《海边拾贝·霍伊尔的故事》
《海边拾贝·霍伊尔的故事》
2019年2月23日
【摘译自西蒙·辛格的《大爆炸：宇宙的起源》】...碳最普通的形态是碳-12。碳的原子核包含十二个粒子，六个质子和六个中子。氦最普通的形态是氦-4。氢原子核包含两个质子和两个中子。霍伊尔的问题就是是否有可行的机制将三个氦核转化成一个碳核。
一种可能是三个氦核同时碰撞在一起形成一个碳核。这想法不坏，但不现实。三个氦核在同一时间出现在同一地点，并且以想要的速度碰撞聚合成碳核的可能性基本为零。另一个途径是两个氦核聚合成一个铍-8原子核，然后这个铍核和一个氦核再聚合成一个碳核。
只是铍-8核非常不稳定。一个铍-8核只能维持不到千万亿分之一秒。即使我们想像在如此短的时间里一个铍-8核和一个氢核融合成一个碳核，还有一个障碍要克服。
一个氦核和一个铍核的总质量略大于一个碳核的质量。所以氦核和铍核聚合成碳核时就得去掉多余的质量。通常核反应会将多余的质量转化成能量。质量差越大，反应需要的时间就越长。但铍-8核没有这个时间。因为铍-8核的寿命如此之短，碳的形成几乎需要是自发的。
这样，由铍-8变碳的过程有两个障碍。首先铍-8极其不稳定，难以维持一丁点的时间。但因为质量不对等，将氦和铍转化为碳又需要足够的时间。这实在是个两难境地。霍伊尔可以就此打住，去做些更简单的事情。但是在这里，霍伊尔实现了科学史上一次伟大的直觉飞跃。
虽然一个核子有一个标准结构，但霍伊尔知道变异的（内部质子中子）结构排列是可能的。...我们说碳的标准结构是它的基态，变异的结构是所谓的激发态。注入能量就能将碳从基态转化到激发态。因为质能等价原理，处于激发态的碳质量会略大一点。霍伊尔寻思到碳核一定有一个激发态，它的质量正好是氦-4核和铍-8核的总质量。这样氦核和铍-8核可以足够迅速地反应，形成碳核...
霍伊尔对碳存在这样一个激发态的设想充满信心。支持他的是一套奇怪而又合理的逻辑。霍伊尔的前提是他存在于宇宙之中。再者，他是以碳为本的生命形体。所以碳存在于宇宙，而且必然有碳形成的方式。碳形成的唯一方式依靠碳的一个特定激发态，所以碳的这个激发态必然存在。霍伊尔的这个严格思维在后来称为人择原理。它有不同形式的描述，但可以这样认为：“我们在这里研究宇宙，所以宇宙的规律必须和人存在的事实自洽。”...
霍伊尔预算出他设想的碳激发态的能级高过基态7.65兆电子伏特。...现在霍伊尔想要证实这个激发态的存在。
1953年霍伊尔有了这个碳激发态的猜想不久，被邀请到加州理工学院休假。一天霍伊尔晃进福勒的办公室。福勒已是世界著名的实验核物理学家。霍伊尔告诉福勒他预言一个7.65兆电子伏特的碳激发态，...想要福勒查一下。
这是福勒第一次见到霍伊尔。他根本不知道这个英国人在想什么。碳-12的研究已经很详尽了，并没有这个激发态。事后福勒回忆道，“我很怀疑这个静态宇宙理论学家应该问碳-12核有关的问题。...这个有意思的小个子居然要我们放下手上重要的事，去查那个什么态。我们把他撂在一边。快走人吧，年轻人，别烦我们了。”
霍伊尔不放弃，接着理论说只需要几天的时间针对地查找7.65兆电子伏特的激发态。如果我错了，你只要加几个晚班就能赶上进度。如果我是对的，你就成就了核物理的一个重大发现。福勒觉得霍伊尔说的利害关系在理，马上让他的实验小组去查...
十天后福勒的实验小组发现碳的激发态就在霍伊尔预言的能级上。这是第一次也是唯一一次科学家运用人择原理给出并且证实一个预言。确实是天才的一笔。
最终，霍伊尔证明了由氦到铍再到碳的转化机制。他证实在大约两亿度高温时碳的合成。这是一个缓慢的过程，但亿万的恒星在亿万年中会产生出足够量的碳。...
整个理解恒星核合成的科研项目持续了十多年。霍伊尔一直处于核心地位。他的研究受到福勒的实验支持。后来他又和伯比奇夫妇合作。四人完成了“恒星元素的合成”的论文，论述每个恒星（演化）过程的角色和对应的核反应的结果。文章大胆地宣称，“我们可以以一个普适的方式解释在恒星和超新星核合成机制下形成的几乎所有从氢到铀的原子同位素的丰度。”
这篇论文如此有名，被简称为B2FH论文（由四人姓氏的缩写组成）。论文被认为是二十世纪科学的伟大成就之一。不奇怪它的作者会得到诺贝尔奖。但奇怪的是1983年的诺贝尔物理学奖给了福勒，而不是霍伊尔。
这是诺贝尔奖史上一次极大的不公开。原因是霍伊尔生性耿直，得罪了不少人。比如，霍伊尔曾公开批评1974年物理奖的评奖。他同意脉冲星的发现是一项重大科学突破，但气愤于做出关键天文观测的年轻的乔瑟琳·贝尔被排除在得奖人之外。在这件事上保持沉默也许好点，但爽直的霍伊尔无法装出好好人的样子。
同样地，霍伊尔也没法在剑桥大学闷头做事，做个老实人。他一直不满剑桥的纷繁无聊的人事关系。1972年，霍伊尔终于辞去剑桥的职务。...在以后的三十年里一直是天体物理学的流浪者...
