宇宙的异端

宇宙的异端_大爆炸简史

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。”

伽莫夫早年在敖德萨的新罗西亚大学学习时就以雄心勃勃的年轻物理学家而闻名，后来，1923年，他就读于列宁格勒大学，师从亚历山大·弗里德曼，后者当时正在发展他的新提出的大爆炸理论。但伽莫夫的兴趣与弗里德曼的这些研究大相径庭，他很快在核物理学领域做出了世界级的发现。他的研究促使国家级报纸《真理报》为他献上了一首诗，那时他只有27岁。另一份报章则宣告：“一位苏维埃学者向西方表明，俄罗斯的土地上也能够产生自己的柏拉图和才思敏捷的牛顿。”

然而，伽莫夫却变得对苏联的学术生活感到不满。1932年，伽莫夫试图通过穿越黑海到土耳其来逃离苏联。结果这次行动变成了一场极其外行的逃跑——他和他的妻子柳波娃·沃明泽娃试图乘坐独木舟用划桨来跨越250千米的水域。他在自传中讲述了这个故事：

一个重要的事项是旅程中的食物供应。我们认为所带的食物应能维持五六天……我们煮了[鸡蛋]带上在路上吃。我们还设法弄到了几块硬巧克力，两瓶白兰地，当我们在海上又湿又冷的时候，它们派上大用场了……我们发现两个人轮流划桨而不是一起划较合理，因为一起划时船的速度并没有增加到两倍……第一天完全成功……我永远不会忘记看到的在西沉的夕阳下一个海豚追逐波浪的景象。

但36个小时后，他们的运气变了。天气变得对他们不利，他们被迫再划回苏联的怀抱。伽莫夫又做了另一次失败的尝试，这一次是打算从摩尔曼斯克横渡北极水域到挪威。

1933年，他采取了一个新策略——应邀出席物理学家在布鲁塞尔召开的索尔维会议。伽莫夫设法与苏共高级官员维亚切斯拉夫·莫洛托夫会面，希望得到让他妻子——也是一位物理学家——陪同他前往的特别许可。他获得了必要的文件，但经过了与官僚的漫长的斗争。这对夫妇终于能够出席这次会议了。他们这一去就没打算再返回苏联。通过适当渠道，他们从欧洲来到美国。1934年，伽莫夫入职乔治·华盛顿大学，并在那里度过了随后20年的探索、检验和捍卫大爆炸假说的学术生涯。

图75　乔治·伽莫夫和他的妻子柳波娃·沃明泽娃的照片。下面是伽莫夫夫妇正在为乘坐划皮艇横渡黑海逃出苏联作准备。

伽莫夫对大爆炸与核合成——原子核的形成过程——特别感兴趣。伽莫夫想看看核物理和大爆炸模型是否能解释观测到的原子丰度。正如我们前面看到的，宇宙中每10000个氢原子就有大约1000个氦原子，6个氧原子和1个碳原子，所有其他元素的所有原子加在一起都要比碳原子少很多。伽莫夫想知道大爆炸的早期时刻是否可以解释我们的宇宙被氢和氦所主宰。他还想知道，大爆炸是否能解释较重原子的不同丰度，这些重原子虽较罕见，但对生命来说是非常重要的。

在了解伽莫夫的研究之前，我们先回顾一下勒迈特的核合成观点。他的宇宙始于一个单一的、质量巨大的原始原子——其他所有原子的母亲：“原子世界分裂成碎片，每个碎片又碎成更小的碎片。为了简单起见，假设这种碎裂出现的概率是相同的，我们发现，要使目前的物质被粉碎成可怜的小原子，小到已无法再破碎为止，那么我们需要连续破碎260次。”根据既定的原理，大核是不稳定的，一个质量超重的原子更是极不稳定，会很快分裂成较轻的原子。然而，这些碎片残迹应当会位于周期表中间的某个地方，就是最稳定的元素所处的地方。这将导致一个以铁元素为主的宇宙。在勒迈特的模型里，似乎没有办法产生当今宇宙所表明的氢和氦的原子在宇宙中的丰度。在伽莫夫看来，勒迈特模型是完全错的。

摒弃了勒迈特的自上而下的方法后，伽莫夫转而采用一种自下而上的策略。如果宇宙始于一锅致密的、简单的、向外膨胀的氢原子汤，将会怎样？大爆炸是否能为氢聚变成氦和其他较重的原子创造合适的条件？这个想法似乎比勒迈特的想法更有可能，因为从100%的氢出发更容易解释为什么氢到今天仍占宇宙原子的90%。

但在开始推测大爆炸的核物理机制之前，伽莫夫研究了豪特曼斯和贝特的工作，试图找出究竟是什么样的恒星能够将氢聚变成较重的原子。他受到恒星聚变的两个关键限制的打击。首先，恒星里氦的产生速率非常慢。我们的太阳每秒钟产生5.8×108吨氦，这听起来好像很多，但要知道太阳目前含有5×1026吨氦。按照恒星氦的产生速率，这么多的氦需要超过270亿年才能完成，而根据大爆炸模型，宇宙年龄应该在18亿年。因此伽莫夫得出结论：大多数的氦必定在太阳形成时就已经存在，所以它也许是在大爆炸时产生的。

图76　乔治·伽莫夫与约翰·科克罗夫特（左）讨论计算，后者后因对核物理学的贡献而赢得诺贝尔奖。照片捕捉到物理学家们工作时的紧张和喜悦。

恒星聚变的另一个限制是它明显不能创造比氦重的元素的原子。物理学家们没能成功找到任何可行的恒星核反应生成元素铁或金的路径。在创造了最轻的原子后，恒星似乎走到头了。

伽莫夫把这两种局限性看作大爆炸模型证明自己能弥补恒星的不足的机会。在恒星无法产生足够多的氦或较重元素的地方，大爆炸也许可以成功。特别是，他希望早期宇宙的条件足够极端，允许新型核反应的存在，并开辟出恒星上不可能存在的新途径。这种新途径将能够解释所有的元素的产生。如果伽莫夫能将重元素的核合成与大爆炸联系起来，那将为大爆炸模型提供强有力的证据支持。如果他做不到这一点，那么这个雄心勃勃的创生理论将面临重大的尴尬局面。

20世纪40年代初，伽莫夫开始了他的解释大爆炸后元素产生的研究项目。他很快就意识到，他是美国在探索大爆炸核合成问题方面的唯一的物理学家，从而也很快就明白了为什么他会有包揽整个领域的特权。从事原子核形成的研究需要有对核物理的深刻理解，而当时几乎每一个有这样背景的人都已被秘密招募到洛斯阿拉莫斯国家实验室去从事曼哈顿计划——第一颗原子弹的设计和建设——工作了。伽莫夫没有离开乔治·华盛顿大学的唯一原因是他未能获得最高级别的安全许可，因为他曾经是红军军官。那些负责签发许可证的人不能理解，既然伽莫夫已经被赋予军官的地位，因此他可以给士兵们教授科学课程呀。美国当局也没有去收集更多的说明伽莫夫真正忠诚的证据，比如苏联因他逃离苏联而缺席判处他死刑的事实。

伽莫夫探索大爆炸核合成的策略看似简单。他开始观察宇宙现在的样子。天文学家们研究了恒星和星系的分布，因此他们能估计出整个宇宙的密度，这大约是每1000个地球体积中含1克。下一步，伽莫夫利用哈勃对宇宙膨胀的测量结果，并倒拨时钟使宇宙收缩。伽莫夫的收缩的宇宙越接近创生时刻就变得越致密，因此他可以用比较简单的数学来得到以前任何时刻的平均密度。压缩物质通常会产生热量，这就是为什么自行车的打气筒向车胎内充了几下气后摸上去会感到热的原因。因此，伽莫夫也可以采用相对简单的物理来证明年轻的、压缩的宇宙会比今天的宇宙热得多。总之，伽莫夫发现，他可以很容易地得到宇宙从创生后不久（炽热致密状态下）直到今天（寒冷弥散状态下）任何时间点的温度和密度。

