星系的超級系統散佈就像一縷瀰散開來的煙霧。有時候我在想是否還存在比這尺度更大的事物了，再大也不過一縷青煙罷了。
——亞瑟·愛丁頓
大自然展示給我們的只是獅子的尾巴。但我毫不懷疑這隻獅子的存在，即使它因為龐大的身軀不可能一次性的完全展露自己。我們觀察它的方式只能是像坐在它身上的虱子看它的方式那樣。
——阿爾伯特·愛因斯坦
宇宙學家常常是錯的，但他們從來不懷疑自己。
——列夫·朗道
1894年，阿爾伯特·邁克耳孫——幾年前正是他推翻了以太學說——在芝加哥大學做了一次演講，他聲稱：“物理科學的最重要的基本定律和事實都已被發現了，這些定律和事實現在確立得是如此牢固，以至於通過新發現的結果予以補充的可能性極小……我們未來的發現只能是在小數點後第六位去尋找。”
對於物理學而言，19世紀下半葉的確是一段輝煌的時期，期間不僅解開了許多重大的奧秘，而且給人感覺到剩下的任務只是提高測量的精度。但這樣一種認識被證明是荒謬的。邁克耳孫有幸活到了看到他的大膽斷言被證偽。短短數十年間，量子物理學和核物理學的發展就動搖了科學的根基。不僅如此，宇宙學家也將不得不徹底重新評估他們對宇宙的認識。
19世紀後期，人們的認識仍然是：宇宙是永恆的、在很大程度上是不變的。但是，隨著時髦女郎的招搖過市和股市的崩盤，20世紀20年代的科學家們也不得不考慮這樣一種競爭性模型，它將宇宙描述為這樣一幅圖景：自一二十億年前誕生以來宇宙就一直在膨脹。
這種科學認識上的顛覆可以認為是由兩種途徑觸發的。一種源於理論家，他們通過應用新方向上的物理定律給出了令人吃驚的結論。另一種源於實驗者或觀察者，他們測量了或是看到了某些東西，致使他們質疑以前的假說。發生在20世紀20年代的宇宙學的動盪之所以非比尋常，是因為公認的穩恆態宇宙模型在兩個方面同時遭到攻擊。如第2章所述，喬治·勒邁特和亞歷山大·弗裡德曼已經利用廣義相對論發展出一個膨脹宇宙的概念，與此同時，埃德溫·哈勃獨立觀測了星系的紅移，這也意味著宇宙是膨脹的，這一點在第3章已有述及。
弗裡德曼沒能活到得知哈勃的觀測結果，他去世時沒有收到任何人對他的想法的認可。而勒邁特則要幸運得多。他在1927年發表的論文中提出了宇宙的大爆炸模型，他預言，星系逃逸的速度正比於其距離。最初，他的工作沒人予以重視，因為沒有任何證據來支持它，但兩年後，哈勃發表了他對星系的觀察結果，表明星系確實在退行，於是勒邁特的工作最終得到認可。
勒邁特曾寫信給亞瑟·愛丁頓介紹他的大爆炸模型，但一直沒有得到答覆。當哈勃的發現登上報紙頭條後，勒邁特再次寫信給愛丁頓，希望這次這位傑出的天體物理學家會意識到他的理論與新興的數據完全吻合。喬治·邁克維蒂當時是愛丁頓的學生，他回憶起自己的導師對這位堅持己見的牧師的反應：“愛丁頓感到很慚愧，他給我看了勒邁特的信，信中提請愛丁頓注意勒邁特給出的對這個問題的解。愛丁頓承認，雖然他早在1927年就看過勒邁特的論文，但在此之前他已經完全忘記了它的內容。愛丁頓很快糾正了自己的過失，他在1930年6月給權威的《自然》雜誌去了一封信，提到他在3年前就應注意到勒邁特的這一輝煌的工作。”
過去他忽略了勒邁特的研究，但現在愛丁頓似乎準備通過讓更多的人注意到這一成果來給予他的祝福。除了去信《自然》外，愛丁頓還將勒邁特的論文翻譯成英文並推薦發表在《皇家天文學會月刊》上。他稱之為一個“絕妙的解”，“是對這個問題的完整的解答”，就是說，勒邁特的模型很好地解釋了哈勃的測量數據。
這些評價逐漸在科學界傳開，勒邁特的理論預言與哈勃的觀測結果之間的完美匹配受到越來越多的人的欽佩。在此之前，所有的宇宙學家都把注意力集中在阿爾伯特·愛因斯坦的穩恆的靜態宇宙模型上，但現在，極少數人開始認識到勒邁特的模型更強有力。
總之，勒邁特認為，廣義相對論（按其最純粹的形式）意味著宇宙正在膨脹。如果宇宙一直膨脹到今天，那麼它在過去一定更緻密。從邏輯上講，宇宙必然是從一個高度緻密的狀態開始，即從一個很小但有有限尺寸的所謂原始原子發展而來。勒邁特認為，原始原子可能在“平衡破壞”之前就永恆地存在，在平衡被破壞時，原子衰變並放出其所有的碎片。他把這個衰變過程的開始定義為我們這個宇宙歷史的開端。這是個創生的瞬間——按勒邁特的話說就是“一個沒有昨天的一天”。
弗裡德曼關於宇宙創生時刻的觀點與勒邁特的觀點略有不同。弗裡德曼的大爆炸模型不是將宇宙想像成從原始原子誕生的，而是認為一切皆源自一個點。換句話說，整個宇宙原先是被擠壓成虛無的。無論哪一種方式，原始原子也好還是單個幾何點也好，關於創生的實際那一剎那顯然都是高度思辨的，都只會存在一段時間。但對於大爆炸模型的其他方面，倡導者之間具有很大程度的信心和廣泛的共識。
例如，哈勃已觀測到，星系正在退行離地球遠去，正如大爆炸模型所預言的那樣，但是大爆炸理論家們卻一致認為，星系實際上並不是在空間中移動，而是隨著空間一起在移動。愛丁頓通過將空間比作氣球的表面解釋了這一微妙之處，並將宇宙的三個空間維度簡化為一個二維封閉的橡膠片，如圖64所示。氣球表面所覆蓋的點代表星系。如果氣球膨脹到原來的直徑的兩倍，那麼各點之間的距離也將翻倍，因此實際效果相當於各個點彼此分開。關鍵在於，這些點並不是在氣球表面上移動，相反，表面本身就在擴展，從而增加了點與點之間的距離。類似地，星系不是在空間中移動，而是星系之間的空間在擴展。
雖然第3章根據星系的退行對星系的光的紅移做出了簡單解釋，但現在它變得清晰了，紅移的真正原因是空間的延伸。當光波離開星系奔向地球時，它們被拉伸，因為它們所在的空間本身被拉伸，這就是為什麼波長會變長，光顯得較紅的原因。雖然光的這種宇宙學紅移比起通常的波的多普勒頻移有著不同的起因，但第3章描述的多普勒效應仍是我們考慮星系紅移的一種有用的方法。
圖64 宇宙在這裡由一個氣球的表面來表示。每個點代表一個星系，被圈起來的這個點代表我們自己的銀河系。隨著氣球的膨脹（即宇宙膨脹），其他的點看起來正離我們遠去，正如哈勃觀察到的那樣，所有的星系都正在遠離我們而去。星系越遙遠，在給定的時間間隔內退行的距離就越大，因此速度就越快——這就是哈勃定律。通過標記兩個星系，一個靠得較近，另一個離得較遠，這種效果會看得更清楚。
