你看，有線電報是一種非常非常長的貓。你在紐約拉它的尾巴，他的頭在洛杉磯發出叫聲。這個你明白嗎？無線電的工作方式完全一樣：你在這裡發出信號，他們在那端收到信號。唯一的區別是沒有貓。
——阿爾伯特·愛因斯坦
在科學上聽到的最令人激動的一句話，預示著新的發現的那句話，不是“尤里卡！“（我找到了），而是“這很有趣……”。
——艾薩克·阿西莫夫
在一般情況下，我們通過以下過程來尋找一條新的定律。首先是猜測。不要笑，這是最重要的一步。然後你計算其結果。將此結果與經驗進行比較。如果與經驗不同，那說明你的猜測是錯誤的。在這看似簡單的話裡包含著科學的關鍵。無論你的猜測有多美，你有多聰明，你的名字是什麼，如果不同於經驗，那就錯了。這就是所有的一切。
——理查德·費恩曼
現在主要有兩種相互競爭的宇宙學理論。一邊是大爆炸模型，它源自愛因斯坦的廣義相對論，由勒邁特和弗裡德曼提出。這種理論認為宇宙有一個獨特的創生時刻，接著是快速膨脹，而哈勃的觀察確實證明宇宙在膨脹，星系在後退。不僅如此，伽莫夫和阿爾弗表明，大爆炸模型可以解釋氫和氦的丰度。另一邊是穩恆態模型，由霍伊爾、戈爾德和邦迪提出，這個模型除了包含物質的連續產生和宇宙膨脹這一要素外，本質上回到了永恆宇宙的保守觀點。這種物質產生和宇宙膨脹使得該模型與所有天文觀測結果兼容，包括哈勃觀測到的退行星系的紅移。
競爭性理論之間的科學爭論通常發生在大學的咖啡廳或是在學界大佬盡數出席的科學大會上。然而，對於宇宙是永恆的還是創生的這一宇宙學的終極問題的討論則蔓延到公共領域。這部分原因是受到霍伊爾、伽莫夫和其他宇宙學家借助於各種科普書籍和廣播宣傳所致。
毫不奇怪，天主教會熱衷於通過宇宙學的爭論來宣揚它的觀點。曾宣佈進化生物學不與教會的教義相衝突的教皇庇護十二世，於1951年11月22日在教皇科學院發表一篇題為“鑒於現代自然科學的上帝存在的證明”的演說。特別是，教皇強烈贊同大爆炸模型，他將它看作是對“創世紀”的一個科學解釋，是上帝存在的證據：
因此，所有的一切似乎表明，物質宇宙在時間上有一個強有力的開端，它被賦予了巨大的能量儲備，憑借它，宇宙起先是迅速膨脹，然後變得越來越慢，最後演變成目前的狀態……事實上，當代科學以一步跨越數百萬年的步伐回溯既往，似乎已成功地見證了原始的菲亞特大力士在物質從一切皆無迸發出來時所發出的呼喊，先是光和輻射之海，然後是化學元素粒子的分離並形成數百萬個星系……因此，存在一個創造者。因此，上帝是存在的！雖然這個證據既不明確也不完整，但這是我們一直在等待的來自科學的回答，而當今人類還將繼續等待從它那裡得到進一步的答案。
教皇的演說中還具體提到哈勃和他的觀察。他的演說成為世界各地的報紙的頭條新聞。哈勃的一個朋友，埃爾默·戴維斯，讀到這篇演說後，不禁給哈勃寫了封信調侃道：“我已經習慣於看到你贏得新的和更高的榮譽，但直到我讀了今天上午的報紙，我做夢都沒有想到，教皇會屈身向你尋求上帝存在的證明。這應該使你有資格在適當的時候成為聖徒。”
令人驚訝的是，無神論者喬治·伽莫夫則對教皇重視他的研究領域感到非常高興。在這次演說之後，他給教皇庇護十二世寫了封信，送給他一篇關於宇宙學的科普文章和他自己的一本書《宇宙的創生》。他甚至在1952年發表在著名期刊《物理學評論》的一篇文章裡調皮地引用教皇的演說詞，他明知道這麼做會惹惱很多同事，他們急於撇清科學與宗教之間的任何交集。
絕大多數的科學家強烈認為，決定大爆炸模型的有效性與教皇無關，而他的代言不應該用於任何嚴肅的科學辯論中。事實上，沒過多久，教皇的認可就讓大爆炸理論的支持者感到難堪。對手穩恆態模型的支持者開始用教皇的演說來嘲弄大爆炸理論。例如，英國物理學家威廉·邦納認為，大爆炸理論是旨在支持基督教的陰謀的一部分：“（這一理論）背後的動機當然是要把上帝奉為造物主。這似乎是基督教神學自17世紀開始科學將宗教從理性的人們頭腦中清除出去以來一直在等待的機會。”
當大爆炸開始與宗教掛上鉤後，弗雷德·霍伊爾同樣嚴厲地譴責它是一個建立在猶太-基督教基礎上的模型。他的穩恆態模型的合作者托馬斯·戈爾德持有與他一樣的觀點。當戈爾德聽說庇護十二世支持大爆炸理論，他的反應簡潔而又切中要害：“嗯，教皇還贊同靜止的地球呢。”
科學家們一直擔心梵蒂岡試圖影響科學的進程，歷史上，1633年烏爾班八世就曾強迫伽利略放棄科學研究。然而，這種謹慎有時近乎偏執，正如英國諾貝爾獎得主喬治·湯姆孫所說：“要不是很多年前聖經上說過關於上帝創世的事兒，並使它顯得很不合時宜，大概每個物理學家都會相信創生說。”
關於宇宙學中神學作用的辯論中最重要的聲音也許當屬大爆炸模型的共同創立者、教皇科學院的成員喬治·勒邁特的觀點。勒邁特的堅定信念是科學研究應當與宗教領域嚴格分離。具體到他的大爆炸理論，他說：“在我看來，這一理論完全超越任何形而上的或宗教的問題。”勒邁特一直小心翼翼地保持著宇宙學和神學之間的分離。信仰上的堅守使他更清晰地理解這個物質世界，而科學研究則引導他對精神境界更深刻的領悟：“對真理的透徹的追求包括靈魂的探索和光譜研究。”毫不奇怪，他對教皇故意混淆神學和宇宙論的界限感到非常沮喪和惱火。一個學生曾目睹了勒邁特在聽了教皇的演講後回到學院的表現：他“怒氣沖沖地走進教室……完全失去了往日的幽默”。
勒邁特決心阻止教皇頒布關於宇宙學的敕令，這部分平息了由此引起的令大爆炸的支持者的尷尬，也避免了教會日後潛在的困境。如果教皇——抓住他對大爆炸模型的熱情——打算支持大爆炸研究的科學方法並利用它來支撐天主教，那麼如果新的科學發現與聖經的教導相牴觸時，這項政策就可能會反彈，反而不利於教會。勒邁特與梵蒂岡天文台台長暨教皇的科學顧問丹尼爾·奧康納取得了聯繫，建議他們一起去說服教皇對宇宙學保持安靜。教皇出奇地順從並同意了他的這項要求——大爆炸將不再是教皇宣講的一個適合的主題。
在西方宇宙學家開始在脫離宗教的影響方面取得一定的成功的同時，東方的那些宇宙論者則還不得不與那些試圖影響科學爭論的非科學家們進行鬥爭。
政治家和神學家都用宇宙學來支撐自己的信念，這讓霍伊爾感到可笑。正如他在1956年所寫的：“這些人判斷一種觀點’正確’，是因為他們認為它基於’正確’的前提，而不是因為它導致了符合事實的結果。事實上，如果事實不符合這個教條，那麼事情就更糟糕了。”
