光轮万古照乾坤，谁解金乌几度春？ 

中性无声穿地过，核炉深处定生辰。

话说帕特森用铀铅时钟测定了地球的年龄——四十五亿五千万年。尘埃落定之后，另一个更棘手的问题浮出水面：地球绕行的太阳，那颗给了万物光和热的恒星，它又经历多少春秋？

地球有石头可以敲，有陨石可以测。太阳是一团火，没有表面可以采样，没有核心可以钻探。人类能做的，只有隔着九千三百万英里，看着它的光，来确定它的年龄。

一、

十九世纪末，物理学家们曾经算过一次太阳的寿命。用的是当时唯一已知的能量来源：引力收缩。这个工作也是我们前面提到的开尔文勋爵做的。

开尔文坐在书桌前，钢笔在纸上划过。他假设太阳最初是一团庞大的气体云，在引力的拉扯下持续收缩，引力势能转化为热能，维持着太阳的发光、发热。通过测量太阳每秒钟释放的能量，也就是太阳的光度，然后估算出原初太阳星云通过引力收缩获得的总能量。利用它们的比值，开尔文算出太阳最多持续发光几千万年。

他放下笔，又演算了两遍。结果一样。如果太阳真的有地质学家们说的那么古老，它早就该冷却成一个黑暗的球了。

开尔文的结论像一块石头砸进了平静的水面。进化论需要数亿年，地质学需要数亿年——可物理学家说，太阳撑不了那么久。达尔文晚年曾在日记中写道：“想到未来，常常令我感到一种说不出的沉郁。”

这个矛盾悬在那里，像一根刺，拔不掉也按不下去。直到二十世纪初，卢瑟福在放射性的研究中隐约看到了一丝希望。他看着镭盐持续放热，自言自语：“这些元素释放的能量，远超化学反应。如果太阳内部也存在放射性物质呢？”

他计算了一番，很快否定了这个想法——要让太阳维持目前的光度，太阳中铀的含量必须远超任何合理的估计。但他放下笔之后，并没有完全放弃直觉。方向是对的，只是真正的原因，藏在另一种能量来源里。那种能量不是衰变，是核聚变。

二、

1920年，伦敦。英国科学促进会的年会上，一个四十一岁的天文学家站在讲台上。他穿着深色西装，领带打得有些歪，说话时习惯把一只手插在裤袋里。他叫亚瑟·爱丁顿。爱丁顿的语速不快，但每个字都清晰地落到听众的耳朵里，像水珠落进盛水的容器。

他说：“恒星内部的温度高达数千万度。在这样的高温下，原子核会相互碰撞并发生核聚变，释放出巨大的能量。我认为，太阳的能量正来源于四个氢原子核聚合成一个氦原子核的过程。”

会场安静了几秒。有人开始低声交头接耳。氢变成氦？这听起来像是炼金术。一个上了年纪的物理学家在后排微微摇头。爱丁顿扫了一眼台下，面色不变。他早料到会有这样的反应。

会后，爱丁顿走出会场，在走廊里碰见一个同行。那人拍了拍他的肩膀：“爱丁顿，你真的相信恒星中的原子核能发生聚变反应？”爱丁顿把插在裤袋里的手抽出来，搓了一下指尖。“我可能正在犯一个巨大的错误，”他说，“但总得有人先犯错。”

图 13.1: 英国天体物理学家爱丁顿

几年后，爱丁顿在《恒星内部结构》中更详细地阐述了这一观点。书很厚，公式很多，字迹紧密，像工蚁排成的行军阵。但核心只有一句话：把四个氢原子核捏成一个氦原子核，会释放出巨大的能量。这个过程在太阳核心持续进行，每秒将六亿吨氢转化为氦，其中大约四百万吨变成了能量。太阳就是靠这个在燃烧，已经烧了几十亿年，还能再烧几十亿年。

大部分物理学家当时还不相信。纸上的计算和实验室里的证据之间，隔着一道深渊。那个年代没有任何人能在地球上制造核聚变——这一事实要等到二十多年后才被突破，那时距离第一颗氢弹爆炸还有很长一段路。

三、

1938年，美国，康奈尔大学。一位叫汉斯·贝特的物理学家把自己关在办公室里，房门插销扣上，不许任何人进来打扰。他面前铺满了草稿纸，笔尖在纸上移动时带起轻微的沙沙声。窗外是伊萨卡的秋天，云层很厚，光线时亮时暗，但他没有抬头看过一次窗外。连续几周，除了去食堂吃饭，他几乎没离开过办公室。

