(译自APS News,2008年4月)

[物理史] 化学元素的起源1948年4月1日,《物理评论》(Physical Review)刊登了一篇由阿尔菲 (Ralph Alpher)、贝特 (Hans Bethe)和加莫夫 (George Gamow)所发表,标题为〈化学元素的起源〉之论文。作者的挂名带有一点玩笑意味(贝特并未真的对此研究有贡献),但此篇论文却有着重要的科学发现。阿尔菲和加莫夫说明了大爆炸之后所立即发生的极端情况可以解释宇宙所观察到众多最平常元素的含量。

物理学家加莫夫于1904年出生在奥德萨(Odessa,现在的乌克兰),他对前苏联心生不满,企图离境失败一次之后,终于在1934年逃出,移居美国,在美国华府乔治.华盛顿大学任职。

1940年代初期,加莫夫一直研究解释所观测到各种元素的含量。当时已证明在星球中心,氢原子核融合形成了氦,但此形成的过程非常缓慢,不足以说明宇宙中所观察到的氦的含量(10个氢原子就有一个氦原子),也无法解释所存在比氦重的元素。加莫夫想知道是否最早期的宇宙情况有可能产生所观察到的氦以及其他的元素。

这一方面的研究需要核物理的知识,但当时美国大多的核物理学家都已被延揽加入曼哈顿计画,因此加莫夫实际上是独自研究核合成的问题。

加莫夫开始先做计算,看看宇宙物质的密度,并实际推倒宇宙的膨胀过程,估算一下早期宇宙可能的情况,然后他开始尝试算出早期宇宙核反应的可能率。但宇宙膨胀时,情况会不断地改变,所以计算很繁複。因为加莫夫自己对于数学计算并不特别熟练,因此聘用博士学生阿尔菲来帮忙。

他们一开始想像着宇宙早期是一个极热、高密度的中子气体(他们称之为「ylem」,这是中世纪「物质」的字眼)。当宇宙膨胀时,这些压缩着的热中子会衰变成质子、电子和微中子的混合物,然后质子会吸收剩余的一些中子形成重氢,当进一步吸收中子后即会形成越来越重的原子核。此过程在宇宙膨胀时会一直持续着,一直到温度太低无法产生进一步的反应为止。

阿尔菲在核反应过程的计算使用了某些在第二次世界大战中发展出来的第一代电脑,也使用了战后所可得到的核反应新资料。

他们的计算和已知宇宙中的氦含量相吻合,所以他们很满意计算出来的结果,就投了一篇短论文到《物理评论》期刊,标题为〈化学元素的起源〉。他们还因此开了一瓶酒庆祝,加莫夫将之重新标籤为「ylem」。

加莫夫向来以幽默着称,当他知道他们的论文即将在1948年4月1日出刊的《物理评论》中发表出来,就将他的朋友,以研究包括恆星的核反应着称的贝特名字也加进去,因此论文的作者就成了Alpher、Bethe、和 Gamow,是希腊字母表前三个字母($$\alpha$$、$$\beta$$、$$\gamma$$)的双关语。

阿尔菲当时是一位博士生,正努力为自己打出名声,他反对多加一位作者,深怕知名的贝特名字会夺走他的光采,降低他对此重要研究关键性的贡献所应得的肯定。但加莫夫不理会阿尔菲的反对,还是将贝特的名字加论文上发表。

这篇论文仍被称之为 alpha-beta-gamma 论文,它不仅说明了宇宙含量最多诸多元素的起源,还提供了自从1929年哈伯发现远方的银河会随着和我们的距离成正比产生红移以来,大爆炸模型最早的证据。

后来大家知道,大多数元素事实上并无法经由阿尔菲和加莫夫所原先提出,中子连续吸收的过程来产生,因为5个核子的原子核并不稳定,还需要用别的过程来填补以产生更重的元素。然而,阿尔菲-贝特-加莫夫理论确实正确地说明了氢和氦的含量,两者合起来佔宇宙重子物质的99%以上。

论文发表后,阿尔菲还须完成他的博士学位。科学家和媒体得知阿尔菲-贝特-加莫夫结果后,有300人于1948年的春天挤进乔治.华盛顿大学听阿尔菲的论文口试。《华盛顿邮报》听到阿尔菲的叙述说,在高温爆炸中只花了300秒便创造产生氢和氦,大胆地报导说:「五分钟即产生全世界。」

阿尔菲取得了博士学位,但他15分钟的名声(译者注:短暂的名声)很快就结束了。在完成博士学位后,阿尔菲和何尔曼(Robert Herman,他拒绝了加莫夫极力要他改姓 Delter,和希腊字母的第四个字母 $$\delta$$ 双关语)继续研究早期的宇宙。他们的研究预测了宇宙微波背景辐射,但却为大家所忽视,甚至1964年发现宇宙微波背景辐射后仍未给他们肯定。阿尔菲后来到通用电气(General Electric)担任研究员,加莫夫则还持续其他问的研究,涉足到脱氧核糖核酸(DNA)的化学领域。阿尔菲在获得美国国家科学奖章后不久,于2007年辞世。


原文刊载于物理双月刊2012年4月号34卷第2期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。


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