卞毓麟

乔治·伽莫夫

物理学教授

乔治·华盛顿大学

1934年至1956年

伽莫夫（1904-1968年）因如下事迹而著称：发展宇宙的“大爆炸理论”（1948年）；用量子隧道解释原子核的α衰变（1928年）；与爱德华·泰勒共同描述自旋诱发的原子核β衰变（1936年）；在原子核物理中始创液滴模型（1928年）；在恒星反应速率和元素形成方面引入“伽莫夫”因子（1938年）；建立红巨星、超新星和中子星模型（1939年）；首先提出遗传密码有可能如何转录（1954）；以及通过一系列著作——包括“汤普金斯先生”的奇遇——普及科学（1939-1967年）

乔治·华盛顿大学物理学系为纪念他们的同事乔治·伽莫夫敬立此牌

2000年4月

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▲乔治·华盛顿大学的铭牌

一个生活在20世纪的现代人，居然能天马行空似地在大不相同的学科领域中一再作出开创性的贡献，真是一种奇迹。美籍波兰裔著名数学家斯坦尼斯拉夫·M·乌拉姆曾经这样评论伽莫夫：“总而言之，人们在他的研究中除了能看到各种出类拔萃的特点之外，还能看到业余性质的研究可以在很广的科学领域中进行的最新例证”。当然，在这个五光十色的世界上，如此例证毕竟只是凤毛麟角而已。

伽莫夫作为一名“重量级”的科学家，并未获得过诺贝尔奖。但是，却有那么多的诺贝尔奖得主对他钦佩有加。例如，美国生物化学家詹姆斯·杜威·沃森与英国生物化学家弗朗西斯·克里克因合作发现DNA双螺旋结构而同获1962年诺贝尔生理学医学奖。沃森在其名著《基因、女郎、伽莫夫》中谈到伽莫夫：“一个大顽童，从原子跳到基因，又跳到空间旅行。乔（卞按：伽莫夫的昵称）同时涉足这些领域……他从不指望每次探索都有结果，因而总是在过程中寻找乐趣。如今回首自己的人生，才明白乔的睿智远远超出了我最初对他的评价。”

▲《基因·女郎·伽莫夫》（英文版）

▲《基因·女郎·伽莫夫》（中文版）

乔治·华盛顿大学的那块铭牌，将“发展宇宙的‘大爆炸理论’”列为伽莫夫诸多贡献之首，这是无可争议的。如今，伽莫夫等人基于大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射，已经两度成为诺贝尔奖的颁奖原由：美国科学家阿尔诺·艾伦·彭齐亚斯和罗伯特·伍德罗·威尔逊因发现宇宙微波背景辐射而获得1978年度的诺贝尔物理学奖；28年之后，美国科学家约翰·C·马瑟和乔治·F·斯穆特又因发现宇宙微波背景辐射的黑体谱形和各向异性而获得2006年度诺贝尔物理学奖。几乎无须证明，倘若伽莫夫依然健在，那么他终将成为这同一奖项的得主。当然，先于伽莫夫15年去世的现代观测宇宙学奠基人、美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃亦当如此。

因建立基本粒子的电弱统一理论而获得1969年诺贝尔物理学奖的美国科学家斯蒂文·温伯格，在其脍炙人口的科普读物《最初三分钟：宇宙起源的现代观点》中，专门反思了宇宙微波背景辐射的发现史。

他写道：

“阿尔弗、伽莫夫和赫尔曼是非常值得推崇的，因为他们认真地去解决早期宇宙的问题，弄清了应该怎样用已知的物理定律去推断最初三分钟的情形。但即使他们，也没有做完最后的一步，说服射电天文学家去探索某种微波辐射背景。”“这是科学史中最发人深省的部分。科学史的编纂中连篇累牍地写着它的成功、深谋远虑的发现、辉煌的推导、或者有如牛顿和爱因斯坦的奇迹般的跃进，这是可以理解的。但是我认为，如果不了解科学中的险阻，即多么容易走上歧途，多么难以知道走完一步之后应该迈向什么地方，那就不可能真正理解科学的成就。”

