第4章 金發姑娘[1]的宇宙——元素起源
你血液中的鐵、你骨骼中的鈣、你每次呼吸吸入的氧氣，所有這一切都是在地球和太陽誕生之前的恒星中鍛造形成的。你的肉體就是從星塵變來的。你簡直就是天堂製造。
我們DNA中的氮、牙齒中的鈣、血液中的鐵、蘋果派中的碳都是在坍縮的恒星內部形成的——我們是用星星做的。
——卡爾·薩根(Carl Sagan)
當我們望向宇宙時，會發現物理學、天文學中有利於我們的巧合如此之多，簡直就好像宇宙知道我們要來了。
——弗裏曼·戴森(Freeman Dyson)
1953年2月，加利福尼亞州帕薩迪納市，凱洛格輻射實驗室
威利·福勒(Willy Fowler)在想，坐在他對麵的這個人簡直是胡說八道。福勒是一名實驗核物理學家，他很清楚，世界上沒有人能做到這個家夥聲稱他能做的事情——預測複雜原子核的精確能態。那是一個多體係統(many body system)，大量的質子和中子像一群亞微觀的蜜蜂一樣，在裏麵嗡嗡作響。理論家們的能力有限，隻能預測二體係統(two-body system)的確切行為，如電子在氫原子中繞質子旋轉或者月球繞地球軌道運行。
然而，就在加州理工學院凱洛格輻射實驗室(Kellogg Radiation Laboratory)福勒的辦公室裏，這位戴著眼鏡、自稱天文學家的英國佬卻說，他能做到世界上任何核物理學家都做不到的事情。更離譜的是，他的預測並不是基於對核物理學的思考，而是出於一個讓福勒感覺與結論毫無邏輯關係的論據——宇宙裏有碳。福勒確定他聽弗雷德·霍伊爾(Fred Hoyle)說的是：“因此，碳核(carbon nucleus)一定有一個精確到7.65兆電子伏特[2]的能級。”
霍伊爾告訴福勒，他確信所有原子的核心，或者說原子核，都是由最簡單的原子——氫——的原子核在恒星內部合成的。那些恒星早在太陽和地球誕生之前，就已經演化並且消亡了。這種合成必然經曆多個階段。第一步是4個氫原子核以某種方式結合在一起，形成第二輕的原子——氦——的原子核。[3]第二步是將2個氦核聚合在一起，形成1個鈹原子核。問題是，鈹是不穩定的，在短短十億分之一秒內就會分裂。因此形成更重的原子核，如氧、鈣和鈉的途徑似乎被阻斷了。
霍伊爾聲稱，有一種方法可以繞過令人頭疼的鈹屏障。據福勒所知，霍伊爾的解決方案要求碳核存在一個比基態(ground state)高7.65兆電子伏特的高能激發態(excited state)。
後來福勒回憶說，他對霍伊爾的第一印象並不太好，感覺霍伊爾“完全不在正常的心理狀態”。[53]然而，常年生活在附近的威爾遜山天文台100英寸(約2.54米)望遠鏡(Mount Wilson 100-inch telescope)的巨大陰影之下——尤其是愛德文·鮑威爾·哈勃(Edwin Powell Hubble)用這架望遠鏡於1929年發現了宇宙在膨脹(當時人們都不相信宇宙在膨脹)——福勒成長為一位能夠對各種天文思想保持寬容態度的核物理學家。事實證明，沒把霍伊爾趕出門外是他職業生涯中做出的最明智的決定。
霍伊爾很可能是錯的，但福勒秉持了實驗者的座右銘：千萬不要忽視看似不可能的事情。於是福勒把研究小組的成員叫到辦公室，讓這位英國天文學家把剛才的話再說一遍。“有沒有可能，”霍伊爾問，“實驗中漏掉了碳7.65兆電子伏特的能級？”
這之後大部分技術層麵的討論都超出了霍伊爾的理解範圍。但最終，福勒的團隊達成了共識：如果這個能態很特別的話，也有被漏掉的可能。霍伊爾用滿懷希望的目光掃過現場的每一張臉，希望有人能和他合作。但福勒搖了搖頭，他有太多的工作要做，無法再分心為驗證霍伊爾奇異的說法去做實驗。“其他人呢？”福勒問道。剩下的人中隻有沃德·惠林(Ward Whaling)表示願意。惠林，得克薩斯州人，最近剛從休斯敦的萊斯大學(Rice University)來到加州理工學院。他轉向霍伊爾說：“我來做這個實驗，尋找你預測的那種能態。”
霍伊爾在做出這個預測之前，經過了很長一段時間的醞釀。這一切要從1944年秋天說起，當時還是理論學家的霍伊爾在英國研製作戰雷達，他被委派參加11月底在華盛頓特區舉行的雷達研究會議。當時去美國要冒險橫渡大西洋，為躲避致命的U型潛艇[4]，途中要采用迂回曲折的航道。事實上，霍伊爾對此次旅行非常擔心。在蘇格蘭的格裏諾克登上“阿奎塔尼亞號”郵船(RMS Aquitania)之前，霍伊爾在勞埃德保險公司(Lloyd's of London)投保了人壽保險，他要為妻子芭芭拉(Barbara)和兩個年幼的孩子考慮。之後，霍伊爾去約克郡看望了自己的父母，以防這是最後一次見到他們。在海上度過乏味的10天後，霍伊爾和10 000名歸鄉的美國士兵平安上岸，到達了新大陸(the New World)。
