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第4章 金发姑娘1的宇宙元素起源（第2页）

如果一块石板瓦从屋顶上掉下来，地球的引力就会使它加速，并使之快速撞击地面。物理学家们说，重力势能，也就是说，这种由物体在重力场中所处的位置决定的能量转换成了另一种能量形式——运动的能量。类似地，如果一颗恒星的核心收缩就好像是恒星的引力使无数块百万亿量级的石板瓦加速，这些“瓦片”的势能也会转换成其他形式的能量，比如热。然而矛盾的是，在超新星中，恒星核心的内爆反而会将其外壳抛入太空。

也就是在这个时候，霍伊尔开始把在美国获得的各种拼图碎片拼合起来。正如内爆会引发钚弹的核反应一样，恒星核心的内爆也是如此。当然，不同情况下的核反应不尽相同，但这并不重要，这种认为内爆会导致核反应的想法在霍伊尔的头脑中点燃了一盏明灯。[55]超新星爆炸可能是可怕核反应的炼狱，或许这就是自然界中锻造各种化学元素的熔炉。

当恒星核心的燃料耗尽，无法产生足够的热量抗衡重力的挤压时，就迎来了恒星核心灾难性的坍缩。霍伊尔认为，在濒临死亡的恒星外壳中，坍缩释放出的巨大热量引发剧烈的核反应，从而形成各种元素。新形成的元素被爆炸抛入太空，丰富了星际气体和尘埃云团中的元素，当这些云团在引力作用下崩解时，就会合并成新一代的恒星和行星。如果霍伊尔是正确的，那么超新星就是锻造构成我们身体元素的熔炉。

从最轻的氢到最重的铀，自然界中存在的元素共有92种。曾经有人认为，这些元素都是造物主在造物的第一天创造出来的。但是，在20世纪上半叶出现了这样一种观点：这些元素应该是后来形成的。科学家们已经注意到，每种元素的丰富性或稀缺性与其原子核的特性有关。例如，如果某种元素的原子核比稍轻或稍重元素的原子核结合得更紧密，那么，这种元素的含量会比后两者更丰富。这强烈地暗示着核进程对于元素的形成发挥了关键作用。

可能性最大的是，宇宙开始时只有最轻的氢元素的原子核，而所有较重元素的原子核都是随后在恒星内部由这个最基本的核构件反复黏合组装起来的。事实上，巴德在洛杉矶漆黑的天空中观察到的一个重要发现就是，银河系包含两种截然不同的恒星群。在太阳运行的旋臂（spiralarm）中分布着炽热的蓝色恒星，重元素含量相对较高；在银河系中心则布满温度较低的红色恒星，重元素的含量相对较低。[5]正如后面将会谈到的那样，蓝色的星族Ⅰ（PopulationI）恒星较年轻，红色的星族Ⅱ（PopulationII）恒星较为古老。从这些星体中重元素的含量可以看出，随着星系不断衰老，重元素含量也更丰富，这与重元素会在恒星内部不断积累的假设相符。[56]

合成更重的原子核并不容易，因为要迫使更多的质子聚集在一起，需要克服同性电荷之间更强烈的相互排斥。克服斥力的唯一方法就是以更快的速度将原子核猛烈地撞在一起。由于温度是微观运动的量度，这就意味着需要更高的温度。事实上，制造重元素需要的温度高达数十亿摄氏度。

美国物理学家乔治·伽莫夫（Geamow）正是相信恒星内部永远不可能达到如此极端的高温，所以不得不为锻造元素另寻出路，他声称只有大爆炸的高温符合条件。但是，1944年，霍伊尔在读巴德的论文时，看到了一个不需要这种替代解释的机会；如果他是正确的，那么恒星内部可以达到的温度至少是太阳中心温度的1000倍——太阳的中心温度约为1000万摄氏度。

在恒星内部，核反应形成元素的次序是很复杂的，霍伊尔根本不了解其中的细节。但他意识到，关键在于超新星炼狱内部不合常理的极端密度和温度，那些次序细节反而不重要了。在这种极端条件下，在亚微观尺度下的原子核会疯狂地合成和分裂，直至合成和分裂的过程势均力敌时达成平衡，这种平衡只取决于每种原子核结合的牢固程度。在这种热力学统计平衡的状态下，元素的相对丰度会逐渐稳定下来，不再变化。此时被称作“冻结”（freezeout）。

