星系的超级系统散布就像一缕弥散开来的烟雾。有时候我在想是否还存在比这尺度更大的事物了，再大也不过一缕青烟罢了。

——亚瑟·爱丁顿

大自然展示给我们的只是狮子的尾巴。但我毫不怀疑这只狮子的存在，即使它因为庞大的身躯不可能一次性的完全展露自己。我们观察它的方式只能是像坐在它身上的虱子看它的方式那样。

——阿尔伯特·爱因斯坦

宇宙学家常常是错的，但他们从来不怀疑自己。

——列夫·朗道

1894年，阿尔伯特·迈克耳孙——几年前正是他推翻了以太学说——在芝加哥大学做了一次演讲，他声称：“物理科学的最重要的基本定律和事实都已被发现了，这些定律和事实现在确立得是如此牢固，以至于通过新发现的结果予以补充的可能性极小……我们未来的发现只能是在小数点后第六位去寻找。”

对于物理学而言，19世纪下半叶的确是一段辉煌的时期，期间不仅解开了许多重大的奥秘，而且给人感觉到剩下的任务只是提高测量的精度。但这样一种认识被证明是荒谬的。迈克耳孙有幸活到了看到他的大胆断言被证伪。短短数十年间，量子物理学和核物理学的发展就动摇了科学的根基。不仅如此，宇宙学家也将不得不彻底重新评估他们对宇宙的认识。

19世纪后期，人们的认识仍然是：宇宙是永恒的、在很大程度上是不变的。但是，随着时髦女郎的招摇过市和股市的崩盘，20世纪20年代的科学家们也不得不考虑这样一种竞争性模型，它将宇宙描述为这样一幅图景：自一二十亿年前诞生以来宇宙就一直在膨胀。

这种科学认识上的颠覆可以认为是由两种途径触发的。一种源于理论家，他们通过应用新方向上的物理定律给出了令人吃惊的结论。另一种源于实验者或观察者，他们测量了或是看到了某些东西，致使他们质疑以前的假说。发生在20世纪20年代的宇宙学的动荡之所以非比寻常，是因为公认的稳恒态宇宙模型在两个方面同时遭到攻击。如第2章所述，乔治·勒迈特和亚历山大·弗里德曼已经利用广义相对论发展出一个膨胀宇宙的概念，与此同时，埃德温·哈勃独立观测了星系的红移，这也意味着宇宙是膨胀的，这一点在第3章已有述及。

弗里德曼没能活到得知哈勃的观测结果，他去世时没有收到任何人对他的想法的认可。而勒迈特则要幸运得多。他在1927年发表的论文中提出了宇宙的大爆炸模型，他预言，星系逃逸的速度正比于其距离。最初，他的工作没人予以重视，因为没有任何证据来支持它，但两年后，哈勃发表了他对星系的观察结果，表明星系确实在退行，于是勒迈特的工作最终得到认可。

勒迈特曾写信给亚瑟·爱丁顿介绍他的大爆炸模型，但一直没有得到答复。当哈勃的发现登上报纸头条后，勒迈特再次写信给爱丁顿，希望这次这位杰出的天体物理学家会意识到他的理论与新兴的数据完全吻合。乔治·迈克维蒂当时是爱丁顿的学生，他回忆起自己的导师对这位坚持己见的牧师的反应：“爱丁顿感到很惭愧，他给我看了勒迈特的信，信中提请爱丁顿注意勒迈特给出的对这个问题的解。爱丁顿承认，虽然他早在1927年就看过勒迈特的论文，但在此之前他已经完全忘记了它的内容。爱丁顿很快纠正了自己的过失，他在1930年6月给权威的《自然》杂志去了一封信，提到他在3年前就应注意到勒迈特的这一辉煌的工作。”

过去他忽略了勒迈特的研究，但现在爱丁顿似乎准备通过让更多的人注意到这一成果来给予他的祝福。除了去信《自然》外，爱丁顿还将勒迈特的论文翻译成英文并推荐发表在《皇家天文学会月刊》上。他称之为一个“绝妙的解”，“是对这个问题的完整的解答”，就是说，勒迈特的模型很好地解释了哈勃的测量数据。

这些评价逐渐在科学界传开，勒迈特的理论预言与哈勃的观测结果之间的完美匹配受到越来越多的人的钦佩。在此之前，所有的宇宙学家都把注意力集中在阿尔伯特·爱因斯坦的稳恒的静态宇宙模型上，但现在，极少数人开始认识到勒迈特的模型更强有力。

总之，勒迈特认为，广义相对论（按其最纯粹的形式）意味着宇宙正在膨胀。如果宇宙一直膨胀到今天，那么它在过去一定更致密。从逻辑上讲，宇宙必然是从一个高度致密的状态开始，即从一个很小但有有限尺寸的所谓原始原子发展而来。勒迈特认为，原始原子可能在“平衡破坏”之前就永恒地存在，在平衡被破坏时，原子衰变并放出其所有的碎片。他把这个衰变过程的开始定义为我们这个宇宙历史的开端。这是个创生的瞬间——按勒迈特的话说就是“一个没有昨天的一天”。

弗里德曼关于宇宙创生时刻的观点与勒迈特的观点略有不同。弗里德曼的大爆炸模型不是将宇宙想象成从原始原子诞生的，而是认为一切皆源自一个点。换句话说，整个宇宙原先是被挤压成虚无的。无论哪一种方式，原始原子也好还是单个几何点也好，关于创生的实际那一刹那显然都是高度思辨的，都只会存在一段时间。但对于大爆炸模型的其他方面，倡导者之间具有很大程度的信心和广泛的共识。

例如，哈勃已观测到，星系正在退行离地球远去，正如大爆炸模型所预言的那样，但是大爆炸理论家们却一致认为，星系实际上并不是在空间中移动，而是随着空间一起在移动。爱丁顿通过将空间比作气球的表面解释了这一微妙之处，并将宇宙的三个空间维度简化为一个二维封闭的橡胶片，如图64所示。气球表面所覆盖的点代表星系。如果气球膨胀到原来的直径的两倍，那么各点之间的距离也将翻倍，因此实际效果相当于各个点彼此分开。关键在于，这些点并不是在气球表面上移动，相反，表面本身就在扩展，从而增加了点与点之间的距离。类似地，星系不是在空间中移动，而是星系之间的空间在扩展。

虽然第3章根据星系的退行对星系的光的红移做出了简单解释，但现在它变得清晰了，红移的真正原因是空间的延伸。当光波离开星系奔向地球时，它们被拉伸，因为它们所在的空间本身被拉伸，这就是为什么波长会变长，光显得较红的原因。虽然光的这种宇宙学红移比起通常的波的多普勒频移有着不同的起因，但第3章描述的多普勒效应仍是我们考虑星系红移的一种有用的方法。