在從紐約賓夕法尼亞站乘火車南下之前，霍伊爾在街頭閑逛。紐約璀璨的燈光和豐富的物資與英國已實施5年的燈火管製和定量配給形成了巨大反差，在頗感意外的霍伊爾眼中，紐約的街道就仿佛“仙境”一般。在華盛頓特區英國大使館，霍伊爾辦理了手續並領取了一筆豐厚的津貼。距離雷達研究會議開幕還有3天時間，霍伊爾因此決定北上普林斯頓去看望天文學家亨利·諾裏斯·羅素(Henry Norris Russell)。羅素開創性地對恒星進行了分類，因赫羅圖(Hertzprung-Russell diagram)聞名於世。
霍伊爾對天文學的興趣是偶然產生的。1938—1939年，他在劍橋大學讀書，曾是保羅·狄拉克的學生。故事是這樣的：這位量子理論學家不想要學生，霍伊爾也不想要導師，但這對搭檔被頑皮的教員開玩笑似的硬是撮合到了一起。盡管狄拉克是出了名的沉默寡言，但還是給了霍伊爾一條有用的建議。在狄拉克看來，經曆了20世紀20年代和30年代的量子革命，基礎物理學中所有唾手可得的成果都被別人摘取了。如果霍伊爾想在科學界出人頭地，就應該在其他科學領域尋找自己感興趣的問題。
因此，霍伊爾決意涉足這兩個領域之一：要麽是天文學，要麽是生物學。一次機緣之下，他幸運地省去了選擇的麻煩。在為一個學生社團邀請演講嘉賓時，他認識了劍橋大學的天文學家雷·利特爾頓(Ray Lyttleton)。當時，利特爾頓正醉心於一個特殊恒星的問題，這立刻引起了霍伊爾的興趣，並開始與利特爾頓合作，從而順理成章地成了天文學家。
霍伊爾與羅素在普林斯頓的會麵很順利。但事實證明，重要的不是會麵本身，而是會麵能帶來些什麽。這就好比拚裝一幅從各種渠道收集來的信息拚圖，隻要將散落的碎片拚接完整，就形成了科學成果。
羅素得知，霍伊爾會在華盛頓會議結束後前往加州造訪聖迭戈的美國海軍總部，於是他便力勸霍伊爾拜訪威爾遜山天文台(Mount Wilson Observatory)。這座天文台就在洛杉磯北部，羅素甚至還給天文台台長沃爾特·亞當斯(Walter Adams)寫了一封引薦信。
到達加州後，霍伊爾聽從羅素的建議，抽空去拜見了亞當斯。亞當斯馬上就安排霍伊爾上威爾遜山共度周末，讓他見識一下世界上最大的直徑100英寸(約2.5米)的胡克望遠鏡(Hooker Telescope)。這可是個難得的好機會，可以借機了解一下天文學家是如何工作的。然而，事實證明，周末結束後發生的事情才至關重要。熱衷徒步旅行的霍伊爾步行下山，在阿爾塔迪納與沃爾特·巴德(Walter Baade)相遇，阿爾塔迪納就在聖加布裏埃爾山腳下的帕薩迪納市附近。巴德，這位德裔美國天文學家被列為敵國僑民，禁止服兵役。這反倒使他因禍得福，獲得了令人豔羨的機會——可以在山下的洛杉磯市處於戰時燈火管製期間，沒有時間限製地使用當時世界上最大的望遠鏡。
巴德的確是一流的望遠鏡觀測者，但開起車來卻笨手笨腳。盡管如此，他還是開車把霍伊爾拉到了他在聖巴巴拉街的辦公室。二人花了一個下午的時間，**澎湃地討論了天文學的最新進展，談話以霍伊爾拿到了一些關於超新星的論文複印件而告終。這些發生劇烈爆炸的恒星是由巴德和他的瑞士裔美國同事弗裏茨·茲威基(Fritz Zwicky)共同發現的。要是霍伊爾一拿到這些論文就讀了，可能對他就沒有什麽意義了。或許是另一種命運使然，直至回到英國後，他才讀了這些論文。在回英國之前，霍伊爾學到了一些東西，這不僅使他率先認識到超新星問題的關鍵，還改變了他的科學生涯。
返回英國時，霍伊爾不得不前往蒙特利爾(Montreal)搭乘一架巨型的“解放者”，或稱為“空中堡壘”的轟炸機。這種飛機可以飛越大西洋且中途不用經停，這樣，他就可以直接回到格拉斯哥(Glasgow)附近的普雷斯特威克(Prestwic)。然而，惡劣的天氣使得行程推遲了好幾天，在等待的過程中，霍伊爾遇到了兩位在本國認識的物理學家。一位是沃爾夫岡·泡利的學生尼克·凱默(Nick Kemmer)，另一位是莫裏斯·普賴斯(Maurice Pryce)。凱默和普賴斯都已經被英國製造原子彈的“合金管”工程項目招募，這在劍橋大學已經不是什麽秘密了。
合金管工程就是開發核裂變(nuclear fission)。核裂變現象是奧托·弗裏施(Otto Frisch)、莉斯·邁特納(Lise Meitner)和弗裏茨·斯特拉斯曼(Fritz Strassman)在“二戰”前夕於柏林發現的。不穩定的重原子核容易分裂成兩塊，在這一波稱為“裂變”的過程中會釋放出幾個高能中子。這些中子可能進一步觸發更多的核分裂，形成鏈式反應，從而引發大量核能爆炸性地釋放。