现在霍伊尔只要知道不同元素的丰度，以及那些元素的原子核结合得有多牢固，就可通过计算来验证他的假设了。可惜，雷达工作把他困在了西苏塞克斯的荒野中，无法获得此类数据。直到1945年3月，霍伊尔因为工作需要来到剑桥大学，在此遇到了奥托·弗里施。这位奥地利物理学家最近刚从美国回来，此前他一直在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯的原子弹研制团队工作。弗里施从书桌抽屉里拿出了一张由德国核物理学家约瑟夫·马托奇（JosefMattauch）精心编制的核数据表——这正是霍伊尔想要的东西。

在剑桥大学，霍伊尔还从图书馆借到了一本书，是由瑞士-挪威物理学家维克多·戈德施密特（Viidt）撰写的。1937年，戈德施密特对宇宙的构成进行了开创性的研究，收集了来自地壳、太阳和陨石的元素数据。在汇总表中，他标明了哪些元素比较常见，哪些比较稀有。

有了戈德施密特和马托奇的数据，霍伊尔就得到了自己所需要的一切。据此，他计算了在不同的温度范围内、核热力学平衡（hermodynamicequilibrium）状态下各元素冻结时的相对丰度。然后，霍伊尔发现他的预测奏效了：在20亿~50亿摄氏度的高温下，铜、镍、钴和铬的相对丰度与戈德施密特发现的元素丰度完全吻合，而这些元素也是现代文明赖以生存的物质构成。霍伊尔欣喜若狂，他用定量的证据证明：铁族元素确实是在超新星中锻造的。[57]“全人类都是兄弟，”正如美国天文学家艾伦·桑达奇（AllanSandage）所说，“我们来自同一颗超新星。”

霍伊尔终于有了恒星锻造自然元素的证据，证明恒星内部能够达到必需的温度和密度。他也确信恒星内部锻造的不仅仅是一些元素，而应该是所有元素。要证明这一点，还有很长的路要走，现在最重要的是他有了证据，能证明恒星能够达到核合成（hesis）所必需的极端条件。

当时人们认为恒星不可能达到这样极端的条件，也导致伽莫夫错误地把大爆炸作为锻造元素熔炉的替代品。究其原因，是由于英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿（ArthurStaon）犯了一个本不该犯的错误。爱丁顿曾在1919年证实了太阳引力引起的光线弯曲，同时证明了牛顿是错误的，并把爱因斯坦推为科学界的超级明星。到了20世纪30年代，天文学家们猜测，星光是氢核聚变成氦的副产品。[6]但爱丁顿猜测氦“灰烬”会在恒星内部均匀地混合，逐渐稀释氢燃料，导致核反应熄灭。在夜空中能看到的证据表明爱丁顿可能是错误的：像猎户座（Orioelgeuse）这样的红巨星（redgiant）非但没被熄灭，而且会释放出比太阳高1万倍的热量。

当霍伊尔初次见到雷·利特尔顿时，搞清楚这些恒星的异常引起了他的兴趣。他们两人都意识到，如果恒星内部的氦“灰烬”不是像爱丁顿认为的那样处于均匀的混合状态，而是不均匀，就会自动变得更热、更稠密。这也许就可以解释红巨星持续发光的原因。霍伊尔和利特尔顿设想，恒星穿过星际气体云时，外壳不断吸积原始氢，从而形成了不均匀的状态。不过并不需要考虑得这么复杂，爱丁顿很快纠正了自己的错误，[58]他认识到，氦在恒星中均匀混合的机制远没有他们想象的那么有效。合理的推论是，恒星中比氢重的氦会落向中心，同时像其他气体一样受到压缩而发热。恒星在演化过程中，其内部会自动变得不均匀，核心变得越来越稠密、越来越热。