图 13.2: 1967 年诺贝尔物理学奖获得者汉斯·贝特

他知道爱丁顿说对了——太阳的能量来自核聚变——但具体是哪一种机制，没人能说清。贝特要算的是：在太阳核心的温度和压力下，哪些核反应实际可行。

他算了很久。原子核之间的电磁斥力极强，要让两个质子克服斥力撞在一起，需要的温度远高于太阳核心的实际温度。他一度以为这条路走不通，在笔记边缘画了一个问号，旁边写了两个更小的字：“死路？”

伽莫夫是首个把量子力学应用于原子核研究的科学家。他为恒星中的核聚变提供了一条出路。即使温度不够高，质子仍有极小的概率通过“量子隧穿”效应克服斥力屏障，发生核聚变。

贝特是个计算高手，很快地计算出来一个质子与另一个质子发生聚变反应的概率。这个概率小得惊人——单个质子在太阳核心游荡数十亿年，才可能撞上另一个质子并发生聚变。如此缓慢的反应速率，放在实验室的尺度上几乎等于零。但放在太阳那个体积和质量上，每秒发生的聚变次数足够多，靠聚变反应产生的能量能维持太阳稳定燃烧一百亿年。

贝特列出了两条不同的聚变路径：质子-质子链和碳氮氧循环。前者在太阳这类中等质量的恒星中占主导，后者在更大更热的恒星中更活跃。两条路径的总体效应都是四颗氢原子核转变成一颗氦原子核，释放出能量26.7兆电子伏的能量。他写下最后一个公式时，窗外的阳光已经变了颜色，从白昼的亮白变成了傍晚的橙黄。他放下笔，转了转手腕，指节发出轻微的咔嗒声。

他算出的结论是：太阳已经稳定燃烧了四十五亿到五十亿年，还能再烧大约五十亿年。爱丁顿的直觉——那个被很多人当成“巨大的错误”的直觉——在纸面上被一步步推导出来了。

贝特的论文《恒星能量的产生》于1939年发表。这篇论文后来成了核天体物理学的奠基之作，他也因此获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

太阳核心核反应条件究竟是什么样子——温度、压力、燃料消耗速率——这一切终究只是理论推测。要验证它，需要一种信使粒子。一种能透过太阳一千五百万度核心、穿过层层等离子体、穿过九千三百万英里真空、再穿过整个地球而几乎不留下任何痕迹的粒子。

四、

这种粒子叫中微子，是泡利预言的，费米命名的。

它几乎不与任何物质相互作用，一般的探测器也很难捕捉到它——它因此被称为“幽灵粒子”。

每秒钟约有六百五十亿个太阳中微子穿过你的指甲盖，你毫无感觉，因为它们穿透你身体的速度比你呼吸还快，而你连一个细胞都留不住它们。这种粒子唯一的作用，是携带太阳核心核聚变的实时信息逃离出来——不受阻碍，不被干扰，原封不动地传送到地球表面。如果人类能捕捉到它们，就能直接验证太阳内部是否真的在发生贝特计算的那种反应。

可捕捉中微子，难如登天。

1960年代，美国物理学家雷蒙德·戴维斯在南达科他州霍姆斯特克金矿里，挖了一个深达一千五百米的巨大洞穴。他在洞穴底部放置了一个巨型容器——直径六米，装满了三十八万升四氯乙烯。那些液体装在圆形的钢制槽里，表面折射着头顶微弱的光线，像一口灰黑色的池塘。

四氯乙烯中的氯原子偶尔会与太阳中微子发生反应，变成放射性氩原子。戴维斯每隔几周，把那些极少量的氩原子从数十万升液体中“淘”出来。每次只能得到几十个原子，少到肉眼根本看不到。他在实验笔记里画了一条细线：“今天收获——二十七个原子。”

他的方法像在一座湖泊里找一根针，每一批水样都被反复过滤、提纯、测量。年复一年，他孤独地守在那口深井里。矿道里空气潮湿，墙壁渗水，光线苍白，有时连续几天见不到太阳。偶尔有矿工走过，瞥一眼他那堆冒着热气、连着一堆管子的装置，摇摇头就走了。他成了矿井里一个沉默的固定装置，几乎和那些支撑巷道的钢架一样豪不起眼。

