你血液中的铁、你骨骼中的钙、你每次呼吸吸入的氧气，所有这一切都是在地球和太阳诞生之前的恒星中锻造形成的。你的肉体就是从星尘变来的。你简直就是天堂制造。
我们DNA中的氮、牙齿中的钙、血液中的铁、苹果派中的碳都是在坍缩的恒星内部形成的——我们是用星星做的。
——卡尔·萨根(Carl Sagan)
当我们望向宇宙时，会发现物理学、天文学中有利于我们的巧合如此之多，简直就好像宇宙知道我们要来了。
——弗里曼·戴森(Freeman Dyson)
1953年2月，加利福尼亚州帕萨迪纳市，凯洛格辐射实验室
威利·福勒(Willy Fowler)在想，坐在他对面的这个人简直是胡说八道。福勒是一名实验核物理学家，他很清楚，世界上没有人能做到这个家伙声称他能做的事情——预测复杂原子核的精确能态。那是一个多体系统(many body system)，大量的质子和中子像一群亚微观的蜜蜂一样，在里面嗡嗡作响。理论家们的能力有限，只能预测二体系统(two-body system)的确切行为，如电子在氢原子中绕质子旋转或者月球绕地球轨道运行。
然而，就在加州理工学院凯洛格辐射实验室(Kellogg Radiation Laboratory)福勒的办公室里，这位戴着眼镜、自称天文学家的英国佬却说，他能做到世界上任何核物理学家都做不到的事情。更离谱的是，他的预测并不是基于对核物理学的思考，而是出于一个让福勒感觉与结论毫无逻辑关系的论据——宇宙里有碳。福勒确定他听弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)说的是：“因此，碳核(carbon nucleus)一定有一个精确到7.65兆电子伏特[2]的能级。”
霍伊尔告诉福勒，他确信所有原子的核心，或者说原子核，都是由最简单的原子——氢——的原子核在恒星内部合成的。那些恒星早在太阳和地球诞生之前，就已经演化并且消亡了。这种合成必然经历多个阶段。第一步是4个氢原子核以某种方式结合在一起，形成第二轻的原子——氦——的原子核。[3]第二步是将2个氦核聚合在一起，形成1个铍原子核。问题是，铍是不稳定的，在短短十亿分之一秒内就会分裂。因此形成更重的原子核，如氧、钙和钠的途径似乎被阻断了。
霍伊尔声称，有一种方法可以绕过令人头疼的铍屏障。据福勒所知，霍伊尔的解决方案要求碳核存在一个比基态(ground state)高7.65兆电子伏特的高能激发态(excited state)。
后来福勒回忆说，他对霍伊尔的第一印象并不太好，感觉霍伊尔“完全不在正常的心理状态”。[53]然而，常年生活在附近的威尔逊山天文台100英寸(约2.54米)望远镜(Mount Wilson 100-inch telescope)的巨大阴影之下——尤其是爱德文·鲍威尔·哈勃(Edwin Powell Hubble)用这架望远镜于1929年发现了宇宙在膨胀(当时人们都不相信宇宙在膨胀)——福勒成长为一位能够对各种天文思想保持宽容态度的核物理学家。事实证明，没把霍伊尔赶出门外是他职业生涯中做出的最明智的决定。
霍伊尔很可能是错的，但福勒秉持了实验者的座右铭：千万不要忽视看似不可能的事情。于是福勒把研究小组的成员叫到办公室，让这位英国天文学家把刚才的话再说一遍。“有没有可能，”霍伊尔问，“实验中漏掉了碳7.65兆电子伏特的能级？”
这之后大部分技术层面的讨论都超出了霍伊尔的理解范围。但最终，福勒的团队达成了共识：如果这个能态很特别的话，也有被漏掉的可能。霍伊尔用满怀希望的目光扫过现场的每一张脸，希望有人能和他合作。但福勒摇了摇头，他有太多的工作要做，无法再分心为验证霍伊尔奇异的说法去做实验。“其他人呢？”福勒问道。剩下的人中只有沃德·惠林(Ward Whaling)表示愿意。惠林，得克萨斯州人，最近刚从休斯敦的莱斯大学(Rice University)来到加州理工学院。他转向霍伊尔说：“我来做这个实验，寻找你预测的那种能态。”
霍伊尔在做出这个预测之前，经过了很长一段时间的酝酿。这一切要从1944年秋天说起，当时还是理论学家的霍伊尔在英国研制作战雷达，他被委派参加11月底在华盛顿特区举行的雷达研究会议。当时去美国要冒险横渡大西洋，为躲避致命的U型潜艇[4]，途中要采用迂回曲折的航道。事实上，霍伊尔对此次旅行非常担心。在苏格兰的格里诺克登上“阿奎塔尼亚号”邮船(RMS Aquitania)之前，霍伊尔在劳埃德保险公司(Lloyd's of London)投保了人寿保险，他要为妻子芭芭拉(Barbara)和两个年幼的孩子考虑。之后，霍伊尔去约克郡看望了自己的父母，以防这是最后一次见到他们。在海上度过乏味的10天后，霍伊尔和10 000名归乡的美国士兵平安上岸，到达了新大陆(the New World)。