霍伊爾知道有兩種不同的原子核可以裂變，一種是稀少的鈾同位素，稱為鈾-235；還有一種是人造原子核鈈-239，於1940年首次人工合成。要合成足夠製造核彈的鈈，需要建造核反應堆(nuclear reactor)，或稱堆(pile)。在德國空軍的轟炸下，英國沒有足夠的資源同時製造兩種不同的原子彈，於是最終他們選擇了濃縮鈾-235。當時，該項目正在蒙特利爾附近的喬克河畔緩慢地進行。霍伊爾認為，之所以凱默和普賴斯出現在加拿大，說明英國已經積累了足夠製造原子彈的鈾-235。
在蒙特利爾等待天氣好轉時，霍伊爾聽說了一個傳聞，說是一個由美國和歐洲最優秀的物理學家組成的團隊正在美國西南部的某個秘密地點集結。他感到疑惑不解：霍伊爾原以為，用鈾-235製造炸彈是世界上最容易的事情：隻要簡單地將兩塊鈾-235合並在一起，使其超過引發失控鏈式反應的臨界質量(critical mas)，就可以發生核爆炸。大型團隊的存在隻能意味著合並鈈並不像合並鈾那麽簡單。如果是這樣的話，他就可以理解為什麽英國選擇了他認為原料更難找的鈾-235來製造原子彈。
很明顯，一定有什麽東西阻止了兩個亞臨界質量的鈈塊合並。霍伊爾唯一能想到的就是鈈本身的裂變。他推斷，當兩塊鈈相互靠近時，裂變必然以非常快的速度產生熱量，以至於在鏈式反應發生之前，就把兩個鈈塊推開了。如果他是正確的，這意味著科學家需要找到一種方法把兩個鈈塊強行聚合在一起。當霍伊爾思考應該怎麽做時，他意識到最好的方法是用炸藥使球殼形的鈈內爆(implosion)。並且，他立刻想到了向心爆炸的關鍵問題：隻有當炸藥的衝擊波完全球對稱時，才會發生有效的內爆。但是，這樣的衝擊波很難實現。現在霍伊爾明白為什麽必須組建這支陣容強大的團隊了。
回到英國，過完聖誕節，霍伊爾的思考早已淡忘在遙遠的回憶裏了，他終於騰出時間仔細閱讀了沃爾特·巴德的超新星論文。[54]這樣的恒星大劫難釋放的能量是驚人的。通常一顆超新星比整個星係的幾千億顆恒星加起來都要亮。當霍伊爾思考其中的能量來源時，意識到隻有一種東西有能力操控這樣的爆炸，那就是重力。
如果一塊石板瓦從屋頂上掉下來，地球的引力就會使它加速，並使之快速撞擊地麵。物理學家們說，重力勢能，也就是說，這種由物體在重力場中所處的位置決定的能量轉換成了另一種能量形式——運動的能量。類似地，如果一顆恒星的核心收縮就好像是恒星的引力使無數塊百萬億量級的石板瓦加速，這些“瓦片”的勢能也會轉換成其他形式的能量，比如熱。然而矛盾的是，在超新星中，恒星核心的內爆反而會將其外殼拋入太空。
也就是在這個時候，霍伊爾開始把在美國獲得的各種拚圖碎片拚合起來。正如內爆會引發鈈彈的核反應一樣，恒星核心的內爆也是如此。當然，不同情況下的核反應不盡相同，但這並不重要，這種認為內爆會導致核反應的想法在霍伊爾的頭腦中點燃了一盞明燈。[55]超新星爆炸可能是可怕核反應的煉獄，或許這就是自然界中鍛造各種化學元素的熔爐。
當恒星核心的燃料耗盡，無法產生足夠的熱量抗衡重力的擠壓時，就迎來了恒星核心災難性的坍縮。霍伊爾認為，在瀕臨死亡的恒星外殼中，坍縮釋放出的巨大熱量引發劇烈的核反應，從而形成各種元素。新形成的元素被爆炸拋入太空，豐富了星際氣體和塵埃雲團中的元素，當這些雲團在引力作用下崩解時，就會合並成新一代的恒星和行星。如果霍伊爾是正確的，那麽超新星就是鍛造構成我們身體元素的熔爐。
從最輕的氫到最重的鈾，自然界中存在的元素共有92種。曾經有人認為，這些元素都是造物主在造物的第一天創造出來的。但是，在20世紀上半葉出現了這樣一種觀點：這些元素應該是後來形成的。科學家們已經注意到，每種元素的豐富性或稀缺性與其原子核的特性有關。例如，如果某種元素的原子核比稍輕或稍重元素的原子核結合得更緊密，那麽，這種元素的含量會比後兩者更豐富。這強烈地暗示著核進程對於元素的形成發揮了關鍵作用。
可能性最大的是，宇宙開始時隻有最輕的氫元素的原子核，而所有較重元素的原子核都是隨後在恒星內部由這個最基本的核構件反複黏合組裝起來的。事實上，巴德在洛杉磯漆黑的天空中觀察到的一個重要發現就是，銀河係包含兩種截然不同的恒星群。在太陽運行的旋臂(spiral arm)中分布著熾熱的藍色恒星，重元素含量相對較高；在銀河係中心則布滿溫度較低的紅色恒星，重元素的含量相對較低。[5]正如後麵將會談到的那樣，藍色的星族Ⅰ(Population I)恒星較年輕，紅色的星族Ⅱ(Population II)恒星較為古老。從這些星體中重元素的含量可以看出，隨著星係不斷衰老，重元素含量也更豐富，這與重元素會在恒星內部不斷積累的假設相符。[56]
合成更重的原子核並不容易，因為要迫使更多的質子聚集在一起，需要克服同性電荷之間更強烈的相互排斥。克服斥力的唯一方法就是以更快的速度將原子核猛烈地撞在一起。由於溫度是微觀運動的量度，這就意味著需要更高的溫度。事實上，製造重元素需要的溫度高達數十億攝氏度。
