贡献者: 待更新
本文根据 CC-BY-SA 协议转载翻译自维基百科相关文章
乔治·伽莫夫(George Gamow,有时写作 Gammoff;原名 Гео́ргий Анто́нович Га́мов,Georgiy Antonovich Gamov,1904 年 3 月 4 日-1968 年 8 月 19 日)是一位苏联和美国的博学家、理论物理学家与宇宙学家。他是乔治·勒梅特大爆炸理论的早期倡导者与发展者之一。伽莫夫首先通过量子隧穿理论解释了α衰变的机理,提出了液滴模型——第一个原子核的数学模型,并研究了放射性衰变、恒星形成、恒星核合成、以及大爆炸核合成(他统称为 “核宇宙成因论”,nucleocosmogenesis),并预言了宇宙微波背景辐射的存在以及分子遗传学的基础。伽莫夫是量子隧穿现象发展与理解的关键人物之一。
在中晚期生涯中,伽莫夫将大量精力投入教学,并撰写了多部科普著作,包括《一二三……无穷大》以及 “汤普金斯先生” 系列丛书(1939–1967)。他的一些著作在最初出版半个多世纪后仍在印行。为纪念他,美国科罗拉多大学博尔德分校设立了乔治·伽莫夫纪念讲座。
伽莫夫出生于俄国帝国敖德萨(今乌克兰敖德萨)。他的父亲在中学教授俄语与文学,母亲则在女子学校教授地理与历史。除了俄语外,伽莫夫还从母亲那里学会了一些法语,并由家庭教师学习了德语。在大学期间,他又学习了英语,并最终能流利使用。伽莫夫早期的大部分论文以德语或俄语撰写,后来则以英语发表技术论文和科普著作。
他先后就读于敖德萨物理与数学学院(1922–1923),以及列宁格勒大学(1923–1929)。在列宁格勒期间,伽莫夫师从亚历山大·弗里德曼,直到弗里德曼于 1925 年早逝,被迫更换导师。在大学时期,伽莫夫结识了三位理论物理专业的同学——列夫·朗道、德米特里·伊万年科和马特维·布龙施泰因。四人组成了一个自称为 “三剑客” 的小组,定期聚会讨论并分析当时发表的开创性量子力学论文。后来,伽莫夫也用同样的称呼来形容他与拉尔夫·阿尔费和罗伯特·赫尔曼共同组成的研究小组。
毕业后,伽莫夫在哥廷根从事量子理论研究,他对原子核结构的研究成果成为其博士论文的基础。此后,他于 1928 年至 1931 年在哥本哈根大学理论物理研究所工作,中途曾前往剑桥大学卡文迪许实验室,与著名物理学家欧内斯特·卢瑟福合作。在此期间,伽莫夫继续研究原子核(提出了著名的 “液滴模型”),同时还与罗伯特·阿特金森和弗里茨·豪特曼斯合作,研究恒星物理学。
1931 年,年仅 28 岁的伽莫夫被选为苏联科学院通讯院士——成为当时最年轻的院士之一。\(^\text{[5][a][b]}\) 在 1931 年至 1933 年间,他在列宁格勒镭研究所物理部工作,该部门由维塔利·赫洛平领导。在伽莫夫、伊戈尔·库尔恰托夫与列夫·米索夫斯基的指导与直接参与下,欧洲第一台回旋加速器的设计工作得以展开。1932 年,伽莫夫与米索夫斯基向镭研究所学术委员会提交了加速器设计草案,并获得批准。然而,这台回旋加速器直到 1937 年才最终建成。\(^\text{[6]}\)
20 世纪早期,科学家已经知道放射性物质具有特征性的指数衰减速率,即所谓的半衰期。与此同时,人们也发现放射性辐射具有特定的能量谱。到 1928 年时,伽莫夫在哥廷根成功用量子隧穿理论解释了原子核的α衰变现象,并在数学家尼古拉·科钦(的协助下完成了严格的推导。\(^\text{[7][8]}\) 这一问题同时也被罗纳德·W·格尼与爱德华·U·康登独立解决。\(^\text{[9][10]}\) 然而,格尼与康登的结果未能达到伽莫夫那样的定量精度。
