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1700926641 虽然重原子的核合成遇到了问题,但阿尔弗开始跟一位名叫罗伯特·赫尔曼的同事合作开展了大爆炸理论另一方面的研究工作。阿尔弗和赫尔曼有很多共同之处。两人都是定居在纽约的俄罗斯犹太流亡者的儿子,都是试图名扬天下的年轻的研究人员。当赫尔曼听到伽莫夫和阿尔弗关于宇宙的讨论后,他克制不住要参与他们的研究。有关宇宙极早时期的计算的想法简直太有诱惑力了。
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1700926643 阿尔弗和赫尔曼根据大爆炸模型重温了宇宙的早期历史,由此开始了他们的新的合作。宇宙极早期阶段纯粹是混沌状态,能量太大使得物质的任何显著变化都无法实现。接下来的几分钟非常关键,可称为黄金时代——不太热,也不太冷,恰到好处的温度形成了氦等轻核。这是α-β-γ论文里所研究的时代。此后,宇宙变得太冷阻止了进一步聚变,但不管怎样,不稳定的5核子核似乎都是生成较重原子核道路上绕不过去的障碍。
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1700926645 虽然对于聚变反应温度已过低,但宇宙的温度仍然有大约100万度,这导致所有的物质以一种称为“等离子体”的状态存在。第一种也是最冷的物质状态是固态,其中的原子和分子被紧密地束缚在一起,例如在冰中。第二种温度稍高点的状态是液态,其中的原子或分子之间的连接较为松弛,允许它们流动,如水分子。第三种温度更高的状态是气态,在气态下原子或分子之间几乎没有任何约束,它们可以独立地移动,如蒸汽分子。物质的第四态——等离子体态,温度是如此之高,以至于原子核已无法管束住自己的电子,所以这种态是一种原子核和电子各自独立的混合态,如图81所示。大多数人都不了解等离子态状态,尽管我们中的许多人每天都会点亮一根荧光灯管,使得里面的气体被电离成等离子体。
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1700926647 因此,在宇宙创生的一小时后,它仍然是一锅简单的原子核和自由电子混成的等离子体汤。带负电荷的电子会因为异号电荷之间的相互吸引而试图将自己锁定在带正电荷的原子核上,但它们运动得太快根本无法束缚在围绕核的轨道上。原子核和电子之间发生一次又一次碰撞反弹,等离子体的状态持续存在。
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1700926652 图81 这4幅图以水为例代表着4种物质状态。水的分子式是H2O,每个分子由两个氢原子结合到一个氧原子上组成。这些分子可以相互绑定形成固体,但热能会削弱这些分子键,形成液体,甚至能够使它们断开形成气体。热能的进一步提高则可以让电子剥离原子核,形成等离子体。
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1700926654 宇宙中还包含一种成分,即占压倒性的光的海洋。然而令人惊讶的是,对这种在宇宙诞生之初就存在的东西,我们没有任何富于启发的经验,因为这时不可能看到任何东西。光很容易与带电粒子(如电子)相互作用,所以光会不断地散射等离子体中的粒子,导致一个不透明的宇宙。由于这种多重散射,等离子体会表现得像一团雾。在雾气中你不可能看到前方的汽车,因为它发出的光在到达你这里之前已经被精细的水滴散射了无数次。因此,能到达你眼睛的光都是经过了很多次的转向。
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1700926656 阿尔弗和赫尔曼继续发展他们的早期宇宙的历史,他们不知道宇宙初期的这种光海与等离子体之间的相互作用随着宇宙在时间推移中膨胀还会发生什么事情。他们意识到,随着宇宙的膨胀,它的能量会散布在更大的体积里,所以宇宙和它里面的等离子会平稳地冷却下来。这两个年轻的物理学家推测,当温度逐渐降低到等离子体无法继续存在时会有这样一个关键时刻,在这一点上,电子会被束缚在原子核上,形成稳定的、中性的氢原子和氦原子。对于氢和氦,从等离子体到原子的转变大约发生在3000℃的条件下,他们估计宇宙要冷却到这个温度大约需要30万年左右的时间。这个事件通常被称为重组(这个词容易引起误解,因为它给人感觉好像电子和原子核以前是结合着的,但实际不是这种情形)。
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1700926658 重组后,宇宙中充满了中性的气态粒子,因为带负电荷的电子都被结合到带正电荷的原子核上去了。这极大地改变了充盈着宇宙间的光的行为。光与等离子体中的带电粒子容易相互作用,但不与气体中的中性粒子作用,如图82所示。因此,根据大爆炸模型,在重组的时刻是宇宙历史上光线第一次可以顺畅地穿越空间的时刻。在此时刻,仿佛宇宙的雾突然消散了。
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1700926663 图82 根据大爆炸模型,重组的瞬间是早期宇宙历史上的一个重要的里程碑。
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1700926665 图(a)显示的是在大爆炸后的前30万年的宇宙环境,这期间一切都是等离子体。光线被它们遇到的粒子不断散射,因为许多粒子都是带电的,这使得散射过程频发。
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1700926667 图(b)显示的是重组后的宇宙环境。这时宇宙已冷却到足以使氢和氦原子核俘获电子,形成稳定的原子。由于原子是电中性的,因此这个阶段没有独立的电荷使光散射。因此宇宙对光是透明的,光线可以顺畅地穿越宇宙。
