[物理史] 化學元素的起源

化學元素的起源
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News，2008年4月)

1948年4月1日，《物理評論》(Physical Review)刊登了一篇由阿爾菲 (Ralph Alpher)、貝特 (Hans Bethe)和加莫夫 (George Gamow)所發表，標題為〈化學元素的起源〉之論文。作者的掛名帶有一點玩笑意味（貝特並未真的對此研究有貢獻），但此篇論文卻有著重要的科學發現。阿爾菲和加莫夫說明了大爆炸之後所立即發生的極端情況可以解釋宇宙所觀察到眾多最平常元素的含量。

物理學家加莫夫於1904年出生在奧德薩（Odessa，現在的烏克蘭），他對前蘇聯心生不滿，企圖離境失敗一次之後，終於在1934年逃出，移居美國，在美國華府喬治．華盛頓大學任職。

1940年代初期，加莫夫一直研究解釋所觀測到各種元素的含量。當時已證明在星球中心，氫原子核融合形成了氦，但此形成的過程非常緩慢，不足以說明宇宙中所觀察到的氦的含量（10個氫原子就有一個氦原子），也無法解釋所存在比氦重的元素。加莫夫想知道是否最早期的宇宙情況有可能產生所觀察到的氦以及其他的元素。

這一方面的研究需要核物理的知識，但當時美國大多的核物理學家都已被延攬加入曼哈頓計畫，因此加莫夫實際上是獨自研究核合成的問題。

加莫夫開始先做計算，看看宇宙物質的密度，並實際推倒宇宙的膨脹過程，估算一下早期宇宙可能的情況，然後他開始嘗試算出早期宇宙核反應的可能率。但宇宙膨脹時，情況會不斷地改變，所以計算很繁複。因為加莫夫自己對於數學計算並不特別熟練，因此聘用博士學生阿爾菲來幫忙。

他們一開始想像著宇宙早期是一個極熱、高密度的中子氣體（他們稱之為「ylem」，這是中世紀「物質」的字眼）。當宇宙膨脹時，這些壓縮著的熱中子會衰變成質子、電子和微中子的混合物，然後質子會吸收剩餘的一些中子形成重氫，當進一步吸收中子後即會形成越來越重的原子核。此過程在宇宙膨脹時會一直持續著，一直到溫度太低無法產生進一步的反應為止。

阿爾菲在核反應過程的計算使用了某些在第二次世界大戰中發展出來的第一代電腦，也使用了戰後所可得到的核反應新資料。

他們的計算和已知宇宙中的氦含量相吻合，所以他們很滿意計算出來的結果，就投了一篇短論文到《物理評論》期刊，標題為〈化學元素的起源〉。他們還因此開了一瓶酒慶祝，加莫夫將之重新標籤為「ylem」。

加莫夫向來以幽默著稱，當他知道他們的論文即將在1948年4月1日出刊的《物理評論》中發表出來，就將他的朋友，以研究包括恆星的核反應著稱的貝特名字也加進去，因此論文的作者就成了Alpher、Bethe、和 Gamow，是希臘字母表前三個字母($$\alpha$$、$$\beta$$、$$\gamma$$)的雙關語。

阿爾菲當時是一位博士生，正努力為自己打出名聲，他反對多加一位作者，深怕知名的貝特名字會奪走他的光采，降低他對此重要研究關鍵性的貢獻所應得的肯定。但加莫夫不理會阿爾菲的反對，還是將貝特的名字加論文上發表。

這篇論文仍被稱之為 alpha-beta-gamma 論文，它不僅說明了宇宙含量最多諸多元素的起源，還提供了自從1929年哈伯發現遠方的銀河會隨著和我們的距離成正比產生紅移以來，大爆炸模型最早的證據。

後來大家知道，大多數元素事實上並無法經由阿爾菲和加莫夫所原先提出，中子連續吸收的過程來產生，因為5個核子的原子核並不穩定，還需要用別的過程來填補以產生更重的元素。然而，阿爾菲-貝特-加莫夫理論確實正確地說明了氫和氦的含量，兩者合起來佔宇宙重子物質的99%以上。

論文發表後，阿爾菲還須完成他的博士學位。科學家和媒體得知阿爾菲-貝特-加莫夫結果後，有300人於1948年的春天擠進喬治．華盛頓大學聽阿爾菲的論文口試。《華盛頓郵報》聽到阿爾菲的敘述說，在高溫爆炸中只花了300秒便創造產生氫和氦，大膽地報導說：「五分鐘即產生全世界。」

阿爾菲取得了博士學位，但他15分鐘的名聲（譯者註：短暫的名聲）很快就結束了。在完成博士學位後，阿爾菲和何爾曼（Robert Herman，他拒絕了加莫夫極力要他改姓 Delter，和希臘字母的第四個字母 $$\delta$$ 雙關語）繼續研究早期的宇宙。他們的研究預測了宇宙微波背景輻射，但卻為大家所忽視，甚至1964年發現宇宙微波背景輻射後仍未給他們肯定。阿爾菲後來到通用電氣(General Electric)擔任研究員，加莫夫則還持續其他問的研究，涉足到脫氧核糖核酸(DNA)的化學領域。阿爾菲在獲得美國國家科學獎章後不久，於2007年辭世。

原文刊載於物理雙月刊2012年4月號34卷第2期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。