图77　这是1933年在布鲁塞尔召开的索尔维会议的合影。照片中乔治·伽莫夫位于后排中间。本次会议的议题是讨论原子结构，因此照片中包含了其他许多位著名人物。厄内斯特·卢瑟福和詹姆斯·查德威克坐在前排，坐在前排的还有玛丽·居里和她的女儿艾琳·约里奥，她像她母亲一样获得了诺贝尔奖。

皮埃尔·居里已去世多年。1906年，他被一辆马车撞倒并夺去了生命。随后玛丽开始与保罗·朗之万（就是照片中她旁边的那位）有了关系。朗之万是一位已婚男人，这导致了一桩公开的丑闻。当居里夫人接到了她第二次获得诺贝尔奖的通知时，她被要求不要亲自来斯德哥尔摩领取奖金，因为这会让诺贝尔奖委员会感到尴尬。她没理睬这一要求，并解释说，这个奖是对她的科学成就的奖励，而不是对她个人生活的评价。

图中前排左起：E.薛定谔、I.约里奥、N.玻尔、A.约飞、M.居里夫人、P.郎之万、O.理查德森、E.卢瑟福、T.德堂德、M.德布罗意L.德布罗意、L.迈特纳、J.查德威克

建立早期宇宙中普遍存在的条件是很重要的，因为任何核反应的结果几乎完全取决于密度和温度。密度决定了给定体积里的原子数。密度越高，两个原子发生碰撞并聚变的可能性就越大。随着温度的增加，有更多的能量可用，原子运动得也更快，这意味着它们的核更容易发生聚变。正是由于天体物理学家知道太阳内部的温度和密度，他们才能够算定恒星内部会发生哪一种核反应。伽莫夫认为在早期宇宙中也有类似的信息，因此希望能知晓在大爆炸之后不久哪一种核反应能够发生。

伽莫夫研究大爆炸核合成模型的第一步是假定，极早期宇宙的极端高温会将所有物质都破碎成最基本的物质形式。因此他假设宇宙的初始成分被分离成质子、中子和电子——当时物理学家所知道的最基本的粒子。他称这种混合为“yIem”（发音为“eye-Iem”）——他在韦氏词典中偶然查到的一个词。这个已废弃的中古英语单词的意思是“构成元素的原始物质”。它确切地描述了伽莫夫的滚热的中子、质子和电子汤。单个质子相当于1个氢原子核，加上1个电子，即构成一个完整的氢原子。然而，早期的宇宙是如此之热，能量是如此之多，使得电子快得根本就不从属于任何原子核。除了物质粒子，早期的宇宙还是汹涌的光的海洋。

从这锅热的、致密的汤出发，伽莫夫试图将时钟慢慢地向前拨，来搞清楚基本粒子是如何开始粘在一起形成我们今天所熟悉的原子核的。最终，他的雄心是要说明这些原子是如何凝聚成恒星和星系，并演变成我们看到的周围的宇宙的。总之，伽莫夫想证明，大爆炸模型可以解释我们是如何走到今天这个地方的。

不幸的是，当他开始计算可能发生的核反应后，伽莫夫被面前巨大的工作量阻遏住了。他是能应付一组特定条件下发生的核反应的计算，但问题是大爆炸的图景是不断变化的。在某一时刻，宇宙有一组确定的温度、密度和粒子组合，但一秒钟后宇宙已经膨胀了，导致温度变低，密度变小，粒子组合已稍有差别，具体变化由可能已经发生的核反应而定。伽莫夫努力进行着核反应的计算，但进展甚微。他是个伟大的物理学家，但数学计算却是他的弱项，核反应计算超出了他的能力。而且当时计算机还没有得到有效运用，他面临的是一种绝望的困境。

最终，1945年，伽莫夫得到了他急需的支持——他将一个名叫拉尔夫·阿尔弗的年轻学生招至麾下。阿尔弗当时正努力要在科学界开出一片自己的天地，他的学术生涯始于1937年，当时这位16岁的神童获得了麻省理工学院的奖学金。但不幸的是，在与该学院的校友聊天时，他漫不经心地道出他来自犹太人的家庭，于是奖学金被迅速取消了。这对一个有抱负的少年来说可谓是一个可怕的打击：“我哥告诉我不要将希望看得太高，他是对的。这是一个惨痛的教训。他说认为一个犹太人可以去任何地方是不现实的。”

阿尔弗能够回到学术轨道的唯一办法就是白天工作，晚上去上乔治·华盛顿大学的夜校。最终他通过这种方式完成了他的学士学位。正是在这期间，伽莫夫遇到了阿尔弗，让他眼前一亮。一种可能是因为阿尔弗的父亲也来自敖德萨——他自己的出生地。伽莫夫承认，阿尔弗是数学天才，对细节看得很准。相比之下，他自己的数学可谓蹩脚而且处理得草率。他立即将阿尔弗招收为他的博士生。

伽莫夫让阿尔弗去着手解决早期宇宙中的核合成的问题。他给这位学生提供一个起点和关键问题的大致轮廓，这些都是基于他到目前为止所收集到的信息。例如，伽莫夫指出，大爆炸核合成可以限定在一个相对较短的时间和温度窗口内。极早期宇宙是如此之热，能量如此之高，使得质子和中子的运动快到根本无法束缚在一起。不久之后，宇宙开始冷却，核合成开始启动。然而，时间稍稍过去一点点，宇宙的温度便下降到质子和中子不再有足够的能量或速度来启动核反应的地步。总之，核合成只能发生在宇宙温度比万亿度低但高于百万度的区间内。

核合成窗口的另一个限制是，中子是不稳定的，会衰变为质子，除非它们被束缚在如氦核这样的核内。因此，早期宇宙中的自由中子在消失之前必须先形成原子核。自由中子的半衰期大约为10分钟，这意味着有一半的中子在10分钟内就消失了，剩下的中子在另一个10分钟内又消失一半，等等。因此，原始中子在创生后的1小时后其数量将少于2%，除非中子已与质子反应形成稳定的核。另一方面，存在一种依赖温度的核反应，它们可以生成中子，这个过程将使情形进一步复杂化。由于中子是核合成过程中的重要因素，因此无论是中子的半衰期还是中子的产生率，都是确定大爆炸后核合成持续时间的关键因素。

注意力集中到核合成这个复杂的时间窗口上之后，伽莫夫和阿尔弗开始估算质子和中子相互作用的可能性。他们的计算中需要输入的另一个复杂因子是中子和质子反应的反应截面。一个粒子的反应截面是指它与其他粒子相互作用的概率有多大。如果两个人站在房间的相对两侧，然后彼此向对方扔小玻璃球，那么两个玻璃球在半空中发生碰撞的可能性非常小。相反，如果他们彼此向对方扔足球，那么两个足球在半道上发生碰撞的可能性就大多了，或至少彼此掠过。因此我们说足球有比玻璃球更大的碰撞截面。在核合成问题上关键的一点是：中子和质子呈现给对方的截面或标靶有多大？

核粒子的反应截面用“靶恩（barn）”单位来衡量。1靶恩等于10-28平方米。这个词源自于这样一句具有讽刺意味的话：“连谷仓的门都没碰着”。一些词源学家认为这个词最早见于参与曼哈顿计划的物理学家的工作守则^[10]，这样即使间谍无意中听到“谷仓”一词也无法知道说的是什么意思。了解截面大小对原子弹制造者来说至关重要，他们当时一直试图搞清楚要形成核爆炸至少需要多少铀。铀的反应截面越大，核相互作用的可能性就越大，保证核爆炸所需的铀燃料就越少。

对阿尔弗来说重要的是，围绕原子弹项目的秘密在战争后很快得到公开。这意味着正当阿尔弗着手进行他的大爆炸核合成过程的研究时珍贵的截面测量数据被解密。另一个刺激来自美国阿贡国家实验室的科学家，他们一直在探索建设核电站的可能性。他们也发布了关于核反应截面的最新数据，这让阿尔弗很兴奋。

