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一、引言

宇宙起源问题一直是人类不断探索的重大问题。但它和热核反应有什么关系？伽莫夫是怎样把热核反应和宇宙起源联系到一起从而奠定了热大爆炸宇宙学基础的呢？捋清其中的历史脉络一定会给我们带来很多的启迪。

二、宇宙模型演化简述

什么是宇宙？西汉的《淮南子》说：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”。用现在的话说，就是在这四方上下、古往今来的时空中包罗了世间的万事万物。

宇宙是怎么来的？总结起来有两种观点。一是天地亘古不变说，孔子就认为“无古无今，无始无终”。二是宇宙是创生的，一个版本是宇宙创生于无，老子认为“天下万物生于有，有生于无”。另一个版本认为宇宙创生于“元气或水”（中国古代），或创生于“土，水，空气，火”等物质（亚里士多德）。当然，在神话或宗教中，还有“神创说”。西方最具代表性的是“上帝创世说”，中国古代则有流传甚广的“盘古开天地”的故事。

关于宇宙结构，中国古代最早的是“盖天说”，所谓“天圆如张盖，地方如棋局”（天圆地方）。还有一种是“宣夜说”，认为日月星辰都漂浮在“气”之中。第三种是“浑天说”，认为“天如弹丸”（圆球形），天包地外，水裹天地［1］。

世界上第一个建立在科学基础上的行星体系模型（或者曰宇宙模型）是克罗狄斯·托勒密（C. Ptolemaeus）的地心体系模型。该模型认为，地球位于宇宙的中心，太阳、月亮、金木水火星等都围绕地球旋转，形成一个有限的球体。

但“地心说”模型解释不了行星有时逆行、时快时慢等现象。哥白尼（N. Copernicus）认为，如果以太阳为中心，这些困惑就迎刃而解了。这就是具有革命性意义的“日心说”。

1609年伽利略（G. Galileo）首先用自制的望远镜观察夜空，发现银河系是由无数的星体组成的。十八世纪中叶，英国天文学家威廉·赫歇耳（W. Herschel）和他的妹妹卡罗琳·赫歇尔（C. Herschel）用自己磨制的反射望远镜对全天的恒星进行观测统计，绘出了一幅扁而平的银河系结构图，并认为太阳系位于银河的中心。而美国天文学家沙普利（H. Shapley）于130年后判定：银河系是一个透镜状的恒星系统，太阳不在其中心。

到了十九世纪，英国科学家艾萨克·牛顿（I. Newton）发现，太阳系以及之外的一切天体的运行都是在万有引力定律的支配下有序地运动着的，不但是太阳，而且是其它星体，都是宇宙的中心。宇宙是无限的，宇宙没有中心，或者处处是中心。［2］

但是牛顿的无限宇宙观遇到了巨大的挑战。一个是“奥伯斯（H. W. Olbers）佯谬”：如果宇宙是无限的，那么在任意方向上都有无限多的星体在发光，对这无限多的星体光辐射强度的积分会导致无穷大的“发散”结果—夜间比白天还亮，这明显是荒谬的。还有一个是“西利格（H. von Seeliger）佯谬”：假定宇宙是无限的，无限多的物质均匀地分布在宇宙中，对于宇宙中的任何一点，其场强会变得无穷大。

到了二十世纪初，牛顿的绝对无限空间遇到了爱因斯坦（A. Einstein）颠覆性的挑战。爱因斯坦指出，一个充满星体和其它物体的绝对无限的宇宙似乎是不可能的。因为那样一来，每一点都会受到无限大的引力吸引，四面八方都会有无限的光在闪烁。另一方面，一个在空间中某个随机位置漂浮着的有限宇宙也是不可想象的。于是爱因斯坦给出了一个“有限无界的宇宙观”：宇宙中的物质使空间弯曲，在宇宙膨胀的过程中，这些物质使空间完全折回了自身。这个系统是封闭而有界的，但却没有尽头或边界。但爱因斯坦的宇宙仍然是一个“准稳态的宇宙”。［3］