在从纽约宾夕法尼亚站乘火车南下之前，霍伊尔在街头闲逛。纽约璀璨的灯光和丰富的物资与英国已实施5年的灯火管制和定量配给形成了巨大反差，在颇感意外的霍伊尔眼中，纽约的街道就仿佛“仙境”一般。在华盛顿特区英国大使馆，霍伊尔办理了手续并领取了一笔丰厚的津贴。距离雷达研究会议开幕还有3天时间，霍伊尔因此决定北上普林斯顿去看望天文学家亨利·诺里斯·罗素(Henry Norris Russell)。罗素开创性地对恒星进行了分类，因赫罗图(Hertzprung-Russell diagram)闻名于世。
霍伊尔对天文学的兴趣是偶然产生的。1938—1939年，他在剑桥大学读书，曾是保罗·狄拉克的学生。故事是这样的：这位量子理论学家不想要学生，霍伊尔也不想要导师，但这对搭档被顽皮的教员开玩笑似的硬是撮合到了一起。尽管狄拉克是出了名的沉默寡言，但还是给了霍伊尔一条有用的建议。在狄拉克看来，经历了20世纪20年代和30年代的量子革命，基础物理学中所有唾手可得的成果都被别人摘取了。如果霍伊尔想在科学界出人头地，就应该在其他科学领域寻找自己感兴趣的问题。
因此，霍伊尔决意涉足这两个领域之一：要么是天文学，要么是生物学。一次机缘之下，他幸运地省去了选择的麻烦。在为一个学生社团邀请演讲嘉宾时，他认识了剑桥大学的天文学家雷·利特尔顿(Ray Lyttleton)。当时，利特尔顿正醉心于一个特殊恒星的问题，这立刻引起了霍伊尔的兴趣，并开始与利特尔顿合作，从而顺理成章地成了天文学家。
霍伊尔与罗素在普林斯顿的会面很顺利。但事实证明，重要的不是会面本身，而是会面能带来些什么。这就好比拼装一幅从各种渠道收集来的信息拼图，只要将散落的碎片拼接完整，就形成了科学成果。
罗素得知，霍伊尔会在华盛顿会议结束后前往加州造访圣迭戈的美国海军总部，于是他便力劝霍伊尔拜访威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)。这座天文台就在洛杉矶北部，罗素甚至还给天文台台长沃尔特·亚当斯(Walter Adams)写了一封引荐信。
到达加州后，霍伊尔听从罗素的建议，抽空去拜见了亚当斯。亚当斯马上就安排霍伊尔上威尔逊山共度周末，让他见识一下世界上最大的直径100英寸(约2.5米)的胡克望远镜(Hooker Telescope)。这可是个难得的好机会，可以借机了解一下天文学家是如何工作的。然而，事实证明，周末结束后发生的事情才至关重要。热衷徒步旅行的霍伊尔步行下山，在阿尔塔迪纳与沃尔特·巴德(Walter Baade)相遇，阿尔塔迪纳就在圣加布里埃尔山脚下的帕萨迪纳市附近。巴德，这位德裔美国天文学家被列为敌国侨民，禁止服兵役。这反倒使他因祸得福，获得了令人艳羡的机会——可以在山下的洛杉矶市处于战时灯火管制期间，没有时间限制地使用当时世界上最大的望远镜。
巴德的确是一流的望远镜观测者，但开起车来却笨手笨脚。尽管如此，他还是开车把霍伊尔拉到了他在圣巴巴拉街的办公室。二人花了一个下午的时间，**澎湃地讨论了天文学的最新进展，谈话以霍伊尔拿到了一些关于超新星的论文复印件而告终。这些发生剧烈爆炸的恒星是由巴德和他的瑞士裔美国同事弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)共同发现的。要是霍伊尔一拿到这些论文就读了，可能对他就没有什么意义了。或许是另一种命运使然，直至回到英国后，他才读了这些论文。在回英国之前，霍伊尔学到了一些东西，这不仅使他率先认识到超新星问题的关键，还改变了他的科学生涯。
返回英国时，霍伊尔不得不前往蒙特利尔(Montreal)搭乘一架巨型的“解放者”，或称为“空中堡垒”的轰炸机。这种飞机可以飞越大西洋且中途不用经停，这样，他就可以直接回到格拉斯哥(Glasgow)附近的普雷斯特威克(Prestwic)。然而，恶劣的天气使得行程推迟了好几天，在等待的过程中，霍伊尔遇到了两位在本国认识的物理学家。一位是沃尔夫冈·泡利的学生尼克·凯默(Nick Kemmer)，另一位是莫里斯·普赖斯(Maurice Pryce)。凯默和普赖斯都已经被英国制造原子弹的“合金管”工程项目招募，这在剑桥大学已经不是什么秘密了。
合金管工程就是开发核裂变(nuclear fission)。核裂变现象是奥托·弗里施(Otto Frisch)、莉斯·迈特纳(Lise Meitner)和弗里茨·斯特拉斯曼(Fritz Strassman)在“二战”前夕于柏林发现的。不稳定的重原子核容易分裂成两块，在这一波称为“裂变”的过程中会释放出几个高能中子。这些中子可能进一步触发更多的核分裂，形成链式反应，从而引发大量核能爆炸性地释放。
霍伊尔知道有两种不同的原子核可以裂变，一种是稀少的铀同位素，称为铀-235；还有一种是人造原子核钚-239，于1940年首次人工合成。要合成足够制造核弹的钚，需要建造核反应堆(nuclear reactor)，或称堆(pile)。在德国空军的轰炸下，英国没有足够的资源同时制造两种不同的原子弹，于是最终他们选择了浓缩铀-235。当时，该项目正在蒙特利尔附近的乔克河畔缓慢地进行。霍伊尔认为，之所以凯默和普赖斯出现在加拿大，说明英国已经积累了足够制造原子弹的铀-235。