宇宙學家又是如何看待大爆炸與穩恆態的這場辯論的呢？在整個20世紀50年代，科學界因此被分裂。1959年，《科學新聞快報》進行了一項調查，要求33位傑出的天文學家公開他們的立場。結果顯示，11位專家支持大爆炸模型，8位支持穩恆態模型，其餘14位要麼不確定，要麼認為這兩個模型都是錯誤的。在代表宇宙的真相方面，兩種模型都堅信自己是強有力的競爭者，但雙方都沒有得到大多數科學家的廣泛支持。
缺乏共識的原因是，支持和反對這兩種模型的證據都是不確定的，甚至是矛盾的。天文學家們是在技術條件和認識上的理解均非常有限的狀況下進行觀測的，因此，從這些觀測中推斷出的“事實”需要高度謹慎地處理。例如，對星系退行速度的每一次測量可以稱為一個事實，但評論界對於這個事實難置一詞，因為要想理解它牽扯到非常複雜的邏輯和觀察鏈。首先，對退行速度的測量依賴於對星系微弱光線的探測，需要假設這些光線在通過干擾性的空間和地球大氣時如何受到或不受影響；其次，必須測量光的波長，並確定發出這種光的星系原子；第三，必須確定譜線的頻移，並通過宇宙的多普勒效應將這一頻移與退行速度聯繫起來；最後，天文學家們還必須考慮所有設備及其使用過程——如望遠鏡、光譜儀、底片甚至顯影過程——的固有誤差。這是一套非常複雜的邏輯鏈，天文學家必須對每一個步驟都非常有信心。實際上，在宇宙學裡，對星系的退行速度的測量已屬於較為確定的事實。其他學科領域的邏輯鏈更複雜，更讓評論界莫衷一是。
在支持或反對大爆炸或穩恆態模型都沒有確鑿證據的情況下，許多科學家將他們對宇宙模型的偏好建立在直覺或是對那些捍衛對手模型的人的人格尊重的基礎上。這種情形在丹尼斯·席艾瑪身上表現得尤為突出。他將成為20世紀的最重要的宇宙學家，正是在他的指導下有了斯蒂芬·霍金、羅傑·彭羅斯和馬丁·裡斯的工作。席艾瑪自己曾受到霍伊爾、戈爾德和邦迪的啟發，稱他們對“像自己這樣的年輕人具有令人振奮的影響力。”
席艾瑪發現自己也受到各種理論的哲學方面的吸引：“穩恆態理論開創了這樣一種令人興奮的可能性：物理學定律可能確實通過要求宇宙的所有特徵都是自我傳播的……決定了宇宙的內容。因此，自我傳播的要求是一個強有力的新原則，借助於這一新原則，我們第一次看到了回答下述問題的可能性：為什麼事情都不像它們被談論的那麼簡單？因為它們是自在的。”
後來他發現他偏愛穩恆態勝於大爆炸的另一個原因是：“這似乎明顯是唯一的允許生命延續的模式。生命總要在某處延續……即使這個星系老了，死了，總會有新的年輕的星系誕生出來，在那裡生命將繼續演化。因此，薪火相傳永世不絕。我想在我看來這可能是最重要的事情。”
席艾瑪選擇穩恆態模型的主觀原因很大程度上是宇宙學的不確定性和混亂的症狀。在20世紀肇始，宇宙學是一個令人滿意的學科，一個永恆不變的靜態宇宙已深入人心，但20世紀20年代的測量結果和新的理論表明，這一觀點顯然不能令人滿意。不幸的是，兩種新出現的替代品沒有一個是完全令人信服的。穩恆態宇宙學屬於原始的永恆靜態的世界觀的修訂版，但支持它或反對它的觀測證據非常少。大爆炸宇宙學是一種更激進和更具顛覆性的宇宙論觀點，既有支持它的證據也有反對它的證據。總之，宇宙處在浴火重生的當間兒。或者更專業點說，宇宙學正處在範式轉變的過程中。
科學史的傳統觀點認為，對科學的理解是通過一系列細微變化逐步發展來的，先是公認的理論在幾十年間不斷得到微調，然後是新理論從舊理論中脫胎而出。這是一種由達爾文的進化論和自然選擇原理發展而來的科學發展觀。理論發生變異，然後在適者生存的原則下，那些最符合觀察結果的理論被採納。
然而，科學哲學家托馬斯·S.庫恩認為，這只是故事的一部分。1962年，他寫了一本書叫《科學革命的結構》，在其中他將科學進步描述為“平靜期不斷被智力暴力革命打斷的一系列過程”。所謂平靜期是指這麼一段時期，在此期間理論處於前述的漸變演化階段。但每隔一段時間，思維就會有重大轉變，這種轉變被稱為範式的轉變。
例如，天文學家在幾個世紀裡一直對宇宙的地球中心說範式修修補補，不斷加入本輪和均輪，以使模型與太陽、恆星和行星的觀測路徑更切合。漸漸地，對行星軌道的預測出現一系列問題，在自然哲學上持保守主義的大多數天文學家選擇忽略，堅持尊崇現有的範式。最後，當問題堆積到不能容忍的地步後，如哥白尼、開普勒和伽利略這樣的挑戰者就會站出來提出一種新的太陽中心說的範式。經過幾代人的努力，整個天文學界拋棄了舊的範式，轉移到新的範式。此後，一個新的穩定的科學時代開始了，研究模式建立在新的基礎和新的範式上。地球中心說不是演變成太陽中心說，而是被後者所取代。從原子的葡萄乾布丁模型到盧瑟福的核模型的轉換是這種範式轉變的另一個例子。從充滿以太的宇宙到沒有以太的宇宙的轉換也是如此。在每一種情況下，新的範式一旦適時閃現，而舊的範式已經完全不可信，那麼從一種範式到另一種範式的轉移就會發生。轉移的速度取決於許多因素，包括支持新範式的證據份量以及舊範式抗拒改變的程度。年長的科學家，在舊範式下付出了太多的時間和精力，通常都是最後接受改變，而年輕的科學家們一般都更喜歡冒險並持開放的態度。只有當老一代人退出了科學生活，年輕一代已成為新的權威，範式的轉變才可能完成。舊範式可能已經盛行了幾個世紀，因此持續了幾十年的轉換期還是比較短的。
在宇宙學領域，情況有點不同尋常，作為舊範式的靜態的、永恆的宇宙已經被拋棄（因為星系顯然不是靜態的），但卻出現了兩個互不相讓的新範式：穩恆態模型和大爆炸模型。宇宙學家們希望，這一不確定時期和衝突能通過尋找到無可爭議的證據予以結束。這些證據將證明這兩種新模型中有一個是正確的。
為了解決我們到底是生活在大爆炸的餘波之中還是處於穩恆態之中，天文學家必須將重點放在一系列關鍵性判據上，它們是確立兩個競爭性模型哪一個能勝出的關鍵。這些判據總結在表4中，其中每一項判據都給出了簡要評估，用以指示在1950年的可用數據基礎上看哪個模型較為成功。
