万物理论03·重大突破「遗传密码」
著者：@太空生物学 / @天体生物学
上个世纪40年代「大爆炸模型」虽然有哈勃等人的观测证据，有弗里德曼和勒迈特等人的理论支撑，但是依然有很多人是反对的，为了使「大爆炸模型」被广泛地接受，有一个问题是不容忽视的，那就是——为什么有些元素比其他元素更常见！
以地球为例：地心是由铁元素组成的，地壳则由氧、硅、铝、铁元素作为主导，海洋是由氢元素和氧元素构成的，大气主要是氮和氧。
然而，在宇宙的角度来看，地球的元素丰度并不是典型的，如果把尺度放得大一些，利用光谱学研究星光，「氢」才是宇宙中最丰富的元素，其次是「氦」，它们两者占宇宙中所有原子的99%以上，接下来才是氧和碳。
从一个总体的角度来看，越是重的原子在宇宙中的比例也就越低，「永恒宇宙模型」的支持者无法给出一个明确的答案，他们的思路是——宇宙一直就是这样的，一直就是这样的元素比例，而且永远是不变的。
元素丰度对于「永恒宇宙模型」的支持者来说是宇宙的固有属性，这个答案显然令人非常不满意，因为说了等于没说，如果「大爆炸模型」能够解释——宇宙为什么有着这样的元素比，那么相信接受「大爆炸模型」的人就会变得更多了。
不幸的是，当时的「大爆炸理论」并不能解释宇宙的元素分布
比利时天文学家勒迈特虽然顶着「大爆炸之父」的名誉，虽然他是那个曾经证明了爱因斯坦是错误的人，但是他的理论却与现实背道而驰，在勒迈特的模型中，宇宙始于一个单一的、质量巨大的「原始原子」，它是所有原子的母亲，原子世界分裂成一个又一个更小的碎片，而每个碎片又分为更小的碎片。
「大核」是不稳定的，一个质量超重的原子更是极不稳定，它会很快地分裂成为较轻的原子，铁原子是最稳定的，它是核反应吸收能或者放能的界限。任何比铁轻的原子核核聚变都能释放能量，任何比铁重的原子核核聚变都需要吸收能量。
按照勒迈特的模型，如果万物是由大原子分裂成为小原子，这个过程应当在铁原子这一步就结束了，这将导致一个以铁元素为主的宇宙，而我们都知道这个宇宙是氢和氧所主宰的，因此如果「大爆炸模型」想要得到大家的认可，就一定要能够解释「元素的风度」，能够解释为什么宇宙是被氢和氧所主宰的。
物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）是「热大爆炸宇宙学模型」的创立者，也是最早提出「遗传密码模型」的人，伽莫夫与之前提到的一位物理学家关系非常紧密，这个人就是——弗里德曼，最早提出宇宙可能膨胀的人，弗里德曼是伽莫夫的博士生导师，学习的正是宇宙模型。
此外，青年时期的伽莫夫还曾经师从玻尔和卢瑟福，这让伽莫夫既了解宇宙模型又了解核物理，伽莫夫思考「热大爆炸宇宙学模型」的思路是这样的——至今为止氢原子依然在宇宙中的数量比例超过90%，那么能否假想宇宙就是始于「一锅致密的、简单的、向外膨胀的氢原子汤」呢！
伽莫夫首先考虑的是恒星中的氦元素，以我们的太阳为例，太阳每秒能够产生的氦元素质量是5.8×10⁸吨，这个数字听起来感觉很大，但是目前太阳中所有氦元素的质量是5×10²⁶吨。按照目前恒星中氦生成的速率生成这么多的氦，需要270亿年，当时的热「大爆炸模型」推算出的宇宙年龄是远远小于270亿年的，因此伽莫夫得出结论——恒星中的氦元素必定在恒星形成的时候就已经存在，它们有可能是在大爆炸时候产生的，核反应的结果几乎完全取决于密度和温度，密度决定了给定体积里的原子数，密度越高，两个原子发生碰撞并聚变的可能性也就越大，温度的增加会使得原子的运动速度也更快，这意味着它们的核更容易发生聚变。
伽莫夫估算了宇宙密度，利用哈勃对宇宙膨胀的测量结果，让时间向前拨，让宇宙越来越小，物质越来越紧密，压缩物质通常会产生热量。「例如给自行车打气的时候，用手摸上去就会感到热。」这样极早期的宇宙，必然是一个极高温的环境，极高温的情况下，所有的物质都破碎成最基本的物质形式。
因此，伽莫夫假设宇宙的初始成分被分离成质子、中子和电子，这是当时物理学家所知道的最基本粒子，伽莫夫称这种混合为——Ellen。伽莫夫在韦氏词典中偶然查到的一个词，这个单词在英语中当时是已经废置的单词了，它的意思是「构成元素的原始物质」。伽莫夫就用这个词描述了那个温度非常热、能量非常大、以至于电子快得根本就无法属于任何原子核的原始宇宙，就好像一碗包着「滚烫的中子、质子和电子的粒子汤」。
