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《柔软的宇宙:第13章 核火球》




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亿万先生 科普

更新时间:2017年8月11日

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        1932年,《自然》杂志上刊登了一篇文章,叫做《中子可能存在》,作者是查德威克。远在法国的约里奥-居里夫妇两口子看到这篇文章,估计会懊恼不已,因为查德威克做的实验,就是他俩以前做过的“石蜡实验”的翻版:用“铍射线”照射石蜡,会从中敲出质子。他俩觉得这是稀松平常的事情,不值得注意,白白放过了一个重要成就。居里家族是个声名显赫的家族,老一代皮埃尔·居里和玛丽·居里是科学界的有名的夫妻诺贝尔奖获得者,他们的女儿依琳和约里奥结婚以后,把两家的姓氏合在一起,姓“约里奥-居里”。居里家族都是实验物理学家,做实验的本事堪称一绝,经常一不留神就触动其他科学家做出重大贡献。查德威克就是受益于约里奥-居里夫妇,一看到约里奥-居里夫妇发表的论文,两眼开始发出异样的光芒。这种中性射线,正是他寻找多时的东西——“中子”。假如原子核是质子组成的,那么为什么正电荷与原子核的质量并不成正比呢?必定是有某种质量和质子不相上下,但是却有不带电的粒子掺和在里面。查德威克在约里奥-居里夫妇实验的基础上更进一步研究,果然发现了中子。查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖,有人提议应该要捎带上约里奥-居里夫妇,三人分享。评审委员会主席一锤定音,查德威克独享,约里奥-居里夫妇没份儿。同年,约里奥-居里夫妇获得了诺贝尔化学奖,表彰他们在人工放射性元素方面的成就。个中缘由,你懂的。

        1934年,在美国工作的兹威基和巴德讨论了超新星爆发的问题。两个人一直对超新星爆发特别感兴趣,他们始终搞不清楚那么大的爆发,能量是从哪里来的?一颗普普通通的恒星,怎么会突然亮到白天都可以看到?公元1054年,中国天文学家就记录到突然出现一颗“客星”,在二十三天的时间里白天可见,之后二十二个月里,夜间还可以看到,然后才隐匿不见了。这是一条非常可信的记录,人类历史上肉眼可见的这种超新星现象,不过才六次而已。正巧查德威克发现了中子,兹维基毫不客气地把中子纳入到了自己的构想之中,他在猜想这一场大爆炸以后,到底会剩下什么。这一年,巴德和兹威基在《物理评论》上发表文章,认为超新星爆发可以将一个普通的恒星转变为中子星,而且指出这个过程可以加速粒子,产生宇宙线。但是,他们并不是第一个想到中子星这个概念的,最先想到的是苏联人。苏联科学界也对中子的研究很关注,伊万年科就提出:原子核是中子和质子构成的。朗道是苏联物理学界的天才,放眼世界,大约只有泡利的气焰比他嚣张。他早就预言:会存在一种天体,由“密度与原子核相当”的物质构成,朗道认为这种物质是可以扛住引力稳定的存在。当时他的想法是很难推销出去的,因为天文界没看见过这种玩意,物理学界也对此不感冒,所以关注的人不多。