如果所有空間都在膨脹，而星系又坐落在空間上，那麼你可能會認為星系也在膨脹。從理論上說，這是可能的，但實際上因為星系內存在巨大的引力作用，因此這種影響是微不足道的。因此擴張是發生在宇宙星系際層面，而不是在某個局地的星系內部。在伍迪·艾倫的電影《安妮·霍爾》的開始的回閃鏡頭裡，辛格太太帶著她的兒子艾爾維去看醫生，因為艾爾維神情沮喪。男孩向醫生解釋說，他看到宇宙正在膨脹，所以他認為他周圍的一切都會被撕裂。他的母親打斷了他：“甭管宇宙怎麼做，你在布魯克林！布魯克林不膨脹！”辛格夫人是絕對正確的。
現在，氣球的類比已經有了，是時候澄清普遍存在的誤解了。如果所有的星系都在遠離地球，那是不是意味著地球是宇宙的中心？就好像整個宇宙是從我們現在生活的這個地方發展起來的。那豈不是我們真的佔據著宇宙的一個特殊位置？事實上，無論觀察者處於何處，都存在處於中心的錯覺。由圖64可以看出，我們銀河系只是其中的一個點，隨著氣球膨脹，所有其他的點似乎離我們越來越遠。然而，如果我們從不同的點的位置來看，所有其他的點同樣看上去在遠離。換言之，其他點也會認為它處在宇宙的中心。宇宙就沒有中心——或者說，每一個星系都可以宣稱自己處在宇宙的中心。
在20世紀20年代中期，愛因斯坦曾一度對宇宙學失去了興趣，但在哈勃的觀測強化了大爆炸的思想後，他又重新回到了這個領域。1931年，趁著在加州理工學院休學術假，他和他的第二任妻子艾爾莎應邀作為哈勃的貴客對威爾遜山天文台進行了訪問。他們參觀了巨大的100英吋胡克望遠鏡，天文學家們向他們講解了這台巨大的機器是怎麼探索宇宙的。令人吃驚的是，艾爾莎對此印象不是特別深刻：“嗯，嗯，我丈夫確實顯得孤陋寡聞。”
不過，愛因斯坦的努力僅限於理論，而理論可能是錯誤的。這就是為什麼投資昂貴的實驗設備和望遠鏡是值得的，因為只有它們有可能使我們對什麼是好的理論和不好的理論做出區分。愛因斯坦早期篤信的是靜態的宇宙，而那個理論與哈勃現在的觀察似乎是矛盾的，由此可見觀察能力對判斷理論的重要作用。
在威爾遜山訪問期間，愛因斯坦與哈勃的助手密爾頓·赫馬森進行了交流。赫馬森向愛因斯坦展示了各種照相底版，並指出他們所探索的星系。他還給愛因斯坦看了星系的光譜，上面顯示出系統的紅移。愛因斯坦已經讀了哈勃和赫馬森發表的論文，但現在他可以自己來看這些數據。得出的結論似乎是必然的。觀測表明，星系正在退行，宇宙正在膨脹。
1931年2月3日，愛因斯坦向聚集在威爾遜山天文台圖書館的記者發佈公告。他公開宣佈放棄自己的靜態宇宙學並支持大爆炸膨脹宇宙模型。總之，他發現哈勃的觀測是有說服力的，並承認了勒邁特和弗裡德曼的理論始終是對的。隨著世界上最著名的天才改變觀點，現在改為支持大爆炸理論，於是宇宙膨脹概念成為正式的觀點，世界各大報紙紛紛予以關注。哈勃家鄉的報紙《斯普林菲爾德日報》在頭版頭條以通欄標題《離開奧沙克山去研究星星的年輕人使愛因斯坦改變想法》刊載了哈勃的事跡。
愛因斯坦不僅放棄他的靜態宇宙模型，而且重新考慮了他的廣義相對論方程。我們知道，愛因斯坦的原始方程準確解釋了熟悉的引力，但這種吸引力可能最終會導致整個宇宙的坍縮。而宇宙在他看來是永恆的、靜態的，因此他在他的方程中加了一項宇宙學常數——純屬人為——以便引入一項在大尺度上起作用的斥力來防止坍縮。現在，既然宇宙已被證明不再是靜態的了，於是愛因斯坦放棄了宇宙學常數，又回到他的廣義相對論的原始方程。
愛因斯坦一直感到宇宙學常數不自然，將它插入到方程只是為了符合既成的靜態和永恆的宇宙觀。事實證明，這種約定俗成和合規的理念讓他迷失了。在他作為一個物理學家的早期生活中，在他處於智力巔峰時，他總是遵從直覺，蔑視權威。就這麼一次，他屈從了群體的壓力，結果還被證明是錯了。後來他稱宇宙學常數是他一生中最大的錯誤。正像他寫給勒邁特的信中所說的那樣：“自從我引入這個詞後，我一直覺得有昧於良心……我無法相信這樣一個醜陋的東西應該在自然中得以實現。”
雖然愛因斯坦熱衷於放棄他的宇宙修正因子，但信奉永恆的、靜態的宇宙的宇宙學家們仍然相信宇宙學常數是廣義相對論中一個重要的和有效的部分。甚至一些大爆炸宇宙學家也對它偏愛有加，不願失去它。通過保留宇宙學常數但改變它的值，他們可以調整他們的大爆炸理論模型並修正宇宙的膨脹速率。宇宙學常數代表了一種反引力作用，它可以使宇宙膨脹得更快。
宇宙學常數的值和有效性在大爆炸理論的支持者之間產生了一些衝突，但在1933年1月——愛因斯坦第一次到訪這座天文台的兩年後——在帕薩迪納威爾遜山的大本營研討會上，勒邁特和愛因斯坦結成了統一戰線。勒邁特向與會的傑出的天文學家和宇宙學家（聽眾中包括埃德溫·哈勃）闡述了他的宇宙大爆炸模型。雖然這是一次學術聚會，但勒邁特在物理學中編織了一種詩的意境。特別是他又給出了他最喜歡的煙花的比喻：“在萬物開始的時候，有一束美不勝收的煙花。在一聲爆炸之後，煙霧充滿了蒼穹。我輩來得太晚，無法見證造物主創生那一刻的輝煌！”
儘管愛因斯坦可能希望看到的是更多的數學細節和較少的粉飾，但他還是讚揚了勒邁特的開拓的努力：“這是我聽過的對創生的最優美、最滿意的解釋。”此言的確不虛，特別是從一個6年前還在將勒邁特的物理學斥為“可憎”的人的口中說出。
愛因斯坦的認可標誌著勒邁特的生涯在科學界內外都開始步入名人的行列。畢竟，這裡站著的是一位證明了愛因斯坦錯了，一位在望遠鏡的水平尚無法檢測出星系逃離的年代就高瞻遠矚地預言了宇宙在膨脹的人。勒邁特被邀請到世界各地去演講，他獲得了眾多的國際獎項——他確實有資格享受宣稱自己是一名著名的比利時人這一難得的榮譽。他的人氣、魅力和標誌性的地位部分來自於他作為一個牧師和一個物理學家的雙重身份。全程參加了1933年帕薩迪納會議的《紐約時報》記者鄧肯·艾克曼寫道：“他的觀點有趣而重要，不是因為他是一名天主教神父，也不是因為他是我們這個時代的領軍數學物理學家之一，而是因為他兩者兼顧。”