从这碗热的、致密的粒子汤出发，伽莫夫试图将时钟慢慢地向前拨，来搞清楚中子、质子和电子是如何开始黏在一起，形成我们今天所熟悉的原子核，但是这样的计算难度还是太大了，在某一时刻宇宙有一个确定的温度、密度和粒子的组合，但下一刻宇宙就会膨胀了，它的温度变低、密度变小粒子的组合已经稍有差异了，具体的变化有可能已经发生了核反应而定。伽莫夫虽然是一个非常伟大的物理学家，但数学计算呢却是他的弱项，核反应计算超出了他的能力，那个时候也不像现在这样，可以利用计算机编程计算，所以他需要有人在数学方面与他合作。
α、β、γ理论·化学元素的起源
1945年，伽莫夫得到了他最得力的帮手——拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）。阿尔弗是一个数学天才，16岁的时候就获得了麻省理工学院的奖学金，而这方面正好是伽莫夫最薄弱的地方。
与伽莫夫合作以后阿尔弗面临着重重的困难，极早期的宇宙是如此之热，能量是如此之高，使得质子和中子的运动快到根本无法束缚在一起，然而过了一会儿，宇宙的温度便下降到质子和中子不再有足够的能量或者速度来启动核反应的地步。同时自由中子的半衰期大约为10分钟，这意味着有一半的中子在10分钟后就会消失了，剩下的中子在另外的10分钟后又会消失一半，除非它们被束缚在氦核这样的原子核内。此外，还存在一种依赖温度的核反应，它们可以生成中子，这个过程使得情形进一步的复杂化了。
阿尔弗毕竟也是一个数学天才，而且也得到了不少帮助，例如在计算核反应的过程中，使用了某些在第二次世界大战中发展出来的第1代计算机，二战后许多原子弹项目的秘密也得到了公开，可以趁机利用这些珍贵的数据，最终伽莫夫和阿尔弗将他们的计算结果以及结论写成了一篇题为《化学元素的起源》正式论文提交给物理评论杂志。
伽莫夫这个人向来以幽默著称，当他知道他的论文将在1948年4月1日愚人节那天发表出来的时候，就将他的朋友汉斯·贝特(Hans Bethe，1906年7月2日-2005年3月6日)的名字也加入到了这篇论文的作者中，因此这篇论文的作者就变成了阿尔弗、贝特和伽莫夫，这是希腊字母表前三个字母α、β、γ的双关语，因此这个结论也称作——「α、β、γ理论」。然而，「α、β、γ理论」中的β也就是贝特，对这个理论丝毫没有任何的贡献，这只是伽莫夫的一个小把戏罢了，伽莫夫在文章中加入贝特，多半出于喜剧效果，但这也在一定程度上削弱了人们对阿尔弗贡献的认知，在三个作者之中伽莫夫是阿尔弗的导师，汉斯·贝特也是「曼哈顿计划」洛斯阿拉莫斯实验室理论物理部的主任，负责设计原子弹的专家。
即便是这样，在阿尔弗毕业论文答辩的时候还是吸引了300多人到场，不仅是朋友、家属和相关的学者，还包括记者和一些不明真相的群众，人们都对这位博士取得了一项关于宇宙创生的重大突破，非常感兴趣。
「α、β、γ理论」有一个重大的缺陷
根据「α、β、γ理论」，宇宙在创生的最初几分钟内，由火球状态膨胀，而冷却的时候由一锅质子、中子和电子“汤”聚变成了75%的氢核和25%的氦核，在那个「大爆炸模型」并没有得到实质性认可的时候，这一理论与观测到的宇宙氢与氦的丰度非常一致，那个时代计算机已经开始应用了，经过精确的计算后，证实了早期宇宙创生时刻的氢和氦的相对丰度与观察到的当前宇宙中的比例基本一致。
因此，「α、β、γ理论」与哈勃发现的宇宙膨胀一起撑起了「大爆炸模型」的重要防线，但是「α、β、γ理论」也不是无懈可击，它还有一个重大的缺陷，就像哈勃发现宇宙膨胀并不能解释宇宙的年龄为什么会小于地球的岩石年龄一样，「α、β、γ理论」也不能解释比氦更重的元素是如何生成的。
最初伽莫夫和阿尔弗准备先将这个问题放在一边打算以后再解决，但事实上他们很快就意识到了，他们的研究已经进入到了一个死胡同中，试图用“大爆炸的热”来合成任何比氦还重的核，似乎是不可能的。
我们见过2个轮子的车，见过3个轮子的，见过4个轮子的，但是你一定没有见过5个轮子的车，就像车子不能有5个轮子一样，5个核子的原子核也是不存在的，核子是对原子核中任何组成部分的总称，它包括质子和中子，常见的氢原子中只有1个质子，它是1个核子的原子，氢的另外两种同位素氘和氚分别多出1个中子和2个中子，它们是2个核子和3个核子的原子，常见的氦，包括2个质子和2个中子，加起来有4个核子，但是5个原子的原子核并不存在的，它本质上是不稳定的，这是复杂的核内相互作用力 结果。
