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| 中外科学家发明家丛书：伽莫夫 （五） | 发布于:2012/07/31 | |
| 五、旅美 在漫长的美国生活当中，伽莫夫所做的工作可以分为彼此独立的三部分 来叙述：一、科学研究，二、军事顾问工作，三、科普读物写作。 科学研究 在接受了乔治·华盛顿大学的教授职务之后，他选择了一位理论物理学 家与他共同工作，这个人是匈牙利血统的爱德华·泰勒，当时他在英国有一 个暂时性职位。泰勒来美后，在日后对美国的氢弹研究中做出了突出贡献。 在他们合作的时期对核物理学的最重要贡献，是提出了被称作伽莫夫— 泰勒定律的β衰变公式。它可以归纳为在β嬗变过程中电子如何离开原子核 的问题：它究竟是沿着矢径径直射出呢，还是沿着双曲线轨道运动。创立β 嬗变理论的恩里科·费米采纳了前一种可能性，而伽莫夫和泰勒发现费米的 假设是错误的。事实上已经证明，在许多情况下，β粒子能够轻而易举地沿 着双曲线轨道从原子核中逃脱出来。然而要做这些，电子必定会突然改变自 旋的方向，这一事实提供了一些有关电子和原子核之间磁相互作用的重要暗 示。 伽莫夫—泰勒选择定律的研究工作是他对纯核物理学领域所做的最后一 个较大的贡献，因为他当时越来越醉心于把核物理学应用到天体物理现象上 去。在那些年里，有关质子轰击引起人工核嬗变的实验知识已经积累到一个 很高的水平，于是他和泰勒决定在1938年春天由华盛顿大学和华盛顿卡内基 研究所主办的理论物理年会上，专门讨论恒星内部的热核源问题。在这次会 议上，汉斯·贝脱提出一项由氢和碳进行热核反应的可能方案，这种反应的 能量不多不少，正好可以解释所观察到的太阳辐射。他后来将反应过程的细 节加以完善，形成了我们现在称为碳循环的著名理论。 在这次会议前不久，伽莫夫的一个研究生查尔斯·克里奇菲尔德曾提出 另一种能量产生过程，叫做质子—质子反应，它由两个质子之间的碰撞开始， 继而通过射出一个正电子和一个中微子而成为一个氘核 （重氢原子核）。这 一理论成为碳循环理论的竞争对手。事实上，现在已经证明在太阳中起主要 作用的是质子—质子反应而不是碳循环。这种情况同样适用于亮度比太阳弱 的恒星，而在亮度强于太阳的恒星中，比如在天狼星中，则是碳循环起着决 定性的作用。 1939年夏天，伽莫夫在巴西里约热内卢度假时，遇到一位名叫马里奥·舍 恩伯格的年轻物理学家。他为马里奥安排了可以去华盛顿工作的研究基金。 他们两人的合作取得了圆满成功，他们设想出一个超新星 （巨大恒星爆炸） 的过程。即在极高温（几十亿度！）的恒星内部的各种原子核交替地吸收和 释放一个热电子，在吸收和释放的两种过程中中微子和反中微子的发射，这 些中微子具有巨大穿透力，可以非常容易地穿透星体，并且携带有巨大能量。 这样一来，恒星内部就迅速地冷却，压力下降，恒星体像大爆炸似地发出光 和热，同时发生坍缩。 他们在天文学领域的下一个探索项目是所谓“白矮星”问题。白矮星是 一种高度坍缩了的星体，它的密度大约是水的密度的100万倍。白矮星标志 着恒星演化的终结，这时它已完全丧失了使普通恒星 （例如太阳）保持燃烧 和发光的内部能源，实际上是恒星的尸体。它们虽然余温尚存，但那不过是 冷却时间不足所致。只要经过足够长的时间，它们就会散发尽全部热量，变成“黑洞”——一种在宇宙太空中无目的地运行的质量巨大的黑暗天体。人 们发现的第一颗白矮星是天狼星的伴星，也叫做“天狼B”。天狼星的主星 （即天狼A）的质量是太阳的3.5倍，亮度是太阳的26倍，而天狼B的质量 虽与太阳不相上下，亮度却只有太阳的1/300。