美國物理學家喬治·伽莫夫(George Gamow)正是相信恒星內部永遠不可能達到如此極端的高溫，所以不得不為鍛造元素另尋出路，他聲稱隻有大爆炸的高溫符合條件。但是，1944年，霍伊爾在讀巴德的論文時，看到了一個不需要這種替代解釋的機會；如果他是正確的，那麽恒星內部可以達到的溫度至少是太陽中心溫度的1000倍——太陽的中心溫度約為1000萬攝氏度。
在恒星內部，核反應形成元素的次序是很複雜的，霍伊爾根本不了解其中的細節。但他意識到，關鍵在於超新星煉獄內部不合常理的極端密度和溫度，那些次序細節反而不重要了。在這種極端條件下，在亞微觀尺度下的原子核會瘋狂地合成和分裂，直至合成和分裂的過程勢均力敵時達成平衡，這種平衡隻取決於每種原子核結合的牢固程度。在這種熱力學統計平衡的狀態下，元素的相對豐度會逐漸穩定下來，不再變化。此時被稱作“凍結”(freeze out)。
現在霍伊爾隻要知道不同元素的豐度，以及那些元素的原子核結合得有多牢固，就可通過計算來驗證他的假設了。可惜，雷達工作把他困在了西蘇塞克斯的荒野中，無法獲得此類數據。直到1945年3月，霍伊爾因為工作需要來到劍橋大學，在此遇到了奧托·弗裏施。這位奧地利物理學家最近剛從美國回來，此前他一直在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯的原子彈研製團隊工作。弗裏施從書桌抽屜裏拿出了一張由德國核物理學家約瑟夫·馬托奇(Josef Mattauch)精心編製的核數據表——這正是霍伊爾想要的東西。
在劍橋大學，霍伊爾還從圖書館借到了一本書，是由瑞士-挪威物理學家維克多·戈德施密特(Victor Goldschmidt)撰寫的。1937年，戈德施密特對宇宙的構成進行了開創性的研究，收集了來自地殼、太陽和隕石的元素數據。在匯總表中，他標明了哪些元素比較常見，哪些比較稀有。
有了戈德施密特和馬托奇的數據，霍伊爾就得到了自己所需要的一切。據此，他計算了在不同的溫度範圍內、核熱力學平衡(nuclear thermodynamic equilibrium)狀態下各元素凍結時的相對豐度。然後，霍伊爾發現他的預測奏效了：在20億~50億攝氏度的高溫下，銅、鎳、鈷和鉻的相對豐度與戈德施密特發現的元素豐度完全吻合，而這些元素也是現代文明賴以生存的物質構成。霍伊爾欣喜若狂，他用定量的證據證明：鐵族元素確實是在超新星中鍛造的。[57]“全人類都是兄弟，”正如美國天文學家艾倫·桑達奇(Allan Sandage)所說，“我們來自同一顆超新星。”
霍伊爾終於有了恒星鍛造自然元素的證據，證明恒星內部能夠達到必需的溫度和密度。他也確信恒星內部鍛造的不僅僅是一些元素，而應該是所有元素。要證明這一點，還有很長的路要走，現在最重要的是他有了證據，能證明恒星能夠達到核合成(nucleosynthesis)所必需的極端條件。
當時人們認為恒星不可能達到這樣極端的條件，也導致伽莫夫錯誤地把大爆炸作為鍛造元素熔爐的替代品。究其原因，是由於英國天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓(Arthur Stanley Eddington)犯了一個本不該犯的錯誤。愛丁頓曾在1919年證實了太陽引力引起的光線彎曲，同時證明了牛頓是錯誤的，並把愛因斯坦推為科學界的超級明星。到了20世紀30年代，天文學家們猜測，星光是氫核聚變成氦的副產品。[6]但愛丁頓猜測氦“灰燼”會在恒星內部均勻地混合，逐漸稀釋氫燃料，導致核反應熄滅。在夜空中能看到的證據表明愛丁頓可能是錯誤的：像獵戶座(Orion)參宿四(Betelgeuse)這樣的紅巨星(red giant)非但沒被熄滅，而且會釋放出比太陽高1萬倍的熱量。
當霍伊爾初次見到雷·利特爾頓時，搞清楚這些恒星的異常引起了他的興趣。他們兩人都意識到，如果恒星內部的氦“灰燼”不是像愛丁頓認為的那樣處於均勻的混合狀態，而是不均勻，就會自動變得更熱、更稠密。這也許就可以解釋紅巨星持續發光的原因。霍伊爾和利特爾頓設想，恒星穿過星際氣體雲時，外殼不斷吸積原始氫，從而形成了不均勻的狀態。不過並不需要考慮得這麽複雜，愛丁頓很快糾正了自己的錯誤，[58]他認識到，氦在恒星中均勻混合的機製遠沒有他們想象的那麽有效。合理的推論是，恒星中比氫重的氦會落向中心，同時像其他氣體一樣受到壓縮而發熱。恒星在演化過程中，其內部會自動變得不均勻，核心變得越來越稠密、越來越熱。
當恒星積累了越來越重的元素，重元素又在重力的作用下向中心聚集，就會形成一種類似洋蔥的內部結構，由外向內，一層比一層更致密、更熱。霍伊爾意識到，對於鍛造各種元素來說，這裏就是最完美的環境。當這樣的恒星發生超新星爆發，或者通過恒星風拋出物質時，一些重元素最終會進入星際介質，成為形成下一代恒星的原料。