当恒星积累了越来越重的元素，重元素又在重力的作用下向中心聚集，就会形成一种类似洋葱的内部结构，由外向内，一层比一层更致密、更热。霍伊尔意识到，对于锻造各种元素来说，这里就是最完美的环境。当这样的恒星发生超新星爆发，或者通过恒星风抛出物质时，一些重元素最终会进入星际介质，成为形成下一代恒星的原料。

在伽莫夫的大爆炸中，只有很短的一段时间窗口适合锻造元素，这个窗口出现在宇宙诞生后1~10分钟。在那之后，宇宙的膨胀就使得火球的密度和温度降低，之后便不足以继续锻造元素了。因此，该方案只能生成氦和一些较轻的元素。相比之下，恒星有几十亿年时间用来尽情施展炼金术。有这么长的时间可用，很明显，恒星在制造元素方面的能力要远胜于大爆炸。难道不是吗？

伽莫夫出错的地方不仅在于大爆炸中锻造重元素的时间不到10分钟，更根本的错误在于，在自然界中不存在质量数为5或8的稳定原子核。

质子和中子统称核子（nu），这两种核子全都形成于大爆炸的火球中，但在宇宙诞生后10分钟多一点的时候，中子就衰变成了质子或氢原子核。第二轻的元素氦的原子核有4个核子，也就是由2个质子和2个中子组成，须分几个步骤合成。在大爆炸中形成氦-4后，容易想到的生成更重元素的途径有两条：一是在氦-4里加入另一个核子，合成质量数为5的原子核；二是将两个氦-4原子核结合在一起，合成质量数为8的原子核。但是，自然界中质量数为5和8的原子核都是不稳定的，显然这两条路都是行不通的。无论是用恒星，还是大爆炸锻造重元素，这都是一个需要解决的根本问题。

霍伊尔的超新星研究取得了成果后，也因这一根本问题而在恒星中合成元素的研究中受阻，于是他转而去参与研究宇宙的大尺度结构的科学——宇宙学。1948年，霍伊尔与赫尔曼·邦迪（HermanBondi）和汤米·戈尔德（TommyGold）一起提出了宇宙恒稳态理论（SteadyStateTheory）。1929年，爱德文·鲍威尔·哈勃在威尔逊山天文台观测时发现，宇宙在膨胀，组成宇宙的星系像弹片一样四处飞散。按照宇宙恒稳态理论的设想，当星系相互远离时，新生的物质会在星系远离时留下的空隙中涌出，凝结形成新的星系。虽然这个想法第一眼看上去似乎很不靠谱，但实际上它并不比在一次大爆炸中一口气形成所有物质的想法更荒谬。其优势在于，稳态的宇宙在大的时间尺度中看上去是不变的，可以永远存在的。显然，宇宙恒稳态理论没有必要回答宇宙是如何开始的这个问题，因为只有变化的宇宙才需要起源。

1952年夏天，霍伊尔参加了国际天文学联合会在罗马举办的一次会议，部分原因是出于他对宇宙学的兴趣。他去了才发现，会议的主题是银河系外星云（extragalaebulae），或叫作河外星系，主持会议的是沃尔特·巴德。这位加州理工学院的天文学家粗心大意，忘了安排一位做会议纪要的秘书，所以临时请霍伊尔帮忙。在会议期间，巴德提出了精妙的证据证明，宇宙的实际年龄是哈勃估计的2倍。然而，几个月后，当天在场的另一位天文学家窃取了巴德的成果。是霍伊尔挽救了局面：会议记录证明巴德遭到了厚颜无耻的剽窃，从而捍卫了巴德应得的荣誉。

巴德时任威尔逊山天文台和加州理工学院联合天文指导委员会的委员，这就可以解释，为何在1952年秋天，霍伊尔收到去加州理工学院访问三个月的邀请函了。霍伊尔抓住这次机会，来到帕萨迪纳，思考如何解决恒星的核合成问题，以及跃过麻烦的核质数5和8屏障的办法。加州理工学院的研究条件得天独厚，拥有世界级的天文学系和杰出的核物理研究团队。

