你看，有线电报是一种非常非常长的猫。你在纽约拉它的尾巴，他的头在洛杉矶发出叫声。这个你明白吗？无线电的工作方式完全一样：你在这里发出信号，他们在那端收到信号。唯一的区别是没有猫。

——阿尔伯特·爱因斯坦

在科学上听到的最令人激动的一句话，预示着新的发现的那句话，不是“尤里卡！“（我找到了），而是“这很有趣……”。

——艾萨克·阿西莫夫

在一般情况下，我们通过以下过程来寻找一条新的定律。首先是猜测。不要笑，这是最重要的一步。然后你计算其结果。将此结果与经验进行比较。如果与经验不同，那说明你的猜测是错误的。在这看似简单的话里包含着科学的关键。无论你的猜测有多美，你有多聪明，你的名字是什么，如果不同于经验，那就错了。这就是所有的一切。

——理查德·费恩曼

现在主要有两种相互竞争的宇宙学理论。一边是大爆炸模型，它源自爱因斯坦的广义相对论，由勒迈特和弗里德曼提出。这种理论认为宇宙有一个独特的创生时刻，接着是快速膨胀，而哈勃的观察确实证明宇宙在膨胀，星系在后退。不仅如此，伽莫夫和阿尔弗表明，大爆炸模型可以解释氢和氦的丰度。另一边是稳恒态模型，由霍伊尔、戈尔德和邦迪提出，这个模型除了包含物质的连续产生和宇宙膨胀这一要素外，本质上回到了永恒宇宙的保守观点。这种物质产生和宇宙膨胀使得该模型与所有天文观测结果兼容，包括哈勃观测到的退行星系的红移。

竞争性理论之间的科学争论通常发生在大学的咖啡厅或是在学界大佬尽数出席的科学大会上。然而，对于宇宙是永恒的还是创生的这一宇宙学的终极问题的讨论则蔓延到公共领域。这部分原因是受到霍伊尔、伽莫夫和其他宇宙学家借助于各种科普书籍和广播宣传所致。

毫不奇怪，天主教会热衷于通过宇宙学的争论来宣扬它的观点。曾宣布进化生物学不与教会的教义相冲突的教皇庇护十二世，于1951年11月22日在教皇科学院发表一篇题为“鉴于现代自然科学的上帝存在的证明”的演说。特别是，教皇强烈赞同大爆炸模型，他将它看作是对“创世纪”的一个科学解释，是上帝存在的证据：

因此，所有的一切似乎表明，物质宇宙在时间上有一个强有力的开端，它被赋予了巨大的能量储备，凭借它，宇宙起先是迅速膨胀，然后变得越来越慢，最后演变成目前的状态……事实上，当代科学以一步跨越数百万年的步伐回溯既往，似乎已成功地见证了原始的菲亚特大力士在物质从一切皆无迸发出来时所发出的呼喊，先是光和辐射之海，然后是化学元素粒子的分离并形成数百万个星系……因此，存在一个创造者。因此，上帝是存在的！虽然这个证据既不明确也不完整，但这是我们一直在等待的来自科学的回答，而当今人类还将继续等待从它那里得到进一步的答案。

教皇的演说中还具体提到哈勃和他的观察。他的演说成为世界各地的报纸的头条新闻。哈勃的一个朋友，埃尔默·戴维斯，读到这篇演说后，不禁给哈勃写了封信调侃道：“我已经习惯于看到你赢得新的和更高的荣誉，但直到我读了今天上午的报纸，我做梦都没有想到，教皇会屈身向你寻求上帝存在的证明。这应该使你有资格在适当的时候成为圣徒。”

令人惊讶的是，无神论者乔治·伽莫夫则对教皇重视他的研究领域感到非常高兴。在这次演说之后，他给教皇庇护十二世写了封信，送给他一篇关于宇宙学的科普文章和他自己的一本书《宇宙的创生》。他甚至在1952年发表在著名期刊《物理学评论》的一篇文章里调皮地引用教皇的演说词，他明知道这么做会惹恼很多同事，他们急于撇清科学与宗教之间的任何交集。

绝大多数的科学家强烈认为，决定大爆炸模型的有效性与教皇无关，而他的代言不应该用于任何严肃的科学辩论中。事实上，没过多久，教皇的认可就让大爆炸理论的支持者感到难堪。对手稳恒态模型的支持者开始用教皇的演说来嘲弄大爆炸理论。例如，英国物理学家威廉·邦纳认为，大爆炸理论是旨在支持基督教的阴谋的一部分：“（这一理论）背后的动机当然是要把上帝奉为造物主。这似乎是基督教神学自17世纪开始科学将宗教从理性的人们头脑中清除出去以来一直在等待的机会。”

当大爆炸开始与宗教挂上钩后，弗雷德·霍伊尔同样严厉地谴责它是一个建立在犹太-基督教基础上的模型。他的稳恒态模型的合作者托马斯·戈尔德持有与他一样的观点。当戈尔德听说庇护十二世支持大爆炸理论，他的反应简洁而又切中要害：“嗯，教皇还赞同静止的地球呢。”

科学家们一直担心梵蒂冈试图影响科学的进程，历史上，1633年乌尔班八世就曾强迫伽利略放弃科学研究。然而，这种谨慎有时近乎偏执，正如英国诺贝尔奖得主乔治·汤姆孙所说：“要不是很多年前圣经上说过关于上帝创世的事儿，并使它显得很不合时宜，大概每个物理学家都会相信创生说。”

关于宇宙学中神学作用的辩论中最重要的声音也许当属大爆炸模型的共同创立者、教皇科学院的成员乔治·勒迈特的观点。勒迈特的坚定信念是科学研究应当与宗教领域严格分离。具体到他的大爆炸理论，他说：“在我看来，这一理论完全超越任何形而上的或宗教的问题。”勒迈特一直小心翼翼地保持着宇宙学和神学之间的分离。信仰上的坚守使他更清晰地理解这个物质世界，而科学研究则引导他对精神境界更深刻的领悟：“对真理的透彻的追求包括灵魂的探索和光谱研究。”毫不奇怪，他对教皇故意混淆神学和宇宙论的界限感到非常沮丧和恼火。一个学生曾目睹了勒迈特在听了教皇的演讲后回到学院的表现：他“怒气冲冲地走进教室……完全失去了往日的幽默”。

勒迈特决心阻止教皇颁布关于宇宙学的敕令，这部分平息了由此引起的令大爆炸的支持者的尴尬，也避免了教会日后潜在的困境。如果教皇——抓住他对大爆炸模型的热情——打算支持大爆炸研究的科学方法并利用它来支撑天主教，那么如果新的科学发现与圣经的教导相抵触时，这项政策就可能会反弹，反而不利于教会。勒迈特与梵蒂冈天文台台长暨教皇的科学顾问丹尼尔·奥康纳取得了联系，建议他们一起去说服教皇对宇宙学保持安静。教皇出奇地顺从并同意了他的这项要求——大爆炸将不再是教皇宣讲的一个适合的主题。