然而在不稳定的5核子外还有一系列稳定的核，例如碳，它通常有12个核子氧，通常有16个核子等等，然而为什么缺乏5核子的核对伽莫夫和阿尔弗就是灾难性的呢？
从轻核变换到重核的路径上，包括1个或者多个中间的步骤，如果其中某一步不被允许，那么整个路径就将堵塞，取得较重的原子核的明显路径，是向氦核中添加1个质子或者中子生成5个核子的核，但这是完全不允许的核类型。
一种解决方案是让1个氦核同时吸收1个中子或者1个质子，从而跳过不稳定的5核子的核，直接生成稳定的6核子的锂核，它是3个质子和3个中子组成的核子。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，因此想要两个碰撞正好同时发生的愿望太过于牵强。
另外跳过5核子步骤的方法是，让2个“4核子”的氦核生成1个“8原子的核”，但出于5核子和不稳定的同样理由，这种“核”也是不稳定的，于是由氦核变为重核的最明显的两条路径已经完全被堵死了。
「黄金时代·物质处于等离子态」
虽然重原子的核合成遇到了问题，但阿尔弗开始跟另外一名叫 罗伯特·赫尔曼(Robert Hermann，1914年-1997年)的同事合作开展了大爆炸理论另外一个方面的研究工作。阿尔弗和赫尔曼根据「大爆炸模型」重温了宇宙的早期历史，在宇宙的极早期阶段，纯粹是一种混沌状态，能量太大使得物质的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，从此宇宙变得太冷，阻止了一切的聚变，但宇宙的温度仍有大约100万摄氏度，这导致所有的物质都将以一种「等离子态」的形式而存在着。
等离子态
物质除了固态、液态和气态以外，还有一种物质状态被称为「等离子态」，当我们看到闪电、流星、打开等离子电视，看到部分高温的火焰燃烧的时候，它们都处于等离子态，在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态，宇宙中大部分发光的星体内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态。
在固态、液态和气态物质中，电子围绕着原子核旋转，而在等离子态中，原子中的电子会摆脱原子核的束缚，从而变成自由电子，而原子则因失去电子而变成带正电的离子。
在宇宙大爆炸之后的一段时间内，大概是1个小时以后，虽然已经不能继续核反应了，但由于温度依然很高，宇宙仍然是一锅由简单的原子核和自由的电子混合成的等离子汤，在这锅汤中，光很容易与带电粒子相互作用，所以光会不断地被等离子中的粒子散射，如果光线被大量散射的时候，我们就无法看清楚物体的相貌。
同样的在等离子态的宇宙中，光子不断被碰撞、被吸收、又重新发射，所以即使我们能够回到那个时代，我们也什么都看不见，因为光只有从一个地方直线传播到我们的眼睛中，我们才能够看见。
宇宙什么时候从黑暗走向光明
伽莫夫团队考虑到，随着宇宙的继续膨胀，它的温度会继续下降，当温度逐渐降低到等离子体无法继续存在的时候，电子就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摄氏度的条件下，伽莫夫团队估计宇宙要冷却到这个温度，大约需要30万年的时间。突然有那么一个时刻形成了氢和氦的中性原子，笼罩在整个宇宙空间中的雾霾突然就消失了，只喜欢带电粒子而不与中性粒子作用的光终于可以在空间中自由地向前奔跑了，它们一跑就是这么100多亿年。
如果「大爆炸模型」是正确的，伽莫夫团队推算在等离子体时代告别的那一刻，所释放的光就将是大爆炸留给我们的遗产，那个时刻宇宙的温度为3000摄氏度，此时的光大概有10ˉ⁵ 米，随后随着宇宙的膨胀，这些光波已经被拉长，已经属于不可见光的波段，而波长大概只有1毫米属于微波波段，伽莫夫团队还对这种光波的性质进行了预测——由于离子体时代结束的时候，光子是无处不在的，所以现在它们应该来自于任何的方向，也就是在各个方向上都是同性质的，这个就是所谓的宇宙微波背景辐射。
问题就是要去探测这个背景微波了，事情当然没有这么简单，咱们下回继续分解。
未完，待续......04