宇宙核合成背景下的教育理念探索

趙治杰 郭小飛 楊鵬

摘?要：人類生活的世界是由各種元素所組成的物質(zhì)世界，那么物質(zhì)是如何形成的？元素又是如何產(chǎn)生的呢？這是千百年來人類力圖探索的奧秘。本文將通過人類對宇宙學(xué)基本原理、宇宙的真實演化過程的探索，重點論述原初核合成的過程。讓學(xué)生認(rèn)識到浩瀚的宇宙也是從一點一滴積累而來，從而使大學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

關(guān)鍵詞：宇宙大爆炸;原初核合成;元素的形成

引言

對于宇宙起源的問題，人類從來都沒有停止過思考和探索。隨著人類的不斷努力，人類對宇宙的了解越來越全面。在物理教學(xué)的過程中，這為學(xué)生提供了越來越真實的宇宙圖像。世界觀是哲學(xué)的樸素形態(tài)，也叫宇宙觀。所以了解宇宙的起源，對樹立大學(xué)生正確的世界觀有著非常重要的意義。

宇宙起源于一次熱大爆炸，這已經(jīng)被人們普遍接受，并得到了觀測的支持。其證據(jù)有：宇宙膨脹或“哈勃紅移”;3K宇宙微波背景;D以及的大豐度;在理論方面有霍金和彭羅斯的奇點定理。下面我們將從宇宙學(xué)基本原理以及原初核合成的基本問題入手來探討一些與宇宙學(xué)相關(guān)的概念[1]。

1宇宙學(xué)基本原理

如果要用物理規(guī)律來系統(tǒng)地研究宇宙，那么就必須先對它的整體面貌有一個基本的了解。然而，要建立對宇宙的整體認(rèn)識，不是一件容易的事情。因為人類就生活在宇宙空間之中。正所謂，“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。對于一個人也是如此，人都不容易發(fā)現(xiàn)自己的問題。在生活中，只有常常換位思考，不以自己為中心，多接受別人的建議，虛心學(xué)習(xí)的時候，才有機會不斷改正自身的問題，才能不斷的完善自己。

在1917年，愛因斯坦做了第一個物理的宇宙模型，那時人們尚不知道銀河系僅是宇宙中不勝計數(shù)的星系之一，因而對宇宙全貌還沒有完全了解[2]。在這樣的情況下，他只能做先驗的假設(shè)：宇宙物質(zhì)是充滿全空間的，并且是均勻和各向同性的[3]。這些假設(shè)在當(dāng)時只是愛因斯坦的沒有證據(jù)的猜想。但是，后來研究宇宙學(xué)的人們卻把這種猜想沿用了下來，并稱它為宇宙學(xué)原理。因此，宇宙學(xué)原理是否符合事實，一直是宇宙學(xué)研究中的基本問題。

從現(xiàn)在的天文學(xué)，我們可以清楚地知道，一個星系在宇宙中的地位，只能與空氣中的一個分子相比擬，因此形象地說，宇宙介質(zhì)可看成由星系為“分子”所構(gòu)成的“氣體”。至于太陽系，它只是某一個“分子”中的細(xì)節(jié)而已，它已經(jīng)完全不是研究宇宙時值得關(guān)心的內(nèi)容了，星系的空間分布才是宇宙面貌的重要體現(xiàn)。因此，學(xué)習(xí)宇宙學(xué)會讓人們感受到宇宙的偉大，自己的微不足道。于是在研究宇宙的過程中，就容易培養(yǎng)學(xué)生“識大局而不拘小節(jié)”的心理素養(yǎng)。

2原初核合成過程的理論

宇宙微波背景輻射理論證實了宇宙溫度至少曾高達4000K以上。以此為基礎(chǔ)，則更早期發(fā)生過原初核合成已不再是猜測性的推斷。因而宇宙核合成理論是否與實際相符便成為熱大爆炸理論進一步檢驗中的非常關(guān)鍵的問題。

