《海邊拾貝·霍伊爾的故事》

《海邊拾貝·霍伊爾的故事》

【摘譯自西蒙·辛格的《大爆炸：宇宙的起源》】...碳最普通的形態是碳-12。碳的原子核包含十二個粒子，六個質子和六個中子。氦最普通的形態是氦-4。氫原子核包含兩個質子和兩個中子。霍伊爾的問題就是是否有可行的機製將三個氦核轉化成一個碳核。

一種可能是三個氦核同時碰撞在一起形成一個碳核。這想法不壞，但不現實。三個氦核在同一時間出現在同一地點，並且以想要的速度碰撞聚合成碳核的可能性基本為零。另一個途徑是兩個氦核聚合成一個鈹-8原子核，然後這個鈹核和一個氦核再聚合成一個碳核。

隻是鈹-8核非常不穩定。一個鈹-8核隻能維持不到千萬億分之一秒。即使我們想像在如此短的時間裏一個鈹-8核和一個氫核融合成一個碳核，還有一個障礙要克服。

一個氦核和一個鈹核的總質量略大於一個碳核的質量。所以氦核和鈹核聚合成碳核時就得去掉多餘的質量。通常核反應會將多餘的質量轉化成能量。質量差越大，反應需要的時間就越長。但鈹-8核沒有這個時間。因為鈹-8核的壽命如此之短，碳的形成幾乎需要是自發的。

這樣，由鈹-8變碳的過程有兩個障礙。首先鈹-8極其不穩定，難以維持一丁點的時間。但因為質量不對等，將氦和鈹轉化為碳又需要足夠的時間。這實在是個兩難境地。霍伊爾可以就此打住，去做些更簡單的事情。但是在這裏，霍伊爾實現了科學史上一次偉大的直覺飛躍。

雖然一個核子有一個標準結構，但霍伊爾知道變異的（內部質子中子）結構排列是可能的。...我們說碳的標準結構是它的基態，變異的結構是所謂的激發態。注入能量就能將碳從基態轉化到激發態。因為質能等價原理，處於激發態的碳質量會略大一點。霍伊爾尋思到碳核一定有一個激發態，它的質量正好是氦-4核和鈹-8核的總質量。這樣氦核和鈹-8核可以足夠迅速地反應，形成碳核...

霍伊爾對碳存在這樣一個激發態的設想充滿信心。支持他的是一套奇怪而又合理的邏輯。霍伊爾的前提是他存在於宇宙之中。再者，他是以碳為本的生命形體。所以碳存在於宇宙，而且必然有碳形成的方式。碳形成的唯一方式依靠碳的一個特定激發態，所以碳的這個激發態必然存在。霍伊爾的這個嚴格思維在後來稱為人擇原理。它有不同形式的描述，但可以這樣認為：“我們在這裏研究宇宙，所以宇宙的規律必須和人存在的事實自洽。”...

霍伊爾預算出他設想的碳激發態的能級高過基態7.65兆電子伏特。...現在霍伊爾想要證實這個激發態的存在。

1953年霍伊爾有了這個碳激發態的猜想不久，被邀請到加州理工學院休假。一天霍伊爾晃進福勒的辦公室。福勒已是世界著名的實驗核物理學家。霍伊爾告訴福勒他預言一個7.65兆電子伏特的碳激發態，...想要福勒查一下。

這是福勒第一次見到霍伊爾。他根本不知道這個英國人在想什麽。碳-12的研究已經很詳盡了，並沒有這個激發態。事後福勒回憶道，“我很懷疑這個靜態宇宙理論學家應該問碳-12核有關的問題。...這個有意思的小個子居然要我們放下手上重要的事，去查那個什麽態。我們把他撂在一邊。快走人吧，年輕人，別煩我們了。”

霍伊爾不放棄，接著理論說隻需要幾天的時間針對地查找7.65兆電子伏特的激發態。如果我錯了，你隻要加幾個晚班就能趕上進度。如果我是對的，你就成就了核物理的一個重大發現。福勒覺得霍伊爾說的利害關係在理，馬上讓他的實驗小組去查...

十天後福勒的實驗小組發現碳的激發態就在霍伊爾預言的能級上。這是第一次也是唯一一次科學家運用人擇原理給出並且證實一個預言。確實是天才的一筆。

最終，霍伊爾證明了由氦到鈹再到碳的轉化機製。他證實在大約兩億度高溫時碳的合成。這是一個緩慢的過程，但億萬的恒星在億萬年中會產生出足夠量的碳。...

整個理解恒星核合成的科研項目持續了十多年。霍伊爾一直處於核心地位。他的研究受到福勒的實驗支持。後來他又和伯比奇夫婦合作。四人完成了“恒星元素的合成”的論文，論述每個恒星（演化）過程的角色和對應的核反應的結果。文章大膽地宣稱，“我們可以以一個普適的方式解釋在恒星和超新星核合成機製下形成的幾乎所有從氫到鈾的原子同位素的豐度。”

這篇論文如此有名，被簡稱為B2FH論文（由四人姓氏的縮寫組成）。論文被認為是二十世紀科學的偉大成就之一。不奇怪它的作者會得到諾貝爾獎。但奇怪的是1983年的諾貝爾物理學獎給了福勒，而不是霍伊爾。

這是諾貝爾獎史上一次極大的不公開。原因是霍伊爾生性耿直，得罪了不少人。比如，霍伊爾曾公開批評1974年物理獎的評獎。他同意脈衝星的發現是一項重大科學突破，但氣憤於做出關鍵天文觀測的年輕的喬瑟琳·貝爾被排除在得獎人之外。在這件事上保持沉默也許好點，但爽直的霍伊爾無法裝出好好人的樣子。

同樣地，霍伊爾也沒法在劍橋大學悶頭做事，做個老實人。他一直不滿劍橋的紛繁無聊的人事關係。1972年，霍伊爾終於辭去劍橋的職務。...在以後的三十年裏一直是天體物理學的流浪者...

--寫於2019年2月23日 （圖片來自網絡）