宇宙是“炸”出來的嗎？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，宇宙是“炸”出來的。這是宇宙大爆炸理論對于“宇宙從何而來、如何產(chǎn)生”這一問題的回答。而對宇宙大爆炸理論的逐步認識，又催生出一系列與人類密切相關(guān)的根本性問題——人類生活的地球上，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。

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微小的原子核與宏大的宇宙天體緊密聯(lián)系

人類生活在地球上已有200萬年的歷史，在近五、六千年的歷史長河中創(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?這個問題一直沒有一個科學的回答，直到核天體物理這門科學誕生。

核天體物理是核物理學和天體物理學交叉形成的前沿科學，主要通過微觀層次的核反應(yīng)來研究構(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%的微小變化就會使重元素、行星和我們所知的生命全部消失。毫不夸張地說，人類與核天體物理從宇宙創(chuàng)生那一刻起就一直緊密相連，所以該學科自誕生以來一直被科學界確立為高度優(yōu)先的前沿科學。歐美國家長期以來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世紀初，誘因是科學家發(fā)現(xiàn)太陽已經(jīng)輻射幾十億年，如此持久的能量究竟來源于哪里?關(guān)于這個問題，美國科學家漢斯·貝特1938年給出了答案——核反應(yīng)為太陽提供了綿綿不絕的能量，他也因此獲得1967年的諾貝爾物理學獎。核天體物理另一標志性工作是美籍俄裔物理學家喬治·伽莫夫1948年提出的宇宙大爆炸模型，該過程產(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，英國著名天文學家弗雷德·霍伊爾、伯比奇夫婦(杰佛瑞·伯比奇和瑪格麗特·伯比奇)、美國物理學家威廉·福勒四人(簡稱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獲得1983年的諾貝爾物理學獎。此后，隨著天文學家觀察到一個又一個奇異的天體現(xiàn)象，大大刺激了核天體物理的發(fā)展，使之進入了黃金時代。

在過去的半個世紀里，科學家們在核天體相關(guān)領(lǐng)域取得了輝煌的成績，諸如大爆炸理論得到宇宙微波背景輻射等多重觀測證據(jù)的支持，太陽中微子丟失是源于中微子振蕩，發(fā)現(xiàn)的超新星以及X-射線暴等極端天體現(xiàn)象極大地增進了人們對天體核合成場所的了解，科學家成功探測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。當前核天體前沿發(fā)展需要科研人員在更細分、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所，相對貢獻分別為多大?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?

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

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

上海交通大學以及中國工程物理研究院基于國內(nèi)激光裝置開展輕核聚變反應(yīng)的截面測量，掀起國內(nèi)利用激光裝置測量天體反應(yīng)率的熱潮。上海同步輻射光源對極端天體環(huán)境中伽馬光子與物質(zhì)相互作用的研究提供有利條件。未來坐落在廣東惠州的新一代強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程中將會大展身手。隨著國家對基礎(chǔ)科研支持力度的不斷加強，國內(nèi)核天體物理的發(fā)展必將突飛猛進。

鋰豐度異常困擾科學家?guī)资?/p>

有一個深奧的問題——宇宙從何而來、如何產(chǎn)生?這個問題催生出宇宙大爆炸理論。

很長一段歷史時期，人類認為宇宙是靜態(tài)的。直到20世紀20年代，俄國科學家亞力山大·弗里德曼和比利時宇宙學家喬治·勒梅特通過求解愛因斯坦引力場方程，發(fā)現(xiàn)宇宙是膨脹的，但是當時這樣的觀念沒有被科學界所接受，就連引力場方程的創(chuàng)造者艾爾伯特·愛因斯坦也極力反對。這樣的僵局直到1929年天才科學家埃德溫·哈勃通過天文觀測發(fā)現(xiàn)確實如此，人們才開始接受宇宙一直在膨脹的事實。

既然如此，回溯到很久以前，宇宙被限制在一個極其狹小的空間內(nèi)。換句話說，宇宙起源于一次極其猛烈的大爆炸，也就是說，宇宙是“炸”出來的。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生喬治·伽莫夫。1948年他和同事們提出了標準的熱大爆炸模型。但即便人們接受宇宙膨脹的事實，伽莫夫的熱大爆炸模型在當時也不吃香，強有力的反對者便是大名鼎鼎的英國天文學家弗雷德·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為，宇宙開始于高溫高密的原初物質(zhì)，溫度超過幾十億度，整個宇宙是各向同性的，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。他們預言大爆炸之后38萬年的時候，宇宙已經(jīng)冷卻到電子和原子核結(jié)合形成中性原子，這時光子失去碰撞對象電子，成為背景光子(即微波背景輻射)，至今依然彌漫在宇宙當中，當前整個世界浸泡在背景光子海洋當中，且背景光子的溫度在今天約為幾開爾文?？梢哉f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，對這一理論能否立足至關(guān)重要。幸運的是，1964年美國貝爾實驗室的無線電工程師阿諾·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，這強有力地支持了大爆炸理論。隨后，美國航天局和歐洲宇航局對宇宙微波背景輻射進行了更加精細的探測，如1989年美國發(fā)射的微波背景探測者衛(wèi)星COBE探測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，好多人類目前還無法回答，如大爆炸之前的宇宙是什么樣子?宇宙早期正反物質(zhì)不對稱的原因是什么?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題等等。

