宇宙是“炸”出來(lái)的嗎？微小的原子核與宏大的宇宙天體緊密聯(lián)系

宇宙起源于一次極其猛烈的大爆炸，也就是說(shuō)，宇宙是“炸”出來(lái)的。這是宇宙大爆炸理論對(duì)于“宇宙從何而來(lái)、如何產(chǎn)生”這一問(wèn)題的回答。而對(duì)宇宙大爆炸理論的逐步認(rèn)識(shí)，又催生出一系列與人類(lèi)密切相關(guān)的根本性問(wèn)題——人類(lèi)生活的地球上，構(gòu)成物質(zhì)世界的元素是怎么產(chǎn)生的?太陽(yáng)輻射的能量究竟源于哪里?這些都是核天體物理研究的范疇，這一學(xué)科將微小到肉眼看不到的原子核，同浩瀚宏大的宇宙天體緊密地聯(lián)系在一起。

(資料圖片僅供參考)

微小的原子核與宏大的宇宙天體緊密聯(lián)系

人類(lèi)生活在地球上已有200萬(wàn)年的歷史，在近五、六千年的歷史長(zhǎng)河中創(chuàng)造了璀璨的地球文明。然而，關(guān)于構(gòu)成物質(zhì)世界的這些元素是怎么產(chǎn)生的?這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有一個(gè)科學(xué)的回答，直到核天體物理這門(mén)科學(xué)誕生。

核天體物理是核物理學(xué)和天體物理學(xué)交叉形成的前沿科學(xué)，主要通過(guò)微觀層次的核反應(yīng)來(lái)研究構(gòu)成物質(zhì)世界元素的起源以及天體內(nèi)部的核引擎如何驅(qū)動(dòng)天體演化。它將微小到肉眼看不到的原子核同浩瀚宏大的宇宙天體緊密地聯(lián)系在一起。

核天體物理與構(gòu)成生命以及承載人類(lèi)生活的客觀世界的物質(zhì)本源息息相關(guān)。如碳-12中著名的霍伊爾態(tài)激發(fā)態(tài)能量10%的微小變化就會(huì)使重元素、行星和我們所知的生命全部消失。毫不夸張地說(shuō)，人類(lèi)與核天體物理從宇宙創(chuàng)生那一刻起就一直緊密相連，所以該學(xué)科自誕生以來(lái)一直被科學(xué)界確立為高度優(yōu)先的前沿科學(xué)。歐美國(guó)家長(zhǎng)期以來(lái)一直把核天體物理作為最重要的基礎(chǔ)研究課題之一。

核天體物理研究萌芽于20世紀(jì)初，誘因是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)已經(jīng)輻射幾十億年，如此持久的能量究竟來(lái)源于哪里?關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)科學(xué)家漢斯·貝特1938年給出了答案——核反應(yīng)為太陽(yáng)提供了綿綿不絕的能量，他也因此獲得1967年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。核天體物理另一標(biāo)志性工作是美籍俄裔物理學(xué)家喬治·伽莫夫1948年提出的宇宙大爆炸模型，該過(guò)程產(chǎn)生了構(gòu)成物質(zhì)世界最原始最基礎(chǔ)的元素——氫氦鋰。1957年，英國(guó)著名天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾、伯比奇夫婦(杰佛瑞·伯比奇和瑪格麗特·伯比奇)、美國(guó)物理學(xué)家威廉·福勒四人(簡(jiǎn)稱(chēng)B2FH)一起發(fā)表了著名論文“恒星中的元素合成”，該論文是核天體領(lǐng)域又一里程碑式的工作，威廉·福勒因在元素起源研究中的貢獻(xiàn)獲得1983年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，隨著天文學(xué)家觀察到一個(gè)又一個(gè)奇異的天體現(xiàn)象，大大刺激了核天體物理的發(fā)展，使之進(jìn)入了黃金時(shí)代。

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家們?cè)诤颂祗w相關(guān)領(lǐng)域取得了輝煌的成績(jī)，諸如大爆炸理論得到宇宙微波背景輻射等多重觀測(cè)證據(jù)的支持，太陽(yáng)中微子丟失是源于中微子振蕩，發(fā)現(xiàn)的超新星以及X-射線(xiàn)暴等極端天體現(xiàn)象極大地增進(jìn)了人們對(duì)天體核合成場(chǎng)所的了解，科學(xué)家成功探測(cè)到引力波并探明雙中子星并合是產(chǎn)生宇宙重元素的重要場(chǎng)所等等。