伽莫夫和阿尔弗花了3年时间来进行计算，对他们的假设进行打磨，他们更新了截面数据，完善了他们的估计。他们的一些最深入的交谈是在一家坐落在宾夕法尼亚大道上的名为“小维也纳”的小酒吧里进行的。在这里喝上一两瓶饮料有时真有助于他们对早期宇宙的理解。这是一段非同寻常的经历。他们将具体的物理应用到以前十分模糊的大爆炸理论上，试图用数学模型来刻画早期宇宙的条件和事件。他们估计了初始条件，并通过运用核物理定律来观察宇宙是如何随时间演化的，以及核合成的过程是如何取得进展的。

随着逐月过去，阿尔弗越来越确信他可以精确模拟大爆炸之后最初几分钟时氦的形成过程。当他发现他的计算与实际紧密一致时，他的信心得到了增强。阿尔弗估计，在大爆炸核合成阶段的末期，差不多每10个氢核可生成1个氦核，这与天文学家对当今宇宙的观测结果十分吻合。换句话说，大爆炸可以解释我们今天看到的氢氦比。阿尔弗没有认真尝试对其他元素建立模型，但即使是预言的氢和氦的形成与观察到的比例一致这一点本身就已是具有重大意义的成就了。毕竟，这两种元素占了宇宙中所有原子的99.99%。

几年前，天体物理学家已经能够说明氢变氦是恒星的能源，但是恒星核反应的速度太缓慢，使得恒星核合成过程只可解释已知的氦的一小部分。而阿尔弗通过假设存在大爆炸过程可以解释氦的丰度。这一结果是自哈勃观察和测量星系的红移以来大爆炸模型的第一次重大胜利。

为了宣布这一突破，伽莫夫和阿尔弗将他们的计算结果和结论写成一篇题为“化学元素的起源”的正式论文提交给《物理评论》杂志。文章定于1948年4月1日出版，也许正是这个日子促使伽莫夫做了一件他已经独自考虑了好几个月的事情——将汉斯·贝特的名字加入到作者名单里。伽莫夫和汉斯·贝特是亲密朋友，贝特以其在恒星核反应领域的工作而闻名，因此伽莫夫想在文章的作者中加入贝特的名字，尽管他并没在这个特殊的研究报告中做出什么贡献。伽莫夫添加这个名字的动机是，读者可以从文章的作者列表上得到一种视觉享受——阿尔弗、贝特和伽莫夫，各人姓氏的首字母按希腊字母排列恰好是aIpha（α），beta（β）和gamma（γ）。

毫不奇怪，阿尔弗对此不以为然。他担心，列入贝特会削弱国际科学界对他在这项研究中的贡献的认可。阿尔弗的名字已经被伽莫夫这位合作者遮盖得黯然失色，因为阿尔弗只是年轻的博士生而伽莫夫是著名的物理学家，再加上贝特这个更杰出的名字恐怕只会使事情变得于他更为不利。阿尔弗做的工作要比他在这篇作品中分享到的成果多得多，而现在事情看起来他能得到认可的部分还得打折扣。在伽莫夫和阿尔弗就署名权发生不愉快的整个过程中，贝特始终没有意识到阿尔弗的感觉，他也不知道这将是宇宙学历史上最重要的科学论文之一。他只是很高兴能成为伽莫夫的这个小玩笑的一部分。

直到论文送出发表，贝特的名字依然在列。伽莫夫试图通过安排一个小型庆祝活动庆祝他们的伟大成就来弥补他与他的这位学生之间的嫌隙。伽莫夫带了一瓶君度甜酒走进办公室，酒的标签已改为“YIem”——他为宇宙最初所充斥的原始粒子汤所取的名字。橙色的液体从酒瓶倾入两只酒杯，研究大爆炸的两人一释前嫌。

虽然伽莫夫现在可以放松一点，但阿尔弗仍有很多工作要做。这项研究是阿尔弗的博士论文项目，因此他必须独立地写出来，给出详细的解释来证明他确实值得这个博士学位。不幸的是，在他开始写作论文不久，他得了严重的流行性腮腺炎。忍受着疼痛和肿胀，阿尔弗只能在床上扶病完成他的论文，他将论文内容口述给他的妻子路易丝。这对夫妇是在乔治·华盛顿大学的夜校认识的，但路易丝学的是心理学而不是物理学，所以她对阿尔弗的研究根本不懂。然而她忠实准确地打出了构成论文核心的深奥的方程。

阿尔弗的工作还没有完成。接下来，他还得经受一次论文答辩——获得博士学位的最后一道关卡。他必须独自坐在答辩小组的专家们前面，并让他们信服，在大爆炸后的瞬间，氢和氦可能按正确的比例产生。他还想说，可以合理地认为，在这个阶段，其他原子也有机会被创造出来。从本质上讲，他捍卫的是他与伽莫夫合作的结果，但此时他必须完全依靠自己的智慧，无法向他的导师寻求建议。如果他成功了，那么他将被授予博士学位；如果他失败了，那么他这三年算是浪费了。他的论文答辩计划于1948年春季举行。

这种论文答辩通常是公开进行的，但它通常不像一场体育活动那样对公众那么有吸引力，所以观众往往是朋友、家属和一些对此特别感兴趣的学者。然而这一次，“一位27岁的新手取得了一项重大突破”的消息已经传遍了整个华盛顿，阿尔弗发现自己是要在300多人（包括记者）的听众面前进行答辩。他们聚精会神地听着一系列莫名其妙的问题和阿尔弗给出的更加神秘的回答。在答辩行将结束时，评审专家们充分相信阿尔弗应当被授予博士学位。

与此同时，记者们特别注意到阿尔弗的一个评论——氢和氦的原初核合成只发生在最初300秒时间内。于是这句话就成了未来几天美国报纸上的头条新闻。1948年4月14日，《华盛顿邮报》宣布，“世界始于最初5分钟”，两天后这家报纸又刊登了一幅漫画，如图78所示。《新闻周刊》则在4月26日发表了同一个故事，但将时间尺度拉长到其他种类原子的创生：“根据这一理论，所有元素都是在一个小时之内创生于一锅原始流体，然后组成我们今天所见的恒星、行星和生命的物质。”事实上，阿尔弗对重于氢和氦的元素谈得很少。

在接下来的几周，阿尔弗享有了很高的知名度。学术界显示出对他的工作的兴趣，好奇的公众给他发邮件，宗教原教旨主义者为他的灵魂祈祷。然而，聚光灯很快暗了下去，正如他所预料的，他消失在他的杰出的合作作者——伽莫夫和贝特——的阴影里。当物理学家们读了他们的文章后，认为伽莫夫和贝特对这一突破的贡献最大，阿尔弗的名字被忽视。阿尔弗在发展大爆炸模型过程中的至关重要的作用应得到恰当的认可这一点，因出于喜剧效果而添加的贝特的名字而被彻底掐灭了。

图78　著名漫画家赫伯特·L.布洛克显示出对阿尔弗的研究感兴趣。这幅出现在1948年4月16日《华盛顿邮报》上的漫画显示了一颗原子弹在思考这个世界在创生最初5分钟的消息。炸弹似乎代表了这样一种恶作剧的想法，它可以在短短5分钟内摧毁这个世界。

神圣的创生曲线

α-β-γ的文章，随着变得众所周知，成为大爆炸宇宙观与永恒宇宙观之争历史上的一个里程碑。它表明，对假设性的大爆炸后的核过程进行实际计算，并以此来检验这一创生理论，是可能的。大爆炸的支持者们现在有了两项观测证据——宇宙膨胀和氢与氦的丰度，并表明它们与宇宙大爆炸模型完全一致。

大爆炸理论的批评者则试图通过破坏大爆炸核合成的成功的基础来进行反击。他们的第一个反应是诋毁伽莫夫和阿尔弗的计算结果与观测到的氦丰度之间的一致性。第二个，也是更实质性的批评，是针对伽莫夫和阿尔弗未能解释重于氢和氦的核的创生问题。

伽莫夫和阿尔弗在他们发表论文时，在很大程度上将这个问题放在了一边，打算以后来解决它。但事实上他们很快就意识到，他们的研究已经进入了一个死胡同：试图用大爆炸的热来合成比氦重的任何核似乎是不可能的。

