獨立思考是突破顏值文化的唯一出路
古哥古點 2015年11月30日
《粒子湯和五道口》
來自古哥古點
1932年，黑海通往土耳其海峽的水面上飄來了一只小船，船上坐著男女兩人。這是一對夫妻，他們正在從蘇聯(lián)逃往自由世界的冒險旅途上。船上擺著煮好的雞蛋、巧克力，還有兩大瓶對抗寒冷用的白蘭地。正在拼命劃船的女子名叫柳波娃·沃明澤娃，一旁是他的先生喬治·伽莫夫（GeorgeGamow），別看他此刻正面臨逃亡的窘促，但很快這個名字就會因大爆炸理論而震動世界。
伽莫夫是一個喜愛交際的烏克蘭人，從小便特立獨行。他用父親送給他的顯微鏡所做的第一件事竟然是去確認(rèn)東正教的圣餐究竟會不會轉(zhuǎn)變?yōu)槭ンw，在沒有看到任何的活細(xì)胞出現(xiàn)的跡象后，伽莫夫說“這是一項讓我成為科學(xué)家的實驗”。1923年，伽莫夫進入列寧格勒大學(xué)，老師就是最早提出廣義相對論膨脹宇宙解的弗里德曼。不過弗里德曼1925年就去世了，這讓原本希望在他的指導(dǎo)下完成博士論文的伽莫夫只好另擇導(dǎo)師。當(dāng)時的伽莫夫?qū)ε蛎浻钪娴葐栴}幾乎沒有興趣，他把精力放在了核物理上研究。27歲時，伽莫夫成功建立了原子核的α衰變理論，開始嶄露頭角。蘇聯(lián)《真理報》稱贊他用行動證明了“俄羅斯的土地上也能產(chǎn)生柏拉圖和牛頓。”
喬治·伽莫夫（George Gamow）
然而，能產(chǎn)生不見得能保有，伽莫夫?qū)τ诠伯a(chǎn)主義國家的厭惡日甚一日，他帶著妻子曾經(jīng)兩次劃船試圖逃離蘇聯(lián)，一次走南線的黑海，一次走北線的挪威，但均天氣惡劣而失敗。最后，他們還是借助出席布魯塞爾的索爾維會議的機會，從歐洲進入到美國。
就像伽莫夫的逃亡路線有一南一北的兩條一樣，人類認(rèn)知宇宙的道路也有一大一小兩條。此前的廣義相對論代表著認(rèn)識宇宙的宏觀路線，而對原子核的研究則開啟了通向大爆炸理論的微觀之門。擺在這個大門上的一把鎖就是元素豐度之謎。在宇宙中，按質(zhì)量計，氫元素約占74%，氦元素約占24%，其余元素相加約占2%。如果按原子數(shù)目計，氫和氦兩種元素更占據(jù)了宇宙原子總數(shù)量的99.9%。如此懸殊的元素分布究竟是如何形成的呢？
穩(wěn)恒宇宙學(xué)說對此的解釋非常簡單，宇宙一直就是這樣。這種話雖然沒毛病，但等于什么都沒有解釋！而按照勒邁特的太初原子分裂說，宇宙是從一個大原子經(jīng)過若干次的分裂誕生出來的，也就是說物質(zhì)粒子是從重到輕逐漸產(chǎn)生的，這就會帶來一個問題。既然粒子遵循由重到輕的生成順序，當(dāng)這個分解過程進行到某一步遇到了穩(wěn)定的元素之后，就應(yīng)該基本停止分解了，因為元素已經(jīng)穩(wěn)定的嘛！或者更準(zhǔn)確的說大部分的粒子應(yīng)該不再分解。在元素周期表中，最重的穩(wěn)定粒子是鐵，據(jù)此而論，宇宙當(dāng)中應(yīng)該充滿了鐵才對。為何是氫和氦占絕對優(yōu)勢呢？看來從重到輕的分解理論是不行的，從輕到重的合成順序才更加靠譜，因為從100%的氫元素出發(fā)，更容易解釋如今的90%的氫以及9.9%的氦的狀態(tài)。伽莫夫就是這么思考的。
宇宙元素豐度
