创造:创造五分钟

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2023-03-0504:27:21 评论 6

1948年4月14日,《华盛顿邮报》在头条发布:五分钟创造世界。两天后,美国著名漫画家赫伯特著名漫画家赫伯特的漫画·漫画中的原布洛克也在思考世界在五分钟内创造的问题。从原的邪恶表情可以推断出来,也许它也认为它可以在五分钟内摧毁世界。该报告引发了科学界和公众的热烈讨论,大大提高了阿尔弗、贝特和伽莫夫的知名度。

华盛顿邮报评世5分钟

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。本文以研究宇宙元素起源而闻名α-β-γ文章。

这篇博文打算讲这个历史故事。

故事的主角叫乔治·伽莫夫。伽莫夫是美籍乌克兰裔的着名科学家,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,他去了列宁格勒大学读研究生,师从亚历山大·弗里德曼。后者是为数不多的能理解爱因斯坦相对论的人之一。他给出了爱因斯坦宇宙学方程的解决方案,并首次提出了宇宙膨胀理论。伽莫夫有幸有机会去德国哥廷根上暑期学校,并在听取卢瑟福的报告后对新发展的原子核物理感兴趣。他首先将量子力学知识应用到他身上α解释了衰变研究α衰变机制在核物理学领域取得了世界级的发现,几乎获得了诺贝尔物理学奖。暑期学校结束后,伽莫夫绕道哥本哈根去见玻尔,留在那里做核物理研究。回国后,苏联国家报纸《真理报》给他献上了一首诗:一位苏维埃学者向西方表示,苏联的土地也可以产生自己的柏拉图和敏捷的牛顿。然而,习惯了西方科研模式的伽莫夫却对苏联的学术生活不满。1933年,他借索尔维会议带妻子逃离苏联,1934年加入华盛顿大学。

1938年,人们对恒星了解不够,尤其是恒星长期持续发热发光的能量。伽莫夫和他的助手泰勒(氢弹之父)在华盛顿大学举办了恒星能源研讨会,邀请贝特参加1967年诺贝尔物理学奖,以解开恒星能源的秘密。

之后,伽莫夫的兴趣转移到原子核的形成过程研究中,试图解释当时观察到的宇宙元素丰度,每1000个氢原子对应1000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高质量的原子。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。伽莫夫是核物理专家,他在伽莫夫回到苏联后帮助卢瑟福设计了加速器。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质子束轰击锂靶,获得α 颗粒与氦的核反应试验。柯克罗夫特和沃尔顿在1951年获得诺贝尔物理奖,这是历史上第一次人工加速粒子的核反应。根据伽莫夫对原子核的理解,超大质量的原子核极不稳定,很快就会分裂成质量较轻的原子核。然而,据估计,这种分裂将停止最稳定的原子核。由于铁族原子的平均结合最大,分裂的结果将导致一个以铁为主的宇宙。这显然与现实不符,所以伽莫夫认为勒梅特的宇宙模型是错误的。

伽莫夫放弃了勒梅特自上而下的方法后,采取了自下而上的策略。也就是说,从氢原子开始,宇宙中所有的原子都会产生。伽莫夫推测,为了将氢原子转化为氦等较重的原子,必须找到温度较高的地方。只有在高温、高密度的条件下,原子核才能在足够的热运动能量下相互,从而发生熔合反应。恒星是核合成的可能场所,但伽莫夫认为恒星中的核合成将受到两个限制。首先,恒星中氦的产生率很慢,以太阳为例,每秒产生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,比哈勃当时给出的宇宙年龄(20亿年)大十多倍。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。

根据宇宙的现状,伽莫夫的平均密度约为每1000个地球体积中的1克物质。利用哈勃对宇宙膨胀的测量结果,倒拨时钟收缩宇宙。伽莫夫发现,随着宇宙的收缩,密度和温度都会增加,当宇宙收缩成一个小体积时,核反应所需的环境温度也会达到。

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伽莫夫研究宇宙核合成模型的第一步是假设极早期宇宙的极高温会将所有物质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发现了一个词。废弃的中古英语单词是指构成元素的原始物质。伊伦准确描述了伽莫夫需要的热中子、质子和电子汤。