圖65 1933年，阿爾伯特·愛因斯坦和喬治·勒邁特在帕薩迪納出席關於哈勃的觀測結果和宇宙的大爆炸模型的研討會。
像伽利略一樣，勒邁特相信上帝保佑那些具有探索精神的人，他會珍愛地看待科學的宇宙觀。與此同時，勒邁特對他的物理學研究和他的宗教信仰保持嚴格的區分，他宣稱他的宗教信仰確實不是他研究宇宙學的動因。“數以百計的專業和業餘科學家實際上相信聖經，卻假裝教授科學，”他說，“這是一個很好的協議，就像假設二項式定理必須是權威的宗教教條。”
然而，一些科學家仍然認為神學對這位神父的宇宙觀有負面影響。這些反宗教人士抱怨道，他的萬物創生於原始原子的理論不過是對存在偉大的造物主的一種偽科學證明，是現代版的《創世記》。為了削弱勒邁特的地位，這些批評者不斷強調大爆炸假說的一個嚴重缺陷，即其對宇宙年齡的估計。根據哈勃的觀測，距離和速度測量意味著宇宙不到20億歲。鑒於現代地質研究已經估計出一些地球上的岩石的年齡為34億年，因此兩者之間至少有14億年的尷尬的年齡差距。大爆炸模型似乎意味著地球比宇宙更古老。
在大爆炸的批評者們看來，勒邁特模型的根本問題在於認為宇宙有一個有限的年齡。而他們認為宇宙是永恆不變的，因此大爆炸模型是無稽之談。這在當時仍然是權威的觀點。
然而，權威也不能只坐在背後攻擊大爆炸——他們也得依據他們偏愛的穩恆態宇宙模型來解釋最新的觀測結果。哈勃的觀測清楚地表明，星系有紅移，在退行，所以大爆炸的批評者必須證明這些事實並不一定意味著在過去存在創生的那一刻。
牛津大學的天體物理學家亞瑟·米爾恩是第一批想出另一種與穩恆態宇宙相容的方式來解釋哈勃定律的人中的一位。在他的號稱“運動相對論”的理論中，星系有著廣泛的速度，有些在空間中移動緩慢，有些移動得很快。米爾恩認為，越遙遠的星系運動的越快這是很自然的，正如哈勃觀察到的那樣。因為正是由於它們有這麼快的速度，它們才能飛出這麼遠。按照米爾恩的觀點，星系以正比於其距離的速度退行並不是原始原子爆炸的結果，而是隨機運動的實體無阻礙地自由運動的自然表現。這種解釋無懈可擊，而且它還鼓勵其他天文學家們在穩恆態宇宙框架下去創造性地思考哈勃紅移問題。
圖66 弗裡茨·茲威基，光疲勞的缺陷理論的發明者，這個理論試圖解釋哈勃觀測到的星系紅移。
對大爆炸宇宙模型予以最猛烈批評的是保加利亞出生的弗裡茨·茲威基。他以偏心和頑固而著稱於宇宙學界。1925年，他應諾貝爾獎得主羅伯特·密立根的邀請到訪加州理工學院和威爾遜山天文台。但茲威基日後卻以怨報德，在某個場合下公然宣稱密立根一生中就沒出個什麼好主意。他的同事個個都是他污蔑的目標，其中許多人成為他最喜歡用的侮辱性用詞——“混球”——的指稱對象。就是說你像一個球體一樣從各個方向看上去都一樣，一個混球就是一個混蛋，不管你怎麼看。
茲威基研究了哈勃的數據，質疑是不是所有的星系都在移動。他對星系紅移的解釋是基於這樣一個公認的概念：行星或恆星輻射出任何東西都會失去能量。舉例來說，如果你把一塊石頭扔到空中，它帶著能量和速度離開地球表面，但緻密地球的引力會降低石頭的動能，減緩其速度直到速度為零，於是石頭落回地球。同樣，逃出星系的光的能量也會受到星系引力的侵蝕。光不可能慢下來，因為光速是恆定的，所以能量損失表現為光的波長增加，使它顯得更紅了。換句話說，這便是對哈勃的紅移觀測的另一種可能的解釋，它不涉及宇宙膨脹。
茲威基的星系紅移是引力抽取掉光的能量的說法稱為光疲勞理論。這一理論的主要問題是它得不到已知物理定律的支持。計算表明，引力是會對光產生一定影響，導致紅移，但這種效應僅在很低水平，顯然不足以解釋哈勃的觀測結果。茲威基則通過指責觀察結果來反駁，聲稱這些結果可能被誇大了。事實上，他甚至懷疑哈勃和赫馬森的誠信，暗示他們的團隊可能濫用他們的特權控制了世界上最好的望遠鏡。茲威基聲稱：“他們的年輕助手中拍馬屁者因此有機會修改他們的觀測數據，來掩飾他們的缺點。”
雖然這種直言不諱的行為肯定會使許多科學家對茲威基感到反感，仍然有一些人加入了他的光疲勞兵團。甚至他的顯然錯誤的物理都沒使他們掉頭，因為茲威基在研究上有一項無可挑剔的良好記錄。事實上，在他的職業生涯中，他曾在超新星和中子星等領域做出過開創性的工作。他甚至預言了暗物質的存在。暗物質是一種神秘的不可見的實體，最初提出時受到嘲笑，但如今已被廣泛接受為一種真實的存在。光疲勞理論似乎同樣可笑，但也許它同樣會被證明是正確的。
然而，“大爆炸”的支持者完全拒絕“疲勞”的概念。他們認為，它充其量也只能說明觀測到的一小部分紅移。作為大爆炸陣營的代表，亞瑟·愛丁頓這樣總結了他認為的茲威基理論的錯處：“光很奇怪——甚至比我們20年前能想像的更奇怪——但如果奇怪得離譜我還是會感到驚訝。”換句話說，愛因斯坦的相對論已經改變了我們對光的理解，但在解釋哈勃紅移的問題上並沒有為光疲勞理論留下空間。
雖然愛丁頓攻擊茲威基的光疲勞理論，贊同勒邁特的原始論文，但他仍然對宇宙的起源問題保持了一種相對開放的心態。愛丁頓認為，勒邁特的思想很重要，值得更廣泛的受眾瞭解，這就是為什麼他會向專業期刊推薦這一學說，並幫助翻譯這位比利時人的工作，但他並不完全信服整個宇宙突然誕生於原始原子衰變的思想：“從哲學上說，我討厭這種自然當前的秩序有一個開端的思想。我想找到問題真正的結症所在……作為一名科學家，我不可能就這麼輕易相信宇宙始於一聲巨響……它沒法讓我信服。”愛丁頓認為，勒邁特的創生模型是一種“太過缺乏美感的突變”。
最後，愛丁頓提出了他自己的勒邁特模型的變種。他認為當前的宇宙源於一個袖珍宇宙，而不是勒邁特的原始原子。然後，宇宙不是突然膨脹，而是非常緩慢地膨脹，最終加速到我們今天看到的膨脹水平。勒邁特的膨脹就像一顆炸彈的突然猛烈爆炸；而愛丁頓的膨脹則更像是雪崩的逐漸累積過程。一座覆蓋著積雪的山可能會穩定很多個月。然後一陣淡淡的輕風使得雪花變身為冰晶體，它傾覆在另一個冰晶體之上，這些冰晶體就這麼在微風下滾動著先是形成雪團然後又慢慢變成了一個小雪球，它的重量越來越大，將更多的冰雪卷積進來形成斜坡面，直到雪片開始崩塌，於是一場雪崩便不可避免了。