大爆炸核合成發(fā)生在大爆炸開始之后三分鐘，溫度降到約為10億度的時候，質(zhì)子和中子有效結(jié)合生成氘，生成的氘核進一步與周圍的核子發(fā)生反應(yīng)，生成的新核素繼續(xù)與周圍的核子反應(yīng)下去。由于宇宙膨脹溫度和密度不斷降低，整個過程持續(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。大爆炸理論預測的輕元素豐度與天文觀測值非常符合，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度異常問題。

大爆炸核合成描述的是一個急速膨脹的動力學體系內(nèi)多種粒子相互之間發(fā)生生滅反應(yīng)的過程。在大爆炸這種溫度高達10億度的極端天體環(huán)境下，控制該過程的微分方程組屬于一種特殊的種類，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，需要細小的步長控制誤差的傳遞擴散。此外，由于當前初期輕元素豐度天文觀測精度很高，誤差已精確到百分位，因此理論計算每步誤差必須保證達到千分位的精度，理論計算結(jié)果才有意義。

此前，我國要想做關(guān)于大爆炸核合成計算來預言初期輕元素的產(chǎn)額，需要求助于國外機構(gòu)，要將實現(xiàn)自己科學目標的輸入?yún)?shù)輸入到對方提供的一個可操作界面，然后等待計算結(jié)果。有時我們想到好的想法，但由于受對方限制，大多無法實現(xiàn)，只能做對方限制好的陳舊研究。于是我們決定自己編寫計算程序。經(jīng)過兩年多的努力，我們計算的輕元素豐度與國外的預測結(jié)果保持一致，證明了我們的計算程序是正確的。從此，我們可以擺脫限制進行更具創(chuàng)新性的研究，也就催生出使用非廣延分布來解決鋰豐度難題。

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，其建立的基本假設(shè)和直接預言的微波背景輻射都被后來的天文觀測所一一證實，毫不夸張地說，大爆炸理論是當前人類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，就是前面所說的大爆炸鋰豐度問題。如何解決鋰豐度問題是橫在該領(lǐng)域科學家面前無法回避的問題。

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)截面不準確的角度出發(fā)來尋找答案，因此幾十年來各國科學家在花費巨大的加速器上不斷開展實驗，不斷精確化相關(guān)反應(yīng)的核反應(yīng)截面。如此巨大的財力、物力和人力的消耗非但沒有消除鋰豐度的差異，反而是加大了。

鋰豐度問題作為宇宙大爆炸理論遺留的一個長期未解難題，填補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題的方案，在國際上引起廣泛關(guān)注。從此，在宇宙大爆炸鋰豐度問題上，有一種解決方案來自于中國科研人員。

探索宇宙起源遺留的未解難題，是純基礎(chǔ)科學研究。屬于滿足人類好奇心、求知欲，揭開未知世界，促進科學進步獲取新知識的研究范疇。短期看可能沒有直接經(jīng)濟效益和應(yīng)用價值，但是該類研究的意義宏大深遠。可以總結(jié)為：弄清客觀世界的本質(zhì)和基本規(guī)律，為人類創(chuàng)造新知識、建立新的認知體系，指導后代利用掌握的科學來不斷探索認識和改造未知世界，同時利用探索過程中衍生的新原理、新技術(shù)造福人類自己。事實證明諸如無人駕駛、太陽能技術(shù)好多當前生活中應(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家實力，增強民族自信。

1929年，哈勃通過望遠鏡將人類對宇宙的認識向前推進了一大步;1946年，美國成功發(fā)射V2火箭，人類首次突破大氣層從太空看到了地球;1990年，美國發(fā)射哈勃望遠鏡，徹底改變了我們對宇宙的認知。2009年，開普勒號太空望遠鏡發(fā)射，專門用于發(fā)現(xiàn)類地行星;2021年，韋伯望遠鏡的發(fā)射，讓人們第一次看到了宇宙早期的模樣。

宇宙廣袤無垠，探索永無止境。人類之所以能夠創(chuàng)造璀璨奪目的文明，而地球上其他物種卻沒有，核心就是人類會思考，對未知事物充滿好奇，喜歡探索。人類對古老而神秘的宇宙的認識還非常有限，人類需要不斷進步，科學需要繼續(xù)探索。

關(guān)鍵詞： 宇宙科學 核天體物理 太陽輻射 物質(zhì)世界