從哈勃到哈勃深空場（四）—A Day Without Yesterday
宇航探索局出品，轉載請註明出處，轉自同名公眾號
本期為從哈勃到哈勃深空場第四篇，上一篇為：《從哈勃到哈勃深空場（三）—愛因斯坦一生中最大的Bug》
是該給勒梅特平反了
1933年1月，勒梅特、愛因斯坦、哈勃參加了在加州舉行的一系列研討會。在勒梅特詳細闡述了他的「大爆炸」（當時還不叫大爆炸）理論之後，愛因斯坦歡快地鼓起掌來：「這是我所聽過的最美麗、最令人滿意的世界起源說明。」
宇宙膨脹之說石破天驚，為了使自己的理論得到更廣泛的閱讀，勒梅特把文章發給了英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓，愛丁頓將其翻譯成英文，並發表在《皇家天文學會月刊》上。當更多人看到這篇論文後，人們提出了更多問題：如果宇宙一直在膨脹，那膨脹是什麼時候、如何開始的呢？這是否意味著宇宙起源於時間和空間中某個特定的點？
這是一篇發表於1931年在《自然》雜誌上的論文，署名正式勒梅特，他在深入探索和分析後大膽猜想：我們所知道的世界是以一個原始「量子」作為起源開始的。時間和空間的概念在這個世界開始之前沒有任何意義，只有在這個原始量子被分成足夠多份後，時間和空間才開始有合理的意義。如果這個想法是正確的，那麼宇宙中的所有一切，都是由這個原始量子的爆炸和持續膨脹形成的。
在今天，大爆炸理論經歷幾代天文學家的發展已經十分成熟，在當時，這可是個很「滑稽」「可笑」的想法。理論提出之際宇宙大爆炸並不為人所熟知，即便熟知了，更不為人所接受。1949年英國天文學家霍伊爾在BBC的一次廣播節目中嘲笑勒梅特的理論，不就是「big bang」（大爆炸）嗎，哪知這個本來帶有貶低、嘲諷甚至侮辱意味的「big bang」竟然不脛而走，成了宣傳勒梅特理論最有力的武器，宇宙起源於一次大爆炸迅速廣為人知。
「big bang」這樣一個通俗而有形象的標籤使得宇宙大爆炸這樣一個抽象的難以置信的理論學說在普通公眾中的知曉率迅速提升。「big bang」也把勒梅特及其理論推到了輿論的風口浪尖。有人支持，有人反對。畢竟這個時候所有關於宇宙膨脹起源的結論都來自推想，沒有確鑿的理論計算證明，也沒有實驗觀測，你怎麼說都行。反對者諸如前面提到的霍伊爾。而支持者中有一位重量級的物理學家，他就是伽莫夫。上期（從哈勃到哈勃深空場（三）—愛因斯坦一生中最大的Bug）我們對伽莫夫已經有了一點了解，他是一個天子驕子。
天之驕子
伽莫夫1904年3月4日生於俄國敖德薩，在他的身上，你能看到上世紀幾乎所有的科學光環：1928年24歲的伽莫夫就獲列寧格勒大學博士學位，此間師從蘇聯著名的數學家弗里德曼，後者在列寧格勒大學講授《相對論的數學基礎》，從理論上研究並指出了愛因斯坦廣義相對論方程中宇宙學常數的錯誤（這裡的故事我們往期節目已經詳盡介紹過了，請點擊從哈勃到哈勃深空場（三）—愛因斯坦一生中最大的Bug和從哈勃到哈勃深空場（二）—膨脹在氣球上的宇宙）。伽莫夫就讀列寧格勒大學期間與朗道是同窗好友，他們倆和弗里德曼一起被稱為列寧格勒大學物理系的三劍客（是真是假就不好說了，畢竟伽莫夫吹牛的本事和他寫書的本事都是一流的）。
博士畢業後的伽莫夫隨後去了西歐，在丹麥哥本哈根大學理論物理研究所（波爾掌教之地，量子力學的發源地，哥本哈根學派的起源地）及英國劍橋大學卡文迪什實驗室（麥克斯韋，湯姆遜，盧瑟福掌教的地方，諾貝爾獎獲得者的孵化器），師從著名物理學家玻爾和盧瑟福，以及列寧格勒大學、巴黎居里研究所、密執安大學、華盛頓大學、加利福尼亞大學伯克利分校、科羅拉多大學從事研究和教學工作。 1931年27歲的伽莫夫任列寧格勒大學教授。
當時，自命為「堅持唯物主義」的李森科學派正稱霸蘇聯科學界（實質上是科學與政治鬥爭、政治權威取代科學權威裁決科學爭論的可悲反動科學流派），在蘇聯不僅與李森科持不同看法的著名遺傳學家瓦維洛夫神秘地失蹤，就連物理學界也受到巨大的衝擊：凡是支持愛因斯坦的相對論和海森伯的測不準原理（即不確定性原理）的人，都一律被視為反動。在這種惡劣的環境下，伽莫夫覺得祖國已無發展前途，而且隨時有生命危險。1933年，在玻爾和法國著名物理學家朗之萬的促請下，伽莫夫通過布哈林和莫洛托夫的關係，終於獲准帶著新婚妻子出席在比利時舉行的一次國際會議。會後，他在巴黎的居里研究所、劍橋的卡文迪什實驗室和哥本哈根的玻爾研究所逗留了兩個月，接著又到美國的密歇根大學講學。同年秋天，伽莫夫被美國的喬治·華盛頓大學聘為教授。他在該校主辦每年一度的華盛頓理論物理會議，吸引了美國和歐洲很多優秀的物理學家，並導致許多重大成果，例如恆星能源的碳氮循環和質子-質子循環、原子核裂變的機制等。
上帝又在開玩笑了
1948 年的愚人節，《物理評論》（The Physical Review）上的讀者來信欄目出現了一篇文章，題為「The Origin of Chemical Elements」（化學元素的起源）,署名阿爾弗、貝特和伽莫夫，諧音 α、β、γ。