在西方宇宙学家开始在脱离宗教的影响方面取得一定的成功的同时，东方的那些宇宙论者则还不得不与那些试图影响科学争论的非科学家们进行斗争。

政治家和神学家都用宇宙学来支撑自己的信念，这让霍伊尔感到可笑。正如他在1956年所写的：“这些人判断一种观点’正确’，是因为他们认为它基于’正确’的前提，而不是因为它导致了符合事实的结果。事实上，如果事实不符合这个教条，那么事情就更糟糕了。”

宇宙学家又是如何看待大爆炸与稳恒态的这场辩论的呢？在整个20世纪50年代，科学界因此被分裂。1959年，《科学新闻快报》进行了一项调查，要求33位杰出的天文学家公开他们的立场。结果显示，11位专家支持大爆炸模型，8位支持稳恒态模型，其余14位要么不确定，要么认为这两个模型都是错误的。在代表宇宙的真相方面，两种模型都坚信自己是强有力的竞争者，但双方都没有得到大多数科学家的广泛支持。

缺乏共识的原因是，支持和反对这两种模型的证据都是不确定的，甚至是矛盾的。天文学家们是在技术条件和认识上的理解均非常有限的状况下进行观测的，因此，从这些观测中推断出的“事实”需要高度谨慎地处理。例如，对星系退行速度的每一次测量可以称为一个事实，但评论界对于这个事实难置一词，因为要想理解它牵扯到非常复杂的逻辑和观察链。首先，对退行速度的测量依赖于对星系微弱光线的探测，需要假设这些光线在通过干扰性的空间和地球大气时如何受到或不受影响；其次，必须测量光的波长，并确定发出这种光的星系原子；第三，必须确定谱线的频移，并通过宇宙的多普勒效应将这一频移与退行速度联系起来；最后，天文学家们还必须考虑所有设备及其使用过程——如望远镜、光谱仪、底片甚至显影过程——的固有误差。这是一套非常复杂的逻辑链，天文学家必须对每一个步骤都非常有信心。实际上，在宇宙学里，对星系的退行速度的测量已属于较为确定的事实。其他学科领域的逻辑链更复杂，更让评论界莫衷一是。

在支持或反对大爆炸或稳恒态模型都没有确凿证据的情况下，许多科学家将他们对宇宙模型的偏好建立在直觉或是对那些捍卫对手模型的人的人格尊重的基础上。这种情形在丹尼斯·席艾玛身上表现得尤为突出。他将成为20世纪的最重要的宇宙学家，正是在他的指导下有了斯蒂芬·霍金、罗杰·彭罗斯和马丁·里斯的工作。席艾玛自己曾受到霍伊尔、戈尔德和邦迪的启发，称他们对“像自己这样的年轻人具有令人振奋的影响力。”

席艾玛发现自己也受到各种理论的哲学方面的吸引：“稳恒态理论开创了这样一种令人兴奋的可能性：物理学定律可能确实通过要求宇宙的所有特征都是自我传播的……决定了宇宙的内容。因此，自我传播的要求是一个强有力的新原则，借助于这一新原则，我们第一次看到了回答下述问题的可能性：为什么事情都不像它们被谈论的那么简单？因为它们是自在的。”

后来他发现他偏爱稳恒态胜于大爆炸的另一个原因是：“这似乎明显是唯一的允许生命延续的模式。生命总要在某处延续……即使这个星系老了，死了，总会有新的年轻的星系诞生出来，在那里生命将继续演化。因此，薪火相传永世不绝。我想在我看来这可能是最重要的事情。”

席艾玛选择稳恒态模型的主观原因很大程度上是宇宙学的不确定性和混乱的症状。在20世纪肇始，宇宙学是一个令人满意的学科，一个永恒不变的静态宇宙已深入人心，但20世纪20年代的测量结果和新的理论表明，这一观点显然不能令人满意。不幸的是，两种新出现的替代品没有一个是完全令人信服的。稳恒态宇宙学属于原始的永恒静态的世界观的修订版，但支持它或反对它的观测证据非常少。大爆炸宇宙学是一种更激进和更具颠覆性的宇宙论观点，既有支持它的证据也有反对它的证据。总之，宇宙处在浴火重生的当间儿。或者更专业点说，宇宙学正处在范式转变的过程中。

科学史的传统观点认为，对科学的理解是通过一系列细微变化逐步发展来的，先是公认的理论在几十年间不断得到微调，然后是新理论从旧理论中脱胎而出。这是一种由达尔文的进化论和自然选择原理发展而来的科学发展观。理论发生变异，然后在适者生存的原则下，那些最符合观察结果的理论被采纳。

然而，科学哲学家托马斯·S.库恩认为，这只是故事的一部分。1962年，他写了一本书叫《科学革命的结构》，在其中他将科学进步描述为“平静期不断被智力暴力革命打断的一系列过程”。所谓平静期是指这么一段时期，在此期间理论处于前述的渐变演化阶段。但每隔一段时间，思维就会有重大转变，这种转变被称为范式的转变。

例如，天文学家在几个世纪里一直对宇宙的地球中心说范式修修补补，不断加入本轮和均轮，以使模型与太阳、恒星和行星的观测路径更切合。渐渐地，对行星轨道的预测出现一系列问题，在自然哲学上持保守主义的大多数天文学家选择忽略，坚持尊崇现有的范式。最后，当问题堆积到不能容忍的地步后，如哥白尼、开普勒和伽利略这样的挑战者就会站出来提出一种新的太阳中心说的范式。经过几代人的努力，整个天文学界抛弃了旧的范式，转移到新的范式。此后，一个新的稳定的科学时代开始了，研究模式建立在新的基础和新的范式上。地球中心说不是演变成太阳中心说，而是被后者所取代。从原子的葡萄干布丁模型到卢瑟福的核模型的转换是这种范式转变的另一个例子。从充满以太的宇宙到没有以太的宇宙的转换也是如此。在每一种情况下，新的范式一旦适时闪现，而旧的范式已经完全不可信，那么从一种范式到另一种范式的转移就会发生。转移的速度取决于许多因素，包括支持新范式的证据分量以及旧范式抗拒改变的程度。年长的科学家，在旧范式下付出了太多的时间和精力，通常都是最后接受改变，而年轻的科学家们一般都更喜欢冒险并持开放的态度。只有当老一代人退出了科学生活，年轻一代已成为新的权威，范式的转变才可能完成。旧范式可能已经盛行了几个世纪，因此持续了几十年的转换期还是比较短的。

在宇宙学领域，情况有点不同寻常，作为旧范式的静态的、永恒的宇宙已经被抛弃（因为星系显然不是静态的），但却出现了两个互不相让的新范式：稳恒态模型和大爆炸模型。宇宙学家们希望，这一不确定时期和冲突能通过寻找到无可争议的证据予以结束。这些证据将证明这两种新模型中有一个是正确的。

为了解决我们到底是生活在大爆炸的余波之中还是处于稳恒态之中，天文学家必须将重点放在一系列关键性判据上，它们是确立两个竞争性模型哪一个能胜出的关键。这些判据总结在表4中，其中每一项判据都给出了简要评估，用以指示在1950年的可用数据基础上看哪个模型较为成功。

