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创世五分钟 精选

已有 4115 次阅读 2021-8-13 23:33 |系统分类:人物纪事

创世五分钟

1948年4月14日,《华盛顿邮报》在头条发布:五分钟创造了世界。两天后又刊登了一幅漫画,这幅漫画出自美国著名漫画家赫伯特·布洛克,漫画中原子弹也在思考世界创生于五分钟的问题。从原子弹的邪恶表情可以推测,或许它也在想自己可以在五分钟内摧毁这个世界。报道引发了科学界和公众们的热议,大大地提高了阿尔弗、贝特和伽莫夫的知名度。

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这一报道起因于4月1日发表在《物理学评论》上的一篇论文,论文的题目是:化学元素的起源。作者是阿尔弗,贝特和伽莫夫。这篇论文就是研究宇宙元素起源的著名α-β-γ文章。


这篇博文打算谈一下这段历史故事。

 

故事的主人公叫乔治·伽莫夫。伽莫夫是美籍乌克兰裔的著名科学家,1904年出生于敖德萨,早年在敖德萨的新罗西亚大学学习时就以雄心勃勃的年轻物理学家而闻名。1923年,他到列宁格勒大学读研究生,师从亚历山大·弗里德曼。后者是能理解爱因斯坦相对论的为数不多的几个人之一,他给出了爱因斯坦宇宙学方程的一个解,首次提出宇宙膨胀理论。伽莫夫在读研期间有幸得到去德国哥廷根参加一个暑期学校的机会,在聆听卢瑟福的报告后对新发展的原子核物理产生了兴趣。他首先把量子力学知识应用到α衰变研究,解释了α衰变的机制,在核物理学领域做出了世界级的发现,并险些因此获得诺贝尔物理学奖。暑期学校之后,伽莫夫绕道哥本哈根去见玻尔,并留在那儿从事核物理研究。回国时,苏联国家级报纸《真理报》为他献上了一首诗:“一位苏维埃学者向西方表明,苏联的土地上也能够产生自己的柏拉图和才思敏捷的牛顿。”然而,习惯了西方科研模式的伽莫夫却对苏联的学术生活产生了不满。1933年,他借索尔维会议的机会带妻子逃离苏联,并与1934年入职华盛顿大学。


1938年人们对恒星的了解还不充分,尤其不知道恒星长期持续发热发光的能源来自哪里。伽莫夫和他的助手泰勒(氢弹之父)在华盛顿大学举办了一个恒星能源研讨会,专门邀请贝特参加以解开恒星能源的秘密,后者因此获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

 

在这之后,伽莫夫的兴趣转移到了原子核的形成过程研究,试图解释当时观测到的宇宙元素丰度,每1万个氢原子对应于1千个氦原子,6个氧原子和1个碳原子。在此之前,勒梅特提出宇宙起源于一个质量巨大的原始原子。在某一时刻,这个原始原子分裂成许多碎片,每个碎片有分裂成更小的碎片。伽莫夫是核物理的专家,他曾帮卢瑟福设计加速器,在伽莫夫回苏联之后。柯克罗夫特-沃尔顿建成了国际上首座直流高压加速器,以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶,得到α 粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应,柯克罗夫特和沃尔顿因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。根据伽莫夫对原子核的理解,质量超大的原子核是极不稳定的,很快会分裂成质量较轻的原子核。然而,根据估算,这种分裂将停止最稳定的原子核上。因为铁族原子的平均结合能最大,分裂的结果将导致一个以铁为主的宇宙。这显然与现实状况不符,因此伽莫夫认为勒梅特的宇宙模型是错误的。


抛弃了勒梅特自上而下的方法后,伽莫夫转而采用一种自下而上的策略。即从氢原子开始,产生宇宙中所有的原子。伽莫夫推测,要想让氢原子转换成氦等较重的原子,必须找到一个温度很高的地方。只有在高温、高密的条件下,原子核才能在足够的热运动能量下相互靠近,使熔合反应得以发生。恒星是可能的一个核合成场所,但伽莫夫认为,恒星中的核合成将受到两个限制。首先,恒星中的氦产生率非常慢,拿太阳为例,每秒钟产生5.8×108吨氦。这看起来已经很多了,但要产生太阳中目前含有的5×1026吨氦,需要270亿年,这要比哈勃当时给出的宇宙年龄(20亿年)要大上十多倍。第二个限制是恒星中没有自由中子,很难产生比氦重的元素。

 

伽莫夫根据宇宙现在的样子,平均密度大约是每1000个地球体积中1克物质。利用哈勃对宇宙膨胀的测量结果,并倒拨时钟使宇宙收缩。伽莫夫发现随着宇宙的收缩,密度和温度都会增大,在宇宙收缩成很小的体积时,也能达到核反应需要的环境温度。

 