        朗道声称每个恒星中心都有一个“中心核子”,他把天体想象成大号原子了。朗道设想:天体中心存在着“违反量子力学的病态区域”,可以把质子和电子拧在一起,表现就像是一个粒子。为了扩大宣传效果,朗道扯开嗓门大喊,他这个理论可以解决“恒星塌缩”和“恒星能源”两大问题。现在看来,朗道所说的“密度与原子核相当”的物质就是中子,中子的确可以通过硬把电子压进质子生成出来,但是压力必须大得惊人才行。他所说的恒星内部都有“中心核子”并不靠谱,现在我们发现某些超级“虚胖”的红巨星内部的确可能有个中子星的核,但是太阳大小的恒星显然没这种可能,“违反量子力学的病态区域”显然也是夸张之词,天才的朗道心里也未必不清楚。炒作从来不是网络时代的专利,科学家也是有七情六欲的人,你懂的。况且,苏联的国内形势不妙,自己名气越大,头顶上光环越多,那么自己也就越安全。他的论文寄给了玻尔,希望玻尔推荐投稿给《自然》杂志。玻尔与他心有灵犀,当天就回了信,苏联国内的《消息报》盛赞了朗道的成就,朗道的光环果然多了一层,这能保护他多久?其实也顶不了几年。朗道首先涉及了“中子星”的问题但是当时这并不是大家关注的重点。几十年后,中子星被发现,宇宙中的确存在这么奇怪的天体,朗道的设想得到了证实。当然,历史也不会忘记另外一个人,那就是钱德拉塞卡。七十三岁的钱德拉塞卡终于获得了诺贝尔物理学奖,表彰他在物理学上的贡献。白矮星的确并非是所有恒星的归宿,大于1.44个太阳质量的白矮星根本坚持不住,会继续塌缩下去,一般来讲会变成中子星,中子星正是朗道最先描述和预言的,依靠中子简并力而存在。中子星的密度大得惊人,达到了每立方厘米八千万吨到二十亿吨左右,在宇宙中是密度最大的天体之一,芝麻粒大小的物质,就超过了地球上所有船舶
的运输能力,可见密度有多大。

        中子简并也不是无限大的,也有扛不住的极限。而中子星的质量上限在哪里呢?这引起了一个美国人的注意,这个年轻人叫奥本海默,他来到欧洲求学,毕竟那时候欧洲的物理学水平高于美国。他一开始找英国剑桥大学卡文迪许实验室的卢瑟福,但是卢瑟福没收他,后来卢瑟福的老师汤姆逊倒是把他收下了。彼时汤姆逊年事已高,而且社会活动极多,还是把奥本海默推给了卢瑟福去带。卢瑟福学生一大堆,照顾不过来,让奥本海默的大师兄布莱克特带着他,布莱克特与奥本海默关系不睦,闹得水火不容。后来奥本海默发现,还是理论物理更适合他,正好可以摆脱烦恼的人际关系。于是他离开英国的剑桥大学,去了德国量子物理的重镇哥廷根大学,拜到玻恩老师的门下。仅仅一年,奥本海默就拿到了博士学位,可见他也是个天才,找对了方向就能闪出耀眼的光芒。奥本海默一辈子没拿过诺贝尔奖,但是他的水平绝不比许多诺奖获得者差。一个人的学术水平一般来讲是他周围圈子的平均值,前面所述,奥本海默碰到的人全是诺奖获得者,包括跟他不睦的大师兄布莱克特,环境对人的影响不容小视。

        奥本海默用广义相对论计算一个不转动的球体引力场,然后再计算中子的物态方程,计算出了一个极限——中子星的质量上限,不超过0.75个太阳质量,这个结果当然是不对的。目前看来,奥本海默极限还不是很确定,一般取1.5-3倍太阳质量。有人认为也许存在比中子星更加致密的“夸克星”,不过一般认为,超过奥本海默极限,将没有任何力量能扛住引力,只有一直塌缩下去。

        那时候的欧洲是理论物理学水平最高的地方,量子领域以哥本哈根理论物理研究所名气最大,玻尔老师为大批青年科学家提供了优越的工作交流环境。哥廷根大学也能与之分庭抗礼,玻恩老师手下也有很多精兵强将。此外还有德国的慕尼黑、荷兰的莱顿、奥地利的维也纳、瑞士的苏黎世、意大利的罗马等等一系列学术中心,欧洲大陆之外就只有英国可以并驾齐驱。欧洲是个令人向往的圣地。美国人奥本海默来了,苏联人卡皮查、朗道、伽莫夫来了,印度人拉马努金、拉曼、钱德拉塞卡来了,日本的长冈半太郎和仁科芳雄也来了,中国留学法德的不计其数,有一位长相敦厚的革命家在哥廷根盘桓了许久,他叫朱德。朗道,伽莫夫,伊万年科号称“三剑客”,是苏联物理学界的新星。二十来岁的朗道显示出日后一代宗师的风范,但是二十世纪的三十年代初期是暗流涌动的年代,整个世界政局动荡,说到底还是经济危机给闹的。