虽然这个表不包括区分两个模型优劣的每一项潜在准则，但它已将主要判据包含在内，如每个模型的解释各种元素的丰度的能力。就第二项判据来看，大爆炸模型能准确地解释宇宙中氢和氦的丰度，但对于更重原子的丰度则无能为力。大爆炸模型因为在这一点上只是部分成功，故吃了个问号。稳恒态模型在这里也有疑问，因为我们不清楚在退行星系之间产生的物质是如何发展形成我们所观察到的原子丰度的。

两个模型不仅必须解释各种原子的形成及其丰度，而且还得解释这些原子如何聚集在一起形成恒星和星系——表4中的第三个判据。这个问题在前面章节里没做细节上的讨论，它向大爆炸模型提出了一个大问题。宇宙在创生后迅速膨胀，这将使意欲形成的婴儿星系变得被拉散。同时，由于大爆炸宇宙只有有限的历史，因此星系演化只有10亿年左右——这是一个相对较短的时间尺度。换句话说，没有人能够解释星系是如何在大爆炸模型的背景下形成的。稳恒态理论在这个问题上较为自信，因为永恒宇宙间允许星系有更多的时间进行演化。

反映两个竞争性模型具体的成功和失败的两列里包含了“√”、“×”和“？”，因此无论哪一个理论都不能完全令人满意。因此我们可以想像，接受大爆炸模型的宇宙学家可以通过解释宇宙的某些方面来消除它们之间的分歧，同样，赞同稳恒态模型的宇宙学家也可以解释其他一些问题来做到这一点。然而，宇宙学不是可以共享荣耀的竞赛。大爆炸模型和稳恒态模型在最基本的层面上是矛盾的和不相容的。一种模型宣称宇宙是永恒的，而另一种则声称宇宙是创生的，它们不可能都正确。假设两种模型中只有一种是正确的，那么最终取得胜利的这个就必然粉碎其竞争对手。

表4

下表列出了可以判断大爆炸模型和稳恒态模型孰是孰非的不同判据。它显示的是在1950年所获数据的基础上这两个模型的表现。“√”和“×”给出每个模型在相关判据前的大致优劣，问号表示该项缺乏数据或赞同和不赞同的难辨胜负。判据4和5的问号是由于缺乏观测数据。

时标困难

大爆炸的支持者所面临的最紧迫的问题是表4中的第六项判据——宇宙年龄。打叉突显出大爆炸模型的荒谬：宇宙要比它所含的恒星年轻。这就像一位母亲比女儿年轻一样荒谬——恒星肯定不能比宇宙本身更年长吗？第3章描述了哈勃是如何测量到星系的距离以及它们的视速度的。随后大爆炸宇宙学家将这个距离除以速度推断出，大约在18亿年前宇宙的总质量集中于创生的一个点上。但对岩石的放射性测量表明，地球至少有30亿岁，于是逻辑上形成这样一个局面：恒星更古老。

甚至支持大爆炸学说的爱因斯坦也承认，这一问题可能会推翻模型，除非有人能找到断然的证据：“宇宙的年龄……肯定大于由矿物质的放射性得出的地球地壳的年龄。由于通过这些矿物质确定的年龄从各方面看都是可靠的，因此如果发现存在违背这一结果的矛盾，那么[大爆炸模型]将被推翻。对此我看不出有什么合理的解决办法。”

这种年龄差异被称为时标困难，一个并未真实反映出它所引起的大爆炸模型的巨大尴尬的术语。解决年龄悖论的唯一途径是发现对远处星系距离的测量或是对其速度的测量上存在错误。例如，如果远处星系的距离比哈勃估计的大，那么到达那个星系所需的时间就要比按目前距离估计的时间长，这将意味着宇宙的年龄比现在估计的要大。或者，如果星系退行的速度比哈勃估计的要慢，那么就需要更长的时间才能到达该星系，这同样意味着一个更古老的宇宙。然而哈勃作为世界上最受尊敬的观测天文学家，向以精确和勤奋闻名，所以没有人真正怀疑他的观测的准确性。何况他的测量结果已得到其他人的独立检核。

当美国加入二战后，天文观测和主要观测站的活动在很大程度上陷于停顿。随着天文学家献身祖国，试图解决大爆炸与稳恒态模型之间争论的任何计划均被推迟。甚至连哈勃，当时已年届五十，也离开了威尔逊山，受命领导马里兰州的阿伯丁弹道试验场，成为华盛顿特区以外的最高文职官员。

留在威尔逊山的唯一高级人员是沃尔特·巴德，一位在1931年就加入了天文台工作人员队伍的德国流亡者。尽管已在美国生活工作了10年，但他仍然受到怀疑，被禁止参加任何军事研究项目。从巴德的角度来看，境况并不算太坏，因为他现在成了久负盛名的100英寸胡克望远镜的唯一使用者。此外，战时灯火管制消除了洛杉矶郊区恼人的光污染，将观测条件提高到1917年望远镜建成以来前所未有的水平。唯一的问题是，巴德的敌国侨民身份使得他被限于从日落到日出这段时间不得离开他的住所，这对一个天文学家来说很不好受。巴德向有关当局指出，他已经在办理申请入籍美国的手续，并最终让他们相信他不是一个安全隐患。经过短短的几个月，当局便取消了对他的宵禁，尽管他仍不能进行军事研究。巴德有了在理想的观测条件下自主使用世界上最好的望远镜的机会。他还设法配制出非常灵敏的底片，拍摄了无与伦比的清晰图像。

巴德在研究被称为天琴RR型星的过程中度过了战争年代。天琴RR型星是一种类似于造父变星的变星。在哈佛天文台与亨丽埃塔·莱维特一起工作的威廉米娜·弗莱明曾表明，天琴RR型星的光变特性可以像造父变星一样用于距离测量。但到那时为止，她的这项技术仅限于在银河系内被采用，因为天琴RR型星的发光不像造父变星那么亮。不过，巴德的雄心是想用理想的观测条件去发现仙女座星系里的天琴RR型星。仙女座是离我们最近的大星系。这样，他就可以利用天琴RR型星的光变特性来测量仙女座的距离，并与之前基于造父变星测得的距离进行交叉检验。

事实上，巴德很快就意识到，仙女座的天琴RR型星的距离超出了100英寸胡克望远镜所能够得着的范围。因此他只好用这架100英寸的仪器对银河系里的这些恒星进行观测，为日后采用200英寸的望远镜做准备，这架望远镜将很快在战后完成建造。他乐观地认为，新的巨型望远镜将使仙女座的天琴RR型星纳入视线范围。

200英寸的望远镜——乔治·海耳的最大的天文学工程——建在威尔逊山东南方200千米外的帕洛玛山上。在它开始建设的两年后，海耳就于1938年去世了。因此海耳没有机会看到有史以来获得的最壮观的宇宙景象。当这架仪器最终完成后，它被命名为海尔望远镜。

1948年6月3日，洛杉矶的各界名人出席了这架望远镜的落成典礼。面对坐落于1000吨旋转圆顶下的这架巨型仪器，宾客们惊叹不已。它的凹面镜抛光精度为1毫米的百万分之五十。当影片《赏金兵变》的主演巨星查尔斯·劳顿被问到海耳望远镜是否给人震撼时，他回答说：“极其震撼，我的天！简直可怕极了。他们打算用它做什么？开始与火星打仗吗？”