关键在于，尽管天狼B的质 量与太阳相当，可是由于它密度极大，体积只比地球稍大一些。其内部所有 的原子都被彻底压碎了，形成自由电子和裸原子核所组成的混合物。 把开普勒定理运用于天狼A和B的系统，能马上估算出天狼B的质量是 太阳的95％，可是一个如此遥远的恒星，即便用最大倍数的望远镜观察，也 只是一个小点，人们怎么能测出它的半径呢？根据爱因斯坦的广义相对论， 人们就能做到这一点。广义相对论认为，一切物理过程都会在强引力场的作 用下减缓，在致密的天狼B星体的表面，引力场确实很大，因此可以料到， 那里所有原子的振动都会相当显著地减慢，于是所有的谱线都明显地向光谱 的红端位移。如果天狼B是个单星，那么这种红移会很容易观察到。而实际 上它却总是与亮度很高的天狼A在一起，这样就必须在观察中遮住天狼A的 亮光。经过极大努力之后，天文观测者们的观察结果终于证实了伽莫夫等理 论物理学家的计算结果。 另一项天体物理学的重要问题是宇宙间所有化学元素的丰度问题。这直 接关系到伽莫夫等人的宇宙膨胀 （即大爆炸）学说。 按照宇宙膨胀理论，宇宙开始时处于一种浑沌状态，物质的密度和温度 都达到无穷大。那时，任何原子、甚至原子核都不可能存在，一切物质必定 都分解成质子、中子和电子，它们汇合成一个高能辐射的海洋。随着宇宙的 膨胀和冷却，质子和中子必定会开始粘附在一起，形成氘核，也就是重氢核。 这些粒子进一步聚集，便产生越来越重的原子核，最终就导致了我们目前所 观察到的各种元素在宇宙间的分散程度 （丰度）。这样，只要知道不同原子 核俘获中子的几率，就应该能计算出各种原子的预期丰度。 伽莫夫通过仔细考虑膨胀宇宙在其存在的最早阶段的情形，得出了以下 结论：在那个时候，热辐射所起的作用要比物质粒子的作用重要得多。事实 上，当时辐射的质量密度 （根据爱因斯坦的能量守恒定律）肯定会比所有物 质粒子结合在一起的总质量大得多。在这些条件下可得出一条有关宇宙温度 变化的简单规律，当宇宙的年龄为1秒时，它的温度必定会有250亿度，随 着年龄的增长，它的温度反比于年龄的平方根而降低。 根据计算，从宇宙的早期到今天，宇宙的温度已冷却到绝对温度5度左 右。然而，令人惊喜的是，1965年两位贝尔实验室的科学家观测到了一种波 长为7.2厘米的辐射波，这可能正好与绝对温度3度时的热辐射相对应。这 种热辐射被解释为宇宙早期存在的几百亿度原始高温的残迹，而它一定是宇 宙诞生期间就已存在的而现在已冷却下来的原始辐射。这个发现进一步证实 了伽莫夫的宇宙膨胀理论，而且使人们对形成星系和恒星的重要过程有了更 透彻的了解。 几年以后，在1954年，伽莫夫的研究方向发生了大幅度的改变，他转入 了生物科学领域。这一年，正是美国生物学家詹姆斯·沃森和英国晶体学家 弗朗西斯·克里克成功地建立起脱氧核糖核酸分子（DNA）的正确模型的年份。 DNA是一切活机体的基本遗传物质。这一发现使他们获得了诺贝尔奖。 伽莫夫对于DNA结构的知识十分感兴趣，他对于DNA分子所进行的蛋白 质合成方式有如下解释：蛋白质是在双螺旋DNA的表面上形成的，这种结构内部的基质序列形成一系列孔穴，每一小孔专门和一种氨基酸匹配。氨基酸 靠以立体化学方式排列的侧链来识别它们，而没有专门的酶参与这个过程。 伽莫夫注意到，一条延伸的多肽链上各个单元彼此只相隔约3.6至3.7 埃，出于这个原因，他的密码是交叠型的，他由这种交叉的组合关系推测出， 氨基酸的种类应该是20种。 伽莫夫在生物学上的这些研究成果如今已经写入了普通的中学课本书 中。 军事顾问工作 第二次世界大战爆发之后，伽莫夫应召去美国武装部队担任顾问工作， 进行的研究自然是核武器方面的。