1929年，弗里茨·豪特曼斯（Fritz Houtermans）寫下了一篇日記。“那天晚上，完成論文后，我和一個漂亮的姑娘約會散步。星星出來了！姑娘問它們是不是閃動的很美麗？我挺了挺胸，自豪的說，從昨天開始我已經(jīng)知道它們?yōu)槭裁磿W光了！”可能很多人有個感覺上的錯位之處，似乎人類對原子核的認(rèn)知進度要遠遠早于宇宙理論。其實不然，這篇1929年的日記已經(jīng)說明，就在大爆炸理論醞釀的同時，人們才剛剛開始意識到恒星內(nèi)部的核反應(yīng)機制。日記中提到的姑娘后來真的嫁給了豪特曼斯，但可惜他開創(chuàng)的恒星聚變理論卻并不確切，2個氫核聚變成1個氦核是不穩(wěn)定的，要達到穩(wěn)定態(tài)還欠缺2個中子，而中子要在3年后才會被查德威克發(fā)現(xiàn)。豪特曼斯的不幸還不止于此，和伽莫夫正好相反，他在1934年底從英國去往蘇聯(lián)，原因是受不了英國這個“腌土豆的國度”處處散發(fā)出來的羊肉的味道。結(jié)果是，這位被英國菜驅(qū)趕同時又被理想主義召喚的英雄在蘇聯(lián)被拘留起來。
弗里茨·豪特曼斯（Fritz Houtermans）
不過，物理學(xué)并不會被拘留，豪特曼斯之后漢斯·貝特（Hans Bethe）繼續(xù)深化恒星聚變理論，成功的找到了兩條可靠的合成路徑。身為核物理專家的伽莫夫當(dāng)然了解這些進展，但是當(dāng)他試圖用恒星內(nèi)部的氫氦聚變反應(yīng)機制解釋宇宙元素豐度問題時，卻遇到了一個根本性的困難。根據(jù)理論預(yù)測，太陽內(nèi)部每秒鐘將產(chǎn)生出5.8乘10的8次方噸氦，然后太陽已經(jīng)含有的氦高達5乘10的26次方噸，用現(xiàn)在的速度生成當(dāng)前的氦存量大約需要270億年，可幾年前哈勃剛剛給出的宇宙年齡僅為18億年，這該怎么解釋呢？伽莫夫只能做出一個推論，在太陽開始形成之前，已經(jīng)有大量的氦存在其中了。這些氦既然不來自于恒星燃燒，只能來自于宇宙的初始爆炸。而且，宇宙爆炸或許還可以彌補恒星聚變生成元素的另一個重大缺陷，就是如何合成更重的元素，這在恒星聚變工廠里是無法生產(chǎn)的。由此，伽莫夫開始轉(zhuǎn)向成為一名大爆炸理論的支持者。
漢斯·貝特（Hans Bethe）
伽莫夫很快發(fā)現(xiàn)當(dāng)時的自己處在一個既有利但又不利的局面。30年代末期，整個美國就他一個人在琢磨大爆炸問題。倒不是說就他一個人對此有興趣，而是其他的美國科學(xué)家都因為二戰(zhàn)的緣故被征調(diào)服務(wù)于戰(zhàn)爭。身為前蘇聯(lián)的紅軍軍官，伽莫夫因為身份可疑沒有被卷入這一進程，即使他已經(jīng)在蘇聯(lián)被缺席判定為死刑，依然沒人啟用他。他無人可討論問題，但也無人與之競爭。
伽莫夫研究大爆炸演化路徑的方式很簡單，就是逆向思考，正向推算。他設(shè)想既然宇宙向前追溯是在不斷地縮小，那么宇宙物質(zhì)的密度和溫度都將不斷升高。當(dāng)來到宇宙的初始時刻時，溫度和壓力必然達到了極端，此時的物質(zhì)粒子將呈現(xiàn)出不可分解的最基礎(chǔ)的形態(tài)。在當(dāng)時，物理學(xué)家所知的最基本的物質(zhì)粒子是質(zhì)子、中子和電子，自然伽莫夫就把初始宇宙想象為一鍋極端條件下的基本粒子湯。他把這一大堆的質(zhì)子、中子、電子還有大量的光稱為“Ylem”，這是他從韋氏大詞典中找到的一個古代英語生僻詞，意思就是“原始物質(zhì)”。隨著時間的延續(xù)和空間的膨脹，Ylem逐漸冷卻，粒子的結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，從原子核到原子，從輕元素到重元素，物質(zhì)就這樣被創(chuàng)造出來，所以剩下的工作就只是利用核物理知識，通過計算來模擬出這個冷卻合成物質(zhì)的過程。
