出格者弗雷德·霍伊爾

奠基人、挑戰者、「異議分子」……弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle，1915年6月24日-2001年8月20日）爵士身上有太多的標籤。

「當我年輕時，老研究員們覺得我是個出格的年輕人；當我老了，年輕研究員們覺得我是個出格的老人。」曾用這樣的評價自嘲的他究竟有什麼樣的傳奇人生？他又為什麼與諾獎擦肩而過呢？

霍伊爾在劍橋大學，圖片來源：St John's College, Cambridge

撰文 | 劉博洋

責編 | 韓越揚 呂浩然

2001年8月20日，英國天文學家弗雷德·霍伊爾爵士與世長辭，享年86歲。

他在漫長的天文研究生涯中，回答了一個非常基本而重要的問題：元素是怎麼形成的。他的工作揭示了各種重元素在恆星熔爐中產生的機制，成就了20世紀天文學史上的一座裡程碑，成為該領域當之無愧的「奠基人」。

另一方面，他在現代宇宙學理論遠未定型的年代，參與提出了與大爆炸學說競爭的穩恆態學說，甚至在大爆炸學說得到越來越多觀測證據支持之後也沒有放棄。這又讓他成為天文學界的「挑戰者」。

他創立了享譽世界的劍橋天文研究所，又因學術政治而被迫辭任所長職位。他的工作足以問鼎諾貝爾獎，卻在學界的反對中與諾獎擦肩而過。他的思維天馬行空，讓他以閒筆遊嬉於科幻文壇，但他執著於小說中的點子，將其奉為科學創見，又讓他在一些領域幾乎淪為民科、陰謀論者和「異議分子」。

奠基人、挑戰者、「異議分子」……在霍伊爾的19周年祭日，讓我們一同回顧他的不凡人生中，那些成就與爭議。

奠基人——B2FH

B2FH是天文學界對包括霍伊爾在內四名作者於1957年發表的一篇綜述論文《恆星中的元素合成》[1]的代稱：其中B2指瑪格麗特和傑弗裡·伯比奇夫婦（Margaret & Geoffrey Burbidge），F指威廉·福勒（William Fowler），H指弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）。這可能是第一篇以作者姓氏首字母縮寫這種方式來指稱的重要天文論文，發表63年來已經被引用2400餘次。

伯比奇夫婦（左一、左二），福勒（右二）和霍伊爾（右一）在1971年的合影，圖片來源：Don Clayton

這篇文章提出：除氫、部分氦及少量鋰以外幾乎所有元素，都是在恆星內部（包括超新星等現象）通過一系列核聚變反應形成的。文章系統地將相關反應分為8類並命名，如s過程（慢過程）、r過程（快過程）、p過程（質子過程）等。這些分類和命名被同行接受，成為天體物理、核物理界的標準術語，喬治·華勒斯坦（George Wallerstein）等人在B2FH發表40年之際回顧領域歷史時曾經說，這些統一的命名本身也對這一課題的發展有重要的推動作用[2]。

B2FH揭示的恆星核合成反應網絡[1]

實際上，恆星中氫聚變為氦的兩個主要通路早在二戰前夕就已經被發現：1938年，漢斯·貝特（Hans Bethe）和查爾斯·克裡奇菲爾德（Charles Critchfield）指出，氫可以通過質子-質子鏈（pp鏈）聚變為氦，為恆星提供能源；1938、1939年，卡爾·馮·魏茨澤克（Carl von Weizs cker）和貝特分別獨立得到以碳、氮、氧為催化劑從而效率更高的CNO循環。但是在霍伊爾揭示恆星核合成的其他過程之前，以喬治·伽莫夫（George Gamow）為代表的學者認為，宇宙中幾乎所有化學元素都是在大爆炸中形成的，此後各元素的豐度基本不變——恆星中氫聚變到氦的反應僅僅被認為是在大爆炸奠定的元素豐度基礎上做了一點小的修正。