关于《我的世界线》

伽莫夫的主要功绩已如乔治·华盛顿大学的铭牌所记，其生平大要则有如其本人所列：

1904年 3月4日生于俄国敖德萨市

1922-1923年 敖德萨市诺沃罗西亚大学学生

1923-1929年 列宁格勒大学学生

1928-1929年 哥本哈根大学理论物理研究所研究人员

1929-1930年 剑桥大学，洛克菲勒基金资助的研究人员

1930-1931年 哥本哈根大学理论物理研究所研究人员

1931年 与柳波芙·伏克明采娃（即“罗”）结婚；1956年离婚

1931-1933年 列宁格勒大学教授

1933-1934年（冬季和春季） 巴黎皮埃尔·居里研究所研究人员；伦敦大学访问教授1934年（夏季） 密执安大学讲师

1934年（秋季）-1956年 华盛顿市乔治·华盛顿大学教授

1935年 儿子卢斯特姆·伊戈尔出生

1954年 伯克利加利福尼亚大学访问教授

1956年 获联合国教科文组织的卡林格科学普及奖

1956-1958年 科罗拉多大学教授

1958年 与巴巴拉·帕金斯（即“帕基”）结婚

1965年（秋季） 剑桥大学丘吉尔学院国外研究员

这份简历，见诸伽莫夫那部趣味盎然、但实际上并未写完的自传。起初，他将此书称为“往事片段”，后来又取了一个别致的书名：《我的世界线——一部非正式的自传》。伽莫夫在“前言”中对书名的解释言简意赅：“至于说到书的题目，它指的是相对论性的四维时空连续统，在这个连续统中，任一时间、任一地点发生的任一事件都由一点来代表，这样的点（或事件）的序列就形成一条世界线。”可见，所谓“我的世界线”，其实就是“我的人生轨迹”。此书于1970年由美国的维京出版社出版，其时作者本人已去世多时。许多人都有过这样的疑问：伽莫夫本是俄国人，他的名字用拉丁文拼写为何是Gamow，而不像同为著名俄裔美国人的艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）那样用字母v结尾？

《我的世界线》用一个脚注对此作了清晰的解释：“这个名字的正确发音是Gamov，其中字母a的发音同‘妈妈’或‘爸爸’中的韵母。如果我当初直接从俄国去英国或美国，那么我用英文拼写自己的姓名就会以字母v结尾。其所以会写成这个读音容易混淆的w，原因在于我最初是为一家德国刊物用拉丁字母拼写自己的姓名；德语中的v发音类似英语中的f，而w则类似于英语中的v。

其实，伽莫夫的俄文原名是Георг Гамов，入美国籍后成为George Gamow；后来，人们又把George翻译成俄文的 Джордж。所以，俄文文献中经常提到的ДжорджГамов，其实还是那个乔治·伽莫夫。

《我的世界线》写得简练、诙谐、率真、洒脱，很能体现伽莫夫的风格。例如，他父亲是一所私立男子中学的俄语和俄罗斯文学教员。书中说他父亲很喜欢一个天资出众的学生列夫·布朗斯坦，可后者却不喜欢他父亲，还发起向校方请愿要求解雇这位老师。布朗斯坦很有心计，他起草的请愿书的字数和班里学生的人数一样多，并让每个同学用自己的笔迹写一个字。布朗斯坦参加共产党之后，将名字改成了托洛茨基。

第一次世界大战、十月革命和国内战争，使战略要地敖德萨动荡不安。伽莫夫虽然在上学，但获取知识主要是靠自学。他一直是班上最优秀的学生，并且对诗歌和几何学有着浓厚的兴趣。童年时代有两件事，对于他日后投身科学大有影响。一次是父亲给他一架小显微镜，他就用它做了一个实验，检验从圣餐上领取的红酒和面包是否与血和肉的组成相同。另一次是他13岁生日时得到了一件礼物——一架小望远镜，仰望星空激发了他探索宇宙奥秘的热情。

