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1700926580 虽然伽莫夫现在可以放松一点,但阿尔弗仍有很多工作要做。这项研究是阿尔弗的博士论文项目,因此他必须独立地写出来,给出详细的解释来证明他确实值得这个博士学位。不幸的是,在他开始写作论文不久,他得了严重的流行性腮腺炎。忍受着疼痛和肿胀,阿尔弗只能在床上扶病完成他的论文,他将论文内容口述给他的妻子路易丝。这对夫妇是在乔治·华盛顿大学的夜校认识的,但路易丝学的是心理学而不是物理学,所以她对阿尔弗的研究根本不懂。然而她忠实准确地打出了构成论文核心的深奥的方程。
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1700926582 阿尔弗的工作还没有完成。接下来,他还得经受一次论文答辩——获得博士学位的最后一道关卡。他必须独自坐在答辩小组的专家们前面,并让他们信服,在大爆炸后的瞬间,氢和氦可能按正确的比例产生。他还想说,可以合理地认为,在这个阶段,其他原子也有机会被创造出来。从本质上讲,他捍卫的是他与伽莫夫合作的结果,但此时他必须完全依靠自己的智慧,无法向他的导师寻求建议。如果他成功了,那么他将被授予博士学位;如果他失败了,那么他这三年算是浪费了。他的论文答辩计划于1948年春季举行。
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1700926584 这种论文答辩通常是公开进行的,但它通常不像一场体育活动那样对公众那么有吸引力,所以观众往往是朋友、家属和一些对此特别感兴趣的学者。然而这一次,“一位27岁的新手取得了一项重大突破”的消息已经传遍了整个华盛顿,阿尔弗发现自己是要在300多人(包括记者)的听众面前进行答辩。他们聚精会神地听着一系列莫名其妙的问题和阿尔弗给出的更加神秘的回答。在答辩行将结束时,评审专家们充分相信阿尔弗应当被授予博士学位。
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1700926586 与此同时,记者们特别注意到阿尔弗的一个评论——氢和氦的原初核合成只发生在最初300秒时间内。于是这句话就成了未来几天美国报纸上的头条新闻。1948年4月14日,《华盛顿邮报》宣布,“世界始于最初5分钟”,两天后这家报纸又刊登了一幅漫画,如图78所示。《新闻周刊》则在4月26日发表了同一个故事,但将时间尺度拉长到其他种类原子的创生:“根据这一理论,所有元素都是在一个小时之内创生于一锅原始流体,然后组成我们今天所见的恒星、行星和生命的物质。”事实上,阿尔弗对重于氢和氦的元素谈得很少。
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1700926588 在接下来的几周,阿尔弗享有了很高的知名度。学术界显示出对他的工作的兴趣,好奇的公众给他发邮件,宗教原教旨主义者为他的灵魂祈祷。然而,聚光灯很快暗了下去,正如他所预料的,他消失在他的杰出的合作作者——伽莫夫和贝特——的阴影里。当物理学家们读了他们的文章后,认为伽莫夫和贝特对这一突破的贡献最大,阿尔弗的名字被忽视。阿尔弗在发展大爆炸模型过程中的至关重要的作用应得到恰当的认可这一点,因出于喜剧效果而添加的贝特的名字而被彻底掐灭了。
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1700926593 图78 著名漫画家赫伯特·L.布洛克显示出对阿尔弗的研究感兴趣。这幅出现在1948年4月16日《华盛顿邮报》上的漫画显示了一颗原子弹在思考这个世界在创生最初5分钟的消息。炸弹似乎代表了这样一种恶作剧的想法,它可以在短短5分钟内摧毁这个世界。
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1700926595 神圣的创生曲线
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1700926597 α-β-γ的文章,随着变得众所周知,成为大爆炸宇宙观与永恒宇宙观之争历史上的一个里程碑。它表明,对假设性的大爆炸后的核过程进行实际计算,并以此来检验这一创生理论,是可能的。大爆炸的支持者们现在有了两项观测证据——宇宙膨胀和氢与氦的丰度,并表明它们与宇宙大爆炸模型完全一致。
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1700926599 大爆炸理论的批评者则试图通过破坏大爆炸核合成的成功的基础来进行反击。他们的第一个反应是诋毁伽莫夫和阿尔弗的计算结果与观测到的氦丰度之间的一致性。第二个,也是更实质性的批评,是针对伽莫夫和阿尔弗未能解释重于氢和氦的核的创生问题。