在伽莫夫的大爆炸中，隻有很短的一段時間窗口適合鍛造元素，這個窗口出現在宇宙誕生後1~10分鍾。在那之後，宇宙的膨脹就使得火球的密度和溫度降低，之後便不足以繼續鍛造元素了。因此，該方案隻能生成氦和一些較輕的元素。相比之下，恒星有幾十億年時間用來盡情施展煉金術。有這麽長的時間可用，很明顯，恒星在製造元素方麵的能力要遠勝於大爆炸。難道不是嗎？
伽莫夫出錯的地方不僅在於大爆炸中鍛造重元素的時間不到10分鍾，更根本的錯誤在於，在自然界中不存在質量數為5或8的穩定原子核。
質子和中子統稱核子(nucleon)，這兩種核子全都形成於大爆炸的火球中，但在宇宙誕生後10分鍾多一點的時候，中子就衰變成了質子或氫原子核。第二輕的元素氦的原子核有4個核子，也就是由2個質子和2個中子組成，須分幾個步驟合成。在大爆炸中形成氦-4後，容易想到的生成更重元素的途徑有兩條：一是在氦-4裏加入另一個核子，合成質量數為5的原子核；二是將兩個氦-4原子核結合在一起，合成質量數為8的原子核。但是，自然界中質量數為5和8的原子核都是不穩定的，顯然這兩條路都是行不通的。無論是用恒星，還是大爆炸鍛造重元素，這都是一個需要解決的根本問題。
霍伊爾的超新星研究取得了成果後，也因這一根本問題而在恒星中合成元素的研究中受阻，於是他轉而去參與研究宇宙的大尺度結構的科學——宇宙學。1948年，霍伊爾與赫爾曼·邦迪(Herman Bondi)和湯米·戈爾德(Tommy Gold)一起提出了宇宙恒穩態理論(Steady State Theory)。1929年，愛德文·鮑威爾·哈勃在威爾遜山天文台觀測時發現，宇宙在膨脹，組成宇宙的星係像彈片一樣四處飛散。按照宇宙恒穩態理論的設想，當星係相互遠離時，新生的物質會在星係遠離時留下的空隙中湧出，凝結形成新的星係。雖然這個想法第一眼看上去似乎很不靠譜，但實際上它並不比在一次大爆炸中一口氣形成所有物質的想法更荒謬。其優勢在於，穩態的宇宙在大的時間尺度中看上去是不變的，可以永遠存在的。顯然，宇宙恒穩態理論沒有必要回答宇宙是如何開始的這個問題，因為隻有變化的宇宙才需要起源。
1952年夏天，霍伊爾參加了國際天文學聯合會在羅馬舉辦的一次會議，部分原因是出於他對宇宙學的興趣。他去了才發現，會議的主題是銀河係外星雲(extragalactic nebulae)，或叫作河外星係，主持會議的是沃爾特·巴德。這位加州理工學院的天文學家粗心大意，忘了安排一位做會議紀要的秘書，所以臨時請霍伊爾幫忙。在會議期間，巴德提出了精妙的證據證明，宇宙的實際年齡是哈勃估計的2倍。然而，幾個月後，當天在場的另一位天文學家竊取了巴德的成果。是霍伊爾挽救了局麵：會議記錄證明巴德遭到了厚顏無恥的剽竊，從而捍衛了巴德應得的榮譽。
巴德時任威爾遜山天文台和加州理工學院聯合天文指導委員會的委員，這就可以解釋，為何在1952年秋天，霍伊爾收到去加州理工學院訪問三個月的邀請函了。霍伊爾抓住這次機會，來到帕薩迪納，思考如何解決恒星的核合成問題，以及躍過麻煩的核質數5和8屏障的辦法。加州理工學院的研究條件得天獨厚，擁有世界級的天文學係和傑出的核物理研究團隊。
經1930—1931年的建設，凱洛格輻射實驗室建成了。此後不久，加州理工學院的核物理研究就開始了。該實驗室由美國“玉米片之王”威爾·基思·凱洛格(Will Keith Kellogg)讚助，最初配備了1兆電子伏特的強大X光管，不僅用於輻射的物理學研究，還用於癌症治療的應用研究。[59]但在1932年間，實驗室主任查爾斯·勞裏特森(Charles Lauritsen)聽到英國劍橋大學的約翰·科克羅夫特(John Cockcroft)和歐內斯特·沃爾頓(Ernest Walton)用高速質子成功分裂了原子這一出人意料的消息後，立即改變了凱洛格實驗室的研究方向。
X射線管是利用高電壓加速的電子轟擊金屬靶，以產生高能量的X射線。對於凱洛格實驗室來說，用X射線管的高電壓加速質子這樣的粒子，並用其轟擊原子核是輕而易舉的事情。通過觀察產生的碎片，凱洛格實驗室的物理學家們可以測量一種原子核轉變成另一種原子核的核反應速度。事實上，威利·福勒(Willy Fowler)及其在凱洛格實驗室的團隊測量出了碳氮氧循環(CNO cycle)各個核反應的速度，該循環符合漢斯·貝特(Hans Bethe)提出的恒星內部核反應，它將恒星內部的氫轉變成氦，生成副產品——星光。他們發現，隻有在溫度比太陽中心溫度高得多的情況下，這種循環才會有效運行，因此排除了該循環作為除大質量恒星以外的恒星的主要動力來源的可能性。[7]