图64　宇宙在这里由一个气球的表面来表示。每个点代表一个星系，被圈起来的这个点代表我们自己的银河系。随着气球的膨胀（即宇宙膨胀），其他的点看起来正离我们远去，正如哈勃观察到的那样，所有的星系都正在远离我们而去。星系越遥远，在给定的时间间隔内退行的距离就越大，因此速度就越快——这就是哈勃定律。通过标记两个星系，一个靠得较近，另一个离得较远，这种效果会看得更清楚。

如果所有空间都在膨胀，而星系又坐落在空间上，那么你可能会认为星系也在膨胀。从理论上说，这是可能的，但实际上因为星系内存在巨大的引力作用，因此这种影响是微不足道的。因此扩张是发生在宇宙星系际层面，而不是在某个局地的星系内部。在伍迪·艾伦的电影《安妮·霍尔》的开始的回闪镜头里，辛格太太带着她的儿子艾尔维去看医生，因为艾尔维神情沮丧。男孩向医生解释说，他看到宇宙正在膨胀，所以他认为他周围的一切都会被撕裂。他的母亲打断了他：“甭管宇宙怎么做，你在布鲁克林！布鲁克林不膨胀！”辛格夫人是绝对正确的。

现在，气球的类比已经有了，是时候澄清普遍存在的误解了。如果所有的星系都在远离地球，那是不是意味着地球是宇宙的中心？就好像整个宇宙是从我们现在生活的这个地方发展起来的。那岂不是我们真的占据着宇宙的一个特殊位置？事实上，无论观察者处于何处，都存在处于中心的错觉。由图64可以看出，我们银河系只是其中的一个点，随着气球膨胀，所有其他的点似乎离我们越来越远。然而，如果我们从不同的点的位置来看，所有其他的点同样看上去在远离。换言之，其他点也会认为它处在宇宙的中心。宇宙就没有中心——或者说，每一个星系都可以宣称自己处在宇宙的中心。

在20世纪20年代中期，爱因斯坦曾一度对宇宙学失去了兴趣，但在哈勃的观测强化了大爆炸的思想后，他又重新回到了这个领域。1931年，趁着在加州理工学院休学术假，他和他的第二任妻子艾尔莎应邀作为哈勃的贵客对威尔逊山天文台进行了访问。他们参观了巨大的100英寸胡克望远镜，天文学家们向他们讲解了这台巨大的机器是怎么探索宇宙的。令人吃惊的是，艾尔莎对此印象不是特别深刻：“嗯，嗯，我丈夫确实显得孤陋寡闻。”

不过，爱因斯坦的努力仅限于理论，而理论可能是错误的。这就是为什么投资昂贵的实验设备和望远镜是值得的，因为只有它们有可能使我们对什么是好的理论和不好的理论做出区分。爱因斯坦早期笃信的是静态的宇宙，而那个理论与哈勃现在的观察似乎是矛盾的，由此可见观察能力对判断理论的重要作用。

在威尔逊山访问期间，爱因斯坦与哈勃的助手密尔顿·赫马森进行了交流。赫马森向爱因斯坦展示了各种照相底版，并指出他们所探索的星系。他还给爱因斯坦看了星系的光谱，上面显示出系统的红移。爱因斯坦已经读了哈勃和赫马森发表的论文，但现在他可以自己来看这些数据。得出的结论似乎是必然的。观测表明，星系正在退行，宇宙正在膨胀。

1931年2月3日，爱因斯坦向聚集在威尔逊山天文台图书馆的记者发布公告。他公开宣布放弃自己的静态宇宙学并支持大爆炸膨胀宇宙模型。总之，他发现哈勃的观测是有说服力的，并承认了勒迈特和弗里德曼的理论始终是对的。随着世界上最著名的天才改变观点，现在改为支持大爆炸理论，于是宇宙膨胀概念成为正式的观点，世界各大报纸纷纷予以关注。哈勃家乡的报纸《斯普林菲尔德日报》在头版头条以通栏标题《离开奥沙克山去研究星星的年轻人使爱因斯坦改变想法》刊载了哈勃的事迹。

爱因斯坦不仅放弃他的静态宇宙模型，而且重新考虑了他的广义相对论方程。我们知道，爱因斯坦的原始方程准确解释了熟悉的引力，但这种吸引力可能最终会导致整个宇宙的坍缩。而宇宙在他看来是永恒的、静态的，因此他在他的方程中加了一项宇宙学常数——纯属人为——以便引入一项在大尺度上起作用的斥力来防止坍缩。现在，既然宇宙已被证明不再是静态的了，于是爱因斯坦放弃了宇宙学常数，又回到他的广义相对论的原始方程。

爱因斯坦一直感到宇宙学常数不自然，将它插入到方程只是为了符合既成的静态和永恒的宇宙观。事实证明，这种约定俗成和合规的理念让他迷失了。在他作为一个物理学家的早期生活中，在他处于智力巅峰时，他总是遵从直觉，蔑视权威。就这么一次，他屈从了群体的压力，结果还被证明是错了。后来他称宇宙学常数是他一生中最大的错误。正像他写给勒迈特的信中所说的那样：“自从我引入这个词后，我一直觉得有昧于良心……我无法相信这样一个丑陋的东西应该在自然中得以实现。”

虽然爱因斯坦热衷于放弃他的宇宙修正因子，但信奉永恒的、静态的宇宙的宇宙学家们仍然相信宇宙学常数是广义相对论中一个重要的和有效的部分。甚至一些大爆炸宇宙学家也对它偏爱有加，不愿失去它。通过保留宇宙学常数但改变它的值，他们可以调整他们的大爆炸理论模型并修正宇宙的膨胀速率。宇宙学常数代表了一种反引力作用，它可以使宇宙膨胀得更快。

宇宙学常数的值和有效性在大爆炸理论的支持者之间产生了一些冲突，但在1933年1月——爱因斯坦第一次到访这座天文台的两年后——在帕萨迪纳威尔逊山的大本营研讨会上，勒迈特和爱因斯坦结成了统一战线。勒迈特向与会的杰出的天文学家和宇宙学家（听众中包括埃德温·哈勃）阐述了他的宇宙大爆炸模型。虽然这是一次学术聚会，但勒迈特在物理学中编织了一种诗的意境。特别是他又给出了他最喜欢的烟花的比喻：“在万物开始的时候，有一束美不胜收的烟花。在一声爆炸之后，烟雾充满了苍穹。我辈来得太晚，无法见证造物主创生那一刻的辉煌！”

尽管爱因斯坦可能希望看到的是更多的数学细节和较少的粉饰，但他还是赞扬了勒迈特的开拓的努力：“这是我听过的对创生的最优美、最满意的解释。”此言的确不虚，特别是从一个6年前还在将勒迈特的物理学斥为“可憎”的人的口中说出。

爱因斯坦的认可标志着勒迈特的生涯在科学界内外都开始步入名人的行列。毕竟，这里站着的是一位证明了爱因斯坦错了，一位在望远镜的水平尚无法检测出星系逃离的年代就高瞻远瞩地预言了宇宙在膨胀的人。勒迈特被邀请到世界各地去演讲，他获得了众多的国际奖项——他确实有资格享受宣称自己是一名著名的比利时人这一难得的荣誉。他的人气、魅力和标志性的地位部分来自于他作为一个牧师和一个物理学家的双重身份。全程参加了1933年帕萨迪纳会议的《纽约时报》记者邓肯·艾克曼写道：“他的观点有趣而重要，不是因为他是一名天主教神父，也不是因为他是我们这个时代的领军数学物理学家之一，而是因为他两者兼顾。”