        1933年,那个矮个子的“卫生胡”,一战之中深受毒气伤害而幸存下来的传令兵希特勒早已今非昔比。他在老总统兴登堡的钦点之下,一跃成为德国总理,纳粹势力已经开始掌权。到了1934年,苏联国内也不太平,斯大林开始了大清洗,五位元帅,他枪毙了三位,被捕被杀的人不计其数。伽莫夫倒是嗅觉灵敏,提前一年就开溜,借着出国访问的机会,一去不回头了。他1933年在巴黎的居里研究所工作,1934年去了美国。伽莫夫和朗道都在欧洲求学多年,与欧洲的各大科学机构都有联系,他们都在玻尔的哥本哈根理论物理研究所深造过,别看时间不长,朗道后来倒是很愿意称自己是玻尔的学生。1938年4月,一辆小轿车停在朗道家门口,几个肃反人员带走了朗道,朗道的助手也被逮捕了。他的顶头上司——著名物理学家卡皮查当天就写信给斯大林,说二十九岁的朗道是天才的理论物理学家,任何人都无法代替,他年轻气盛,一定是有人陷害他。卡皮查后来求爷爷告奶奶,斯大林身边的人物他求了个遍,给贝利亚写信,给莫洛托夫写信。恰好这时候发现了液氦的“超流”现象,卡皮查写信给莫洛托夫,说超流这种现象非常奇怪,非要道这种天才才能研究出来。国外的玻尔也写信给斯大林求情。最后折腾了一年,朗道幸运地被放出来了,人已经十分憔悴。卡皮查以阖家性命担保朗道,朗道也感激卡皮查的救命之恩。

        当然,大清洗的高潮早已经过去,1938年已经接近尾声了,如果是在最严酷的年代,朗道可能要麻烦得多。后来朗道的声望如日中天,苏联国内该拿的荣誉一个都没少,出版文集的时候。他把与伊万年科合作的五篇全都删掉了,对伊万年科十分轻蔑。为什么?难道是与当年的牢狱之灾有关?你猜吧,天知道!伽莫夫因为一去不回,被苏联科学界除名,“三剑客”早已分道扬镳。苏联这边一场大风暴刚刚趋于平静,德国那边又起波澜。1938年11月9日,爆发了历史上臭名昭著的排犹事件,一大批人涌上大街,凡是犹太人的窗子全部被砸掉,犹太人的财产全部被打砸抢。

        一整夜,玻璃碎裂的声音和大火的“噼啪”声不绝于耳,其间还夹杂着妇女儿童的哀鸣。事情的起因是一名犹太人在德国驻巴黎大使馆打死了使馆秘书,希特勒趁此机会借机发难。戈培尔阴险地宣称:夜里会发生不测事件。果然,这天夜里,一帮暴徒们冲上街头打砸店铺,把犹太人的产业尽数砸光。一时间,许多建筑被点燃,浓烟滚滚,烈焰飞腾,约二百六十七间犹太教堂、超过七千间犹太商店、二十九间百货公司遭到纵火或损毁,奥地利也有九十四间犹太教堂遭到破坏。11月10号清晨,大街上满是碎掉的玻璃,在旭日照耀下格外刺眼。这一夜被称为“水晶之夜”,犹太人大祸临头。

        爱因斯坦早就看到苗头不对,1933年纳粹一上台,他就宣布不再回德国。没多久,他的家产房子就被查抄。许多德国科学家都对纳粹没啥好感,比如普朗克就是如此,希尔伯特也不喜欢纳粹,但是纳粹狂热在知识分子中间也一样不能避免。1933年秋天,有九百六十位教授在著名的存在主义哲学家海德格尔、亿万先生史学家平德尔、医学家沙尔勃鲁赫教授这些学界名流的带领下,公开宣誓支持希特勒与纳粹政权。后起之秀、大物理学家海森堡也拥护纳粹,为纳粹工作,后来他和其他拥护纳粹的物理学家一起参与了制造原子弹。自那之后,德国犹太人一天比一天惨。1939年,德国并吞了整个捷克斯洛伐克,紧接着就突袭波兰,第二次世界大战开始了。仅仅一个月,波兰亡国,速度快得让人吃惊。德国开始横扫西欧,下一步是打丹麦和挪威,然后集中力量对付法国、比利时、荷兰。一年的时间,整个西欧尽入希特勒的囊中。潮水般的欧洲犹太人涌向英国美国,其中很多人是科学家、文学家、亿万先生家。欧洲大陆作为世界文化与思想的中心断崖式跌落谷底,大批优秀人才开始往新大陆迁移。