伽莫夫定制的Ylem酒
這個聽起來似乎并不困難的計算模擬任務(wù)對伽莫夫來說卻是一個極大的困難。首先，他本人并不精于數(shù)學(xué)計算；其次，那個時候沒有計算機的幫助，所有的工作都需要手工完成，工作量極大；再者，算法的設(shè)計很復(fù)雜，因為宇宙每隔極小的時間步長就會膨脹很多，而一旦膨脹，密度和溫度都會迅速下降，這就改變了計算所處的環(huán)境，相應(yīng)的核物理的計算模型也需要做出切換。這種機制的調(diào)整是如此的頻繁而短促，模擬者必須做出精妙的安排才能得出結(jié)果。比如說，中子作為核反應(yīng)中最重要的參與成分直接影響模擬的結(jié)果，但是其數(shù)量在大爆炸過程中實在是難以琢磨。一方面，自由中子會衰變成質(zhì)子導(dǎo)致其數(shù)量下降，但同時又存在著一種依賴于溫度的核反應(yīng)會產(chǎn)生中子，這二者之間到底孰強孰弱，比例程度如何這都是難以處理的棘手問題。
1945年，伽莫夫終于找到了一位有力的助手，拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）。這位麻省理工學(xué)院的神童16歲時就獲得了競爭激烈的獎學(xué)金，但最終卻意外的因為猶太身份而落選。備受挫折的阿爾弗只好半工半讀，選擇在華盛頓大學(xué)的夜校延續(xù)自己的求學(xué)夢想，在那他遇到了自己父親的敖德薩同鄉(xiāng)伽莫夫。伽莫夫一眼就認(rèn)出了寶貝，他立刻把阿爾弗招收為博士生，讓他和自己一起研究宇宙的初始演化問題。
計算模擬的工作是艱難的，在接下來的3年中，師徒二人不斷的計算，討論，修正，再計算。他們最喜歡光顧的地方就是賓夕法尼亞大道上的一間叫做“小維也納”的小酒吧。漸漸的，阿爾弗開始相信他可以模擬宇宙在大爆炸開始后的幾分鐘里發(fā)生的一切，因為經(jīng)過調(diào)整后的模型所給出的氫氦元素的比例已經(jīng)和實際觀測結(jié)果越來越趨向一致。這無疑是大爆炸理論自哈勃紅移被發(fā)現(xiàn)的又一次重大進展。
αβγ論文三作者
1948年4月1日，伽莫夫和阿爾弗的這份成果即將在著名的《物理評論》雜志上發(fā)表。伽莫夫可能有一種組合強迫癥，就是格外的希望自己所在的小組具有某種特殊的姓名學(xué)上的巧合或者暗示。在蘇聯(lián)的時候他和朗道等幾位同事就被稱作三劍客?，F(xiàn)在他一想，自己的名字叫做Gamow，聽起來像希臘字母Gamma，阿爾弗的名字聽起來像希臘字母Alpha，如果再能湊出一個Beta豈不是太完美了嗎。為了找這個Beta，伽莫夫甚至考慮了好幾個月，最后他邀請自己的好友，發(fā)現(xiàn)恒星內(nèi)部核聚變路徑的漢斯·貝特在論文上署名，貝特就是那個Beta。就這樣，物理學(xué)上著名的αβγ論文誕生了，雖然中間的β在這篇論文中什么也沒做。但沒想到的是，γ的這個做法讓α心生不快。阿爾弗認(rèn)為憑空加入貝特會讓自己的貢獻看起來失去應(yīng)有的比例，所以他和老師有了一點小別扭。最后還是伽莫夫用一瓶定制的印有Ylem標(biāo)簽的美酒和阿爾弗化解了心結(jié)。
