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第4章 金发姑娘1的宇宙元素起源（第3页）

在1亿摄氏度的高温下，3个氦核在红巨星内部的能量约为7。65兆电子伏特。为了使生成碳-12的原子核反应发生共振，碳-12的能态必须精确地比基态高7。65兆电子伏特。但当真存在这个能级吗？1953年2月的一天，霍伊尔在福勒的办公室里提出了这个问题。很幸运，这个问题引起了沃德·惠林的兴趣。

1953年2月，加利福尼亚州帕萨迪纳市，凯洛格辐射实验室

对霍伊尔的胆识，惠林钦佩不已。1952年12月30日，就在到达帕萨迪纳后不久，霍伊尔就在加州理工学院美国物理学会（AmeriPhysicalSociety）的仲冬会议上做了一次公开报告。他提出的宇宙恒稳态理论在洛杉矶地区引起了轰动，来听报告的人太多，会议不得不从加州理工学院搬到附近的帕萨迪纳初级学院的一个更大的礼堂。这个报告给惠林留下了深刻的印象，于是他开始参加霍伊尔每周在鲁滨逊天体物理实验室举办的讲座。那里离凯洛格实验室不远，步行只需要几分钟。

在讲座中，霍伊尔不断完善了恒星内部合成元素的设想。通常情况下，霍伊尔都会被天文系某位大咖的致命提问驳倒，但杰西·格林斯坦（JesseGreenstein）和弗里茨·兹威基等人的批评对霍伊尔来说就像耳旁风。接下来的一周，他会带着一种别出心裁的方式回到鲁滨逊天体物理实验室，试图绕过反驳，但最终他还是被驳倒了。惠林对这一切很感兴趣，霍伊尔在天文学和核物理学方面的知识都不足，但是他出色的数学能力和强大的想象力弥补了这一点。最重要的是，霍伊尔渴望学习，通过凯洛格的核物理学家和鲁滨逊的天体物理学家之间来回的争论，他进步得很快。

正是出于对这位戴着眼镜的约克郡人的钦佩，惠林才鼓起勇气，主动提出寻找碳-12的激发态。与福勒不同的是，惠林没有被其他工作压得喘不过气来。

惠林的计划是用凯洛格加速器向氮-14原子核发射氘核。氘核是氘或称为重氢的原子核，由1个质子和1个中子组成；而氮-14原子核包含7个质子和7个中子。氘对氮的每次碰撞都会产生碳-12和氦-4原子核。关键在于测量氦核的能量：因为撞击产生的总能量总是由碳-12和氦-4分享，这意味着假如碳-12形成低能的基态，那么氦-4就会分得相当大的能量；反之，如果碳-12形成高能的激发态，留给氦-4的能量就会比较少。因此，如果探测到能量比用做子弹的氘核的能量正好少7。65兆电子伏特的氦-4，它就会成为霍伊尔所预测的碳原子能级存在的确凿证据。

正如在上一章中看到的，可以通过原子核的径迹在强磁场中弯曲的程度来测量其能量：能量较高的原子核的径迹曲率小，低能量原子核的径迹看上去曲率比较大。有一块强度合适的磁铁可用来做实验，但问题是这块磁铁与粒子加速器不在一个房间里，而且重达几吨。

惠林团队由他的研究生拉尔夫·皮克斯利（RalphPixley）、比尔·温泽尔（BillWenzel）和诺埃尔·邓巴（NoelDunbar）组成。温泽尔是一名博士后，邓巴则来自澳大利亚，是一名客座博士后。他们谁也想不出，如何把磁铁顺着狭窄的走廊运送到大约30米之外的另一个房间。幸运的是，驻地工程师维克·埃尔戈特（VicEhrgott）想出了一个巧妙的主意：把磁铁放到一块坚固的钢板上，而钢板下铺上几百个网球。[60]由于整体重量均匀地分布在这些网球上，所以这些球不会被压扁。

移动磁铁时，有一个队员专门负责将钢板移动后露出来的球拾起来扔到前面，前面的人再把这些球塞到钢板下。队员们龇牙咧嘴、憋得满脸通红，勉强推动着磁铁一点点地向前缓慢移动。几千年前，古埃及法老的劳动大军从采石场运送石料到金字塔建筑工地时使用过类似的技术，但他们没有网球，只能用木滚轴。显然这项技术的现代翻版同样有效。两天之后，惠林团队终于把磁铁和加速器放在了同一个房间里，实验准备就绪。