图65　1933年，阿尔伯特·爱因斯坦和乔治·勒迈特在帕萨迪纳出席关于哈勃的观测结果和宇宙的大爆炸模型的研讨会。

像伽利略一样，勒迈特相信上帝保佑那些具有探索精神的人，他会珍爱地看待科学的宇宙观。与此同时，勒迈特对他的物理学研究和他的宗教信仰保持严格的区分，他宣称他的宗教信仰确实不是他研究宇宙学的动因。“数以百计的专业和业余科学家实际上相信圣经，却假装教授科学，”他说，“这是一个很好的协议，就像假设二项式定理必须是权威的宗教教条。”

然而，一些科学家仍然认为神学对这位神父的宇宙观有负面影响。这些反宗教人士抱怨道，他的万物创生于原始原子的理论不过是对存在伟大的造物主的一种伪科学证明，是现代版的《创世记》。为了削弱勒迈特的地位，这些批评者不断强调大爆炸假说的一个严重缺陷，即其对宇宙年龄的估计。根据哈勃的观测，距离和速度测量意味着宇宙不到20亿岁。鉴于现代地质研究已经估计出一些地球上的岩石的年龄为34亿年，因此两者之间至少有14亿年的尴尬的年龄差距。大爆炸模型似乎意味着地球比宇宙更古老。

在大爆炸的批评者们看来，勒迈特模型的根本问题在于认为宇宙有一个有限的年龄。而他们认为宇宙是永恒不变的，因此大爆炸模型是无稽之谈。这在当时仍然是权威的观点。

然而，权威也不能只坐在背后攻击大爆炸——他们也得依据他们偏爱的稳恒态宇宙模型来解释最新的观测结果。哈勃的观测清楚地表明，星系有红移，在退行，所以大爆炸的批评者必须证明这些事实并不一定意味着在过去存在创生的那一刻。

牛津大学的天体物理学家亚瑟·米尔恩是第一批想出另一种与稳恒态宇宙相容的方式来解释哈勃定律的人中的一位。在他的号称“运动相对论”的理论中，星系有着广泛的速度，有些在空间中移动缓慢，有些移动得很快。米尔恩认为，越遥远的星系运动的越快这是很自然的，正如哈勃观察到的那样。因为正是由于它们有这么快的速度，它们才能飞出这么远。按照米尔恩的观点，星系以正比于其距离的速度退行并不是原始原子爆炸的结果，而是随机运动的实体无阻碍地自由运动的自然表现。这种解释无懈可击，而且它还鼓励其他天文学家们在稳恒态宇宙框架下去创造性地思考哈勃红移问题。

图66　弗里茨·兹威基，光疲劳的缺陷理论的发明者，这个理论试图解释哈勃观测到的星系红移。

对大爆炸宇宙模型予以最猛烈批评的是保加利亚出生的弗里茨·兹威基。他以偏心和顽固而著称于宇宙学界。1925年，他应诺贝尔奖得主罗伯特·密立根的邀请到访加州理工学院和威尔逊山天文台。但兹威基日后却以怨报德，在某个场合下公然宣称密立根一生中就没出个什么好主意。他的同事个个都是他污蔑的目标，其中许多人成为他最喜欢用的侮辱性用词——“混球”——的指称对象。就是说你像一个球体一样从各个方向看上去都一样，一个混球就是一个混蛋，不管你怎么看。

兹威基研究了哈勃的数据，质疑是不是所有的星系都在移动。他对星系红移的解释是基于这样一个公认的概念：行星或恒星辐射出任何东西都会失去能量。举例来说，如果你把一块石头扔到空中，它带着能量和速度离开地球表面，但致密地球的引力会降低石头的动能，减缓其速度直到速度为零，于是石头落回地球。同样，逃出星系的光的能量也会受到星系引力的侵蚀。光不可能慢下来，因为光速是恒定的，所以能量损失表现为光的波长增加，使它显得更红了。换句话说，这便是对哈勃的红移观测的另一种可能的解释，它不涉及宇宙膨胀。

兹威基的星系红移是引力抽取掉光的能量的说法称为光疲劳理论。这一理论的主要问题是它得不到已知物理定律的支持。计算表明，引力是会对光产生一定影响，导致红移，但这种效应仅在很低水平，显然不足以解释哈勃的观测结果。兹威基则通过指责观察结果来反驳，声称这些结果可能被夸大了。事实上，他甚至怀疑哈勃和赫马森的诚信，暗示他们的团队可能滥用他们的特权控制了世界上最好的望远镜。兹威基声称：“他们的年轻助手中拍马屁者因此有机会修改他们的观测数据，来掩饰他们的缺点。”

虽然这种直言不讳的行为肯定会使许多科学家对兹威基感到反感，仍然有一些人加入了他的光疲劳兵团。甚至他的显然错误的物理都没使他们掉头，因为兹威基在研究上有一项无可挑剔的良好记录。事实上，在他的职业生涯中，他曾在超新星和中子星等领域做出过开创性的工作。他甚至预言了暗物质的存在。暗物质是一种神秘的不可见的实体，最初提出时受到嘲笑，但如今已被广泛接受为一种真实的存在。光疲劳理论似乎同样可笑，但也许它同样会被证明是正确的。

然而，“大爆炸”的支持者完全拒绝“疲劳”的概念。他们认为，它充其量也只能说明观测到的一小部分红移。作为大爆炸阵营的代表，亚瑟·爱丁顿这样总结了他认为的兹威基理论的错处：“光很奇怪——甚至比我们20年前能想象的更奇怪——但如果奇怪得离谱我还是会感到惊讶。”换句话说，爱因斯坦的相对论已经改变了我们对光的理解，但在解释哈勃红移的问题上并没有为光疲劳理论留下空间。

虽然爱丁顿攻击兹威基的光疲劳理论，赞同勒迈特的原始论文，但他仍然对宇宙的起源问题保持了一种相对开放的心态。爱丁顿认为，勒迈特的思想很重要，值得更广泛的受众了解，这就是为什么他会向专业期刊推荐这一学说，并帮助翻译这位比利时人的工作，但他并不完全信服整个宇宙突然诞生于原始原子衰变的思想：“从哲学上说，我讨厌这种自然当前的秩序有一个开端的思想。我想找到问题真正的结症所在……作为一名科学家，我不可能就这么轻易相信宇宙始于一声巨响……它没法让我信服。”爱丁顿认为，勒迈特的创生模型是一种“太过缺乏美感的突变”。

