导读
“当我年轻时，老研究员们觉得我是个出格的年轻人；当我老了，年轻研究员们觉得我是个出格的老人。”曾用这样的评价自嘲的他究竟有什么样的传奇人生？他又为什么与诺奖擦肩而过呢？
霍伊尔在剑桥大学，图片来源：St John's College, Cambridge
撰文 | 刘博洋
责编 | 韩越扬 吕浩然
2001年8月20日，英国天文学家弗雷德·霍伊尔爵士与世长辞，享年86岁。 他在漫长的天文研究生涯中，回答了一个非常基本而重要的问题：元素是怎么形成的。他的工作揭示了各种重元素在恒星熔炉中产生的机制，成就了20世纪天文学史上的一座里程碑，成为该领域当之无愧的“奠基人”。 另一方面，他在现代宇宙学理论远未定型的年代，参与提出了与大爆炸学说竞争的稳恒态学说，甚至在大爆炸学说得到越来越多观测证据支持之后也没有放弃。这又让他成为天文学界的“挑战者”。 他创立了享誉世界的剑桥天文研究所，又因学术政治而被迫辞任所长职位。他的工作足以问鼎诺贝尔奖，却在学界的反对中与诺奖擦肩而过。他的思维天马行空，让他以闲笔游嬉于科幻文坛，但他执着于小说中的点子，将其奉为科学创见，又让他在一些领域几乎沦为民科、阴谋论者和“异议分子”。 奠基人、挑战者、“异议分子”……在霍伊尔的19周年祭日，让我们一同回顾他的不凡人生中，那些成就与争议。
B2FH是天文学界对包括霍伊尔在内四名作者于1957年发表的一篇综述论文《恒星中的元素合成》[1]的代称：其中B2指玛格丽特和杰弗里·伯比奇夫妇（Margaret & Geoffrey Burbidge），F指威廉·福勒（William Fowler），H指弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）。这可能是第一篇以作者姓氏首字母缩写这种方式来指称的重要天文论文，发表63年来已经被引用2400余次。
伯比奇夫妇（左一、左二），福勒（右二）和霍伊尔（右一）在1971年的合影，图片来源：Don Clayton
这篇文章提出：除氢、部分氦及少量锂以外几乎所有元素，都是在恒星内部（包括超新星等现象）通过一系列核聚变反应形成的。文章系统地将相关反应分为8类并命名，如s过程（慢过程）、r过程（快过程）、p过程（质子过程）等。这些分类和命名被同行接受，成为天体物理、核物理界的标准术语，乔治·华勒斯坦（George Wallerstein）等人在B2FH发表40年之际回顾领域历史时曾经说，这些统一的命名本身也对这一课题的发展有重要的推动作用[2]。
B2FH揭示的恒星核合成反应网络[1]
实际上，恒星中氢聚变为氦的两个主要通路早在二战前夕就已经被发现：1938年，汉斯·贝特（Hans Bethe）和查尔斯·克里奇菲尔德（Charles Critchfield）指出，氢可以通过质子-质子链（pp链）聚变为氦，为恒星提供能源；1938、1939年，卡尔·冯·魏茨泽克（Carl von Weizsäcker）和贝特分别独立得到以碳、氮、氧为催化剂从而效率更高的CNO循环。但是在霍伊尔揭示恒星核合成的其他过程之前，以乔治·伽莫夫（George Gamow）为代表的学者认为，宇宙中几乎所有化学元素都是在大爆炸中形成的，此后各元素的丰度基本不变——恒星中氢聚变到氦的反应仅仅被认为是在大爆炸奠定的元素丰度基础上做了一点小的修正。 霍伊尔从1946年开始发表了一系列文章，逐步阐述了恒星核合成产生更多不同元素的机制。这些成果起初没有得到同行的充分重视，但这种暂时的冷遇也给了恒星核合成学说逐步积累观测证据的机会。当时，一些对邻近恒星的巡天发现了金属元素含量的变化，由此发展出“金属丰度”（metallicity）的概念。1952年，科学家在晚期红巨星中发现了半衰期只有几百万年的锝元素的同位素，说明恒星中有正在发生的核合成活动。1953-1954年，麦克唐纳天文台的高分辨率光谱显示出一些重元素的异常增丰。几乎同时，恒星中碳和氧的燃烧也被发现了。 也正是在1954年，伯比奇夫妇、福勒、霍伊尔四人在安静的剑桥大学，开始搜集整理已有的证据碎片，勾勒恒星核合成的完整图景。伯比奇夫妇主要提供观测证据，福勒提供实验室数据，霍伊尔则是恒星核合成理论的主要提出者。在B2FH横空出世后，恒星核合成不再是大爆炸原初核合成上一个微小的修正，而是几乎产生全部比氢、氦更重的元素——这些天文意义的金属元素——的主要核合成机制。 由于恒星熔炉不断炼制出“金属元素”，并在恒星演化末期释放出来、“污染”用以形成下一代恒星的星际介质。往往形成时间越晚近的恒星，其金属丰度越高——用一句俗话说，就叫“我们都是星尘”。这条现在司空见惯的常识，其基础正是B2FH奠定的。 在B2FH仍在酝酿的1953年，霍伊尔还有一个经常被人提起的发现：他在通过分析恒星核合成的反应速率，预言了12C的一个当时尚未发现的能级，并成功被实验证实。这经常被认为是恒星核合成理论胜利的又一个佐证。不过在霍伊尔的自传中，则是从人择原理入手解释这个发现：生物的存在要求恒星能通过碳元素产生氧元素，而且碳元素不能全都被转化成氧元素。用这个条件对反应速率进行限制后，他发现应该存在一个12C的能级，其与基态的能量差大约刚好是8Be和4He原子核质量之和减去12C原子核质量，由此得出了7.65MeV这个预测值。霍伊尔在自传中无不自豪地称这是人择原理迄今唯一一个具体的、可验证的预测[6]。不过也有研究者分析霍伊尔做出此发现时的原始文献，认为当时并未用到跟生命相关的任何前提；跟人择原理的关联只是在八十年代之后才被建立的[7]。