在蒙特利尔等待天气好转时，霍伊尔听说了一个传闻，说是一个由美国和欧洲最优秀的物理学家组成的团队正在美国西南部的某个秘密地点集结。他感到疑惑不解：霍伊尔原以为，用铀-235制造炸弹是世界上最容易的事情：只要简单地将两块铀-235合并在一起，使其超过引发失控链式反应的临界质量(critical mas)，就可以发生核爆炸。大型团队的存在只能意味着合并钚并不像合并铀那么简单。如果是这样的话，他就可以理解为什么英国选择了他认为原料更难找的铀-235来制造原子弹。
很明显，一定有什么东西阻止了两个亚临界质量的钚块合并。霍伊尔唯一能想到的就是钚本身的裂变。他推断，当两块钚相互靠近时，裂变必然以非常快的速度产生热量，以至于在链式反应发生之前，就把两个钚块推开了。如果他是正确的，这意味着科学家需要找到一种方法把两个钚块强行聚合在一起。当霍伊尔思考应该怎么做时，他意识到最好的方法是用炸药使球壳形的钚内爆(implosion)。并且，他立刻想到了向心爆炸的关键问题：只有当炸药的冲击波完全球对称时，才会发生有效的内爆。但是，这样的冲击波很难实现。现在霍伊尔明白为什么必须组建这支阵容强大的团队了。
回到英国，过完圣诞节，霍伊尔的思考早已淡忘在遥远的回忆里了，他终于腾出时间仔细阅读了沃尔特·巴德的超新星论文。[54]这样的恒星大劫难释放的能量是惊人的。通常一颗超新星比整个星系的几千亿颗恒星加起来都要亮。当霍伊尔思考其中的能量来源时，意识到只有一种东西有能力操控这样的爆炸，那就是重力。
如果一块石板瓦从屋顶上掉下来，地球的引力就会使它加速，并使之快速撞击地面。物理学家们说，重力势能，也就是说，这种由物体在重力场中所处的位置决定的能量转换成了另一种能量形式——运动的能量。类似地，如果一颗恒星的核心收缩就好像是恒星的引力使无数块百万亿量级的石板瓦加速，这些“瓦片”的势能也会转换成其他形式的能量，比如热。然而矛盾的是，在超新星中，恒星核心的内爆反而会将其外壳抛入太空。
也就是在这个时候，霍伊尔开始把在美国获得的各种拼图碎片拼合起来。正如内爆会引发钚弹的核反应一样，恒星核心的内爆也是如此。当然，不同情况下的核反应不尽相同，但这并不重要，这种认为内爆会导致核反应的想法在霍伊尔的头脑中点燃了一盏明灯。[55]超新星爆炸可能是可怕核反应的炼狱，或许这就是自然界中锻造各种化学元素的熔炉。
当恒星核心的燃料耗尽，无法产生足够的热量抗衡重力的挤压时，就迎来了恒星核心灾难性的坍缩。霍伊尔认为，在濒临死亡的恒星外壳中，坍缩释放出的巨大热量引发剧烈的核反应，从而形成各种元素。新形成的元素被爆炸抛入太空，丰富了星际气体和尘埃云团中的元素，当这些云团在引力作用下崩解时，就会合并成新一代的恒星和行星。如果霍伊尔是正确的，那么超新星就是锻造构成我们身体元素的熔炉。
从最轻的氢到最重的铀，自然界中存在的元素共有92种。曾经有人认为，这些元素都是造物主在造物的第一天创造出来的。但是，在20世纪上半叶出现了这样一种观点：这些元素应该是后来形成的。科学家们已经注意到，每种元素的丰富性或稀缺性与其原子核的特性有关。例如，如果某种元素的原子核比稍轻或稍重元素的原子核结合得更紧密，那么，这种元素的含量会比后两者更丰富。这强烈地暗示着核进程对于元素的形成发挥了关键作用。
可能性最大的是，宇宙开始时只有最轻的氢元素的原子核，而所有较重元素的原子核都是随后在恒星内部由这个最基本的核构件反复黏合组装起来的。事实上，巴德在洛杉矶漆黑的天空中观察到的一个重要发现就是，银河系包含两种截然不同的恒星群。在太阳运行的旋臂(spiral arm)中分布着炽热的蓝色恒星，重元素含量相对较高；在银河系中心则布满温度较低的红色恒星，重元素的含量相对较低。[5]正如后面将会谈到的那样，蓝色的星族Ⅰ(Population I)恒星较年轻，红色的星族Ⅱ(Population II)恒星较为古老。从这些星体中重元素的含量可以看出，随着星系不断衰老，重元素含量也更丰富，这与重元素会在恒星内部不断积累的假设相符。[56]
合成更重的原子核并不容易，因为要迫使更多的质子聚集在一起，需要克服同性电荷之间更强烈的相互排斥。克服斥力的唯一方法就是以更快的速度将原子核猛烈地撞在一起。由于温度是微观运动的量度，这就意味着需要更高的温度。事实上，制造重元素需要的温度高达数十亿摄氏度。
美国物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)正是相信恒星内部永远不可能达到如此极端的高温，所以不得不为锻造元素另寻出路，他声称只有大爆炸的高温符合条件。但是，1944年，霍伊尔在读巴德的论文时，看到了一个不需要这种替代解释的机会；如果他是正确的，那么恒星内部可以达到的温度至少是太阳中心温度的1000倍——太阳的中心温度约为1000万摄氏度。