最后，爱丁顿提出了他自己的勒迈特模型的变种。他认为当前的宇宙源于一个袖珍宇宙，而不是勒迈特的原始原子。然后，宇宙不是突然膨胀，而是非常缓慢地膨胀，最终加速到我们今天看到的膨胀水平。勒迈特的膨胀就像一颗炸弹的突然猛烈爆炸；而爱丁顿的膨胀则更像是雪崩的逐渐累积过程。一座覆盖着积雪的山可能会稳定很多个月。然后一阵淡淡的轻风使得雪花变身为冰晶体，它倾覆在另一个冰晶体之上，这些冰晶体就这么在微风下滚动着先是形成雪团然后又慢慢变成了一个小雪球，它的重量越来越大，将更多的冰雪卷积进来形成斜坡面，直到雪片开始崩塌，于是一场雪崩便不可避免了。

爱丁顿解释了他为什么更倾向于自己的渐进模型而不是大爆炸：“将世界看成是由原始的不稳定平衡下的均匀分布缓慢地进化而来，这至少在哲学上是令人满意的。”

爱丁顿还声称，凭借某种值得商榷的逻辑，他的版本可以解释有生于无的某种东西。他的思路始于这样一个前提，宇宙永远是存在的，如果我们在时间上回到足够早，我们就会发现一个完全均匀、致密的宇宙，它本身作为一种存在是永恒的。其次，爱丁顿认为，这样的宇宙就相当于无：“在我看来，在哲学上不可分辨的相同与虚无之间是无法区分的。”宇宙中可以想象的最微小的波动——相当于雪崩所起始的雪花——将破坏宇宙的对称性并引发一系列导致我们今天所看到的充分膨胀的事件。

1933年，爱丁顿写了一篇科普读物《膨胀的宇宙》，它的目的是要在区区126页中解释宇宙学中的最新想法。他将广义相对论、哈勃的观测结果、勒迈特的原始原子和他自己的思想全都囊括在内，通篇充满创意。例如，鉴于所有星系都在逃离，爱丁顿敦促天文学家乘星系距离还不太远，还能看得到，赶紧加速建造更好的望远镜。在另一个戏谑之处，爱丁顿把对哈勃的观测结果的理解翻了个个儿：“所有的变化都是相对的。宇宙的膨胀是相对于我们共同的物质标准。反过来，我们的物质标准相对于宇宙的大小在缩小。因此’膨胀的宇宙’理论也可以称为’收缩的原子’理论……谁能说膨胀的宇宙就不是我们的以我为中心的世界观的另一个例子呢？宇宙应该是一种标准，我们应当用它来衡量自己的兴衰。”

以一种更为严肃的方式，爱丁顿给出了对大爆炸模型的诚实的总结。他指出，对于是否存在创生的时刻，确实有很多有利的重要理论解释和有说服力的观测证据，但在大爆炸模型能够被广泛接受之前仍有大量的工作要做。他称哈勃的红移“太过纤薄，还支撑不住深远的结论”。证明的责任显然落在大爆炸模型的支持者肩上，他鼓励他们寻求更多的证据来巩固他们的立场。

虽然科学界保守的权威们仍坚持其传统的永恒的、基本上是静态的宇宙观，但大爆炸的支持者们已准备好投入战斗，这种士气在某种程度上是源于现在他们在与保守派论战时处于一种成熟的位置。宇宙学不再由神话、宗教和教条所主导，也明显摆脱了个人偏好和个性力量的影响，因为20世纪的功能强大的望远镜所提供的观测结果已能够有力地支持一种理论并摧毁另一种理论。

爱丁顿本人对某种版本的大爆炸模型终将取得胜利这一点是乐观的。在他的书的结尾，他制作了一幅简明而引人注目的图像来说明20世纪30年代初大爆炸模型的状态：

我们在多大程度上相信这个故事？科学有其自己的展厅和车间。今天的公众，我确实认为，还不足以在这间陈列测试产品的展厅里徜徉；他们需要去车间看看那里正在加工什么。欢迎你进来，但请你不要按照你在陈列室所看到的物件的标准来判断。我们已经在科学大厦的地下室里转过了一个车间。那里光线很暗，有时我们会跌倒。关于我们的种种传闻令人糊涂且混乱，这种局面我们还没有时间去扫除。工人和机器都还笼罩在一片黑暗中。但我认为这里的有些东西已经成形——也许显得有点大。我不太清楚当它完成并打磨后在陈列室里会是什么样子。

从宇宙模型到原子模型

为了使大爆炸模型被接受，有一个看似无害的问题不能被忽视：为什么有些物质比其他物质更常见？如果我们看地球，我们发现地心是由铁组成的，地壳则主要由氧、硅、铝和铁占主导，海洋主要是由氢和氧（即水）构成，大气主要是氮和氧。如果我们跑得稍远一点，那么我们会发现，这种分布在宇宙的尺度上并不是典型性的。通过利用光谱学研究星光，天文学家们意识到，氢是宇宙中最丰富的元素。这个结论已被编成一首著名的摇篮曲：

一闪一闪小星星，究竟何物现奇景；

通过光谱显微镜，知原来你是氢；

一闪一闪小星星，究竟何物现奇景。

宇宙中下一个最丰富的元素是氦。氢和氦在宇宙中占到绝大多数。这两种元素也是最小和最轻的元素，因此天文学家们面临这样一个事实，即宇宙主要是由小的原子而不是由大的原子构成的。这种不平衡的程度在以下的元素在宇宙中的丰度按原子序数的列表可以看得更清楚。这些值是基于当前的测量值，它们与20世纪30年代的估计值相去不远：

换句话说，氢和氦约占宇宙中所有原子的99.9%。这两种最轻的元素是极其丰富的，而接下来的轻的或中等重量的一批原子则不太常见，最后，像金和铂这样的重原子则更加罕见。

科学家们开始奇怪为什么轻元素和重元素的宇宙丰度之间会有这么大的差异。永恒宇宙模型的支持者无法给出一个明确的答案；他们的退路是宇宙一直就是这样包含着目前这种比例的元素，而且永远不变。丰度的范围简单来说就是宇宙的固有属性。这是一个令人非常不满意的答案，但它有一定的自洽性。

然而，丰度的神秘性对于大爆炸的支持者来说则带来了更多的问题。如果宇宙从创生的那一刻起就开始进化，那么为什么它会进化出这样一种氢和氦，而不是黄金和白金的方式？是什么机制造成创生过程优先创造轻元素而不是重元素？无论是什么解释，大爆炸的支持者都必须找出它，并表明它与大爆炸模型是兼容的。任何合理的宇宙理论都必须准确地解释宇宙是如何形成的，否则就将被认为是失败。

解决这个问题需要采用一种完全不同于先前的宇宙研究方法。在过去，宇宙学家都将注意力集中在尺度非常大的事物上。例如，他们用广义相对论来研究宇宙，这个理论描述的是巨大的天体之间的引力作用。他们用巨型望远镜去观测非常遥远的巨大星系。但是，要解决宇宙丰度的问题，科学家们需要新的理论和新的设备来描述和探测非常非常小的对象。

