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第4章 金发姑娘[1]的宇宙——元素起源

钻石雨 马库斯·乔恩16167字2026-08-15

你血液中的铁、你骨骼中的钙、你每次呼吸吸入的氧气,所有这一切都是在地球和太阳诞生之前的恒星中锻造形成的。你的肉体就是从星尘变来的。你简直就是天堂制造。

我们DNA中的氮、牙齿中的钙、血液中的铁、苹果派中的碳都是在坍缩的恒星内部形成的——我们是用星星做的。

——卡尔·萨根(CarlSagan)

当我们望向宇宙时,会发现物理学、天文学中有利于我们的巧合如此之多,简直就好像宇宙知道我们要来了。

——弗里曼·戴森(FreemanDyson)

1953年2月,加利福尼亚州帕萨迪纳市,凯洛格辐射实验室

威利·福勒(WillyFowler)在想,坐在他对面的这个人简直是胡说八道。福勒是一名实验核物理学家,他很清楚,世界上没有人能做到这个家伙声称他能做的事情——预测复杂原子核的精确能态。那是一个多体系统(manybodysystem),大量的质子和中子像一群亚微观的蜜蜂一样,在里面嗡嗡作响。理论家们的能力有限,只能预测二体系统(two-bodysystem)的确切行为,如电子在氢原子中绕质子旋转或者月球绕地球轨道运行。

然而,就在加州理工学院凯洛格辐射实验室(KelloggRadiationLaboratory)福勒的办公室里,这位戴着眼镜、自称天文学家的英国佬却说,他能做到世界上任何核物理学家都做不到的事情。更离谱的是,他的预测并不是基于对核物理学的思考,而是出于一个让福勒感觉与结论毫无逻辑关系的论据——宇宙里有碳。福勒确定他听弗雷德·霍伊尔(FredHoyle)说的是:“因此,碳核(carbonnucleus)一定有一个精确到7.65兆电子伏特[2]的能级。”

霍伊尔告诉福勒,他确信所有原子的核心,或者说原子核,都是由最简单的原子——氢——的原子核在恒星内部合成的。那些恒星早在太阳和地球诞生之前,就已经演化并且消亡了。这种合成必然经历多个阶段。第一步是4个氢原子核以某种方式结合在一起,形成第二轻的原子——氦——的原子核。[3]第二步是将2个氦核聚合在一起,形成1个铍原子核。问题是,铍是不稳定的,在短短十亿分之一秒内就会分裂。因此形成更重的原子核,如氧、钙和钠的途径似乎被阻断了。

霍伊尔声称,有一种方法可以绕过令人头疼的铍屏障。据福勒所知,霍伊尔的解决方案要求碳核存在一个比基态(groundstate)高7.65兆电子伏特的高能激发态(excitedstate)。

后来福勒回忆说,他对霍伊尔的第一印象并不太好,感觉霍伊尔“完全不在正常的心理状态”。[53]然而,常年生活在附近的威尔逊山天文台100英寸(约2.54米)望远镜(MountWilson100-inchtelescope)的巨大阴影之下——尤其是爱德文·鲍威尔·哈勃(EdwinPowellHubble)用这架望远镜于1929年发现了宇宙在膨胀(当时人们都不相信宇宙在膨胀)——福勒成长为一位能够对各种天文思想保持宽容态度的核物理学家。事实证明,没把霍伊尔赶出门外是他职业生涯中做出的最明智的决定。

霍伊尔很可能是错的,但福勒秉持了实验者的座右铭:千万不要忽视看似不可能的事情。于是福勒把研究小组的成员叫到办公室,让这位英国天文学家把刚才的话再说一遍。“有没有可能,”霍伊尔问,“实验中漏掉了碳7.65兆电子伏特的能级?”

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