Category 物理學

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。 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。 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。 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。 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。 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。…