在恒星内部，核反应形成元素的次序是很复杂的，霍伊尔根本不了解其中的细节。但他意识到，关键在于超新星炼狱内部不合常理的极端密度和温度，那些次序细节反而不重要了。在这种极端条件下，在亚微观尺度下的原子核会疯狂地合成和分裂，直至合成和分裂的过程势均力敌时达成平衡，这种平衡只取决于每种原子核结合的牢固程度。在这种热力学统计平衡的状态下，元素的相对丰度会逐渐稳定下来，不再变化。此时被称作“冻结”(freeze out)。
现在霍伊尔只要知道不同元素的丰度，以及那些元素的原子核结合得有多牢固，就可通过计算来验证他的假设了。可惜，雷达工作把他困在了西苏塞克斯的荒野中，无法获得此类数据。直到1945年3月，霍伊尔因为工作需要来到剑桥大学，在此遇到了奥托·弗里施。这位奥地利物理学家最近刚从美国回来，此前他一直在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯的原子弹研制团队工作。弗里施从书桌抽屉里拿出了一张由德国核物理学家约瑟夫·马托奇(Josef Mattauch)精心编制的核数据表——这正是霍伊尔想要的东西。
在剑桥大学，霍伊尔还从图书馆借到了一本书，是由瑞士-挪威物理学家维克多·戈德施密特(Victor Goldschmidt)撰写的。1937年，戈德施密特对宇宙的构成进行了开创性的研究，收集了来自地壳、太阳和陨石的元素数据。在汇总表中，他标明了哪些元素比较常见，哪些比较稀有。
有了戈德施密特和马托奇的数据，霍伊尔就得到了自己所需要的一切。据此，他计算了在不同的温度范围内、核热力学平衡(nuclear thermodynamic equilibrium)状态下各元素冻结时的相对丰度。然后，霍伊尔发现他的预测奏效了：在20亿~50亿摄氏度的高温下，铜、镍、钴和铬的相对丰度与戈德施密特发现的元素丰度完全吻合，而这些元素也是现代文明赖以生存的物质构成。霍伊尔欣喜若狂，他用定量的证据证明：铁族元素确实是在超新星中锻造的。[57]“全人类都是兄弟，”正如美国天文学家艾伦·桑达奇(Allan Sandage)所说，“我们来自同一颗超新星。”
霍伊尔终于有了恒星锻造自然元素的证据，证明恒星内部能够达到必需的温度和密度。他也确信恒星内部锻造的不仅仅是一些元素，而应该是所有元素。要证明这一点，还有很长的路要走，现在最重要的是他有了证据，能证明恒星能够达到核合成(nucleosynthesis)所必需的极端条件。
当时人们认为恒星不可能达到这样极端的条件，也导致伽莫夫错误地把大爆炸作为锻造元素熔炉的替代品。究其原因，是由于英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)犯了一个本不该犯的错误。爱丁顿曾在1919年证实了太阳引力引起的光线弯曲，同时证明了牛顿是错误的，并把爱因斯坦推为科学界的超级明星。到了20世纪30年代，天文学家们猜测，星光是氢核聚变成氦的副产品。[6]但爱丁顿猜测氦“灰烬”会在恒星内部均匀地混合，逐渐稀释氢燃料，导致核反应熄灭。在夜空中能看到的证据表明爱丁顿可能是错误的：像猎户座(Orion)参宿四(Betelgeuse)这样的红巨星(red giant)非但没被熄灭，而且会释放出比太阳高1万倍的热量。
当霍伊尔初次见到雷·利特尔顿时，搞清楚这些恒星的异常引起了他的兴趣。他们两人都意识到，如果恒星内部的氦“灰烬”不是像爱丁顿认为的那样处于均匀的混合状态，而是不均匀，就会自动变得更热、更稠密。这也许就可以解释红巨星持续发光的原因。霍伊尔和利特尔顿设想，恒星穿过星际气体云时，外壳不断吸积原始氢，从而形成了不均匀的状态。不过并不需要考虑得这么复杂，爱丁顿很快纠正了自己的错误，[58]他认识到，氦在恒星中均匀混合的机制远没有他们想象的那么有效。合理的推论是，恒星中比氢重的氦会落向中心，同时像其他气体一样受到压缩而发热。恒星在演化过程中，其内部会自动变得不均匀，核心变得越来越稠密、越来越热。
当恒星积累了越来越重的元素，重元素又在重力的作用下向中心聚集，就会形成一种类似洋葱的内部结构，由外向内，一层比一层更致密、更热。霍伊尔意识到，对于锻造各种元素来说，这里就是最完美的环境。当这样的恒星发生超新星爆发，或者通过恒星风抛出物质时，一些重元素最终会进入星际介质，成为形成下一代恒星的原料。
在伽莫夫的大爆炸中，只有很短的一段时间窗口适合锻造元素，这个窗口出现在宇宙诞生后1~10分钟。在那之后，宇宙的膨胀就使得火球的密度和温度降低，之后便不足以继续锻造元素了。因此，该方案只能生成氦和一些较轻的元素。相比之下，恒星有几十亿年时间用来尽情施展炼金术。有这么长的时间可用，很明显，恒星在制造元素方面的能力要远胜于大爆炸。难道不是吗？
伽莫夫出错的地方不仅在于大爆炸中锻造重元素的时间不到10分钟，更根本的错误在于，在自然界中不存在质量数为5或8的稳定原子核。