1922年，伽莫夫进入敖德萨的新罗西亚大学数理系学习。一年之后，又转往列宁格勒大学物理系。他在列宁格勒曾做过林业研究所的气象站观测员，后来又到一所红军野战炮校兼做教官，讲授物理学，为自己提供学习费用。

在列宁格勒大学，伽莫夫看到了20世纪初以来量子论与相对论的重大进展。他选了数学系教授亚历山大·亚历山德罗维奇·弗里德曼开设的课程“相对论的数学基础”。弗里德曼对于相对论宇宙学很有贡献，他是最早对爱因斯坦的静态宇宙模型提出否定意见的人物之一。

▲弗里德曼

在弗里德曼影响下，伽莫夫成了膨胀宇宙观念的积极拥护者。1925年春，伽莫夫以优异的成绩通过学位课程考试。他对刚刚问世的矩阵力学和波动力学深感兴趣，并和伊万年科合作把薛定谔的波函数引入相对论的四维时空中。1926年，伽莫夫得到了攻读博士学位的奖学金，可惜弗里德曼已去世，他只得放弃了研究宇宙学的打算。1928年，伽莫夫有幸被推荐到德国的格丁根大学理论物理研究所去学习与工作，那里汇集着大批物理学精英，形成了著名的格丁根学派。

就在1928年，伽莫夫用量子理论中的隧道效应成功地解释了α衰变过程。后来，人们赞誉这一成就“标志着核物理学的起点”。此后多年中，伽莫夫在原子核的量子理论方面继续开拓，他最早提出了原子核的液滴模型思想，解释了受激核的γ发射，还提出了β衰变的伽莫夫—特勒选择定则。他于1949年出版的《原子核理论与核能源》一书，是概括这一时期核物理学理论的经典文献。

1928年暑假，伽莫夫去哥本哈根拜访物理学大师尼尔斯·玻尔。后者很赞赏他的才干，为他提供了丹麦皇家科学院的卡尔斯伯奖学金，让他留在哥本哈根工作一年。伽莫夫干得很出色。1929年夏天他回到苏联，受到了热情洋溢的欢迎。报纸上称赞他：“一个工人阶级的儿子解释了世界最微小的结构：原子的核”，“一个苏联学生向西方表明，俄国的土壤能够孕育出她自己的柏拉图们和才智机敏的牛顿们。”

1929年秋天，伽莫夫前往英国剑桥的卡文迪什实验室，在另一位物理学大师卢瑟福手下工作。伽莫夫把量子论关于原子核的最新思想和处理方法带到了剑桥。他还指出使用质子来轰击原子核，其能量只需α粒子能量的1/16。这使卢瑟福很受鼓舞，并由此催生了第一台质子加速器。

《我的世界线》的英文原版书在中国各大图书馆似付阙如，但它却有一个中译本。事情的梗概如下。20世纪80年代前期，我在努力搜集阿西莫夫、卡尔·萨根、伽莫夫等科普大家的有关资料。1984年2月11日，我收到20年前自己在南京大学天文系求学时的老师汪珍如教授从美国史密松天体物理台寄来的英文版《My World Line》全书复印件。当时，汪老师正在那里做访问学者。后来，《物理世界奇遇记》的中译者吴伯泽先生借阅了这份复印件，归还时告诉我已将此书推荐给上海翻译出版公司，纳入《科学家传记丛书》，由王晓华执译。王晓华那时30来岁，是伯泽先生的同事、科学出版社一位优秀的年轻编辑。她工作认真，译笔也好，但后来离开出版界了。1988年3月，中译本面世，易名为《伽莫夫自传》。