在经典物理学中,粒子被束缚在原子核内,是因为要逃离强大的核势阱所需能量极高。按经典观点,必须施加巨大的外力才能将原子核分离,因此这种过程不可能自发发生。 然而,在量子力学框架下,粒子存在一定的概率可以 “穿透” 势阱的势垒并逃逸。伽莫夫在理论上求解了一个原子核的模型势场,并从第一性原理出发推导出 $\alpha$ 衰变的半衰期与放射能量之间的定量关系,这一关系此前是通过实验经验总结得到的,即著名的盖革–纳塔尔定律。\(^\text{[11]}\)
若干年后,学界将粒子穿透库仑势垒并发生核反应的概率称为伽莫夫因子或伽莫夫–索末菲因子,以纪念他在量子隧穿理论发展中的奠基性贡献。
伽莫夫在决定逃离苏联之前,曾在多个苏联科研机构任职。然而,随着政治压迫的日益加剧,他最终选择出逃。1931 年,他被正式拒绝前往意大利参加一次科学会议。同年,他与苏联物理学家**柳博芙·沃赫明采娃结婚——伽莫夫亲昵地称她为 “Rho”,取自希腊字母 ρ 的发音。此后近两年间,伽莫夫和妻子不断尝试离开苏联,无论是否得到官方许可。在这段时间里,尼尔斯·玻尔及其他朋友多次邀请伽莫夫访问他们所在的国家,但他始终未能获得出境许可。
伽莫夫后来回忆说,他与妻子的前两次叛逃尝试发生在 1932 年,两次都打算划皮艇出逃:第一次计划横渡黑海前往土耳其,行程约 250 公里;第二次则打算从摩尔曼斯克出发前往挪威。然而,两次计划都因恶劣天气而失败——幸运的是,他们的举动并未被当局察觉。\(^\text{[12]}\)
1933 年,伽莫夫突然被批准前往比利时布鲁塞尔参加第七届索尔维会议。他坚决要求妻子必须同行,甚至表示如果不能与妻子一同前往,他将拒绝单独出席。最终,苏联当局让步,为他们夫妇二人签发了护照。
伽莫夫夫妇顺利参加了会议,并在玛丽·居里及其他物理学家的帮助下,设法延长了在西欧的停留时间。在接下来的一年里,伽莫夫先后在居里研究所、伦敦大学以及密歇根大学获得了临时研究职位。
伽莫夫的研究推动了炽热大爆炸理论对宇宙膨胀起源的形成与发展。他是最早运用亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特提出的非静态爱因斯坦引力方程解的科学家之一——这些解描述了一个物质密度均匀、空间曲率恒定的宇宙。伽莫夫的重要突破在于,他为勒梅特关于 “原初量子” 的思想赋予了物理实在性:他假设在宇宙早期阶段,辐射的能量密度远高于物质的能量密度。\(^\text{[17]}\)
伽莫夫的理论奠定了后世宇宙学研究的基础。他将模型进一步应用于化学元素的起源 \(^\text{[18]}\) 以及物质凝聚形成星系的问题。\(^\text{[19]}\) 在此过程中,他能够用基本物理常数——如光速 c、万有引力常数 G、精细结构常数 $\alpha$ 以及普朗克常数 h——计算出星系的质量与尺度。
伽莫夫对宇宙学的兴趣源自他早期对恒星内部能量生成机制与元素的形成与转化的研究。\(^\text{[20][21][22]}\) 而这一研究方向又起源于他最初的发现:量子隧穿效应是核 $\alpha$ 衰变的机制。伽莫夫随后将该理论应用于相反的过程——即热核反应速率的计算,从而建立了从微观核物理到宏观宇宙演化的深刻联系。
起初,伽莫夫认为,在宇宙早期那种极高温与高密度的环境中,所有化学元素都有可能被合成出来。然而,后来他根据弗雷德·霍伊尔等人提出的强有力证据修正了这一观点——即比锂更重的元素主要是在恒星内部的热核反应以及超新星爆发过程中产生的。