愛丁頓解釋了他為什麼更傾向於自己的漸進模型而不是大爆炸：“將世界看成是由原始的不穩定平衡下的均勻分佈緩慢地進化而來，這至少在哲學上是令人滿意的。”
愛丁頓還聲稱，憑借某種值得商榷的邏輯，他的版本可以解釋有生於無的某種東西。他的思路始於這樣一個前提，宇宙永遠是存在的，如果我們在時間上回到足夠早，我們就會發現一個完全均勻、緻密的宇宙，它本身作為一種存在是永恆的。其次，愛丁頓認為，這樣的宇宙就相當於無：“在我看來，在哲學上不可分辨的相同與虛無之間是無法區分的。”宇宙中可以想像的最微小的波動——相當於雪崩所起始的雪花——將破壞宇宙的對稱性並引發一系列導致我們今天所看到的充分膨脹的事件。
1933年，愛丁頓寫了一篇科普讀物《膨脹的宇宙》，它的目的是要在區區126頁中解釋宇宙學中的最新想法。他將廣義相對論、哈勃的觀測結果、勒邁特的原始原子和他自己的思想全都囊括在內，通篇充滿創意。例如，鑒於所有星系都在逃離，愛丁頓敦促天文學家乘星系距離還不太遠，還能看得到，趕緊加速建造更好的望遠鏡。在另一個戲謔之處，愛丁頓把對哈勃的觀測結果的理解翻了個個兒：“所有的變化都是相對的。宇宙的膨脹是相對於我們共同的物質標準。反過來，我們的物質標準相對於宇宙的大小在縮小。因此’膨脹的宇宙’理論也可以稱為’收縮的原子’理論……誰能說膨脹的宇宙就不是我們的以我為中心的世界觀的另一個例子呢？宇宙應該是一種標準，我們應當用它來衡量自己的興衰。”
以一種更為嚴肅的方式，愛丁頓給出了對大爆炸模型的誠實的總結。他指出，對於是否存在創生的時刻，確實有很多有利的重要理論解釋和有說服力的觀測證據，但在大爆炸模型能夠被廣泛接受之前仍有大量的工作要做。他稱哈勃的紅移“太過纖薄，還支撐不住深遠的結論”。證明的責任顯然落在大爆炸模型的支持者肩上，他鼓勵他們尋求更多的證據來鞏固他們的立場。
雖然科學界保守的權威們仍堅持其傳統的永恆的、基本上是靜態的宇宙觀，但大爆炸的支持者們已準備好投入戰鬥，這種士氣在某種程度上是源於現在他們在與保守派論戰時處於一種成熟的位置。宇宙學不再由神話、宗教和教條所主導，也明顯擺脫了個人偏好和個性力量的影響，因為20世紀的功能強大的望遠鏡所提供的觀測結果已能夠有力地支持一種理論並摧毀另一種理論。
愛丁頓本人對某種版本的大爆炸模型終將取得勝利這一點是樂觀的。在他的書的結尾，他製作了一幅簡明而引人注目的圖像來說明20世紀30年代初大爆炸模型的狀態：
我們在多大程度上相信這個故事？科學有其自己的展廳和車間。今天的公眾，我確實認為，還不足以在這間陳列測試產品的展廳裡徜徉；他們需要去車間看看那裡正在加工什麼。歡迎你進來，但請你不要按照你在陳列室所看到的物件的標準來判斷。我們已經在科學大廈的地下室裡轉過了一個車間。那裡光線很暗，有時我們會跌倒。關於我們的種種傳聞令人糊塗且混亂，這種局面我們還沒有時間去掃除。工人和機器都還籠罩在一片黑暗中。但我認為這裡的有些東西已經成形——也許顯得有點大。我不太清楚當它完成並打磨後在陳列室裡會是什麼樣子。
從宇宙模型到原子模型
為了使大爆炸模型被接受，有一個看似無害的問題不能被忽視：為什麼有些物質比其他物質更常見？如果我們看地球，我們發現地心是由鐵組成的，地殼則主要由氧、硅、鋁和鐵占主導，海洋主要是由氫和氧（即水）構成，大氣主要是氮和氧。如果我們跑得稍遠一點，那麼我們會發現，這種分佈在宇宙的尺度上並不是典型性的。通過利用光譜學研究星光，天文學家們意識到，氫是宇宙中最豐富的元素。這個結論已被編成一首著名的搖籃曲：
一閃一閃小星星，究竟何物現奇景；
通過光譜顯微鏡，知原來你是氫；
一閃一閃小星星，究竟何物現奇景。
宇宙中下一個最豐富的元素是氦。氫和氦在宇宙中佔到絕大多數。這兩種元素也是最小和最輕的元素，因此天文學家們面臨這樣一個事實，即宇宙主要是由小的原子而不是由大的原子構成的。這種不平衡的程度在以下的元素在宇宙中的丰度按原子序數的列表可以看得更清楚。這些值是基於當前的測量值，它們與20世紀30年代的估計值相去不遠：
換句話說，氫和氦約占宇宙中所有原子的99.9%。這兩種最輕的元素是極其豐富的，而接下來的輕的或中等重量的一批原子則不太常見，最後，像金和鉑這樣的重原子則更加罕見。
科學家們開始奇怪為什麼輕元素和重元素的宇宙丰度之間會有這麼大的差異。永恆宇宙模型的支持者無法給出一個明確的答案；他們的退路是宇宙一直就是這樣包含著目前這種比例的元素，而且永遠不變。丰度的範圍簡單來說就是宇宙的固有屬性。這是一個令人非常不滿意的答案，但它有一定的自洽性。
然而，丰度的神秘性對於大爆炸的支持者來說則帶來了更多的問題。如果宇宙從創生的那一刻起就開始進化，那麼為什麼它會進化出這樣一種氫和氦，而不是黃金和白金的方式？是什麼機製造成創生過程優先創造輕元素而不是重元素？無論是什麼解釋，大爆炸的支持者都必須找出它，並表明它與大爆炸模型是兼容的。任何合理的宇宙理論都必須準確地解釋宇宙是如何形成的，否則就將被認為是失敗。
解決這個問題需要採用一種完全不同於先前的宇宙研究方法。在過去，宇宙學家都將注意力集中在尺度非常大的事物上。例如，他們用廣義相對論來研究宇宙，這個理論描述的是巨大的天體之間的引力作用。他們用巨型望遠鏡去觀測非常遙遠的巨大星系。但是，要解決宇宙丰度的問題，科學家們需要新的理論和新的設備來描述和探測非常非常小的對象。
在開始講述大爆炸的這部分故事之前，我們需要先對原子的現代研究歷史做一個簡短的回顧。本節的餘下部分講述那些為原子物理學奠定了基礎的物理學家們的故事。他們的工作能使大爆炸的支持者們來探討宇宙中充滿氫和氦的原因。
當代對原子的理解始於化學家和物理學家們對放射性現象的濃厚興趣。放射性這一現象是在1896年被發現的。很明顯，一些最重的原子，如鈾，是有放射性的，這意味著它們能夠以輻射形式自發地放出大量的能量。有一段時間，沒有人能理解這種輻射到底是什麼或是由什麼造成的。