整整10天，霍伊尔都如坐针毡。[61]每天，霍伊尔都会从鲁滨逊实验室的办公室出发，在冬日的阳光下，步行一小段路程来到凯洛格实验室。路上，往左边眺望，可以看到圣加布里埃尔山高处威尔逊山天文台的小穹顶，同时还能闻到空气中淡淡的橘子香味。与这美好的风景形成鲜明对比的是，霍伊尔走进昏暗的凯洛格实验室里看到的另外一番景象：惠林和他的队员们在充斥着电缆、变压器以及嗡嗡作响的真空泵的房间里努力工作，身旁就是供原子核在其中互相撞击的潜水钟形的真空室。

等待验证预测结果的霍伊尔觉得自己好像站在面临生死判决的被告席上，而陪审团则正在进行合议。真正的囚犯当然知道自己是无辜的，还是有罪的：如果是无辜的，囚犯希望陪审团能做出正确的裁决；如果有罪，囚犯则奢望陪审团判断出错。当然，由实验主义者组成的陪审团总能做出正确的判断。霍伊尔说：“问题是我不知道自己是无辜的，还是有罪的，于是我只好站在那里，等待陪审团主席站起来宣布结果。”

第10天的时候，实验结果出来了。霍伊尔一进屋，等在那里的惠林就迎上来握着他的手向他表示祝贺，霍伊尔的预测被证实了。这真是让人不敢相信，碳-12原子核还真的有个7。68兆电子伏特的能级，虽不是7。65兆电子伏特，但这在实验允许的误差范围之内。随着质量数为5和8的元素合成障碍被成功绕过，锻造所有更重元素的道路被打开了。霍伊尔有悖常理的预测得到了证实，他洞悉了大自然的核心机密，看到了人类——至少是理论核物理学家们——看不到的东西。霍伊尔说：“我听到结果的那天，感觉橘子树的气味更香了。”[62]

福勒说：“这真是太精彩了!一个家伙走进我们的实验室，预测说原子核存在某个激发态，经过实验，还真有。任何核物理学家都无法基于核理论做到这一点，霍伊尔的预测实在是太精彩了。”[63]

但更让福勒赞叹的是霍伊尔的预测方式，他用看似反常的论据预测了碳-12原子核7。65兆电子伏特的能态。霍伊尔声称：这种能态只能存在，否则宇宙中就不会有碳或更重的元素。在物理学史上，从来没有人用这样的论据对世界做出这样精准的预测。在众多的物理魔术师中，霍伊尔拥有独特的地位。

当回过头仔细梳理碳-12原子核存在7。65兆电子伏特能级的发现时，霍伊尔开始意识到，这一构成人类的重元素的存在似乎不仅有赖一个，而是几个异乎寻常的好运。首先是铍-8原子核不存在稳定状态；其次是碳-12原子核存在精确的7。65兆电子伏特的激发态。不仅如此，还有第3个核幸运。

碳-12和氦-4核的结合能在红巨星内部1亿摄氏度的温度下，恰好没有氧-16的能态；如果有的话，碳-12会与氧-16发生共振。换句话说，在三α过程生成碳-12的瞬间，所有的碳都会立即转化为氧-16，最终宇宙会完全没有碳。但实际上，宇宙所含的碳和氧大致相等。

不出所料，这种人择原理（anthropiciple）混乱的逻辑备受争议。这个观点的拥护者在观察到宇宙中电磁力或引力造成的后果之后，指出了它们有独特的数值，但这无助于增强人择原理的可信度。霍伊尔对碳-12原子核存在7。65兆电子伏特能级预测的独特性在于，预测是在任何观察或实验之前做出的。1973年之后，霍伊尔的预测被誉为人择原理的巨大成功。[64]

事实上，这三个由核进程带来的好运对我们的生存来说，可能并不像乍看起来那么必要。人择原理的拥护者经常会说，如果原子核内束缚核子的强核力（strongnuclearforce）减弱几个百分点，就不可能产生足够的碳-12，却不会说，如果强核力再稍微强一点，就会使铍-8的原子核变得稳定。至关重要的是，这将为碳-12和所有重元素的形成开辟一条全新的道路。所以，铍-8不稳定的事实充其量只是一种单方面的运气。

其实，霍伊尔在1953年是这样说的：“现在重元素存在，因此碳-12一定存在能量为7。65兆电子伏特的能态，才能打开通往锻造重元素的大门。”然而，霍伊尔从人择原理的角度看待事物之后，他的陈述蜕变成了：“现在我存在，因此碳-12一定存在能量为7。65兆电子伏特的能态。”