伽莫夫为他提出的元素合成过程建立了一组耦合微分方程,并将这些方程的数值求解作为博士生拉尔夫·阿尔费的论文题目。伽莫夫与阿尔费的研究成果于 1948 年发表,论文署名为阿尔费–贝特–伽莫夫,幽默地让三位作者的首字母拼成 “$\alpha$–$\beta$–$ \gamma$”,象征希腊字母顺序。\(^\text{[23]}\)
在兴趣转向遗传密码问题之前,伽莫夫共发表了约二十篇宇宙学论文。最早的一篇发表于 1939 年,与爱德华·泰勒合作,探讨星系的形成问题。\(^\text{[24]}\) 随后在 1946 年发表了关于宇宙核合成的首篇论文。他还撰写了多篇科普文章及学术教材,涵盖宇宙学及其他物理主题。\(^\text{[25]}\)
1948 年,他发表了一篇论文,研究经简化后的那组耦合方程,用以描述热中子生成质子与氘核的过程。通过合理化简并结合观测到的氢与重元素的丰度比,他得以推算出核合成开始时的物质密度,并据此计算出早期星系的质量与尺度。\(^\text{[26]}\)1953 年,他基于另一种方式计算出物质与辐射密度相等时的条件,得出了类似的结果。\(^\text{[27]}\) 在这篇论文中,伽莫夫进一步估算了宇宙遗迹背景辐射的密度,并由此预测其当前温度约为 7 开尔文——这一数值约为现代实测值的两倍多。
1967 年,伽莫夫发表了一篇回顾性文章,总结了他本人以及阿尔费与罗伯特·赫尔曼的相关研究成果。\(^\text{[28]}\) 促使他撰写此文的契机,是彭齐亚斯与威尔逊于 1965 年发现了宇宙微波背景辐射。伽莫夫、阿尔费与赫尔曼认为,他们在理论上早已预言了这种辐射的存在及其来源,却未能得到应有的认可。伽莫夫尤其感到失望的是,后来发表的解释彭齐亚斯和威尔逊观测意义的论文 \(^\text{[29]}\),并未引用他与合作者的早期工作,仿佛他们的理论贡献被历史遗忘。
1953 年,弗朗西斯·克里克、詹姆斯·沃森、莫里斯·威尔金斯与罗莎琳·富兰克林共同发现了 DNA 大分子的双螺旋结构。此后,伽莫夫开始尝试解决一个关键问题——DNA 链中由四种碱基(腺嘌呤 A、胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T、鸟嘌呤 G)的排列顺序,究竟是如何控制蛋白质由氨基酸合成的。\(^\text{[30]}\) 克里克曾表示,伽莫夫的设想 “启发了他对遗传密码问题的思考”。\(^\text{[31]}\)
据克里克回忆,\(^\text{[32]}\) 伽莫夫注意到,若将四种碱基每三种一组进行组合,共有 4³ = 64 种排列方式;但如果不考虑顺序,则仅剩下 20 种独特组合。\(^\text{[33]}\) 伽莫夫据此提出,这 20 种组合可能正好对应生物体中存在的二十种氨基酸,而所有蛋白质或许都是由这二十种氨基酸构成的。伽莫夫关于遗传编码问题的研究,促生了后来的生物 “简并性” 模型。\(^\text{[34][35]}\)
不过,伽莫夫提出的具体体系(被称为 “伽莫夫钻石”)后来被证明是错误的。他假设遗传密码中的三联体是重叠的——例如在序列 GGAC 中,GGA 可代表一种氨基酸,而 GAC 代表另一种;同时,他还认为遗传密码不具简并性,即每个氨基酸只对应唯一的三碱基组合(顺序无关)。然而,后来的蛋白质测序研究证明这种模型并不成立。真实的遗传密码是非重叠的且具简并性——改变碱基顺序确实会改变生成的氨基酸。