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1700926669 随着阿尔弗和赫尔曼对后重组宇宙的意义的深入理解,笼罩在他们心头的浓雾也消散了。如果大爆炸模型是正确的,如果阿尔弗和赫尔曼掌握了物理真谛,那么在重组时刻就存在的光就可在今天的宇宙中被探测到,因为光不与弥漫在空间的中性原子相互作用。换句话说,在等离子体时代结束时所释放的光,现在应该作为一种“化石”存在。这种光将是大爆炸的遗产。
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1700926671 阿尔弗和赫尔曼的研究完成于α-β-γ论文面世后的短短几个月之内。应该说,这项研究比计算大爆炸后最初几分钟内的氢变氦过程更为重要。原创性的α-β-γ论文是辉煌的,但它很容易遭到持成见者的指责。当阿尔弗和伽莫夫进行早期的计算时,他们从一开始就知道他们试图寻找的答案,即观测到的氦丰度。所以,当理论计算与观察相匹配时,批评者试图通过声称伽莫夫和阿尔弗原本就在正确的方向上展开他们的计算来诋毁他们的成就。换句话说,反对大爆炸的攻击者不公平地指责他们是为了得到期望的结果来构建他们的理论的,这就像托勒密为了配合火星的逆行玩弄本轮的做法一样。
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1700926673 与此相反,来自创生后30万年的光的遗迹则绝不能被解释为事后诸葛亮。这里没有任何指责的余地。这种光的回声是唯一基于大爆炸模型的一个明确的预言,因此阿尔弗和赫尔曼提供的是一种判决性的检验。检测到这种光将为证明宇宙确实始于大爆炸提供有力的证据。相反,如果这种光不存在,那么大爆炸就不可能发生过,整个模型将崩溃。
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1700926675 阿尔弗和赫尔曼估计,重组时刻所释放的光海具有大致千分之一毫米的波长。这个波长是等离子体雾消散时宇宙温度(即3000℃)的直接结果。然而,所有这些光波会被拉长,因为宇宙自重组以来已经不断膨胀。这就像明显退行的星系所发出的光具有拉长和红移一样,这种效应已经被诸如哈勃等天文学家测得。阿尔弗和赫尔曼自信地预言,抻长了的大爆炸的光的波长现在应该有大约1毫米。这种波长对人眼是不可见的,它位于频谱的所谓微波波段。
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1700926677 阿尔弗和赫尔曼做出具体的预测。宇宙应该充满了波长1毫米的微弱的微波,它应该来自各个方向,因为它在宇宙的重组时刻无处不在。任何能够检测到这种所谓的宇宙微波背景辐射的人都将证明,宇宙大爆炸真的发生过。这一不朽的遗迹就等着人去进行测量了。
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1700926679 不幸的是,阿尔弗和赫尔曼的结论被完全忽略了。没有人做出任何认真的努力去寻找他们提出的宇宙微波背景辐射。
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1700926681 为什么学术界会回避宇宙微波背景辐射的预言,这有多种原因,但首要的是这种研究的跨学科性质。伽莫夫团队一直将理论核物理应用到宇宙学上来提供所需的微波检测,以图检验其预测。因此,检测宇宙微波背景辐射这一预言的理想人选应当是对天文学、核物理学和微波探测技术都感兴趣且有此专长的某个人,但极少有人能有这样宽广的知识面。
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1700926683 即使某个科学家确实具备进行这一探测所必需的技能,他也不会相信检测这种宇宙微波背景辐射在技术上是可行的,因为微波技术在当时还比较初级。即使碰巧他对这一技术的挑战持乐观态度,那么他也可能对该项目背后的目的持怀疑态度。大多数的天文学家当时还不能接受大爆炸模型,并抱定一个永恒宇宙的保守观念。因此,他们为什么要费心去寻找一种出自于很可能根本不存在的大爆炸的宇宙微波背景辐射呢?阿尔弗后来回忆到他、赫尔曼和伽莫夫是怎样花上5年时间来努力说服天文学家相信他们的工作是值得认真考虑的:“我们花了大量精力来讨论这项工作。没有人响应,没有人说这是可行的。”
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1700926688 图83 罗伯特·赫尔曼(左)和拉尔夫·阿尔弗(右)用伽莫夫和贴着“yIem”的酒瓶制造了他们自己的蒙太奇,来庆祝αβγ论文的发表。阿尔弗偷偷地做了一组幻灯片,当他1949年在洛斯阿拉莫斯国家实验室做报告时,这个画面突然出现在屏幕上,这让作为听众的伽莫夫十分惊喜。画面上伽莫夫像一个跟着原始粒子汤一起从瓶子里逃出来的精灵。
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1700926690 为了解决他们的问题,阿尔弗、赫尔曼和伽莫夫不得不忍受着形象上的侮辱。他们常常被描绘成两个年轻的暴发户跟在一个小丑后面亦步亦趋。伽莫夫一向以他的打油诗和他时不时对物理学的另类应用而著称。有一次,他认为上帝住在离地球9.5光年远的地方。这个典故源自这样一个事实:1904年,日俄战争爆发后,俄罗斯各地的教会曾提出请求祈祷日本遭到破坏,但直到1923年日本才遭受关东大地震的破坏。想必祈祷者的祈祷和上帝的愤怒都受到光速的限制,这个延迟的时间表明了主的住所的距离。伽莫夫还因《仙境里的汤普金斯先生》一书而著称。在这本书里,他描述了一个光速仅为几千米每小时的世界,因此骑自行车的人看到了很多相对论的奇异效应,如时间膨胀和长度收缩。不幸的是,一些竞争对手认为这一做法是在推广幼稚和庸俗。阿尔弗总结了他们的困境:“因为他用科普的语言来写物理学和宇宙学,因为他在演讲中注入了大量的幽默,因此有太多的同行科学家经常不拿他当回事儿。他的不被重视也让作为他的同事的我们两个被忽略,特别是因为我们从事的是这样一种猜测性的宇宙学领域的工作。”
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