1929年，美国天文学家哈勃（E. Hubble）根据大量的观测数据，总结发表了著名的哈勃定律：任何星体的退行速度和离地球的距离成反比。这意味着：宇宙是膨胀着的！

1931年，比利时科学家兼牧师勒梅特（G. Lemaitre）认为，既然宇宙是膨胀的，那么往前反推宇宙一定起源于很小的尺度。勒梅特把它称之为“原初原子”或“宇宙蛋”。由此他提出了“宇宙大爆炸起源说”。不过，勒梅特的原初原子的爆炸是一个机械炸裂的过程：炸裂成许许多多碎片。

美籍前苏联科学家乔治·伽莫夫（G. Gamow）认为，早期的宇宙一定非常热，原初原子的爆炸是一种类似于氢弹爆炸式的大爆炸，而我们目前世界的化学元素应该是通过核反应而诞生于这种极高温度的环境中的产物。同时，随着宇宙的膨胀，温度会逐渐降低，到今天为止温度大约是几度的样子。

支持伽莫夫理论的最重要的证据是宇宙中化学元素丰度和微波背景辐射的发现。此后建立了系统的热大爆炸宇宙学，并称为当今占主流地位的“标准宇宙学”。

三、伽莫夫其人及热大爆炸宇宙说

伽莫夫于1904年3月4日出生在俄国（现乌克兰）的港口城市敖萨德，父亲是高中俄语及俄国文学教师，也对歌剧非常着迷；母亲是女中的地理和历史老师，从小就给伽莫夫看了许多童话作品，并教他法语。伽莫夫1922年进入新罗西亚大学时是读的数理系，实际上只有数学没有物理。一年后到列宁格勒大学物理系学习。著名数学家、宇宙学家弗里德曼（A. Z. Friedmann）也在这个大学教数学，伽莫夫想在弗里德曼的指导下研究宇宙学，可惜一年后弗里德曼患伤寒而离世。在列宁格勒大学时期，伽莫夫和朗道（L. Landau）、伊万年科（D. Ivanieko）建立一个自称为“三剑客”圈子，共同讨论量子力学。伽莫夫把后来研究大爆炸宇宙学的阿尔弗（R. A. Alpher）、赫尔曼（R. C. Herman）和他本人也称作“三剑客”。

1926年，伽莫夫大学毕业后到德国哥廷根大学学习量子理论，1928年到德国哥本哈根大学的理论物理研究所师从玻尔（N. Bohr）研究原子核物理。1929年以这些研究为基础获得了列宁格勒大学的博士学位。

1929年获得博士学位后，伽莫夫作为洛克菲勒访问学者到英国剑桥大学跟随卢瑟福（E. Rutherford）做原子核方面的研究工作。1930年到1931年到哥本哈根大学从事研究工作。

1931年到1933年，伽莫夫回到母校—列宁格勒大学物理系担任教授。当时的苏联学术界正值李森科（T. D. Lysenko）极左思潮盛行，研究爱因斯坦相对论及海森堡的测不准原理都会受到批判，甚至被逮捕。这对伽莫夫打击很大。伽莫夫曾试图乘小船逃离苏联，后因大风被迫返回，遇到边防人员时伽莫夫绘声绘色地说他们去做一项科学试验就蒙混过去了。

1933年，伽莫夫到巴黎的居里研究所从事研究工作。利用一次学术会议的机会，在居里夫人等科学家的帮助下，伽莫夫辗转去了美国。1934年任美国密歇根大学讲师，同年秋被聘为华盛顿大学教授。1954年伽莫夫担任加利福尼亚大学伯克利分校的客座教授。1956年任科罗拉多大学教授。

伽莫夫还写了很多科普著作，如汤姆金斯系列（《汤姆金斯先生身历奇境》、《汤姆金斯先生探索原子世界》等等），《从一到无穷大》，《太阳的诞生的死亡》，《地球简史》，《震惊物理学的三十年：量子理论的故事》，《物理世界奇遇记》等等。

伽莫夫的学术背景是核物理学家。伽莫夫第一个出色的研究成果是解释原子核的衰变现象。接着伽莫夫又给出了原子核的“液滴模型”：把原子核看做一个不可压缩的“小水滴”，内部的质子、中子也看做一个个“小水滴”，这样可以很好地解释原子核的很多物理性质。

