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宇宙的往事④遂古之初--伽莫夫

宇宙的往事④遂古之初--伽莫夫

写在文章之前:提起乔治·伽莫夫,天文圈以外的人首先想到的应该是他的《汤姆金斯先生历险记》、《物理世界奇遇记》和《从一到无穷大》这几本充满趣味的科普书。乔治·伽莫夫作为一个伟大的科普作家生活在大众的脑海里。但对于天文学界的学生、学者们来说,伽莫夫首先是一个伟大的天文学家

1904年3月4日,在一位有名望的莫斯科外科医生(伽莫夫的教母)的帮助下,乔治·伽莫夫通过剖腹产出生在敖德萨,前苏联的一个小城(现在是乌克兰第二大城市)。

七岁那年,伽莫夫开始看凡尔纳的作品(或者说他母亲读给他听),像那个年代的大多数小孩子一样,小伽莫夫梦想有朝一日能去月球旅行。

九岁那年,母亲的去世让伽莫夫开始和父亲相依为命。他的父亲是个歌剧迷,常常用口哨吹出《弄臣》、《浮士德》和《黑桃皇后》等歌剧中的咏叹调,或者用男中音哼哼。父亲总是要伽莫夫陪他去歌剧院,却始终没能激起伽莫夫对歌剧的兴趣。

1914年,伽莫夫十岁,那一年,一战爆发。三年之后,俄国革命和国内战争爆发。那时的伽莫夫作为一个中学生,却难以接受正常的学校教育,因为当时敖德萨的学校常常停课,不是敌方军舰炮轰敖德萨,就是各国国远征军在城里的主要街道对壕沟中俄方的白军、红军、甚至绿军发动白刃进攻,再不就是各种颜色的俄军之间相互战斗。

也正是在这一时期,伽莫夫在艺术和科学方面日渐长进。后来伽莫夫回忆,有一天,他正坐在家里的一扇窗前阅读一本欧几里得几何学的书,蓦地一颗炸弹在附近街上爆炸,冲击波把窗玻璃震得粉碎。尽管如此,学校生活还是在动荡中继续下去,慢慢地,伽莫夫对天文学物理学的兴趣越来越浓厚。在他中学毕业的时候,战争结束了。

1920年,伽莫夫来到了诺瓦罗西亚大学,学习数理。遗憾的是,当时的诺瓦罗西亚大学由于物理系主任卡斯特林拒绝开课的关系,没有开设物理课。在听说列宁格勒的物理学在焕发勃勃生机之后,为了追逐自己内心的梦想,伽莫夫离开了诺瓦罗西亚大学,在父亲变卖了家里大部分银器来支持自己的情况下,前往了列宁格勒彼得格勒)。

初到列宁格勒的伽莫夫人生地不熟,好在父亲的同时奥波林斯基(俄国人的名字真难记)教授给他在列宁格勒林业学院气象站找了一个观察员的职位(不过几年后由于奥波林斯基想让他做一个实验气象学家而他执意要做理论物理学家,于是两人恩断义绝)。由于这个工作比较清闲,伽莫夫得意花费大量的时间去大学听感兴趣的讲座,读感兴趣的书。

1924年,伽莫夫由于在红十月炮兵学校担任物理学讲师而被授予上校军衔(后来在他参与“曼哈顿计划的时候还为此产生了一番纠葛,因为有资料显示他曾作为上校在红军中服役)。不到20岁的年纪便肩扛三颗星,年轻的伽莫夫不会想到多年之后他会在敌对国家参与研发原子弹。在炮兵学校期间,伽莫夫一边任教,一边上课,并顺利考取了许多证书(我也不知道是啥证书)。

说到这里需要提一下,在伽莫夫学生时代得早起,狭义相对论广义相对论是他最感兴趣的东西。巧合的是,在列宁格勒大学数学系有一个叫亚历山大·弗罗德曼的人正在讲授题为“相对论的数学基础”的课程。说到这里需要提一下,他可能是这篇文章中第四伟大的人了。亚历山大·弗里德曼是个纯数学家,他对把数学应用于物理科学的各个分支学科有着广泛的兴趣。也许不为人知的是,他也是一个相对论宇宙学问题的爱好者,更不为人知的是,他也许是宇宙膨胀理论的创立者。在这里我们不做详细表述,只是稍微介绍一下一个方程--弗雷德曼方程H^{2}\equiv(\frac{\dot{R}}{R})^{2}=\frac{8\pi G}{3}\rho+\frac{\Lambda}{3}-\frac{k}{R}^{2} ,广义相对论的严格证明给出,方程中的 k 就是宇宙曲率k=0 的时候为平直宇宙k=-1 的时候为开放宇宙k=1 的时候为闭合宇宙)。物理学上通常把基于宇宙学原理爱因斯坦场方程宇宙学模型称为标准宇宙学模型,因此弗里德曼方程就是标准宇宙学模型(方程中的 \Lambda 被认为是爱因斯坦大大犯的最大的错误,没错这就是那个宇宙学常数)。