1954 年,伽莫夫与沃森共同创立了一个名为 “RNA 领带俱乐部” 的学术讨论组织,成员多为研究遗传密码问题的顶尖科学家,其中包括物理学家爱德华·泰勒和理查德·费曼。沃森后来在自传中承认,伽莫夫这一富有远见的倡议具有重要意义。然而,这并未阻止他以半调侃的口吻形容伽莫夫是一个 “古怪离奇的巨人”——一个喜欢变魔术、吟打油诗、豪饮作乐、恶作剧不断的天才。\(^\text{[36]}\)
伽莫夫自 1934 年起在乔治·华盛顿大学任教,直到 1954 年转为加利福尼亚大学伯克利分校的访问教授。1956 年,他加入科罗拉多大学博尔德分校,并在此度过了职业生涯的余生。同年,伽莫夫成为物理科学研究委员会的创始成员之一,该委员会在 “斯普特尼克事件” 后期对高中物理教育体系进行了深刻改革。
1959 年,伽莫夫与汉斯·贝特、维克托·魏斯科普夫共同公开支持弗兰克·奥本海默重返科罗拉多大学,教授大学物理。当时,美国的 “红色恐慌” 正逐渐消退。弗兰克是著名物理学家 J·罗伯特·奥本海默的弟弟,两人都曾参与 “曼哈顿计划”,但后来因 “麦卡锡主义” 而被迫中断学术生涯。。\(^\text{[37]: 130 }\)
在科罗拉多期间,弗兰克·奥本海默愈发重视通过动手实验来教授科学知识。最终,他迁至旧金山,创办了著名的科学博物馆——探索馆。\(^\text{[37]: 130–152 }\) 然而,伽莫夫未能亲眼见证这一创新性科学机构于 1969 年 8 月底正式开馆。\(^\text{[37]: 152 }\)
在其 1961 年的著作《原子及其原子核》中,伽莫夫提出了一种新颖的方式来表示化学元素周期系统:他设想将所有元素按原子序数顺序排成一条连续的螺旋带,并沿三维空间卷绕;螺旋的直径逐级增大,以对应传统元素周期表中每一周期长度的递增规律。
伽莫夫在科罗拉多大学博尔德分校继续任教,并逐渐将主要精力投入到教材编写与面向大众的科普著作创作中。经历了数月的健康恶化——包括循环系统手术、糖尿病与肝脏疾病的折磨后,伽莫夫最终因肝功能衰竭去世。他曾将自己的肝脏称作身体的 “薄弱环节”,认为它无法承受其他器官带来的压力。
1968 年 8 月 18 日,他在写给拉尔夫·阿尔费的信中写道:“腹部的疼痛难以忍受,而且从未停止。” 在此之前,他与这位昔日学生保持了长时间的通信,信中他试图重新理解早年与保罗·狄拉克合作研究中涉及的一些理论概念。伽莫夫在数学推理上高度依赖阿尔费,希望通过他获得更深入的理解。
1968 年 8 月 19 日,伽莫夫在美国科罗拉多州博尔德市逝世,享年 64 岁,安葬于当地的格林山公墓。为纪念他,科罗拉多大学博尔德分校物理系塔楼被命名为 “伽莫夫塔”。
1935 年,伽莫夫与第一任妻子 “罗”(Rho,本名柳博芙·沃赫明采娃,Lyubov Vokhmintseva)育有一子,名为伊戈尔·伽莫夫。伊戈尔后来成为科罗拉多大学微生物学教授,同时也是一位发明家。
1956 年,伽莫夫与罗离婚。两年后,即 1958 年,他与自己的出版社编辑芭芭拉·珀金斯再婚。
伽莫夫以爱开玩笑与恶作剧而闻名,他常常在严肃的科学论文中埋入幽默的细节与巧思。\(^\text{[38][39]}\) 其中最著名的一次 “学术恶作剧”,是他与学生合写的那篇划时代论文——《阿尔费–贝特–伽莫夫论文》(Alpher–Bethe–Gamow paper,1948)。该文在学术上极为严谨,但伽莫夫为了幽默效果,特意将并未参与研究的同事汉斯·贝特列为作者之一,使三人姓氏首字母组成 “α–β–γ”(希腊字母表前三个字母),成为科学史上的经典趣闻。\(^\text{[38][40][39]}\)