太阳等恒星的内部能量来源问题一直谜。1920年，英国科学家爱丁顿（A. Eddington）提出一种假设：恒星内部的能源来自于氢形成氦的核聚变反应。伽莫夫对这个问题进行了大量的研究，并根据“量子隧穿效应”推导出著名的“伽莫夫因子”。现代理论认为，恒星内部发生两种热核反应：一是“质子链反应”，即氢和氢的核聚变先产生氘，最后生成氦；二是“碳氮氧循环”，即碳和氢发生核聚变，生成氮，又生成氧，又生成碳和氦的过程。

如前所述，受勒梅特的影响，以及这些研究的结合，伽莫夫就自然形成了“宇宙起源于热核反应”的设想。

伽莫夫假定宇宙初始阶段是由一种被称作“伊伦（Ylem）”的中子气构成的，非常致密，并且温度非常高，由它们进行化学元素形成的核合成反应。伽莫夫写出了几个关于该反应产生化学元素的方程。但伽莫夫不精于计算，这时候阿尔弗正在他的指导下攻读博士学位，那就把这个题目交给他吧。

阿尔弗面临的问题是，化学元素是怎么产生的呢？产生的速率又是多大呢？阿尔弗认为，化学元素产生的速率主要是根据中子俘获截面积的大小来决定的。一般来说，这个中子俘获截面积越大，即原子量越大，元素越难合成。就好比学校班级分组，组员越少就组成的越快（如只有2个人一组，双双配对很快就组建好了，如图），组员越多越难组建。阿尔弗搜集了各种化学元素中子俘获截面积的数据，再用当时军方使用的最先进的计算机经过大量计算，得出了化学元素丰度和原子序数的关系曲线。其主要结论是，根据宇宙大爆炸核合成理论，计算出来的元素丰度和实际观测到的数据吻合得很好。根据这个计算结果，宇宙中氢的丰度约为73%，氦的丰度约为25%。也就是说，化学元素周期表中的前2个元素占了整个宇宙重量的98%！

这里值得重点强调的是氦丰度。观测结果表明，宇宙中恒星的氦丰度大都在25%左右。但根据恒星演化理论是不可能有这么多的氦丰度的。这个问题一直困扰着天文学家。热大爆炸宇宙模型成功地解决了这个问题，因而就成了支持该理论的重要证据之一。

阿尔弗的文章写好以后，伽莫夫举行了一个简单的庆祝酒会，并把一瓶酒贴上“Ylem”的标签。文章投给了《物理评论》杂志，得知快要发表的时候，伽莫夫灵机一动要把核物理学家贝蒂（H. Bethe） 的名字也加进来，这样论文的作者就成了Alpher， Bethe， Gamow，和“”谐音。这里足以看出伽莫夫的幽默。

这篇文章发表后没有受到重视。这也折射出当时学术界对大爆炸宇宙学的冷漠态度。

伽莫夫仍然“我行我素”，对热大爆炸宇宙模型继续进行深入研究。一个自然的问题是：既然宇宙是由热大爆炸而形成的，那么发生热大爆炸的时候宇宙有多“热”呢？阿尔弗和其合作者赫尔曼估计，当时的温度大约是1亿度（），然后宇宙大爆炸而膨胀。我们知道，在没有外在热源的情况下，气体膨胀时是会消耗自身的内能的。也就是说，温度会随之下降。根据现在观测的数据，宇宙的平均密度（每立方厘米克）大约是小数点后31个零那么小的数。阿尔弗和赫尔曼假设在1亿度高温下宇宙是和水差不多的密度（1），然后根据目前测算的宇宙年龄（约137亿年），可以算出目前的宇宙温度大约是5K（）。［4］这就是宇宙微波背景辐射的温度。关于这个宇宙背景辐射温度，伽莫夫也大致计算为7K左右。但不管怎么说，根据热大爆炸宇宙理论，是存在一个绝对温标为几K的宇宙微波背景辐射温度的。