雖然這個表不包括區分兩個模型優劣的每一項潛在準則，但它已將主要判據包含在內，如每個模型的解釋各種元素的丰度的能力。就第二項判據來看，大爆炸模型能準確地解釋宇宙中氫和氦的丰度，但對於更重原子的丰度則無能為力。大爆炸模型因為在這一點上只是部分成功，故吃了個問號。穩恆態模型在這裡也有疑問，因為我們不清楚在退行星系之間產生的物質是如何發展形成我們所觀察到的原子丰度的。
兩個模型不僅必須解釋各種原子的形成及其丰度，而且還得解釋這些原子如何聚集在一起形成恆星和星系——表4中的第三個判據。這個問題在前面章節裡沒做細節上的討論，它向大爆炸模型提出了一個大問題。宇宙在創生後迅速膨脹，這將使意欲形成的嬰兒星系變得被拉散。同時，由於大爆炸宇宙只有有限的歷史，因此星系演化只有10億年左右——這是一個相對較短的時間尺度。換句話說，沒有人能夠解釋星系是如何在大爆炸模型的背景下形成的。穩恆態理論在這個問題上較為自信，因為永恆宇宙間允許星系有更多的時間進行演化。
反映兩個競爭性模型具體的成功和失敗的兩列裡包含了“√”、“×”和“？”，因此無論哪一個理論都不能完全令人滿意。因此我們可以想像，接受大爆炸模型的宇宙學家可以通過解釋宇宙的某些方面來消除它們之間的分歧，同樣，贊同穩恆態模型的宇宙學家也可以解釋其他一些問題來做到這一點。然而，宇宙學不是可以共享榮耀的競賽。大爆炸模型和穩恆態模型在最基本的層面上是矛盾的和不相容的。一種模型宣稱宇宙是永恆的，而另一種則聲稱宇宙是創生的，它們不可能都正確。假設兩種模型中只有一種是正確的，那麼最終取得勝利的這個就必然粉碎其競爭對手。
表4
下表列出了可以判斷大爆炸模型和穩恆態模型孰是孰非的不同判據。它顯示的是在1950年所獲數據的基礎上這兩個模型的表現。“√”和“×”給出每個模型在相關判據前的大致優劣，問號表示該項缺乏數據或贊同和不贊同的難辨勝負。判據4和5的問號是由於缺乏觀測數據。
時標困難
大爆炸的支持者所面臨的最緊迫的問題是表4中的第六項判據——宇宙年齡。打叉突顯出大爆炸模型的荒謬：宇宙要比它所含的恆星年輕。這就像一位母親比女兒年輕一樣荒謬——恆星肯定不能比宇宙本身更年長嗎？第3章描述了哈勃是如何測量到星系的距離以及它們的視速度的。隨後大爆炸宇宙學家將這個距離除以速度推斷出，大約在18億年前宇宙的總質量集中於創生的一個點上。但對岩石的放射性測量表明，地球至少有30億歲，於是邏輯上形成這樣一個局面：恆星更古老。
甚至支持大爆炸學說的愛因斯坦也承認，這一問題可能會推翻模型，除非有人能找到斷然的證據：“宇宙的年齡……肯定大於由礦物質的放射性得出的地球地殼的年齡。由於通過這些礦物質確定的年齡從各方面看都是可靠的，因此如果發現存在違背這一結果的矛盾，那麼[大爆炸模型]將被推翻。對此我看不出有什麼合理的解決辦法。”
這種年齡差異被稱為時標困難，一個並未真實反映出它所引起的大爆炸模型的巨大尷尬的術語。解決年齡悖論的唯一途徑是發現對遠處星系距離的測量或是對其速度的測量上存在錯誤。例如，如果遠處星系的距離比哈勃估計的大，那麼到達那個星系所需的時間就要比按目前距離估計的時間長，這將意味著宇宙的年齡比現在估計的要大。或者，如果星系退行的速度比哈勃估計的要慢，那麼就需要更長的時間才能到達該星系，這同樣意味著一個更古老的宇宙。然而哈勃作為世界上最受尊敬的觀測天文學家，向以精確和勤奮聞名，所以沒有人真正懷疑他的觀測的準確性。何況他的測量結果已得到其他人的獨立檢核。
當美國加入二戰後，天文觀測和主要觀測站的活動在很大程度上陷於停頓。隨著天文學家獻身祖國，試圖解決大爆炸與穩恆態模型之間爭論的任何計劃均被推遲。甚至連哈勃，當時已年屆五十，也離開了威爾遜山，受命領導馬里蘭州的阿伯丁彈道試驗場，成為華盛頓特區以外的最高文職官員。
留在威爾遜山的唯一高級人員是沃爾特·巴德，一位在1931年就加入了天文台工作人員隊伍的德國流亡者。儘管已在美國生活工作了10年，但他仍然受到懷疑，被禁止參加任何軍事研究項目。從巴德的角度來看，境況並不算太壞，因為他現在成了久負盛名的100英吋胡克望遠鏡的唯一使用者。此外，戰時燈火管制消除了洛杉磯郊區惱人的光污染，將觀測條件提高到1917年望遠鏡建成以來前所未有的水平。唯一的問題是，巴德的敵國僑民身份使得他被限於從日落到日出這段時間不得離開他的住所，這對一個天文學家來說很不好受。巴德向有關當局指出，他已經在辦理申請入籍美國的手續，並最終讓他們相信他不是一個安全隱患。經過短短的幾個月，當局便取消了對他的宵禁，儘管他仍不能進行軍事研究。巴德有了在理想的觀測條件下自主使用世界上最好的望遠鏡的機會。他還設法配製出非常靈敏的底片，拍攝了無與倫比的清晰圖像。
巴德在研究被稱為天琴RR型星的過程中度過了戰爭年代。天琴RR型星是一種類似於造父變星的變星。在哈佛天文台與亨麗埃塔·萊維特一起工作的威廉米娜·弗萊明曾表明，天琴RR型星的光變特性可以像造父變星一樣用於距離測量。但到那時為止，她的這項技術僅限於在銀河系內被採用，因為天琴RR型星的發光不像造父變星那麼亮。不過，巴德的雄心是想用理想的觀測條件去發現仙女座星系裡的天琴RR型星。仙女座是離我們最近的大星系。這樣，他就可以利用天琴RR型星的光變特性來測量仙女座的距離，並與之前基於造父變星測得的距離進行交叉檢驗。
事實上，巴德很快就意識到，仙女座的天琴RR型星的距離超出了100英吋胡克望遠鏡所能夠得著的範圍。因此他只好用這架100英吋的儀器對銀河系裡的這些恆星進行觀測，為日後採用200英吋的望遠鏡做準備，這架望遠鏡將很快在戰後完成建造。他樂觀地認為，新的巨型望遠鏡將使仙女座的天琴RR型星納入視線範圍。
200英吋的望遠鏡——喬治·海耳的最大的天文學工程——建在威爾遜山東南方200千米外的帕洛瑪山上。在它開始建設的兩年後，海耳就於1938年去世了。因此海耳沒有機會看到有史以來獲得的最壯觀的宇宙景象。當這架儀器最終完成後，它被命名為海爾望遠鏡。
1948年6月3日，洛杉磯的各界名人出席了這架望遠鏡的落成典禮。面對坐落於1000噸旋轉圓頂下的這架巨型儀器，賓客們驚歎不已。它的凹面鏡拋光精度為1毫米的百萬分之五十。當影片《賞金兵變》的主演巨星查爾斯·勞頓被問到海耳望遠鏡是否給人震撼時，他回答說：“極其震撼，我的天！簡直可怕極了。他們打算用它做什麼？開始與火星打仗嗎？”