▲中文版《伽莫夫自传》

问题在于：英文原版书配备的将近40幅很有意思的照片或插图，在中译本里却踪影全无了。原因看来是译者和出版社手中都没有原版书，仅据我提供的复印件是无法制作插图的。这个中译本印了3000册，如今已不多见。

转向天体物理学

1931年春天，伽莫夫回到苏联，发现科学和科学家受到的待遇已与两年前大不相同。这使他大失所望。1933年，在玻尔和法国著名物理学家朗之万的促请下，伽莫夫通过布哈林和莫洛托夫的关系，终于获准带着新婚妻子出席在比利时举行的一次国际会议。会后，他在巴黎的居里研究所、剑桥的卡文迪什实验室和哥本哈根的玻尔研究所逗留了两个月，接着又到美国的密歇根大学讲学。同年秋天，伽莫夫被美国的乔治·华盛顿大学聘为教授。他在该校主办每年一度的华盛顿理论物理会议，吸引了美国和欧洲很多优秀的物理学家，并导致许多重大成果，例如恒星能源的碳氮循环和质子-质子循环、原子核裂变的机制等。

在美国，伽莫夫的兴趣开始转向天体物理学领域。1933年他与早先在列宁格勒求学时的同学列夫·达维多维奇·朗道合作，提出可以根据恒星表面存在的锂元素推知其内部温度；他与匈牙利裔美国物理学家爱德华·特勒合作，研究了红巨星内部的核反应和能源问题。

▲朗道纪念邮品

伽莫夫还与巴西裔的理论物理学家马里奥·申贝格合作，提出某些恒星内部的核反应会产生大量的中微子和反中微子，它们的突然逸出将导致巨额光能的释放，这种所谓的“尤卡过程”，可以解释超新星爆发现象。非常有趣的是，“尤卡”原本是巴西里约热内卢市一个赌场的名字。据说，在途径那里时，申贝格向伽莫夫幽默地比喻：“在超新星核心能量的消失就像金钱在那个轮盘赌桌上的消失那样快。”“尤卡过程”即由此而得名。此外，在伽莫夫的南俄方言中，“尤卡”还可以有“强盗”的意思。到20世纪40 年代中期，伽莫夫还研究了白矮星的机制、造父变星的机制、恒星内部元素的产生等各种课题。

第二次世界大战期间，伽莫夫在美国海军部军械局的高爆研究室中担任顾问。他多次以官方代表的身份向爱因斯坦报告有关研究方案，并讨论了许多物理学问题。战后，他曾有一段时间与特勒等人在洛斯阿拉莫斯科学实验室从事氢弹研制工作。

伽莫夫从20世纪40年代中期起，把研究的目标转向了宇宙学。宇宙学是将宇宙作为一个整体来研究其结构、运动、起源和演化的学科。1917年，爱因斯坦发表“根据广义相对论对宇宙学所作的考查”一文，建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型，为现代宇宙学奠定了理论基础。1922年，俄国物理学家亚历山大·弗里德曼通过求解爱因斯坦的引力场方程，论证了宇宙随时间而膨胀之可能性。1927年，比利时天文学家乔治·勒梅特也通过求解爱因斯坦的引力场方程，得出我们的宇宙正在随时间而膨胀的结论。

另一方面是天文观测的进展。美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃于1929年发现了著名的“哈勃定律”，即河外星系的视向速度与其距离存在着正比关系。1930年，英国天文学家阿瑟·斯坦利·爱丁顿将这种现象看成是非静态宇宙的膨胀效应。1932年勒梅特据此推测，宇宙早期处于极端稠密的状态，有如一个超级的原子核，并把它称为“原始原子”。1948年，伽莫夫进一步发展勒梅特的思想，正式提出后来被称为“大爆炸”的宇宙起源和演化理论，为现代宇宙学竖起了一座里程碑。他先前在核物理、特别是天体物理学方面的工作，则是他在宇宙学研究中获得丰硕成果的前奏。

