图:AIP Emilio Segrè Visual Archives(署名许可)
乔治·伽莫夫
George Gamow1904–1968 · 生于俄国敖德萨 · 苏联 → 美国
划着皮划艇想逃出苏联,失败两次;后来预言了宇宙微波背景,也没人当真
「这个理论预言的辐射,今天应当对应约五开尔文的温度。」
—— 阿尔法与赫尔曼据伽莫夫框架给出的估计(1948),据英文原文意译
1948 年,一篇三个作者的短文发表在《物理评论》上,作者是阿尔法、贝特、伽莫夫。
贝特其实没有参与这项工作。伽莫夫觉得「阿尔法-伽莫夫」不够好,硬把贝特的名字塞进中间,凑成 α-β-γ,并且刻意安排在 4 月 1 日那期发表。贝特没有反对——他后来说自己觉得这个玩笑不错。
玩笑背后的内容是:宇宙中氢与氦的比例,可以由大爆炸最初几分钟的核反应算出来。
两次皮划艇
伽莫夫生在敖德萨。他在列宁堡大学读书时,弗里德曼本应是他的导师——那位算出膨胀宇宙的人 1925 年病逝,年仅三十七岁。
1928 年,二十四岁的伽莫夫在哥廷根做了一件漂亮事。α 衰变有个说不通的地方:射出的 α 粒子能量只有几个兆电子伏,却要从一个高得多的势垒里出来——按经典力学它根本翻不过去。而且不同元素的半衰期从微秒跨到十亿年,相差二十几个数量级。
他的解释是量子隧穿:粒子有一定概率穿过势垒而不是翻过去,概率对势垒的高度与厚度呈指数敏感——这正好解释了半衰期跨度为什么那么大。这是量子力学第一次被用到原子核上。
1930 年代苏联的气氛急转直下。1932 年伽莫夫与妻子两次试图划皮划艇逃离:一次从克里米亚横渡黑海去土耳其,划了两天遇上风浪被迫返回;一次从摩尔曼斯克往挪威,同样失败。
1933 年他获准去布鲁塞尔参加索尔维会议——据说是靠朗道等人帮忙运作。会后他没有回国。
最初的三分钟
到美国后他转向宇宙学。
勒梅特提出宇宙有个开端,但没人算过那个开端里发生了什么。伽莫夫的想法是:如果早期宇宙极热极密,那里应该发生核反应,而反应的产物今天还在。
1948 年的 αβγ 论文与随后的工作给出了图景:最初几分钟里,质子与中子结合成氘、氦,而更重的元素合成不出来(质量数 5 和 8 处没有稳定核,链条断了)。算出的氦丰度约占重子物质的四分之一——与观测相符。至于比氦重的元素,后来由 B²FH 论文归因于恒星内部。
同年,他的学生阿尔法与赫尔曼推出了一个副产品:那团火球的辐射不会消失,只会随宇宙膨胀而冷却。他们估算今天应残留在微波波段,温度约五开尔文。
这个预言几乎无人理会。它被埋在一堆论文里,射电天文学家不读宇宙学期刊,而当时也没人认为几开尔文的背景辐射能被测出来。
1965
1964 年,贝尔实验室的彭齐亚斯与威尔逊在调试一台喇叭形天线时,怎么也去不掉一片均匀的噪声。他们清理了天线里的鸽子粪,噪声还在;换季节、换指向,噪声不变。
几十公里外的普林斯顿,迪克小组正在按同样的思路搭建探测器准备去找大爆炸余晖——他们并不知道伽莫夫的团队十六年前就算过。一个电话把两边接上了。1965 年两篇论文并排发表:彭齐亚斯与威尔逊报告测量,迪克小组给出解释。
温度是 2.7 开尔文。稳恒态宇宙学就此出局。
1978 年诺贝尔奖颁给彭齐亚斯与威尔逊。伽莫夫、阿尔法、赫尔曼都不在名单上——伽莫夫 1968 年已经去世,而阿尔法与赫尔曼为此抱憾终生。
汤普金斯先生
伽莫夫还有另一重身份:二十世纪最好的科普作家之一。
《汤普金斯先生漫游奇境》让一位银行职员做梦掉进光速只有每小时几十公里的世界,亲身体验相对论效应;《从一到无穷大》至今是许多人接触科学的第一本书。他 1956 年获联合国教科文组织的卡林伽科普奖。
他还插手过分子生物学。1953 年 DNA 双螺旋公布后,他立刻意识到问题的实质是编码:四种碱基如何指定二十种氨基酸?他提出的「菱形码」方案后来被证明是错的,但他把这个问题正确地表述成了一个组合数学问题,并组织了「RNA 领带俱乐部」——二十位成员各代表一种氨基酸,每人一条印着自己那种氨基酸的领带。克里克是成员之一。
代表方程
α 衰变的隧穿概率
1928 年他用量子隧穿解释了 α 衰变:粒子能穿过它按经典力学翻不过去的势垒。这是量子力学第一次被用到原子核上,也解释了为什么半衰期能从微秒跨到十亿年。
大爆炸余晖的温度
若宇宙曾极热极密,那团火球的辐射会随膨胀冷却,今天应残留在微波波段。1948 年给出的估计是几开尔文,1965 年实测为 2.7 开尔文。
伟大发现
出处
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