霍伊爾從1946年開始發表了一系列文章，逐步闡述了恆星核合成產生更多不同元素的機制。這些成果起初沒有得到同行的充分重視，但這種暫時的冷遇也給了恆星核合成學說逐步積累觀測證據的機會。當時，一些對鄰近恆星的巡天發現了金屬元素含量的變化，由此發展出「金屬豐度」（metallicity）的概念。1952年，科學家在晚期紅巨星中發現了半衰期只有幾百萬年的鎝元素的同位素，說明恆星中有正在發生的核合成活動。1953-1954年，麥克唐納天文臺的高解析度光譜顯示出一些重元素的異常增豐。幾乎同時，恆星中碳和氧的燃燒也被發現了。

也正是在1954年，伯比奇夫婦、福勒、霍伊爾四人在安靜的劍橋大學，開始搜集整理已有的證據碎片，勾勒恆星核合成的完整圖景。伯比奇夫婦主要提供觀測證據，福勒提供實驗室數據，霍伊爾則是恆星核合成理論的主要提出者。在B2FH橫空出世後，恆星核合成不再是大爆炸原初核合成上一個微小的修正，而是幾乎產生全部比氫、氦更重的元素——這些天文意義的金屬元素——的主要核合成機制。

由於恆星熔爐不斷煉製出「金屬元素」，並在恆星演化末期釋放出來、「汙染」用以形成下一代恆星的星際介質。往往形成時間越晚近的恆星，其金屬豐度越高——用一句俗話說，就叫「我們都是星塵」。這條現在司空見慣的常識，其基礎正是B2FH奠定的。

在B2FH仍在醞釀的1953年，霍伊爾還有一個經常被人提起的發現：他在通過分析恆星核合成的反應速率，預言了12C的一個當時尚未發現的能級，並成功被實驗證實。這經常被認為是恆星核合成理論勝利的又一個佐證。

不過在霍伊爾的自傳中，則是從人擇原理入手解釋這個發現：生物的存在要求恆星能通過碳元素產生氧元素，而且碳元素不能全都被轉化成氧元素。用這個條件對反應速率進行限制後，他發現應該存在一個12C的能級，其與基態的能量差大約剛好是8Be和4He原子核質量之和減去12C原子核質量，由此得出了7.65MeV這個預測值。

霍伊爾在自傳中無不自豪地稱這是人擇原理迄今唯一一個具體的、可驗證的預測[6]。不過也有研究者分析霍伊爾做出此發現時的原始文獻，認為當時並未用到跟生命相關的任何前提；跟人擇原理的關聯只是在八十年代之後才被建立的[7]。

挑戰者——穩恆態學說

1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）發現，越遠的星系紅移越大，即離地球而去的退行速度越大。從而推導出一個結論：似乎整個宇宙都在膨脹。

反言之，在有限遠的過去某個時刻，宇宙中所有星系似乎都來自同一個地方。這種膨脹宇宙可以用蘇聯物理學家亞歷山大·弗裡德曼（Александр Александрович Фридман）在1922年得到的弗裡德曼方程描述，因此一度被稱作弗裡德曼宇宙學。直到1949年，霍伊爾在一次BBC廣播節目中形象地稱之為「大爆炸」（Big Bang）之後，這個朗朗上口的名字才口耳相傳，逐漸成為這種宇宙論的通用名稱。

當代大爆炸宇宙學所展示的宇宙歷史

圖片來源：NASA/WMAP科學團隊

弔詭的是，霍伊爾本人並不認同大爆炸宇宙論。甚至他將其稱作「大爆炸」也被很多人認為是出於嘲諷而發的譏語，儘管他本人否認這一點。

大爆炸理論似乎必然得到這樣一個圖景：整個宇宙的時空和物質，從徹底的虛無中無端產生。霍伊爾從哲學層面質疑這種圖景：如果本來就不存在時空，宇宙誕生在哪裡？那樣的話，「物理的普遍性就喪失了」。他認為唯一可能的選項，就是時空始終是存在的。為此，他和託馬斯·戈爾德（Thomas Gold）, 赫爾曼·邦迪（Hermann Bondi）三人共同提出了挑戰大爆炸學說的「穩恆態學說」。