到海耳望远镜完全就绪时，威尔逊山和帕洛玛山两大天文台的研究力量配备也已完全到位。尽管如此，巴德在寻找仙女座星系天琴RR型星方面还是要领先一步。这要归功于他在二战期间用100英寸望远镜打下的良好基础。他立刻将新的200英寸望远镜对准仙女座星系，搜寻其微弱的恒星亮度的快速变化，这是天琴RR型星的指征。

经过一个月的细致测量，巴德没有发现他希望看到的天琴RR型星的任何迹象。他继续坚持，但用这架强大的海耳望远镜还是没找到任何预料中的迹象。他百思不得其解。他知道，是否能看到仙女座星系的天琴RR型星只取决于3个因素——恒星的亮度、200英寸望远镜的能力和星系的距离。他的计算表明，这些恒星应该绝对是可见的。为了确定是什么使得他未能发现天琴RR型星，他重新检查了决定观测成败的3个因素。从战时的研究中他确信天琴RR型星的亮度测得没错，而且他也确信自己十分了解望远镜的能力……那么唯一的原因莫非是仙女座的距离远远大于人们以前的预期？

巴德确信，唯一合乎逻辑的和可能的解释就是仙女座星系的公认距离存在误判。最初他的同事们对此持怀疑态度，但当他能够严谨地指出以前对仙女座星系的测量是如何以及为什么存在失误后，他们相信巴德是对的。

正如第3章解释的，最初对仙女座星系距离的测量一直用的都是造父变星，这已经成为测量星系距离的基本准则。亨丽埃塔·莱维特已表明，造父变星有一个有用的性质，就是两个亮度峰值之间的时间段是其固有光度的优越的指征，而后者可用于与其视亮度进行比较来确定它到地球的距离。哈勃曾第一个发现了银河系外的造父变星，从而测量了另一个星系（即仙女座星系）的距离。

然而到了1940年，事情变得很明显，大多数恒星可以分为两大类型，称为星族。较老的恒星属于星族Ⅱ，在这些恒星瓦解之后，其碎片变成新的、年轻恒星（即星族Ⅰ）的成分。这些新星通常要比星族Ⅱ的恒星热，也更明亮，光谱更偏蓝。巴德认为造父变星也可以分为这两类，并认为这正是仙女座星系距离背后的矛盾所在。

巴德认为仙女座更远的观点是基于简单的两步。首先，星族Ⅰ的造父变星要比有同样光变周期的星族Ⅱ的造父变星亮；其次，天文学家们往往只观测仙女座星系中较亮的星族Ⅰ的造父变星，但他们无意间用了银河系中较暗的星族Ⅱ的造父变星来建立仙女座星系的造父变星的距离尺度。

哈勃不知道造父变星有两种类型，因此犯了这样一个错误：用本地较暗的星族Ⅱ的造父变星与仙女座星系的相对明亮的星族Ⅱ的造父变星作比较，结果他错误地估计了仙女座星系的距离，即他估计的距离要比实际距离近。

为了直接解决这个问题，巴德着手根据两类造父变星来重新校准造父变星的标准尺度。通过这种方式，他可以正确估算出到仙女座星系的造父变星的距离，也就是到仙女座本身的距离。他指出，平均来看，星族Ⅰ造父变星的亮度是星族Ⅱ中具有相同光变周期的造父变星的4倍。简单来说就是，如果一颗恒星到观察者的距离远离到原先的两倍，那么它的光强将减弱为原先的四分之一。因此，仙女座星系必须挪远到原先的两倍距离上——大约为200万光年的距离——才能矫正这样一个事实：平均而言，仙女座星系中可见的星族Ⅰ的造父变星的亮度，是原先用来测定距离的星族Ⅱ的造父变星的亮度的4倍。现在，到仙女座星系的距离得到了纠正。因此毫不奇怪，在200万光年的距离上，天琴RR型星的亮度太微弱根本观察不到。

如果说调整仙女座星系的距离是巴德这项工作的唯一结果的话，那么它在天文学史上就似乎不值得大书特书了。然而实际上，到仙女座的距离已被用于估计我们到其他星系的距离，所以仙女座距离的加倍意味着到所有其他星系的距离都要加倍。

而且，估算给出的这些星系的退行速度保持不变，因为它们是从光谱的红移推算出来的，它们不受巴德的研究成果的影响。这对大爆炸模型有着巨大的积极影响。如果距离加倍，速度保持不变，那么从创生那一刻到所有星系当前距离的时间也必须加倍。换句话说，大爆炸模型下的宇宙年龄现在应当向上修正到36亿年，这个数字不再与地球的年龄相冲突。

大爆炸模型的批评者指出，恒星和星系比地球年长，因此很可能超过36亿年，这意味着宇宙似乎仍含有比宇宙本身年龄更大的天体。这样的话，这些批评者声称，所谓时标困难仍然是一个问题。但是，大爆炸模型的支持者没有被这一完全合理的论点扰乱，因为巴德的研究已经表明，就测量星系的距离和宇宙的年龄而言，仍有很多东西需要学习。他发现了一个错误，就使宇宙的年龄翻番，因此很可能日后人们发现另一个错误，宇宙年龄会再次翻番。

在修正大爆炸模型的重大缺陷问题上，巴德走过了很长的路才取得突破。这一突破的更重要的意义是强调了天文学中普遍存在的弱点——盲从的习惯。由于哈勃的声誉，天文学家很久以来一直毫不犹豫地接受了他公布的仙女座星系和其他星系的距离。不敢质疑和挑战这样的基本判断，即使这些判断是由著名权威刚做出的；这是不发达科学的主要特点之一。

许多年后，受到仙女座星系距离判断失误这一案例的启发，加拿大天文学家唐纳德·弗尼尖锐地指出了科学上盲从这一不良品质的危害性：“对天文学家的群体本能的权威性的研究还有待进行，但有许多次，我们像羚羊一般聚在一起，低着头密集地排着队，以坚定的决心沿着特定方向如隆隆雷声滚过平原。只要领头的一声信号，我们便掉转头，以同样坚定的决心，向着一个完全不同的方向，仍然鱼贯有序地紧挨着前进。”

巴德在出席于1952年罗马召开的国际天文学联合会会议上正式宣布，宇宙的年龄是以前认为的两倍。会议室里那些支持大爆炸模型的同行一眼就看出了这个新的测量值支持他们所信仰的创生时刻——或至少是去除了绊脚石。要不怎么说历史常有巧合呢，当时这个专题讨论会的会议记录正是大爆炸模型的激烈的批评者——弗雷德·霍伊尔。他尽职尽责地记录下会议结果，但他对永恒宇宙的根深蒂固的信念迫使他选择了这样一种遣词造句的方式，就是小心翼翼地避免引向大爆炸模型或物质创生模型。他写道：“哈勃的宇宙特征时间尺度现在必须从大约18亿年提高到大约36亿年。”

唯一对这个结果感到比霍伊尔更加失望的人是埃德温·哈勃。不论大爆炸模型正确与否，他都不会有一丝一毫的挫败感，因为他从来不会让宇宙学问题来打扰自己。哈勃只关心他的测量结果的准确性，而不是对它的解释并根据它们来确立理论的正确性。因此在这一刻，他彻底绝望了，因为巴德发现了他的距离测量中存在重大缺陷。