福勒自認是一名核物理學家，當貝特告訴福勒，他在實驗室裏所做的實驗實際上可能是在模擬恒星內部產生能量的核反應時，他感到自己揭示了某種宇宙真相。1951年，埃德·薩爾皮特(Ed Salpeter)再次讓福勒意識到，他的團隊應該也有能力模擬恒星內部元素合成的核反應。這位來自康奈爾大學的年輕理論家猜測，原子核合成的質量數為5和8的屏障有可能通過一種發生概率極低的核過程繞過。
想象一下，在一顆紅巨星內部，3個被稱為α粒子的氦原子核同時聚合在一起，形成1個碳-12原子核，那會怎麽樣？這就好比在超市的停車場裏，3個推著購物車的人同時撞在了一起!這樣的事件的確十分罕見，你得等上很長時間才能看到。但是，薩爾皮特想到了時間這個參數。恒星擁有數百萬年甚至數十億年的時間，與之相比，宇宙大爆炸隻有區區10分鍾左右的元素合成時間。
觀測事實表明，碳的含量非常豐富，是宇宙中第四大最常見的元素，僅次於氫、氦和氧。但不出所料，薩爾皮特的“三α過程”行不通，這種反應的概率太小了，經計算，隻能產生微量的碳。
1952年底，當霍伊爾來到加州理工學院時，他注意到了薩爾皮特的工作並且讚同這位康奈爾大學的理論家的觀點，要想繞過質量數為5和8的障礙，唯一可行的方法就是讓3個氦原子核相互碰撞並結合在一起。但問題在於，有沒有什麽方法可以加快薩爾皮特的進程？霍伊爾確信肯定有，並且他自己就有個新穎的想法。
核子在原子核內複雜的運動方式超出了任何理論物理學家的預測能力。盡管如此，理論學家依然知道，核子的某些內部組態比其他組態更穩定，每個核子都存在於多種能態中的一種，這是可觀測的事實。例如，核子可能居於最低能級，或者叫基態；也可能居於一些較高的能級，或者稱為激發態。能級就像梯子的階梯一樣，從基態開始依次向上排列。
霍伊爾想，如果存在一種碳-12的激發態，其能級等於3個氦原子核在溫度為1億度時的能量，正好對應紅巨星的核心溫度，那會怎麽樣呢？那就會激勵3個氦核之間的核反應產生共振，就像在共振頻率上推動兒童的秋千一樣，核反應會被加速。進行了一係列相關的計算後，霍伊爾發現，如果生成碳-12的三α過程是共振的，的確會比薩爾皮特計算的要快。快的程度不是10倍、100倍，甚至不是1000倍，而是驚人的1000萬倍。最重要的是，霍伊爾的粗略計算表明，這種提速能夠解釋宇宙中碳的豐度。
在1億攝氏度的高溫下，3個氦核在紅巨星內部的能量約為7.65兆電子伏特。為了使生成碳-12的原子核反應發生共振，碳-12的能態必須精確地比基態高7.65兆電子伏特。但當真存在這個能級嗎？1953年2月的一天，霍伊爾在福勒的辦公室裏提出了這個問題。很幸運，這個問題引起了沃德·惠林的興趣。
1953年2月，加利福尼亞州帕薩迪納市，凱洛格輻射實驗室
對霍伊爾的膽識，惠林欽佩不已。1952年12月30日，就在到達帕薩迪納後不久，霍伊爾就在加州理工學院美國物理學會(American Physical Society)的仲冬會議上做了一次公開報告。他提出的宇宙恒穩態理論在洛杉磯地區引起了轟動，來聽報告的人太多，會議不得不從加州理工學院搬到附近的帕薩迪納初級學院的一個更大的禮堂。這個報告給惠林留下了深刻的印象，於是他開始參加霍伊爾每周在魯濱遜天體物理實驗室舉辦的講座。那裏離凱洛格實驗室不遠，步行隻需要幾分鍾。
在講座中，霍伊爾不斷完善了恒星內部合成元素的設想。通常情況下，霍伊爾都會被天文係某位大咖的致命提問駁倒，但傑西·格林斯坦(Jesse Greenstein)和弗裏茨·茲威基等人的批評對霍伊爾來說就像耳旁風。接下來的一周，他會帶著一種別出心裁的方式回到魯濱遜天體物理實驗室，試圖繞過反駁，但最終他還是被駁倒了。惠林對這一切很感興趣，霍伊爾在天文學和核物理學方麵的知識都不足，但是他出色的數學能力和強大的想象力彌補了這一點。最重要的是，霍伊爾渴望學習，通過凱洛格的核物理學家和魯濱遜的天體物理學家之間來回的爭論，他進步得很快。
正是出於對這位戴著眼鏡的約克郡人的欽佩，惠林才鼓起勇氣，主動提出尋找碳-12的激發態。與福勒不同的是，惠林沒有被其他工作壓得喘不過氣來。
惠林的計劃是用凱洛格加速器向氮-14原子核發射氘核。氘核是氘或稱為重氫的原子核，由1個質子和1個中子組成；而氮-14原子核包含7個質子和7個中子。氘對氮的每次碰撞都會產生碳-12和氦-4原子核。關鍵在於測量氦核的能量：因為撞擊產生的總能量總是由碳-12和氦-4分享，這意味著假如碳-12形成低能的基態，那麽氦-4就會分得相當大的能量；反之，如果碳-12形成高能的激發態，留給氦-4的能量就會比較少。因此，如果探測到能量比用做子彈的氘核的能量正好少7.65兆電子伏特的氦-4，它就會成為霍伊爾所預測的碳原子能級存在的確鑿證據。