αβγ論文有力的解釋了宇宙豐度之謎當(dāng)中的第一個問題，為什么氫和氦包括它們的同位素會占有如此之高的比例，但是對于第二個問題，更重的元素是如何產(chǎn)生的，它卻沒有給出解答。這也成了反對大爆炸理論的人們最主要的反擊點?？雌饋?，在伽莫夫和阿爾弗的宇宙湯設(shè)定下是不可能合成出更重的元素的，因為元素在向上跳躍的系列臺階中有一道難以逾越的缺口，這就是質(zhì)量數(shù)的5道口之謎。中子和質(zhì)子質(zhì)量基本相等，統(tǒng)稱為核子，其質(zhì)量數(shù)均是1。氫原子有1個質(zhì)子，也即1個核子；氫的同位素氘有1個質(zhì)子+1個中子，核子數(shù)是2；氫的同位素氚是1個質(zhì)子+2個中子，核子數(shù)為3；氦元素是2個質(zhì)子+2個中子，核子數(shù)是4。再向上，到了5核子的時候，這種原子核會因為極端不穩(wěn)定而在事實上不存在。所以核子數(shù)為5的重核就成了質(zhì)量數(shù)階梯上的一道口子。
αβγ論文
有人可能會說，難道元素爬樓梯還非得一層層的向上嗎？不可以跳躍嗎?？梢蕴S，但遺憾的是，兩種最容易實現(xiàn)的跳躍方案都有各自的困難。一種是讓一個氦核在同時吸收到一個中子和一個質(zhì)子變成6核子的穩(wěn)定鋰元素。然而中子和質(zhì)子同時擊中一個原子核的概率實在太低，在短暫的大爆炸核聚變時間窗口內(nèi)很難出現(xiàn)。另一種方案是讓兩個氦核經(jīng)過碰撞組合為一個8核子的重核，但它同樣不穩(wěn)定不可能持續(xù)存在。總之，伽莫夫等人的理論解釋不了元素合成是如何越過五道口的。
面對這一困難，阿爾弗和另一位年輕的同事羅伯特·赫爾曼（Robert Herman）稍稍把問題的思考方向轉(zhuǎn)了一個角度。αβγ論文研究的是宇宙最開始的幾分鐘甚至一小時之內(nèi)發(fā)生的事情，在這個階段原子核開始形成。然而一小時之后又會發(fā)生什么呢？要知道此時的宇宙溫度壓力條件雖然不再滿足核聚變的要求，但是仍有100萬度的高溫和極高的密度。電子還不能和原子核組成原子，物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)，后續(xù)的宇宙演化同樣值得研究。阿爾弗他們把新的時間推算節(jié)點設(shè)定在了宇宙溫度降低到恰好允許等離子體凝固為原子的時刻，這個凝固溫度大約是3000度，而宇宙通過膨脹下降到這一溫度的時間大約是30萬年，這就是宇宙的等離子體窗口期?？赡艽蠹視鲆晞偛沤榻B伽莫夫原始宇宙湯模型時所說的一句話，Ylem里面除了一鍋粒子還有大量的光。宇宙創(chuàng)造之初確實是一片光的海洋，在等離子窗口時期同樣延續(xù)著。阿爾弗和赫爾曼注意到，這些光是混亂的，因為在等離子體中充滿了帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子，光極易與帶電粒子相互作產(chǎn)生散射，所以這個階段的宇宙會像牛奶一樣明亮耀眼但完全不透明?？墒钱?dāng)宇宙的生命來到300萬年時，等離子體幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)樵?，光線不會與中性原子作用，因而它們不再會來回的碰撞而是四下徑直的沿直線散開，這個過程直到如今。從300萬年到現(xiàn)在，宇宙又膨脹了許多倍，這些最初四下飛散的光線會因空間膨脹而發(fā)生波長的巨大改變，從初始的千分之一毫米增加為1毫米。這個波長下它已經(jīng)不再是肉眼可見的光而是一種微波。大爆炸留下的這種在宇宙空間處處存在的微波遺跡就是著名的宇宙微波背景輻射。
