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豪特曼斯计算出这个临界距离为10-15米，即1毫米的一万亿分之一。如果两个相互接近的氢核能够接近对方到这个距离，那么聚变就将发生。豪特曼斯和阿特金森都深信，太阳内部深处的压力和温度都大到足以迫使氢核接近到这个10-15米的临界距离的范围内，这将导致聚变，而释放出的能量则用来维持温度，并促使进一步聚变。1929年，他们在德文期刊《物理学杂志》上发表了他们关于恒星上的聚变的这一想法。
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豪特曼斯确信，他和阿特金森正行进在正确解释为什么星星会发光的道路上，他对他的这项研究感到非常自豪，以至于不禁向他约会的女孩夏洛特·里芬斯塔尔夸耀他的这项工作。后来他回忆起他完成了关于恒星聚变的研究论文后那个晚上所发生的交谈内容：
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那天晚上，我们完成论文之后，我便去与一个漂亮的姑娘约会散步。天渐渐地黑了下来，星星出来了，一个接一个，个个都闪耀着光辉。“它们是不是闪得很漂亮？”我的同伴叫道。但我只是挺了挺胸，自豪地说：“从昨天开始我已经知道它们为什么会闪光。”
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夏洛特·里芬斯塔尔显然对此印象深刻。后来她嫁给了他。然而，豪特曼斯只发展了部分恒星聚变理论。即使在太阳上2个氢核可以聚变成1个氦核，它也只能是氦的一种很轻且不稳定的同位素——稳定的氦核还需要向核内添加2个中子。豪特曼斯相信存在中子，它也确实在太阳中存在，但在1929年他和阿特金森发表他们的论文时，它还没有被发现。因此豪特曼斯对中子的各种属性大体上是无知的，他无法完成他的计算。
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当1932年中子最终被查德威克发现后，豪特曼斯正处在填补他的理论细节的理想状态，但政治干扰很快又起。他曾是一名共产党员，因此担心会成为纳粹迫害的受害者。1933年，他逃离德国到了英国，但在那里，不论是文化还是食物都不对他的胃口。他说他无法忍受永远存在的涮羊肉的气味，并称英格兰就是个“腌土豆的邦域”。1934年底，他离开英国前往苏联。据他的传记作者约瑟夫·赫里普罗维奇（Iosif KhripIovich）记载，他的移民主要是受到“理想主义和英式菜肴”的驱使。
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在豪特曼斯于20世纪30年代末被拘留期间，其他物理学家拾起他的恒星聚变的思路，并计算了太阳上所发生过程的具体细节。其中对完成豪特曼斯研究贡献最大的当属汉斯·贝特。1933年，贝特因他母亲是犹太人而被他所在的图宾根大学解雇。他先是在英国，后来又去了美国寻找避难所，并最终成为洛斯·阿拉莫斯国家实验室（核弹项目研发基地）理论部门的负责人。
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贝特为在太阳的温度和压力环境下可行的氢变氦过程确立了两条核反应路径。一条路径是，标准氢（1个质子）与氘（氢的较稀有、较重的同位素，由1个质子和1个中子组成）反应。这个反应形成的是氦的相对稳定的同位素（含2个质子和1个中子）。接着，两个这样的轻氦核会进一步聚变，形成一个标准的、稳定的氦核，同时释放出2个氢核作为副产品。这一过程如图74所示。
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图74 本图显示的是太阳上氢变氦的一种方式。黑色球体表示质子，白色球体表示中子。在反应的第一阶段，标准氢和氘聚变成氦核。氦通常有2个质子和2个中子，但是这种氦同位素有2个质子但只有1个中子。在第二阶段，2个轻氦核再次聚变，形成稳定的氦同位素，同时释放出2个氢核（质子）。这些氢核可以再次形成氦核。理论上说，2个氘核（由1个质子和1个中子组成）可以直接聚变形成稳定的氦核（2个质子和2个中子）。但氘非常稀少，所以前一种较繁复的路径反倒更富有成效。
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贝特建议的氢变氦的另一条路径要用到碳核作为捕集氢核的手段。如果太阳含有少量的碳，那么每个碳原子核一次可以捕捉和吞噬一个氢核，变身为更重的核。最终，转化后的碳核会变得不稳定，导致它吐出一个氦核并转回到其本身稳定的碳核，接着这一过程又重新开始。换句话说，碳核在这里充当加工厂，使用氢核为原料来大量生产出氦核。
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这两条核反应路径最初都是推测性的，但是其他物理学家检查了方程并确认，反应是可行的。与此同时，天文学家们也更加确信，太阳的内部环境强到足以引发核反应。到20世纪40年代，人们已经很清楚，贝特提出的这两种核反应在太阳上都会发生，并提供维持太阳存在所需的能量。天体物理学家已能够设想太阳究竟是如何每秒钟将5.84亿吨的氢转换为5.8亿吨的氦的，并将由此引起的质量亏损转换成太阳的能源的。尽管这个质量消耗率巨大，但太阳却能够以这种速率持续产能数十亿年，因为它目前仍有大约2×1027吨的氢。
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这是在原子物理学与宇宙学之间关系的一个里程碑。核物理学家已经证明，他们可以通过解释恒星如何发光来对天文学做出具体贡献。现在，大爆炸宇宙学家希望核物理学能帮助他们解决一个更大的问题：宇宙是如何演变成目前这个状态的？现在很清楚，恒星可以将如氢这样的简单原子变成如氦这样的稍重的原子，所以核物理也许可以说明大爆炸是如何产生我们今天看到的各种原子的丰度的。