瑪麗和皮埃爾·居裡夫婦當時站在了放射性研究的前沿。他們發現了新的放射性元素，包括鐳，它比鈾的放射性要強100萬倍。鐳的放射性排放最終被它周圍的物質所吸收，能量被轉換成熱能。事實上，1千克鐳產生的能量足以在半小時內燒開1公升的水，更令人印象深刻的是，放射性的持續幾乎有增無減——1千克鐳每30分鐘燒開1公升新鮮的水這種行為可以持續1000年。雖然比起炸藥，鐳釋放能量的速度很慢，但它最終釋放出的能量是同等重量的炸藥的100萬倍。
多年來，沒有人完全理解放射性所帶來的危險，大家以天真樂觀的態度來看待像鐳這樣的物質。美國鐳公司的薩賓·馮·佐赫茨基甚至預言，鐳會被用作民用電源：“在你自己的房子裡完全用鐳來照明的時代無疑即將到來。漆在牆壁和天花板上的鐳所發出的光，在色調上就像柔和的月光。”
居裡夫婦都遭受到輻射損傷，但他們仍不遺餘力地進行這項研究。經過多年與鐳的接觸，他們的筆記本變得帶有很強的放射性，以至於今天它們仍必須存儲在一個鉛盒內。瑪麗的雙手經常沾滿鐳的塵埃，以至於她的手指在筆記本的紙上留下了看不見的放射性痕跡，筆記本夾著的照相膠片可以真實記錄下她的指紋。瑪麗最終死於白血病。
居裡夫婦在他們狹小的巴黎實驗室裡以巨大的犧牲為代價，在許多方面讓我們看清了在理解原子內部構造方面的巨大欠缺。科學家們似乎感到他們的知識倒退回去了——僅僅在幾十年前，他們就聲稱要充分利用元素週期表來理解物質的這一建築磚塊。1869年，俄羅斯化學家德米特裡·門捷列夫繪製了一張列出了從氫到鈾的所有已知元素的圖表。通過將週期表中不同元素的原子以不同的比例化合，就能夠形成分子，並能夠解釋太陽之下、太陽之內和太陽之外的每一種物質。例如，兩個氫原子和一個氧原子結合成一個水分子H2O，這仍是正確的，但居裡夫婦表明，某些原子體內有強大的能量源，而元素週期表無法解釋這一現象。沒有人對原子深層次內到底發生了什麼有可靠的線索。19世紀的科學家把原子想像為簡單的球體，但要解釋放射性，原子就必須有更複雜的結構。
圖67 元素週期表顯示了所有化學元素——物質的基本單元。它們原本可以從最輕的到最重的排列成一行（1氫，2氦，3鋰，4鈹，等等），但這種表格式排列則顯示得更為清楚。元素週期表將具有公共屬性的元素放在一組。例如，最靠右邊的列包含了所謂的惰性氣體（氦，氖等），這些元素的原子很少與其他原子反應形成分子。不論週期表在幫助我們理解元素間相互反應時起著什麼作用，它確實沒有提供了解放射性的原因的任何線索。
被吸引到這個問題上來的一位物理學家是新西蘭人——歐內斯特·盧瑟福。他備受他的同事和學生們的喜愛，但他也以粗暴專制而著稱。他很容易發脾氣，而且表現傲慢。例如，根據盧瑟福的觀點，物理學是唯一重要的科學。他相信這門學科能夠提供對宇宙的深刻和有意義的理解，而所有其他科學的全副精力只是用於單純的測量和編目。他曾說過：“所有的科學要麼是物理學要麼就是集郵。”結果事與願違，這種狹隘的評論使得諾貝爾獎委員會在1908年只是授予他化學獎。
圖68 這是盧瑟福在三十出頭時拍攝的肖像。他很瞧不起化學家，而這在物理學家中並不少見。例如，當諾貝爾獎獲得者物理學家沃爾夫岡·泡利的妻子離開他嫁給一個化學家後他很生氣：“如果她找了一個鬥牛士的話，我會理解，但一個普通的化學家……”
第二張照片顯示的是一個更加成熟的盧瑟福與他的同事約翰·拉特克利夫在卡文迪什實驗室。他們頭上的標語“請小聲說話”就是專門針對盧瑟福的，他喜歡可著嗓子唱“前進！基督徒的士兵們”這支歌，弄得實驗室的敏感設備無法正常工作。
在20世紀初盧瑟福走上研究道路時，原子圖像僅比19世紀人們想像的那種簡單的、無結構的球稍許複雜一些。當時原子被認為含有兩種成分：帶正電荷的物質和帶負電荷的物質。相反電荷的吸引就是為什麼這些物質會被束縛在原子內的原因。後來，1904年，傑出劍橋物理學家J.J.湯姆孫提出了一種被稱為葡萄乾布丁的模型。在這個模型下，原子由一系列帶負電的粒子鑲嵌在一個帶正電的生麵團狀的材料中組成，如圖69所示。
圖69 這個截面展示了約瑟夫·湯姆孫的葡萄乾布丁原子模型。其中每個原子都是由一系列帶負電的粒子（葡萄乾）鑲嵌在一個帶正電的生麵團狀的材料（布丁）中組成。輕的氫原子的一小團帶正電的麵團裡只嵌有一個負電性的粒子，而重的金原子的帶正電的麵團較大，其中會嵌入許多帶負電的粒子。
放射性的一種形式是α輻射。這種輻射似乎是由帶正電荷的粒子組成，這種粒子被稱為α粒子。人們推測，這種現象可以用原子吐出一塊帶正電荷的麵團來解釋。為了檢驗這一假設以及整個葡萄乾布丁模型，盧瑟福決定用一組原子發射出的α粒子去打另一組原子，看看會發生什麼。換句話說，他想用α粒子來探測原子。
1909年，盧瑟福讓他的兩位年輕的物理學家——漢斯·蓋革和歐內斯特·馬斯登——來進行這項實驗。蓋革後來因發明了輻射探測器——蓋革計數器——而名滿天下，但眼下，兩人只好用最原始的設備湊合著做。檢測α粒子是否存在的唯一方法是在α粒子可能的飛行路徑上放置一塊塗有硫化鋅的屏幕。當α粒子打到硫化鋅上時，屏幕會發出微弱的閃光。為了看清楚這種閃光，蓋革和馬斯登需要事先花30分鐘時間進行暗適應。即使這樣，他們仍然必須通過顯微鏡來觀察硫化鋅屏幕。
實驗的關鍵部分是鐳的樣品，它向所有方向放射出α粒子。蓋革和馬斯登用開有狹縫的鉛屏蔽材料來包裹鐳，使之變成可控制的α粒子束。接下來，他們在α粒子出束的路徑上放置一片金箔片，如圖70所示，看看α粒子打在金原子上會發生什麼事情。
α粒子帶正電荷，而原子是負電荷和正電荷的混合。同種電荷相斥，異種電荷相吸。因此蓋革和馬斯登希望α粒子和金原子之間的相互作用能夠透露一些關於金原子內部的電荷分佈信息。例如，如果金原子確實是由負電荷均勻散佈在正電荷麵團內這種結構構成的，那麼α粒子就應僅有略微的偏轉，因為它們遇到的是均勻分佈的正負電荷的混合。果然，當蓋革和馬斯登在金箔的另一側放置了硫化鋅屏幕，讓它正對著鐳樣品時，他們檢測到的僅是對α粒子路徑方向的最小的偏轉。