到海耳望遠鏡完全就緒時，威爾遜山和帕洛瑪山兩大天文台的研究力量配備也已完全到位。儘管如此，巴德在尋找仙女座星系天琴RR型星方面還是要領先一步。這要歸功於他在二戰期間用100英吋望遠鏡打下的良好基礎。他立刻將新的200英吋望遠鏡對準仙女座星系，搜尋其微弱的恆星亮度的快速變化，這是天琴RR型星的指征。
經過一個月的細緻測量，巴德沒有發現他希望看到的天琴RR型星的任何跡象。他繼續堅持，但用這架強大的海耳望遠鏡還是沒找到任何預料中的跡象。他百思不得其解。他知道，是否能看到仙女座星系的天琴RR型星只取決於3個因素——恆星的亮度、200英吋望遠鏡的能力和星系的距離。他的計算表明，這些恆星應該絕對是可見的。為了確定是什麼使得他未能發現天琴RR型星，他重新檢查了決定觀測成敗的3個因素。從戰時的研究中他確信天琴RR型星的亮度測得沒錯，而且他也確信自己十分瞭解望遠鏡的能力……那麼唯一的原因莫非是仙女座的距離遠遠大於人們以前的預期？
巴德確信，唯一合乎邏輯的和可能的解釋就是仙女座星系的公認距離存在誤判。最初他的同事們對此持懷疑態度，但當他能夠嚴謹地指出以前對仙女座星系的測量是如何以及為什麼存在失誤後，他們相信巴德是對的。
正如第3章解釋的，最初對仙女座星系距離的測量一直用的都是造父變星，這已經成為測量星系距離的基本準則。亨麗埃塔·萊維特已表明，造父變星有一個有用的性質，就是兩個亮度峰值之間的時間段是其固有光度的優越的指征，而後者可用於與其視亮度進行比較來確定它到地球的距離。哈勃曾第一個發現了銀河系外的造父變星，從而測量了另一個星系（即仙女座星系）的距離。
然而到了1940年，事情變得很明顯，大多數恆星可以分為兩大類型，稱為星族。較老的恆星屬於星族Ⅱ，在這些恆星瓦解之後，其碎片變成新的、年輕恆星（即星族Ⅰ）的成分。這些新星通常要比星族Ⅱ的恆星熱，也更明亮，光譜更偏藍。巴德認為造父變星也可以分為這兩類，並認為這正是仙女座星系距離背後的矛盾所在。
巴德認為仙女座更遠的觀點是基於簡單的兩步。首先，星族Ⅰ的造父變星要比有同樣光變週期的星族Ⅱ的造父變星亮；其次，天文學家們往往只觀測仙女座星系中較亮的星族Ⅰ的造父變星，但他們無意間用了銀河系中較暗的星族Ⅱ的造父變星來建立仙女座星系的造父變星的距離尺度。
哈勃不知道造父變星有兩種類型，因此犯了這樣一個錯誤：用本地較暗的星族Ⅱ的造父變星與仙女座星系的相對明亮的星族Ⅱ的造父變星作比較，結果他錯誤地估計了仙女座星系的距離，即他估計的距離要比實際距離近。
為了直接解決這個問題，巴德著手根據兩類造父變星來重新校準造父變星的標準尺度。通過這種方式，他可以正確估算出到仙女座星系的造父變星的距離，也就是到仙女座本身的距離。他指出，平均來看，星族Ⅰ造父變星的亮度是星族Ⅱ中具有相同光變週期的造父變星的4倍。簡單來說就是，如果一顆恆星到觀察者的距離遠離到原先的兩倍，那麼它的光強將減弱為原先的四分之一。因此，仙女座星系必須挪遠到原先的兩倍距離上——大約為200萬光年的距離——才能矯正這樣一個事實：平均而言，仙女座星系中可見的星族Ⅰ的造父變星的亮度，是原先用來測定距離的星族Ⅱ的造父變星的亮度的4倍。現在，到仙女座星系的距離得到了糾正。因此毫不奇怪，在200萬光年的距離上，天琴RR型星的亮度太微弱根本觀察不到。
如果說調整仙女座星系的距離是巴德這項工作的唯一結果的話，那麼它在天文學史上就似乎不值得大書特書了。然而實際上，到仙女座的距離已被用於估計我們到其他星系的距離，所以仙女座距離的加倍意味著到所有其他星系的距離都要加倍。
而且，估算給出的這些星系的退行速度保持不變，因為它們是從光譜的紅移推算出來的，它們不受巴德的研究成果的影響。這對大爆炸模型有著巨大的積極影響。如果距離加倍，速度保持不變，那麼從創生那一刻到所有星系當前距離的時間也必須加倍。換句話說，大爆炸模型下的宇宙年齡現在應當向上修正到36億年，這個數字不再與地球的年齡相衝突。
大爆炸模型的批評者指出，恆星和星系比地球年長，因此很可能超過36億年，這意味著宇宙似乎仍含有比宇宙本身年齡更大的天體。這樣的話，這些批評者聲稱，所謂時標困難仍然是一個問題。但是，大爆炸模型的支持者沒有被這一完全合理的論點擾亂，因為巴德的研究已經表明，就測量星系的距離和宇宙的年齡而言，仍有很多東西需要學習。他發現了一個錯誤，就使宇宙的年齡翻番，因此很可能日後人們發現另一個錯誤，宇宙年齡會再次翻番。
在修正大爆炸模型的重大缺陷問題上，巴德走過了很長的路才取得突破。這一突破的更重要的意義是強調了天文學中普遍存在的弱點——盲從的習慣。由於哈勃的聲譽，天文學家很久以來一直毫不猶豫地接受了他公佈的仙女座星系和其他星系的距離。不敢質疑和挑戰這樣的基本判斷，即使這些判斷是由著名權威剛做出的；這是不發達科學的主要特點之一。
許多年後，受到仙女座星系距離判斷失誤這一案例的啟發，加拿大天文學家唐納德·弗尼尖銳地指出了科學上盲從這一不良品質的危害性：“對天文學家的群體本能的權威性的研究還有待進行，但有許多次，我們像羚羊一般聚在一起，低著頭密集地排著隊，以堅定的決心沿著特定方向如隆隆雷聲滾過平原。只要領頭的一聲信號，我們便掉轉頭，以同樣堅定的決心，向著一個完全不同的方向，仍然魚貫有序地緊挨著前進。”
巴德在出席於1952年羅馬召開的國際天文學聯合會會議上正式宣佈，宇宙的年齡是以前認為的兩倍。會議室裡那些支持大爆炸模型的同行一眼就看出了這個新的測量值支持他們所信仰的創生時刻——或至少是去除了絆腳石。要不怎麼說歷史常有巧合呢，當時這個專題討論會的會議記錄正是大爆炸模型的激烈的批評者——弗雷德·霍伊爾。他盡職盡責地記錄下會議結果，但他對永恆宇宙的根深蒂固的信念迫使他選擇了這樣一種遣詞造句的方式，就是小心翼翼地避免引向大爆炸模型或物質創生模型。他寫道：“哈勃的宇宙特徵時間尺度現在必須從大約18億年提高到大約36億年。”
唯一對這個結果感到比霍伊爾更加失望的人是埃德溫·哈勃。不論大爆炸模型正確與否，他都不會有一絲一毫的挫敗感，因為他從來不會讓宇宙學問題來打擾自己。哈勃只關心他的測量結果的準確性，而不是對它的解釋並根據它們來確立理論的正確性。因此在這一刻，他徹底絕望了，因為巴德發現了他的距離測量中存在重大缺陷。