从这锅热而致密的汤开始,伽莫夫试图慢慢地向前拨动时钟,找出基本粒子是如何开始粘在一起形成我们今天熟悉的原子核的。不幸的是,当他开始计算可能的核反应时,伽莫夫被面前巨大的工作量所阻止。它可以计算出在特定条件下发生的核反应,但问题是膨胀的宇宙不断变化。在某个时刻,宇宙中有一组确定的温度、密度和粒子组合,但一秒钟后宇宙膨胀,导致温度变低,密度变小,粒子组合略有差异,具体变化取决于可能的核反应。伽莫夫试图计算核反应,但进展甚微。他是一位伟大的物理学家,但数学计算是他的弱点,核反应计算超出了他的能力。而且当时计算机还没有有效使用,他面临着绝望的困境。

1945年,伽莫夫叫拉尔夫·阿尔弗的年轻学生招至麾下。伽莫夫遇见了阿尔弗,让他眼前一亮。一种可能是阿尔弗的父亲也来自敖德萨,老乡看到老乡泪流满面,村民的感情油然而生。伽莫夫承认阿尔弗是数学天才,对细节非常准确。相比之下,他自己的数学很差,处理得很匆忙。他立即招募阿尔弗为他的博士生。伽莫夫让阿尔弗开始解决早期宇宙中的核合成问题,并向学生提供他的研究材料和思想方法。

它们将具体的物理应用到以前非常模糊的宇宙膨胀理论中,试图用数学模型描绘早期宇宙的条件和事件。他们通过使用核物理定律来估计初始条件,观察宇宙是如何随时间进化的,以及核合成过程是如何取得进展的。随着月球的流逝,阿尔弗越来越相信他能在宇宙创造后的头几分钟准确模拟氦的形成过程。阿尔弗估计,在大爆炸核合成阶段结束时,几乎每10个氢核就能产生一个氦核,这与天文学家对当今宇宙的观测结果非常一致。当他发现自己的计算与现实紧密一致时,他的信心增强了。这是哈勃观察和测量星系红移以来宇宙学研究的第一次重大胜利。

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起源的官方论文,并提交给《物理评论》杂志。文章定于1948年4月1日出版。也许正是这一天促使伽莫夫做了一件他已经独自考虑了好几个月的事情——汉斯·作者名单中加入了贝特的名字。伽莫夫和汉斯·贝特是亲密的朋友,贝特以在恒星核反应领域的工作而闻名,所以伽莫夫想在文章的作者中加入贝特的名字,尽管他在这份特别的研究报告中没有做出任何贡献。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中获得视觉享受——阿尔弗、贝特和伽莫夫,他们的姓氏发音特别相似alpha(α),beta(β)和gamma(γ)。

阿尔弗创作的科普图片

为了庆祝论文的发表,阿尔弗偷偷制作了一组幻灯片。在其中一张照片中,伽莫夫就像一个从瓶子里逃出来的精灵,跟着原来的粒子汤。1949年,当他在洛斯阿拉莫斯国家实验室做报告时,这张照片突然出现在屏幕上,这让观众伽莫夫大吃一惊。

阿尔弗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的,但它通常不像体育活动那样吸引公众。观众通常是朋友、家人和一些对此特别感兴趣的学者。然而,这一次,一名27岁的新手取得了重大突破的消息传遍了整个华盛顿。阿尔弗发现他想在300多名观众(包括记者)面前辩护。他们聚精会神地听着阿尔弗给出的一系列莫名其妙的问题和更神秘的答案。在答辩行结束时,评审专家完全相信阿尔弗应该获得博士学位。

参加答辩会的记者特别注意到,阿尔弗的评论——氢和氦的原始核合成只发生在前300秒。所以这句话成了未来几天美国报纸上的头条新闻。4月26日,《新闻周刊》发表了一个故事,但将时间尺度延长到其他原子的创造:根据这一理论,所有元素都在一小时内创造在一锅原始流体中,然后形成我们今天看到的恒星、行星和生命物质。”

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