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第4章 金发姑娘1的宇宙元素起源（第1页）

第4章金发姑娘[1]的宇宙——元素起源

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。你的肉体就是从星尘变来的。你简直就是天堂制造。

我们DNA中的氮、牙齿中的钙、血液中的铁、苹果派中的碳都是在坍缩的恒星内部形成的——我们是用星星做的。

——卡尔·萨根（）

当我们望向宇宙时，会发现物理学、天文学中有利于我们的巧合如此之多，简直就好像宇宙知道我们要来了。

——弗里曼·戴森（FreemanDyson）

1953年2月，加利福尼亚州帕萨迪纳市，凯洛格辐射实验室

威利·福勒（WillyFowler）在想，坐在他对面的这个人简直是胡说八道。福勒是一名实验核物理学家，他很清楚，世界上没有人能做到这个家伙声称他能做的事情——预测复杂原子核的精确能态。那是一个多体系统（manybodysystem），大量的质子和中子像一群亚微观的蜜蜂一样，在里面嗡嗡作响。理论家们的能力有限，只能预测二体系统（two-bodysystem）的确切行为，如电子在氢原子中绕质子旋转或者月球绕地球轨道运行。

然而，就在加州理工学院凯洛格辐射实验室（KelloggRadiationLaboratory）福勒的办公室里，这位戴着眼镜、自称天文学家的英国佬却说，他能做到世界上任何核物理学家都做不到的事情。更离谱的是，他的预测并不是基于对核物理学的思考，而是出于一个让福勒感觉与结论毫无逻辑关系的论据——宇宙里有碳。福勒确定他听弗雷德·霍伊尔（FredHoyle）说的是：“因此，碳核（ucleus）一定有一个精确到7。65兆电子伏特[2]的能级。”

霍伊尔告诉福勒，他确信所有原子的核心，或者说原子核，都是由最简单的原子——氢——的原子核在恒星内部合成的。那些恒星早在太阳和地球诞生之前，就已经演化并且消亡了。这种合成必然经历多个阶段。第一步是4个氢原子核以某种方式结合在一起，形成第二轻的原子——氦——的原子核。[3]第二步是将2个氦核聚合在一起，形成1个铍原子核。问题是，铍是不稳定的，在短短十亿分之一秒内就会分裂。因此形成更重的原子核，如氧、钙和钠的途径似乎被阻断了。

霍伊尔声称，有一种方法可以绕过令人头疼的铍屏障。据福勒所知，霍伊尔的解决方案要求碳核存在一个比基态（groundstate）高7。65兆电子伏特的高能激发态（excitedstate）。

后来福勒回忆说，他对霍伊尔的第一印象并不太好，感觉霍伊尔“完全不在正常的心理状态”。[53]然而，常年生活在附近的威尔逊山天文台100英寸（约2。54米）望远镜（MountWilson100-inchtelescope）的巨大阴影之下——尤其是爱德文·鲍威尔·哈勃（EdwinPowellHubble）用这架望远镜于1929年发现了宇宙在膨胀（当时人们都不相信宇宙在膨胀）——福勒成长为一位能够对各种天文思想保持宽容态度的核物理学家。事实证明，没把霍伊尔赶出门外是他职业生涯中做出的最明智的决定。

霍伊尔很可能是错的，但福勒秉持了实验者的座右铭：千万不要忽视看似不可能的事情。于是福勒把研究小组的成员叫到办公室，让这位英国天文学家把刚才的话再说一遍。“有没有可能，”霍伊尔问，“实验中漏掉了碳7。65兆电子伏特的能级？”

这之后大部分技术层面的讨论都超出了霍伊尔的理解范围。但最终，福勒的团队达成了共识：如果这个能态很特别的话，也有被漏掉的可能。霍伊尔用满怀希望的目光扫过现场的每一张脸，希望有人能和他合作。但福勒摇了摇头，他有太多的工作要做，无法再分心为验证霍伊尔奇异的说法去做实验。“其他人呢？”福勒问道。剩下的人中只有沃德·惠林（WardWhaling）表示愿意。惠林，得克萨斯州人，最近刚从休斯敦的莱斯大学（Riiversity）来到加州理工学院。他转向霍伊尔说：“我来做这个实验，寻找你预测的那种能态。”