這個發表時間，這樣的署名方式，怎麼看都像個惡作劇。但這篇文章的內容可是認真的。經過了6年的研究，伽莫夫在理論上正式提出宇宙的起源—一次大爆炸。這次爆炸中中子、質子、電子、光子以及中微子，以一定比例產生了氫、氦等元素，氫氦引發的核聚變產生了更多的元素所形成的，至今這篇文章已經被引用上千次。
年輕喬治·伽莫夫試圖解釋太陽內部核聚變的原理，揭開早期宇宙的奧秘。他當時在喬治·華盛頓大學任教，同時也許還在忙著寫一本名叫《從一到無窮大》的書。此時，美國最為出色的核物理學家大多被招募參加了曼哈頓計劃，可能是由於出身（蘇聯逃到美國）問題，伽莫夫並沒有參與到其中，因此伽莫夫的研究基本是孤軍奮戰。
伽莫夫計算了宇宙中物質的密度，又將宇宙膨脹的過程進行倒推。隨後，他嘗試計算早期宇宙中核反應發生的概率，然而隨著宇宙的膨脹，相關條件不斷發生變化，計算過程非常複雜。伽莫夫並不擅長數學，於是招了個博士生拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）來幫忙。
伽莫夫和阿爾弗假設早期宇宙是一團高溫、緻密的由中子構成的氣體，伽莫夫稱之為「ylem」，這個詞來自中古英語，意為「物質」。隨著宇宙的膨脹，這些中子會衰變成質子、電子和中微子，隨後質子會捕獲一些剩餘的中子，形成氘。這個過程不斷進行下去，就能產生更重的原子核。在宇宙膨脹的過程中，這一反應不斷進行；直到宇宙冷卻到一定程度，無法繼續發生反應。藉助最早的電子計算機，和二戰後剛剛公開的一些核反應數據，阿爾弗對反應過程進行了計算，計算結果與宇宙中氦的30%丰度相吻合。他們的假設是對的。
導師硬給我的論文塞了個二作
阿爾弗和伽莫夫迅速將這一發現寫成短訊，投稿到《物理評論》。兩人還開了一瓶酒表示慶賀，酒瓶上的標籤寫著「ylem」，那是伽莫夫貼上去的。
伽莫夫知道這篇文章將於 4 月 1 日發表，他便開了個玩笑，把自己的好友漢斯·貝特（Hans Bethe）的名字也加上去，這樣三人的姓氏正好組成 α、β、γ 的諧音。阿爾弗對老闆的決定很不高興。他擔心，論文署名里突然多出一個自帶光環的大牛，誰還會注意到他？但是伽莫夫堅持要這麼做，他後來在一篇文章里伽莫夫談到：「如果這篇文章的署名只有阿爾弗和伽莫夫，這似乎對希臘字母表不太公平，所以在準備手稿的時候，漢斯·A·貝特博士（缺席，in absentia）的名字就被加進去了。」
貝特「碰巧」是《物理評論》的審稿人（據說伽莫夫對此毫不知情，鬼才知道是不是呢），他刪掉了「缺席」二字。於是，這篇署名「α、β、γ」的文章，在愚人節當天發表了。
宇宙（熱）大爆炸起源
《物理評論》的文章發表後馬上在學界引起轟動。不久後，阿爾弗進行博士畢業答辯，三百多人前來觀看。這可能是他前半生最光榮的時刻。同時人類對宇宙起源的認識有了第一份可以信賴的理論依據：宇宙由大約200億年前發生的一次大爆炸形成。爆炸之初，由於溫度極高，粒子運動極為劇烈，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在（由於溫度極高，粒子難以聚集形成原子核）。宇宙爆炸之後的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲，星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。（註：溫度表徵微觀粒子運動劇烈程度）
宇宙微波背景輻射
還是1948年，伽莫夫又向英國的《自然》雜誌寄去「宇宙的演化」一文，並將此文手稿寄了一份給阿爾弗和赫爾曼。阿爾弗和赫爾曼複核後發現文中有誤，於是告知了伽莫夫。伽莫夫感到由他本人糾正文稿為時已晚，就鼓勵阿爾弗和赫爾曼給《自然》另投一篇評論文章。他通知《自然》說，阿爾弗和赫爾曼的文章就要寄到，希望《自然》在他的論文之後儘快發表。
這篇文章就是：
阿爾弗和赫爾曼正是在這篇文章中，第一次預言了宇宙黑體輻射的存在，並以相當簡潔的方法推算出現今的宇宙背景輻射溫度為5K。遺憾的是，這個極重要的結論，卻並沒有引起學界的注意，被世人忽視了長達15年之久。
心灰意冷的阿爾弗跳槽到通用電氣，而赫爾曼去了通用汽車。到 1978 年，貝爾實驗室的兩位科學家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）由於測量宇宙微波背景輻射，獲得了諾貝爾物理學獎，阿爾弗仍然一無所獲。直到多年以後，他才收穫一個個遲來的榮譽。
下期，我們將認識兩個被幸運女神親吻過的年輕人，他們無意中的發現使這兩個物理學門外漢獲得了1978年諾貝爾物理學獎。
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