宇宙核合成背景下的教育理念探索

赵治杰 郭小飞 杨鹏

摘 要：人类生活的世界是由各种元素所组成的物质世界，那么物质是如何形成的？元素又是如何产生的呢？这是千百年来人类力图探索的奥秘。本文将通过人类对宇宙学基本原理、宇宙的真实演化过程的探索，重点论述原初核合成的过程。让学生认识到浩瀚的宇宙也是从一点一滴积累而来，从而使大学生树立正确的世界观、人生观和价值观。

关键词：宇宙大爆炸;原初核合成;元素的形成

引言

对于宇宙起源的问题，人类从来都没有停止过思考和探索。随着人类的不断努力，人类对宇宙的了解越来越全面。在物理教学的过程中，这为学生提供了越来越真实的宇宙图像。世界观是哲学的朴素形态，也叫宇宙观。所以了解宇宙的起源，对树立大学生正确的世界观有着非常重要的意义。

宇宙起源于一次热大爆炸，这已经被人们普遍接受，并得到了观测的支持。其证据有：宇宙膨胀或“哈勃红移”;3K宇宙微波背景;D以及的大丰度;在理论方面有霍金和彭罗斯的奇点定理。下面我们将从宇宙学基本原理以及原初核合成的基本问题入手来探讨一些与宇宙学相关的概念[1]。

1宇宙学基本原理

如果要用物理规律来系统地研究宇宙，那么就必须先对它的整体面貌有一个基本的了解。然而，要建立对宇宙的整体认识，不是一件容易的事情。因为人类就生活在宇宙空间之中。正所谓，“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。对于一个人也是如此，人都不容易发现自己的问题。在生活中，只有常常换位思考，不以自己为中心，多接受别人的建议，虚心学习的时候，才有机会不断改正自身的问题，才能不断的完善自己。

在1917年，爱因斯坦做了第一个物理的宇宙模型，那时人们尚不知道银河系仅是宇宙中不胜计数的星系之一，因而对宇宙全貌还没有完全了解[2]。在这样的情况下，他只能做先验的假设：宇宙物质是充满全空间的，并且是均匀和各向同性的[3]。这些假设在当时只是爱因斯坦的没有证据的猜想。但是，后来研究宇宙学的人们却把这种猜想沿用了下来，并称它为宇宙学原理。因此，宇宙学原理是否符合事实，一直是宇宙学研究中的基本问题。

从现在的天文学，我们可以清楚地知道，一个星系在宇宙中的地位，只能与空气中的一个分子相比拟，因此形象地说，宇宙介质可看成由星系为“分子”所构成的“气体”。至于太阳系，它只是某一个“分子”中的细节而已，它已经完全不是研究宇宙时值得关心的内容了，星系的空间分布才是宇宙面貌的重要体现。因此，学习宇宙学会让人们感受到宇宙的伟大，自己的微不足道。于是在研究宇宙的过程中，就容易培养学生“识大局而不拘小节”的心理素养。

2原初核合成過程的理论

宇宙微波背景辐射理论证实了宇宙温度至少曾高达4000K以上。以此为基础，则更早期发生过原初核合成已不再是猜测性的推断。因而宇宙核合成理论是否与实际相符便成为热大爆炸理论进一步检验中的非常关键的问题。

在原初核合成发生前，宇宙介质中的辐射组分是质子（p），中子（n），正中微子（），反中微子（），电子（），正电子（）和光子（）。按照标准宇宙模型，此时质子和中子之间可以通过两个可逆的弱作用过程来实现[4]：

当然，此过程中质子和中子也会通过热碰撞而结合成氘[5]，即：

随着宇宙温度T的降低，（1）式弱作用逐渐退偶，中子和质子将逐渐失去互变的可能性。同时，从（2）式知，中子所占百分比也随T的降低而减少。由（3）式可知，此时质子和中子将结合成氘核（D）并放出光子。此过程为逆过程。因此，氘核也能在热碰撞中被光子所分裂。由于氘核的结合能为2.23MeV，所以能够引起氘核光分裂的光子至少需要具有2.23MeV的能量。

随着宇宙温度的继续降低，光分裂逐渐失效，宇宙中于是就出现了大量的氘核，在宇宙温度降至0.1MeV时，氘的积累达到一定程度时，将会发生连锁反应。即：氘核俘获中子形成氚核（），氘核俘获中子形成氦-3（），氚核俘获质子和氦-3（）俘获中子均形成氦-4（）。因为质量为5的核都极不稳定，因此原初的核合成链在产生后就基本中断了。因此，原初核合成的最主要产物是，而，和都只是中间产物，但是，最终它们都会有少量存留下来，其粒子数比要少3至4个数量级。原子量为8的核也是极不稳定的，尽管在积累的较多后会再进一步合成原子序数更大的核，却只能形成极少的锂-7（），其粒子数比要少8至9个数量级。