在原初核合成發(fā)生前，宇宙介質(zhì)中的輻射組分是質(zhì)子（p），中子（n），正中微子（），反中微子（），電子（），正電子（）和光子（）。按照標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，此時質(zhì)子和中子之間可以通過兩個可逆的弱作用過程來實現(xiàn)[4]：

當(dāng)然，此過程中質(zhì)子和中子也會通過熱碰撞而結(jié)合成氘[5]，即：

隨著宇宙溫度T的降低，（1）式弱作用逐漸退偶，中子和質(zhì)子將逐漸失去互變的可能性。同時，從（2）式知，中子所占百分比也隨T的降低而減少。由（3）式可知，此時質(zhì)子和中子將結(jié)合成氘核（D）并放出光子。此過程為逆過程。因此，氘核也能在熱碰撞中被光子所分裂。由于氘核的結(jié)合能為2.23MeV，所以能夠引起氘核光分裂的光子至少需要具有2.23MeV的能量。

隨著宇宙溫度的繼續(xù)降低，光分裂逐漸失效，宇宙中于是就出現(xiàn)了大量的氘核，在宇宙溫度降至0.1MeV時，氘的積累達到一定程度時，將會發(fā)生連鎖反應(yīng)。即：氘核俘獲中子形成氚核（），氘核俘獲中子形成氦-3（），氚核俘獲質(zhì)子和氦-3（）俘獲中子均形成氦-4（）。因為質(zhì)量為5的核都極不穩(wěn)定，因此原初的核合成鏈在產(chǎn)生后就基本中斷了。因此，原初核合成的最主要產(chǎn)物是，而，和都只是中間產(chǎn)物，但是，最終它們都會有少量存留下來，其粒子數(shù)比要少3至4個數(shù)量級。原子量為8的核也是極不穩(wěn)定的，盡管在積累的較多后會再進一步合成原子序數(shù)更大的核，卻只能形成極少的鋰-7（），其粒子數(shù)比要少8至9個數(shù)量級。

從上文所述可知，在大爆炸產(chǎn)生的宇宙原初氦-4的豐度是由在核合成過程開始前中子與質(zhì)子數(shù)之比1：7決定的。大爆炸奇點和周圍環(huán)境的溫差使得當(dāng)時的宇宙處于一個熵極低的環(huán)境之中，溫度將急劇下降，核聚變反應(yīng)停止。直到幾百萬年后，恒星出現(xiàn)時，核聚變反應(yīng)再在恒星內(nèi)部發(fā)生[6]。

根據(jù)核物理規(guī)律，核合成的過程中各種原子核的產(chǎn)額都能確切地算出。但是若想對這些理論結(jié)果進行實測檢驗卻存在著巨大的困難，因為可被實測的天體都在原初核合成結(jié)束后又演化了幾十至上百億年，而其間恒星的不斷形成至死亡是會改變氣體中各元素含量的。因此，如果要檢驗核合成理論，首先必須從天體中各元素含量的實測值來推斷它們受恒星影響前的原初值。近年來，在從實測輕元素含量推斷它們的原初值方面陸續(xù)取得了一些較可靠的結(jié)果。這些初步結(jié)果表明，理論值與實測推斷值是全面吻合的[7]。

3原初核合成的實測

各類天體的演化過程不盡相同，因此就造成了宇宙中不同場所元素的豐度有所差異。恒星內(nèi)部較輕的原子核聚變?yōu)檩^重原子的過程中將氘轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，而銀河系星際介質(zhì)內(nèi)氣云中的氘絕大部分是從死星拋射出來的。因此這些氣云中，氫氘之比較之原初氣云中氫氘之比要小的多，而氦的豐度一般都應(yīng)大于原初的氦豐度[8]。因此要測定氘、氦等的原初豐度，就應(yīng)該到未受恒星拋射物“污染”的遙遠(yuǎn)氣云或銀暈內(nèi)古老暈星中去搜尋[9]。