在开始讲述大爆炸的这部分故事之前，我们需要先对原子的现代研究历史做一个简短的回顾。本节的余下部分讲述那些为原子物理学奠定了基础的物理学家们的故事。他们的工作能使大爆炸的支持者们来探讨宇宙中充满氢和氦的原因。

当代对原子的理解始于化学家和物理学家们对放射性现象的浓厚兴趣。放射性这一现象是在1896年被发现的。很明显，一些最重的原子，如铀，是有放射性的，这意味着它们能够以辐射形式自发地放出大量的能量。有一段时间，没有人能理解这种辐射到底是什么或是由什么造成的。

玛丽和皮埃尔·居里夫妇当时站在了放射性研究的前沿。他们发现了新的放射性元素，包括镭，它比铀的放射性要强100万倍。镭的放射性排放最终被它周围的物质所吸收，能量被转换成热能。事实上，1千克镭产生的能量足以在半小时内烧开1公升的水，更令人印象深刻的是，放射性的持续几乎有增无减——1千克镭每30分钟烧开1公升新鲜的水这种行为可以持续1000年。虽然比起炸药，镭释放能量的速度很慢，但它最终释放出的能量是同等重量的炸药的100万倍。

多年来，没有人完全理解放射性所带来的危险，大家以天真乐观的态度来看待像镭这样的物质。美国镭公司的萨宾·冯·佐赫茨基甚至预言，镭会被用作民用电源：“在你自己的房子里完全用镭来照明的时代无疑即将到来。漆在墙壁和天花板上的镭所发出的光，在色调上就像柔和的月光。”

居里夫妇都遭受到辐射损伤，但他们仍不遗余力地进行这项研究。经过多年与镭的接触，他们的笔记本变得带有很强的放射性，以至于今天它们仍必须存储在一个铅盒内。玛丽的双手经常沾满镭的尘埃，以至于她的手指在笔记本的纸上留下了看不见的放射性痕迹，笔记本夹着的照相胶片可以真实记录下她的指纹。玛丽最终死于白血病。

居里夫妇在他们狭小的巴黎实验室里以巨大的牺牲为代价，在许多方面让我们看清了在理解原子内部构造方面的巨大欠缺。科学家们似乎感到他们的知识倒退回去了——仅仅在几十年前，他们就声称要充分利用元素周期表来理解物质的这一建筑砖块。1869年，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫绘制了一张列出了从氢到铀的所有已知元素的图表。通过将周期表中不同元素的原子以不同的比例化合，就能够形成分子，并能够解释太阳之下、太阳之内和太阳之外的每一种物质。例如，两个氢原子和一个氧原子结合成一个水分子H2O，这仍是正确的，但居里夫妇表明，某些原子体内有强大的能量源，而元素周期表无法解释这一现象。没有人对原子深层次内到底发生了什么有可靠的线索。19世纪的科学家把原子想象为简单的球体，但要解释放射性，原子就必须有更复杂的结构。

图67　元素周期表显示了所有化学元素——物质的基本单元。它们原本可以从最轻的到最重的排列成一行（1氢，2氦，3锂，4铍，等等），但这种表格式排列则显示得更为清楚。元素周期表将具有公共属性的元素放在一组。例如，最靠右边的列包含了所谓的惰性气体（氦，氖等），这些元素的原子很少与其他原子反应形成分子。不论周期表在帮助我们理解元素间相互反应时起着什么作用，它确实没有提供了解放射性的原因的任何线索。

被吸引到这个问题上来的一位物理学家是新西兰人——欧内斯特·卢瑟福。他备受他的同事和学生们的喜爱，但他也以粗暴专制而著称。他很容易发脾气，而且表现傲慢。例如，根据卢瑟福的观点，物理学是唯一重要的科学。他相信这门学科能够提供对宇宙的深刻和有意义的理解，而所有其他科学的全副精力只是用于单纯的测量和编目。他曾说过：“所有的科学要么是物理学要么就是集邮。”结果事与愿违，这种狭隘的评论使得诺贝尔奖委员会在1908年只是授予他化学奖。

图68　这是卢瑟福在三十出头时拍摄的肖像。他很瞧不起化学家，而这在物理学家中并不少见。例如，当诺贝尔奖获得者物理学家沃尔夫冈·泡利的妻子离开他嫁给一个化学家后他很生气：“如果她找了一个斗牛士的话，我会理解，但一个普通的化学家……”

第二张照片显示的是一个更加成熟的卢瑟福与他的同事约翰·拉特克利夫在卡文迪什实验室。他们头上的标语“请小声说话”就是专门针对卢瑟福的，他喜欢可着嗓子唱“前进！基督徒的士兵们”这支歌，弄得实验室的敏感设备无法正常工作。

在20世纪初卢瑟福走上研究道路时，原子图像仅比19世纪人们想象的那种简单的、无结构的球稍许复杂一些。当时原子被认为含有两种成分：带正电荷的物质和带负电荷的物质。相反电荷的吸引就是为什么这些物质会被束缚在原子内的原因。后来，1904年，杰出剑桥物理学家J.J.汤姆孙提出了一种被称为葡萄干布丁的模型。在这个模型下，原子由一系列带负电的粒子镶嵌在一个带正电的生面团状的材料中组成，如图69所示。

图69　这个截面展示了约瑟夫·汤姆孙的葡萄干布丁原子模型。其中每个原子都是由一系列带负电的粒子（葡萄干）镶嵌在一个带正电的生面团状的材料（布丁）中组成。轻的氢原子的一小团带正电的面团里只嵌有一个负电性的粒子，而重的金原子的带正电的面团较大，其中会嵌入许多带负电的粒子。

放射性的一种形式是α辐射。这种辐射似乎是由带正电荷的粒子组成，这种粒子被称为α粒子。人们推测，这种现象可以用原子吐出一块带正电荷的面团来解释。为了检验这一假设以及整个葡萄干布丁模型，卢瑟福决定用一组原子发射出的α粒子去打另一组原子，看看会发生什么。换句话说，他想用α粒子来探测原子。

1909年，卢瑟福让他的两位年轻的物理学家——汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登——来进行这项实验。盖革后来因发明了辐射探测器——盖革计数器——而名满天下，但眼下，两人只好用最原始的设备凑合着做。检测α粒子是否存在的唯一方法是在α粒子可能的飞行路径上放置一块涂有硫化锌的屏幕。当α粒子打到硫化锌上时，屏幕会发出微弱的闪光。为了看清楚这种闪光，盖革和马斯登需要事先花30分钟时间进行暗适应。即使这样，他们仍然必须通过显微镜来观察硫化锌屏幕。

实验的关键部分是镭的样品，它向所有方向放射出α粒子。盖革和马斯登用开有狭缝的铅屏蔽材料来包裹镭，使之变成可控制的α粒子束。接下来，他们在α粒子出束的路径上放置一片金箔片，如图70所示，看看α粒子打在金原子上会发生什么事情。