绕过铍-8屏障意味着为锻造重元素开辟了道路。随着大质量恒星的演化，其核心变得越来越致密、越来越炽热，其内部深处的氧-16会与氦核合并形成氖-20，氖-20会与氦核合并形成镁-24，依此类推。当反应进行到在硅中加入氦，在30亿摄氏度左右的温度下形成铁时，这个α过程到达了终点。在这个反应发生时，恒星内部将会失去平衡。与之前的核反应不同，硅燃烧不会释放能量，而是会吸取恒星的能量。但是，由于恒星依靠这种核能提供的热量产生向外的推力，抵抗引力对恒星的挤压，因此失去支撑的核心会发生内爆。强烈的爆炸会将超新星的外壳抛射出去，将这颗恒星一生辛苦积累起来的许多元素散布到太空中去。这种内爆过程的机理至今仍不十分清楚。

铁族元素是在超新星爆炸时短暂存在的核热动力平衡（thermodymamicequilibrium）中产生的。此外还有许多其他过程负责锻造元素，比如α过程。实际上，在玛格丽特·伯比奇（MargaretBurbidge）、杰弗里·伯比奇（Gee）、福勒和霍伊尔于1957年发表的一篇具有里程碑意义的论文（简称为B2FH）中，确定了8种不同元素的锻造过程，这些过程锻造了今天我们在宇宙中看到的所有元素。[65]其中有两种过程——快中子进程和慢中子进程——是通过每次添加1个中子的方式来合成原子核的。由于中子不带电荷，因此，在这样的过程中，中子接近原子核时不受排斥。快中子进程和慢中子进程分别在超新星爆炸和红巨星中形成富含中子的（ron-rich）原子核。

尽管论文B2FH取得了巨大的成功，然而，少量元素如金和银的起源一直是个谜。直到2017年8月17日，激光干涉引力波天文台（theLaserIricGravitatioO）探测到引力波后，这个谜才最终被解开。金和银来自两颗极临近中子星（ar）的合并。从地球上接收到的γ射线不仅携带了金和银的指纹，事实上，还透露了其黄金产量相当于地球质量的20倍。

这个从1944年开始讲起的霍伊尔的非凡故事已经接近尾声了。我们与星星关系的紧密程度甚至超出了占星家们的想象。你想看一小块星星吗？举起你的手就能看得到。你血液中的铁、你骨骼中的钙、你每次呼吸吸入的氧气，所有这一切都是在地球和太阳诞生之前的恒星中锻造形成的。你的肉体就是由星尘变来的。你简直就是天堂制造。

[1]西方童话故事《金发姑娘和三只熊》中，迷路的金发姑娘未经允许，就进入了熊的房子，她尝了三只碗里的粥，试坐了三把椅子，又在三张**躺了躺，最后发现小碗里的粥最可口，小椅子坐着最舒服，小**躺着最惬意，因为那是最适合她的，不大不小刚刚好。“金发姑娘原则”指出凡事都必须有度，过犹不及。

[2]电子伏特（eV）是物理学家常用的一种方便的能量单位，数值上等于电子被1伏特电压加速后获得的能量。兆电子伏特（MeV）就是电子通过100万伏特电压加速所获得的能量。

[3]原子核由称为质子的带正电荷的粒子和称为中子的不带电荷的粒子组成。这两种粒子本质上具有相同的质量，被称为核子。在氕核中有1个核子；氦-4有4个；锂-6有6个，依此类推。由于质子是靠相同数量的电子围绕原子核而达成静电平衡的，而电子决定了原子与其他原子的结合方式。简而言之，原子的基本特征以及原子的类型是由原子核中的质子数决定的。氢原子核中含有1个质子；氦原子中有2个；锂原子中有3个；依此类推。除氢（氕）核外，所有的原子核都含有中子，中子不影响原子的行为，但对原子的质量有贡献。

[4]U型潜艇是特指在第一次和第二次世界大战中，德国使用的潜艇。德国潜艇的编号都使用德文“U”（英文为U-boat）的首字母U加数字命名。

[5]某一特定元素的原子只吸收和发射某些波长的光，这些光就好像是该元素的指纹。正是通过这些指纹，不同的元素在恒星的光中向天文学家暴露了自己的身份。光的波长对应于电子在原子内部不同轨道之间跃迁所吸收或释放的能量。

[7]正如后来发现的那样，像太阳这样质量较低的恒星是由另一系列核反应驱动的，称为质子-质子链（protonproton）反应。