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1700926601 伽莫夫和阿尔弗在他们发表论文时,在很大程度上将这个问题放在了一边,打算以后来解决它。但事实上他们很快就意识到,他们的研究已经进入了一个死胡同:试图用大爆炸的热来合成比氦重的任何核似乎是不可能的。
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1700926603 他们最大的困难是所谓的5核子鸿沟。“核子”是对原子核中任何组成部分的总称,它包含质子和中子。因此:
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1700926605 常见的氢包含1个质子+0个中子=1个核子
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1700926607 同位素氘包含1个质子+1个中子=2个核子
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1700926609 同位素氚包含1个质子+2个中子=3个核子
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1700926611 常见的氦包含2个质子+2个中子=4个核子
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1700926613 因此下一个重核将包含5个核子,但这种核不存在,因为它本质上是不稳定的,这是复杂的核相互作用力的结果。然而,在不稳定的5核子核之外还有一系列稳定的核,如碳(通常有12个核子)、氧(通常有16个核子)和钾(39个核子)。
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1700926615 为了对为什么核子数决定着某个核的稳定性和存在性(以及其他核的不稳定性和不存在性)这一点有所认识,我们来考虑车辆的稳定性与它们有多少只轮子之间关系的情况。我们见过独轮车,也见过两轮的自行车、三轮车和四个轮子的汽车。但五个轮子的车辆实际上是不存在的,因为第五个轮子没什么用处,如果有的话,它只会不利于车辆的稳定性和性能。然而,再增加一个轮子则将提高平衡性并有利于均衡车辆的荷载,许多载重卡车确实有六个甚至更多的轮子。同样,但出于不同的原因,1核子、2核子、3核子、4核子和6核子的核都是稳定的,但5核子的核实际不存在。
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1700926617 但是,为什么缺乏5核子核对伽莫夫和阿尔弗就是灾难性的呢?原来在构成如碳以上的较重原子核的核合成道路上,这种缺乏明显是一道不可逾越的裂隙。从轻核变换到重核的路径包含一个或多个中间步骤,如果其中某一步不被允许,那么整个路径都将被阻塞。取得较重的原子核的明显路径是向氦核(4个核子)中添加1个质子或中子生成5核子核,但这是完全不允许的核的类型。因此,实现较重的原子核的道路被封堵。
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1700926619 一种解决方案是让一个氦核同时吸收1个中子和1个质子,从而跳过不稳定5核子核,直接生成稳定的6核子锂核(3个质子和3个中子)。然而,1个质子和1个中子同时以完全正确的方式击中氦核的机会微乎其微。这种核反应很难触发,因此想让两个碰撞正好同时发生的愿望太过牵强。
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1700926621 另一种跳过5核子步骤的方法是让两个4核子的氦核合并生成一个8核子核,但出于与5核子核不稳定的同样理由,这种核也是内在地就是不稳定性的。大自然令人气恼地将两条最明显的轻核变重核的路径都堵死了。
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1700926626 图79 匈牙利出生的物理学家尤金·魏格纳试图找到一条从氦核越过5核子鸿沟到碳核以及更重的核的途径,但未能成功。乔治·伽莫夫画了一幅漫画来说明维格纳的失败途径之一。伽莫夫的标题解释道:“E.维格纳提出了另一条跨越质量5的鸿沟的巧妙方法。这就是著名的核铁索桥方法。”
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1700926628 伽莫夫和阿尔弗没有退却。他们用最新的中子寿命和反应截面数据更新了他们的计算。此外,原论文的计算一直依靠的是电驱动的Marchant&Friden台式计算器,现在他们利用计算领域最新发展起来的技术手段来处理问题。他们获得了里夫斯模拟计算机,随后他们又升级到磁鼓存储式计算机。后来,他们又投资购买了IBM的可编程读孔式计算机,最后是SEAC,早期的数字计算机。
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