α粒子带正电荷，而原子是负电荷和正电荷的混合。同种电荷相斥，异种电荷相吸。因此盖革和马斯登希望α粒子和金原子之间的相互作用能够透露一些关于金原子内部的电荷分布信息。例如，如果金原子确实是由负电荷均匀散布在正电荷面团内这种结构构成的，那么α粒子就应仅有略微的偏转，因为它们遇到的是均匀分布的正负电荷的混合。果然，当盖革和马斯登在金箔的另一侧放置了硫化锌屏幕，让它正对着镭样品时，他们检测到的仅是对α粒子路径方向的最小的偏转。

随后卢瑟福要求将探测器移动到金箔和镭源的同一侧，这“纯粹是为了好玩而已”。当时的想法只是想看看α粒子是否有可能被金箔反弹。如果汤姆孙模型是正确的，那么应该什么都检测不到，因为他的葡萄干布丁模型将原子内的电荷混合在一起，应该对入射的α粒子没有如此剧烈的影响。然而，盖革和马斯登被他们所看到的结果惊呆了。他们确实检测到明显是被金原子弹回的α粒子。虽然每8000例中只有1例α粒子被弹回，但这已超出汤姆孙模型所预言的范围。实验结果似乎与葡萄干布丁模型相矛盾。

在门外汉看来，这似乎只是产生了意想不到的奇怪结果的一次实验。但对于对原子结构有深刻认识的卢瑟福来说，这个结果令人极度震惊：“这是我一生中从未遇到过的最不可思议的事件。这就像你向一块纸巾发射一颗15英寸的子弹，结果它折回头来打到你身上一样的不可思议。”

这个结果在葡萄干布丁原子的背景下似乎是不可能的。因此，这一实验迫使卢瑟福不得不放弃汤姆孙模型，并构建一种全新的原子模型，它应能够说明α粒子的回弹。他反复揣摩这个问题，最终想出了一种似乎说得通的原子结构。卢瑟福提供的这种原子表示的大部分内容即使到今天仍然有效。

图70　欧内斯特·卢瑟福让他的两位同事，汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登，用α粒子来研究原子结构。他们的实验用镭样品做α粒子源。包裹镭样品的铅屏蔽罩开有狭缝，使α粒子束出射打到金箔上，探测α粒子的探测器可在金箔周围移动以便检测α粒子的偏转方向。

大部分α粒子以很小的偏转甚至不偏转直接穿过金箔打在位置A的探测器上。如果汤姆孙的葡萄干布丁模型是正确的，那么这个结果是可以预料的，因为这个模型想象负电荷粒子是均匀镶嵌在正电荷的面团里的。

然而，在某些情形下，α粒子以一种非常令人奇怪的方式弹回，并被位于位置B的探测器拾取。这些事实启发卢瑟福提出了新的原子模型。

卢瑟福模型将全部正电荷集中在称为质子的粒子上，它位于原子的中心，这个区域被称为原子核。带负电荷的粒子，所谓电子，围绕核做轨道运动，并因其所带的负电荷与原子核内的正电荷之间的吸引力而被束缚在原子上，如图71所示。这个模型有时被称为原子的行星模型，因为绕核做轨道运动的电子就如同绕太阳做轨道运动的行星一样。电子和质子具有相等且相反的电荷，并且每个原子都包含数目相同的电子和质子，所以卢瑟福原子的总电荷为零，就是说它是电中性的。

图71　卢瑟福的原子模型有一个位于中心的由带正电荷的质子构成的核，带负电荷的电子在核外作轨道运行。这些图未按比例绘制，因为核的直径大约是原子直径的十万分之一。质子数等于电子数，并且这个原子序数对于特定元素的所有原子都相同，它也确定该元素在周期表（图67）中的位置。氢原子具有1个电子和1个质子，氦原子具有2个电子和2个质子，锂原子有3个电子和3个质子，等等。

核内中子的数量可以不同，但只要质子的数量保持不变，它就仍然被认为是相同化学元素的原子。例如，大多数氢原子没有中子，但有一些氢原子有1个中子，被称为氘，而含有2个中子的被称为氚。正氢、氘和氚都是氢的同位素。

质子和电子的数目至关重要，因为它定义了原子的种类，在元素周期表中出现在每个原子旁边的也正是这个数字（图67，原书第287页）。氢的原子序数是1，因为它的原子有1个电子和1个质子；氦的原子序数是2，因为它的原子有2个电子和2个质子；等等。

卢瑟福怀疑核内还含有一种不带电的粒子，他的这一想法后来被证明是正确的：中子具有与质子几乎相同的质量，但它不带电荷。正如图71所说明的那样，核内的中子数量可以改变，但只要原子中的质子数目保持不变，那么它就仍然是同类元素的原子。例如，大多数的氢原子没有中子，但是有些氢原子有1个或2个中子，它们分别被称为氘和氚。普通氢、氘和氚都是氢的形式，因为它们都包含1个质子和1个电子，它们被称为氢的同位素。

虽然原子体积上的变化取决于它所具有的质子、中子和电子的数量，但它们的直径通常小于1米的10亿分之一。然而，卢瑟福的散射实验表明，原子核的直径还要将原子的直径除以10万。从体积上说，原子核只占整个原子的（1/100000）3或0.0000000000001%。

这个图像具有非凡的意义：原子，这种构成我们周围世界实实在在可感知的万事万物的基本要素，是由几乎完全空的空间组成的。如果将单个氢原子扩大到一座音乐厅（例如伦敦的皇家阿尔伯特音乐厅）那么大，那么在金色大厅的广阔空虚之中，原子核的大小将只有跳蚤这么点大，而更小的电子则蜷缩在大厅某处的角落里。此外，质子和中子每一个的重量都几乎是电子的2000多倍，而质子和中子则是驻留在无穷小的核内，因此一个原子至少有99.95%的质量是被挤压在其体积的0.0000000000001%的空间里。

这个修改的原子模型为卢瑟福的实验结果提供了一个完美的解释。由于原子的大部分空间是空的，因此绝大多数α粒子会穿过金箔，只发生轻微的偏转。然而，一小部分带正电荷的α粒子会迎面碰撞上带正电荷的原子核，从而引起剧烈反弹。图72演示了这两种相互作用形式。最初，卢瑟福的实验结果让人感到是根本不可能的，但有了这个修改的模型后一切都显得十分显然。卢瑟福曾经说过：“所有的物理学结果，要么是不可能的，要么是微不足道的。一切不可能的结果，一旦你理解它之后，就变成微不足道了。”

图72　盖革和马斯登的实验的结果表明，一小部分α粒子撞到金箔上后被反弹回来。这使得汤姆孙的葡萄干布丁模型失去意义。

图（a）表示金箔由葡萄干布丁模型原子构成。带正电的面团里均匀撒布着带负电的布丁粒子，这种非常均匀的电荷分布使入射的α粒子几乎不偏转。

图（b）所示的金箔由卢瑟福的原子构成，它能够解释α粒子的反弹。在这种模型下，正电荷被集中在位于中心的核上。大多数α粒子仍不偏转，因为原子中的大部分空间是空的。然而，如果α粒子撞击到浓缩着正电荷的原子核上，它就会被相当显著地偏转。

