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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    誰最早預言了宇宙微波背景輻射?

                    2020-02-14 20:12:00

                      2019年諾貝爾物理學獎授予了James Peebles、Michel Mayor和Didier Queloz,以表彰他們在理解宇宙演化和搜索系外行星所做的貢獻。

                      在Peebles的眾多關于宇宙的科學成就當中,最引人矚目的或許就是對宇宙微波背景輻射的理論預測了。1965年,美國貝爾實驗室的兩名工程師Arno Penzias和Robert Wilson就是看過了Peebles的預印本論文之后,才確認自己探測到的正是天文學家苦苦尋覓而不得的微波背景輻射,他們也憑借對微波背景輻射的實驗探測獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

                      不過,最早預言了宇宙微波背景輻射的并不是Peebles。早在1953年,George Gamow(喬治·伽莫夫)就預言了微波背景輻射的存在。遺憾的是,當1978年這項成果被授予諾貝爾獎的時候,Gamow已經離世。

                      喬治·伽莫夫(1904—1968),美籍俄裔物理學家、宇宙學家,以提出宇宙起源于大爆炸的理論聞名,還首先提出了生物學的遺傳密碼理論。他也是一位杰出的科普作家,多部作品風靡全球。其科普著作深入淺出,對抽象深奧的物理學理論的傳播起到了積極的作用。1956年榮獲聯合國教科文組織頒發的卡林伽科普獎。

                      聽到伽莫夫的名字,也許你還覺得陌生,但如果說他就是《從一到無窮大:科學的事實和臆測》(以下簡稱《從一到無窮大》)的作者,你沒準會恍然覺得熟悉與親切了。那是一本風靡世界的知名科普讀物。

                      《從一到無窮大》

                      《從一到無窮大》于20世紀70年代末引進出版,在國內產生了持久而深遠的影響。數不清的推薦書目里都可以看到它的身影,相信很多中年人,尤其是從知識匱乏年代走過來的人更是印象深刻。記得我小時候家里的書架上就有一本,應該是父親買來讀過的,并且推薦給我。和很多童年讀到這本書的人一樣,書中一些片段曾給我留下深刻印象。比如,棋盤上放麥粒的故事:

                      印度的舍罕王要賞賜他的大臣,因為據說這位懂得數學名叫達依爾的大臣發明了國際象棋,獲得國王的喜愛??犊膰鯗试S他自己來選擇賞賜的方式。聰明的達依爾讓國王在第一格棋盤里放1粒麥子,第二格里放2粒,第三格里放4粒,總之,下一格是前一格的雙倍……國王聽罷哈哈大笑,心想才區區64格的棋盤,這也太容易實現了,立刻應允,并馬上命人搬來一袋小麥。沒想到還不到20格,一袋小麥已經沒有了。

                      最后,國王的允諾當然無法兌現,因為如果把棋盤全放滿,全印度的小麥還遠遠不夠,恐怕要用到人類2000年小麥的總和??倲挡⒉浑y算,共為:264–1 =18 446 744 073 709 551 615粒。正是這個天文數字,讓我在驚嘆之余認識到日常經驗的錯覺。

                      還有談到無窮大方面的例子。比如:有無窮多房間的旅店已經住滿,這時又來了一位新客人,該怎么住呢?可以讓1號房間的換到2號,2號換到3號,以此類推,就可以住下了??墒?,接著又來了無窮多位客人,能否安排得下呢?其實這些問題涉及無窮大的概念與運算,對康托無窮集合等現代數學是一種很好的科普。

                      書中令人記憶猶新的例子還有很多,比如自動莎士比亞印刷機、復數藏寶圖……除了數學內容,還介紹了愛因斯坦的相對論和四維時空概念,并涉及基本粒子、基因、天體星系等微觀和宏觀的方方面面,是一部相當全面的科普代表作。

                      現在看起來,這類書也許不那么稀罕了,但經典畢竟是經典,我完全相信即使100年后它還會擁有年輕的讀者。因為伽莫夫的科普書總是在輕松愉快的氣氛中展開,讓你在不知不覺間踏上科學的探尋之旅。他并沒有對某些公式采取完全回避的態度,對內容的取舍也顯示出獨特的匠心,幽默風趣的語言更是亮點,體現了扎實的文學功底。有興趣的朋友不妨抽時間讀一讀,老讀者重溫一定也會有一番心得與收獲。