隨後盧瑟福要求將探測器移動到金箔和鐳源的同一側，這“純粹是為了好玩而已”。當時的想法只是想看看α粒子是否有可能被金箔反彈。如果湯姆孫模型是正確的，那麼應該什麼都檢測不到，因為他的葡萄乾布丁模型將原子內的電荷混合在一起，應該對入射的α粒子沒有如此劇烈的影響。然而，蓋革和馬斯登被他們所看到的結果驚呆了。他們確實檢測到明顯是被金原子彈回的α粒子。雖然每8000例中只有1例α粒子被彈回，但這已超出湯姆孫模型所預言的範圍。實驗結果似乎與葡萄乾布丁模型相矛盾。
在門外漢看來，這似乎只是產生了意想不到的奇怪結果的一次實驗。但對於對原子結構有深刻認識的盧瑟福來說，這個結果令人極度震驚：“這是我一生中從未遇到過的最不可思議的事件。這就像你向一塊紙巾發射一顆15英吋的子彈，結果它折回頭來打到你身上一樣的不可思議。”
這個結果在葡萄乾布丁原子的背景下似乎是不可能的。因此，這一實驗迫使盧瑟福不得不放棄湯姆孫模型，並構建一種全新的原子模型，它應能夠說明α粒子的回彈。他反覆揣摩這個問題，最終想出了一種似乎說得通的原子結構。盧瑟福提供的這種原子表示的大部分內容即使到今天仍然有效。
圖70 歐內斯特·盧瑟福讓他的兩位同事，漢斯·蓋革和歐內斯特·馬斯登，用α粒子來研究原子結構。他們的實驗用鐳樣品做α粒子源。包裹鐳樣品的鉛屏蔽罩開有狹縫，使α粒子束出射打到金箔上，探測α粒子的探測器可在金箔周圍移動以便檢測α粒子的偏轉方向。
大部分α粒子以很小的偏轉甚至不偏轉直接穿過金箔打在位置A的探測器上。如果湯姆孫的葡萄乾布丁模型是正確的，那麼這個結果是可以預料的，因為這個模型想像負電荷粒子是均勻鑲嵌在正電荷的麵團裡的。
然而，在某些情形下，α粒子以一種非常令人奇怪的方式彈回，並被位於位置B的探測器拾取。這些事實啟發盧瑟福提出了新的原子模型。
盧瑟福模型將全部正電荷集中在稱為質子的粒子上，它位於原子的中心，這個區域被稱為原子核。帶負電荷的粒子，所謂電子，圍繞核做軌道運動，並因其所帶的負電荷與原子核內的正電荷之間的吸引力而被束縛在原子上，如圖71所示。這個模型有時被稱為原子的行星模型，因為繞核做軌道運動的電子就如同繞太陽做軌道運動的行星一樣。電子和質子具有相等且相反的電荷，並且每個原子都包含數目相同的電子和質子，所以盧瑟福原子的總電荷為零，就是說它是電中性的。
圖71 盧瑟福的原子模型有一個位於中心的由帶正電荷的質子構成的核，帶負電荷的電子在核外作軌道運行。這些圖未按比例繪製，因為核的直徑大約是原子直徑的十萬分之一。質子數等於電子數，並且這個原子序數對於特定元素的所有原子都相同，它也確定該元素在週期表（圖67）中的位置。氫原子具有1個電子和1個質子，氦原子具有2個電子和2個質子，鋰原子有3個電子和3個質子，等等。
核內中子的數量可以不同，但只要質子的數量保持不變，它就仍然被認為是相同化學元素的原子。例如，大多數氫原子沒有中子，但有一些氫原子有1個中子，被稱為氘，而含有2個中子的被稱為氚。正氫、氘和氚都是氫的同位素。
質子和電子的數目至關重要，因為它定義了原子的種類，在元素週期表中出現在每個原子旁邊的也正是這個數字（圖67，原書第287頁）。氫的原子序數是1，因為它的原子有1個電子和1個質子；氦的原子序數是2，因為它的原子有2個電子和2個質子；等等。
盧瑟福懷疑核內還含有一種不帶電的粒子，他的這一想法後來被證明是正確的：中子具有與質子幾乎相同的質量，但它不帶電荷。正如圖71所說明的那樣，核內的中子數量可以改變，但只要原子中的質子數目保持不變，那麼它就仍然是同類元素的原子。例如，大多數的氫原子沒有中子，但是有些氫原子有1個或2個中子，它們分別被稱為氘和氚。普通氫、氘和氚都是氫的形式，因為它們都包含1個質子和1個電子，它們被稱為氫的同位素。
雖然原子體積上的變化取決於它所具有的質子、中子和電子的數量，但它們的直徑通常小於1米的10億分之一。然而，盧瑟福的散射實驗表明，原子核的直徑還要將原子的直徑除以10萬。從體積上說，原子核只佔整個原子的（1/100000）3或0.0000000000001%。
這個圖像具有非凡的意義：原子，這種構成我們周圍世界實實在在可感知的萬事萬物的基本要素，是由幾乎完全空的空間組成的。如果將單個氫原子擴大到一座音樂廳（例如倫敦的皇家阿爾伯特音樂廳）那麼大，那麼在金色大廳的廣闊空虛之中，原子核的大小將只有跳蚤這麼點大，而更小的電子則蜷縮在大廳某處的角落裡。此外，質子和中子每一個的重量都幾乎是電子的2000多倍，而質子和中子則是駐留在無窮小的核內，因此一個原子至少有99.95%的質量是被擠壓在其體積的0.0000000000001%的空間裡。
這個修改的原子模型為盧瑟福的實驗結果提供了一個完美的解釋。由於原子的大部分空間是空的，因此絕大多數α粒子會穿過金箔，只發生輕微的偏轉。然而，一小部分帶正電荷的α粒子會迎面碰撞上帶正電荷的原子核，從而引起劇烈反彈。圖72演示了這兩種相互作用形式。最初，盧瑟福的實驗結果讓人感到是根本不可能的，但有了這個修改的模型後一切都顯得十分顯然。盧瑟福曾經說過：“所有的物理學結果，要麼是不可能的，要麼是微不足道的。一切不可能的結果，一旦你理解它之後，就變成微不足道了。”
圖72 蓋革和馬斯登的實驗的結果表明，一小部分α粒子撞到金箔上後被反彈回來。這使得湯姆孫的葡萄乾布丁模型失去意義。
圖（a）表示金箔由葡萄乾布丁模型原子構成。帶正電的麵團裡均勻撒布著帶負電的布丁粒子，這種非常均勻的電荷分佈使入射的α粒子幾乎不偏轉。
圖（b）所示的金箔由盧瑟福的原子構成，它能夠解釋α粒子的反彈。在這種模型下，正電荷被集中在位於中心的核上。大多數α粒子仍不偏轉，因為原子中的大部分空間是空的。然而，如果α粒子撞擊到濃縮著正電荷的原子核上，它就會被相當顯著地偏轉。