但由于他来自前苏联，并有过担任红军上 校的经历 （虽然那只是名义上的），所以他没有参与到最核心的机密工作中 去。 他得到的职位是在美国海军部军械局下属的高级炸药处。这项工作并不 影响他在乔治·华盛顿大学的讲课和科学研究，因为校方批准他每星期为海 军部工作一天。当时在海军部的研究中，他最为关注的是各种常规高级炸药 中冲击波和爆炸波的传播问题，以及从冲击波变为爆炸波的不连续转化。 在那段时期里，他还有一项有纪念意义的工作——定期与爱因斯坦进行 联系。因为爱因斯坦在接受军方顾问职务时首先声明，自己年事已高，不能 定期往返于他家所在的普林斯顿大学与华盛顿之间，得由某个人把要解决的 问题带到他的家中。爱因斯坦以及著名核物理专家、原子弹研制的主要参与 者纽曼等人都与伽莫夫同在高级炸药处任顾问，爱因斯坦以前也与他相识， 伽莫夫便被推选来担任这件工作。 于是，每隔一个星期，他便在星期五拎着一个鼓鼓囊囊、塞满有关各项 海军计划机密文件的公文包，搭早班火车前往普林斯顿。当时曾提出过许多 各式各样的建议，例如沿一条通往日本海军基地入口处的抛物线路径布下一 系列水雷，接着将炸弹连续不断地空投到日本航空母舰的飞行甲板上。 爱因斯坦通常在书房里接待伽莫夫。两个人把所有的建议一个接一个地 过目一遍。爱因斯坦一个劲地说：“行！，很有意思！太独出心裁了！”实 际上同意了所有的提议。第二天，伽莫夫把他的评论意见向负责军械局的将 军汇报，将军总是喜形于色。 每次去爱因斯坦的住处，等例行公事完毕，他们就到离家不远的普林斯 顿高级研究所的自助食堂共进午餐。这时的话题就会转到物理和宇宙学方 面。有一次，他们两人步行去研究所的路上，正津津有味地谈论着天体理论， 伽莫夫提出了一个比较敏感的物理问题，爱因斯坦立时停住脚步思考起来。 由于他们当时正在横穿马路，好几辆汽车不得不紧急刹车，以免撞倒这两位 物理学家。 对普林斯顿的这些访问使伽莫夫毕生难忘，通过这些接触，两人之间建 立了友谊，他对爱因斯坦也有了更深的了解。 在高级炸药处的另一项工作是带有实验性质的，即测试形形色色炸药的 “撞击灵敏度”，即灵敏度对落锤动能的依赖关系。在一名高级炸药专家的 配合下，这些实验在波托马河畔的海军试验场上进行。 他们在这些实验研究的过程中，得到一个很有趣的发现。只要能产生一 个会聚在一点的爆炸波，就能够达到极高度的压缩。很清楚，如果把爆炸过 程中传播速度不同的两种炸药结合在一起，就能形成这种会聚的爆炸波。简单的数学演算表明，要获得这种效果，两种炸药之间的界线必定是一段阿基 米德螺线。这一设想经爱因斯坦同意后，便决定做一个三维模型的实验。但 这个实验被原子弹的研究工作所推迟了。伽莫夫参加了在比基尼 （美国在太 平洋上的小岛）的首次原子弹实验，那场面真是激动人心、引人入胜。他的 研究任务是研究冲击波对靶船表面结构的效应。 后来他参加了“特遣部队1号行动计划”，成为陆军行动计划研究办公 室的顾问。在这里他的研究问题与以前大不相同，主要是从事军事演习理论 的研究，尤其是对坦克进行分析。这种演习在一个简单的20×20英寸的棋盘 上展开，棋盘上有20辆蓝坦克和20辆红坦克，这些坦克按演习的规则走动。 而400个方格中，有的涂成黄色 （代表开阔地带），有的涂成绿色（代表森 林地区），绿格中的一辆坦克可以吃掉近旁黄色区域中的一辆敌方坦克。如 果敌对双方的坦克都处于相邻的绿色区域中，那就无战事发生，而要是双方 处于相邻的黄色区域中，战斗的胜负靠抛掷硬币来决定。这种简单的走法很 快就演变成一种极其错综复杂的游戏，敌对双方的部队的战术需用两台电子 计算机来操纵。 