只有一个问题依然存在：卢瑟福的中子的存在性依然缺少证据，中子被认为与质子一样都位于原子核内。原子拼图中这一失踪的拼块很难探测，因为它是电中性的，不像带正电的质子和带负电的电子那么容易检测。詹姆斯·查德威克，卢瑟福的门徒之一，着手证明它的存在。他对于核物理学这门全新的学科是如此痴迷，以至于在第一次世界大战期间作为德国战俘的四年里依然在继续研究。他知道某种品牌的牙膏里含有放射性的钍——为的是让牙齿闪亮发光——他设法从看守那里弄来一些这种牌子的牙膏，以便用它进行实验。查德威克的牙膏实验并没有取得太大的进步，但在战后，他回到了他的实验室，又埋头苦干了10年，最终在1932年发现了原子的这种缺失的成分。事实上，查德威克就是在图68中开着的门的左边的那间实验室里发现中子的。

有了对原子结构及其成分的正确认识，物理学家们终于能够解释皮埃尔和玛丽·居里夫妇所研究的放射性的根本原因了。每个原子核都由一个个的质子和中子组成，并且这些成分可以发生交换，使一种核转变成另一种核，从而使一种原子转化成另一种原子。这正是放射性这种现象背后的机制。

例如，像镭这样的重原子的核是非常大的。事实上，居里夫妇研究的镭原子核包含88个质子和138个中子，这么大的核通常是不稳定的，因此很容易衰变成较小的核。就镭的情形而言，镭核以α粒子的形式（它恰好也是氦原子的核）吐出1对质子和1对中子，其本身因此转化成一个由86个质子和136个中子组成的氡核，如图73所示。这种大核分裂成较小的核的过程称为核裂变。

尽管我们通常谈到核反应总是联想到非常重的核，但核反应也可能是指非常轻的核，如氢核。氢核和中子可以通过一种被称为核聚变的过程合并在一起转化为氦核。氢是相当稳定的，所以这个过程不会自发地发生，但在适当的高温和压强条件下，氢将聚变成氦。氢之所以聚变成氦是因为氦比氢更稳定，原子核总有一种寻求最大可能的稳定性的趋势。

图73　镭有多种同位素，但最常见的是一种被称为镭226的特定的核，因为它有88个质子和138个中子，总共226个粒子。镭核大，因此非常不稳定，这使它通过裂变，以α粒子的形式放射出2个中子和2个质子，自身转化到较小的氡核，后者本身也相当不稳定。

在一般情况下，最稳定的原子是处于周期表中间位置的那些原子，如铁。这些原子还有个特点，就是它们的原子核中质子和中子的数量也处于中等。因此，虽然质量非常大的原子核会发生裂变，质量最小的原子核会发生聚变，但绝大多数中等质量的核则几乎从不发生任何种类的核反应。

虽然这解释了核反应是如何进行的，以及为什么镭具有放射性（而铁不是），但它并没有解释为什么当镭发生裂变时居里夫妇会检测到如此巨大的能量。核反应因其释放能量而著称，但这些能量是从何而来的？

答案在于爱因斯坦的狭义相对论，这方面具体内容我们在第2章里没有涉及。爱因斯坦不仅分析了光速，认识到它对空间和时间的影响，而且还推导出物理学里最著名的方程，即E=mc2。这个公式从本质上表明，能量（E）和质量（m）是等价的，并且可以相互转化，转换因子即c2，其中c是光速。光速为3×108m/s，因此c2为9×1016（m/s）2，这意味着一点点质量就可以转化成巨大的能量。

而且事实上，核反应所释放的能量直接来源于微量质量向能量的转换。当一个镭核转化为氡核和α粒子时，产物的总质量小于镭原子核的质量。质量损失仅为0.0023%，所以1千克的镭将被转换成0.999977千克氡和α粒子。虽然质量损失很微小，但转换因子（c2）巨大，因此丢失的这0.000023千克质量被变换成多于2×1012焦耳的能量，这个能量相当于超过400吨的TNT所释放的能量。聚变反应也以完全相同的方式释放能量，所不同的是所释放的能量的量通常要更大。氢聚变炸弹比钚裂变炸弹更具有毁灭性。

本章要讨论的天文学或宇宙学已经好久没提起了，但我们应理解，介绍原子物理和核物理领域的突破非常重要，因为它们注定要在大爆炸模型的检验中发挥至关重要的作用。卢瑟福的原子有核模型以及由此出现的对核反应（裂变和聚变）的理解，为天上的研究开辟了一种新的途径。在我们回到本章主题之前，我们先在这里给出对核物理的关键要点的概括：

1.原子由电子、质子和中子组成。

2.质子和中子占据原子的中心，即构成原子核。

3.电子绕原子核做轨道运动。

4.大质量原子核往往是不稳定的，会发生分裂（核裂变）。

5.小的核较稳定，但可以发生合并（核聚变）。

6.裂变/聚变后的核的质量要比最初的核的质量小。

7.由E=mc2知，这种质量的减少导致能量的释放。

8.中等质量的核是最稳定的，很少发生核反应。

9.即使是非常轻或非常重的原子核，要进行聚变或裂变反应，也需要高能量和高压强条件。

将核物理学的这些法则与天文学联系起来的首批科学家里，有一位叫弗里茨·豪特曼斯的有勇气且有原则的物理学家，向来以魅力和机智著称。他可能是唯一的一位其笑话被编纂成40页的小册子出版的物理学家。豪特曼斯的母亲有一半的犹太血统，他有时用这样的话来回敬反犹言论：“当你的祖先还住在树上时，我的祖先已经会伪造支票了。”

豪特曼斯于1903年出生在佐波特（Zoppot），一个靠近当时德国丹泽（现今波兰的格但斯克）的波罗的海港口的地方。后来他的父母搬到维也纳，豪特曼斯在那里度过了童年。1920年，他从那里回到德国，在格丁根学习物理学，并在此获得了一个研究员的职位。通过与英国科学家罗伯特·德埃斯库特·阿特金森一起工作，他开始迷上了这样一个概念：核物理可以用来解释太阳和其他恒星是如何燃烧的。

众所周知，太阳主要是由氢和部分的氦组成的，因此人们很自然地假定，太阳产生的能量是氢聚变成氦的核反应的结果。当时还没有人在地球上观察到核聚变，因此对这种机制的细节并不清楚。但业已知晓，如果氢可以在某种程度上转化成氦，将有0.7%的质量损失：1千克的氢以某种方式被聚变成0.993千克氦时，将有0.007千克的质量损失。同样，看上去这个质量损失很小，但爱因斯坦的质能关系式E=mc2告诉我们，这一看似微小的质量损失甚至能够产生数量巨大的能量：

能量=mc2=质量×（光速）2=0.007×（3×108）2=6.3×1014焦耳所以，从理论上讲，1千克的氢可以聚变成0.993千克的氦并产生6.3×1014焦耳的能量，它等于燃烧100000吨煤所产生的能量。

