应对气候变化时的经验教训。遗憾的是，这本书尚未面世，徐遐生已驾鹤西去。
那些不能忘却的纪念
林潮
和徐兄的初识可以追溯到上世纪七十年代，在英国剑桥大学的某次学术会议上。彼时，我还在求学阶段，而徐兄早已因密度波理论声名鹊起。可能因为年岁相差不大，志趣相投，也可能因为他童年来美的船只与襁褓之中随父母寻根的我曾在太平洋上擦肩而过的渊源，我们一见如故，相谈甚欢。他如同一位热心的兄长般鼓励还处在学生时代的我，鼓励在科学研究的道路上一定要有独立思考的能力，大胆创新的魄力，尊重客观现象的态度和挑战一切权威的勇气。相识半个世纪来，我们既是无话不谈亲密无间的好友，也是在天文研究上并肩前行的同道中人。在频繁的学术探讨中，有过完美的合作，也有过激烈的争辩，有时相互启发，有时彼此更正，在探索中相携前行。
二十年前，他积极推荐并说服我参与北京大学科维理天文与天体物理研究所的筹备与建立，旨在为迅速崛起的中国天文搭建一个国际化的学术交流平台，以国际至高水准推动基础科学研究在中国的发展，他本人亦兢兢业业地担任了顾问委员会成员。但是，搭桥建梁毕竟非一日之功，文化的壁垒，复杂的人事，此间艰辛，难以一一细表，在我犹疑间，他曾效仿三国诸葛赠予我三个锦囊以在一筹莫展的时刻能助我度过困境。后来，研究所成功启动，如今已经成为培养具备国际化视野的天文人才的重要平台，储备着那些代表中国天文未来希望的星星之火，他这个拾柴人功不可没。时过境迁，多年后，我打开锦囊，发现所谓的三个锦囊都空无一物，方才恍然大悟：行事为人本来就没有什么锦囊妙计，这不过是他给我的定心丸！
毛淑德
和很多天文人一样，引导我跨入天体物理学大门的第一本书正是由徐先生所著的那本厚厚的《物理宇宙》。多年后，有幸在清华大学高研院偶遇徐先生，时值徐先生的导师兼合作者林家翘先生恰从麻省理工学院退休，回到清华大学创建了周培源数学中心。谈及这段渊源，徐先生表示能作为我的天文引路人很是开心。
虽然交集不多，但在我心中，徐先生堪称一位真正儒雅的学者，无问西东。无论在西方学术界，还是跨文化交流中，他都如鱼得水、游刃有余。同时，骨子里又承继了中华文化中的“忠孝”基因，无论对于父辈还是师长都十分之恭顺，这或许也是徐先生选择步其父后尘担任新竹清华大学校长的原因之一。在任新竹清华大学校长期间，徐先生曾多次到访（北京）清华大学，北京大学，南京大学，国家天文台等兄弟单位，大力支持中国天文学的国际化发展路线。惊悉徐先生辞世后，清华大学第一时间向徐先生的亲属发去了唁电：“先生严谨求实、宽厚待人的大师之风将永久嘉惠学林，先生之名将与浩瀚宇宙中众多清华之星相映成辉。”
徐先生的一生，从学者到校长，从天体物理到核物理、新能源，从伯克利 (UC Berkeley) 到圣地亚哥(UC San Diego)，行事果决雷厉风行，永远试图在有限的生命里尝试新的可能。如今，我辈之楷模徐先生千古，愿徐遐生先生风范长存，一路走好！
林潮，加州大学圣克鲁斯分校天体物理学教授；清华大学高等研究院杰出访问教授。
毛淑德，清华大学天文系教授、主任。
郑晓晨，北京天文馆副研究员。
Nature 618, 237 (2023)，doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01831-2
欢迎关注我们，投稿、授权等请联系
微信扫码关注该文公众号作者