质子和中子统称核子(nucleon)，这两种核子全都形成于大爆炸的火球中，但在宇宙诞生后10分钟多一点的时候，中子就衰变成了质子或氢原子核。第二轻的元素氦的原子核有4个核子，也就是由2个质子和2个中子组成，须分几个步骤合成。在大爆炸中形成氦-4后，容易想到的生成更重元素的途径有两条：一是在氦-4里加入另一个核子，合成质量数为5的原子核；二是将两个氦-4原子核结合在一起，合成质量数为8的原子核。但是，自然界中质量数为5和8的原子核都是不稳定的，显然这两条路都是行不通的。无论是用恒星，还是大爆炸锻造重元素，这都是一个需要解决的根本问题。
霍伊尔的超新星研究取得了成果后，也因这一根本问题而在恒星中合成元素的研究中受阻，于是他转而去参与研究宇宙的大尺度结构的科学——宇宙学。1948年，霍伊尔与赫尔曼·邦迪(Herman Bondi)和汤米·戈尔德(Tommy Gold)一起提出了宇宙恒稳态理论(Steady State Theory)。1929年，爱德文·鲍威尔·哈勃在威尔逊山天文台观测时发现，宇宙在膨胀，组成宇宙的星系像弹片一样四处飞散。按照宇宙恒稳态理论的设想，当星系相互远离时，新生的物质会在星系远离时留下的空隙中涌出，凝结形成新的星系。虽然这个想法第一眼看上去似乎很不靠谱，但实际上它并不比在一次大爆炸中一口气形成所有物质的想法更荒谬。其优势在于，稳态的宇宙在大的时间尺度中看上去是不变的，可以永远存在的。显然，宇宙恒稳态理论没有必要回答宇宙是如何开始的这个问题，因为只有变化的宇宙才需要起源。
1952年夏天，霍伊尔参加了国际天文学联合会在罗马举办的一次会议，部分原因是出于他对宇宙学的兴趣。他去了才发现，会议的主题是银河系外星云(extragalactic nebulae)，或叫作河外星系，主持会议的是沃尔特·巴德。这位加州理工学院的天文学家粗心大意，忘了安排一位做会议纪要的秘书，所以临时请霍伊尔帮忙。在会议期间，巴德提出了精妙的证据证明，宇宙的实际年龄是哈勃估计的2倍。然而，几个月后，当天在场的另一位天文学家窃取了巴德的成果。是霍伊尔挽救了局面：会议记录证明巴德遭到了厚颜无耻的剽窃，从而捍卫了巴德应得的荣誉。
巴德时任威尔逊山天文台和加州理工学院联合天文指导委员会的委员，这就可以解释，为何在1952年秋天，霍伊尔收到去加州理工学院访问三个月的邀请函了。霍伊尔抓住这次机会，来到帕萨迪纳，思考如何解决恒星的核合成问题，以及跃过麻烦的核质数5和8屏障的办法。加州理工学院的研究条件得天独厚，拥有世界级的天文学系和杰出的核物理研究团队。
经1930—1931年的建设，凯洛格辐射实验室建成了。此后不久，加州理工学院的核物理研究就开始了。该实验室由美国“玉米片之王”威尔·基思·凯洛格(Will Keith Kellogg)赞助，最初配备了1兆电子伏特的强大X光管，不仅用于辐射的物理学研究，还用于癌症治疗的应用研究。[59]但在1932年间，实验室主任查尔斯·劳里特森(Charles Lauritsen)听到英国剑桥大学的约翰·科克罗夫特(John Cockcroft)和欧内斯特·沃尔顿(Ernest Walton)用高速质子成功分裂了原子这一出人意料的消息后，立即改变了凯洛格实验室的研究方向。
X射线管是利用高电压加速的电子轰击金属靶，以产生高能量的X射线。对于凯洛格实验室来说，用X射线管的高电压加速质子这样的粒子，并用其轰击原子核是轻而易举的事情。通过观察产生的碎片，凯洛格实验室的物理学家们可以测量一种原子核转变成另一种原子核的核反应速度。事实上，威利·福勒(Willy Fowler)及其在凯洛格实验室的团队测量出了碳氮氧循环(CNO cycle)各个核反应的速度，该循环符合汉斯·贝特(Hans Bethe)提出的恒星内部核反应，它将恒星内部的氢转变成氦，生成副产品——星光。他们发现，只有在温度比太阳中心温度高得多的情况下，这种循环才会有效运行，因此排除了该循环作为除大质量恒星以外的恒星的主要动力来源的可能性。[7]
福勒自认是一名核物理学家，当贝特告诉福勒，他在实验室里所做的实验实际上可能是在模拟恒星内部产生能量的核反应时，他感到自己揭示了某种宇宙真相。1951年，埃德·萨尔皮特(Ed Salpeter)再次让福勒意识到，他的团队应该也有能力模拟恒星内部元素合成的核反应。这位来自康奈尔大学的年轻理论家猜测，原子核合成的质量数为5和8的屏障有可能通过一种发生概率极低的核过程绕过。
想象一下，在一颗红巨星内部，3个被称为α粒子的氦原子核同时聚合在一起，形成1个碳-12原子核，那会怎么样？这就好比在超市的停车场里，3个推着购物车的人同时撞在了一起!这样的事件的确十分罕见，你得等上很长时间才能看到。但是，萨尔皮特想到了时间这个参数。恒星拥有数百万年甚至数十亿年的时间，与之相比，宇宙大爆炸只有区区10分钟左右的元素合成时间。