只有一個問題依然存在：盧瑟福的中子的存在性依然缺少證據，中子被認為與質子一樣都位於原子核內。原子拼圖中這一失蹤的拼塊很難探測，因為它是電中性的，不像帶正電的質子和帶負電的電子那麼容易檢測。詹姆斯·查德威克，盧瑟福的門徒之一，著手證明它的存在。他對於核物理學這門全新的學科是如此癡迷，以至於在第一次世界大戰期間作為德國戰俘的四年裡依然在繼續研究。他知道某種品牌的牙膏裡含有放射性的釷——為的是讓牙齒閃亮發光——他設法從看守那裡弄來一些這種牌子的牙膏，以便用它進行實驗。查德威克的牙膏實驗並沒有取得太大的進步，但在戰後，他回到了他的實驗室，又埋頭苦幹了10年，最終在1932年發現了原子的這種缺失的成分。事實上，查德威克就是在圖68中開著的門的左邊的那間實驗室裡發現中子的。
有了對原子結構及其成分的正確認識，物理學家們終於能夠解釋皮埃爾和瑪麗·居裡夫婦所研究的放射性的根本原因了。每個原子核都由一個個的質子和中子組成，並且這些成分可以發生交換，使一種核轉變成另一種核，從而使一種原子轉化成另一種原子。這正是放射性這種現象背後的機制。
例如，像鐳這樣的重原子的核是非常大的。事實上，居裡夫婦研究的鐳原子核包含88個質子和138個中子，這麼大的核通常是不穩定的，因此很容易衰變成較小的核。就鐳的情形而言，鐳核以α粒子的形式（它恰好也是氦原子的核）吐出1對質子和1對中子，其本身因此轉化成一個由86個質子和136個中子組成的氡核，如圖73所示。這種大核分裂成較小的核的過程稱為核裂變。
儘管我們通常談到核反應總是聯想到非常重的核，但核反應也可能是指非常輕的核，如氫核。氫核和中子可以通過一種被稱為核聚變的過程合併在一起轉化為氦核。氫是相當穩定的，所以這個過程不會自發地發生，但在適當的高溫和壓強條件下，氫將聚變成氦。氫之所以聚變成氦是因為氦比氫更穩定，原子核總有一種尋求最大可能的穩定性的趨勢。
圖73 鐳有多種同位素，但最常見的是一種被稱為鐳226的特定的核，因為它有88個質子和138個中子，總共226個粒子。鐳核大，因此非常不穩定，這使它通過裂變，以α粒子的形式放射出2個中子和2個質子，自身轉化到較小的氡核，後者本身也相當不穩定。
在一般情況下，最穩定的原子是處於週期表中間位置的那些原子，如鐵。這些原子還有個特點，就是它們的原子核中質子和中子的數量也處於中等。因此，雖然質量非常大的原子核會發生裂變，質量最小的原子核會發生聚變，但絕大多數中等質量的核則幾乎從不發生任何種類的核反應。
雖然這解釋了核反應是如何進行的，以及為什麼鐳具有放射性（而鐵不是），但它並沒有解釋為什麼當鐳發生裂變時居裡夫婦會檢測到如此巨大的能量。核反應因其釋放能量而著稱，但這些能量是從何而來的？
答案在於愛因斯坦的狹義相對論，這方面具體內容我們在第2章裡沒有涉及。愛因斯坦不僅分析了光速，認識到它對空間和時間的影響，而且還推導出物理學裡最著名的方程，即E=mc2。這個公式從本質上表明，能量（E）和質量（m）是等價的，並且可以相互轉化，轉換因子即c2，其中c是光速。光速為3×108m/s，因此c2為9×1016（m/s）2，這意味著一點點質量就可以轉化成巨大的能量。
而且事實上，核反應所釋放的能量直接來源於微量質量向能量的轉換。當一個鐳核轉化為氡核和α粒子時，產物的總質量小於鐳原子核的質量。質量損失僅為0.0023%，所以1千克的鐳將被轉換成0.999977千克氡和α粒子。雖然質量損失很微小，但轉換因子（c2）巨大，因此丟失的這0.000023千克質量被變換成多於2×1012焦耳的能量，這個能量相當於超過400噸的TNT所釋放的能量。聚變反應也以完全相同的方式釋放能量，所不同的是所釋放的能量的量通常要更大。氫聚變炸彈比鈽裂變炸彈更具有毀滅性。
本章要討論的天文學或宇宙學已經好久沒提起了，但我們應理解，介紹原子物理和核物理領域的突破非常重要，因為它們注定要在大爆炸模型的檢驗中發揮至關重要的作用。盧瑟福的原子有核模型以及由此出現的對核反應（裂變和聚變）的理解，為天上的研究開闢了一種新的途徑。在我們回到本章主題之前，我們先在這裡給出對核物理的關鍵要點的概括：
1.原子由電子、質子和中子組成。
2.質子和中子佔據原子的中心，即構成原子核。
3.電子繞原子核做軌道運動。
4.大質量原子核往往是不穩定的，會發生分裂（核裂變）。
5.小的核較穩定，但可以發生合併（核聚變）。
6.裂變/聚變後的核的質量要比最初的核的質量小。
7.由E=mc2知，這種質量的減少導致能量的釋放。
8.中等質量的核是最穩定的，很少發生核反應。
9.即使是非常輕或非常重的原子核，要進行聚變或裂變反應，也需要高能量和高壓強條件。
將核物理學的這些法則與天文學聯繫起來的首批科學家裡，有一位叫弗裡茨·豪特曼斯的有勇氣且有原則的物理學家，向來以魅力和機智著稱。他可能是唯一的一位其笑話被編纂成40頁的小冊子出版的物理學家。豪特曼斯的母親有一半的猶太血統，他有時用這樣的話來回敬反猶言論：“當你的祖先還住在樹上時，我的祖先已經會偽造支票了。”
豪特曼斯於1903年出生在佐波特（Zoppot），一個靠近當時德國丹澤（現今波蘭的格但斯克）的波羅的海港口的地方。後來他的父母搬到維也納，豪特曼斯在那裡度過了童年。1920年，他從那裡回到德國，在格丁根學習物理學，並在此獲得了一個研究員的職位。通過與英國科學家羅伯特·德埃斯庫特·阿特金森一起工作，他開始迷上了這樣一個概念：核物理可以用來解釋太陽和其他恆星是如何燃燒的。
眾所周知，太陽主要是由氫和部分的氦組成的，因此人們很自然地假定，太陽產生的能量是氫聚變成氦的核反應的結果。當時還沒有人在地球上觀察到核聚變，因此對這種機制的細節並不清楚。但業已知曉，如果氫可以在某種程度上轉化成氦，將有0.7%的質量損失：1千克的氫以某種方式被聚變成0.993千克氦時，將有0.007千克的質量損失。同樣，看上去這個質量損失很小，但愛因斯坦的質能關係式E=mc2告訴我們，這一看似微小的質量損失甚至能夠產生數量巨大的能量：
能量=mc2=質量×（光速）2=0.007×（3×108）2=6.3×1014焦耳所以，從理論上講，1千克的氫可以聚變成0.993千克的氦並產生6.3×1014焦耳的能量，它等於燃燒100000噸煤所產生的能量。