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这个阶段为宇宙学新的先锋的到来进行了设定。他将是一位能够将核物理的严格规则运用到宇宙大爆炸这种纯理论领域的科学家。通过实现核物理和宇宙学之间的学科跨越，他将为宇宙的大爆炸模型建立起一套判决性检验。
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大爆炸后的前5分钟
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乔治·伽莫夫是一个爱交际又特立独行的乌克兰裔科学家，喜欢喝烈性酒，玩纸牌游戏。他1904年出生于敖德萨，从小就表现出对科学的浓厚兴趣。他曾对他父亲送给他的显微镜着迷，并用它来分析圣餐变质[9]的过程。在出席了当地俄罗斯东正教教堂的圣餐仪式后，他拿着一块面包，脸颊上沾着几滴酒迅速跑回家。他将它们放在显微镜下观察，并与他日常享用的面包和酒进行比较。他没找到任何证据表明面包的结构已经转变为基督的身体，他后来写道：“我认为这是一项让我成为科学家的实验。”
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伽莫夫早年在敖德萨的新罗西亚大学学习时就以雄心勃勃的年轻物理学家而闻名，后来，1923年，他就读于列宁格勒大学，师从亚历山大·弗里德曼，后者当时正在发展他的新提出的大爆炸理论。但伽莫夫的兴趣与弗里德曼的这些研究大相径庭，他很快在核物理学领域做出了世界级的发现。他的研究促使国家级报纸《真理报》为他献上了一首诗，那时他只有27岁。另一份报章则宣告：“一位苏维埃学者向西方表明，俄罗斯的土地上也能够产生自己的柏拉图和才思敏捷的牛顿。”
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然而，伽莫夫却变得对苏联的学术生活感到不满。1932年，伽莫夫试图通过穿越黑海到土耳其来逃离苏联。结果这次行动变成了一场极其外行的逃跑——他和他的妻子柳波娃·沃明泽娃试图乘坐独木舟用划桨来跨越250千米的水域。他在自传中讲述了这个故事：
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一个重要的事项是旅程中的食物供应。我们认为所带的食物应能维持五六天……我们煮了[鸡蛋]带上在路上吃。我们还设法弄到了几块硬巧克力，两瓶白兰地，当我们在海上又湿又冷的时候，它们派上大用场了……我们发现两个人轮流划桨而不是一起划较合理，因为一起划时船的速度并没有增加到两倍……第一天完全成功……我永远不会忘记看到的在西沉的夕阳下一个海豚追逐波浪的景象。
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但36个小时后，他们的运气变了。天气变得对他们不利，他们被迫再划回苏联的怀抱。伽莫夫又做了另一次失败的尝试，这一次是打算从摩尔曼斯克横渡北极水域到挪威。
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1933年，他采取了一个新策略——应邀出席物理学家在布鲁塞尔召开的索尔维会议。伽莫夫设法与苏共高级官员维亚切斯拉夫·莫洛托夫会面，希望得到让他妻子——也是一位物理学家——陪同他前往的特别许可。他获得了必要的文件，但经过了与官僚的漫长的斗争。这对夫妇终于能够出席这次会议了。他们这一去就没打算再返回苏联。通过适当渠道，他们从欧洲来到美国。1934年，伽莫夫入职乔治·华盛顿大学，并在那里度过了随后20年的探索、检验和捍卫大爆炸假说的学术生涯。
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图75 乔治·伽莫夫和他的妻子柳波娃·沃明泽娃的照片。下面是伽莫夫夫妇正在为乘坐划皮艇横渡黑海逃出苏联作准备。
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伽莫夫对大爆炸与核合成——原子核的形成过程——特别感兴趣。伽莫夫想看看核物理和大爆炸模型是否能解释观测到的原子丰度。正如我们前面看到的，宇宙中每10000个氢原子就有大约1000个氦原子，6个氧原子和1个碳原子，所有其他元素的所有原子加在一起都要比碳原子少很多。伽莫夫想知道大爆炸的早期时刻是否可以解释我们的宇宙被氢和氦所主宰。他还想知道，大爆炸是否能解释较重原子的不同丰度，这些重原子虽较罕见，但对生命来说是非常重要的。
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在了解伽莫夫的研究之前，我们先回顾一下勒迈特的核合成观点。他的宇宙始于一个单一的、质量巨大的原始原子——其他所有原子的母亲：“原子世界分裂成碎片，每个碎片又碎成更小的碎片。为了简单起见，假设这种碎裂出现的概率是相同的，我们发现，要使目前的物质被粉碎成可怜的小原子，小到已无法再破碎为止，那么我们需要连续破碎260次。”根据既定的原理，大核是不稳定的，一个质量超重的原子更是极不稳定，会很快分裂成较轻的原子。然而，这些碎片残迹应当会位于周期表中间的某个地方，就是最稳定的元素所处的地方。这将导致一个以铁元素为主的宇宙。在勒迈特的模型里，似乎没有办法产生当今宇宙所表明的氢和氦的原子在宇宙中的丰度。在伽莫夫看来，勒迈特模型是完全错的。
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