当哈勃认真考虑了巴德的新的测量结果的意义后，他感到一阵彻痛的辛酸。尽管他荣获了许多国家奖和国际奖项，但他始终感到遗憾的是，他从来没有被授予诺贝尔奖，这一直是他的终极目标。现在，巴德指出了他的工作中的一个错误，这似乎让荣获诺贝尔奖变得更加遥不可及。

事实上，诺贝尔物理学奖评审委员会毫不怀疑哈勃是他那个时代最伟大的天文学家。在他们眼中，巴德的研究几乎没有玷污这位伟人的声誉。毕竟，哈勃通过证明存在河外星系解决了1923年的大辩论问题，他还在1929年用他的星系红移定律奠定了大爆炸与稳恒态模型争论的基础。诺贝尔基金会忽略他的唯一原因是他们从未认为天文学是物理学的一部分。哈勃吃亏是吃在了专业方向上。

哈勃曾满足于媒体和公众对他的赞美。他们尊他为宇宙英雄，他们适时地赞颂了他的成就。正如一位记者所说的那样：“正如哥伦布航行3000英里，发现一个大陆和一些岛屿一样，哈勃在无限的空间中漂泊，发现了数百个巨大的新世界、星岛、次大陆和星座，这些星座可不是仅仅在数千里之外，而是在百万亿英里之外。”

1953年9月28日，哈勃死于脑血栓。可叹的是，他完全不知道，诺贝尔物理学奖评审委员会已秘密决定修改他们的规则，授予他诺贝尔奖来认可他的成就。事实上，该委员会正准备公布对他的提名时，哈勃去世了。

诺贝尔奖不能追授，而且协议规定该委员会的讨论内容不得外漏。要不是因为有两名委员——恩里科·费米和苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡——决定与哈勃的遗孀格蕾丝·哈勃联系告知此事，哈勃被提名的事儿将一直是个秘密。他们急于让格蕾丝知道，她丈夫对理解宇宙所做出的无与伦比的贡献没有被忽视。

越暗，越远，越古老

通过挑战并纠正公认的仙女座星系的距离，沃尔特·巴德一直提醒他的同事们，过去的测量结果应当受到质疑和审查，如果发现不足就应丢弃。这是一个健康的科学氛围的基本要素。只有当测量结果经过检查、反复检查、再三检查、交叉检验，它才可以赢得“事实”的称号。即便如此，偶尔的推翻性质的重新评估永远不会是有害的。

怀疑和批评的传统甚至也被用到巴德的距离测量上。事实上，正是巴德自己的学生，阿伦·桑德奇，修正了他导师的测量结果，从而再次增加了宇宙的年龄。

桑德奇像他的若干同事一样，第一次透过望远镜的目镜张望星空就迷上了天文学。他从没忘记童年时“一场大爆炸出现在我的大脑里”的那一刻。他考取了威尔逊山天文台的博士生，师从巴德，后者要求他对他所观察到的最遥远的星系拍出新的图像。巴德只是想让桑德奇来检查他的距离估计是否正确。

天文学家不能用造父变星的尺子去测量到最远的星系的距离，因为在那么远的距离上已无法检测到造父变星。相反，他们必须采用一种完全不同的测量技术，它依赖于这样一个合理的假设：仙女座星系中最亮的恒星本质上与任何其他星系里最亮的恒星一样亮。因此，如果遥远星系的最亮的恒星的视亮度只有仙女座星系中最亮的星的1/100（1/102），那么该星系的距离被认为是仙女座星系的10倍，因为亮度与距离的平方成反比。

尽管恒星的亮度差别很大，但用这种方法来测量距离不是没有道理。例如人的身高差异也很大，但随机选取50个成年人组成一个样本，我们可以合理地假设其中最高的人的高度大致为190厘米。因此，如果将这样的两个组分开适当的距离，我们看到一个组里最高者的高度是另一个组最高者的三分之一，那么我们可以合理地猜测，前一组的距离是后一组的3倍远。这是因为两个组里最高的人的高度应大致相等，而表观高度与距离成反比。这种方法不尽完美，因为一个组拉来的人可能正要去参加篮球赛，而另一个组的人原本可能是要去参加赛马。但在大多数情况下，这种距离估计的误差应在百分之几以内。

如果用这种方法来评估人的平均身高或恒星的平均亮度，将更加准确。但天文学家们研究的天体是如此遥远，他们不得不将这种方法应用到每个星系的最亮的恒星上，这是他们能够看到的对象。自1940年以来，天文学家一直就用这一技术来测量遥远星系的距离，并自信这么做基本上是可靠的，尽管他们有思想准备，所测的距离可能需要进行调整。这就是为什么巴德要求桑德奇来检查他的估计值。事实上，桑德奇发现，最亮恒星方法有一个根本性的缺陷。

由于照相术的改进，桑德奇可以看出，以前一直被认定为遥远星系中最亮的恒星其实是聚在一起的别的东西。宇宙中大部分的氢已聚合成熟悉的致密星，但也有相当数量的氢是以巨大的云团的形式存在的，它们称为HⅡ区。HⅡ区吸收周围恒星的光，并被这些光加热到超过10000℃。由于它的温度和大小，一个HⅡ区的光度可以盖过几乎所有的恒星。

在桑德奇之前，天文学家一直无意识地错将仙女座星系中可见的最亮恒星与更遥远的、新发现的星系里最亮的HⅡ区做比较。以为HⅡ区是恒星。天文学家认为这些新星系比较接近，因为它们的最亮“恒星”看起来相对较亮。当桑德奇得到了分辨率高到足以将这些HⅡ区与真正的恒星区分开来的图像后，他的结论是，遥远星系中最亮的恒星实际上要比误解的HⅡ区暗很多，因此这些星系必定比以前估计的远得多。

根据大爆炸模型，这些遥远星系的距离对于估算宇宙的年龄绝对关键。1952年，巴德将星系的距离翻了一番，同时也将宇宙的年龄翻了一番，达到36亿年。两年后，桑德奇将星系推得更远，宇宙的年龄也被增加到55亿年。

尽管有了这些增加，测量值还是低估了。在整个20世纪50年代，桑德奇一直在从事他的星系距离测量工作。不论是星系距离还是由此导致的宇宙年龄一直在持续拉长。事实上，桑德奇将成为测量星系距离和宇宙年龄的主要人物，并且很大程度上正是由于他的观察，在100亿岁到200亿岁之间的宇宙最终变得清晰。这个宽广的范围与宇宙中其他对象肯定是相容的。稳恒态理论不再嘲笑大爆炸理论说它解释不了为什么宇宙会比它所包含的恒星年轻了。

宇宙炼金术

尽管时标困难现在算解决了，但大爆炸模型还有来自其他问题的困扰。最重要的是有关核合成，特别是重元素形成的问题。乔治·伽莫夫曾夸口：“这些元素冷却的时间比做一盘烧鸭加烤土豆所花的时间还要短。”总之，他认为所有各种原子核都是在大爆炸后的1小时内产生的。然而，尽管伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼尽了最大努力，但除了最轻的原子，如氢和氦，其他元素的原子的形成机制一直无法找到，即使在大爆炸后存在一个炽热期。如果重元素不是在大爆炸之后瞬间产生，那么问题很清楚：它们是何时何地被创造出来的？

