[译文]从αβγ到精确宇宙学：一篇错文流芳千古（全文）

从αβγ到精确宇宙学：一篇错文流芳千古
By Michael S. Turner

除非你一直住在阿富汗的偏僻山洞里，你一定知道目前宇宙学处于一个大发现的时期--说是黄金时期也不
为过。但你可能不知道这一切开始于60年前的愚人节那天。Ralph Alpher, Hans Bethe, 和 George
Gamow 在4月1日出版的那期物理评论（Physical Review）上发表了一篇论文，题目叫“化学元素的起源”。
Gamow当时邀请Bethe加盟到他和他的学生Alpher写的这篇文章中来，这样就有了“alpha, beta, gamma”
的作者列表，Bethe 同意了。这篇αβγ文章标志着热大爆炸宇宙学的诞生和精确宇宙学里程的起点。它
也是我这里想说的一点的最佳例证，就是：一篇有趣的错误文章可能远远比一篇琐碎的正确文章重要。记
得泡利著名的一句“（这不算正确), 连错误都算不上”

1948年的时候只有一些执着的人，主要是天文学家，在摆弄宇宙学；那时测量的哈勃常数几乎是当今数值
的10倍大；当时只有不到100个相对较近的星系的红移值被测出；还有，帕洛玛山上的5米海尔望远镜离出
光还有一年的时间。而现在，宇宙学处于科学舞台的中心，吸引着上千的研究者，物理学家和天文学家都
有；（该领域）已经颁发了两个诺贝尔奖（1978 及 2006，将来还会有）；一系列的大望远镜，复杂实验，
和大加速器被投入用来解决宇宙的问题；精确宇宙学不再是一个自相矛盾的怪物了。

宇宙核反应器

上个世纪30年代后期，在顺利解决恒星内部能源问题鼓励下，核物理学家开始把注意力转向化学元素的起
源上来。十年后，人们开始意识到用恒星内部（或其它什么地方）的稳态核反应来解决该问题并不成功。原
因很简单，元素的丰度和它们的核结合能并不关联。

Gamow 于是另辟蹊径 -- 膨胀宇宙中的非稳态物理。如果宇宙始于一个高温致密的全中子状态，那么元素
周期表可以通过一系列中子捕获过程建立起来。因为中子的俘获截面大致跟随观测到的元素丰度，这个想
法有了正确的味道。Gamow 的年轻合作者，Alpher 和 Robert Herman, 做了大量的计算，为宇宙学拓展
了新领域。

后来表明，这个中子俘获的核合成基本思想是错的，大部分计算也是不相干的。缺少质量数为5和8的稳定
原子核以及自由中子会迅速并入氦-4，这些使得中子俘获机制实际上是不可行的。但有趣的是，αβγ确
实预言了所谓的r-过程---当代的星爆中的快中子俘获合成重核的思想。

有时候一篇错误的文章可能有很大的影响力和重要性（物理评论快报的审稿人请记一下！）。αβγ这篇
肯定属于此类。

尽管只有最轻的一些原子核产生于大爆炸而不是中子俘获，大爆炸核合成（BBN）却是现代宇宙学的基石。
它导致了残余热辐射的预言--宇宙微波背景辐射（CMB），一个后来才被意识到的能解密宇宙的金钥匙。
与Gamow的大爆炸模型本意相背，它竟然激励 Fred Hoyle 更创造性地思考他的恒星核合成机制以使其稳
态模型保持竞争力。后来，在1957年，他（Fred Hoyle）和Groffrey Burbidge, Margaret Burbidge,
William Fowler 搞出了正确的描述恒星内部大量元素合成的理论（译者注：这就是著名的BBFH文章）。

那么αβγ到底错在哪里呢？尽管非平衡的核反应过程是个基本的要素，但平衡的核反应过程在这里同样
重要。在高温高密的宇宙极早期，核反应的速率是极快的，快到以至于核和核子之间的热平衡(核统计平衡,
NSE)能够在10^11K或更高的温度上建立起来. 这时是大爆炸后不到0.01秒, 平均热运动能量大于几十兆电
子伏. 在这样的高温下，当热运动能量大于核结合能时，物质更“愿意”保持自由核子的状态，元素的NSE
丰度非常低。

