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宇宙是“炸”出来的吗?

冯杰

2023年07月11日 07:33

侯素青
光明日报( 2023年07月06日 16版)

宇宙起源于一次极其猛烈的大爆炸,也就是说,宇宙是“炸”出来的。这是宇宙大爆炸理论对于“宇宙从何而来、如何产生”这一问题的回答。而对宇宙大爆炸理论的逐步认识,又催生出一系列与人类密切相关的根本性问题——人类生活的地球上,构成物质世界的元素是怎么产生的?太阳辐射的能量究竟源于哪里?这些都是核天体物理研究的范畴,这一学科将微小到肉眼看不到的原子核,同浩瀚宏大的宇宙天体紧密地联系在一起。

微小的原子核与宏大的宇宙天体紧密联系

人类生活在地球上已有200万年的历史,在近五、六千年的历史长河中创造了璀璨的地球文明。然而,关于构成物质世界的这些元素是怎么产生的?这个问题一直没有一个科学的回答,直到核天体物理这门科学诞生。

核天体物理是核物理学和天体物理学交叉形成的前沿科学,主要通过微观层次的核反应来研究构成物质世界元素的起源以及天体内部的核引擎如何驱动天体演化。它将微小到肉眼看不到的原子核同浩瀚宏大的宇宙天体紧密地联系在一起。

核天体物理与构成生命以及承载人类生活的客观世界的物质本源息息相关。如碳-12中著名的霍伊尔态激发态能量10%的微小变化就会使重元素、行星和我们所知的生命全部消失。毫不夸张地说,人类与核天体物理从宇宙创生那一刻起就一直紧密相连,所以该学科自诞生以来一直被科学界确立为高度优先的前沿科学。欧美国家长期以来一直把核天体物理作为最重要的基础研究课题之一。

核天体物理研究萌芽于20世纪初,诱因是科学家发现太阳已经辐射几十亿年,如此持久的能量究竟来源于哪里?关于这个问题,美国科学家汉斯·贝特1938年给出了答案——核反应为太阳提供了绵绵不绝的能量,他也因此获得1967年的诺贝尔物理学奖。核天体物理另一标志性工作是美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫1948年提出的宇宙大爆炸模型,该过程产生了构成物质世界最原始最基础的元素——氢氦锂。1957年,英国著名天文学家弗雷德·霍伊尔、伯比奇夫妇(杰佛瑞·伯比奇和玛格丽特·伯比奇)、美国物理学家威廉·福勒四人(简称B2FH)一起发表了著名论文“恒星中的元素合成”,该论文是核天体领域又一里程碑式的工作,威廉·福勒因在元素起源研究中的贡献获得1983年的诺贝尔物理学奖。此后,随着天文学家观察到一个又一个奇异的天体现象,大大刺激了核天体物理的发展,使之进入了黄金时代。

在过去的半个世纪里,科学家们在核天体相关领域取得了辉煌的成绩,诸如大爆炸理论得到宇宙微波背景辐射等多重观测证据的支持,太阳中微子丢失是源于中微子振荡,发现的超新星以及X-射线暴等极端天体现象极大地增进了人们对天体核合成场所的了解,科学家成功探测到引力波并探明双中子星并合是产生宇宙重元素的重要场所等等。

如今,核天体物理的发展已枝繁叶茂,一些基础的框架性科研工作已经基本建立。当前核天体前沿发展需要科研人员在更细分、深入的领域突破创新。诸如:(1)中微子的质量是多少,它们如何影响宇宙的演化?(2)重元素源于哪些天体场所,相对贡献分别为多大?在银河系和宇宙的历史中它们如何演变?(3)大质量恒星如何引发超新星爆炸?(4)大爆炸后第一代恒星中的核反应能够产生哪些元素?(5)光子、中微子、引力波和星尘能告诉我们恒星的哪些故事?(6)中子星内部状态是什么样?