在穩恆態學說中，宇宙在時間、空間上都是無限的，它在膨脹的同時密度維持不變——為了做到這一點，他們認為空間中存在一些尚不了解的機制，可以持續產生物質。雖然這看起來很奇怪，可大爆炸學說也一樣說不清楚物質是從哪來的，在當時看來都不堅實。

二戰期間，霍伊爾在戰時動員體制下被分配到雷達站工作，參與為倫敦提供空襲預警的任務。當時他跟戈爾德、邦迪三人經常聚在一起討論物理。戰後不久的1945年秋，他們一起看了一部英國恐怖電影《死亡之夜》（Dead of Night），片中主角每天從同一個噩夢中醒來，在一天中經歷夢到的事情，然後再次醒來，永遠循環、無法逃脫。這個無限循環的敘事結構啟發三人想到了穩恆態學說。1948年，邦迪和戈爾德發表了《膨脹宇宙的穩恆態學說》一文，初步論述了這一想法[3]；1949年1月，霍伊爾發表《關於宇宙學問題》一文，從數學上對穩恆態學說做了補充完善[4]。

《死亡之夜》電影海報，圖片來源：IMDB

儘管1957年的B2FH證明了學界此前寄希望於用大爆炸原初核合成來完全解釋元素的來源是缺乏依據、不切實際的，但歸根結底B2FH闡述的恆星核合成過程都是可以被吸收到大爆炸宇宙學中的，也並沒有對穩恆態學說有特別的幫助。1964年，阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）發現大爆炸理論預言的宇宙微波背景輻射，大爆炸理論的「合法性」得到了有力的支撐。此後霍伊爾甚至一度停止宣揚穩恆態學說，但他始終對大爆炸理論持懷疑態度。

在1980年代發現星系形成等問題尚未在大爆炸理論框架內得到很好解釋時，霍伊爾再次抨擊大爆炸理論的可靠性。他更新了自己的穩恆態理論，認為不是有一個大爆炸，而是在既存的時空中有一系列小爆炸。他對微波背景輻射的猜測是：它是某種金屬成分的星際塵埃的輻射。他堅持認為包含暴脹、暗物質之類「奇葩」的大爆炸理論，是極端錯誤的，「更像是中世紀理論」。

但與此同時，反對大爆炸學說的霍伊爾一直念念不忘自己差點發現宇宙3K微波背景輻射的經歷。1963年一次會議間隙，他在跟物理學家羅伯特·迪克（Robert H. Dicke）討論微波背景輻射時，後者說估計溫度應該在20K左右。霍伊爾告訴迪克，1941年加拿大射電天文學家彼得·麥卡洛(Peter McCullough)發現了一個3K的「氣體微波輻射」。但兩人誰都沒有捅破那層窗戶紙，說一句「沒準宇宙微波背景輻射就是3K呢！」一年後，就在迪克慢吞吞終於即將開始搜尋微波背景輻射之際，彭齊亞斯和威爾遜已經率先取得發現。霍伊爾晚年在面對採訪時，稱之為自己畢生最遺憾的錯失[5]。

學界泰鬥，還是「異議分子」？

以世俗眼光看待，霍伊爾已經取得了崇高的學術地位。

1967年，他創建劍橋大學理論天文研究所，並擔任首任所長；後來，劍橋大學天文研究所成為世界頂級天文研究機構之一；1970年，他擔任英國皇家學會副會長；1971-1973年，他又擔任了英國皇家天文學會會長。他曾作為英國科學研究理事會成員，直接參與推動英澳望遠鏡（AAT）的評估與建設，這架口徑3.9米的望遠鏡至今仍是澳大利亞本土口徑最大的光學望遠鏡。