观测事实表明，碳的含量非常丰富，是宇宙中第四大最常见的元素，仅次于氢、氦和氧。但不出所料，萨尔皮特的“三α过程”行不通，这种反应的概率太小了，经计算，只能产生微量的碳。
1952年底，当霍伊尔来到加州理工学院时，他注意到了萨尔皮特的工作并且赞同这位康奈尔大学的理论家的观点，要想绕过质量数为5和8的障碍，唯一可行的方法就是让3个氦原子核相互碰撞并结合在一起。但问题在于，有没有什么方法可以加快萨尔皮特的进程？霍伊尔确信肯定有，并且他自己就有个新颖的想法。
核子在原子核内复杂的运动方式超出了任何理论物理学家的预测能力。尽管如此，理论学家依然知道，核子的某些内部组态比其他组态更稳定，每个核子都存在于多种能态中的一种，这是可观测的事实。例如，核子可能居于最低能级，或者叫基态；也可能居于一些较高的能级，或者称为激发态。能级就像梯子的阶梯一样，从基态开始依次向上排列。
霍伊尔想，如果存在一种碳-12的激发态，其能级等于3个氦原子核在温度为1亿度时的能量，正好对应红巨星的核心温度，那会怎么样呢？那就会激励3个氦核之间的核反应产生共振，就像在共振频率上推动儿童的秋千一样，核反应会被加速。进行了一系列相关的计算后，霍伊尔发现，如果生成碳-12的三α过程是共振的，的确会比萨尔皮特计算的要快。快的程度不是10倍、100倍，甚至不是1000倍，而是惊人的1000万倍。最重要的是，霍伊尔的粗略计算表明，这种提速能够解释宇宙中碳的丰度。
在1亿摄氏度的高温下，3个氦核在红巨星内部的能量约为7.65兆电子伏特。为了使生成碳-12的原子核反应发生共振，碳-12的能态必须精确地比基态高7.65兆电子伏特。但当真存在这个能级吗？1953年2月的一天，霍伊尔在福勒的办公室里提出了这个问题。很幸运，这个问题引起了沃德·惠林的兴趣。
1953年2月，加利福尼亚州帕萨迪纳市，凯洛格辐射实验室
对霍伊尔的胆识，惠林钦佩不已。1952年12月30日，就在到达帕萨迪纳后不久，霍伊尔就在加州理工学院美国物理学会(American Physical Society)的仲冬会议上做了一次公开报告。他提出的宇宙恒稳态理论在洛杉矶地区引起了轰动，来听报告的人太多，会议不得不从加州理工学院搬到附近的帕萨迪纳初级学院的一个更大的礼堂。这个报告给惠林留下了深刻的印象，于是他开始参加霍伊尔每周在鲁滨逊天体物理实验室举办的讲座。那里离凯洛格实验室不远，步行只需要几分钟。
在讲座中，霍伊尔不断完善了恒星内部合成元素的设想。通常情况下，霍伊尔都会被天文系某位大咖的致命提问驳倒，但杰西·格林斯坦(Jesse Greenstein)和弗里茨·兹威基等人的批评对霍伊尔来说就像耳旁风。接下来的一周，他会带着一种别出心裁的方式回到鲁滨逊天体物理实验室，试图绕过反驳，但最终他还是被驳倒了。惠林对这一切很感兴趣，霍伊尔在天文学和核物理学方面的知识都不足，但是他出色的数学能力和强大的想象力弥补了这一点。最重要的是，霍伊尔渴望学习，通过凯洛格的核物理学家和鲁滨逊的天体物理学家之间来回的争论，他进步得很快。
正是出于对这位戴着眼镜的约克郡人的钦佩，惠林才鼓起勇气，主动提出寻找碳-12的激发态。与福勒不同的是，惠林没有被其他工作压得喘不过气来。
惠林的计划是用凯洛格加速器向氮-14原子核发射氘核。氘核是氘或称为重氢的原子核，由1个质子和1个中子组成；而氮-14原子核包含7个质子和7个中子。氘对氮的每次碰撞都会产生碳-12和氦-4原子核。关键在于测量氦核的能量：因为撞击产生的总能量总是由碳-12和氦-4分享，这意味着假如碳-12形成低能的基态，那么氦-4就会分得相当大的能量；反之，如果碳-12形成高能的激发态，留给氦-4的能量就会比较少。因此，如果探测到能量比用做子弹的氘核的能量正好少7.65兆电子伏特的氦-4，它就会成为霍伊尔所预测的碳原子能级存在的确凿证据。
正如在上一章中看到的，可以通过原子核的径迹在强磁场中弯曲的程度来测量其能量：能量较高的原子核的径迹曲率小，低能量原子核的径迹看上去曲率比较大。有一块强度合适的磁铁可用来做实验，但问题是这块磁铁与粒子加速器不在一个房间里，而且重达几吨。
惠林团队由他的研究生拉尔夫·皮克斯利(Ralph Pixley)、比尔·温泽尔(Bill Wenzel)和诺埃尔·邓巴(Noel Dunbar)组成。温泽尔是一名博士后，邓巴则来自澳大利亚，是一名客座博士后。他们谁也想不出，如何把磁铁顺着狭窄的走廊运送到大约30米之外的另一个房间。幸运的是，驻地工程师维克·埃尔戈特(Vic Ehrgott)想出了一个巧妙的主意：把磁铁放到一块坚固的钢板上，而钢板下铺上几百个网球。[60]由于整体重量均匀地分布在这些网球上，所以这些球不会被压扁。
移动磁铁时，有一个队员专门负责将钢板移动后露出来的球拾起来扔到前面，前面的人再把这些球塞到钢板下。队员们龇牙咧嘴、憋得满脸通红，勉强推动着磁铁一点点地向前缓慢移动。几千年前，古埃及法老的劳动大军从采石场运送石料到金字塔建筑工地时使用过类似的技术，但他们没有网球，只能用木滚轴。显然这项技术的现代翻版同样有效。两天之后，惠林团队终于把磁铁和加速器放在了同一个房间里，实验准备就绪。