我国核天体物理研究开始于20世纪90年代,尽管起步较晚,但是最近20多年取得了长足进步和丰硕成果,在一些方向上达到国际前沿水平。例如:中国科学院近代物理研究所实验团队基于兰州重离子加速器国家实验室冷却储存环(CSR),从2011年开始,开展一系列缺中子短寿命原子核质量的高精度测量,为全面理解天体X-射线暴快质子俘获过程作出了重要贡献;基于兰州放射性束流线(RIBLL)开展突破碳氮氧循环关键反应的天体反应率测量;理论团队在宇宙大爆炸锂丰度难题提出了非广延解决方案,引起国际广泛关注。

中国原子能科学研究院从20世纪90年代开始利用转移反应间接测量方法测量了一批重要反应的天体反应率,部分被国际核反应率数据库收录并列为推荐值。2016年开建的锦屏深地核天体物理实验平台(JUNA)已于2020年底成功出束,为需要低本底的高灵敏度直接测量实验提供可能,目前已完成首批重要核反应截面直接测量,取得丰硕成果。

上海交通大学以及中国工程物理研究院基于国内激光装置开展轻核聚变反应的截面测量,掀起国内利用激光装置测量天体反应率的热潮。上海同步辐射光源对极端天体环境中伽马光子与物质相互作用的研究提供有利条件。未来坐落在广东惠州的新一代强流重离子加速器装置(HIAF)在研究产生重元素的快中子俘获过程中将会大展身手。随着国家对基础科研支持力度的不断加强,国内核天体物理的发展必将突飞猛进。

锂丰度异常困扰科学家几十年

有一个深奥的问题——宇宙从何而来、如何产生?这个问题催生出宇宙大爆炸理论。

很长一段历史时期,人类认为宇宙是静态的。直到20世纪20年代,俄国科学家亚力山大·弗里德曼和比利时宇宙学家乔治·勒梅特通过求解爱因斯坦引力场方程,发现宇宙是膨胀的,但是当时这样的观念没有被科学界所接受,就连引力场方程的创造者艾尔伯特·爱因斯坦也极力反对。这样的僵局直到1929年天才科学家埃德温·哈勃通过天文观测发现确实如此,人们才开始接受宇宙一直在膨胀的事实。

既然如此,回溯到很久以前,宇宙被限制在一个极其狭小的空间内。换句话说,宇宙起源于一次极其猛烈的大爆炸,也就是说,宇宙是“炸”出来的。尽管弗里德曼和勒梅特一直都孕育着这一思想,但是正式撰文提出宇宙大爆炸理论的是弗里德曼的学生乔治·伽莫夫。1948年他和同事们提出了标准的热大爆炸模型。但即便人们接受宇宙膨胀的事实,伽莫夫的热大爆炸模型在当时也不吃香,强有力的反对者便是大名鼎鼎的英国天文学家弗雷德·霍伊尔,“大爆炸”正是他的嘲讽之词。

伽莫夫提出的热大爆炸模型认为,宇宙开始于高温高密的原初物质,温度超过几十亿度,整个宇宙是各向同性的,物质分布是均匀的。随着宇宙膨胀,温度和密度逐渐下降,慢慢演化形成了现在的星系等天体。他们预言大爆炸之后38万年的时候,宇宙已经冷却到电子和原子核结合形成中性原子,这时光子失去碰撞对象电子,成为背景光子(即微波背景辐射),至今依然弥漫在宇宙当中,当前整个世界浸泡在背景光子海洋当中,且背景光子的温度在今天约为几开尔文。可以说宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论的直接证据,能否找到它,对这一理论能否立足至关重要。幸运的是,1964年美国贝尔实验室的无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然中发现了宇宙微波背景辐射,这强有力地支持了大爆炸理论。随后,美国航天局和欧洲宇航局对宇宙微波背景辐射进行了更加精细的探测,如1989年美国发射的微波背景探测者卫星COBE探测到的背景辐射谱是完美的黑体辐射谱,这给宇宙大爆炸理论提供了更有力的证明。

宇宙大爆炸理论是当前解释宇宙起源最成功的理论。该理论涉及的研究方向和内容非常超前,好多人类目前还无法回答,如大爆炸之前的宇宙是什么样子?宇宙早期正反物质不对称的原因是什么?什么是暗物质和暗能量?他们出现在大爆炸之前还是之后?大爆炸锂丰度异常问题等等。