正如在上一章中看到的，可以通過原子核的徑跡在強磁場中彎曲的程度來測量其能量：能量較高的原子核的徑跡曲率小，低能量原子核的徑跡看上去曲率比較大。有一塊強度合適的磁鐵可用來做實驗，但問題是這塊磁鐵與粒子加速器不在一個房間裏，而且重達幾噸。
惠林團隊由他的研究生拉爾夫·皮克斯利(Ralph Pixley)、比爾·溫澤爾(Bill Wenzel)和諾埃爾·鄧巴(Noel Dunbar)組成。溫澤爾是一名博士後，鄧巴則來自澳大利亞，是一名客座博士後。他們誰也想不出，如何把磁鐵順著狹窄的走廊運送到大約30米之外的另一個房間。幸運的是，駐地工程師維克·埃爾戈特(Vic Ehrgott)想出了一個巧妙的主意：把磁鐵放到一塊堅固的鋼板上，而鋼板下鋪上幾百個網球。[60]由於整體重量均勻地分布在這些網球上，所以這些球不會被壓扁。
移動磁鐵時，有一個隊員專門負責將鋼板移動後露出來的球拾起來扔到前麵，前麵的人再把這些球塞到鋼板下。隊員們齜牙咧嘴、憋得滿臉通紅，勉強推動著磁鐵一點點地向前緩慢移動。幾千年前，古埃及法老的勞動大軍從采石場運送石料到金字塔建築工地時使用過類似的技術，但他們沒有網球，隻能用木滾軸。顯然這項技術的現代翻版同樣有效。兩天之後，惠林團隊終於把磁鐵和加速器放在了同一個房間裏，實驗準備就緒。
整整10天，霍伊爾都如坐針氈。[61]每天，霍伊爾都會從魯濱遜實驗室的辦公室出發，在冬日的陽光下，步行一小段路程來到凱洛格實驗室。路上，往左邊眺望，可以看到聖加布裏埃爾山高處威爾遜山天文台的小穹頂，同時還能聞到空氣中淡淡的橘子香味。與這美好的風景形成鮮明對比的是，霍伊爾走進昏暗的凱洛格實驗室裏看到的另外一番景象：惠林和他的隊員們在充斥著電纜、變壓器以及嗡嗡作響的真空泵的房間裏努力工作，身旁就是供原子核在其中互相撞擊的潛水鍾形的真空室。
等待驗證預測結果的霍伊爾覺得自己好像站在麵臨生死判決的被告席上，而陪審團則正在進行合議。真正的囚犯當然知道自己是無辜的，還是有罪的：如果是無辜的，囚犯希望陪審團能做出正確的裁決；如果有罪，囚犯則奢望陪審團判斷出錯。當然，由實驗主義者組成的陪審團總能做出正確的判斷。霍伊爾說：“問題是我不知道自己是無辜的，還是有罪的，於是我隻好站在那裏，等待陪審團主席站起來宣布結果。”
第10天的時候，實驗結果出來了。霍伊爾一進屋，等在那裏的惠林就迎上來握著他的手向他表示祝賀，霍伊爾的預測被證實了。這真是讓人不敢相信，碳-12原子核還真的有個7.68兆電子伏特的能級，雖不是7.65兆電子伏特，但這在實驗允許的誤差範圍之內。隨著質量數為5和8的元素合成障礙被成功繞過，鍛造所有更重元素的道路被打開了。霍伊爾有悖常理的預測得到了證實，他洞悉了大自然的核心機密，看到了人類——至少是理論核物理學家們——看不到的東西。霍伊爾說：“我聽到結果的那天，感覺橘子樹的氣味更香了。”[62]
福勒說：“這真是太精彩了!一個家夥走進我們的實驗室，預測說原子核存在某個激發態，經過實驗，還真有。任何核物理學家都無法基於核理論做到這一點，霍伊爾的預測實在是太精彩了。”[63]
但更讓福勒讚歎的是霍伊爾的預測方式，他用看似反常的論據預測了碳-12原子核7.65兆電子伏特的能態。霍伊爾聲稱：這種能態隻能存在，否則宇宙中就不會有碳或更重的元素。在物理學史上，從來沒有人用這樣的論據對世界做出這樣精準的預測。在眾多的物理魔術師中，霍伊爾擁有獨特的地位。
當回過頭仔細梳理碳-12原子核存在7.65兆電子伏特能級的發現時，霍伊爾開始意識到，這一構成人類的重元素的存在似乎不僅有賴一個，而是幾個異乎尋常的好運。首先是鈹-8原子核不存在穩定狀態；其次是碳-12原子核存在精確的7.65兆電子伏特的激發態。不僅如此，還有第3個核幸運。
碳-12和氦-4核的結合能在紅巨星內部1億攝氏度的溫度下，恰好沒有氧-16的能態；如果有的話，碳-12會與氧-16發生共振。換句話說，在三α過程生成碳-12的瞬間，所有的碳都會立即轉化為氧-16，最終宇宙會完全沒有碳。但實際上，宇宙所含的碳和氧大致相等。
不出所料，這種人擇原理(anthropic principle)混亂的邏輯備受爭議。這個觀點的擁護者在觀察到宇宙中電磁力或引力造成的後果之後，指出了它們有獨特的數值，但這無助於增強人擇原理的可信度。霍伊爾對碳-12原子核存在7.65兆電子伏特能級預測的獨特性在於，預測是在任何觀察或實驗之前做出的。1973年之後，霍伊爾的預測被譽為人擇原理的巨大成功。[64]
事實上，這三個由核進程帶來的好運對我們的生存來說，可能並不像乍看起來那麽必要。人擇原理的擁護者經常會說，如果原子核內束縛核子的強核力(strong nuclear force)減弱幾個百分點，就不可能產生足夠的碳-12，卻不會說，如果強核力再稍微強一點，就會使鈹-8的原子核變得穩定。至關重要的是，這將為碳-12和所有重元素的形成開辟一條全新的道路。所以，鈹-8不穩定的事實充其量隻是一種單方麵的運氣。