當哈勃認真考慮了巴德的新的測量結果的意義後，他感到一陣徹痛的辛酸。儘管他榮獲了許多國家獎和國際獎項，但他始終感到遺憾的是，他從來沒有被授予諾貝爾獎，這一直是他的終極目標。現在，巴德指出了他的工作中的一個錯誤，這似乎讓榮獲諾貝爾獎變得更加遙不可及。
事實上，諾貝爾物理學獎評審委員會毫不懷疑哈勃是他那個時代最偉大的天文學家。在他們眼中，巴德的研究幾乎沒有玷污這位偉人的聲譽。畢竟，哈勃通過證明存在河外星系解決了1923年的大辯論問題，他還在1929年用他的星系紅移定律奠定了大爆炸與穩恆態模型爭論的基礎。諾貝爾基金會忽略他的唯一原因是他們從未認為天文學是物理學的一部分。哈勃吃虧是吃在了專業方向上。
哈勃曾滿足於媒體和公眾對他的讚美。他們尊他為宇宙英雄，他們適時地讚頌了他的成就。正如一位記者所說的那樣：“正如哥倫布航行3000英里，發現一個大陸和一些島嶼一樣，哈勃在無限的空間中漂泊，發現了數百個巨大的新世界、星島、次大陸和星座，這些星座可不是僅僅在數千里之外，而是在百萬億英里之外。”
1953年9月28日，哈勃死於腦血栓。可歎的是，他完全不知道，諾貝爾物理學獎評審委員會已秘密決定修改他們的規則，授予他諾貝爾獎來認可他的成就。事實上，該委員會正準備公佈對他的提名時，哈勃去世了。
諾貝爾獎不能追授，而且協議規定該委員會的討論內容不得外漏。要不是因為有兩名委員——恩裡科·費米和蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡——決定與哈勃的遺孀格蕾絲·哈勃聯繫告知此事，哈勃被提名的事兒將一直是個秘密。他們急於讓格蕾絲知道，她丈夫對理解宇宙所做出的無與倫比的貢獻沒有被忽視。
越暗，越遠，越古老
通過挑戰並糾正公認的仙女座星系的距離，沃爾特·巴德一直提醒他的同事們，過去的測量結果應當受到質疑和審查，如果發現不足就應丟棄。這是一個健康的科學氛圍的基本要素。只有當測量結果經過檢查、反覆檢查、再三檢查、交叉檢驗，它才可以贏得“事實”的稱號。即便如此，偶爾的推翻性質的重新評估永遠不會是有害的。
懷疑和批評的傳統甚至也被用到巴德的距離測量上。事實上，正是巴德自己的學生，阿倫·桑德奇，修正了他導師的測量結果，從而再次增加了宇宙的年齡。
桑德奇像他的若干同事一樣，第一次透過望遠鏡的目鏡張望星空就迷上了天文學。他從沒忘記童年時“一場大爆炸出現在我的大腦裡”的那一刻。他考取了威爾遜山天文台的博士生，師從巴德，後者要求他對他所觀察到的最遙遠的星系拍出新的圖像。巴德只是想讓桑德奇來檢查他的距離估計是否正確。
天文學家不能用造父變星的尺子去測量到最遠的星系的距離，因為在那麼遠的距離上已無法檢測到造父變星。相反，他們必須採用一種完全不同的測量技術，它依賴於這樣一個合理的假設：仙女座星系中最亮的恆星本質上與任何其他星系裡最亮的恆星一樣亮。因此，如果遙遠星系的最亮的恆星的視亮度只有仙女座星系中最亮的星的1/100（1/102），那麼該星系的距離被認為是仙女座星系的10倍，因為亮度與距離的平方成反比。
儘管恆星的亮度差別很大，但用這種方法來測量距離不是沒有道理。例如人的身高差異也很大，但隨機選取50個成年人組成一個樣本，我們可以合理地假設其中最高的人的高度大致為190厘米。因此，如果將這樣的兩個組分開適當的距離，我們看到一個組裡最高者的高度是另一個組最高者的三分之一，那麼我們可以合理地猜測，前一組的距離是後一組的3倍遠。這是因為兩個組裡最高的人的高度應大致相等，而表觀高度與距離成反比。這種方法不盡完美，因為一個組拉來的人可能正要去參加籃球賽，而另一個組的人原本可能是要去參加賽馬。但在大多數情況下，這種距離估計的誤差應在百分之幾以內。
如果用這種方法來評估人的平均身高或恆星的平均亮度，將更加準確。但天文學家們研究的天體是如此遙遠，他們不得不將這種方法應用到每個星系的最亮的恆星上，這是他們能夠看到的對象。自1940年以來，天文學家一直就用這一技術來測量遙遠星系的距離，並自信這麼做基本上是可靠的，儘管他們有思想準備，所測的距離可能需要進行調整。這就是為什麼巴德要求桑德奇來檢查他的估計值。事實上，桑德奇發現，最亮恆星方法有一個根本性的缺陷。
由於照相術的改進，桑德奇可以看出，以前一直被認定為遙遠星系中最亮的恆星其實是聚在一起的別的東西。宇宙中大部分的氫已聚合成熟悉的緻密星，但也有相當數量的氫是以巨大的雲團的形式存在的，它們稱為HⅡ區。HⅡ區吸收周圍恆星的光，並被這些光加熱到超過10000℃。由於它的溫度和大小，一個HⅡ區的光度可以蓋過幾乎所有的恆星。
在桑德奇之前，天文學家一直無意識地錯將仙女座星系中可見的最亮恆星與更遙遠的、新發現的星系裡最亮的HⅡ區做比較。以為HⅡ區是恆星。天文學家認為這些新星系比較接近，因為它們的最亮“恆星”看起來相對較亮。當桑德奇得到了分辨率高到足以將這些HⅡ區與真正的恆星區分開來的圖像後，他的結論是，遙遠星系中最亮的恆星實際上要比誤解的HⅡ區暗很多，因此這些星系必定比以前估計的遠得多。
根據大爆炸模型，這些遙遠星系的距離對於估算宇宙的年齡絕對關鍵。1952年，巴德將星系的距離翻了一番，同時也將宇宙的年齡翻了一番，達到36億年。兩年後，桑德奇將星系推得更遠，宇宙的年齡也被增加到55億年。
儘管有了這些增加，測量值還是低估了。在整個20世紀50年代，桑德奇一直在從事他的星系距離測量工作。不論是星系距離還是由此導致的宇宙年齡一直在持續拉長。事實上，桑德奇將成為測量星系距離和宇宙年齡的主要人物，並且很大程度上正是由於他的觀察，在100億歲到200億歲之間的宇宙最終變得清晰。這個寬廣的範圍與宇宙中其他對像肯定是相容的。穩恆態理論不再嘲笑大爆炸理論說它解釋不了為什麼宇宙會比它所包含的恆星年輕了。
宇宙煉金術
儘管時標困難現在算解決了，但大爆炸模型還有來自其他問題的困擾。最重要的是有關核合成，特別是重元素形成的問題。喬治·伽莫夫曾誇口：“這些元素冷卻的時間比做一盤燒鴨加烤土豆所花的時間還要短。”總之，他認為所有各種原子核都是在大爆炸後的1小時內產生的。然而，儘管伽莫夫、阿爾弗和赫爾曼盡了最大努力，但除了最輕的原子，如氫和氦，其他元素的原子的形成機制一直無法找到，即使在大爆炸後存在一個熾熱期。如果重元素不是在大爆炸之後瞬間產生，那麼問題很清楚：它們是何時何地被創造出來的？