伽莫夫是无神论者。\(^\text{[41][42][43]}\)
伽莫夫是一位极为成功的科普作家,他所著的多本书籍在最初出版半个多世纪后仍然保持在印行之列。作为教育者,伽莫夫善于识别并强调那些不会因科技进步而过时的基本原理,即便科学与技术的步伐日益加快,他仍坚持以清晰的方式传达核心思想。
他的作品不仅展现出对物理学革命的热情,也激发了普通读者对科学的兴趣与好奇。伽莫夫亲自为自己的书籍绘制了大量插图,这些插图不仅增强了可读性,也在视觉上补充并深化了文字表达的内涵。
他在写作中并不回避数学内容——凡是理解所需的数学,他都会引入;但他同时努力避免用过多方程式吓退潜在读者,力求在严谨与通俗之间取得平衡。
1946 年,伽莫夫就已公开倡导利用原子能驱动的人类太空飞行。\(^\text{[44]}\) 他写道:“我们也许可以乘坐由原子能驱动的舒适火箭,前往月球以及太阳系中的各个行星。” 同时他指出:“用于这种火箭发动机的普通化学燃料,不可能赋予其达到所需速度的能力……”\(^\text{[45]}\)
然而,到 1965 年时,伽莫夫对自己的预期作出了相对保守的调整,但仍然重申了他关于原子能航天的设想:
“或许在不久的将来,我们能够通过一次大胆的探险飞行,乘坐‘核动力宇宙飞船’去探索火星与金星——太阳系中最有可能适宜生命存在的两颗行星——上的生命形态。然而,对于那些距离我们数百乃至数千光年的恒星世界中生命的存在及其形态问题,恐怕将永远是科学无法解答的谜题。”\(^\text{[46]}\)
在他发表这一看法时,太空竞赛已经全面展开,而现实中的航天飞行仍依赖于传统的化学燃料火箭。
他的著作《宇宙的起源》于 1952 年首次出版,书末写道:
“宇宙中所有的原子在不到一个小时内被创造出来,恒星与行星的形成耗时数亿年,而造就人类则花了三十亿年。”\(^\text{[47][48]}\)
1956 年,伽莫夫因其在科学普及方面的卓越贡献——特别是通过其《汤普金斯先生》系列丛书(1939–1967)、《一二三……无穷大》以及其他著作——而获得联合国教科文组织卡林加奖。\(^\text{[1]}\)
在去世前,伽莫夫正与理查德·布莱德合作编写教材《现代物理学基本理论》,但该书未能完成,也未以此书名出版。同时,他还在撰写自传体作品《我的世界线:非正式自传》,该书于 1970 年由出版社在他逝世后出版。
1996 年,伽莫夫的文献收藏被捐赠给乔治·华盛顿大学。这批资料包括他的书信、论文、手稿及关于伽莫夫的出版物等。目前,这些档案由该校盖尔曼图书馆下属的特藏研究中心保管。\(^\text{[49]}\)
《汤普金斯先生》系列 在这些书中,主人公被介绍为 “C. G. H. Tompkins”,以象征 “cGh 物理学” 的概念(分别代表光速 c、引力常数 G 与普朗克常数 h——现代物理的三大基石)。
a.他于 1938 年被苏联科学院除名,但在 1990 年其院士身份被追认为恢复。
b.被选为苏联科学院最年轻的通讯院士的是亚美尼亚数学家谢尔盖·梅尔格良(Sergey Mergelyan,1928–2008),他在 24 岁时当选。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
友情链接: 超理论坛 | ©小时科技 保留一切权利