        丹麦被占领,玻尔就陷入了险境。因为很多欧洲的犹太人学者都是通过玻尔的途径离开德国的。氢弹之父爱德华·泰勒是匈牙利犹太人,本来在海森堡手下工作,纳粹一上台,他就在犹太人援助委员会的帮助下离开了德国,在英国待了一阵子就到了哥本哈根玻尔那里,两年以后,去了美国。好多人都是拿玻尔那里当做中转站的,海森堡与他有师生情谊,自然还能有些关照。彼时海森堡已经是希姆莱手下的红人,时常穿着党卫军服招摇过市。他去见过一次玻尔,但是已经话不投机,这两位伟大的量子力学开创者,曾经亲密的师生变成了陌路人。

        因为玻尔帮助大批犹太人逃了出去,免于被送进毒气室,即便有海森堡关照,纳粹也不能放过玻尔。形势越来越危险,1943年,在抵抗组织的帮助下,他先是逃到了瑞典,瑞典是中立国,跟英国还有秘密的来往。后来玻尔再次出逃,据说是一架蚊式轻型轰炸机带着玻尔飞到了英国。途中他还晕过去了,因为他没带氧气面罩。还有种说法是他是藏在炸弹仓里飞去英国的,假如飞行员不小心按错按钮,他就有被当炸弹扔出去的危险。

        玻尔后来和查德威克一起去了美国,给原子弹工程当顾问,直接参与了原子弹工程。爱因斯坦也是美国政府的顾问,不过他这种自由奔放无拘无束的人是不适合参与一项庞大的工程的。负责这个工程的首席科学家,正是奥本海默,这个家伙既有科学水平,又有团队管理能力,是个不可多得的复合型人才。

        爱因斯坦落脚在了普林斯顿,同去的还有冯诺依曼、图灵、哥德尔等一系列的顶尖学术大师。爱因斯坦最喜欢和小他二十七岁的哥德尔边走边谈,散步回家。我们可以想象,两位大师站立在夕阳中的背影,那真是一道绝美的风景。哥德尔是数学界的一个里程碑,他的“哥德尔不完备定理”贡献不仅仅震动了数学界,也让哲学界吃不消。后来哥德尔相应爱因斯坦的号召,开始研究广义相对论,得出了一个奇葩的结论叫做“闭合类时线”,通俗点讲,就是“时光机”。由此引出了一个出名的逻辑问题叫做“外祖母悖论”。无数物理学家们想尽办法阻止这东西出现,可是这东西时不时就能冒出来,科幻作家们倒是开心得不得了,时光机是他们的最爱嘛。

       爱因斯坦的余生就在普林斯顿度过,到美国以后的主要论文都是与助手一起合作的。他与助手搞出了好几项成就,比如爱因斯坦-罗森桥,引力波以及EPR问题。爱因斯坦-罗森桥可以认为是第一次发现了时空穿越的可能性,但是这个途径是堵死的。引力波倒是实实在在的成就,情节大翻转也颇有戏剧性。至于EPR问题,则是隔着大西洋与玻尔打笔墨官司。薛定谔看到论文以后不由得倒吸一口凉气,一个词脱口而出——“量子纠缠”。老爱这几个成就虽然比不上年轻时的锋芒与锐气,倒也还是显示出姜是老的辣。即便是反对玻尔,也能体现出超一流的水准,犯错误都能犯得潇洒帅气。

        爱因斯坦经常去海边度假。这一天,有几个不速之客来访,他们都是来自匈牙利的犹太人,为首的是西拉德。1938年是核物理的关键年,西拉德就是首先发现核裂变链式反应的人之一,一个书斋里的科学成就,迅速就体现出巨大的军事价值,制造原子弹从原理上讲是可行的。他们到了美国以后,想来想去坐立不安,海森堡可是了解一切的,偏偏他投了纳粹。他们急匆匆给爱因斯坦送来了一封信,希望他签名。爱因斯坦看了一眼,主要的意思是提醒罗斯福总统要关注原子弹。爱因斯坦没有犹豫,抬手就签上了自己的名字。这封信后来促成了美国的原子弹工程,前来拜访的这几个人后来都参与了核武器的研制。进门拜访爱因斯坦的不算是最狠的角色,开车带他们来的那位才是真正的狠角色,他就是氢弹之父爱德华·泰勒。

