George_Gamow

知道宇宙和元素如何創生的人

知道宇宙和元素如何創生的人

知道宇宙和元素如何創生的人

1932年7月的某一天,28歲的蘇聯物理學家加莫夫(George Gamow)和新婚妻子來到克里米亞半島的一處海灘。他們衣著整齊,帶著裝了食物與兩瓶酒的皮箱,跳上一艘獨木舟,開始他們的逃亡計劃。計劃是這樣:往南划過270公里的海面,橫越黑海抵達土耳其;上岸之後,前往丹麥大使館,請使館人員打電話給波耳(Niels Bohr),接下來波耳便會安排他們到倫敦。

第一天風和日麗、海面平靜,他們順利地完成預定的距離。不料第36小時開始風雲變色,他們無力對抗狂風的吹襲,被迫退回離出發點一百公里遠的岸邊。精疲力竭的兩人住院休養,為了避免被蘇聯當局發現他的逃亡意圖,加莫夫謊稱是出海做科學實驗;幸運地未被追究後,他繼續思索其它更可行的方法……。

穿隧效應

加莫夫於1904年3月4日出生在現今烏克蘭的敖得薩(Odesa),當時仍是帝俄時期,直到1917年爆發十月革命,將俄羅斯變成共產國家。加莫夫先在敖得薩的理工學院讀了一年,才於1922年轉往聖彼得堡的列寧格勒大學就讀。在預計取得物理博士學位的前一年,加莫夫在教授的推薦下,於1928年暑期前往德國的哥廷根大學進修,研究最新的量子理論。沒想到就在這短短兩個月內,加莫夫破解了一個讓物理學家困擾多年的問題。

年輕時的加莫夫。圖片來源:George Washington University

拉塞福(Ernest Rutherford)在1907年確認α衰變就是放射性元素的原子核釋放出由兩個質子與兩個中子組成的α粒子,然而根據古典力學,這根本說不通,因為中子與質子在原子核中被很強的吸引力束縛著,怎麼可能自發性地跑出來?加莫夫利用薛丁格兩年前才發表的波動方程式,推導出粒子如何藉由穿隧效應穿越位能障壁而逃逸出原子核,成功解釋了α衰變。

加莫夫也因此獲得波耳的邀請,於1928年至1931年到波耳在哥本哈根大學創立的理論物理研究所進行研究。這段期間他進一步提出原子核的液滴模型,為核分裂提供很好的解釋;除此之外,他還和其他學者合作研究恆星的物理學,並利用假期到英國劍橋的卡文狄西實驗室(Cavendish Laboratory),和拉塞福一起做研究。

1931年加莫夫返國後,以28歲之齡成為蘇聯科學院史上最年輕的院士。然而史達林的高壓統治令加莫夫深惡痛絕,他和剛畢業的物理研究生結婚後,更加深了逃離蘇聯的決心。

潛逃

加莫夫原本要參加1931年在義大利舉辦的研討會,政府卻駁回他的申請。他擔憂已無出國機會,才策劃冒險的偷渡出海行動。計劃失敗後,加莫夫夫婦第二年又前往西北邊境的一個城鎮,想找愛斯基摩人帶他們進入挪威,卻聽說愛斯基摩人收了錢後,可能會去告密領取檢舉獎金,只好作罷。

另一方面,波耳也在設法幫助加莫夫離開蘇聯。由於法國物理學家朗之萬(Paul Langevin)是巴黎共產黨黨員,波耳便請朗之萬寫信給莫斯科當局,正式邀請加莫夫參加1933年在比利時布魯塞爾舉行的第七屆索爾維會議(Solvay Conference,與會者囊括當代物理與化學巨擘)。結果波耳的計謀奏效,果然讓加莫夫得以獲准參加。加莫夫深知這是個千載難逢的機會,順利的話,此去便不會再回蘇聯,於是再設法說服高層,同意讓他帶妻子一起前往。

波耳。圖片來源:Wikipedia

加莫夫原以為波耳能提供教職給他,但已察覺納粹野心的波耳告訴他美國才是安全之地。於是在幾位與會科學家的合力協助下,先由居禮夫人邀請加莫夫於索爾維會議結束後,到她在巴黎的實驗室進行研究;幾個月後再由拉塞福邀請他到倫敦,接著再換波耳邀他到哥本哈根。

這段期間加莫夫一方面籌措旅費,一方面透過各種關係尋覓美國的工作機會,最後喬治·華盛頓大學(George Washington University)願意聘請他擔任教授,於是加莫夫終於在1934年偕同妻子,啟程前往美國首府華盛頓特區,展開他的新生活。

加莫夫於1922年轉入列寧格勒大學那年,學校的弗里德曼(Alexander Friedmann)教授根據廣義相對論的重力場方程式,推導出描述宇宙空間的方程式(註一);兩年之後弗里德曼又從這個方程式得出空間曲率為負的解,據此指出宇宙不見得處於穩定狀態,而是不斷向外擴張。

蘇聯物理學家弗里德曼。圖片來源:Wikipedia

穩態宇宙是當時的普遍認知,就連愛因斯坦本人也不相信宇宙膨脹,弗里德曼的重大發現完全遭到忽視。1925年,弗里德曼吃了不乾淨的梨子上吐下瀉,卻被誤診為傷寒,以致因細菌感染病逝。加莫夫原本是他的研究生,只好另換指導教授,研究方向也從天體物理改為核子物理。