（最后一排左起）F.霍伊尔、H.C.范德胡斯特、A.R.桑德奇、J.A.惠勒、H.赞斯特拉、L.勒杜

（中间一排左起）O.S.克莱恩、W.W.摩根、B.V.库卡尔金、M.菲尔兹、W.巴德、H.邦迪、T.戈尔德、L.罗森菲尔德、A.C.B.洛弗尔、J.热厄尼奥

（中间一排前站着的两人）V.A.安巴尔楚米扬、E.沙兹曼

（前排坐着的）W.H.麦克雷、J.H.奥尔特、G.勒迈特、C.J.高特、W.泡利、W.L.布拉格、J.R.奥本海默、C.穆勒、H.沙普利、O.赫克曼

图88　这是出席1958年索尔维会议的一张集体照。照片显示阿伦·桑德奇和沃尔特·巴德参加了这次会议。他们修订的星系测量距离增加了大爆炸模型下的宇宙年龄。大爆炸模型和稳恒态模型之间争论的主要角色都在照片里，包括霍伊尔、戈尔德、邦迪和勒迈特。

尽管学术争论非常激烈，但不影响两个阵营之间的个人友谊。例如，霍伊尔非常喜欢勒迈特，形容他是一个“粗壮敦实的人，满嘴笑话，充满了笑声”。霍伊尔深情地回忆起在罗马的一次会议后他们驱车游览意大利的情形：“整个行程只有乔治出了点状况，那是在午餐后。我中午总是随便吃点，这样下午我可以继续开车，而乔治想来顿大餐，上瓶酒，这样他下午就可以在车上睡觉了。我们达成一致，下午让乔治在车后座睡觉。但不幸的是，严重的头痛几乎让他合不上眼。”

亚瑟·爱丁顿曾提出一种可能的核合成理论：“我认为恒星就是较轻元素的原子复合成较重元素的坩埚。”然而，恒星的温度据估计在表面只有几千度，在核心也只有几百万度。这个温度当然足以使氢慢慢变成氦，但要将这些氦原子聚变成真正的重核，这个温度显然不够，这需要数十亿度的温度才行。

例如，要形成氖原子，需要30亿度的温度，要产生更重的硅原子将需要130亿度甚至更高的温度。这导致了另一个问题。即使存在创造氖的环境，也未必就能热到产生硅。反之，如果环境温度高到足以产生硅，那么所有的氖都将被转换成某种较重的元素。仿佛每一种元素的原子都需要各自的量身定做的坩埚，宇宙将不得不组建种类繁多的致密环境。可惜的是，即使这些坩埚存在的话，也没人能知道它们在哪里。

对解决这个问题做出主要贡献的当属霍伊尔。他不是将核合成看成是大爆炸与稳恒态模型孰胜孰败的问题，而是这两个理论都需要关注的共性问题。宇宙大爆炸模型在某种程度上需要解释宇宙开始时的基本粒子是如何转变成不同丰度的较重的原子的。同样，稳恒态模型也需要解释星系退行时不断生成的粒子是如何转换成较重的原子的。霍伊尔自打成为初级研究员开始便一直惦记着核合成问题，但直到20世纪40年代末他才迈出解决这个问题的试探性的第一步。当他猜测到恒星在其生命的不同阶段所发生的事情时，这个问题开始取得进展。

中年恒星通常是稳定的，它通过将氢聚变成氦来产生热能，通过辐射光能来耗散掉这些热量。同时，恒星的所有质量靠自身引力被拉向内，这种向内的拉力靠星核的高温引起的巨大的向外压力来抵消。如在第3章所讨论的，恒星的这种平衡类似于气球上的受力平衡，橡皮膜的应力总试图让气球向内收缩，而气球内的空气压强则使气球向外膨胀。这个比喻可用来解释为什么造父星的光度是可变的。

霍伊尔对于恒星理论和引力坍缩与指向外的热压强之间的平衡理论很熟悉，但他想知道当这种平衡被打破时会发生什么。具体来说就是，霍伊尔想了解，在恒星的晚年，当氢燃料行将耗尽时会发生什么。毫不奇怪，燃料短缺将导致恒星开始降温。温度的下降将导致向外压力的下降，引力作用会变得过强，恒星将开始收缩。关键是，霍伊尔意识到这种收缩不是故事的结束。

随着整个恒星向内收缩，压缩将导致恒星星核升温并使向外的压力增大，由此使得收缩停止。压缩带来的温度上升有几个原因，但其中的一个是压缩导致更多的核反应，从而产生更多的热量。

虽然这种额外的热量使得恒星重新建立起某种程度的稳定性，但它只是一种暂时的中止。恒星的死亡只是被推迟了。恒星继续消耗更多的燃料，并最终减少到燃料供应变得至关重要。缺乏燃料意味着缺乏产能，因此星核开始再次冷却，这导致了另一个压缩阶段。同样，这次压缩使得星核再次得到加热，坍缩再次停止，直到下一次燃料短缺。这种反复起-停的坍缩方式意味着很多恒星都将经历一个缓慢的、挥之不去的死亡过程。

霍伊尔着手分析了不同类型（如小型的、中型的、大型的、星族Ⅰ的，星族Ⅱ的）恒星的演化过程。经过几年的专门研究，他成功地完成了对不同的恒星在其接近寿命终点时所发生的所有温度和压力变化的计算。最重要的是，他还制定了每个恒星在濒临死亡时的核反应，关键是给出了极端温度和压力的不同组合是如何导致一系列中等质量和重原子核的产生的，其结果如表5所示。

表5

霍伊尔计算了不同的恒星在其寿命的不同阶段会发生何种核合成的条件。下表给出了大约25倍太阳质量的恒星上所发生的核合成反应类型。与典型星相比，这种大质量恒星的寿命非常短。最初，恒星花上几百万年的时间使氢聚变成氦。在其寿命的后期阶段，温度和压力增加，使得氧、镁、硅、铁和其他元素的核合成得以进行。而各种更重的原子则要在最终和最激烈的阶段才能产生。

很明显，每种类型的恒星都可以作为生成不同元素的坩埚，因为恒星在其寿命和死亡的过程中内部发生着巨大变化。霍伊尔的计算甚至可以说明今天我们所知道的几乎所有元素的准确丰度，可以解释为什么氧和铁是常见的，而金和铂金则是罕见的。

在例外的情况下，一个质量非常大的恒星的早期坍缩阶段变得不可停歇，恒星死亡得相当迅速。这便是超新星，恒星死亡最猛烈的例子，它以无与伦比的强度引起内爆。当超新星爆发时，一颗恒星所释放的能量大到超过100亿颗一般恒星亮度的总和（这就是为什么一颗超新星的爆发会让参与大辩论的天文学家感到困惑的原因，如前面第3章所讨论的那样）。霍伊尔表明，超新星打造出一种最极端的恒星环境，从而允许罕见的核反应发生，从而产生出最重和最奇特的原子核。

