伽莫夫和他的《从一到无穷大》(二）

杨天林

在华盛顿大学，伽莫夫的研究兴趣主要集中在原子核物理和天体物理学领域，这期间，他与曾在列宁格勒大学求学时的同学朗道（Lev Davidovich Landau，1908-1968）合作，提出根据恒星表面存在的锂元素丰度推知其内部温度的假说，与匈牙利裔美籍物理学家爱德华·泰勒（Edward Teller，1908-2003）合作，研究了红巨星内部的核反应和能量释放，此后几年，伽莫夫继续研究原子核的量子理论，并提出了原子核的液滴模型和β衰变的伽莫夫-泰勒选择定则。后来与同事一起提出某些恒星内部的核反应会产生大量的中微子和反中微子，它们的突然逸出导致巨额光能的瞬间释放，这一过程对于解释超新星爆发提供了一种非常好的思路。

从1945年开始，伽莫夫把研究目光转向了宇宙学，宇宙学是将宇宙作为一个整体来考察，主要研究其结构、运动、起源和演化。宇宙学与广义相对论有密切关系，早在1917年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）在论文“根据广义相对论对宇宙学所作的考查”中建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型，这是现代宇宙学早期理论的重要基础，1922年，弗里德曼通过求解爱因斯坦的引力场方程，论证和提出宇宙随时间而膨胀的可能性，5年后比利时天文学家乔治·勒梅特（Georges Henri Joseph Éduard Lemaître，1894-1966）也通过求解爱因斯坦的引力场方程得出了我们的宇宙正在随时间而膨胀的结论。在天文观测方面，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）在1929年发现了著名的“哈勃定律”，即河外星系的视向速度与其距离存在正比关系，“哈勃定律”是后来宇宙大爆炸理论最重要的实验支撑。1930年，英国天文学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1882-1944）认为这种现象就是非静态宇宙的膨胀效应，2年后勒梅特推测，宇宙早期处于极端稠密的状态，他把它称为“原始原子”，1948年，伽莫夫进一步发展了勒梅特关于宇宙正在随时间而膨胀的思想，正式提出后来被称为“大爆炸”的宇宙起源和演化理论，这标志着现代宇宙学翻开了新的一页。

这期间伽莫夫发表了题为“膨胀宇宙与元素起源”的论文，伽莫夫在论文中指出，不断膨胀的宇宙生成的高密度自由中子持续地复合出各种核素，此后又通过β衰变转变成各种不同的原子核，这篇详细分析化学元素起源与宇宙早期膨胀关系的论文理所当然地成为热大爆炸宇宙学思想的重要基石。

论文《The Origin of Chemical Elements》首页

1956年，伽莫夫在“膨胀宇宙的物理学”一文中清晰地描述了宇宙从原始高密状态膨胀和演化的概况，此后他主要侧重于教学和前沿科学及其学术思想的公众传播，但从现代宇宙学发展史的角度看，伽莫夫及其主要合作者已经基本建成了大爆炸宇宙学的主要框架。“Big Bang”这个英文名称是英国天文学家弗雷德·霍伊尔（Sir Fred Hoyle，1915-2001）创造的，他是大爆炸宇宙学的反对者，霍伊尔的“Big Bang”最初带有嘲弄和调侃的意思，后来却歪打正着地在学术界得到了广泛流行，直到今天。

宇宙：从源头到未来

1964年，美国贝尔实验室的科学家彭齐亚斯（Arno Penzias，1933-）和威尔逊（Robert Wilson，1936-）意外地发现了温度为3K的宇宙微波噪声（即宇宙微波背景辐射），微波背景辐射是与宇宙演化理论关系密切的另一个最重要的天文观测结果，它和哈勃定律告诉我们，宇宙一直膨胀到现在，它的剩余温度正好是3K（摄氏负270度），这一发现为热大爆炸宇宙理论提供了直接的定量支持。后来，先后有4人由于在宇宙微波背景辐射领域的研究而获得诺贝尔物理学奖，包括彭齐亚斯和威尔逊（1974年获诺奖），如果伽莫夫还活着，他也一定会获得同一奖项。

在伽莫夫的诸多贡献中，最无可争议和影响最大的应该是大爆炸理论的创立，作为著名物理学家，伽莫夫在核物理学、天体物理学和宇宙学方面取得成绩似乎不足为奇，因为有很多理论物理学家都在这些领域做出了卓越贡献，但非常罕见的是伽莫夫还在分子生物学领域做了开创性的工作，这在很大程度上要归功于他的好奇心。十分难得的是，他还把自己的好奇心延申到了科普读物的传播中，因发现DNA双螺旋结构而获得1962年诺贝尔生理学或医学奖的美国生物化学家沃森（James Dewey Watson，1928- ）曾这样评价伽莫夫：“一个从原子跳到基因、又跳到宇宙空间旅行的大顽童，他在这个过程中总是能找到自己的乐趣。”

伽莫夫摆弄DNA模型

伽莫夫的前半生是苏联人，后半生成了美国人，所以我们看到的对他的介绍通常说他是“美国核物理学家和宇宙学家”，他是宇宙大爆炸理论的重要拓荒者。