1948年，有关部门给他发了安全审查合格证书，这以后，他得以与专门 研究氢弹的洛斯阿拉莫斯实验室取得更紧密的联系，从而也就为美国氢弹的 研究作出了他应有的贡献。 科普读物写作 伽莫夫一向喜欢把事物搞得简单清楚，在他为自己尽量简化事物的过程 中，他慢慢总结出一套如何深入浅出地为别人讲述问题的方式。在学生时代， 他就喜欢就复杂的科学课题作通俗演讲，并且还不时地写些文章发表在科普 杂志上。这些导致了他在1937年前后写出了第一部——《汤普金斯先生》。 在那故事中，他试图对宇宙空间的弯曲和膨胀的效应进行粗略夸张式的描 述，使任何人都能很容易地明白弯曲的膨胀空间的复杂概念。 他选择了汤普金斯先生这样一个好奇聪明而又无知的银行职员的形象作 故事的主角，使人读起来既滑稽开心又领会了其中的科学道理。 他把稿子投给《竖琴师》杂志，可是遭到了退稿，他又相继投给《大西 洋月刊》、《花冠》和其它一些杂志，都没有成功。 1938年5月，他去波兰参加华沙毕苏斯基大学举行的物理学新理论会 议。与会者是些世界闻名的大科学家，其中有玻尔、朗之万、纽曼，还有来 自英国的查尔斯·达尔文爵士。 在会议中的一天，他和查尔斯聊起科普文章的事情，查尔斯建议他把稿 子投给剑桥的G·P·斯诺，他们编辑的《发现》杂志正是致力于科学普及工 作。 伽莫夫接受了这个建议，马上把稿子寄到英国，第二个星期，他收到剑 桥来的电报：“大作将在下期刊登。请多来稿。斯诺。”这就是他科普创作 的开端，以后，《汤普金斯先生》的故事一个接一个地相继出现在《发现》 杂志上。 大约半年以后，他几乎同时收到两封信，一封来自剑桥大学出版社美国 分社经理曼斯布里奇，他建议把《发现》杂志上刊载的《汤普金斯先生》故 事系列出版成书，只要略作补充就可以了。这样，伽莫夫第一本科普作品《汤 普金斯先生游历奇境》就诞生了。 第二封信来自海盗出版社，他们请伽莫夫写一本科普书籍，这结果是导致他第二本书：《太阳的生与死》的问世。 这两家出版社一直是他最主要的书籍出版者，尽管偶尔他也为其他出版 机构提供作品，例如，他曾为普伦蒂斯—霍尔出版社写过一本供大学使用的 物理学教科书——《物质、地球和天空》。 伽莫夫的第三本《汤普金斯先生的故事》是写他在生物学领域里的探究， 这本书的出版与他个人和生活发生了很大的关系，并直接导致他与第一位妻 子罗婚姻的完结。 1953年夏，正是这本书出版时，他却不得不去英国参加美国、加拿大、 英国军队的作战分析人员联席会议。他定于8月乘船赴英，曼斯布里奇打算 去码头给他送行，同时把新出版的《汤普金斯先生认识生命真相》第一本样 书和一瓶酒带给他。但到了那天出现在码头的却是一位容貌端庄的小姐，给 他带来了书与酒，她就是巴巴拉·珀金斯。在以后的几年里，伽莫夫每次去 纽约都能见到巴巴拉，他们一起看电影，去俄式饭店吃饭。最终他们的恋情 有了结果，1958年10月，他们结婚了。 在伽莫夫的一生当中，他最大的兴趣是攻克自然界的难题，不管是物理 学的、天文学的还是生物学的。然而正像他自己所说的，科学研究要取得进 展需要一种灵感，而新颖、激动人心的思想并不是每天都会出现的。每当他 苦于缺乏新鲜想法来推动自己的研究时，他就写一本书；而每当灵感来临， 写作就放在一边了。就这样，他写了20多部科普著作，也因此获得了1956 年卡林伽科普奖。 他的一生都在探寻着那些能够解释世间事物的具有极其简单形式的科学 理论。在他逝世前不久还向妻子讲述了一个梦。梦里，他仿佛加入了牛顿和 爱因斯坦等伟人的行列，并像他们曾经发现的那样，他也发现了一些形式极 其简单的终极科学真理。 |
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