霍伊尔的研究的最重要的结论之一是恒星的死亡并不标志着核合成过程的结束。随着恒星向内爆缩，它发出巨大的冲击波，从而导致整个星体爆炸，使得原子飞向整个宇宙。重要的是，一些原子是恒星寿命最后阶段的核反应的产物。这颗恒星碎片与漂浮在宇宙中的其他碎片（包括来自其他死亡恒星的原子）混合在一起，最终凝聚成全新的恒星。这些第二代恒星一开始就能进行核合成，因为它们已经有了某些较重的原子。这意味着当它们濒临死亡和内爆时将会合成更重的原子。我们自己的太阳可能就是第三代恒星。

马库斯·乔恩——《魔法炉》的作者——描述了恒星炼金术的意义：“为了我们能够活着，已经有数十亿、数百亿、甚至上千亿颗恒星死亡了。我们血液中的铁，我们骨骼中的钙，我们每一次呼吸而充满我们肺部的氧气——所有这些都是在地球诞生之前很久的星星炉里煮出来的。”浪漫主义者可以认为自己是由星尘构成的。愤世嫉俗者可以认为自己就是核废料。

霍伊尔解决了宇宙学中最大的困惑，并找到了一个几乎堪称完美的解决方案，但有一个突出问题尚待解决。表5显示了某种特定类型恒星上的核合成链：氢转化为氦，然后氦聚变成碳，碳变成更重的元素。虽然表中明确列出了氦到碳的阶段，但实际上霍伊尔并没有真正解决这一步是怎么发生的。据他所见，没有什么可行的核途径使氦转化成碳。这是一个主要问题，因为除非他能解释碳的形成，否则他无法解释其他所有的核反应是怎么发生的，因为在生成它们的反应链的某个点上都需要有碳的参与。这对于所有类型的恒星都是个问题——根本没有办法把氦变成碳。

霍伊尔在此遇到了与当年阻止伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼前进脚步完全相同的核砖墙。伽莫夫等人当时就试图解释在宇宙大爆炸早期时刻氦如何转换成更重的元素。如果你还记得的话，伽莫夫小组发现，涉及氦的核反应只能生成不稳定的原子核。氦核加氢核给出的是不稳定的锂5核；2个氦核合并给出的是不稳定的铍8核。仿佛大自然已经谋划好了要阻止氦核转成较重原子核（最主要的是碳）的唯一两条途径。除非这两个障碍可以被除去，否则构建较重原子核的问题将破坏霍伊尔有关恒星核合成理论的立论基础。他抱有的解释各种各样元素的希望将破灭。

伽莫夫团队在大爆炸核合成的框架下无法解决这一问题，而霍伊尔在恒星核合成的框架下也无法解决它。将氦转化为碳似乎是不可能的。但霍伊尔没有放弃寻找生成碳的某种可行途径的希望。他所预言的所有复杂的核反应全都有赖于碳的存在，因此他必须解开碳本身是如何形成的奥秘。

碳的最常见的形式是所谓的碳12，因为它的原子核包含12个粒子，即6个质子和6个中子。氦的最常见的形式是所谓的氦4，因为它的原子核包含4个粒子，即2个质子和2个中子。因此霍伊尔的问题可以归结为一个简单的问题：是否存在将3个氦核转变成1个碳核的可行机制？

一种可能是3个氦核同时碰撞在一起形成1个碳核。这是个好主意，可惜在实践中是不可能的。3个氦核恰好同时同地以相同的速度发生聚变的可能性实际为零。另一种途径是2个氦核聚变形成1个铍8核（4个质子加4个中子），然后这个铍8核再与另一个氦核聚变形成碳。这条途径和三氦核碰撞机制如图89所示。

图89　图（a）显示了氦到碳的一条可能的核聚变路径，它需要3个氦核同时碰撞。这种可能性非常低。第二条路径如图（b）所示，需要先2个氦核碰撞形成铍，然后铍核再与另一个氦核碰撞聚变成碳。

然而，铍8很不稳定，这就是为什么它被伽莫夫称为生成氦之后的核的道路上的绊脚石的原因。事实上，铍8核是如此不稳定（罕见形式），以至于通常在自发衰变前只能维持不到10-15秒。我们只能想象一个氦核在其飞行路径上恰巧遇到一个短暂存在的铍8核并合并成碳12。但即使这个过程确实能发生，也还需要克服另一个障碍。

氦核与铍核的结合质量比一个碳核的质量要大得多，因此，如果氦和铍聚合成碳，那么就可能会有多余的质量。通常情况下，核反应可以将多余的质量转换成能量（通过E=mc2），但质量差越大，反应所需的时间就越长。而铍8核并不具备这个时间。碳的形成必须几乎在生成铍8核的同时完成，因为铍8核的生命期实在太短。

因此，取道铍8路生成碳核的路径上有两个障碍。首先，铍8根本不稳定，持续时间不足亿万分之一秒；其次，氦和铍聚变为碳需要一个很长的时间窗口，因为存在轻微的质量不平衡。僵局似乎不可能打破，因为这两个问题彼此冲突。对此霍伊尔似乎可以选择放弃，转向研究些较简单的东西。但相反，他在此完成了科学史上的一次最伟大的直觉跳跃。

虽然任何核都有一个标准结构，但霍伊尔知道，核内的质子和中子还可以有另一种安排。我们可以将构成碳核的12个粒子看成是12个小球。这些小球有两种可能的排列，如图90所示。一种排列是分成两层每层6个的矩形结构；另一种是分3层每层4个的三角形排列（这里过于简单化了，因为在核的层面上事情并非像几何排列那么简洁）。让我们假设，第一种安排就是我们最常见的碳的形态，第二种是所谓的碳的受激形态。通过注入能量是可以将一般形态的碳核转变为受激态的。因为能量和质量是等价的（同样还是由于E=mc2），受激态的碳核的质量要比普通碳核稍大。霍伊尔断定，碳12的受激形式肯定具有正确的质量，即与铍8和氦4的组合质量完全匹配的质量。如果存在这样的碳核，那么铍8与氦4就可以迅速反应形成碳12。尽管铍8寿命很短，但生成大量的碳12是可能的。

图90　碳的两种可能形式。虽然实际上质子（深色球）和中子（浅色球）不会排列得如此整齐，而是倾向于形成球形团簇。图示要点在于表明碳核可以存在具有不同质量的不同排列方式。

问题解决了！

但是科学家不能想象一个问题只有一种解决方案。正如霍伊尔知道，虽然具有所需质量的碳12激发态打开了生成碳，乃至通向所有重元素的大门，但这并不意味着这种状态一定存在。受激核可以有非常特殊的质量，但科学家不能总寄希望于有一个方便的值。幸运的是，霍伊尔不只是一位只会想象的人。他对存在碳的正确激发态的自信是基于一种看似怪异但十分有效的逻辑推理链。

霍伊尔的推理前提是，他存在于宇宙。不仅如此，他指出，他还是一个以碳为基础的生命形式。因此，宇宙中必然存在一种制造碳的方式。然而，生成碳的唯一方法似乎依赖于碳的某个特定激发态的存在。因此这种激发态必定存在。霍伊尔严格运用的这种思考问题的方法后来被称为人存原理。这一原理可以用多种方式来定义和解释，但有一个版本可以这么来陈述：