                      成果斐然的科學家

                      其實科普寫作對伽莫夫來說還是副業,他可是貨真價實、成果斐然的物理學家和宇宙學家。1928—1932年他曾先后在德國格丁根大學、丹麥哥本哈根大學和英國劍橋大學卡文迪許實驗室師從玻爾和盧瑟福從事研究工作。他的貢獻涉及許多重要領域。

                      1928年伽莫夫成功地應用量子隧穿效應解釋原子核的α衰變。根據經典力學理論,粒子會被緊緊束縛在原子核內,只有獲得極大的能量才可能逃出原子核,因此α衰變一直沒有得到很好的解釋。伽莫夫借助量子力學想出一個原子核的勢壘模型,即粒子不需要擁有比勢壘還高的能量,只要概率性地穿透勢壘就可以脫離原子核束縛。他憑借這個模型推導出一個描述勢壘穿透概率的伽莫夫公式,把這個問題很好地解決了。利用勢壘穿透來解釋α衰變也成為量子理論應用于原子核研究的最早成就之一。

                      伽莫夫還是熱大爆炸宇宙學模型的創立者之一,并預言了宇宙微波背景輻射。一般認為宇宙大爆炸理論是在1932年由比利時牧師勒梅特首次提出的。其實早在1924年,蘇聯數學家、氣象學家、宇宙學家弗里德曼就發表論文闡述了膨脹宇宙的思想,即宇宙的曲率分別為正、負、零時的3種情況,稱為弗里德曼宇宙模型,而弗里德曼正是伽莫夫在圣彼得堡學習時的導師。

                      1940年后,伽莫夫與兩個學生——阿爾菲和赫爾曼將相對論引入宇宙學,研究了大爆炸中元素合成的理論,提出熱大爆炸宇宙學模型,描述了宇宙最初的核合成狀態。宇宙開始于溫度超過幾十億攝氏度的高溫高密的原始物質,隨著宇宙的膨脹,溫度逐漸下降,形成了現在的星系等天體。他們還預言了宇宙微波背景輻射的存在。

                      1964年宇宙微波背景輻射被兩名無線電工程師彭齊亞斯和威爾遜偶然發現,他們因此獲得1978年諾貝爾物理學獎,可惜那時伽莫夫早已駕鶴西去,無緣獲獎。當然,應該獲獎的似乎也不止他一人。

                      另外,伽莫夫還是最早提出遺傳密碼模型的人。20世紀50年代他的研究重心轉向分子生物學。伽莫夫在聆聽沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構的報告后,寫信給他們提出自己獨特的想法:根據DNA的4種核酸為20種氨基酸進行編碼,應該能夠建立一個數學模型。他成為首位以密碼學角度來思考DNA的學者。雖然其中許多化學與生物學細節都是錯誤的,但是受到伽莫夫的啟發,沃森和克里克列出了正確的20種氨基酸。

                      伽莫夫還在美國加利福尼亞大學伯克利分校組織了一個不超過20人的非正式的研究小組,稱為RNA領帶俱樂部,針對RNA遺傳密碼進行研究。沃森寫過一本標題都是字母G開頭的書——《基因·女郎·伽莫夫》(Genes Girls and Gamow)對發現DNA雙螺旋結構后的探索進行了補充,特別對伽莫夫這位愛好威士忌的俄裔物理學家贊許有加。

                      熠熠閃光的科普著作

                      伽莫夫無疑是在許多方面都作出杰出貢獻的科學人物,特別是他還全力從事科普寫作,這在20世紀的科學家中是不多見的,也是格外難能可貴的。他曾這樣談及科普寫作與科研的關系:“在科學研究的領域里取得進展需要一種靈感、一種思想,而新穎、激動人心的思想并不是每天都出現的。每當我苦于缺乏新鮮想法來推進自己的研究時,我就寫一本書;而每當一種對科學研究有效的新思想涌現時,寫作就放在一邊了?!?/font>

                      他的好友——曾被他推薦給美國喬治·華盛頓大學的匈牙利裔物理學家、后被譽為氫彈之父的愛德華·泰勒曾這樣評價他:“伽莫夫頭腦中的奇思妙想是不可思議的,有對的,也有錯的,錯的也許比對的還多些,但總歸是有趣的……而且有時不僅是對的,還是全新的?!?/font>

                      伽莫夫沒有獲得諾貝爾獎也許令人遺憾,且不談他在不同科學領域的杰出原創性的貢獻與觀點,僅看那一本本影響了幾代人、熠熠閃光的科普著作,比起諾貝爾獎章又何嘗失色呢?

                    本文來自《科學畫報》

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