最初的结果令人困惑：捕捉到的中微子数量，只有理论预期值的三分之一左右。戴维斯以为自己做错了什么，反复检查容器、提纯流程、计数方式、校准标准——从头到尾几乎翻了个遍，折腾了好几轮，没有发现漏洞。他只能把数据如实记录下来，投出去发表。那个数字在文档里挂了很多年，像一声没有人回应的询问，悬浮在文档的行距之间，等着答案自己找上来。这就是有名的——太阳中微子失踪之谜。

图 13.3: 2002 年诺贝尔物理学奖获得者雷蒙德·戴维斯

五、

“太阳中微子失踪之谜”困扰了物理学界三十多年。有人怀疑戴维斯的实验有误，也有人怀疑贝特的太阳模型有问题，还有人怀疑太阳核心的温度低于预期。

真正的答案姗姗来迟。理论预言中微子有三种“味”——电子中微子、μ中微子和τ中微子。太阳核心只产生电子中微子，但在从太阳飞向地球的漫长旅途中，它们会在三种“味”之间来回转换。戴维斯只能捕捉电子中微子，所以只看到了三分之一。

2000年代初，加拿大萨德伯里中微子观测站用重水探测器同时观测到了三种味的中微子总量。结果与戴维斯的测量吻合——如果把三种味全部加起来，数量正好等于贝特理论预言的数值。失踪的粒子没有失踪，只是在路上换了身份。

戴维斯那时已经八十多岁了。消息传到他的实验室那天，他没有站起来。他坐在椅子上，把那张印着新数据的纸拿在手里，眯着眼看了很久。他旁边一个年轻助手看到他嘴角有一道极浅的弧度，像水面上将散未散的波纹。“这么说我那天没算错。”他合上纸，把它放在桌角。

他活到了足够老，老到亲眼看见自己三十多年的探索被证实是具有开创性的。2002年，他获得了诺贝尔物理学奖。那年他八十八岁。

六、

几乎与中微子实验同步，另一种方法也在揭开太阳的年龄——日震学。

1975年，法国天文学家发现太阳表面存在持续的微小振荡，振幅每秒不过几米，周期大约五分钟。那像太阳的心跳，又像一只没有锤的钟鼓，被无数细小的手从内部敲着。那些振荡是太阳内部的声波传播到表面时引起的，如同我们可以通过敲击来判断西瓜是否熟透、墙内是否有空腔。

日震学家们分析了成千上万种振荡模式，反推出太阳内部的密度、温度和化学成分分布。那些数据一层一层地剥开，像切开一颗嵌套的球，每一层的厚度和密度都写在那些微小的起伏里。

几十年间，不同团队、不同数据、不同方法得出的结论慢慢收敛到同一个数字附近。二十一世纪初，日震学的独立推算与贝特的模型、戴维斯的中微子实验、以及陨石的年代测定达成了统一——太阳的年龄约为四十六亿年。误差不超过一亿年。

七、

地球的年龄是四十五点五亿年，太阳是四十六亿年。数字挨得很近，像同一张桌上两只杯子的影子在灯下几乎叠在一起。这并非巧合。而是表明它们从同一团星云中诞生，凝聚成型相差不过几千万年。

太阳比地球年长几千万岁。那个时间差来源于，星云中心先点火，外围的残余物质之后才开始凝聚成行星。先后次序严丝合缝，像一篇读下来没有丝毫破绽的文本。

太阳燃烧得既不快也不慢，不快不慢到恰好给了地球几十亿年安稳的光照。那些光照在岩石上，照在浅海里，照在最早一批有生命的细胞里。那些细胞在温暖的水中分裂、变异、淘汰、再分裂，经过无数次无名的死亡和偶然的幸存，最终长出了能够抬头看太阳的眼睛。

而此刻，看着这颗恒星的眼睛，已经能算出它的年龄了。

太阳只是银河系中千亿颗恒星中的一颗。整个银河系——那条横跨夜空的银白色光带——它又多少岁？像太阳这样的恒星，在银河系里超过一千亿颗。它们有的比太阳古老得多，有的年轻得多。要回答银河系的年龄，必须找到其中最早诞生的那一批恒星，读出它们身上残留的、来自远古时代的痕迹。

那些痕迹，藏在一些发着淡光的球状星团里。它们的光虽然微弱，却比任何一本史书都要古老。

如何获得星系团的年龄，且待下回分解。

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