1929年，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现，越远的星系红移越大，即离地球而去的退行速度越大。从而推导出一个结论：似乎整个宇宙都在膨胀。
反言之，在有限远的过去某个时刻，宇宙中所有星系似乎都来自同一个地方。这种膨胀宇宙可以用苏联物理学家亚历山大·弗里德曼（Александр Александрович Фридман）在1922年得到的弗里德曼方程描述，因此一度被称作弗里德曼宇宙学。直到1949年，霍伊尔在一次BBC广播节目中形象地称之为“大爆炸”（Big Bang）之后，这个朗朗上口的名字才口耳相传，逐渐成为这种宇宙论的通用名称。
当代大爆炸宇宙学所展示的宇宙历史
图片来源：NASA/WMAP科学团队
吊诡的是，霍伊尔本人并不认同大爆炸宇宙论。甚至他将其称作“大爆炸”也被很多人认为是出于嘲讽而发的讥语，尽管他本人否认这一点。 大爆炸理论似乎必然得到这样一个图景：整个宇宙的时空和物质，从彻底的虚无中无端产生。霍伊尔从哲学层面质疑这种图景：如果本来就不存在时空，宇宙诞生在哪里？那样的话，“物理的普遍性就丧失了”。他认为唯一可能的选项，就是时空始终是存在的。为此，他和托马斯·戈尔德（Thomas Gold）, 赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）三人共同提出了挑战大爆炸学说的“稳恒态学说”。 在稳恒态学说中，宇宙在时间、空间上都是无限的，它在膨胀的同时密度维持不变——为了做到这一点，他们认为空间中存在一些尚不了解的机制，可以持续产生物质。虽然这看起来很奇怪，可大爆炸学说也一样说不清楚物质是从哪来的，在当时看来都不坚实。 二战期间，霍伊尔在战时动员体制下被分配到雷达站工作，参与为伦敦提供空袭预警的任务。当时他跟戈尔德、邦迪三人经常聚在一起讨论物理。战后不久的1945年秋，他们一起看了一部英国恐怖电影《死亡之夜》（Dead of Night），片中主角每天从同一个噩梦中醒来，在一天中经历梦到的事情，然后再次醒来，永远循环、无法逃脱。这个无限循环的叙事结构启发三人想到了稳恒态学说。1948年，邦迪和戈尔德发表了《膨胀宇宙的稳恒态学说》一文，初步论述了这一想法[3]；1949年1月，霍伊尔发表《关于宇宙学问题》一文，从数学上对稳恒态学说做了补充完善[4]。
《死亡之夜》电影海报，图片来源：IMDB
尽管1957年的B2FH证明了学界此前寄希望于用大爆炸原初核合成来完全解释元素的来源是缺乏依据、不切实际的，但归根结底B2FH阐述的恒星核合成过程都是可以被吸收到大爆炸宇宙学中的，也并没有对稳恒态学说有特别的帮助。1964年，阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射，大爆炸理论的“合法性”得到了有力的支撑。此后霍伊尔甚至一度停止宣扬稳恒态学说，但他始终对大爆炸理论持怀疑态度。 在1980年代发现星系形成等问题尚未在大爆炸理论框架内得到很好解释时，霍伊尔再次抨击大爆炸理论的可靠性。他更新了自己的稳恒态理论，认为不是有一个大爆炸，而是在既存的时空中有一系列小爆炸。他对微波背景辐射的猜测是：它是某种金属成分的星际尘埃的辐射。他坚持认为包含暴胀、暗物质之类“奇葩”的大爆炸理论，是极端错误的，“更像是中世纪理论”。 但与此同时，反对大爆炸学说的霍伊尔一直念念不忘自己差点发现宇宙3K微波背景辐射的经历。1963年一次会议间隙，他在跟物理学家罗伯特·迪克（Robert H. Dicke）讨论微波背景辐射时，后者说估计温度应该在20K左右。霍伊尔告诉迪克，1941年加拿大射电天文学家彼得·麦卡洛 (Peter McCullough)发现了一个3K的“气体微波辐射”。但两人谁都没有捅破那层窗户纸，说一句“没准宇宙微波背景辐射就是3K呢！”一年后，就在迪克慢吞吞终于即将开始搜寻微波背景辐射之际，彭齐亚斯和威尔逊已经率先取得发现。霍伊尔晚年在面对采访时，称之为自己毕生最遗憾的错失[5]。