这个研究结果发表后也没有什么反响。直到1968年宇宙背景辐射被发现，1990年宇宙背景辐射完美的黑体谱被展示之后，学术界才心服口服地接受了热大爆炸宇宙模型。

这个热大爆炸宇宙学模型现在被称为“标准宇宙学”。正如美国《科学》杂志所评价的那样：“在过去的十年中，研究人员非常精确地推测出宇宙物质的成分是普通物质、暗物质和暗能量。同时，他们阐述了将这些成分组成宇宙的方法。这些进展将宇宙学转变成为一种有着标准理论的精确科学，而留给其它理论的活动空间已十分狭小。”

四、总结与结论

现在基本上可以回答本文开始提出的问题了。我们可以从两个方面进行梳理：外因和内因。

1917年，爱因斯坦发表了广义相对论，奠定了现代宇宙学的基础。但在爱因斯坦那里，宇宙仍是一个准静态的宇宙。同年，荷兰数学家、天文学家德西特（W. de Sitter）根据广义相对论的场方程，抽空物质后发现宇宙在膨胀。1922年，苏联数学家和理论物理学家弗里德曼从纯数学的角度推导出宇宙有可能在膨胀。1929年，哈勃发表了著名的“哈勃定律”。事实上，在1927年勒梅特也发表了和哈勃定律类似的结果，只不过是由于用法语发表在很少人阅读的杂志上而几乎无人知晓罢了。但根据这个“哈勃-勒梅特定律”确定宇宙在膨胀的是勒梅特。而后，勒梅特又向前走了一步：膨胀的反向就是缩小，宇宙是由小而大演化而来的，换句话说，宇宙诞生于大爆炸。这些就是“大爆炸宇宙学”的思想前驱体。

恒星内部能量来源于热核反应的假说由爱丁顿提出以后，除伽莫夫之外，英国天文学家、物理学家阿特金森（R. d'Escourt Atkinson）和荷兰物理学家霍特曼斯（F. Houtermans），美籍匈牙利理论物理学家、“氢弹之父”泰勒（E. Teller）等人也加入了研究恒星内部热核反应的行列中来了。1938年，德国物理学家魏茨泽克（C. F. von Weizsacher）在用核反应来解释恒星内能量产生的过程的同时，也提出了一个宇宙热大爆炸理论。1939年，美国物理学家贝蒂发表了那篇获诺贝尔奖的文章：恒星中的能量产生，指出恒星内部具体的热核反应是“碳氮氧循环”和“质子链反应”。这些都为“热大爆炸宇宙学”的建立提供了坚实的基础。

由此可以看出，在这样的历史条件下，一定会有人提出宇宙热大爆炸理论的。除了魏茨泽克之外，这个人就是伽莫夫。

在内因方面，主要得益于伽莫夫的科学态度和性格。伽莫夫认为，科学研究活动重要的是要“注重思想而不是精于计算”，他始终牢记他大学时代一位教授的教诲：计算那是银行出纳员的事，关键是思想。为了保持思想的活跃，伽莫夫在感到自己新思想源头快要枯竭时就去写科普作品，因为科普作品可以放飞自己的思想。这一点很有启发性。在我们进入人工智能时代的今天，如果没有思想和创新，很多科研工作者就会失业，因为ChatGPT或智能机器人可以接替你的工作！

参考文献

［1］陈美东. 中国古代天文学思想（M）. 北京：中国科学技术出版社， 2008.12：86-126

［2］赵侃士. 牛顿的宇宙和西利格佯谬（J）. 湖南师范大学自然科学学报，2001，24（3）：43-45

［3］艾萨克森. 爱因斯坦传（M）. 张卜天， 译. 长沙：湖南科学技术出版社，2014：224-225

［4］Alpher R A， Herman R C. Remarks on the Evolution of the Expanding Universe（J）. Physical Review，1949，75（7）： 1089-1095

作者简介：徐兴无，1958年5月，男，汉，安徽省阜阳市，研究生，职称，教授级高级工程师，研究方向或从事工作，研究院副院长，新能源，宇宙学，材料科学