霍伊尔在做出这个预测之前，经过了很长一段时间的酝酿。这一切要从1944年秋天说起，当时还是理论学家的霍伊尔在英国研制作战雷达，他被委派参加11月底在华盛顿特区举行的雷达研究会议。当时去美国要冒险横渡大西洋，为躲避致命的U型潜艇[4]，途中要采用迂回曲折的航道。事实上，霍伊尔对此次旅行非常担心。在苏格兰的格里诺克登上“阿奎塔尼亚号”邮船（RMSAquitania）之前，霍伊尔在劳埃德保险公司（Lloyd'sofLondon）投保了人寿保险，他要为妻子芭芭拉（Barbara）和两个年幼的孩子考虑。之后，霍伊尔去约克郡看望了自己的父母，以防这是最后一次见到他们。在海上度过乏味的10天后，霍伊尔和10000名归乡的美国士兵平安上岸，到达了新大陆（theNewWorld）。

在从纽约宾夕法尼亚站乘火车南下之前，霍伊尔在街头闲逛。纽约璀璨的灯光和丰富的物资与英国已实施5年的灯火管制和定量配给形成了巨大反差，在颇感意外的霍伊尔眼中，纽约的街道就仿佛“仙境”一般。在华盛顿特区英国大使馆，霍伊尔办理了手续并领取了一笔丰厚的津贴。距离雷达研究会议开幕还有3天时间，霍伊尔因此决定北上普林斯顿去看望天文学家亨利·诺里斯·罗素（HenryNorrisRussell）。罗素开创性地对恒星进行了分类，因赫罗图（Hertzprung-Russelldiagram）闻名于世。

霍伊尔对天文学的兴趣是偶然产生的。1938—1939年，他在剑桥大学读书，曾是保罗·狄拉克的学生。故事是这样的：这位量子理论学家不想要学生，霍伊尔也不想要导师，但这对搭档被顽皮的教员开玩笑似的硬是撮合到了一起。尽管狄拉克是出了名的沉默寡言，但还是给了霍伊尔一条有用的建议。在狄拉克看来，经历了20世纪20年代和30年代的量子革命，基础物理学中所有唾手可得的成果都被别人摘取了。如果霍伊尔想在科学界出人头地，就应该在其他科学领域寻找自己感兴趣的问题。

因此，霍伊尔决意涉足这两个领域之一：要么是天文学，要么是生物学。一次机缘之下，他幸运地省去了选择的麻烦。在为一个学生社团邀请演讲嘉宾时，他认识了剑桥大学的天文学家雷·利特尔顿（RayLyttleton）。当时，利特尔顿正醉心于一个特殊恒星的问题，这立刻引起了霍伊尔的兴趣，并开始与利特尔顿合作，从而顺理成章地成了天文学家。

霍伊尔与罗素在普林斯顿的会面很顺利。但事实证明，重要的不是会面本身，而是会面能带来些什么。这就好比拼装一幅从各种渠道收集来的信息拼图，只要将散落的碎片拼接完整，就形成了科学成果。

罗素得知，霍伊尔会在华盛顿会议结束后前往加州造访圣迭戈的美国海军总部，于是他便力劝霍伊尔拜访威尔逊山天文台（MountWilsoory）。这座天文台就在洛杉矶北部，罗素甚至还给天文台台长沃尔特·亚当斯（WalterAdams）写了一封引荐信。

到达加州后，霍伊尔听从罗素的建议，抽空去拜见了亚当斯。亚当斯马上就安排霍伊尔上威尔逊山共度周末，让他见识一下世界上最大的直径100英寸（约2。5米）的胡克望远镜（HookerTelescope）。这可是个难得的好机会，可以借机了解一下天文学家是如何工作的。然而，事实证明，周末结束后发生的事情才至关重要。热衷徒步旅行的霍伊尔步行下山，在阿尔塔迪纳与沃尔特·巴德（WalterBaade）相遇，阿尔塔迪纳就在圣加布里埃尔山脚下的帕萨迪纳市附近。巴德，这位德裔美国天文学家被列为敌国侨民，禁止服兵役。这反倒使他因祸得福，获得了令人艳羡的机会——可以在山下的洛杉矶市处于战时灯火管制期间，没有时间限制地使用当时世界上最大的望远镜。