他们最大的困难是所谓的5核子鸿沟。“核子”是对原子核中任何组成部分的总称，它包含质子和中子。因此：

常见的氢包含1个质子+0个中子=1个核子

同位素氘包含1个质子+1个中子=2个核子

同位素氚包含1个质子+2个中子=3个核子

常见的氦包含2个质子+2个中子=4个核子

因此下一个重核将包含5个核子，但这种核不存在，因为它本质上是不稳定的，这是复杂的核相互作用力的结果。然而，在不稳定的5核子核之外还有一系列稳定的核，如碳（通常有12个核子）、氧（通常有16个核子）和钾（39个核子）。

为了对为什么核子数决定着某个核的稳定性和存在性（以及其他核的不稳定性和不存在性）这一点有所认识，我们来考虑车辆的稳定性与它们有多少只轮子之间关系的情况。我们见过独轮车，也见过两轮的自行车、三轮车和四个轮子的汽车。但五个轮子的车辆实际上是不存在的，因为第五个轮子没什么用处，如果有的话，它只会不利于车辆的稳定性和性能。然而，再增加一个轮子则将提高平衡性并有利于均衡车辆的荷载，许多载重卡车确实有六个甚至更多的轮子。同样，但出于不同的原因，1核子、2核子、3核子、4核子和6核子的核都是稳定的，但5核子的核实际不存在。

但是，为什么缺乏5核子核对伽莫夫和阿尔弗就是灾难性的呢？原来在构成如碳以上的较重原子核的核合成道路上，这种缺乏明显是一道不可逾越的裂隙。从轻核变换到重核的路径包含一个或多个中间步骤，如果其中某一步不被允许，那么整个路径都将被阻塞。取得较重的原子核的明显路径是向氦核（4个核子）中添加1个质子或中子生成5核子核，但这是完全不允许的核的类型。因此，实现较重的原子核的道路被封堵。

一种解决方案是让一个氦核同时吸收1个中子和1个质子，从而跳过不稳定5核子核，直接生成稳定的6核子锂核（3个质子和3个中子）。然而，1个质子和1个中子同时以完全正确的方式击中氦核的机会微乎其微。这种核反应很难触发，因此想让两个碰撞正好同时发生的愿望太过牵强。

另一种跳过5核子步骤的方法是让两个4核子的氦核合并生成一个8核子核，但出于与5核子核不稳定的同样理由，这种核也是内在地就是不稳定性的。大自然令人气恼地将两条最明显的轻核变重核的路径都堵死了。

图79　匈牙利出生的物理学家尤金·魏格纳试图找到一条从氦核越过5核子鸿沟到碳核以及更重的核的途径，但未能成功。乔治·伽莫夫画了一幅漫画来说明维格纳的失败途径之一。伽莫夫的标题解释道：“E.维格纳提出了另一条跨越质量5的鸿沟的巧妙方法。这就是著名的核铁索桥方法。”

伽莫夫和阿尔弗没有退却。他们用最新的中子寿命和反应截面数据更新了他们的计算。此外，原论文的计算一直依靠的是电驱动的Marchant&Friden台式计算器，现在他们利用计算领域最新发展起来的技术手段来处理问题。他们获得了里夫斯模拟计算机，随后他们又升级到磁鼓存储式计算机。后来，他们又投资购买了IBM的可编程读孔式计算机，最后是SEAC，早期的数字计算机。

好消息是，他们对氢和氦的丰度的估计仍然是准确的。甚至由学术对手的独立计算（如图80）也证实早期宇宙创生的氢和氦的相对丰度与观察到的当前宇宙中的比率基本一致。坏消息是，精确的计算还是没有显示出创造比氦更重的核的机制。

图80　核物理学家恩里科·费米和安东尼·托克维奇也计算了早期宇宙中元素的丰度。他们的结果（如本图所示）与伽莫夫和阿尔弗的结果是一致的。这说明宇宙的化学演化发生在最初的2000秒。

随着中子衰变为质子，中子的数量在不断下降，这就是为什么质子（氢核）的数量在增加的原因。中子数下降的另一个原因是被结合进氦核，氦的丰度也在不断增加，使得它成为宇宙中第二种最丰富的核。图中给出的其他核是氢和氦的同位素，是由普通氢到普通氦的衰变过程中生成的。

天文学家测量了氘和氚（重氢同位素）的现今的丰度，这些测量结果与伽莫夫、阿尔弗以及费米和托克维奇所做出的预测是一致的。这使得大爆炸模型得到进一步认可，现在它可以将宇宙中最轻的原子核的丰度解释成大爆炸后炽热的、致密的环境下的核反应的结果。伽莫夫称之为神圣的“创生”曲线。

虽然重原子的核合成遇到了问题，但阿尔弗开始跟一位名叫罗伯特·赫尔曼的同事合作开展了大爆炸理论另一方面的研究工作。阿尔弗和赫尔曼有很多共同之处。两人都是定居在纽约的俄罗斯犹太流亡者的儿子，都是试图名扬天下的年轻的研究人员。当赫尔曼听到伽莫夫和阿尔弗关于宇宙的讨论后，他克制不住要参与他们的研究。有关宇宙极早时期的计算的想法简直太有诱惑力了。

阿尔弗和赫尔曼根据大爆炸模型重温了宇宙的早期历史，由此开始了他们的新的合作。宇宙极早期阶段纯粹是混沌状态，能量太大使得物质的任何显著变化都无法实现。接下来的几分钟非常关键，可称为黄金时代——不太热，也不太冷，恰到好处的温度形成了氦等轻核。这是α-β-γ论文里所研究的时代。此后，宇宙变得太冷阻止了进一步聚变，但不管怎样，不稳定的5核子核似乎都是生成较重原子核道路上绕不过去的障碍。

虽然对于聚变反应温度已过低，但宇宙的温度仍然有大约100万度，这导致所有的物质以一种称为“等离子体”的状态存在。第一种也是最冷的物质状态是固态，其中的原子和分子被紧密地束缚在一起，例如在冰中。第二种温度稍高点的状态是液态，其中的原子或分子之间的连接较为松弛，允许它们流动，如水分子。第三种温度更高的状态是气态，在气态下原子或分子之间几乎没有任何约束，它们可以独立地移动，如蒸汽分子。物质的第四态——等离子体态，温度是如此之高，以至于原子核已无法管束住自己的电子，所以这种态是一种原子核和电子各自独立的混合态，如图81所示。大多数人都不了解等离子态状态，尽管我们中的许多人每天都会点亮一根荧光灯管，使得里面的气体被电离成等离子体。

因此，在宇宙创生的一小时后，它仍然是一锅简单的原子核和自由电子混成的等离子体汤。带负电荷的电子会因为异号电荷之间的相互吸引而试图将自己锁定在带正电荷的原子核上，但它们运动得太快根本无法束缚在围绕核的轨道上。原子核和电子之间发生一次又一次碰撞反弹，等离子体的状态持续存在。

图81　这4幅图以水为例代表着4种物质状态。水的分子式是H2O，每个分子由两个氢原子结合到一个氧原子上组成。这些分子可以相互绑定形成固体，但热能会削弱这些分子键，形成液体，甚至能够使它们断开形成气体。热能的进一步提高则可以让电子剥离原子核，形成等离子体。

宇宙中还包含一种成分，即占压倒性的光的海洋。然而令人惊讶的是，对这种在宇宙诞生之初就存在的东西，我们没有任何富于启发的经验，因为这时不可能看到任何东西。光很容易与带电粒子（如电子）相互作用，所以光会不断地散射等离子体中的粒子，导致一个不透明的宇宙。由于这种多重散射，等离子体会表现得像一团雾。在雾气中你不可能看到前方的汽车，因为它发出的光在到达你这里之前已经被精细的水滴散射了无数次。因此，能到达你眼睛的光都是经过了很多次的转向。