从上文所述可知，在大爆炸产生的宇宙原初氦-4的丰度是由在核合成过程开始前中子与质子数之比1：7决定的。大爆炸奇点和周围环境的温差使得当时的宇宙处于一个熵极低的环境之中，温度将急剧下降，核聚变反应停止。直到几百万年后，恒星出现时，核聚变反应再在恒星内部发生[6]。

根据核物理规律，核合成的过程中各种原子核的产额都能确切地算出。但是若想对这些理论结果进行实测检验却存在着巨大的困难，因为可被实测的天体都在原初核合成结束后又演化了几十至上百亿年，而其间恒星的不断形成至死亡是会改变气体中各元素含量的。因此，如果要检验核合成理论，首先必须从天体中各元素含量的实测值来推断它们受恒星影响前的原初值。近年来，在从实测轻元素含量推断它们的原初值方面陆续取得了一些较可靠的结果。这些初步结果表明，理论值与实测推断值是全面吻合的[7]。

3原初核合成的实测

各类天体的演化过程不尽相同，因此就造成了宇宙中不同场所元素的丰度有所差异。恒星内部较轻的原子核聚变为较重原子的过程中将氘转变为氦，而银河系星际介质内气云中的氘绝大部分是从死星抛射出来的。因此这些气云中，氢氘之比较之原初气云中氢氘之比要小的多，而氦的丰度一般都应大于原初的氦丰度[8]。因此要测定氘、氦等的原初丰度，就应该到未受恒星抛射物“污染”的遥远气云或银晕内古老晕星中去搜寻[9]。

1965年，冈恩和彼得森提出了“冈恩—彼得森效应”，即早期宇宙中的氢元素可能在遥远类星体的光谱中某个波段产生吸收。1995年，美国天体物理学家戴维森，克里斯和中国学者郑炜，在分析天龙座的类星体HS1700+64的光谱时，证实了氦的特征吸收谱线的存在，从而验证了“冈恩—彼得森效应”的存在。他们发现，在所探寻的空间区域中的氦的含量正好与标准宇宙模型所预见的12：1的氢与氦的比一致。由原初核合成理论值与实测推断值相吻合的结果，因此也证明了宇宙大爆炸理论的正确性。

综上所述，在物理学中，理论常常为实验设计一个正确的方向，而实验的成功也正好能够为相关的理论提供可靠的证据。因此，理论和实验是相辅相成的。在生活中亦是如此。我們不能够盲目的去学习，而是要把所学的知识能够应用到人生当中，能够把这些实践应用反馈给社会。理论学习指导实践应用，实践应用帮助我们加强对理论知识的理解。

4总结

自有人类以来，宇宙就是人类所研究的最大客体，在了解宇宙的演化过程以及原初核合成的过程中，我们就可以知道各元素以及各天体是如何形成的。无论是元素，还是天体，它们形成的过程都需要具备一定的条件。因此我们发现，即使宇宙如此之大，它仍然是由最小的粒子组合而成。它仍然需要在一定的环境下成长起来。

在物理学教学的过程中，学生往往会因为物理学的博大精深而感到恐惧，从而产生畏惧的心里。但是，当我们去分析宇宙早期演变的时候，学生就会了解到如此浩瀚的宇宙也是通过一点一点的积累，通过一步一步的合成而来，于是就能够打消内心深处对物理学的恐惧。在不断的学习物理学知识的过程中，在不断的去发现自然规律中所隐藏的奥秘的过程中，就可以培养学生不怕困难、知难而上、开拓创新的思维模式，从而形成自信乐观的人生态度。

参考文献

[1] 科勃，特纳.早期宇宙[J].自然杂志，1981，7（7）：505-560.

[2] 陆琰.宇宙学是物理学的一个重要前沿[J].吉林师范大学学报，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] 皮光远.大爆炸宇宙学模型一些主要观测事实及其讨论[J].北京机械工业学院学报，1996，11（1）：95-104.

[6] 许梅.宇宙核合成问题简介[J].天文爱好者，1998，（6）：18-19.

[7] 俞允强.宇宙核合成理论面临新挑战[J].科学前沿，1999，1-3.

[8] 陈时.宇宙轻元素丰度研究的新进展[J].物理，1996，25（9）：534-539.

[9] 俞允强，姚权力.关于氘的原初丰度[J].天体物理学报，1998，18（4）：345-351.

作者简介：赵治杰（1984.03）男，汉族，硕士研究生，河南牧业经济学院，助教。研究方向：粒子物理。

郭小飞（1989.09）男，汉族，博士研究生，河南牧业经济学院，讲师。研究方向：粒子物理。

杨鹏（1986.11）男，汉族，博士研究生，郑州航空工业管理学院，讲师。研究方向：电子源材料与器件。