当宇宙膨胀温度继续降低时，核结合能变得比热运动能量高了。这时物质开始由自由核子向原子核转变，
NSE丰度开始增加。但是，由于密度的降低以及核反应截面因核间的库仑势垒而指数级下降，核反应速率
也在下降。最后，核反应变得罕见，宇宙早期的元素合成阶段结束了。

预言宇宙微波背景辐射（CMB）温度

我们的宇宙核反应器的产出涉及两个趋势相互作用，核反应速率的下降和NSE丰度的上升，因此是由当时
大爆炸有多热决定的。而这个“多热”可以用每重子有多少光子数来衡量(译者注：光子数和重子数的比
值)。这个光子数在温度和重子数密度随宇宙膨胀而下降时保持恒定。每重子光子数高（较热的大爆炸）
意谓着今天较高的CMB温度，在宇宙早期核合成阶段有更多的光解光子，以及较少的元素合成；相反，每
重子光子数低导致更多的元素合成。宇宙学家喜欢用光子-重子数比的倒数，重子-光子数比（=η）。这
个数值现在已经知道等于 6x10^(-10)。

用这些简单的物理思路，我们可以从最基本的原理来预测η可接受的范围，进而得到CMB的温度。对于很
小的η（非常热的大爆炸），基本没有元素合成。对于很大的η（非常冷的大爆炸），绝大多数的核子被
塞进了结合能最大的原子核里（“铁宇宙”）。而不冷不热的“Goldilocks”范围（译者注：google it！
如果你想理解这个词的具体意思）是在10^(-11)到10^(-8)。由于重子数密度就是重子物质质量密度除以
每个重子的质量（n_B=ρ_B/m_B），而光子数密度则由熟悉的公式，n_γ=aT^3，给出，用今天的重子
密度知识来预测CMB温度有，T=(ρ_B/am_B)^(1/3)η^(1/3)。对于“Goldilocks”范围，这个预测是
在T~1到10K之间，和NASA的宇宙背景探索者卫星（COBE）的测量值 2.725+/-0.001K是相符的。

Alpher 和 Herman 所做的各种预测是基于中子俘获模型的。为了生成观测到的丰度特征，他们需要核子密
度乘以宇宙年龄（=f_n）在宇宙温度(=T_n)是10^10K时大致等于 10^18 s/cm^3 。这个要求导致了一
个不同的公式，T=(T_n/10^10K)^(1/3)(ρ_B/m_B)^(1/3)f_n^(-1/3)，和一个错误的（CMB温度）预
测，70K（如果公式中代入最新的数据）。这正反映了其物理模型（译者注：指中子俘获模型）的失误。

热大爆炸宇宙学的诞生

考虑了大量相互影响的核反应并集成了精确核数据，计算机程序就可以精确预言大爆炸核合成（BBN）的产出。
1965年CMB的发现和我们关于重子物质密度知识的不确定度意谓着η的范围是10^(-10)到10^(-9)。对于这
个范围，只有氘，氦-3，氦-4，和锂-7被大量合成。大爆炸后，氦-4的产量最高，占总质量的25%。这个预
测与天文学家测量到的无法解释的大数值原初丰度的吻合是热大爆炸宇宙学一个早期胜利。这（氦-4原初丰
度）与CMB一起成为稳态宇宙学棺材上的最后的钉子。奇怪的是，居然没有功劳归于这篇开启了这一切的
αβγ文章。

20世纪70年代，David Schramm等一些人意识到氘产出随重子密度的迅速下降以及随后的物理过程都是摧毁
氘核的事实使得氘成为一个很好的“重子计量器”。重子密度的上限直接和现在的氘丰度测量关联。原初氘
丰度的确定精确地标志着重子物质密度。

80年代的我们周围星际介质中的氘丰度的测量揭示着重子物质密度的上限约为临界密度（正曲率宇宙和负曲
率宇宙的临界点）的10%。10年后，人们在高红移的氢云中测到了原初氘丰度，重子物质密度被确定为4.5%。
80年代以来，总物质密度的测量给出一个更高的数字，临界密度的20%。看来，总物质是一个暗物质占主流的
组合。这个越来越大越来越重要的源于BBN的分歧（4.5%和20%的分歧，译者注）成了暗物质并非重子物质论
点的关键支撑。