（最後一排左起）F.霍伊爾、H.C.范德胡斯特、A.R.桑德奇、J.A.惠勒、H.贊斯特拉、L.勒杜
（中間一排左起）O.S.克萊恩、W.W.摩根、B.V.庫卡爾金、M.菲爾茲、W.巴德、H.邦迪、T.戈爾德、L.羅森菲爾德、A.C.B.洛弗爾、J.熱厄尼奧
（中間一排前站著的兩人）V.A.安巴爾楚米揚、E.沙茲曼
（前排坐著的）W.H.麥克雷、J.H.奧爾特、G.勒邁特、C.J.高特、W.泡利、W.L.布拉格、J.R.奧本海默、C.穆勒、H.沙普利、O.赫克曼
圖88 這是出席1958年索爾維會議的一張集體照。照片顯示阿倫·桑德奇和沃爾特·巴德參加了這次會議。他們修訂的星系測量距離增加了大爆炸模型下的宇宙年齡。大爆炸模型和穩恆態模型之間爭論的主要角色都在照片裡，包括霍伊爾、戈爾德、邦迪和勒邁特。
儘管學術爭論非常激烈，但不影響兩個陣營之間的個人友誼。例如，霍伊爾非常喜歡勒邁特，形容他是一個“粗壯敦實的人，滿嘴笑話，充滿了笑聲”。霍伊爾深情地回憶起在羅馬的一次會議後他們驅車遊覽意大利的情形：“整個行程只有喬治出了點狀況，那是在午餐後。我中午總是隨便吃點，這樣下午我可以繼續開車，而喬治想來頓大餐，上瓶酒，這樣他下午就可以在車上睡覺了。我們達成一致，下午讓喬治在車後座睡覺。但不幸的是，嚴重的頭痛幾乎讓他合不上眼。”
亞瑟·愛丁頓曾提出一種可能的核合成理論：“我認為恆星就是較輕元素的原子復合成較重元素的坩堝。”然而，恆星的溫度據估計在表面只有幾千度，在核心也只有幾百萬度。這個溫度當然足以使氫慢慢變成氦，但要將這些氦原子聚變成真正的重核，這個溫度顯然不夠，這需要數十億度的溫度才行。
例如，要形成氖原子，需要30億度的溫度，要產生更重的硅原子將需要130億度甚至更高的溫度。這導致了另一個問題。即使存在創造氖的環境，也未必就能熱到產生硅。反之，如果環境溫度高到足以產生硅，那麼所有的氖都將被轉換成某種較重的元素。彷彿每一種元素的原子都需要各自的量身定做的坩堝，宇宙將不得不組建種類繁多的緻密環境。可惜的是，即使這些坩堝存在的話，也沒人能知道它們在哪裡。
對解決這個問題做出主要貢獻的當屬霍伊爾。他不是將核合成看成是大爆炸與穩恆態模型孰勝孰敗的問題，而是這兩個理論都需要關注的共性問題。宇宙大爆炸模型在某種程度上需要解釋宇宙開始時的基本粒子是如何轉變成不同丰度的較重的原子的。同樣，穩恆態模型也需要解釋星系退行時不斷生成的粒子是如何轉換成較重的原子的。霍伊爾自打成為初級研究員開始便一直惦記著核合成問題，但直到20世紀40年代末他才邁出解決這個問題的試探性的第一步。當他猜測到恆星在其生命的不同階段所發生的事情時，這個問題開始取得進展。
中年恆星通常是穩定的，它通過將氫聚變成氦來產生熱能，通過輻射光能來耗散掉這些熱量。同時，恆星的所有質量靠自身引力被拉向內，這種向內的拉力靠星核的高溫引起的巨大的向外壓力來抵消。如在第3章所討論的，恆星的這種平衡類似於氣球上的受力平衡，橡皮膜的應力總試圖讓氣球向內收縮，而氣球內的空氣壓強則使氣球向外膨脹。這個比喻可用來解釋為什麼造父星的光度是可變的。
霍伊爾對於恆星理論和引力坍縮與指向外的熱壓強之間的平衡理論很熟悉，但他想知道當這種平衡被打破時會發生什麼。具體來說就是，霍伊爾想瞭解，在恆星的晚年，當氫燃料行將耗盡時會發生什麼。毫不奇怪，燃料短缺將導致恆星開始降溫。溫度的下降將導致向外壓力的下降，引力作用會變得過強，恆星將開始收縮。關鍵是，霍伊爾意識到這種收縮不是故事的結束。
隨著整個恆星向內收縮，壓縮將導致恆星星核升溫並使向外的壓力增大，由此使得收縮停止。壓縮帶來的溫度上升有幾個原因，但其中的一個是壓縮導致更多的核反應，從而產生更多的熱量。
雖然這種額外的熱量使得恆星重新建立起某種程度的穩定性，但它只是一種暫時的中止。恆星的死亡只是被推遲了。恆星繼續消耗更多的燃料，並最終減少到燃料供應變得至關重要。缺乏燃料意味著缺乏產能，因此星核開始再次冷卻，這導致了另一個壓縮階段。同樣，這次壓縮使得星核再次得到加熱，坍縮再次停止，直到下一次燃料短缺。這種反覆起-停的坍縮方式意味著很多恆星都將經歷一個緩慢的、揮之不去的死亡過程。
霍伊爾著手分析了不同類型（如小型的、中型的、大型的、星族Ⅰ的，星族Ⅱ的）恆星的演化過程。經過幾年的專門研究，他成功地完成了對不同的恆星在其接近壽命終點時所發生的所有溫度和壓力變化的計算。最重要的是，他還制定了每個恆星在瀕臨死亡時的核反應，關鍵是給出了極端溫度和壓力的不同組合是如何導致一系列中等質量和重原子核的產生的，其結果如表5所示。
表5
霍伊爾計算了不同的恆星在其壽命的不同階段會發生何種核合成的條件。下表給出了大約25倍太陽質量的恆星上所發生的核合成反應類型。與典型星相比，這種大質量恆星的壽命非常短。最初，恆星花上幾百萬年的時間使氫聚變成氦。在其壽命的後期階段，溫度和壓力增加，使得氧、鎂、硅、鐵和其他元素的核合成得以進行。而各種更重的原子則要在最終和最激烈的階段才能產生。
很明顯，每種類型的恆星都可以作為生成不同元素的坩堝，因為恆星在其壽命和死亡的過程中內部發生著巨大變化。霍伊爾的計算甚至可以說明今天我們所知道的幾乎所有元素的準確丰度，可以解釋為什麼氧和鐵是常見的，而金和鉑金則是罕見的。
在例外的情況下，一個質量非常大的恆星的早期坍縮階段變得不可停歇，恆星死亡得相當迅速。這便是超新星，恆星死亡最猛烈的例子，它以無與倫比的強度引起內爆。當超新星爆發時，一顆恆星所釋放的能量大到超過100億顆一般恆星亮度的總和（這就是為什麼一顆超新星的爆發會讓參與大辯論的天文學家感到困惑的原因，如前面第3章所討論的那樣）。霍伊爾表明，超新星打造出一種最極端的恆星環境，從而允許罕見的核反應發生，從而產生出最重和最奇特的原子核。
