AL123 人文社科免费专区文学 2024-06-09

全部的真相：一位宇宙学家对客观实在的探索与思考_【美】P.J.E.皮布尔斯_AZW3_MOBI_EPUB_PDF_电子书（无页码）_【美】P.J.E.皮布尔斯

内容节选

5.1伽莫夫的热大爆炸宇宙学伽莫夫在1948年发表了两篇关于宇宙学的论文。这两篇论文极佳地展现了他极富想象力而又充满直觉的物理科学研究方法。二战前，人们认为化学元素可能是由原子核之间的热核反应形成的，或许就是发生在宇宙膨胀炽热的早期。这种想法或多或少地为他指引了方向。元素的热产生需要的温度由冯·魏茨泽克（von Weizsäcker，1938）估计为1011K的量级，比恒星内部还要热很多。他提到了对那些看上去正以1/10光速远离我们的旋涡星云（也就是星系）所做的观测。在他看来，这意味着：如果可以将旋涡星云光谱的红移解释为多普勒效应，那么在时间上倒推就得出一次爆炸运动，从而给出了一个具体的理由，可以认为在大约3×109年之前的某个时间点，世界处于一种与今天截然不同的物理状态。（由我借助谷歌给出的翻译）这是对热大爆炸图像的第一次近似描述。（39亿年这一相对较短的膨胀时间是由于哈勃高估了膨胀率所致。）冯·魏茨泽克也许一直在考虑的是，一次剧烈的“爆炸运动”理应是炽热的，或许达到了足以产生热核反应的温度。他也许知道托尔曼（1934）所描述的那种相对论性大爆炸理论，而且知道托尔曼证明了一个充满热辐射之海的宇宙通过均匀膨胀会使辐射降温同时保持其热谱。热辐射是直接相关的，因为在寻找能够与观测值比较的同位素丰度比的预言值时，冯·魏茨泽克所用的理论就假设与一片热辐射之海达到热平衡（也就是统计平衡）。从统计力学，即热的量子理论得出的这些丰度比的理论表达式被称为萨哈方程，以印度物理学家梅格纳德·萨哈（Meghnad Saha）命名。它适用于这样的过程：原子核通过俘获或失去自由中子而增加或减少原子量，同时伴随着光子的发射或俘获。萨哈方程描述了当光子形成一片热辐射之海时，俘获与失去过程所达到的统计平衡。萨哈平衡中重要的自由参数是辐射温度。在冯·魏茨泽克关于元素起源的图像中，元素形成过程中的温度是需要调节才能使得丰度比的计算值与测量值相一致的。不同的化学元素对应不同的温度，但人们可以设想一些方法来避开这个问题。冯·魏茨泽克（1938）提到与伽莫夫通信讨论过通过碳、氮和氧的原子核催化将氢转化为氦的核反应。这是一种释放恒星中核结合能而让它们持续发光的途径。那么伽莫夫就有可能知道冯·魏茨泽克关于元素形成的想法。在冯·魏茨泽克论文发表后的第二年，和爱德华·泰勒（Edward Teller）一起，伽莫夫发表了他在宇宙学上的第一篇论文，讨论的是与炽热宇宙中元素形成有关的星系形成问题，见下文。伽莫夫和泰勒（Gamow and Teller，1939）考虑了在膨胀的宇宙中通过引力结合起来的像星系这样聚集了一定质量的束缚体系。根据引力吸引作用克服物质压强排斥作用这一条件，物质的温度为这一质量设定了最小值。他们提出，这个最小质量值有可能解释星系的一种特征质量。伽莫夫和泰勒提到了金斯（1928），后者在静态宇宙的假设下通过牛顿物理学推导出了这个最小质量。对金斯的计算做简单改动就可以将广义相对论物理学中的宇宙膨胀考虑进去，但伽莫夫的典型做法却是选择一种物理直觉上合理而又更快的方式来得到实质上相同的答案。一个区域能够脱离整体膨胀而形成引力束缚的质量聚集区所满足的条件，称为“伽莫夫和泰勒条件”，即：表面上的引力势大于这些粒子的固有动能。除了一个不重要的数值因子外，这个条件可以将金斯长度确定下来。战后，伽莫夫重新开始在这个方向上进行思考，并考虑它们与元素形成的关系。亚瑟·米尔恩（Arthur Milne，1932）和奥斯卡·克莱因（Oskar Klein，1956）考虑了另一种图像：束缚的质量在别无他物的空间中剧烈爆炸。在这种图像中，热辐射会逃离物质的边界。电磁辐射谱的微波波段的波长范围从1毫米到1米。这种残余热辐射之海的谱在2毫米左右达到峰值（取决于你如何定义它），而且它是在0.5毫米到大约1米的波长上被人们探测到的。我们可以设想冯·魏茨泽克以及钱德拉塞卡和亨里希（Chandrasekhar and Henrich，1942）——后二者仔细研究了冯·魏茨泽克的想法——都明白，他们通过统计力学所做的计算都假设了与一片热辐射之海形成的统计平衡。这是标准的物理学。有一些有趣的细节似乎没有被他们注意到。他们隐含地假设了一个在空间上均匀的辐射温度。在空间均匀的大爆炸宇宙学中，热辐射之海不会随着宇宙膨胀而消失。如果宇宙是处处相同的——我们现在对此已有大量的检验而当时的宇宙学家通常是假设这一点，那么热辐射也是近乎处处相同的，它没有其他地方可去。宇宙膨胀会降低辐射温度，同时保持其热谱，正如托尔曼已证明的那样。于是人们认为：宇宙目前包含了一片热辐射之海，它是早期炽热宇宙遗留下来冷却后的残余。现在证明这种想法是正确的，这种残余在微波波段上被探测到了。该想法战前就存在，等待着人们去......