1967年，他创建剑桥大学理论天文研究所，并担任首任所长；后来，剑桥大学天文研究所成为世界顶级天文研究机构之一；1970年，他担任英国皇家学会副会长；1971-1973年，他又担任了英国皇家天文学会会长。他曾作为英国科学研究理事会成员，直接参与推动英澳望远镜（AAT）的评估与建设，这架口径3.9米的望远镜至今仍是澳大利亚本土口径最大的光学望远镜。低调、幽静的剑桥大学天文研究所
（摄影：毛淑德，2012年7月）
但他又因为对学术政治的厌恶、蔑视或不谙，或因为独特、偏执的学术观点，屡屡受挫。1973年，由于和校方的激烈冲突，他被剑桥大学勒令辞去天文所所长一职，此后一度偏居英格兰西北部的湖区，几成隐士。他把冲突的原因归结为剑桥大学“政治驱动”的决策体制对科学研究造成的干扰。他闲暇时写了不少科幻小说——一开始是自己写，后来儿子杰弗里·霍伊尔（Geoffrey Hoyle）长大后，都是跟儿子合作写。他的第一篇小说《黑云》发表于B2FH发表的同年，讲述一团星际暗云实为巨型智慧有机体的故事。1974年，他和卡迪夫大学的斯里兰卡裔英国物理学家钱德拉·维克拉马辛格(Chandra Wickramasinghe)把这个科幻点子发展成了科学假说：他们认为星际尘埃大部分是有机物，其中包含生命。
他们甚至进一步声称，附着于星际尘埃的生命不间断地落入地球大气层，不仅可以解释地球上生命的起源，甚至还能解释流行病的大爆发——他们声称发现流感大流行的年份与太阳十一年活动周期之间存在耦合。（实际上就在今年新冠疫情暴发后，已经81岁高龄的维克拉马辛格还曾公然声称，新冠病毒来自于去年掉落到中国的一颗陨石。）
小说《黑云》封面
霍伊尔在这个点子上走向了一种令人担忧的极端：他甚至怀疑美国1960年代的高空气球实验已经发现了太空中的生命，但是官方将其掩盖下来。如果说“稳恒态宇宙论”只是一个“失败”的假说，那么这些毫无实据的指控就已经与地摊文学式的阴谋论别无二致了。 1983年，福勒因在恒星核合成理论上的贡献，与钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，因对恒星演化研究的贡献）共同获得了诺贝尔物理学奖。很多人认为霍伊尔完全有资格与福勒一起拿这1/2的诺奖——但却没拿到。尽管诺奖评选档案列为瑞典皇家科学院的机密，但英国诺贝尔奖化学奖得主哈罗德·克罗托（Harold Kroto）认为，评审者是不希望诺贝尔奖的荣耀为霍伊尔在宇宙学、天体生物学等领域所发出的不被广泛认同、甚至极端的言论背书。也有人认为，强烈反对稳恒态宇宙论的剑桥大学天文学家马丁·赖尔（Martin Ryle）因对射电干涉技术的贡献和另一位剑桥大学天文学家安东尼·休伊什（Antony Hewish）因对脉冲星发现的贡献共同获得1974年诺贝尔物理学奖时，霍伊尔带头抨击实际发现脉冲星的女研究生约瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell）未能获奖为诺奖评选的不公，极大地激怒了评选委员会，使自己遭受报复——尽管霍伊尔口出不逊之后，专门在泰晤士报上刊登了一篇澄清信，以避免触犯诽谤罪。
霍伊尔生前接受采访时说，“当我年轻时，老研究员们觉得我是个出格的年轻人；当我老了，年轻研究员们觉得我是个出格的老人。”这个领域奠基人兼挑战者和“异议分子”，留下了张扬和精彩的一生。他在B2FH论文中的一段题记或许包含了关于他起伏跌宕人生的某种隐喻：
“是星空，我们头顶的星空，主宰我们的命运。”（李尔王，第四幕，第三场） 但也许 “错，不在星空，而在我们自己。”（凯撒大帝，第一幕，第二场）
剑桥大学天文研究所的霍伊尔塑像
（摄影：毛淑德 ，2012年7月）
主要参考文献：
[1] Reviews of Modern Physics, vol. 29, Issue 4, pp. 547-650
[2] Reviews of Modern Physics, Vol. 69, Issue 4, October 1997, pp.995-1084
[3] Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 108, p.252
[4] Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 109, p.365
[5] https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/remembering-big-bang-basher-fred-hoyle
[6] https://archive.org/details/homeiswherewindb0000hoyl
[7] Archive for History of Exact Sciences, Vol. 64, No. 6 (November 2010), pp. 721-751