太陽燃燒之謎

當加莫夫於1934年到喬治華盛頓大學任教時,已在核子物理學占有一席之地,但他覺得這個領域已經太擁擠了,不想做別人同樣在做的題目,決定重拾當初放棄的天體物理學。當時太陽的燃燒仍是未解之謎,按理說能夠產生核融合的溫度應該早就讓太陽燃燒殆盡了,為什麼太陽現在還閃耀著?加莫夫用量子穿隧效應建構熱核反應速率的模型,證明太陽可以在較低的溫度進行核融合。

加莫夫進而研究恆星的誕生與演化,乃至星系如何形成,其中有許多篇論文是和匈牙利裔物理學家泰勒(Edward Teller)一起完成的。他在劍橋時就曾和泰勒合作,到了喬治華盛頓大學後便向校方大力推薦,泰勒因此於1935年受聘來美。第二次世界大戰爆發後,美國於1941年啟動曼哈頓計畫,泰勒也成為其中一員,日後更在核彈計劃中扮演要角。反倒加莫夫雖然專長正是核子理論,又已入美國籍,卻因他的祖國是蘇聯令美國政府有所顧慮,並未讓他加入。

泰勒攝於1958年。圖片來源:Wikipedia

宇宙與元素的誕生

加莫夫本來就志不在核武,他繼續研究宇宙的生成。自從哈伯在1929年發表所觀測到星系的紅移現象,證明星系都在彼此遠離,宇宙膨脹說已獲得普遍認同。不過這也意謂著時間越往前推,宇宙應該越小,那麼往回推到宇宙誕生之初呢?獨立獲致宇宙膨脹結論的比利時神父勒梅特(Georges Lemaître),便於1931年主張宇宙最初是從一個原始原子爆炸膨脹而發展至今。原始原子的概念太過於匪夷所思,又缺乏宇宙萬物如何誕生的具體解釋,一直未受到認真看待,加莫夫決定探索這個可能性。

1948年,加莫夫指導研究生阿爾弗(Ralph Alpher)完成博士論文〈化學元素的起源〉,描述了宇宙中所有化學元素在大爆炸後不久就出現的過程;儘管實際上最初只會生成氫和氦,但這篇論文卻為宇宙大爆炸奠定了重要的理論基礎。在將論文投稿至《物理評論》(Physical Review) 之前,加莫夫臨時起意,將同樣專長於核子物理學與天體物理學的貝特(Hans Bethe)也加入作者之列,因為這樣一來,他們的三人姓氏就和前三個希臘字母α、β、γ的發音雷同,正好呼應這篇論文的題目。巧的是出版日期是4月1日愚人節,這不知是否也在生性幽默的加莫夫算計之中?

加莫夫又陸續發表宇宙生成的相關論文,包括描述原始星系之質量與半徑的方程式;他的學生阿爾弗取得博士學位後,也和物理學家赫爾曼(Robert Herman)合作研究宇宙大爆炸後原子核如何結合而成,進而預測宇宙微波背景輻射的存在。1964年,貝爾實驗室的兩個工程師意外偵測到微波背景,大爆炸理論終於獲得證實。

基因解碼

除了核子物理學與天體物理學,加莫夫也對生物遺傳提出大膽的創見。當他於1953年讀到克里克與華生那篇DNA雙螺旋結構的論文後,開始思考DNA中的四種鹼基如何合成蛋白質。他從排列組合的角度主張構成各種蛋白質的20種胺基酸,一定是以三個鹼基為一組進行編碼,而成為第一個提出可行的基因密碼架構的人。儘管他當時不知道RNA的作用而誤以為DNA可以直接合成胺基酸,但他的創見卻對遺傳編碼的研究發揮重大的作用。

DNA是由四種鹼基兩兩成對所組成。圖片來源:Wikipedia

跨足多個領域的加莫夫晚年又多了個頭銜:科普作家。他的文筆詼諧幽默,內容深入淺出,出版了許多叫好又叫座的科普書籍(註二)。結果他在科學研究上作出的許多卓越貢獻沒為他贏得諾貝爾獎,反倒在1956年獲得由聯合國教科文組織頒發的卡林伽科普獎。

1968年,加莫夫因病過世,享年64歲。喬治華盛頓大學為他立了花崗岩的紀念碑,上面鐫刻著他的好友泰勒的悼詞:

「加莫夫總是有絕妙的想法。他有時是對的,有時錯了;錯的常比對的多。有趣的是,……而當他的想法沒有錯時,它不僅是對的,而且是全新的。」

註一:2022年末,中國各地出現抗議「清零政策」的「白紙運動」。除了舉著一張白紙,也有清華大學的學生拿的是寫著弗里德曼方程式的A4紙張,藉此象徵「自由人」(Freeman與Friedmann的諧音),也暗指宇宙是擴張開放的,而不是封閉穩定。

註二:台灣有翻譯出版他的著作《從一到無限大:科學中的事實與臆測》,與《物理奇遇記:湯普金斯先生的相對論及量子力學之旅》。

參考資料:

  1. George Gamow – Wikipedia
  2. Gamow, George | Department of Physics | Columbian College of Arts & Sciences | The George Washington University (gwu.edu)
  3. Oral History Interviews | George Gamow | American Institute of Physics (aip.org)
  4. On the origin of chemical elements | Scientific American

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