阿尔弗和赫尔曼继续发展他们的早期宇宙的历史，他们不知道宇宙初期的这种光海与等离子体之间的相互作用随着宇宙在时间推移中膨胀还会发生什么事情。他们意识到，随着宇宙的膨胀，它的能量会散布在更大的体积里，所以宇宙和它里面的等离子会平稳地冷却下来。这两个年轻的物理学家推测，当温度逐渐降低到等离子体无法继续存在时会有这样一个关键时刻，在这一点上，电子会被束缚在原子核上，形成稳定的、中性的氢原子和氦原子。对于氢和氦，从等离子体到原子的转变大约发生在3000℃的条件下，他们估计宇宙要冷却到这个温度大约需要30万年左右的时间。这个事件通常被称为重组（这个词容易引起误解，因为它给人感觉好像电子和原子核以前是结合着的，但实际不是这种情形）。

重组后，宇宙中充满了中性的气态粒子，因为带负电荷的电子都被结合到带正电荷的原子核上去了。这极大地改变了充盈着宇宙间的光的行为。光与等离子体中的带电粒子容易相互作用，但不与气体中的中性粒子作用，如图82所示。因此，根据大爆炸模型，在重组的时刻是宇宙历史上光线第一次可以顺畅地穿越空间的时刻。在此时刻，仿佛宇宙的雾突然消散了。

图82　根据大爆炸模型，重组的瞬间是早期宇宙历史上的一个重要的里程碑。

图（a）显示的是在大爆炸后的前30万年的宇宙环境，这期间一切都是等离子体。光线被它们遇到的粒子不断散射，因为许多粒子都是带电的，这使得散射过程频发。

图（b）显示的是重组后的宇宙环境。这时宇宙已冷却到足以使氢和氦原子核俘获电子，形成稳定的原子。由于原子是电中性的，因此这个阶段没有独立的电荷使光散射。因此宇宙对光是透明的，光线可以顺畅地穿越宇宙。

随着阿尔弗和赫尔曼对后重组宇宙的意义的深入理解，笼罩在他们心头的浓雾也消散了。如果大爆炸模型是正确的，如果阿尔弗和赫尔曼掌握了物理真谛，那么在重组时刻就存在的光就可在今天的宇宙中被探测到，因为光不与弥漫在空间的中性原子相互作用。换句话说，在等离子体时代结束时所释放的光，现在应该作为一种“化石”存在。这种光将是大爆炸的遗产。

阿尔弗和赫尔曼的研究完成于α-β-γ论文面世后的短短几个月之内。应该说，这项研究比计算大爆炸后最初几分钟内的氢变氦过程更为重要。原创性的α-β-γ论文是辉煌的，但它很容易遭到持成见者的指责。当阿尔弗和伽莫夫进行早期的计算时，他们从一开始就知道他们试图寻找的答案，即观测到的氦丰度。所以，当理论计算与观察相匹配时，批评者试图通过声称伽莫夫和阿尔弗原本就在正确的方向上展开他们的计算来诋毁他们的成就。换句话说，反对大爆炸的攻击者不公平地指责他们是为了得到期望的结果来构建他们的理论的，这就像托勒密为了配合火星的逆行玩弄本轮的做法一样。

与此相反，来自创生后30万年的光的遗迹则绝不能被解释为事后诸葛亮。这里没有任何指责的余地。这种光的回声是唯一基于大爆炸模型的一个明确的预言，因此阿尔弗和赫尔曼提供的是一种判决性的检验。检测到这种光将为证明宇宙确实始于大爆炸提供有力的证据。相反，如果这种光不存在，那么大爆炸就不可能发生过，整个模型将崩溃。

阿尔弗和赫尔曼估计，重组时刻所释放的光海具有大致千分之一毫米的波长。这个波长是等离子体雾消散时宇宙温度（即3000℃）的直接结果。然而，所有这些光波会被拉长，因为宇宙自重组以来已经不断膨胀。这就像明显退行的星系所发出的光具有拉长和红移一样，这种效应已经被诸如哈勃等天文学家测得。阿尔弗和赫尔曼自信地预言，抻长了的大爆炸的光的波长现在应该有大约1毫米。这种波长对人眼是不可见的，它位于频谱的所谓微波波段。

阿尔弗和赫尔曼做出具体的预测。宇宙应该充满了波长1毫米的微弱的微波，它应该来自各个方向，因为它在宇宙的重组时刻无处不在。任何能够检测到这种所谓的宇宙微波背景辐射的人都将证明，宇宙大爆炸真的发生过。这一不朽的遗迹就等着人去进行测量了。

不幸的是，阿尔弗和赫尔曼的结论被完全忽略了。没有人做出任何认真的努力去寻找他们提出的宇宙微波背景辐射。

为什么学术界会回避宇宙微波背景辐射的预言，这有多种原因，但首要的是这种研究的跨学科性质。伽莫夫团队一直将理论核物理应用到宇宙学上来提供所需的微波检测，以图检验其预测。因此，检测宇宙微波背景辐射这一预言的理想人选应当是对天文学、核物理学和微波探测技术都感兴趣且有此专长的某个人，但极少有人能有这样宽广的知识面。

即使某个科学家确实具备进行这一探测所必需的技能，他也不会相信检测这种宇宙微波背景辐射在技术上是可行的，因为微波技术在当时还比较初级。即使碰巧他对这一技术的挑战持乐观态度，那么他也可能对该项目背后的目的持怀疑态度。大多数的天文学家当时还不能接受大爆炸模型，并抱定一个永恒宇宙的保守观念。因此，他们为什么要费心去寻找一种出自于很可能根本不存在的大爆炸的宇宙微波背景辐射呢？阿尔弗后来回忆到他、赫尔曼和伽莫夫是怎样花上5年时间来努力说服天文学家相信他们的工作是值得认真考虑的：“我们花了大量精力来讨论这项工作。没有人响应，没有人说这是可行的。”

图83　罗伯特·赫尔曼（左）和拉尔夫·阿尔弗（右）用伽莫夫和贴着“yIem”的酒瓶制造了他们自己的蒙太奇，来庆祝αβγ论文的发表。阿尔弗偷偷地做了一组幻灯片，当他1949年在洛斯阿拉莫斯国家实验室做报告时，这个画面突然出现在屏幕上，这让作为听众的伽莫夫十分惊喜。画面上伽莫夫像一个跟着原始粒子汤一起从瓶子里逃出来的精灵。

为了解决他们的问题，阿尔弗、赫尔曼和伽莫夫不得不忍受着形象上的侮辱。他们常常被描绘成两个年轻的暴发户跟在一个小丑后面亦步亦趋。伽莫夫一向以他的打油诗和他时不时对物理学的另类应用而著称。有一次，他认为上帝住在离地球9.5光年远的地方。这个典故源自这样一个事实：1904年，日俄战争爆发后，俄罗斯各地的教会曾提出请求祈祷日本遭到破坏，但直到1923年日本才遭受关东大地震的破坏。想必祈祷者的祈祷和上帝的愤怒都受到光速的限制，这个延迟的时间表明了主的住所的距离。伽莫夫还因《仙境里的汤普金斯先生》一书而著称。在这本书里，他描述了一个光速仅为几千米每小时的世界，因此骑自行车的人看到了很多相对论的奇异效应，如时间膨胀和长度收缩。不幸的是，一些竞争对手认为这一做法是在推广幼稚和庸俗。阿尔弗总结了他们的困境：“因为他用科普的语言来写物理学和宇宙学，因为他在演讲中注入了大量的幽默，因此有太多的同行科学家经常不拿他当回事儿。他的不被重视也让作为他的同事的我们两个被忽略，特别是因为我们从事的是这样一种猜测性的宇宙学领域的工作。”

鉴于对他们工作的那种压倒性的冷漠，3个人在1953年发表了对他们的工作的最后总结和新的计算方法后，不情愿地结束了他们的研究计划。伽莫夫转向其他研究领域，包括与DNA有关的化学研究。阿尔弗离开了学术界，成为通用电气的一名研究员，赫尔曼加入了通用汽车研究实验室。

伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼的离去使得大爆炸宇宙学陷入一种困难境地。几年后，大爆炸模型面临着两个尴尬的问题。首先，基于星系的红移，大爆炸宇宙的年龄小于它所包含的恒星的年龄，这显然是荒谬的；其次，大爆炸生成原子的尝试在氦这个地方遇到阻碍，这让人十分尴尬，因为这意味着宇宙中不应含有氧、碳、氮或其他重元素。尽管前景黯淡，但大爆炸还没到山穷水尽的地步。如果有人能发现阿尔弗和赫尔曼所预言的宇宙微波背景辐射，这个模型是可以挽救和可信的。不幸的是，没有人愿意受累去寻找它。

同时，那些支持永恒宇宙想法的人的状况看起来要积极得多。他们正准备用修改了的模型进行反击。英国的一个宇宙学家小组正在发展一种不仅能给出永恒的宇宙，而且还能够解释哈勃的红移观测结果的理论。这种新的永恒宇宙模型将成为创生的大爆炸模型的最大竞争对手。

万变不离其宗

弗雷德·霍伊尔于1915年6月24日生于宾利。他是约克郡人，一位宇宙学家，一个性格叛逆者，也是一个富于创造性的天才。未来将证明，他是大爆炸模型遇到的最强劲和最具攻击性的批评家，并在我们对宇宙的理解方面做出巨大的贡献。

霍伊尔在早年就显示出过人的观察和演绎天赋。当他还只有4岁时，便独自想出一个告知时间的详细分析过程。霍伊尔注意到，当他的父母向对方询问时间时，对方会先看一下外祖父的钟。于是霍伊尔便开始一遍一遍地问时间，看看到底会发生什么事情。一天晚上，他在被送到床上去睡觉时被告知现在已经是“7点过20分”了，于是他在入睡前解开了这个谜：

我突然想到了一个主意。可能这就是“时间”，而不是一个我不知道的神秘数字——所谓“7点过20分”，真的是2个单独的数字20和7吗？……钟上有两个指针。也许一个数字属于一个指针，另一个数字属于另一个指针。第二天我又反复琢磨了“什么是时间”这个问题，好像确实是这样。因为钟面上的数字是大而清晰的，现在很容易看到有2套。一个指针对应着一套数字，另一个指针对应着另一套数字。我又有了新发现，懂得了什么是“过”和“到”，但实际上，这个问题解决了，我可以转向其他令人费解的事情上去了，像是什么让风吹拂起来。

霍伊尔喜欢独自了解世界，因此他经常逃学，几个星期里总要旷一次课。他在自传中回忆道，那时候老师试图教他罗马数字，而当时阿拉伯数字已经非常好懂而且无处不在，所以上这种课显得毫无意义：“这让我完全不能忍受，这种对智力的羞辱最终迫使我没上完那堂课。”在另一次课上，霍伊尔带着鲜花走进教室，以此证明它有比老师前一天讲述的更多的花瓣。老师对他的这种张狂报以掌掴。因此毫不奇怪，霍伊尔又走了出来，而且再也没有回去。

图84　（左上）母亲抱着还是婴儿的霍伊尔。他父亲即使在第一次世界大战的战壕里，也一直带着这张照片。右上照片背后的注记显示，这是蹒跚学步时的霍伊尔与他的玩具熊，霍伊尔后来把自己描述为“显然信服一种错误的观念，认为世界要比我后来发现它的样子更美好。”左下照片中的霍伊尔大约10岁的年龄，这正是他逃学的高峰期。最后这张照片显示他已是剑桥大学的年轻大学生。

年轻的霍伊尔似乎花在本地电影院里的时间要比在教室里的时间多得多。他通过研究无声电影的字幕来弥补课堂上没学到的东西：“我的阅读是在瞅空钻进电影院看电影中学会的……电影院实在是卓越的教育机构……每场只要1个铜板，比上课合算多了。”

当他稍大几岁后，霍伊尔表现出对天文学的兴趣。他的父亲，一个没有受过教育的布料商人，常常陪他去邻镇看望一个有望远镜的朋友。他们在那里待到晚上来研究星星，第二天一大清早赶回家。霍伊尔早年对天文的迷恋在12岁时读了亚瑟·爱丁顿的《恒星和原子》一书而得到强化。

最终，霍伊尔被说服接受英国教育。他入读彬格莱文法学校，然后走上了传统的学术道路。1933年，他获得奖学金进入剑桥大学伊曼纽尔学院深造，在那里学习数学。他表现出色，赢得了梅休奖，这个奖颁给在应用数学方面最优秀的学生。毕业后，他取得了攻读剑桥博士学位的资格，跟随如鲁道夫·皮尔斯、保罗·狄拉克、马克斯·玻恩和他心目中的英雄亚瑟·爱丁顿一起工作。1939年获得博士学位后，他被推选为圣约翰学院的研究员，由此他的研究开始关注恒星的演化。

但霍伊尔的学术进展突然被打断了：“战争改变了一切。它破坏了我相对富足的生活，也吞噬了我创造力最强盛的时期，当时我刚刚找到研究工作的立足点。”最初他被派往奇切斯特附近的海军雷达组工作，1942年，他被提拔为位于萨里郡的威特利海军信号基地的部门领导，在那里他继续从事雷达研究。也正是在这里，他遇到了托马斯·戈尔德和赫尔曼·邦迪，这两位与他一样对天文学很感兴趣。在未来的岁月里，霍伊尔、邦迪和戈尔德的合作将变得像他们的强大的美国对手伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼小组一样的著名。

邦迪和戈尔德，都在维也纳长大，然后又一起到了剑桥学习，两人同住在靠近英国海军部研究实验室的一所房子里。霍伊尔往往一个星期会花好几个晚上与他们待在一起，因为他自己的家在80千米外，他不喜欢把时间抛洒在上下班的路上。在白天深入研究如何建造更好的雷达系统结束后，三个男人经常在家里通过对战前就感兴趣的主题举行小型研讨会来放松自己。

特别是，他们对哈勃的膨胀宇宙的观察结果及其影响变得非常着迷。每当他们要解决一个宇宙学问题时，每个人都能发挥各自特有的专长。邦迪是数学天才，提供讨论的逻辑基础，并将问题提升为公式。戈尔德更擅长揭示问题背后的科学意义，因此通常为邦迪的方程提供物理解释。霍伊尔学问最大，专门负责引导思路。据戈尔德所言：

弗雷德·霍伊尔一直催促我们——哈勃膨胀意味着什么？我们总是面临着霍伊尔提出的挑战。霍伊尔让邦迪盘腿坐在地板上，然后坐在他身后的一把扶手椅上，每隔5分钟就踢他一下，让他写快点，就像你策马扬鞭。他会坐在那儿说，“来吧，做这个，做那个”，邦迪以飞快的速度计算着，虽然他并不清楚所计算的东西——偶尔他会问霍伊尔，“现在我该是乘上还是除以1046？”

战争结束后，霍伊尔、邦迪和戈尔德分别在天文学、数学和工程领域忙着各自的事业，但他们都住在剑桥，因此在业余得以继续他们的宇宙学头脑风暴。霍伊尔和戈尔德会定期在邦迪的家里聚会讨论两个竞争性宇宙学理论——大爆炸模型和永恒的静态模型——的正反方观点。他们的讨论对大爆炸模型存在很大程度的偏见，这部分是因为这个模型给出的宇宙年龄比其中的恒星还年轻，部分是因为没有人知道大爆炸之前是什么。同时，他们三个也都承认，哈勃的观测结果意味着一个不断膨胀的宇宙。

图85　弗雷德·霍伊尔对物理学和天文学的许多领域都做出过贡献，但他最有名的是他的稳恒态宇宙模型。

接着，到了1946年，剑桥三人组突然取得了突破。他们捣鼓出一个全新的宇宙模型。他们的模型之所以不凡，是因为它似乎达成一种不可能的妥协：它描述了一个正在膨胀的宇宙，但它依然是真正永恒的，基本上不变。在此之前，宇宙膨胀一直是大爆炸创世时刻的代名词，但此刻新的模型表明，哈勃红移和退行的星系也可以成为业已存在的传统宇宙观的同盟军。