通向精确宇宙学之路

1992年，COBE测到了CMB温度的30μK级别的不均匀度（约0.00001的相对变化）。这些在空间分布角距约10度
左右的温度起伏给早期物质密度的起伏提供了关键的线索。这些早期的物质密度起伏是形成宇宙中所有结构
所必需的。这也是暴涨理论的第一个证据，因为暴涨理论是早期非均匀性起源的最好解释。

不均匀度的谱分布不仅仅由两三个暴涨理论中的参数决定，还依赖于宇宙学中的一些参数：空间曲率，总物质
密度，重子物质密度，哈勃常数，和宇宙年龄。特别指出的是，角分布功率谱是由一系列谐频成分组成，这些
谐频的位置和强度包含了宇宙学参数的信息：第一峰的位置表明曲率；第一峰的强度--物质密度；第奇数峰和
第偶数峰强度比--重子物质密度；等等（见我和Charles Bennett, Martin White 在 Physics Today, 11月，
1997，32页的文章）。

COBE的发现引发了一场测量CMB角分布功率谱中的各种特征的竞赛。一系列地面的，气球探空的实验（主要在南
极进行），以及NASA的Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)测量了从0.1到90度的CMB的功率谱。这
个谱，和宇宙大尺度结构图一起，把宇宙学参数确定到了1/100级别的精度。哈勃常数现在知道是70+/-1.3km/s/Mpc；
宇宙年龄确定为 137.3+/-1.2亿年，宇宙曲率在离平直临界密度模型的仅0.6%范围内波动，各种物质和能量的组
分都被确定到精度好于2%。还有就是，近处和遥远的超新星测量确定了目前和遥远过去的宇宙膨胀速率，揭示了
宇宙一直在加速膨胀而没有慢下来。

今天大量的宇宙学数据让我们有了互相验证数据的可能，这铺平了精确宇宙学的大路。一个标志性的例子就是
重子物质密度。从原初氘丰度确定的重子物质密度是4.0+/-0.2x10^-31 g/cm^3，而CMD不均匀度的测量给出的
是4.2+/-0.1x10^-31 g/cm^3，相差不超过5%。

尽管这一切很成功并有很高精度，宇宙学（的问题）并没有解决（多好听的话啊！大家都不会失业）。粒子暗物质约
占整个宇宙的23.3%+/-1.3%，但到底是什么粒子呢？宇宙的一大部分（72%+/-1.5%）由神秘的暗能量组成，
它的作用力是相互排斥的，导致了宇宙的加速膨胀。这个组成我们宇宙的原子、粒子暗物质、暗能量的疯狂组合还
没有个解释。大爆炸之前和我们宇宙的归宿是什么仍然扑朔迷离。最后一个等同重要的问题，宇宙的整个范围还是
未知的--它是所见即所得？还是多维的不相连的碎片？这一切就是为什么宇宙学如此让人激动---重大的问题似乎都
在我们能力和思想够得着的地方。

通往精确宇宙学之路开始于60年前的愚人节那天的一个换换玩法的思路---即假设大爆炸后整个宇宙是一个核反
应堆。尽管Alpher, Bethe, 和 Gamow 没有搞出正确的物理图象，但他们关于早期宇宙中的核物理机制（和普适
的物理原理）的重要性以及CMB的存在（尽管温度数值是错的）是正确的。他们在宇宙学领域开辟了研究辐射
占统治地位早期宇宙阶段的新天地，这就是当代宇宙学的焦点。尽管在1965年发现CMB时很少有人注意到这篇开拓
文章，今天我们寻根溯源，在这篇文章上找到了当代宇宙学革命的开端。

（全文完）
译文版权smile123所有，未经允许，请勿转载。

译后感：原文登于Physics Today 2008 12月， 译者中文水平很差，感觉很难准确表达原文的一些内容。希望大家
多提意见，改进译文，让读者受益

附原文

smile兄上文了，支持！不过，还真会掉人胃口~

是一篇很新视角的文章，高度认同，期待中

这个要看。。。。。

LZ现在给出的这部分八卦听说过，期待更多的八卦。

更多八卦要等到2009鸟

改一个我翻译的地方
泡利的原话是这样的:

This is not right, it isn't even wrong

我的旧翻译是:
    这不正确，但这更不能叫错误
经过一番调研和推敲, 决定还是根据语感, 改为:
    这不算正确, 连错误都算不上

smile兄改得不错，现在的翻译更合乎原意了。这个句子做到“信达雅”的翻译好像不容易呀。。。

不知道内容，乱说一点，是不是可以作为宇宙物质开始就空间分布不均匀的证明，或者是物理状态各处差别大的证明。
    单次的核合成因为当时某种原因，导致不能完全走合成反应截面大小的路径，要靠后续的多次合成来完成概率的填空，就跟水龙头的几滴水不能溅出完美痕迹一样。
    这样似乎也能用来逆推宇宙早期的物质状态变化过程吧，看看实际走了哪条路径。现在观察结果基本吻合合成概率的分布规律，似乎说明路径基本重叠? 说明偏得远的路径的后效有普遍的频繁继续合成机会? 说明早期的合成受到物质状态、物质相互影响而实际避免某些元素合成或保留，尽管它们按概率算应该可以很多?
      纯属逻辑推理，不知道专业研究的结论是什么。

期待LZ下一次帖子吧！~~

8# smile123

实际上这句话的这种译法早就有了，之前听说过，是泡利的经典名言之一。

精简版的：“这不对，连错误都不算。”

Michael S. Turner



Not even wrong

From Wikipedia, the free encyclopedia

For the weblog and book entitled "Not Even Wrong", see Peter Woit.

An apparently scientific argument is said to be not even wrong if it is based on assumptions that are known to be incorrect, or alternately theories which cannot possibly be falsified or used to predict anything. The phrase was coined by the early quantum physicist Wolfgang Pauli, who was known for his colorful objections to incorrect or sloppy thinking.[1] Peierls (1960) writes of Pauli, "... a friend showed him the paper of a young physicist which he suspected was not of great value but on which he wanted Pauli's views. Pauli remarked sadly, 'That's not right. It's not even wrong' ".[2] In science and philosophy, it is known as the principle of falsifiability.

Statements which are "not even wrong" may be well-formed, but lack reference to anything physical (as in "Souls are immortal", because the noun "soul" is not well-defined in terms of experimental results), or may simply be gobbledygook which appears meaningless (as in some of the Time Cube writings).

The phrase "not even wrong" is often used to describe pseudoscience or bad science, and is considered derogatory.[3]

"Not even wrong" has also come to mean science which is well-meaning and based on the current scientific knowledge, but can neither be used for prediction nor falsified. Such theories are non-scientific, even when they are spoken in scientific language. The phrase has been applied to aspects of the super string theory of physics on the grounds that, although mathematically elegant, it provides neither predictions nor tests.

好文，终于能看到完整八卦了。。。

Goldilocks典故：源于童话“金发姑娘”。金发姑娘在三只熊的家里看到三碗粥，热的不吃、冷的不吃，只挑不冷不热的吃。Goldilocks用于形容不太冷也不太热，在这篇文章里用得很妙。

读过有一个感觉。
    开始在很黑的认知领域旁边，有人看见一些模糊的足迹，再看看路的模糊走向，猜想前面有只驯鹿，就估瞄扔了块飞去来去出去。
    后来别人又搓燃了几个火把，光比较足了，一照，看见大概就是那个方向有个模糊的东西，形状象驼鹿，知道方向又瞄不准头脚地飞了把斧子过去。大家听说真有好东西，很多跑过来也要打。
    再后来大家又点燃很多火把，光算很强了，照出来路，走近一些看样子更象肿角鹿，瞄着脑袋投了只标枪过去，听到扎肉的声音了，那东西动起来，看见身上劈着把斧子，角上还嵌着一个飞去来去。原来最先打的也摸得算对方向了。