                          图13-6 阿拉莫戈多的核试验

        原子弹工程极大地促进了核物理的发展,科学界从此进入了大工程时代。你想凭着在自己的实验室里鼓捣出世界级的成就,看来是没机会了。到了1945年,第一颗原子弹顺利地在新墨西哥州的沙漠里炸响(图13-6),在场观看的奥本海默引用印度教经典《薄珈梵歌》中的句子“比一千个太阳还亮”来形容原子弹爆炸的壮观场景,“日出”被人类抢先了。接下来,两颗原子弹扔在了日本,天皇宣布投降,太平洋战争结束。

        原子弹的巨大威力震惊了世人,美国事后发布的公告里有几句话,在物理学家们听来显得意味深长:“这是一枚原子弹,它驾驭的是宇宙间的基本力量,太阳从中获得能量的那种力量,我们把它释放出来对付那些在远东发动战争的人……”

        宇宙间的基本力量?在伽莫夫听起来别有一番滋味。早年在苏联红十月炮兵学校当过上校教官的经历使他无缘参与机密的原子弹工程,但是他对核物理非常关心。早在1928年,他就研究过原子核的α衰变理论,后来在1936年和泰勒一起搞过β衰变的研究。1938年,他开始转向天体物理学,研究恒星演化问题和恒星的核能源机制。核爆炸放大到宇宙级别,这不就可以解释宇宙起源的问题吗?这是宇宙间的“基本能量”啊!1948年伽莫夫发表了《宇宙的演化》和《化学元素的起源》等文章,提到了一个核火球的模型:宇宙的早期是一个温度非常高的状态,这个原始的核火球“砰”地一下炸开,不断地膨胀,从而形成我们今天见到的这个宇宙。

       看起来,伽莫夫的理论和我们前文提到过的弗里德曼和勒梅特的理论很像对吧?道理很简单,伽莫夫曾经是弗里德曼的学生,老师的东西,学生当然很熟悉。勒梅特神父得知伽莫夫提出的火球模型以后,也非常支持伽莫夫。如果说,宇宙演化在弗里德曼和勒梅特手里还只是个初步数学模型,还只不过是方程式的一组奇怪的解,那么到了哈勃观察到哈勃红移以后,就已经是摆在科学家面前的一个实实在在的问题了,宇宙演化问题将无可回避。宇宙到底是如何演化的?在伽莫夫的努力下,弗里德曼和勒梅特单薄的理论开始变得丰满起来。

        伽莫夫做了几个预言,首先是宇宙元素组成的问题。现在宇宙中的大部分元素都是氢和氦,别的元素只占个零头都不到,为什么氢和氦这么多呢?氢和氦的比例为什么是现在这个样子呢?按照伽莫夫的理论,都能做出比较合理的解释,一个理论仅仅能解释看到的问题,那是不能使人信服的。因此伽莫夫提出了一个预言:那一场爆炸在经过那么多年以后,还会剩下略微的余热,温度不会降低到绝对零度。按照热力学原理,高于绝对零度的物质都会发射出电磁波,现在的余热应该还剩下那么一点点的电磁信号。伽莫夫假定宇宙年龄三亿年,算出来余温应该是50K。当然,他的计算并不算准确,只是个大略的计算。同一年,阿尔弗与赫曼就计算出了余热应该是大约5K的温度,换算成摄氏度是-268℃。后来又有很多人计算这个温度,但是大家算出来的数值都不是太一致,用大天线来搜寻这个信号,但是也都没有什么靠谱的结论。