大爆炸核合成发生在大爆炸开始之后三分钟,温度降到约为10亿度的时候,质子和中子有效结合生成氘,生成的氘核进一步与周围的核子发生反应,生成的新核素继续与周围的核子反应下去。由于宇宙膨胀温度和密度不断降低,整个过程持续约2000秒就基本趋于结束,最终只生成氢、氦、锂三种初期元素。大爆炸理论预测的轻元素丰度与天文观测值非常符合,只有锂-7的丰度二者之间存在三倍的差距,这就是困扰大家几十年的宇宙大爆炸锂丰度异常问题。

大爆炸核合成描述的是一个急速膨胀的动力学体系内多种粒子相互之间发生生灭反应的过程。在大爆炸这种温度高达10亿度的极端天体环境下,控制该过程的微分方程组属于一种特殊的种类,叫作刚性微分方程组。由于刚性微分方程组数值求解稳定性较差,需要细小的步长控制误差的传递扩散。此外,由于当前初期轻元素丰度天文观测精度很高,误差已精确到百分位,因此理论计算每步误差必须保证达到千分位的精度,理论计算结果才有意义。

此前,我国要想做关于大爆炸核合成计算来预言初期轻元素的产额,需要求助于国外机构,要将实现自己科学目标的输入参数输入到对方提供的一个可操作界面,然后等待计算结果。有时我们想到好的想法,但由于受对方限制,大多无法实现,只能做对方限制好的陈旧研究。于是我们决定自己编写计算程序。经过两年多的努力,我们计算的轻元素丰度与国外的预测结果保持一致,证明了我们的计算程序是正确的。从此,我们可以摆脱限制进行更具创新性的研究,也就催生出使用非广延分布来解决锂丰度难题。

探索宇宙起源遗留的未解难题

自宇宙大爆炸理论被提出以来,其建立的基本假设和直接预言的微波背景辐射都被后来的天文观测所一一证实,毫不夸张地说,大爆炸理论是当前人类解释宇宙起源最成功的理论。但是如此完美的理论中也有不完美之处,就是前面所说的大爆炸锂丰度问题。如何解决锂丰度问题是横在该领域科学家面前无法回避的问题。

从核物理的角度看,元素丰度是由控制核合成的核反应率决定的,而核反应率又是由核与核的反应截面和反应核子的能量分布共同决定。之前的研究思路基本都是从核反应截面不准确的角度出发来寻找答案,因此几十年来各国科学家在花费巨大的加速器上不断开展实验,不断精确化相关反应的核反应截面。如此巨大的财力、物力和人力的消耗非但没有消除锂丰度的差异,反而是加大了。

锂丰度问题作为宇宙大爆炸理论遗留的一个长期未解难题,填补上这最后一块拼图意义重大。为此,我们另辟蹊径,从天体系统反应核子所满足的能量分布这一角度出发,利用非广延分布成功找到一种解决锂丰度异常问题的方案,在国际上引起广泛关注。从此,在宇宙大爆炸锂丰度问题上,有一种解决方案来自于中国科研人员。

探索宇宙起源遗留的未解难题,是纯基础科学研究。属于满足人类好奇心、求知欲,揭开未知世界,促进科学进步获取新知识的研究范畴。短期看可能没有直接经济效益和应用价值,但是该类研究的意义宏大深远。可以总结为:弄清客观世界的本质和基本规律,为人类创造新知识、建立新的认知体系,指导后代利用掌握的科学来不断探索认识和改造未知世界,同时利用探索过程中衍生的新原理、新技术造福人类自己。事实证明诸如无人驾驶、太阳能技术好多当前生活中应用到的科技早期发端于宇宙太空探索。此外,探索宇宙也更能彰显国家实力,增强民族自信。

1929年,哈勃通过望远镜将人类对宇宙的认识向前推进了一大步;1946年,美国成功发射V2火箭,人类首次突破大气层从太空看到了地球;1990年,美国发射哈勃望远镜,彻底改变了我们对宇宙的认知。2009年,开普勒号太空望远镜发射,专门用于发现类地行星;2021年,韦伯望远镜的发射,让人们第一次看到了宇宙早期的模样。

宇宙广袤无垠,探索永无止境。人类之所以能够创造璀璨夺目的文明,而地球上其他物种却没有,核心就是人类会思考,对未知事物充满好奇,喜欢探索。人类对古老而神秘的宇宙的认识还非常有限,人类需要不断进步,科学需要继续探索。

(作者系中国科学院近代物理研究所副研究员)


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2023年07月11日 15:33
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