这一新模型的灵感似乎来自于1945年9月上映的一部叫作《深夜》的电影。虽然它是由伊灵工作室出品，但与它通常出品的英语上流社会的喜剧相去甚远。事实上，这是在废除战时审查制度（禁止可能会破坏士气的任何形式的娱乐活动）之后由英国拍摄的第一部恐怖电影。

《深夜》，主演约翰·默文、米歇尔·雷德格雷夫和古奇·威瑟斯，讲的是一个叫沃尔特·克雷格的建筑师一天睡醒后来到乡村，到一户人家商讨一种新的设计方案时所发生的故事。当他到达后，他对屋里的各位客人说，他在经常做的一个令人不安的梦里已经认识了他们。客人们的反应既有怀疑又充满好奇，于是他们一个接着一个地讲述了各自的奇特经历，克雷格由此听到了一连串的5个恐怖故事。这些故事既有兄弟间谋杀的故事，也有精神病医生对精神病腹语患者行为的解释。克雷格被每个故事弄得越来越激动，直到电影在一阵可怕的恐惧中进入高潮。突然他醒了过来，这才意识到这一连串的事件只是一场令人讨厌的梦。他爬下床，穿好衣服，来到乡村，走访农家商讨一种新的设计方案。当他到达后，他对屋里的各位客人说，他在经常做的一个令人不安的梦里已经认识了他们……

这部电影有一个奇怪的特性，因为故事随着时间，随着新的人物的出现和整个情节的发展而不断演化，但它结束的地方恰恰是它开始的地方。发生了很多事情，但在影片的结尾却什么都没有改变。因为这个循环结构，这部电影可以无限演绎下去。

三个人于1946年在吉尔福德电影院观看了这部电影，不久戈尔德就受此暗示提出了一个惊人的想法。霍伊尔后来描述了戈尔德对《深夜》的反应：

汤米·戈尔德被这部片子牢牢抓住了，那天晚上他说：“如果宇宙的构造也像这样那会怎样？”人们往往将不变的情形看作必然是静态的。这部“鬼故事”电影给我们所有三个人的最大启示就是去除了这种错误观念。我们可以有一种动态的不变情形，例如一条平稳流动的河流。

这部电影启发戈尔德提出了一种全新的宇宙模型。在这个模型中，宇宙仍在膨胀，但它在所有其他方面都与大爆炸模型相左。请记住，大爆炸模型的支持者认为，膨胀的宇宙就意味着宇宙有一个体积很小、密度很高且炽热的过去，这在逻辑上必然推断出宇宙始于数十亿年前的一次创生。与此相反，戈尔德认为，膨胀的宇宙在很大程度上可以一种不变的状态永远存在下去。正如在《深夜》中的情形，戈尔德想象宇宙随着时间的推移演化，但大体上保持不变。

在详细解释戈尔德的看似矛盾的想法之前，我们不妨来看看我们身边的一些切合这种观念——不断变化但具有永恒特征——的事情。霍伊尔以一条河为例，河流在不断地流动，但其基本形状没有改变。再有，有一种云叫透镜状高积云。这种云通常出现在山顶，甚至出现在刮猛烈的风的期间。潮湿的空气被上升气流吹向云的一侧，在此冷却，凝结，形成新的液滴并添加到云中。同时，下沉气流形成的风又吹走了云的另一侧的水滴，此时液滴向山下流动，遇热蒸发。水滴不断地从一侧加入到云中，同时又在另一侧不断丢失，但总体而言，云的形状并没有什么改变。甚至我们的身体也表现出这种不断改变但总体和谐稳定的特性，因为我们的细胞在不断地死亡，并由新细胞替换掉，新细胞不久又死了，又由更新的细胞所取代，周而复始。事实上，几年过去，我们身上的几乎所有的细胞全都被替换了一遍，但我们仍然是同一个人。

那么，戈尔德是如何将这一原理——不断发展但总体不变——运用到整个宇宙上的呢？持续发展是显而易见的，因为宇宙看上去在不断扩张。如果这种扩张不伴随其他过程，那么宇宙就将随时间发生变化，变得不那么致密，这正是大爆炸模型所显示的。然而，戈尔德向演化的宇宙中引入了第二个因素，一个抵消膨胀的稀释效果，从而不导致整体变化的因素。这就是宇宙通过不断产生新物质来填充星系退行留下的空隙，从而使宇宙的总体密度保持不变的想法。这种宇宙表观上在不断演化和膨胀，但它总体上不变，呈稳恒态。宇宙因膨胀引起的耗散将通过物质的不断产生得到补充。

演化而又不变的宇宙的概念被称为稳恒态模型。当戈尔德第一次推出这一概念时，霍伊尔和邦迪称之为疯狂的理论。那天傍晚他们正在邦迪家聚会，在晚餐前，霍伊尔还认为戈尔德的理论可能被撕去，他不认同。但随着他们变得越来越饿，事情变得越来越清晰：戈尔德的宇宙论是自洽的，与广泛的天文观测结果兼容。这是一个完全合理的宇宙理论。简言之，如果宇宙是无限的，那么它可以体积增大一倍而保持不变，只要在星系之间不断有物质产生即可，如图86所示。

此前所有的宇宙学思维均受到宇宙学原理的引导。这一原理指出，我们在宇宙中的位置——银河系及其周围——本质上与宇宙其他地方是一样的。换句话说，我们并不位于宇宙中某个特殊位置上。爱因斯坦在首次将广义相对论推广到整个宇宙上时就运用了这一原理。但戈尔德前进了一步，提出了理想宇宙学原理：不仅我们的这块宇宙补丁与宇宙其他地方的一样，而且我们在宇宙中所处的时间也与其他任何地方一样。换句话说，我们既不生活在宇宙的一个特殊的地方，也不是处在宇宙的某个特定时刻。宇宙不仅处处一样，而且时时一样。戈尔德认为，宇宙的稳态模型是他的理想宇宙学原理的自然结果。

图86　图（a）显示大爆炸宇宙的膨胀。一个小的宇宙补丁面积增大1倍，随后再次倍增。于是代表星系的点变得稀疏，随着时间的推移，宇宙变得不那么稠密。

图（b）显示稳恒态宇宙的膨胀。宇宙的小补丁面积同样是两次加倍，但这次在旧的星系之间出现了新的星系，如演化的中间阶段所示。这些种子星系发展成完全成熟的星系，所以第三张图的宇宙看起来与第一张的相同。批评者可能会抱怨说，虽然宇宙密度相同，但宇宙已经改变了，因为它现在是以前的4倍。但是如果宇宙是无限的，那么4倍的无限仍然是无限的。因此，一个无限的宇宙确实可以不断膨胀但保持不变，只要由膨胀所产生的空白能被新的星系填满就行。

剑桥三人组进一步发展了戈尔德的想法，最终在1949年发表了2篇论文。第一篇由戈尔德和邦迪撰写，从广泛的哲学角度描述了稳恒态模型。霍伊尔则想用更多的数学细节来表达这个模型，这就是为什么他的文章单独发表。这种风格上的分野只是表面的，霍伊尔、戈尔德和邦迪继续携手合作，将他们的稳恒态模型推进到宇宙的其他地方。

针对稳恒态模型可以直接提出两点质疑。所有这些物质都是在哪里被创造出来的，它们来自哪里？霍伊尔回应说，任何人都不应期望看到恒星和星系出现的地方。对宇宙膨胀的补偿需要物质的产生速度仅为“在体积等于帝国大厦的空间里每世纪产生一个原子”，因此地球上的观察者不可能检测到。为了解释这些原子的产生，霍伊尔提出了产生场（也称C场）的概念。这个完全假想的实体渗透到整个宇宙，自发地产生原子并维持现状。霍伊尔不得不承认，他不知道他的C场背后的物理，但在他看来，他的这种物质不断生成的模型要远比全能的大爆炸模型更明智。

现在宇宙学家有了一个明确的选择。他们可以选择大爆炸宇宙，它有一个创生的时刻，并具有非常不同于现在的有限的历史和未来。他们也可以选择稳恒态宇宙，它有连续的物质产生，具有很大程度上与当今相同的永恒的历史和未来。