伽莫夫研究宇宙核合成模型的第一步是假定极早期宇宙的极端高温会将所有物质都破碎成最基本的物质形式。因此他假设宇宙的初始成分被分离成质子、中子和电子。它们都是当时物理学家所知道的最基本的粒子。他称这种混合为“伊伦(YLEM)”——他在韦氏词典中偶然查到的一个词。这个已废弃的中古英语单词的意思是“构成元素的原始物质”。伊伦确切地描述了伽莫夫所需要的滚热中子、质子和电子汤。

 

从这锅热的、致密的汤出发,伽莫夫试图将时钟慢慢地向前拨,来搞清楚基本粒子是如何开始粘在一起形成我们今天所熟悉的原子核的。不幸的是,当他开始计算可能发生的核反应后,伽莫夫被面前巨大的工作量阻遏住了。他是能应付一组特定条件下发生的核反应的计算,但问题是膨胀的宇宙是不断变化的。在某一时刻,宇宙有一组确定的温度、密度和粒子组合,但一秒钟后宇宙已经膨胀了,导致温度变低,密度变小,粒子组合已稍有差别,具体变化由可能已经发生的核反应而定。伽莫夫努力进行着核反应的计算,但进展甚微。他是个伟大的物理学家,但数学计算却是他的弱项,核反应计算超出了他的能力。而且当时计算机还没有得到有效运用,他面临的是一种绝望的困境。

 

1945年,伽莫夫将一个名叫拉尔夫·阿尔弗的年轻学生招至麾下。伽莫夫遇到了阿尔弗,让他眼前一亮。一种可能是因为阿尔弗的父亲也来自敖德萨,老乡见老乡两眼泪汪汪,乡亲之情油然而生。伽莫夫承认,阿尔弗是数学天才,对细节看得很准。相比之下,他自己的数学可谓蹩脚而且处理得草率。他立即将阿尔弗招收为他的博士生。伽莫夫让阿尔弗去着手解决早期宇宙中的核合成的问题,并把自己的研究资料和思想方法提供给这位学生。

 

他们将具体的物理应用到以前十分模糊的宇宙膨胀理论上,试图用数学模型来刻画早期宇宙的条件和事件。他们估计了初始条件,并通过运用核物理定律来观察宇宙是如何随时间演化的,以及核合成的过程是如何取得进展的。随着逐月过去,阿尔弗越来越确信他可以精确模拟宇宙创生之后最初几分钟时氦的形成过程。阿尔弗估计,在大爆炸核合成阶段的末期,差不多每10个氢核可生成1个氦核,这与天文学家对当今宇宙的观测结果十分吻合。当他发现他的计算与实际紧密一致时,他的信心得到了增强。这一结果是自哈勃观察和测量星系的红移以来宇宙学研究取得的第一次重大胜利。

 

为了宣布这一突破,伽莫夫和阿尔弗将他们的计算结果和结论写成一篇题为“化学元素的起源”的正式论文提交给《物理评论》杂志。文章定于1948年4月1日出版,也许正是这个日子促使伽莫夫做了一件他已经独自考虑了好几个月的事情——将汉斯·贝特的名字加入到作者名单里。伽莫夫和汉斯·贝特是亲密朋友,贝特以其在恒星核反应领域的工作而闻名,因此伽莫夫想在文章的作者中加入贝特的名字,尽管他并没在这个特殊的研究报告中做出什么贡献。伽莫夫添加这个名字的动机是,读者可以从文章的作者列表上得到一种视觉享受——阿尔弗、贝特和伽莫夫,各人姓氏发音特别像alpha(α),beta(β)和gamma(γ)。


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为了庆祝论文的发表,阿尔弗偷偷地做了一组幻灯片。在其中一张画面上,伽莫夫像一个跟着原始粒子汤一起从瓶子里逃出来的精灵。当他1949年在洛斯阿拉莫斯国家实验室做报告时,这个画面突然出现在屏幕上,这让作为听众的伽莫夫十分惊喜。

 

阿尔弗的博士论文答辩计划于1948年春季举行,这种论文答辩通常是公开进行的,但它通常不像一场体育活动那样对公众那么有吸引力,观众往往是朋友、家属和一些对此特别感兴趣的学者。然而这一次,“一位27岁的新手取得了一项重大突破”的消息已经传遍了整个华盛顿,阿尔弗发现自己是要在300多人(包括记者)的听众面前进行答辩。他们聚精会神地听着一系列莫名其妙的问题和阿尔弗给出的更加神秘的回答。在答辩行将结束时,评审专家们充分相信阿尔弗应当被授予博士学位。

 

参加答辩会的记者们特别注意到阿尔弗的一个评论——氢和氦的原初核合成只发生在最初300秒时间内。于是这句话就成了未来几天美国报纸上的头条新闻。《新闻周刊》则在4月26日发表了一个故事,但将时间尺度拉长到其他种类原子的创生:“根据这一理论,所有元素都是在一个小时之内创生于一锅原始流体,然后组成我们今天所见的恒星、行星和生命的物质。”

 

这篇α-β-γ文章火了,成为核天体物理学研究的一篇经典论文,阿尔弗也因此多次获得诺贝尔物理学奖提名。




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