困擾豪特曼斯的主要問題是，太陽上的條件是否足以引發聚變。前面我們提到，聚變反應不可能自發發生，需要高溫和高壓。這是因為它們需要輸入初始能量來觸發核反應。在兩個氫核聚變的情形下，這種初始能量對於克服初始的靜電斥力是必要的。氫核是帶正電荷的質子，所以它會排斥另一個帶正電荷的氫核，因為同種電荷相斥。但是，如果質子能得以足夠接近對方，那麼吸引性的所謂強作用核力就將起作用，它將壓倒靜電斥力，並使兩個氫核安全地綁定在一起形成氦核。
豪特曼斯計算出這個臨界距離為10-15米，即1毫米的一萬億分之一。如果兩個相互接近的氫核能夠接近對方到這個距離，那麼聚變就將發生。豪特曼斯和阿特金森都深信，太陽內部深處的壓力和溫度都大到足以迫使氫核接近到這個10-15米的臨界距離的範圍內，這將導致聚變，而釋放出的能量則用來維持溫度，並促使進一步聚變。1929年，他們在德文期刊《物理學雜誌》上發表了他們關於恆星上的聚變的這一想法。
豪特曼斯確信，他和阿特金森正行進在正確解釋為什麼星星會發光的道路上，他對他的這項研究感到非常自豪，以至於不禁向他約會的女孩夏洛特·裡芬斯塔爾誇耀他的這項工作。後來他回憶起他完成了關於恆星聚變的研究論文後那個晚上所發生的交談內容：
那天晚上，我們完成論文之後，我便去與一個漂亮的姑娘約會散步。天漸漸地黑了下來，星星出來了，一個接一個，個個都閃耀著光輝。“它們是不是閃得很漂亮？”我的同伴叫道。但我只是挺了挺胸，自豪地說：“從昨天開始我已經知道它們為什麼會閃光。”
夏洛特·裡芬斯塔爾顯然對此印象深刻。後來她嫁給了他。然而，豪特曼斯只發展了部分恆星聚變理論。即使在太陽上2個氫核可以聚變成1個氦核，它也只能是氦的一種很輕且不穩定的同位素——穩定的氦核還需要向核內添加2個中子。豪特曼斯相信存在中子，它也確實在太陽中存在，但在1929年他和阿特金森發表他們的論文時，它還沒有被發現。因此豪特曼斯對中子的各種屬性大體上是無知的，他無法完成他的計算。
當1932年中子最終被查德威克發現後，豪特曼斯正處在填補他的理論細節的理想狀態，但政治干擾很快又起。他曾是一名共產黨員，因此擔心會成為納粹迫害的受害者。1933年，他逃離德國到了英國，但在那裡，不論是文化還是食物都不對他的胃口。他說他無法忍受永遠存在的涮羊肉的氣味，並稱英格蘭就是個“醃土豆的邦域”。1934年底，他離開英國前往蘇聯。據他的傳記作者約瑟夫·赫裡普羅維奇（Iosif KhripIovich）記載，他的移民主要是受到“理想主義和英式菜餚”的驅使。
在豪特曼斯於20世紀30年代末被拘留期間，其他物理學家拾起他的恆星聚變的思路，並計算了太陽上所發生過程的具體細節。其中對完成豪特曼斯研究貢獻最大的當屬漢斯·貝特。1933年，貝特因他母親是猶太人而被他所在的圖賓根大學解雇。他先是在英國，後來又去了美國尋找避難所，並最終成為洛斯·阿拉莫斯國家實驗室（核彈項目研發基地）理論部門的負責人。
貝特為在太陽的溫度和壓力環境下可行的氫變氦過程確立了兩條核反應路徑。一條路徑是，標準氫（1個質子）與氘（氫的較稀有、較重的同位素，由1個質子和1個中子組成）反應。這個反應形成的是氦的相對穩定的同位素（含2個質子和1個中子）。接著，兩個這樣的輕氦核會進一步聚變，形成一個標準的、穩定的氦核，同時釋放出2個氫核作為副產品。這一過程如圖74所示。
圖74 本圖顯示的是太陽上氫變氦的一種方式。黑色球體表示質子，白色球體表示中子。在反應的第一階段，標準氫和氘聚變成氦核。氦通常有2個質子和2個中子，但是這種氦同位素有2個質子但只有1個中子。在第二階段，2個輕氦核再次聚變，形成穩定的氦同位素，同時釋放出2個氫核（質子）。這些氫核可以再次形成氦核。理論上說，2個氘核（由1個質子和1個中子組成）可以直接聚變形成穩定的氦核（2個質子和2個中子）。但氘非常稀少，所以前一種較繁複的路徑反倒更富有成效。
貝特建議的氫變氦的另一條路徑要用到碳核作為捕集氫核的手段。如果太陽含有少量的碳，那麼每個碳原子核一次可以捕捉和吞噬一個氫核，變身為更重的核。最終，轉化後的碳核會變得不穩定，導致它吐出一個氦核並轉回到其本身穩定的碳核，接著這一過程又重新開始。換句話說，碳核在這裡充當加工廠，使用氫核為原料來大量生產出氦核。
這兩條核反應路徑最初都是推測性的，但是其他物理學家檢查了方程並確認，反應是可行的。與此同時，天文學家們也更加確信，太陽的內部環境強到足以引發核反應。到20世紀40年代，人們已經很清楚，貝特提出的這兩種核反應在太陽上都會發生，並提供維持太陽存在所需的能量。天體物理學家已能夠設想太陽究竟是如何每秒鐘將5.84億噸的氫轉換為5.8億噸的氦的，並將由此引起的質量虧損轉換成太陽的能源的。儘管這個質量消耗率巨大，但太陽卻能夠以這種速率持續產能數十億年，因為它目前仍有大約2×1027噸的氫。
這是在原子物理學與宇宙學之間關係的一個里程碑。核物理學家已經證明，他們可以通過解釋恆星如何發光來對天文學做出具體貢獻。現在，大爆炸宇宙學家希望核物理學能幫助他們解決一個更大的問題：宇宙是如何演變成目前這個狀態的？現在很清楚，恆星可以將如氫這樣的簡單原子變成如氦這樣的稍重的原子，所以核物理也許可以說明大爆炸是如何產生我們今天看到的各種原子的丰度的。
這個階段為宇宙學新的先鋒的到來進行了設定。他將是一位能夠將核物理的嚴格規則運用到宇宙大爆炸這種純理論領域的科學家。通過實現核物理和宇宙學之間的學科跨越，他將為宇宙的大爆炸模型建立起一套判決性檢驗。
大爆炸後的前5分鐘
喬治·伽莫夫是一個愛交際又特立獨行的烏克蘭裔科學家，喜歡喝烈性酒，玩紙牌遊戲。他1904年出生於敖德薩，從小就表現出對科學的濃厚興趣。他曾對他父親送給他的顯微鏡著迷，並用它來分析聖餐變質[9]的過程。在出席了當地俄羅斯東正教教堂的聖餐儀式後，他拿著一塊麵包，臉頰上沾著幾滴酒迅速跑回家。他將它們放在顯微鏡下觀察，並與他日常享用的麵包和酒進行比較。他沒找到任何證據表明麵包的結構已經轉變為基督的身體，他後來寫道：“我認為這是一項讓我成為科學家的實驗。”