巴德的确是一流的望远镜观测者，但开起车来却笨手笨脚。尽管如此，他还是开车把霍伊尔拉到了他在圣巴巴拉街的办公室。二人花了一个下午的时间，**澎湃地讨论了天文学的最新进展，谈话以霍伊尔拿到了一些关于超新星的论文复印件而告终。这些发生剧烈爆炸的恒星是由巴德和他的瑞士裔美国同事弗里茨·兹威基（FritzZwicky）共同发现的。要是霍伊尔一拿到这些论文就读了，可能对他就没有什么意义了。或许是另一种命运使然，直至回到英国后，他才读了这些论文。在回英国之前，霍伊尔学到了一些东西，这不仅使他率先认识到超新星问题的关键，还改变了他的科学生涯。

返回英国时，霍伊尔不得不前往蒙特利尔（Montreal）搭乘一架巨型的“解放者”，或称为“空中堡垒”的轰炸机。这种飞机可以飞越大西洋且中途不用经停，这样，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，恶劣的天气使得行程推迟了好几天，在等待的过程中，霍伊尔遇到了两位在本国认识的物理学家。一位是沃尔夫冈·泡利的学生尼克·凯默（NickKemmer），另一位是莫里斯·普赖斯（MauricePryce）。凯默和普赖斯都已经被英国制造原子弹的“合金管”工程项目招募，这在剑桥大学已经不是什么秘密了。

合金管工程就是开发核裂变（nuclearfission）。核裂变现象是奥托·弗里施（OttoFrisch）、莉斯·迈特纳（LiseMeitner）和弗里茨·斯特拉斯曼（FritzStrassman）在“二战”前夕于柏林发现的。不稳定的重原子核容易分裂成两块，在这一波称为“裂变”的过程中会释放出几个高能中子。这些中子可能进一步触发更多的核分裂，形成链式反应，从而引发大量核能爆炸性地释放。

霍伊尔知道有两种不同的原子核可以裂变，一种是稀少的铀同位素，称为铀-235；还有一种是人造原子核钚-239，于1940年首次人工合成。要合成足够制造核弹的钚，需要建造核反应堆（or），或称堆（pile）。在德国空军的轰炸下，英国没有足够的资源同时制造两种不同的原子弹，于是最终他们选择了浓缩铀-235。当时，该项目正在蒙特利尔附近的乔克河畔缓慢地进行。霍伊尔认为，之所以凯默和普赖斯出现在加拿大，说明英国已经积累了足够制造原子弹的铀-235。

在蒙特利尔等待天气好转时，霍伊尔听说了一个传闻，说是一个由美国和欧洲最优秀的物理学家组成的团队正在美国西南部的某个秘密地点集结。他感到疑惑不解：霍伊尔原以为，用铀-235制造炸弹是世界上最容易的事情：只要简单地将两块铀-235合并在一起，使其超过引发失控链式反应的临界质量（criticalmas），就可以发生核爆炸。大型团队的存在只能意味着合并钚并不像合并铀那么简单。如果是这样的话，他就可以理解为什么英国选择了他认为原料更难找的铀-235来制造原子弹。

很明显，一定有什么东西阻止了两个亚临界质量的钚块合并。霍伊尔唯一能想到的就是钚本身的裂变。他推断，当两块钚相互靠近时，裂变必然以非常快的速度产生热量，以至于在链式反应发生之前，就把两个钚块推开了。如果他是正确的，这意味着科学家需要找到一种方法把两个钚块强行聚合在一起。当霍伊尔思考应该怎么做时，他意识到最好的方法是用炸药使球壳形的钚内爆（implosion）。并且，他立刻想到了向心爆炸的关键问题：只有当炸药的冲击波完全球对称时，才会发生有效的内爆。但是，这样的冲击波很难实现。现在霍伊尔明白为什么必须组建这支阵容强大的团队了。

回到英国，过完圣诞节，霍伊尔的思考早已淡忘在遥远的回忆里了，他终于腾出时间仔细阅读了沃尔特·巴德的超新星论文。[54]这样的恒星大劫难释放的能量是惊人的。通常一颗超新星比整个星系的几千亿颗恒星加起来都要亮。当霍伊尔思考其中的能量来源时，意识到只有一种东西有能力操控这样的爆炸，那就是重力。