霍伊爾的研究的最重要的結論之一是恆星的死亡並不標誌著核合成過程的結束。隨著恆星向內爆縮，它發出巨大的衝擊波，從而導致整個星體爆炸，使得原子飛向整個宇宙。重要的是，一些原子是恆星壽命最後階段的核反應的產物。這顆恆星碎片與漂浮在宇宙中的其他碎片（包括來自其他死亡恆星的原子）混合在一起，最終凝聚成全新的恆星。這些第二代恆星一開始就能進行核合成，因為它們已經有了某些較重的原子。這意味著當它們瀕臨死亡和內爆時將會合成更重的原子。我們自己的太陽可能就是第三代恆星。
馬庫斯·喬恩——《魔法爐》的作者——描述了恆星煉金術的意義：“為了我們能夠活著，已經有數十億、數百億、甚至上千億顆恆星死亡了。我們血液中的鐵，我們骨骼中的鈣，我們每一次呼吸而充滿我們肺部的氧氣——所有這些都是在地球誕生之前很久的星星爐裡煮出來的。”浪漫主義者可以認為自己是由星塵構成的。憤世嫉俗者可以認為自己就是核廢料。
霍伊爾解決了宇宙學中最大的困惑，並找到了一個幾乎堪稱完美的解決方案，但有一個突出問題尚待解決。表5顯示了某種特定類型恆星上的核合成鏈：氫轉化為氦，然後氦聚變成碳，碳變成更重的元素。雖然表中明確列出了氦到碳的階段，但實際上霍伊爾並沒有真正解決這一步是怎麼發生的。據他所見，沒有什麼可行的核途徑使氦轉化成碳。這是一個主要問題，因為除非他能解釋碳的形成，否則他無法解釋其他所有的核反應是怎麼發生的，因為在生成它們的反應鏈的某個點上都需要有碳的參與。這對於所有類型的恆星都是個問題——根本沒有辦法把氦變成碳。
霍伊爾在此遇到了與當年阻止伽莫夫、阿爾弗和赫爾曼前進腳步完全相同的核磚牆。伽莫夫等人當時就試圖解釋在宇宙大爆炸早期時刻氦如何轉換成更重的元素。如果你還記得的話，伽莫夫小組發現，涉及氦的核反應只能生成不穩定的原子核。氦核加氫核給出的是不穩定的鋰5核；2個氦核合併給出的是不穩定的鈹8核。彷彿大自然已經謀劃好了要阻止氦核轉成較重原子核（最主要的是碳）的唯一兩條途徑。除非這兩個障礙可以被除去，否則構建較重原子核的問題將破壞霍伊爾有關恆星核合成理論的立論基礎。他抱有的解釋各種各樣元素的希望將破滅。
伽莫夫團隊在大爆炸核合成的框架下無法解決這一問題，而霍伊爾在恆星核合成的框架下也無法解決它。將氦轉化為碳似乎是不可能的。但霍伊爾沒有放棄尋找生成碳的某種可行途徑的希望。他所預言的所有複雜的核反應全都有賴於碳的存在，因此他必須解開碳本身是如何形成的奧秘。
碳的最常見的形式是所謂的碳12，因為它的原子核包含12個粒子，即6個質子和6個中子。氦的最常見的形式是所謂的氦4，因為它的原子核包含4個粒子，即2個質子和2個中子。因此霍伊爾的問題可以歸結為一個簡單的問題：是否存在將3個氦核轉變成1個碳核的可行機制？
一種可能是3個氦核同時碰撞在一起形成1個碳核。這是個好主意，可惜在實踐中是不可能的。3個氦核恰好同時同地以相同的速度發生聚變的可能性實際為零。另一種途徑是2個氦核聚變形成1個鈹8核（4個質子加4個中子），然後這個鈹8核再與另一個氦核聚變形成碳。這條途徑和三氦核碰撞機制如圖89所示。
圖89 圖（a）顯示了氦到碳的一條可能的核聚變路徑，它需要3個氦核同時碰撞。這種可能性非常低。第二條路徑如圖（b）所示，需要先2個氦核碰撞形成鈹，然後鈹核再與另一個氦核碰撞聚變成碳。
然而，鈹8很不穩定，這就是為什麼它被伽莫夫稱為生成氦之後的核的道路上的絆腳石的原因。事實上，鈹8核是如此不穩定（罕見形式），以至於通常在自發衰變前只能維持不到10-15秒。我們只能想像一個氦核在其飛行路徑上恰巧遇到一個短暫存在的鈹8核併合並成碳12。但即使這個過程確實能發生，也還需要克服另一個障礙。
氦核與鈹核的結合質量比一個碳核的質量要大得多，因此，如果氦和鈹聚合成碳，那麼就可能會有多餘的質量。通常情況下，核反應可以將多餘的質量轉換成能量（通過E=mc2），但質量差越大，反應所需的時間就越長。而鈹8核並不具備這個時間。碳的形成必須幾乎在生成鈹8核的同時完成，因為鈹8核的生命期實在太短。
因此，取道鈹8路生成碳核的路徑上有兩個障礙。首先，鈹8根本不穩定，持續時間不足億萬分之一秒；其次，氦和鈹聚變為碳需要一個很長的時間窗口，因為存在輕微的質量不平衡。僵局似乎不可能打破，因為這兩個問題彼此衝突。對此霍伊爾似乎可以選擇放棄，轉向研究些較簡單的東西。但相反，他在此完成了科學史上的一次最偉大的直覺跳躍。
雖然任何核都有一個標準結構，但霍伊爾知道，核內的質子和中子還可以有另一種安排。我們可以將構成碳核的12個粒子看成是12個小球。這些小球有兩種可能的排列，如圖90所示。一種排列是分成兩層每層6個的矩形結構；另一種是分3層每層4個的三角形排列（這裡過於簡單化了，因為在核的層面上事情並非像幾何排列那麼簡潔）。讓我們假設，第一種安排就是我們最常見的碳的形態，第二種是所謂的碳的受激形態。通過注入能量是可以將一般形態的碳核轉變為受激態的。因為能量和質量是等價的（同樣還是由於E=mc2），受激態的碳核的質量要比普通碳核稍大。霍伊爾斷定，碳12的受激形式肯定具有正確的質量，即與鈹8和氦4的組合質量完全匹配的質量。如果存在這樣的碳核，那麼鈹8與氦4就可以迅速反應形成碳12。儘管鈹8壽命很短，但生成大量的碳12是可能的。
圖90 碳的兩種可能形式。雖然實際上質子（深色球）和中子（淺色球）不會排列得如此整齊，而是傾向於形成球形團簇。圖示要點在於表明碳核可以存在具有不同質量的不同排列方式。
問題解決了！
但是科學家不能想像一個問題只有一種解決方案。正如霍伊爾知道，雖然具有所需質量的碳12激發態打開了生成碳，乃至通向所有重元素的大門，但這並不意味著這種狀態一定存在。受激核可以有非常特殊的質量，但科學家不能總寄希望於有一個方便的值。幸運的是，霍伊爾不只是一位只會想像的人。他對存在碳的正確激發態的自信是基於一種看似怪異但十分有效的邏輯推理鏈。
霍伊爾的推理前提是，他存在於宇宙。不僅如此，他指出，他還是一個以碳為基礎的生命形式。因此，宇宙中必然存在一種製造碳的方式。然而，生成碳的唯一方法似乎依賴於碳的某個特定激發態的存在。因此這種激發態必定存在。霍伊爾嚴格運用的這種思考問題的方法後來被稱為人存原理。這一原理可以用多種方式來定義和解釋，但有一個版本可以這麼來陳述：
我們在這裡研究宇宙，因此宇宙的法則必定與我們的存在相一致。