        伽莫夫生性幽默,比较喜欢开玩笑,他在写《化学元素的起源》这篇文章的时候,玩了个“行为亿万先生”:他觉得自己的名字发音比较像希腊字母“γ”,合作者阿尔弗的名字比较像希腊字母“α”,他们的同事恰好有一个人名字叫做贝特,他在恒星能源方面做了很大的贡献,名字发音像希腊字母“β”。伽莫夫拉他入伙打酱油,最后大家署名“α、β、γ”,估计杂志社编辑吓一跳,真没见过这么署名的。到了1956年,伽莫夫发表了《膨胀宇宙的物理学》,更加细地描述了宇宙从原始的高密度状态演化和膨胀的整体概貌。他得出结论:“可以认为,各种化学元素的丰度,至少部分是由在膨胀的很早阶段,以很高速率发生的热核反应来决定的。”

        伽莫夫的主要侧重点是在宇宙中的元素分布上。我们知道太阳系中最多的物质是氢,其次是氦,这哥儿俩占了总量的绝大多数。按照质量来计算氢占了75%,氦占了23%。因为氦原子比较重,按照质量来计算,氦账面上稍微好看一点。假如按照原子个数来算,氦比氢差了一个数量级。其他的元素就更加不堪,上百种元素加在一起,也只占了不到2%。如此悬殊的比例是怎么造成的呢?随着对恒星的研究越来越深入,大家已经基本上搞清楚了恒星内部发生着什么样的核反应,伽莫夫他们就是搞这个出身的。归根到底,恒星的能量是氢聚变称氦的过程中释放出来的,恒星释放出来的能量与产生的氦之间有固定的比例关系。

        太阳释放出来多少能量呢?你看看照耀到地面的太阳光就能反推出来。地球接受了太阳光能的二十二亿分之一嘛!计算出地球一年接受了多少太阳光的能量并不难,平均下来大约每平方米是1367瓦的功率,黑子比较多的年份浮动大约1%,反推一下就可以知道太阳的总功率,乘以时间就是总能量。太阳在五十亿年的时光里,产生的能量折算成氦产量仅仅占了总量的5%,太少了。太阳是不是个典型的恒星呢?这话可就两说了,好在我们可以直接去估算银河系发出的总能量,大大小小稀奇古怪的天体全算在一起平均化了,应该是很有代表性的。一百亿年以来,银河自打形成到现在,产生的氦只占了1%,可是宇宙里面观察到了23%的氦。那些多余的氦是从哪里来的呢?元素的比例成了一个未解之谜。

        恒星里面氢要演化成为氦,需要有一个质子变成中子的过程。氢仅含有一个质子,并没有中子存在,氦里面有中子,氢要想变成氦,那就先要弄出中子来才行。那么只有依靠β衰变,质子扔出一个正电子和一个中微子才能变成中子,两个氢原子核(质子)变成一个氘核。这个过程是个弱相互作用过程,速度极慢,一颗质子平均要等待10 9 年才能融合成氘,因此我们的太阳烧了那么多年也没烧光。氘核和氢核变成一个氦3原子核,氦3原子核再变成普通的氦,这么多年下来,产生的氦也只有那么一点点。

        因此宇宙中如此之多的氦,必定不是恒星内部生成出来的。伽莫夫他们必须找到一个办法,能够迅速产生大量的氦。这样的相互作用必定不是弱相互作用,而是有其他的来源。宇宙诞生之初的那个核火球倒是一个很好的解释途径,伽莫夫他们把整个宇宙当做一个绝热系来考虑,可以用热力学来描述。我们通过简单的热力学可以知道,绝热状态下,你去压缩气体的话,气体温度会升高。相反,你让气体膨胀,温度会降低,就用这个原理来计算宇宙的变化过程。我们现在不妨把宇宙当做是个均匀的气体来对待,这样就可以反推宇宙的诞生过程。当初宇宙诞生的那一时刻,已经不可考证了,因为那时候已知的物理规律全部完蛋,但是在那之后的一段时间,倒是可以用物理学规律去描述。伽莫夫关注的就是宇宙诞生以后三分钟的事儿。宇宙随着体积的膨胀,已经从无穷高的温度降下来了,温度大约是十亿度,在十亿度的高温下,物质将会是个什么状态呢?有没有人知道呢?当然有人知道,伽莫夫的好友泰勒就在为这事操心,别忘了泰勒正在担纲领衔为美国研制氢弹,十亿度,大概就在氢弹爆炸需要掌握的温度范围之内。泰勒固然不能泄密,但是学术交流总能透露出来一点半点。