困扰豪特曼斯的主要问题是，太阳上的条件是否足以引发聚变。前面我们提到，聚变反应不可能自发发生，需要高温和高压。这是因为它们需要输入初始能量来触发核反应。在两个氢核聚变的情形下，这种初始能量对于克服初始的静电斥力是必要的。氢核是带正电荷的质子，所以它会排斥另一个带正电荷的氢核，因为同种电荷相斥。但是，如果质子能得以足够接近对方，那么吸引性的所谓强作用核力就将起作用，它将压倒静电斥力，并使两个氢核安全地绑定在一起形成氦核。

豪特曼斯计算出这个临界距离为10-15米，即1毫米的一万亿分之一。如果两个相互接近的氢核能够接近对方到这个距离，那么聚变就将发生。豪特曼斯和阿特金森都深信，太阳内部深处的压力和温度都大到足以迫使氢核接近到这个10-15米的临界距离的范围内，这将导致聚变，而释放出的能量则用来维持温度，并促使进一步聚变。1929年，他们在德文期刊《物理学杂志》上发表了他们关于恒星上的聚变的这一想法。

豪特曼斯确信，他和阿特金森正行进在正确解释为什么星星会发光的道路上，他对他的这项研究感到非常自豪，以至于不禁向他约会的女孩夏洛特·里芬斯塔尔夸耀他的这项工作。后来他回忆起他完成了关于恒星聚变的研究论文后那个晚上所发生的交谈内容：

那天晚上，我们完成论文之后，我便去与一个漂亮的姑娘约会散步。天渐渐地黑了下来，星星出来了，一个接一个，个个都闪耀着光辉。“它们是不是闪得很漂亮？”我的同伴叫道。但我只是挺了挺胸，自豪地说：“从昨天开始我已经知道它们为什么会闪光。”

夏洛特·里芬斯塔尔显然对此印象深刻。后来她嫁给了他。然而，豪特曼斯只发展了部分恒星聚变理论。即使在太阳上2个氢核可以聚变成1个氦核，它也只能是氦的一种很轻且不稳定的同位素——稳定的氦核还需要向核内添加2个中子。豪特曼斯相信存在中子，它也确实在太阳中存在，但在1929年他和阿特金森发表他们的论文时，它还没有被发现。因此豪特曼斯对中子的各种属性大体上是无知的，他无法完成他的计算。

当1932年中子最终被查德威克发现后，豪特曼斯正处在填补他的理论细节的理想状态，但政治干扰很快又起。他曾是一名共产党员，因此担心会成为纳粹迫害的受害者。1933年，他逃离德国到了英国，但在那里，不论是文化还是食物都不对他的胃口。他说他无法忍受永远存在的涮羊肉的气味，并称英格兰就是个“腌土豆的邦域”。1934年底，他离开英国前往苏联。据他的传记作者约瑟夫·赫里普罗维奇（Iosif KhripIovich）记载，他的移民主要是受到“理想主义和英式菜肴”的驱使。

在豪特曼斯于20世纪30年代末被拘留期间，其他物理学家拾起他的恒星聚变的思路，并计算了太阳上所发生过程的具体细节。其中对完成豪特曼斯研究贡献最大的当属汉斯·贝特。1933年，贝特因他母亲是犹太人而被他所在的图宾根大学解雇。他先是在英国，后来又去了美国寻找避难所，并最终成为洛斯·阿拉莫斯国家实验室（核弹项目研发基地）理论部门的负责人。

贝特为在太阳的温度和压力环境下可行的氢变氦过程确立了两条核反应路径。一条路径是，标准氢（1个质子）与氘（氢的较稀有、较重的同位素，由1个质子和1个中子组成）反应。这个反应形成的是氦的相对稳定的同位素（含2个质子和1个中子）。接着，两个这样的轻氦核会进一步聚变，形成一个标准的、稳定的氦核，同时释放出2个氢核作为副产品。这一过程如图74所示。

图74　本图显示的是太阳上氢变氦的一种方式。黑色球体表示质子，白色球体表示中子。在反应的第一阶段，标准氢和氘聚变成氦核。氦通常有2个质子和2个中子，但是这种氦同位素有2个质子但只有1个中子。在第二阶段，2个轻氦核再次聚变，形成稳定的氦同位素，同时释放出2个氢核（质子）。这些氢核可以再次形成氦核。理论上说，2个氘核（由1个质子和1个中子组成）可以直接聚变形成稳定的氦核（2个质子和2个中子）。但氘非常稀少，所以前一种较繁复的路径反倒更富有成效。

贝特建议的氢变氦的另一条路径要用到碳核作为捕集氢核的手段。如果太阳含有少量的碳，那么每个碳原子核一次可以捕捉和吞噬一个氢核，变身为更重的核。最终，转化后的碳核会变得不稳定，导致它吐出一个氦核并转回到其本身稳定的碳核，接着这一过程又重新开始。换句话说，碳核在这里充当加工厂，使用氢核为原料来大量生产出氦核。

这两条核反应路径最初都是推测性的，但是其他物理学家检查了方程并确认，反应是可行的。与此同时，天文学家们也更加确信，太阳的内部环境强到足以引发核反应。到20世纪40年代，人们已经很清楚，贝特提出的这两种核反应在太阳上都会发生，并提供维持太阳存在所需的能量。天体物理学家已能够设想太阳究竟是如何每秒钟将5.84亿吨的氢转换为5.8亿吨的氦的，并将由此引起的质量亏损转换成太阳的能源的。尽管这个质量消耗率巨大，但太阳却能够以这种速率持续产能数十亿年，因为它目前仍有大约2×1027吨的氢。

这是在原子物理学与宇宙学之间关系的一个里程碑。核物理学家已经证明，他们可以通过解释恒星如何发光来对天文学做出具体贡献。现在，大爆炸宇宙学家希望核物理学能帮助他们解决一个更大的问题：宇宙是如何演变成目前这个状态的？现在很清楚，恒星可以将如氢这样的简单原子变成如氦这样的稍重的原子，所以核物理也许可以说明大爆炸是如何产生我们今天看到的各种原子的丰度的。

这个阶段为宇宙学新的先锋的到来进行了设定。他将是一位能够将核物理的严格规则运用到宇宙大爆炸这种纯理论领域的科学家。通过实现核物理和宇宙学之间的学科跨越，他将为宇宙的大爆炸模型建立起一套判决性检验。

大爆炸后的前5分钟

乔治·伽莫夫是一个爱交际又特立独行的乌克兰裔科学家，喜欢喝烈性酒，玩纸牌游戏。他1904年出生于敖德萨，从小就表现出对科学的浓厚兴趣。他曾对他父亲送给他的显微镜着迷，并用它来分析圣餐变质[9]的过程。在出席了当地俄罗斯东正教教堂的圣餐仪式后，他拿着一块面包，脸颊上沾着几滴酒迅速跑回家。他将它们放在显微镜下观察，并与他日常享用的面包和酒进行比较。他没找到任何证据表明面包的结构已经转变为基督的身体，他后来写道：“我认为这是一项让我成为科学家的实验。”