刚才我们说到弗罗德曼是文章中第四伟大的人(不算爱因斯坦这种露个脸的),那么前三是谁呢?不好意思伽莫夫是第三。1924年,第二伟大的人来到了列宁格勒大学,成为了伽莫夫的同学,他叫列夫·郎道。因为有着共同的兴趣--对理论物理的热爱,郎道和伽莫夫成立了一个学习小组,开始就当是那个年代物理学界的几件大事(例如1925年和1926年伟大的尼尔斯·玻尔得原子轨道模型陷入窘境和伟大的海森堡的矩阵力学)进行讨论,同郎道的讨论极大地提高了伽莫夫的物理思维。

随后的1928年-1932年间,伽莫夫先后在哥本哈根大学剑桥大学跟随尼尔斯·玻尔和伟大的卢瑟福(因为篇幅问题他同样不被算入排行讨论)学艺。在本文中第一伟大的玻尔身边工作是很自由的,伽莫夫把他的大部分精力都入到对势垒理论的研究上。在这期间,他提出用质子代替 \alpha 粒子轰击原子核,极大地促进了核物理学发展,并把核物理与恒星演化问题结合在了一起

1931年,伽莫夫回到列宁格勒大学任教授,并在1934年移居美国,从那以后开始了自己科普之路(《汤姆金斯先生历险记》就是诞生于移居美国之后)。

抱歉我好想忘写了几件事,准确的说,他在科普之路的同时还走着自己的遂古之路。

1946年,根据宇宙膨胀观测结果并结合弗罗德曼最初的设想,伽莫夫提出了一个猜想,他认为宇宙在开始时处于一种“奇态”中,物质的密度温度实际上都能达到无穷大,在那时任何原子、甚至原子核都不可能存在。一切物质都被分解成质子电子中子,它们汇合成一个高能辐射的海洋。即如果把时间倒退回去,在宇宙年龄不到200s的时候,宇宙一定经历过一个温度高达10亿度、密度也非常高的演化阶段,这样的高温足以导致核反应在极短的时间内发生。随后的1948年,他同自己的学生阿尔弗和核物理学家贝特一起把这个结论整理为论文发表(有趣的是,由于他们三人名字的谐音,论文被称作 \alpha\beta\gamma 论文),随后阿尔弗和普林斯顿大学的研究生赫尔曼又对这个问题进行了更严格分析,敏锐地指出宇宙早期是充满辐射的,这一辐射遗迹至今仍可以作为宇宙微波背景而被探测到,相应的温度大概为绝对温度 5K

遗憾的是,由于传统观念,伽莫夫的工作没有引起人们的重视,稳恒态宇宙学创始人霍伊尔轻蔑的将他的学说成为“大爆炸”(当然我们现在都知道,这个理论已经取得了成功,“大爆炸”变成了一个尊称)。

就像当年的钱德拉塞卡一样,伽莫夫不再关心这个理论,开始忙着写科普。在往后的日子里,他写出了本文开头提到的那些著作,甚至在生物学领域提出了蛋白质遗传密码的设想。

1964年彭齐亚斯威尔逊探测到了真正的宇宙微波背景辐射1978年,他们获得了诺贝尔物理学奖

在这10年前的1968年,乔治·伽莫夫作为一个伟大的天文学家物理学家科普作家甚至是遗传学家,以遂古之初传道者的身份安然离世。

乔治·伽莫夫先生整个宇宙都为您闪烁。”

参考文献:

[1]. 伽莫夫.G. 伽莫夫自传--物理学家.天体物理学家伽莫夫[M]. 上海翻译出版公司, 1988.

[2]. 向守平. 天体物理概论[M]. 中国科学技术大学出版社, 2008.

P.S.不知道接下来该写谁了,有什么好的建议没。

编辑于 2017-10-29

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