霍伊尔急于证明稳恒态模型代表着真正的宇宙，他提出了一种明确的检验方法来证明他是正确的。根据稳恒态模型，新的物质处处被产生出来，而且这过程随着时间进程将处处产生新的星系。这些婴儿星系应该也存在于我们的周围，存在于宇宙的另一边，以及所有地方。如果稳恒态模型是正确的，那么天文学家就应该能够在整个宇宙中检测到这些婴儿星系。但是大爆炸模型预言了一种非常不同的情形。它声称整个宇宙是同时诞生的，所有的一切都应该以一种类似的方式演化，所以有一段时间所有的星系都是婴儿，此后它们大多是青少年，现在它们应该是相当成熟的。因此，现今要想看到婴儿星系的唯一方式是要有一架可以看到很远很远的宇宙的非常强大的望远镜。这是因为一个非常遥远的星系所发出的光需要有如此长的时间才能到达我们这里，我们看到它，就等于看到了遥远的过去，因此这个星系可认定是一个婴儿星系。

因此，稳恒态模型预言婴儿星系均匀分布在宇宙各处，而根据大爆炸模型，我们只能在非常遥远的距离之外才能看到婴儿星系。不幸的是，这场稳恒态模型与大爆炸模型之间的争论始于20世纪40年代末，当时即使是世界上最强大的望远镜也没有强大到足以让天文学家对婴儿星系和较成熟的星系做出区分。婴儿星系的分布不明确，大爆炸与稳恒态的争论仍没有解决。

图87　托马斯·戈尔德、赫尔曼·邦迪和弗雷德·霍伊尔，三人提出了宇宙的稳恒态模型。

由于缺少精确的观察或过硬的数据来对大爆炸和稳恒态模型做出区分，于是两个敌对阵营便使出冷嘲热讽来替代科学论证。例如乔治·伽莫夫指出，大部分的稳恒态模型的支持者来自英格兰，于是就用这一点来奚落他们：“稳恒态理论在英国是如此受欢迎并不奇怪，这不仅是因为它的3位提出者是英国（土生土长的和进口的）后代——H.邦迪、T.戈尔德和F.霍伊尔，而且还因为它曾是大不列颠维持欧洲现状的政策。”

霍伊尔和戈尔德，以及一定程度上的邦迪，都属地地道道的叛逆者，所以伽莫夫嘲弄称稳恒态模型源于典型的英国保守主义是相当不公正的笑话。事实上，霍伊尔在质疑正统观念方面可谓近乎偏执。有时他被证明是对的，但很多时候他只是表现出作为一个科学家的思想深度。最著名的当属霍伊尔非难始祖鸟化石为伪造，而且他还表示过对达尔文的自然选择进化论的严重怀疑。他在写给《自然》杂志的文中称：“从无生命的物质到形成生命的可能性只有1后面跟着40000个零分之一的概率……这个分母大到足以埋葬达尔文和全部进化论。”

霍伊尔后来想出了一个说明复杂进化明显不可能的戏剧性比喻：“想象一场龙卷风刮过一个杂乱的院子，大风过后，在它经过的道路上停着一架全新的波音747大型喷气式客机，显然，这架飞机就是由院子里垃圾随机组装起来的。”

像这样的评论不仅有损于霍伊尔的地位，并且通过学界，也多多少少有损于稳恒态模型在宇宙学家中的声誉。稳恒态模型三人组还被批评为与天文观测没有任何关系。加拿大天文学家拉尔夫·威廉姆森在谈到霍伊尔时说，“他对现代天文学赖以确立的大型望远镜没有真正的体验”。换句话说，威廉姆森声称，只有那些积极探索宇宙的人才有资格提出理论。

邦迪通过直接攻击威廉姆森的评论来捍卫霍伊尔：“这种评论就像是说只有水管工和送牛奶的才有资格谈论流体力学问题一样的愚蠢。”

威廉姆森还攻击霍伊尔过于思辨，没有将他的宇宙学置于具体的天文观测结果——所谓铁的事实——的基础上。邦迪再次很快站出来为霍伊尔辩护：“但什么是天文事实呢？顶多只是照相底片上的一块污迹！”辩论双方已经沦落到了无聊的扯皮和诽谤的水平。

受够了小人政治和人身攻击的霍伊尔选择向公众，而不是向学界同行，来解释他关于宇宙的想法。他写了好些篇文章，并出版了一系列畅销书，这些作品都具有活泼明晰的风格。他曾写道：“太空并不遥远。只有1小时的车程，如果你的车可以直达的话。”他确实是一位多才多艺的语言大师，最后他给英国广播公司写了一部电视连续剧，取名《仙女座》，还为孩子们写了一出名为《火箭飞往大熊座》的戏剧在伦敦西区的剧院上演。他还写了一系列科幻小说，包括《黑云》。

在他的第一部科普作品《宇宙的性质》中，霍伊尔为稳恒态模型提出了详细的辩护：“这似乎是一个奇怪的想法，我认为是这样，但在科学上，不论多么奇怪的想法，只要它有效，就都不是问题——也就是说，只要一个想法可以用精确的形式来表达，只要它的结果被发现与观察是吻合的，就能够被接受。”

有趣的是，乔治·伽莫夫——霍伊尔在大爆炸与稳恒态模型争论中的主要对手——也用科普的形式来阐述自己的理论。两个人在公众对科学的理解方面都具有巨大的影响力，这就是为什么他们俩都能够赢得联合国教科文组织为普及科学设立的卡林加奖，伽莫夫于1956年获奖，霍伊尔于1967年获奖。

寻求公众支持的这场比拼可从神剧《汤普金斯先生神游仙境》中怪诞的一幕戏中得到很好的诠释。这个剧是伽莫夫写的一出科学幻想剧。伽莫夫将霍伊尔写入剧中，并让他唱了一首模仿自己的稳恒态理论的歌。为了证明他的观点，伽莫夫将霍伊尔引到故事中，让他“从璀璨星系之间的空间的无”产生出物质。

这场争夺传播宇宙知识控制权的科普战斗的最重要的事件发生在1950年的英国国家广播公司的节目上。BBC对潜在的约访嘉宾都有档案记录，在关于霍伊尔的记录文件上标有“不用这人”的断语，这可能是因为他被认为是个麻烦制造者，他不断地反对现有的知识体系。然而，节目制片人，也是剑桥学术圈的同行彼得·拉斯莱特却不顾警告，邀请霍伊尔在第三套节目中做了一档连续五讲的系列讲座。这个系列讲座定于每周六晚上8时播出，并在《听众》杂志上发表了讲座文稿。整个节目获得了巨大成功，霍伊尔成了名人。

因为最后一讲中的一个历史性时刻，这个广播系列讲座直到今天仍被人们所铭记。虽然在本书的前几章里就已经出现“大爆炸（Big Bang）”一词，但其使用实际上是一种时代错误，因为这个词最初就是霍伊尔在这个广播讲座中提出的。在霍伊尔创制出这个吸引人的标牌之前，这一理论一般被称为“动态演化模型”。

“大爆炸”一词是霍伊尔在解释有哪两种相互竞争的宇宙学理论时提出的。一个当然是他自己的稳恒态模型，而另一个模型涉及到创生的瞬间：

它们中的一个最突出的是提出了这样一个假设：宇宙始于有限时间之前的一次巨大的爆炸。按照这个假设，目前宇宙的膨胀是这种爆炸的遗迹，然而，这个Big Bang的想法在我看来并不令人满意……从科学依据方面说，这个大爆炸假设有两点缺憾。因为这个不合理的过程无法用科学的术语来描述……从哲学方面看，我也看不出有什么好的理由来喜欢大爆炸的想法。

当霍伊尔使用“Big Bang”一词时，他的声音带着一种很轻蔑的口气，给人感觉他是故意用这个短语作为对竞争对手理论可笑的评论。尽管如此，大爆炸模型的拥趸和批评者都逐渐采用并接受了这个用语。大爆炸模型的最大的批评者无意中命名了它。