1965年，岡恩和彼得森提出了“岡恩—彼得森效應(yīng)”，即早期宇宙中的氫元素可能在遙遠(yuǎn)類星體的光譜中某個波段產(chǎn)生吸收。1995年，美國天體物理學(xué)家戴維森，克里斯和中國學(xué)者鄭煒，在分析天龍座的類星體HS1700+64的光譜時，證實了氦的特征吸收譜線的存在，從而驗證了“岡恩—彼得森效應(yīng)”的存在。他們發(fā)現(xiàn)，在所探尋的空間區(qū)域中的氦的含量正好與標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型所預(yù)見的12：1的氫與氦的比一致。由原初核合成理論值與實測推斷值相吻合的結(jié)果，因此也證明了宇宙大爆炸理論的正確性。

綜上所述，在物理學(xué)中，理論常常為實驗設(shè)計一個正確的方向，而實驗的成功也正好能夠為相關(guān)的理論提供可靠的證據(jù)。因此，理論和實驗是相輔相成的。在生活中亦是如此。我們不能夠盲目的去學(xué)習(xí)，而是要把所學(xué)的知識能夠應(yīng)用到人生當(dāng)中，能夠把這些實踐應(yīng)用反饋給社會。理論學(xué)習(xí)指導(dǎo)實踐應(yīng)用，實踐應(yīng)用幫助我們加強對理論知識的理解。

4總結(jié)

自有人類以來，宇宙就是人類所研究的最大客體，在了解宇宙的演化過程以及原初核合成的過程中，我們就可以知道各元素以及各天體是如何形成的。無論是元素，還是天體，它們形成的過程都需要具備一定的條件。因此我們發(fā)現(xiàn)，即使宇宙如此之大，它仍然是由最小的粒子組合而成。它仍然需要在一定的環(huán)境下成長起來。

在物理學(xué)教學(xué)的過程中，學(xué)生往往會因為物理學(xué)的博大精深而感到恐懼，從而產(chǎn)生畏懼的心里。但是，當(dāng)我們?nèi)シ治鲇钪嬖缙谘葑兊臅r候，學(xué)生就會了解到如此浩瀚的宇宙也是通過一點一點的積累，通過一步一步的合成而來，于是就能夠打消內(nèi)心深處對物理學(xué)的恐懼。在不斷的學(xué)習(xí)物理學(xué)知識的過程中，在不斷的去發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律中所隱藏的奧秘的過程中，就可以培養(yǎng)學(xué)生不怕困難、知難而上、開拓創(chuàng)新的思維模式，從而形成自信樂觀的人生態(tài)度。

參考文獻

[1]?科勃，特納.早期宇宙[J].自然雜志，1981，7（7）：505-560.

[2]?陸琰.宇宙學(xué)是物理學(xué)的一個重要前沿[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報，2008，7（3）：1-6.

[3]?M. Z. Iofa. Constraints on parameters of models with extra dimension from primordial nucleosynthesis[J].?[arXiv：0907.0547]

[4]?G. Mangano，P. D. Serpico. Neutrinos and Primordial Nucleosynthesis [J]. Nuclear Physics B，2004，10：1-4.

[5]?皮光遠(yuǎn).大爆炸宇宙學(xué)模型一些主要觀測事實及其討論[J].北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1996，11（1）：95-104.

[6]?許梅.宇宙核合成問題簡介[J].天文愛好者，1998，（6）：18-19.

[7]?俞允強.宇宙核合成理論面臨新挑戰(zhàn)[J].科學(xué)前沿，1999，1-3.

[8]?陳時.宇宙輕元素豐度研究的新進展[J].物理，1996，25（9）：534-539.

[9]?俞允強，姚權(quán)力.關(guān)于氘的原初豐度[J].天體物理學(xué)報，1998，18（4）：345-351.

作者簡介：趙治杰（1984.03）男，漢族，碩士研究生，河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，助教。研究方向：粒子物理。

郭小飛（1989.09）男，漢族，博士研究生，河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，講師。研究方向：粒子物理。

楊鵬（1986.11）男，漢族，博士研究生，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，講師。研究方向：電子源材料與器件。