▲伽莫夫（左一）参加全苏物理讨论会

▲在乔治·华盛顿大学演说

▲系着他为“RNA领带俱乐部”设计的领带

▲晚年在医院进餐

大爆炸宇宙学

1946年4月，伽莫夫发表了题为“膨胀宇宙和元素的起源”的论文，分析了化学元素起源与宇宙早期膨胀过程的联系。他设想，在宇宙早期的迅速膨胀过程中，高密度的自由中子迅速地复合出各种核素，而在以后较冷的状态下又通过β衰变转变成各种不同的原子核。这篇论文是热大爆炸宇宙学思想的奠基石。

此后，伽莫夫与其研究生拉尔夫·阿舍·阿尔弗合作，继续深入研究，并在1948年4月1日出版的《物理学评论》上发表了署名为阿尔弗、贝特和伽莫夫的论文。其实，理论物理学家汉斯·阿尔布雷克特·贝特原与这篇题为“化学元素的起源”的文章并没有任何关系。伽莫夫添上他的名字，只是为了使作者署名取得α-β-γ的谐音效果。后来，此文关于宇宙中的核子如何逐步综合成较复杂的原子核的这套理论，就被世人称为“α-β-γ理论”了。贝特本人因在原子核物理理论方面的成就早已闻名于世。他于1938年提出，恒星的能量来自其内部氢聚变为氦的热核反应，这正是他获得1967年度诺贝尔物理学奖的重要原因。

1948年，伽莫夫还发表了“元素起源和星系分离”，并同阿尔弗和罗伯特·赫尔曼合作发表了“膨胀宇宙中的热核反应”。同年，伽莫夫又向英国的《自然》杂志寄去“宇宙的演化”一文，并将此文手稿寄了一份给阿尔弗和赫尔曼。阿尔弗和赫尔曼复核后发现文中有误，遂致电伽莫夫指出瑕疵之所在。伽莫夫感到由他本人纠正文稿为时已晚，就鼓励阿尔弗和赫尔曼给《自然》另投一篇评论文章。他通知《自然》说，阿尔弗和赫尔曼的文章就要寄到，希望《自然》在他的论文之后尽快发表。阿尔弗和赫尔曼正是在这篇文章中，第一次预言了宇宙黑体辐射的存在，并以相当简洁的方法推算出现今的宇宙背景辐射温度为5K。遗憾的是，这个极重要的结论，却被世人忽视了长达15年之久，1964年，彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了温度为3K的宇宙微波噪声。这既使热大爆炸宇宙理论获得了直接的定量支持，也使彭齐亚斯和威尔逊获得了1974年的诺贝尔物理学奖。

▲伽莫夫正从瓶子里冒出来

伽莫夫打算继续推进“α-β-γ”式的把戏，甚至怂恿赫尔曼把姓氏改成德尔特（Delter），以便同第四个希腊字母δ谐音。尽管赫尔曼拒绝了，伽莫夫还是在一篇文章中提到了“由阿尔弗、贝特、伽莫夫和德尔特发展的中子俘获理论”。

1956年，伽莫夫发表“膨胀宇宙的物理学”一文，更清晰地描述了宇宙从原始高密状态膨胀、演化的概况。此后，他基本上退出了宇宙学领域的前沿研究。但是，从现代宇宙学发展史的角度看，伽莫夫及其主要合作者已经基本建成了大爆炸宇宙学的主要框架。

“大爆炸”的英文名Big Bang，最初是其反对者、英国天文学家弗雷德·霍伊尔以嘲弄的口吻对它的调侃，后来却被正式沿用下来。在这一理论艰难曲折的成长过程中，曾经有过许多误解和讹传。为此，阿尔弗和赫尔曼在1988年8月号的《今日物理》上发表长文“大爆炸宇宙学早年工作的反省”，披露了他们开创性研究的前前后后。经作者允许以及美国物理学会授权，此文由王树军译成中文，1990年初分两次在中国的《科学》杂志上发表，而今重读，兴味依旧。

未完待续......

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