    翻译不知道打算面向什么知识层，不敢说好坏，只是自己感觉那个“原初”的意思似乎就是那个比较常见的“初始”吧，说演化的开始时情况，对么?
      另外看见里面有个“CMD”，应该是“CMB”吧? 因为上下文在说宇宙背景温度的事情。

15# deepgreen
这个词，我个人倾向意译说成“温吞”，比较情商上感觉，嘿嘿

读过有一个感觉。
    开始在很黑的认知领域旁边，有人看见一些模糊的足迹，再看看路的模糊走向，猜想前面有只驯鹿，就估瞄扔了块飞去来去出去。
    后来别人又搓燃了几个火把，光比较足了，一照，看见大概 ...
   翻译不知道打算面向什么知识层，不敢说好坏，只是自己感觉那个“原初”的意思似乎就是那个比较常见的“初始”吧，说演化的开始时情况，对么?
      另外看见里面有个“CMD”，应该是“CMB”吧? 因为上下文在说宇宙背景温度的事情。
千眼观音 发表于 2009-1-4 20:41

                               
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“原初”这个词我是斟酌了一下的。好象大爆炸中直接产生的习惯上都用“原初”（primordial），如原初黑洞

你是对的, CMD应该改成CMB。我太习惯打“CMD”了（color-magnitude diagram 颜色-星等图的缩写，就是著名的赫罗图啊，我整天看到CMD的字样，手敲顺了，不过脑子的）

19# denge
19# denge
这个是在说元素丰度考古的故事。
    现在找各种东西来看，氢气那么多，黄金却难拣到一块，怎么会这样呢，人们就开始找原因了。
    根据已经研究了解的情况，不同元素的原子都由中子、质子构成，再研究核物理，发现不同数量的中子质子组合在一起，做成的原子的稳定程度不一样，这是中子质子的强相互作用、核内外电子的电磁相互作用共同影响的结果。
    这样，就有一些组合类型很稳定，一旦做成了就非常难分裂开来。
    而另一些类型很不稳定、极其不稳定，中子和质子在里面打架闹分家，时间一长，就自发裂变，分解成别的几个原子。
    分分合合闹了很久，宇宙中实际存在的中子质子们，就组合成不同的原子核，人们叫它们做元素了。
    因为上述原因，不同元素按照稳定程度的大小来占有物质的量，大部分物质都投靠在比较稳定的元素位置，形成著名的核素“大陆”，和一些核素“稳定岛”，其它位置非常不稳定，出现在那里的元素也很快要么分裂，要么再组合，变成别的更稳定核素。

    它们最初应该是怎么变来的呢?
    这个问题就很勾引人了，如果搞明白各自元素的合成、分解历史，就可以推断宇宙的开端了!
    但是怎么去查呢?
    那就要象生物考古学一样，观察现在保留的史前事件的遗迹，用研究发现的自然规律来倒推。
    一开始是不可能有很详细的发现的，那就已知多少用多少吧，于是最开始试图推测宇宙开端的人，把史前事件的发生背景假设成只受元素合成和维持的概率影响，推测宇宙元素丰度完全吻合不同中子、质子组合的原子的稳定程度，完全按合成维持概率的大小排列。
    但是后来观测技术提高了一些，发现这个推测有些说对了某种元素的实际丰度，而另一些说歪了好远， 这是怎么回事呢?

    在事实面前，原来的推测不能绝对准确，这说明用的推理模型不正确。
    在仔细研究宇宙，发现很多史前事件的遗迹暴露出大量马脚——这些遗迹的存在，以及存在的具体表现，说明元素丰度的演化过程不是最初推测的简单机制，而是受到可以干扰简单过程的更多因素影响，导致实际按别的合成途径进行，那么最初的推理就是走错思路了。
    走错的思路当然不能算正确的，所以后来的人们就说它是离谱了，信不得也，自然就说它没有资格再用了。
    但是，毕竟最初的推测是历史上最早试图考出古来的，是利用当时的知识和技术开创了一个新的科学研究领域，是文明发展的一步，虽然摸黑找门锁却把钥匙捅进墙缝里，也是捅对大方向了，有它的历史功劳，后来人们打着灯笼去捅锁眼的时候，还看见它把墙上的一些泥巴划下来了，也有一点收获哩!