在霍伊爾的推理中，他說碳12核是他的一個組成部分，因此碳的正確激發態必須存在，否則碳12和弗雷德·霍伊爾都不會存在。
從專業上講，霍伊爾預測，他提出的碳的激發態的能量要比基本碳核高出7.65兆電子伏（MeV）。對於測量像原子核這樣的微觀粒子來說，兆電子伏能量是一個很小的能量單位。霍伊爾現在想知道這個激發態是否真的存在。
1953年，在他提出碳的這種激發態後不久，霍伊爾利用學術休假應邀到訪加州理工學院。在那裡，他有機會來檢驗他的理論。著名的凱洛格輻射實驗室就坐落在加州理工學院的校園裡，該實驗室的威利·福勒是世界上最偉大的實驗核物理學家之一。一天，霍伊爾來到福勒的辦公室，告訴他自己對碳的激發態能量要比普通態高出7.65兆電子伏的預言。以前還沒有人對核的激發態作出這樣精確的預測，因為其中的物理和數學過於複雜。但霍伊爾的預測純粹是基於邏輯，而不是數學或物理。霍伊爾想讓福勒去尋找他所預言的這種碳12的激發態來證明他是對的。
福勒是第一次遇見霍伊爾，他對這個約克郡佬的想法沒有一點思想準備。福勒最初的反應是，碳12已經有詳細的測量結果，沒發現有7.65兆電子伏的激發態的記錄。他後來回憶說，他對霍伊爾的反應完全是負面的：“我很懷疑這位穩恆態宇宙學家，這個理論家，問的這個碳12核的問題……這個有趣的小個子男人認為我們應該停止我們所有正在進行的重要工作……來尋找這種態，我們把他打發了。離開我們這裡，小伙子，你打擾了我們。”
霍伊爾繼續展開他的論證，指出福勒只需幾天時間專門搜尋一下碳12的7.65兆電子伏的態就可以檢驗這一理論。如果霍伊爾是錯誤的，那麼福勒得花上幾個晚上來追補他的日程安排；但如果霍伊爾是正確的話，福勒將作出核物理學領域的最大發現之一而獲得獎勵。福勒被這個簡單的成本-效益分析折服了。他要求他的團隊立即開始搜尋這種激發態，萬一它在早期測量中被忽略了呢。
經過10天的對碳12核的分析，福勒的研究小組發現了一種新的激發態。正是7.65兆電子伏，與霍伊爾說的完全一樣。這是第一次，也是唯一一次，科學家用人存原理做預測並被證明是正確的。這是極其天才的一個實例。
霍伊爾終於證明並確認了由氦轉化為鈹，然後變成碳的機制。他證實了碳是在大約2億攝氏度的溫度下通過圖89（b）所示的反應合成的。這是一個緩慢的過程，但數十億顆恆星經過數十億年的演化，可以製造出大量的碳。
對碳的生成的解釋確立了生成宇宙中所有其他元素的核反應的起點。霍伊爾解決了核合成問題。這對於穩恆態模型是一個突破，因為霍伊爾可以聲稱，退行星系之間產生的簡單物質會聚集在一起，形成恆星和新的星系，於是它們會成為鍛造更重元素的不同的恆星熔爐。霍伊爾的工作對於大爆炸模型也是一種提升，否則我們就不能解釋重元素如何從所有的氫和氦中產生，而後者則是在宇宙誕生之初就立即生成的。
乍一看，核合成問題的解決現在可以看成是兩個敵對的宇宙學陣營打了個平手。畢竟，無論是大爆炸還是穩恆態模型都可以借助於同樣的恆星演化過程來解釋重元素的合成。但事實上，大爆炸已經成為兩款模型中的強者，因為對於輕元素如氦的產生，只有大爆炸模型能圓滿解釋它們的丰度。
氦是宇宙中丰度排行第二的元素，也是僅次於氫的最輕元素。恆星將氫轉變成氦，只是這個過程非常緩慢，因此從大爆炸的觀點看，恆星不可能說明今天宇宙中存在的大量的氦。然而，伽莫夫、阿爾弗和赫爾曼已經證明，如果在大爆炸之後瞬間就完成了氫到氦的聚變，那麼今天宇宙中的氦的丰度就可以得到說明。大爆炸模型的最新計算結果表明，氦應該佔到宇宙中所有原子的10%，這個估計非常接近於基於觀察的最新估計，因此理論和觀測是一致的。
相比之下，穩恆態模型卻不能解釋氦的丰度。因此，從重元素的核合成這一點看，大爆炸和穩恆態不相上下，但只有大爆炸模型可以真正解釋氦的核合成。
有利於大爆炸核合成的局面還因為下述新的計算結果而得到進一步加強，這就是對像鋰和硼這類元素的原子核的核合成的計算。這些元素都比氦重，但比碳輕。計算表明，這些鋰核和硼核無法在恆星上合成，但可以在大爆炸瞬間產生的熾熱狀態下，與氫轉化為氦的過程同時完成。事實上，理論上基於熱大爆炸模型對鋰和硼的丰度的估計與從當前宇宙中觀察到的結果非常一致。
具有諷刺意味的是，雖然核合成的完整解釋讓大爆炸模型贏得了最終勝利，但這一勝利是建立在對立陣營的霍伊爾做出的巨大貢獻的基礎上的。喬治·伽莫夫對霍伊爾給予了極大的尊重，承認他的成就輕鬆改寫了《創世紀》，如圖（文）91所示。伽莫夫版的《創世紀》實際上是對核合成理論——從大爆炸的熱中產生出輕核，到超新星爆發中產生出重核——的一個絕妙總結。
起初，神創造了輻射和伊倫。伊倫沒有形狀或數量，核子在淵面上疾馳。
神說：“要有質量2。”就有了質量2。神看到了氘，說這很好。
神說：“要有質量3。”就有了質量3。神看到了氚，說這很好。
神繼續叫號，直到他遇到超鈾元素。但當他回頭看自己的工作時，卻發現不夠好。在叫號的興奮中，他錯過了叫質量5，所以，自然地，沒有更重的元素可以形成。
神非常失望，希望先讓宇宙收縮回去，再從頭開始。但這太簡單了。因此，全能的神決定用最不可能的方式來改正錯誤。
神說：“要有霍伊爾。”就有了霍伊爾。神看著霍伊爾，告訴他按他高興的方式做重元素。
霍伊爾決定在恆星上做重元素，並通過超新星爆發散佈到周圍。但在這樣做時，他必須得到與神沒忘記叫號質量5時由伊倫的核合成給出的相同的丰度。
所以，在神的幫助下，霍伊爾按這樣的方式做重元素，但它是如此複雜，以至於在今天不論是霍伊爾，還是神，還是其他任何人，都無法能弄清楚它究竟是如何完成的。
阿門
圖（文）91伽莫夫版《創世紀》
根據恆星內部演化過程來解釋核合成的整個研究方案涉及幾十個步驟和無數次改進，時間上前後跨越十多年。霍伊爾始終是全身心地投入，但他顯然得到了威利·福勒實驗工作的支持，他還與伯比奇夫婦——瑪格麗特·伯比奇和傑弗裡·伯比奇——進行合作。四人合作的成果是一篇有104頁的報告，標題為“恆星元素的合成”。文章裡確定了恆星各階段的作用以及每一步核反應的結果。文章包含了一個非比尋常的大字聲明：“我們發現，在一般情況下，用恆星上的和超新星的核合成來解釋從氫到鈾的幾乎所有原子的同位素的丰度是可能的。”