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(duì)宇宙學(xué)基本原理、宇宙的真實(shí)演化過程的探索，重點(diǎn)論述原初核合成的過程。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到浩瀚的宇宙也是從一點(diǎn)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(jià)值觀。

關(guān)鍵詞：宇宙大爆炸;原初核合成;元素的形成

引言

對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(cè)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(diǎn)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(duì)它的整體面貌有一個(gè)基本的了解。然而，要建立對(duì)宇宙的整體認(rèn)識(shí)，不是一件容易的事情。因?yàn)槿祟惥蜕钤谟钪婵臻g之中。正所謂，“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”。對(duì)于一個(gè)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(shí)候，才有機(jī)會(huì)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(gè)物理的宇宙模型，那時(shí)人們尚不知道銀河系僅是宇宙中不勝計(jì)數(shù)的星系之一，因而對(duì)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(yàn)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(shí)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(shí)，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(gè)星系在宇宙中的地位，只能與空氣中的一個(gè)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(gè)“分子”中的細(xì)節(jié)而已，它已經(jīng)完全不是研究宇宙時(shí)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(huì)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(shí)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(shí)了宇宙溫度至少曾高達(dá)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(cè)性的推斷。因而宇宙核合成理論是否與實(shí)際相符便成為熱大爆炸理論進(jìn)一步檢驗(yàn)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(shí)質(zhì)子和中子之間可以通過兩個(gè)可逆的弱作用過程來實(shí)現(xiàn)[4]：

當(dāng)然，此過程中質(zhì)子和中子也會(huì)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(shí)，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(shí)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(shí)，氘的積累達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)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?yàn)橘|(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(huì)有少量存留下來，其粒子數(shù)比要少3至4個(gè)數(shù)量級(jí)。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(huì)再進(jìn)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(gè)數(shù)量級(jí)。

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(diǎn)和周圍環(huán)境的溫差使得當(dāng)時(shí)的宇宙處于一個(gè)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(shí)，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(duì)這些理論結(jié)果進(jìn)行實(shí)測(cè)檢驗(yàn)卻存在著巨大的困難，因?yàn)榭杀粚?shí)測(cè)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(huì)改變氣體中各元素含量的。因此，如果要檢驗(yàn)核合成理論，首先必須從天體中各元素含量的實(shí)測(cè)值來推斷它們受恒星影響前的原初值。近年來，在從實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)推斷值是全面吻合的[7]。

3原初核合成的實(shí)測(cè)

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(chǎng)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)楹ぃy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(cè)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(gè)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(shí)，證實(shí)了氦的特征吸收譜線的存在，從而驗(yàn)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(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)正確的方向，而實(shí)驗(yàn)的成功也正好能夠?yàn)橄嚓P(guān)的理論提供可靠的證據(jù)。因此，理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)能夠應(yīng)用到人生當(dāng)中，能夠把這些實(shí)踐應(yīng)用反饋給社會(huì)。理論學(xué)習(xí)指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)踐應(yīng)用幫助我們加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)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(zhǎng)起來。

在物理學(xué)教學(xué)的過程中，學(xué)生往往會(huì)因?yàn)槲锢韺W(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(shí)候，學(xué)生就會(huì)了解到如此浩瀚的宇宙也是通過一點(diǎn)一點(diǎn)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(duì)物理學(xué)的恐懼。在不斷的學(xué)習(xí)物理學(xué)知識(shí)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(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：趙治杰（1984.03）男，漢族，碩士研究生，河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)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(jì)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。