        十亿度的高温之下,并不存在各种元素,仅仅存在质子和中子的混合流体,还有大量的高能光子窜来窜去,质子和中子都要遭受数以亿计的光子轰击。偶尔一个质子和一个中子因为强相互作用而结合成为氘核,也会被高能光子无情地打碎。中微子也在到处乱跑,这玩意可以导致质子和中子之间互相转换,那个场景就是个分分合合,变来变去的平衡态。这种平衡态,是可以用玻尔兹曼分布来计算中子与质子的比例的。宇宙仍然在不断地膨胀,温度也随之降低,随着温度的降低,一切趋向固化,中微子已经不再起作用了。质子已经没办法再变成中子,但是中子还会发生衰变,变成质子,同时释放出一个电子和一个中微子。中子要是没有被束缚住,是非常不稳定的,大约一刻钟时间就衰变了。好在宇宙诞生也不过才三分钟,那时候中子大量存在,只要中子和质子结合成原子核,就不会再衰变了。多亏那时候保存下了大批的中子,否则我们的宇宙就无法形成那么丰富的化学元素。考虑到落单中子衰变的因素,最后经过修正计算,算出来大约中子与质子的比例是1:7。氢不含有中子,氦含有中子,通过质子与中子的比例,可以计算出足够生成
多少氦,最终结果大约是1:4的样子,这与观测到的数据23%是大差不差的。

         质子与中子结合形成氘核是强相互作用,速度很快,从氘核变成氦,也是强相互作用,因此也很快,基本上是瞬间搞定。伽莫夫认为所有元素都是这么搞出来的,但事实上不是这样。宇宙最初只产生了几种稳定的原子核,氢核只不过是个最简单的质子,复杂一点的是氘:一个质子一个中子。氦是两个质子两个中子,还有一定数量的氦3——两个质子一个中子。氦和氦3组合成了铍7,这个铍7不稳定,衰变成了锂。氦也可以跟氚直接合成锂。氢、氘、氦、氦3、锂,这几种都是稳定的不带放着性的原子核,一直留存到了今天。大家在享受轻便的锂电芯带来的充沛电量的时候,可要知道其中一部分锂元素是宇宙诞生之初的无偿馈赠哟!

        温度降到一亿度以下,原子核不再发生变化了,但还是一个充满高温等离子体的环境,物质与光子之间还在不断地起纠葛,光子没办法痛快地跑路。现在的太阳核心大约就是这种情形,温度大约两千万度。光子从太阳核心跑到表面,本来两秒钟就跑完了,但是一路上遇到高能带电粒子的不断纠葛,磕磕碰碰要随机拐上千亿个弯,足足花上五千年的时间才能走到太阳表面,就像穿过拥挤不堪的人群那样费劲。两千万度况且如此,更别提一亿度高温的宇宙初期了。

        宇宙继续膨胀,温度继续降低,与那最初三分钟相比,这个时间就显得漫长多了。大约三十八万年之后,宇宙终于清明了,电子与原子核终于可以结合成中性的原子,再也没人阻挡光子,光子畅快地在宇宙中穿行,随着宇宙的不断膨胀,波长也不断地被拉长。到现在为止,应该还剩下微弱的电磁信号,这就是宇宙诞生之初的第一缕光——微波背景辐射。伽莫夫预言,这缕微光必定是能探测到的,不久以后就应该能观察到。哪知道这一等就是好多年。

        伽莫夫他们的理论可以解释宇宙中元素的比例为什么是现在这个样子,而且可以预言微波背景辐射的存在,这在宇宙学的研究史上非常重要。从弗里德曼到勒梅特再到伽莫夫,他们这一脉的理论在当时远远突破了一般人的思维。自然有人不买账,英国的霍伊尔就是一个,他也是个非常优秀的天体物理学家,早在二战时期,霍伊尔和他的小伙伴们就开始琢磨宇宙是如何存在到今天的。到二十世纪六十年代,英国的金斯提出另一个概念,认为假设宇宙中不断产生新物质,在符合哈勃定律与广义相对论的前提下,宇宙仍然可能保持稳定。

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