如今，核天體物理的發(fā)展已枝繁葉茂，一些基礎(chǔ)的框架性科研工作已經(jīng)基本建立。當(dāng)前核天體前沿發(fā)展需要科研人員在更細(xì)分、深入的領(lǐng)域突破創(chuàng)新。諸如：(1)中微子的質(zhì)量是多少，它們?nèi)绾斡绊懹钪娴难莼?(2)重元素源于哪些天體場(chǎng)所，相對(duì)貢獻(xiàn)分別為多大?在銀河系和宇宙的歷史中它們?nèi)绾窝葑?(3)大質(zhì)量恒星如何引發(fā)超新星爆炸?(4)大爆炸后第一代恒星中的核反應(yīng)能夠產(chǎn)生哪些元素?(5)光子、中微子、引力波和星塵能告訴我們恒星的哪些故事?(6)中子星內(nèi)部狀態(tài)是什么樣?

我國(guó)核天體物理研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，盡管起步較晚，但是最近20多年取得了長(zhǎng)足進(jìn)步和豐碩成果，在一些方向上達(dá)到國(guó)際前沿水平。例如：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)基于蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室冷卻儲(chǔ)存環(huán)(CSR)，從2011年開(kāi)始，開(kāi)展一系列缺中子短壽命原子核質(zhì)量的高精度測(cè)量，為全面理解天體X-射線(xiàn)暴快質(zhì)子俘獲過(guò)程作出了重要貢獻(xiàn);基于蘭州放射性束流線(xiàn)(RIBLL)開(kāi)展突破碳氮氧循環(huán)關(guān)鍵反應(yīng)的天體反應(yīng)率測(cè)量;理論團(tuán)隊(duì)在宇宙大爆炸鋰豐度難題提出了非廣延解決方案，引起國(guó)際廣泛關(guān)注。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院從20世紀(jì)90年代開(kāi)始利用轉(zhuǎn)移反應(yīng)間接測(cè)量方法測(cè)量了一批重要反應(yīng)的天體反應(yīng)率，部分被國(guó)際核反應(yīng)率數(shù)據(jù)庫(kù)收錄并列為推薦值。2016年開(kāi)建的錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(JUNA)已于2020年底成功出束，為需要低本底的高靈敏度直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)提供可能，目前已完成首批重要核反應(yīng)截面直接測(cè)量，取得豐碩成果。

上海交通大學(xué)以及中國(guó)工程物理研究院基于國(guó)內(nèi)激光裝置開(kāi)展輕核聚變反應(yīng)的截面測(cè)量，掀起國(guó)內(nèi)利用激光裝置測(cè)量天體反應(yīng)率的熱潮。上海同步輻射光源對(duì)極端天體環(huán)境中伽馬光子與物質(zhì)相互作用的研究提供有利條件。未來(lái)坐落在廣東惠州的新一代強(qiáng)流重離子加速器裝置(HIAF)在研究產(chǎn)生重元素的快中子俘獲過(guò)程中將會(huì)大展身手。隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)科研支持力度的不斷加強(qiáng)，國(guó)內(nèi)核天體物理的發(fā)展必將突飛猛進(jìn)。

鋰豐度異常困擾科學(xué)家?guī)资?/p>

有一個(gè)深?yuàn)W的問(wèn)題——宇宙從何而來(lái)、如何產(chǎn)生?這個(gè)問(wèn)題催生出宇宙大爆炸理論。

很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期，人類(lèi)認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的。直到20世紀(jì)20年代，俄國(guó)科學(xué)家亞力山大·弗里德曼和比利時(shí)宇宙學(xué)家喬治·勒梅特通過(guò)求解愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程，發(fā)現(xiàn)宇宙是膨脹的，但是當(dāng)時(shí)這樣的觀念沒(méi)有被科學(xué)界所接受，就連引力場(chǎng)方程的創(chuàng)造者艾爾伯特·愛(ài)因斯坦也極力反對(duì)。這樣的僵局直到1929年天才科學(xué)家埃德溫·哈勃通過(guò)天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)確實(shí)如此，人們才開(kāi)始接受宇宙一直在膨脹的事實(shí)。

既然如此，回溯到很久以前，宇宙被限制在一個(gè)極其狹小的空間內(nèi)。換句話(huà)說(shuō)，宇宙起源于一次極其猛烈的大爆炸，也就是說(shuō)，宇宙是“炸”出來(lái)的。盡管弗里德曼和勒梅特一直都孕育著這一思想，但是正式撰文提出宇宙大爆炸理論的是弗里德曼的學(xué)生喬治·伽莫夫。1948年他和同事們提出了標(biāo)準(zhǔn)的熱大爆炸模型。但即便人們接受宇宙膨脹的事實(shí)，伽莫夫的熱大爆炸模型在當(dāng)時(shí)也不吃香，強(qiáng)有力的反對(duì)者便是大名鼎鼎的英國(guó)天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾，“大爆炸”正是他的嘲諷之詞。