我们在这里研究宇宙，因此宇宙的法则必定与我们的存在相一致。

在霍伊尔的推理中，他说碳12核是他的一个组成部分，因此碳的正确激发态必须存在，否则碳12和弗雷德·霍伊尔都不会存在。

从专业上讲，霍伊尔预测，他提出的碳的激发态的能量要比基本碳核高出7.65兆电子伏（MeV）。对于测量像原子核这样的微观粒子来说，兆电子伏能量是一个很小的能量单位。霍伊尔现在想知道这个激发态是否真的存在。

1953年，在他提出碳的这种激发态后不久，霍伊尔利用学术休假应邀到访加州理工学院。在那里，他有机会来检验他的理论。著名的凯洛格辐射实验室就坐落在加州理工学院的校园里，该实验室的威利·福勒是世界上最伟大的实验核物理学家之一。一天，霍伊尔来到福勒的办公室，告诉他自己对碳的激发态能量要比普通态高出7.65兆电子伏的预言。以前还没有人对核的激发态作出这样精确的预测，因为其中的物理和数学过于复杂。但霍伊尔的预测纯粹是基于逻辑，而不是数学或物理。霍伊尔想让福勒去寻找他所预言的这种碳12的激发态来证明他是对的。

福勒是第一次遇见霍伊尔，他对这个约克郡佬的想法没有一点思想准备。福勒最初的反应是，碳12已经有详细的测量结果，没发现有7.65兆电子伏的激发态的记录。他后来回忆说，他对霍伊尔的反应完全是负面的：“我很怀疑这位稳恒态宇宙学家，这个理论家，问的这个碳12核的问题……这个有趣的小个子男人认为我们应该停止我们所有正在进行的重要工作……来寻找这种态，我们把他打发了。离开我们这里，小伙子，你打扰了我们。”

霍伊尔继续展开他的论证，指出福勒只需几天时间专门搜寻一下碳12的7.65兆电子伏的态就可以检验这一理论。如果霍伊尔是错误的，那么福勒得花上几个晚上来追补他的日程安排；但如果霍伊尔是正确的话，福勒将作出核物理学领域的最大发现之一而获得奖励。福勒被这个简单的成本-效益分析折服了。他要求他的团队立即开始搜寻这种激发态，万一它在早期测量中被忽略了呢。

经过10天的对碳12核的分析，福勒的研究小组发现了一种新的激发态。正是7.65兆电子伏，与霍伊尔说的完全一样。这是第一次，也是唯一一次，科学家用人存原理做预测并被证明是正确的。这是极其天才的一个实例。

霍伊尔终于证明并确认了由氦转化为铍，然后变成碳的机制。他证实了碳是在大约2亿摄氏度的温度下通过图89（b）所示的反应合成的。这是一个缓慢的过程，但数十亿颗恒星经过数十亿年的演化，可以制造出大量的碳。

对碳的生成的解释确立了生成宇宙中所有其他元素的核反应的起点。霍伊尔解决了核合成问题。这对于稳恒态模型是一个突破，因为霍伊尔可以声称，退行星系之间产生的简单物质会聚集在一起，形成恒星和新的星系，于是它们会成为锻造更重元素的不同的恒星熔炉。霍伊尔的工作对于大爆炸模型也是一种提升，否则我们就不能解释重元素如何从所有的氢和氦中产生，而后者则是在宇宙诞生之初就立即生成的。

乍一看，核合成问题的解决现在可以看成是两个敌对的宇宙学阵营打了个平手。毕竟，无论是大爆炸还是稳恒态模型都可以借助于同样的恒星演化过程来解释重元素的合成。但事实上，大爆炸已经成为两款模型中的强者，因为对于轻元素如氦的产生，只有大爆炸模型能圆满解释它们的丰度。

氦是宇宙中丰度排行第二的元素，也是仅次于氢的最轻元素。恒星将氢转变成氦，只是这个过程非常缓慢，因此从大爆炸的观点看，恒星不可能说明今天宇宙中存在的大量的氦。然而，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼已经证明，如果在大爆炸之后瞬间就完成了氢到氦的聚变，那么今天宇宙中的氦的丰度就可以得到说明。大爆炸模型的最新计算结果表明，氦应该占到宇宙中所有原子的10%，这个估计非常接近于基于观察的最新估计，因此理论和观测是一致的。

相比之下，稳恒态模型却不能解释氦的丰度。因此，从重元素的核合成这一点看，大爆炸和稳恒态不相上下，但只有大爆炸模型可以真正解释氦的核合成。

有利于大爆炸核合成的局面还因为下述新的计算结果而得到进一步加强，这就是对像锂和硼这类元素的原子核的核合成的计算。这些元素都比氦重，但比碳轻。计算表明，这些锂核和硼核无法在恒星上合成，但可以在大爆炸瞬间产生的炽热状态下，与氢转化为氦的过程同时完成。事实上，理论上基于热大爆炸模型对锂和硼的丰度的估计与从当前宇宙中观察到的结果非常一致。

具有讽刺意味的是，虽然核合成的完整解释让大爆炸模型赢得了最终胜利，但这一胜利是建立在对立阵营的霍伊尔做出的巨大贡献的基础上的。乔治·伽莫夫对霍伊尔给予了极大的尊重，承认他的成就轻松改写了《创世纪》，如图（文）91所示。伽莫夫版的《创世纪》实际上是对核合成理论——从大爆炸的热中产生出轻核，到超新星爆发中产生出重核——的一个绝妙总结。

起初，神创造了辐射和伊伦。伊伦没有形状或数量，核子在渊面上疾驰。

神说：“要有质量2。”就有了质量2。神看到了氘，说这很好。

神说：“要有质量3。”就有了质量3。神看到了氚，说这很好。

神继续叫号，直到他遇到超铀元素。但当他回头看自己的工作时，却发现不够好。在叫号的兴奋中，他错过了叫质量5，所以，自然地，没有更重的元素可以形成。

神非常失望，希望先让宇宙收缩回去，再从头开始。但这太简单了。因此，全能的神决定用最不可能的方式来改正错误。

神说：“要有霍伊尔。”就有了霍伊尔。神看着霍伊尔，告诉他按他高兴的方式做重元素。

霍伊尔决定在恒星上做重元素，并通过超新星爆发散布到周围。但在这样做时，他必须得到与神没忘记叫号质量5时由伊伦的核合成给出的相同的丰度。

所以，在神的帮助下，霍伊尔按这样的方式做重元素，但它是如此复杂，以至于在今天不论是霍伊尔，还是神，还是其他任何人，都无法能弄清楚它究竟是如何完成的。

阿门

图（文）91伽莫夫版《创世纪》

根据恒星内部演化过程来解释核合成的整个研究方案涉及几十个步骤和无数次改进，时间上前后跨越十多年。霍伊尔始终是全身心地投入，但他显然得到了威利·福勒实验工作的支持，他还与伯比奇夫妇——玛格丽特·伯比奇和杰弗里·伯比奇——进行合作。四人合作的成果是一篇有104页的报告，标题为“恒星元素的合成”。文章里确定了恒星各阶段的作用以及每一步核反应的结果。文章包含了一个非比寻常的大字声明：“我们发现，在一般情况下，用恒星上的和超新星的核合成来解释从氢到铀的几乎所有原子的同位素的丰度是可能的。”