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来源：视觉中国

锂丰度异常困扰科学家几十年

有一个深奥的问题——宇宙从何而来、如何产生？这个问题催生出宇宙大爆炸理论。

很长一段历史时期，人类认为宇宙是静态的。直到20世纪20年代，俄国科学家亚力山大·弗里德曼和比利时宇宙学家乔治·勒梅特通过求解爱因斯坦引力场方程，发现宇宙是膨胀的，但是当时这样的观念没有被科学界所接受，就连引力场方程的创造者艾尔伯特·爱因斯坦也极力反对。这样的僵局直到1929年天才科学家埃德温·哈勃通过天文观测发现确实如此，人们才开始接受宇宙一直在膨胀的事实。

既然如此，回溯到很久以前，宇宙被限制在一个极其狭小的空间内。换句话说，宇宙起源于一次极其猛烈的大爆炸，也就是说，宇宙是“炸”出来的。尽管弗里德曼和勒梅特一直都孕育着这一思想，但是正式撰文提出宇宙大爆炸理论的是弗里德曼的学生乔治·伽莫夫。1948年他和同事们提出了标准的热大爆炸模型。但即便人们接受宇宙膨胀的事实，伽莫夫的热大爆炸模型在当时也不吃香，强有力的反对者便是大名鼎鼎的英国天文学家弗雷德·霍伊尔，“大爆炸”正是他的嘲讽之词。

伽莫夫提出的热大爆炸模型认为，宇宙开始于高温高密的原初物质，温度超过几十亿摄氏度，整个宇宙是各向同性的，物质分布是均匀的。随着宇宙膨胀，温度和密度逐渐下降，慢慢演化形成了现在的星系等天体。他们预言大爆炸之后38万年的时候，宇宙已经冷却到电子和原子核结合形成中性原子，这时光子失去碰撞对象电子，成为背景光子（即微波背景辐射），至今依然弥漫在宇宙当中，当前整个世界浸泡在背景光子海洋当中，且背景光子的温度在今天约为几开尔文。可以说宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论的直接证据，能否找到它，对这一理论能否立足至关重要。幸运的是，1964年美国贝尔实验室的无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然中发现了宇宙微波背景辐射，这强有力地支持了大爆炸理论。随后，美国航天局和欧洲宇航局对宇宙微波背景辐射进行了更加精细的探测，如1989年美国发射的微波背景探测者卫星COBE探测到的背景辐射谱是完美的黑体辐射谱，这给宇宙大爆炸理论提供了更有力的证明。

宇宙大爆炸理论是当前解释宇宙起源最成功的理论。该理论涉及的研究方向和内容非常超前，好多人类目前还无法回答，如大爆炸之前的宇宙是什么样子？宇宙早期正反物质不对称的原因是什么？什么是暗物质和暗能量？他们出现在大爆炸之前还是之后？大爆炸锂丰度异常问题等等。

大爆炸核合成发生在大爆炸开始之后三分钟，温度降到约为10亿摄氏度的时候，质子和中子有效结合生成氘，生成的氘核进一步与周围的核子发生反应，生成的新核素继续与周围的核子反应下去。由于宇宙膨胀温度和密度不断降低，整个过程持续约2000秒就基本趋于结束，最终只生成氢、氦、锂三种初期元素。大爆炸理论预测的轻元素丰度与天文观测值非常符合，只有锂-7的丰度二者之间存在三倍的差距，这就是困扰大家几十年的宇宙大爆炸锂丰度异常问题。

大爆炸核合成描述的是一个急速膨胀的动力学体系内多种粒子相互之间发生生灭反应的过程。在大爆炸这种温度高达10亿摄氏度的极端天体环境下，控制该过程的微分方程组属于一种特殊的种类，叫作刚性微分方程组。由于刚性微分方程组数值求解稳定性较差，需要细小的步长控制误差的传递扩散。此外，由于当前初期轻元素丰度天文观测精度很高，误差已精确到百分位，因此理论计算每步误差必须保证达到千分位的精度，理论计算结果才有意义。

此前，我国要想做关于大爆炸核合成计算来预言初期轻元素的产额，需要求助于国外机构，要将实现自己科学目标的输入参数输入到对方提供的一个可操作界面，然后等待计算结果。有时我们想到好的想法，但由于受对方限制，大多无法实现，只能做对方限定好的陈旧研究。于是我们决定自己编写计算程序。经过两年多的努力，我们计算的轻元素丰度与国外的预测结果保持一致，证明了我们的计算程序是正确的。从此，我们可以摆脱限制进行更具创新性的研究，也就催生出使用非广延分布来解决锂丰度难题。

（作者：侯素青 中国科学院近代物理研究所副研究员）

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