整整10天，霍伊尔都如坐针毡。[61]每天，霍伊尔都会从鲁滨逊实验室的办公室出发，在冬日的阳光下，步行一小段路程来到凯洛格实验室。路上，往左边眺望，可以看到圣加布里埃尔山高处威尔逊山天文台的小穹顶，同时还能闻到空气中淡淡的橘子香味。与这美好的风景形成鲜明对比的是，霍伊尔走进昏暗的凯洛格实验室里看到的另外一番景象：惠林和他的队员们在充斥着电缆、变压器以及嗡嗡作响的真空泵的房间里努力工作，身旁就是供原子核在其中互相撞击的潜水钟形的真空室。
等待验证预测结果的霍伊尔觉得自己好像站在面临生死判决的被告席上，而陪审团则正在进行合议。真正的囚犯当然知道自己是无辜的，还是有罪的：如果是无辜的，囚犯希望陪审团能做出正确的裁决；如果有罪，囚犯则奢望陪审团判断出错。当然，由实验主义者组成的陪审团总能做出正确的判断。霍伊尔说：“问题是我不知道自己是无辜的，还是有罪的，于是我只好站在那里，等待陪审团主席站起来宣布结果。”
第10天的时候，实验结果出来了。霍伊尔一进屋，等在那里的惠林就迎上来握着他的手向他表示祝贺，霍伊尔的预测被证实了。这真是让人不敢相信，碳-12原子核还真的有个7.68兆电子伏特的能级，虽不是7.65兆电子伏特，但这在实验允许的误差范围之内。随着质量数为5和8的元素合成障碍被成功绕过，锻造所有更重元素的道路被打开了。霍伊尔有悖常理的预测得到了证实，他洞悉了大自然的核心机密，看到了人类——至少是理论核物理学家们——看不到的东西。霍伊尔说：“我听到结果的那天，感觉橘子树的气味更香了。”[62]
福勒说：“这真是太精彩了!一个家伙走进我们的实验室，预测说原子核存在某个激发态，经过实验，还真有。任何核物理学家都无法基于核理论做到这一点，霍伊尔的预测实在是太精彩了。”[63]
但更让福勒赞叹的是霍伊尔的预测方式，他用看似反常的论据预测了碳-12原子核7.65兆电子伏特的能态。霍伊尔声称：这种能态只能存在，否则宇宙中就不会有碳或更重的元素。在物理学史上，从来没有人用这样的论据对世界做出这样精准的预测。在众多的物理魔术师中，霍伊尔拥有独特的地位。
当回过头仔细梳理碳-12原子核存在7.65兆电子伏特能级的发现时，霍伊尔开始意识到，这一构成人类的重元素的存在似乎不仅有赖一个，而是几个异乎寻常的好运。首先是铍-8原子核不存在稳定状态；其次是碳-12原子核存在精确的7.65兆电子伏特的激发态。不仅如此，还有第3个核幸运。
碳-12和氦-4核的结合能在红巨星内部1亿摄氏度的温度下，恰好没有氧-16的能态；如果有的话，碳-12会与氧-16发生共振。换句话说，在三α过程生成碳-12的瞬间，所有的碳都会立即转化为氧-16，最终宇宙会完全没有碳。但实际上，宇宙所含的碳和氧大致相等。
1973年，澳大利亚物理学家布兰登·卡特(Brandon Carter)推崇这样一种思想：自然界的许多“基本常数”，例如电磁力的强度、电子的质量等等，都有它们的特定值。假如不是这些值的话，恒星、行星和生命就都不可能存在。换句话说，我们在这里的事实就是表明它们存在特定值的观测事实。别忘了，如果不是这样的话，我们就不会在这里谈论这个事实了。
不出所料，这种人择原理(anthropic principle)混乱的逻辑备受争议。这个观点的拥护者在观察到宇宙中电磁力或引力造成的后果之后，指出了它们有独特的数值，但这无助于增强人择原理的可信度。霍伊尔对碳-12原子核存在7.65兆电子伏特能级预测的独特性在于，预测是在任何观察或实验之前做出的。1973年之后，霍伊尔的预测被誉为人择原理的巨大成功。[64]
事实上，这三个由核进程带来的好运对我们的生存来说，可能并不像乍看起来那么必要。人择原理的拥护者经常会说，如果原子核内束缚核子的强核力(strong nuclear force)减弱几个百分点，就不可能产生足够的碳-12，却不会说，如果强核力再稍微强一点，就会使铍-8的原子核变得稳定。至关重要的是，这将为碳-12和所有重元素的形成开辟一条全新的道路。所以，铍-8不稳定的事实充其量只是一种单方面的运气。
其实，霍伊尔在1953年是这样说的：“现在重元素存在，因此碳-12一定存在能量为7.65兆电子伏特的能态，才能打开通往锻造重元素的大门。”然而，霍伊尔从人择原理的角度看待事物之后，他的陈述蜕变成了：“现在我存在，因此碳-12一定存在能量为7.65兆电子伏特的能态。”