其實，霍伊爾在1953年是這樣說的：“現在重元素存在，因此碳-12一定存在能量為7.65兆電子伏特的能態，才能打開通往鍛造重元素的大門。”然而，霍伊爾從人擇原理的角度看待事物之後，他的陳述蛻變成了：“現在我存在，因此碳-12一定存在能量為7.65兆電子伏特的能態。”
繞過鈹-8屏障意味著為鍛造重元素開辟了道路。隨著大質量恒星的演化，其核心變得越來越致密、越來越熾熱，其內部深處的氧-16會與氦核合並形成氖-20，氖-20會與氦核合並形成鎂-24，依此類推。當反應進行到在矽中加入氦，在30億攝氏度左右的溫度下形成鐵時，這個α過程到達了終點。在這個反應發生時，恒星內部將會失去平衡。與之前的核反應不同，矽燃燒不會釋放能量，而是會吸取恒星的能量。但是，由於恒星依靠這種核能提供的熱量產生向外的推力，抵抗引力對恒星的擠壓，因此失去支撐的核心會發生內爆。強烈的爆炸會將超新星的外殼拋射出去，將這顆恒星一生辛苦積累起來的許多元素散布到太空中去。這種內爆過程的機理至今仍不十分清楚。
鐵族元素是在超新星爆炸時短暫存在的核熱動力平衡(thermo dymamic equilibrium)中產生的。此外還有許多其他過程負責鍛造元素，比如α過程。實際上，在瑪格麗特·伯比奇(Margaret Burbidge)、傑弗裏·伯比奇(Geoffrey Burbidge)、福勒和霍伊爾於1957年發表的一篇具有裏程碑意義的論文(簡稱為B2FH)中，確定了8種不同元素的鍛造過程，這些過程鍛造了今天我們在宇宙中看到的所有元素。[65]其中有兩種過程——快中子進程和慢中子進程——是通過每次添加1個中子的方式來合成原子核的。由於中子不帶電荷，因此，在這樣的過程中，中子接近原子核時不受排斥。快中子進程和慢中子進程分別在超新星爆炸和紅巨星中形成富含中子的(neutron-rich)原子核。
盡管論文B2FH取得了巨大的成功，然而，少量元素如金和銀的起源一直是個謎。直到2017年8月17日，激光幹涉引力波天文台(the Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory，簡稱LIGO)探測到引力波後，這個謎才最終被解開。金和銀來自兩顆極臨近中子星(neutron star)的合並。從地球上接收到的γ射線不僅攜帶了金和銀的指紋，事實上，還透露了其黃金產量相當於地球質量的20倍。
這個從1944年開始講起的霍伊爾的非凡故事已經接近尾聲了。我們與星星關係的緊密程度甚至超出了占星家們的想象。你想看一小塊星星嗎？舉起你的手就能看得到。你血液中的鐵、你骨骼中的鈣、你每次呼吸吸入的氧氣，所有這一切都是在地球和太陽誕生之前的恒星中鍛造形成的。你的肉體就是由星塵變來的。你簡直就是天堂製造。
[1]西方童話故事《金發姑娘和三隻熊》中，迷路的金發姑娘未經允許，就進入了熊的房子，她嚐了三隻碗裏的粥，試坐了三把椅子，又在三張**躺了躺，最後發現小碗裏的粥最可口，小椅子坐著最舒服，小**躺著最愜意，因為那是最適合她的，不大不小剛剛好。“金發姑娘原則”指出凡事都必須有度，過猶不及。
[2]電子伏特(eV)是物理學家常用的一種方便的能量單位，數值上等於電子被1伏特電壓加速後獲得的能量。兆電子伏特(MeV)就是電子通過100萬伏特電壓加速所獲得的能量。
[3]原子核由稱為質子的帶正電荷的粒子和稱為中子的不帶電荷的粒子組成。這兩種粒子本質上具有相同的質量，被稱為核子。在氕核中有1個核子；氦-4有4個；鋰-6有6個，依此類推。由於質子是靠相同數量的電子圍繞原子核而達成靜電平衡的，而電子決定了原子與其他原子的結合方式。簡而言之，原子的基本特征以及原子的類型是由原子核中的質子數決定的。氫原子核中含有1個質子；氦原子中有2個；鋰原子中有3個；依此類推。除氫(氕)核外，所有的原子核都含有中子，中子不影響原子的行為，但對原子的質量有貢獻。
[4] U型潛艇是特指在第一次和第二次世界大戰中，德國使用的潛艇。德國潛艇的編號都使用德文“Untersee-boot”(英文為U-boat)的首字母U加數字命名。
[5]某一特定元素的原子隻吸收和發射某些波長的光，這些光就好像是該元素的指紋。正是通過這些指紋，不同的元素在恒星的光中向天文學家暴露了自己的身份。光的波長對應於電子在原子內部不同軌道之間躍遷所吸收或釋放的能量。
[7]正如後來發現的那樣，像太陽這樣質量較低的恒星是由另一係列核反應驅動的，稱為質子-質子鏈(protonproton chain)反應。