伽莫夫提出的熱大爆炸模型認(rèn)為，宇宙開(kāi)始于高溫高密的原初物質(zhì)，溫度超過(guò)幾十億度，整個(gè)宇宙是各向同性的，物質(zhì)分布是均勻的。隨著宇宙膨脹，溫度和密度逐漸下降，慢慢演化形成了現(xiàn)在的星系等天體。他們預(yù)言大爆炸之后38萬(wàn)年的時(shí)候，宇宙已經(jīng)冷卻到電子和原子核結(jié)合形成中性原子，這時(shí)光子失去碰撞對(duì)象電子，成為背景光子(即微波背景輻射)，至今依然彌漫在宇宙當(dāng)中，當(dāng)前整個(gè)世界浸泡在背景光子海洋當(dāng)中，且背景光子的溫度在今天約為幾開(kāi)爾文。可以說(shuō)宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸理論的直接證據(jù)，能否找到它，對(duì)這一理論能否立足至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，1964年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的無(wú)線(xiàn)電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然中發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，這強(qiáng)有力地支持了大爆炸理論。隨后，美國(guó)航天局和歐洲宇航局對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行了更加精細(xì)的探測(cè)，如1989年美國(guó)發(fā)射的微波背景探測(cè)者衛(wèi)星COBE探測(cè)到的背景輻射譜是完美的黑體輻射譜，這給宇宙大爆炸理論提供了更有力的證明。

宇宙大爆炸理論是當(dāng)前解釋宇宙起源最成功的理論。該理論涉及的研究方向和內(nèi)容非常超前，好多人類(lèi)目前還無(wú)法回答，如大爆炸之前的宇宙是什么樣子?宇宙早期正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)的原因是什么?什么是暗物質(zhì)和暗能量?他們出現(xiàn)在大爆炸之前還是之后?大爆炸鋰豐度異常問(wèn)題等等。

大爆炸核合成發(fā)生在大爆炸開(kāi)始之后三分鐘，溫度降到約為10億度的時(shí)候，質(zhì)子和中子有效結(jié)合生成氘，生成的氘核進(jìn)一步與周?chē)暮俗影l(fā)生反應(yīng)，生成的新核素繼續(xù)與周?chē)暮俗臃磻?yīng)下去。由于宇宙膨脹溫度和密度不斷降低，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約2000秒就基本趨于結(jié)束，最終只生成氫、氦、鋰三種初期元素。大爆炸理論預(yù)測(cè)的輕元素豐度與天文觀測(cè)值非常符合，只有鋰-7的豐度二者之間存在三倍的差距，這就是困擾大家?guī)资甑挠钪娲蟊ㄤ囏S度異常問(wèn)題。

大爆炸核合成描述的是一個(gè)急速膨脹的動(dòng)力學(xué)體系內(nèi)多種粒子相互之間發(fā)生生滅反應(yīng)的過(guò)程。在大爆炸這種溫度高達(dá)10億度的極端天體環(huán)境下，控制該過(guò)程的微分方程組屬于一種特殊的種類(lèi)，叫作剛性微分方程組。由于剛性微分方程組數(shù)值求解穩(wěn)定性較差，需要細(xì)小的步長(zhǎng)控制誤差的傳遞擴(kuò)散。此外，由于當(dāng)前初期輕元素豐度天文觀測(cè)精度很高，誤差已精確到百分位，因此理論計(jì)算每步誤差必須保證達(dá)到千分位的精度，理論計(jì)算結(jié)果才有意義。

此前，我國(guó)要想做關(guān)于大爆炸核合成計(jì)算來(lái)預(yù)言初期輕元素的產(chǎn)額，需要求助于國(guó)外機(jī)構(gòu)，要將實(shí)現(xiàn)自己科學(xué)目標(biāo)的輸入?yún)?shù)輸入到對(duì)方提供的一個(gè)可操作界面，然后等待計(jì)算結(jié)果。有時(shí)我們想到好的想法，但由于受對(duì)方限制，大多無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能做對(duì)方限制好的陳舊研究。于是我們決定自己編寫(xiě)計(jì)算程序。經(jīng)過(guò)兩年多的努力，我們計(jì)算的輕元素豐度與國(guó)外的預(yù)測(cè)結(jié)果保持一致，證明了我們的計(jì)算程序是正確的。從此，我們可以擺脫限制進(jìn)行更具創(chuàng)新性的研究，也就催生出使用非廣延分布來(lái)解決鋰豐度難題。