经1930—1931年的建设，凯洛格辐射实验室建成了。此后不久，加州理工学院的核物理研究就开始了。该实验室由美国“玉米片之王”威尔·基思·凯洛格（WillKeithKellogg）赞助，最初配备了1兆电子伏特的强大X光管，不仅用于辐射的物理学研究，还用于癌症治疗的应用研究。[59]但在1932年间，实验室主任查尔斯·劳里特森（CharlesLauritsen）听到英国剑桥大学的约翰·科克罗夫特（JohnCockcroft）和欧内斯特·沃尔顿（Eron）用高速质子成功分裂了原子这一出人意料的消息后，立即改变了凯洛格实验室的研究方向。

X射线管是利用高电压加速的电子轰击金属靶，以产生高能量的X射线。对于凯洛格实验室来说，用X射线管的高电压加速质子这样的粒子，并用其轰击原子核是轻而易举的事情。通过观察产生的碎片，凯洛格实验室的物理学家们可以测量一种原子核转变成另一种原子核的核反应速度。事实上，威利·福勒（WillyFowler）及其在凯洛格实验室的团队测量出了碳氮氧循环（Ocycle）各个核反应的速度，该循环符合汉斯·贝特（Hahe）提出的恒星内部核反应，它将恒星内部的氢转变成氦，生成副产品——星光。他们发现，只有在温度比太阳中心温度高得多的情况下，这种循环才会有效运行，因此排除了该循环作为除大质量恒星以外的恒星的主要动力来源的可能性。[7]

福勒自认是一名核物理学家，当贝特告诉福勒，他在实验室里所做的实验实际上可能是在模拟恒星内部产生能量的核反应时，他感到自己揭示了某种宇宙真相。1951年，埃德·萨尔皮特（EdSalpeter）再次让福勒意识到，他的团队应该也有能力模拟恒星内部元素合成的核反应。这位来自康奈尔大学的年轻理论家猜测，原子核合成的质量数为5和8的屏障有可能通过一种发生概率极低的核过程绕过。

想象一下，在一颗红巨星内部，3个被称为α粒子的氦原子核同时聚合在一起，形成1个碳-12原子核，那会怎么样？这就好比在超市的停车场里，3个推着购物车的人同时撞在了一起!这样的事件的确十分罕见，你得等上很长时间才能看到。但是，萨尔皮特想到了时间这个参数。恒星拥有数百万年甚至数十亿年的时间，与之相比，宇宙大爆炸只有区区10分钟左右的元素合成时间。

观测事实表明，碳的含量非常丰富，是宇宙中第四大最常见的元素，仅次于氢、氦和氧。但不出所料，萨尔皮特的“三α过程”行不通，这种反应的概率太小了，经计算，只能产生微量的碳。

1952年底，当霍伊尔来到加州理工学院时，他注意到了萨尔皮特的工作并且赞同这位康奈尔大学的理论家的观点，要想绕过质量数为5和8的障碍，唯一可行的方法就是让3个氦原子核相互碰撞并结合在一起。但问题在于，有没有什么方法可以加快萨尔皮特的进程？霍伊尔确信肯定有，并且他自己就有个新颖的想法。

核子在原子核内复杂的运动方式超出了任何理论物理学家的预测能力。尽管如此，理论学家依然知道，核子的某些内部组态比其他组态更稳定，每个核子都存在于多种能态中的一种，这是可观测的事实。例如，核子可能居于最低能级，或者叫基态；也可能居于一些较高的能级，或者称为激发态。能级就像梯子的阶梯一样，从基态开始依次向上排列。

霍伊尔想，如果存在一种碳-12的激发态，其能级等于3个氦原子核在温度为1亿度时的能量，正好对应红巨星的核心温度，那会怎么样呢？那就会激励3个氦核之间的核反应产生共振，就像在共振频率上推动儿童的秋千一样，核反应会被加速。进行了一系列相关的计算后，霍伊尔发现，如果生成碳-12的三α过程是共振的，的确会比萨尔皮特计算的要快。快的程度不是10倍、100倍，甚至不是1000倍，而是惊人的1000万倍。最重要的是，霍伊尔的粗略计算表明，这种提速能够解释宇宙中碳的丰度。