伽莫夫、阿爾弗和赫曼創(chuàng)意演示三個人從Ylem魔瓶中被放出來
阿爾弗和羅伯特的這一發(fā)現(xiàn)的重要性甚至超過了αβγ論文，因為αβγ論文里面要證實的宇宙元素豐度分布是在各元素豐度數(shù)據(jù)已知的前提下進行的理論解釋，這被很多批評者指責(zé)為先射箭后畫靶。這種挖苦當(dāng)然是沒有必要的，因為任何一個新理論都得先能解釋已有的事實再說，但僅僅能解釋過去肯定是不夠的，它還必須能夠做出某種未知的預(yù)言去交由實際檢測。宇宙深空中無處不在的那些被抻長了波長的原始的光就是大爆炸理論做出的預(yù)言，如果這些光不存在，大爆炸理論就會面臨崩潰的境地。
然而我們這里給出的對于αβγ論文還有預(yù)測微波輻射存在的論文的評價其實都有點事后諸葛亮的意思，因為在這些論文當(dāng)年發(fā)表的時刻，學(xué)術(shù)界的真實反應(yīng)是沒有多少人關(guān)注這些成果。阿爾弗、伽莫夫他們雖然能給出分析和預(yù)測，但是他們并沒有能力通過天文觀測證實自己的預(yù)言，這必須借助天文學(xué)家還有電磁波研究者的幫助才可以完成。阿爾弗后來回憶說：“我們花了大量精力來討論這項工作，沒有人響應(yīng)，沒有人說這是可行的。”
這個小組受到冷遇的另一個原因或許是伽莫夫本人的風(fēng)格所致。眾所眾知，伽莫夫是一個天才的科普高手，他寫的《物理世界奇遇記》妙趣橫生。這個特長可以通過一個小段子鮮明的凸顯出來，伽莫夫宣稱上帝住在離地球9.5光年遠的地方，怎么算出來的呢？因為在1904年日俄戰(zhàn)爭俄國戰(zhàn)敗后，俄羅斯各地的教會紛紛祈禱上帝希望日本得到報應(yīng)，結(jié)果這份報應(yīng)一直到1923年日本關(guān)東大地震才姍姍來遲，報應(yīng)的時延乘上信息傳播的光速就是9.5光年。這種有趣而幽默的方式當(dāng)然會伸手普通讀者的歡迎，可是作為嚴(yán)肅的科技工作者，大家或許覺得伽莫夫并不夠認(rèn)真，從而也就沒有認(rèn)真的對待他的工作成果。1953年，伽莫夫、阿爾弗還有赫爾曼團隊正式散伙。
羅伯特·赫爾曼（Robert Herman）
物理學(xué)界有一個保持的很好的研究風(fēng)格是不能只批評對手，還得建設(shè)自己的學(xué)說。當(dāng)大爆炸理論提出的檢驗項目因技術(shù)困難遭受冷遇時，它的批評者們沒有閑著。他們懂得必須要改進穩(wěn)恒宇宙理論去解決自身存在的重大缺陷才可以更好地立足，在這一點上，另一位擅長公眾傳播的科學(xué)家將把穩(wěn)恒宇宙理論帶到一個新的高度。
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書名：《大爆炸簡史》
作者：西蒙·辛格
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