《一路走来的宇宙 06》

在勒梅特提出宇宙大爆炸理论的同时代以及以后的许多年里，物理学界还有与之竞争的其它理论，比如稳态宇宙理论。大爆炸理论的确立和发展完全得益于一个富有个性和传奇色彩的人和一个意料之外又情理之中的观测发现。伽莫夫于1904年出生在乌克兰的敖德萨，曾经师从弗里德曼。年轻的伽莫夫因为核物理学的卓越研究崭露头角，声名鹊起。他在二十八岁时入选苏联科学院院士，俨然是一颗冉冉升起的新星。但是，伽莫夫无法忍受当时被政治意识形态抑制的学术环境，决心离开苏联。1932年，伽莫夫和妻子曾经尝试划皮划艇横渡黑海到土耳其。尽管计划周密，但是因为海上恶劣的天气，两人挣扎了三天后只好折返。后来，伽莫夫夫妻两人又尝试穿过北冰洋到挪威，也因为天气原故没有成功。到了1933年，伽莫夫以参加索尔维物理学会的名义离开苏联，去往比利时。在欧洲辗转一年后，两口子从欧洲来到了美国。大概这个时候，苏联在伽莫夫缺席的情况下以叛逃罪判了他死刑。

伽莫夫从弗里德曼那里了解到勒梅特的宇宙理论。因为他在太阳核物理学的经验和背景，伽莫夫很自然地将核反应概念运用到早期宇宙的研究。1948年，伽莫夫和他的学生开创了大爆炸核合成反应理论。伽莫夫假想一个光辐射占主导地位的高温度高密度的宇宙。这时候，宇宙从大爆炸开始算起经历到二十秒时，温度在十亿度，相当于十万电子伏特。质子和中子通过核强作用力碰撞结合成为氘原子核。同时高能光子也可以破坏氘原子核。而当宇宙温度迅速降低时，光子能量减弱，氘原子核就可以攒积起来，然后开始一系列的核合成反应。一个氘原子核和一个质子或者另一个氘原子核碰撞可以形成氦-3原子核（两个质子和一个中子）或者氚原子核（一个质子和两个中子）。接下来，一个氘原子核和一个氦-3原子核或者一个氚原子核碰撞又可以形成氦-4原子核。二十分钟之后，宇宙温度降到一千万度，核合成反应基本结束，宇宙中的原子核成分也就稳定下来。

1965年，皮布尔斯给出精确的计算。虽然伽莫夫的理论假想大爆炸核合成的过程主要通过中子吸引，最后的结果很相近。在所有的轻元素里，氦-4原子核结合能最高，最稳定。理论预测宇宙中有75%的氢原子核，也就是质子，和25%的氦-4原子核。这个氢氦元素丰度完全和实际观测吻合。我们知道恒星里的核合成反应不可能产生如此多的氦元素。所以，元素丰度是坚持宇宙大爆炸的强有力证据。因为降温很快，宇宙中还会残留一些氘原子核和氦-3原子核的中间反应物。它们约占宇宙总物质的万分之一。氘原子核的成分比重间接反映宇宙中光子与核子的比例。大爆炸核合成还产生出非要小量的锂原子核，约占宇宙总物质的一百亿分之一。我们现在用的锂电池的锂元素有五分之一来自宇宙大爆炸核合成。

从现在开始，宇宙进入一个相对稳定的时期。宇宙中除了光子和中微子，物质成分只有带负性的电子和氢氦锂等轻元素的带正性的原子核。宇宙就是一个巨大的等离子体。如果我们能够站在宇宙之外观看，宇宙就像是太阳一般的光球或者像是一个霓虹灯。这样过了相对漫长的三十七万年。宇宙的温度降到四千度左右。不再活跃的电子被原子核捕捉住，形成电中性的原子。这时的光子从电性粒子的束缚中解脱出来，可以在宇宙中自由飞行。宇宙于是变得澄清透明了。伽莫夫预言我们现在可以找到当时宇宙的遗迹。那就是因为宇宙膨胀冷却，或者说波长被拉长的光子。它们的温度大概在五开氏度左右。

--写于2022年8月17日（图片来自网络）