绕过铍-8屏障意味着为锻造重元素开辟了道路。随着大质量恒星的演化，其核心变得越来越致密、越来越炽热，其内部深处的氧-16会与氦核合并形成氖-20，氖-20会与氦核合并形成镁-24，依此类推。当反应进行到在硅中加入氦，在30亿摄氏度左右的温度下形成铁时，这个α过程到达了终点。在这个反应发生时，恒星内部将会失去平衡。与之前的核反应不同，硅燃烧不会释放能量，而是会吸取恒星的能量。但是，由于恒星依靠这种核能提供的热量产生向外的推力，抵抗引力对恒星的挤压，因此失去支撑的核心会发生内爆。强烈的爆炸会将超新星的外壳抛射出去，将这颗恒星一生辛苦积累起来的许多元素散布到太空中去。这种内爆过程的机理至今仍不十分清楚。
铁族元素是在超新星爆炸时短暂存在的核热动力平衡(thermo dymamic equilibrium)中产生的。此外还有许多其他过程负责锻造元素，比如α过程。实际上，在玛格丽特·伯比奇(Margaret Burbidge)、杰弗里·伯比奇(Geoffrey Burbidge)、福勒和霍伊尔于1957年发表的一篇具有里程碑意义的论文(简称为B2FH)中，确定了8种不同元素的锻造过程，这些过程锻造了今天我们在宇宙中看到的所有元素。[65]其中有两种过程——快中子进程和慢中子进程——是通过每次添加1个中子的方式来合成原子核的。由于中子不带电荷，因此，在这样的过程中，中子接近原子核时不受排斥。快中子进程和慢中子进程分别在超新星爆炸和红巨星中形成富含中子的(neutron-rich)原子核。
威利·福勒因为发现了像铁和镍这样的元素很常见，而像锂和铍这样的元素很少见的原因，获得了1983年的诺贝尔物理学奖。而霍伊尔却未能获此殊荣，不过，后来福勒坦承，要不是弗雷德·霍伊尔在1953年冬天那个决定命运的日子里走进他办公室的话，他可能依然只是一个普普通通的核物理学家。
尽管论文B2FH取得了巨大的成功，然而，少量元素如金和银的起源一直是个谜。直到2017年8月17日，激光干涉引力波天文台(the Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO)探测到引力波后，这个谜才最终被解开。金和银来自两颗极临近中子星(neutron star)的合并。从地球上接收到的γ射线不仅携带了金和银的指纹，事实上，还透露了其黄金产量相当于地球质量的20倍。
这个从1944年开始讲起的霍伊尔的非凡故事已经接近尾声了。我们与星星关系的紧密程度甚至超出了占星家们的想象。你想看一小块星星吗？举起你的手就能看得到。你血液中的铁、你骨骼中的钙、你每次呼吸吸入的氧气，所有这一切都是在地球和太阳诞生之前的恒星中锻造形成的。你的肉体就是由星尘变来的。你简直就是天堂制造。
[1]西方童话故事《金发姑娘和三只熊》中，迷路的金发姑娘未经允许，就进入了熊的房子，她尝了三只碗里的粥，试坐了三把椅子，又在三张**躺了躺，最后发现小碗里的粥最可口，小椅子坐着最舒服，小**躺着最惬意，因为那是最适合她的，不大不小刚刚好。“金发姑娘原则”指出凡事都必须有度，过犹不及。
[2]电子伏特(eV)是物理学家常用的一种方便的能量单位，数值上等于电子被1伏特电压加速后获得的能量。兆电子伏特(MeV)就是电子通过100万伏特电压加速所获得的能量。
[3]原子核由称为质子的带正电荷的粒子和称为中子的不带电荷的粒子组成。这两种粒子本质上具有相同的质量，被称为核子。在氕核中有1个核子；氦-4有4个；锂-6有6个，依此类推。由于质子是靠相同数量的电子围绕原子核而达成静电平衡的，而电子决定了原子与其他原子的结合方式。简而言之，原子的基本特征以及原子的类型是由原子核中的质子数决定的。氢原子核中含有1个质子；氦原子中有2个；锂原子中有3个；依此类推。除氢(氕)核外，所有的原子核都含有中子，中子不影响原子的行为，但对原子的质量有贡献。
[4] U型潜艇是特指在第一次和第二次世界大战中，德国使用的潜艇。德国潜艇的编号都使用德文“Untersee-boot”(英文为U-boat)的首字母U加数字命名。
[5]某一特定元素的原子只吸收和发射某些波长的光，这些光就好像是该元素的指纹。正是通过这些指纹，不同的元素在恒星的光中向天文学家暴露了自己的身份。光的波长对应于电子在原子内部不同轨道之间跃迁所吸收或释放的能量。
[6]事实上，是伽莫夫首先认识到这一关键的。作为第一个将量子理论应用于原子核的人，伽莫夫于1928年发现，在重元素(比如镭等)的α衰变(alpha decay)中，其中的α粒子或氦核即使缺乏足够的能量，也有可能逃离原子核。这种量子隧穿(quantum tunnelling)现象是可能的，因为描述α粒子的量子波延伸到核外，使得任何时候α粒子逃出核外的可能性不为零。1929年，罗伯特·阿特金森(Robert Atkinson)和弗里茨·霍特曼斯(Fritz Houtermans)将伽莫夫的想法付诸于应用，向人们展示了在太阳中，原子核是如何通过隧穿效应进入另一个原子核的，尽管核与核之间激烈的相互排斥似乎使其无法实现。这种核反应的另一个副产品就是产生了阳光。
[7]正如后来发现的那样，像太阳这样质量较低的恒星是由另一系列核反应驱动的，称为质子-质子链(protonproton chain)反应。