低調、幽靜的劍橋大學天文研究所

（攝影：毛淑德，2012年7月）

但他又因為對學術政治的厭惡、蔑視或不諳，或因為獨特、偏執的學術觀點，屢屢受挫。

1973年，由於和校方的激烈衝突，他被劍橋大學勒令辭去天文所所長一職，此後一度偏居英格蘭西北部的湖區，幾成隱士。他把衝突的原因歸結為劍橋大學「政治驅動」的決策體制對科學研究造成的幹擾。

他閒暇時寫了不少科幻小說——一開始是自己寫，後來兒子傑弗裡·霍伊爾（Geoffrey Hoyle）長大後，都是跟兒子合作寫。他的第一篇小說《黑雲》發表於B2FH發表的同年，講述一團星際暗雲實為巨型智慧有機體的故事。1974年，他和卡迪夫大學的斯裡蘭卡裔英國物理學家錢德拉·維克拉馬辛格(Chandra Wickramasinghe)把這個科幻點子發展成了科學假說：他們認為星際塵埃大部分是有機物，其中包含生命。

他們甚至進一步聲稱，附著於星際塵埃的生命不間斷地落入地球大氣層，不僅可以解釋地球上生命的起源，甚至還能解釋流行病的大爆發——他們聲稱發現流感大流行的年份與太陽十一年活動周期之間存在耦合。（實際上就在今年新冠疫情暴發後，已經81歲高齡的維克拉馬辛格還曾公然聲稱，新冠病毒來自於去年掉落到中國的一顆隕石。）

小說《黑雲》封面

霍伊爾在這個點子上走向了一種令人擔憂的極端：他甚至懷疑美國1960年代的高空氣球實驗已經發現了太空中的生命，但是官方將其掩蓋下來。如果說「穩恆態宇宙論」只是一個「失敗」的假說，那麼這些毫無實據的指控就已經與地攤文學式的陰謀論別無二致了。

1983年，福勒因在恆星核合成理論上的貢獻，與錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，因對恆星演化研究的貢獻）共同獲得了諾貝爾物理學獎。很多人認為霍伊爾完全有資格與福勒一起拿這1/2的諾獎——但卻沒拿到。儘管諾獎評選檔案列為瑞典皇家科學院的機密，但英國諾貝爾獎化學獎得主哈羅德·克羅託（Harold Kroto）認為，評審者是不希望諾貝爾獎的榮耀為霍伊爾在宇宙學、天體生物學等領域所發出的不被廣泛認同、甚至極端的言論背書。

也有人認為，強烈反對穩恆態宇宙論的劍橋大學天文學家馬丁·賴爾（Martin Ryle）因對射電幹涉技術的貢獻和另一位劍橋大學天文學家安東尼·休伊什（Antony Hewish）因對脈衝星發現的貢獻共同獲得1974年諾貝爾物理學獎時，霍伊爾帶頭抨擊實際發現脈衝星的女研究生約瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell）未能獲獎為諾獎評選的不公，極大地激怒了評選委員會，使自己遭受報復——儘管霍伊爾口出不遜之後，專門在泰晤士報上刊登了一篇澄清信，以避免觸犯誹謗罪。

這是一樁懸案，我唯一能確定的，就是霍伊爾是一個可以因為沒拿到諾獎而被議論的天文學家。

結 語

霍伊爾生前接受採訪時說，「當我年輕時，老研究員們覺得我是個出格的年輕人；當我老了，年輕研究員們覺得我是個出格的老人。」這個領域奠基人兼挑戰者和「異議分子」，留下了張揚和精彩的一生。他在B2FH論文中的一段題記或許包含了關於他起伏跌宕人生的某種隱喻：

「是星空，我們頭頂的星空，主宰我們的命運。」

（李爾王，第四幕，第三場）

但也許

「錯，不在星空，而在我們自己。」

（凱撒大帝，第一幕，第二場）

劍橋大學天文研究所的霍伊爾塑像

（攝影：毛淑德 ，2012年7月）

主要參考文獻：

[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

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