探索宇宙起源遺留的未解難題

自宇宙大爆炸理論被提出以來(lái)，其建立的基本假設(shè)和直接預(yù)言的微波背景輻射都被后來(lái)的天文觀測(cè)所一一證實(shí)，毫不夸張地說(shuō)，大爆炸理論是當(dāng)前人類(lèi)解釋宇宙起源最成功的理論。但是如此完美的理論中也有不完美之處，就是前面所說(shuō)的大爆炸鋰豐度問(wèn)題。如何解決鋰豐度問(wèn)題是橫在該領(lǐng)域科學(xué)家面前無(wú)法回避的問(wèn)題。

從核物理的角度看，元素豐度是由控制核合成的核反應(yīng)率決定的，而核反應(yīng)率又是由核與核的反應(yīng)截面和反應(yīng)核子的能量分布共同決定。之前的研究思路基本都是從核反應(yīng)截面不準(zhǔn)確的角度出發(fā)來(lái)尋找答案，因此幾十年來(lái)各國(guó)科學(xué)家在花費(fèi)巨大的加速器上不斷開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，不斷精確化相關(guān)反應(yīng)的核反應(yīng)截面。如此巨大的財(cái)力、物力和人力的消耗非但沒(méi)有消除鋰豐度的差異，反而是加大了。

鋰豐度問(wèn)題作為宇宙大爆炸理論遺留的一個(gè)長(zhǎng)期未解難題，填補(bǔ)上這最后一塊拼圖意義重大。為此，我們另辟蹊徑，從天體系統(tǒng)反應(yīng)核子所滿(mǎn)足的能量分布這一角度出發(fā)，利用非廣延分布成功找到一種解決鋰豐度異常問(wèn)題的方案，在國(guó)際上引起廣泛關(guān)注。從此，在宇宙大爆炸鋰豐度問(wèn)題上，有一種解決方案來(lái)自于中國(guó)科研人員。

探索宇宙起源遺留的未解難題，是純基礎(chǔ)科學(xué)研究。屬于滿(mǎn)足人類(lèi)好奇心、求知欲，揭開(kāi)未知世界，促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步獲取新知識(shí)的研究范疇。短期看可能沒(méi)有直接經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值，但是該類(lèi)研究的意義宏大深遠(yuǎn)。可以總結(jié)為：弄清客觀世界的本質(zhì)和基本規(guī)律，為人類(lèi)創(chuàng)造新知識(shí)、建立新的認(rèn)知體系，指導(dǎo)后代利用掌握的科學(xué)來(lái)不斷探索認(rèn)識(shí)和改造未知世界，同時(shí)利用探索過(guò)程中衍生的新原理、新技術(shù)造福人類(lèi)自己。事實(shí)證明諸如無(wú)人駕駛、太陽(yáng)能技術(shù)好多當(dāng)前生活中應(yīng)用到的科技早期發(fā)端于宇宙太空探索。此外，探索宇宙也更能彰顯國(guó)家實(shí)力，增強(qiáng)民族自信。

1929年，哈勃通過(guò)望遠(yuǎn)鏡將人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)向前推進(jìn)了一大步;1946年，美國(guó)成功發(fā)射V2火箭，人類(lèi)首次突破大氣層從太空看到了地球;1990年，美國(guó)發(fā)射哈勃望遠(yuǎn)鏡，徹底改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。2009年，開(kāi)普勒號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，專(zhuān)門(mén)用于發(fā)現(xiàn)類(lèi)地行星;2021年，韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射，讓人們第一次看到了宇宙早期的模樣。

宇宙廣袤無(wú)垠，探索永無(wú)止境。人類(lèi)之所以能夠創(chuàng)造璀璨奪目的文明，而地球上其他物種卻沒(méi)有，核心就是人類(lèi)會(huì)思考，對(duì)未知事物充滿(mǎn)好奇，喜歡探索。人類(lèi)對(duì)古老而神秘的宇宙的認(rèn)識(shí)還非常有限，人類(lèi)需要不斷進(jìn)步，科學(xué)需要繼續(xù)探索。

關(guān)鍵詞： 宇宙科學(xué) 核天體物理 太陽(yáng)輻射 物質(zhì)世界