《一路走來的宇宙 06》

在勒梅特提出宇宙大爆炸理論的同時代以及以後的許多年裏，物理學界還有與之競爭的其它理論，比如穩態宇宙理論。大爆炸理論的確立和發展完全得益於一個富有個性和傳奇色彩的人和一個意料之外又情理之中的觀測發現。伽莫夫於1904年出生在烏克蘭的敖德薩，曾經師從弗裏德曼。年輕的伽莫夫因為核物理學的卓越研究嶄露頭角，聲名鵲起。他在二十八歲時入選蘇聯科學院院士，儼然是一顆冉冉升起的新星。但是，伽莫夫無法忍受當時被政治意識形態抑製的學術環境，決心離開蘇聯。1932年，伽莫夫和妻子曾經嚐試劃皮劃艇橫渡黑海到土耳其。盡管計劃周密，但是因為海上惡劣的天氣，兩人掙紮了三天後隻好折返。後來，伽莫夫夫妻兩人又嚐試穿過北冰洋到挪威，也因為天氣原故沒有成功。到了1933年，伽莫夫以參加索爾維物理學會的名義離開蘇聯，去往比利時。在歐洲輾轉一年後，兩口子從歐洲來到了美國。大概這個時候，蘇聯在伽莫夫缺席的情況下以叛逃罪判了他死刑。

伽莫夫從弗裏德曼那裏了解到勒梅特的宇宙理論。因為他在太陽核物理學的經驗和背景，伽莫夫很自然地將核反應概念運用到早期宇宙的研究。1948年，伽莫夫和他的學生開創了大爆炸核合成反應理論。伽莫夫假想一個光輻射占主導地位的高溫度高密度的宇宙。這時候，宇宙從大爆炸開始算起經曆到二十秒時，溫度在十億度，相當於十萬電子伏特。質子和中子通過核強作用力碰撞結合成為氘原子核。同時高能光子也可以破壞氘原子核。而當宇宙溫度迅速降低時，光子能量減弱，氘原子核就可以攢積起來，然後開始一係列的核合成反應。一個氘原子核和一個質子或者另一個氘原子核碰撞可以形成氦-3原子核（兩個質子和一個中子）或者氚原子核（一個質子和兩個中子）。接下來，一個氘原子核和一個氦-3原子核或者一個氚原子核碰撞又可以形成氦-4原子核。二十分鍾之後，宇宙溫度降到一千萬度，核合成反應基本結束，宇宙中的原子核成分也就穩定下來。

1965年，皮布爾斯給出精確的計算。雖然伽莫夫的理論假想大爆炸核合成的過程主要通過中子吸引，最後的結果很相近。在所有的輕元素裏，氦-4原子核結合能最高，最穩定。理論預測宇宙中有75%的氫原子核，也就是質子，和25%的氦-4原子核。這個氫氦元素豐度完全和實際觀測吻合。我們知道恒星裏的核合成反應不可能產生如此多的氦元素。所以，元素豐度是堅持宇宙大爆炸的強有力證據。因為降溫很快，宇宙中還會殘留一些氘原子核和氦-3原子核的中間反應物。它們約占宇宙總物質的萬分之一。氘原子核的成分比重間接反映宇宙中光子與核子的比例。大爆炸核合成還產生出非要小量的鋰原子核，約占宇宙總物質的一百億分之一。我們現在用的鋰電池的鋰元素有五分之一來自宇宙大爆炸核合成。

從現在開始，宇宙進入一個相對穩定的時期。宇宙中除了光子和中微子，物質成分隻有帶負性的電子和氫氦鋰等輕元素的帶正性的原子核。宇宙就是一個巨大的等離子體。如果我們能夠站在宇宙之外觀看，宇宙就像是太陽一般的光球或者像是一個霓虹燈。這樣過了相對漫長的三十七萬年。宇宙的溫度降到四千度左右。不再活躍的電子被原子核捕捉住，形成電中性的原子。這時的光子從電性粒子的束縛中解脫出來，可以在宇宙中自由飛行。宇宙於是變得澄清透明了。伽莫夫預言我們現在可以找到當時宇宙的遺跡。那就是因為宇宙膨脹冷卻，或者說波長被拉長的光子。它們的溫度大概在五開氏度左右。

--寫於2022年8月17日（圖片來自網絡）