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不论你是喜欢还是痛恨这个想法，这基本上是一个个人问题。即使是那些喜欢这一论点的人，如果发现存在一些根本的原因，能够解释暗能量的密度为何如此之小，也会感到很高兴。不过，问题的底线的是，我们确实存在，我们生活在一个年龄大约是140亿年的平坦的宇宙中，直到最近，这个宇宙中的暗能量开始超过引力，增大了膨胀的速率。考虑到宇宙的性质，我们是如何到这里来的呢？为了回答这个问题，我们首先必须知道构成我们自身的东西，以及除了氢和氦以外所有产生自大爆炸的重子物质，都来自何处。现在，我们暂时抛开宇宙这个整体，开始关注当宇宙还年轻的时候，我们自己的星系（以及数千亿个像它一样的星系）所发生的事情。
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宇宙传记 第七章 化学元素从何而来？
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虽然阿尔弗雷德·罗素·华莱士在一百多年前，尚不知道宇宙的真实面目和复杂程度，但是他关于地球上的生命和宇宙之间的关系的言论，时至今日，依然能引起我们的共鸣。在另一个以人类为中心的推理的例子中，一个非常巨大而古老的宇宙，有数十亿岁的年龄，似乎完全有可能是为像我们这样的生命形式提供“舞台”的一个必然的要求。我们确实存在这一事实，意味着每当我们仰望夜空，看到的必然是一个巨大而古老的宇宙。
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这一推理的出发点是这样的：宇宙是平坦的、不断扩张的，而且拥有一个很小的宇宙常数，并且包含不规则性。这种不规则性是在引力影响下由于物质集合成团而产生的。为何有些物质团块形成了恒星、行星或人类？这里我列举这些事物的顺序非常重要，因为正如我在其他地方所强调的，49生命早在恒星的形成过程阶段就开始形成了。我们是由各种不同的重子物质构成的，而不仅仅是氢和氦——事实上，我们体内根本就没有氦。我们身体中的每一种元素，除了氢原子以外，都是在恒星内部制造出来的，而且这需要时间——即宇宙不断扩张的那一段时间。因此，我们的存在就要求宇宙必须是巨大且古老的。
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人们对于化学元素如何得以在恒星内部制造出来的新见解是又一个典型例子，表明了在物理学上，把关于大尺度（大至恒星）的知识与小尺度（小至原子核）的知识结合起来会有怎样的威力。这一次，研究恒星的物理学——天体物理学——指向的是量子物理学的一个主要特点，即与波粒二象性联系的不确定性。
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对一个物理学家而言，一颗恒星从外部看是一个简单的事物。它是由引力结合在一起的一个球，并由其核心产生的热量阻止其进一步坍塌，这种热产生向外的力，与引力持平。如果我们知道一颗恒星的亮度以及它的体积，就很容易计算出（这确实只需要中学程度的数学知识）它的内核应该有多热，才能防止它坍塌。至于那颗恒星是什么构成的，或是它的能量来自何处，这些都无关紧要。关键是它必须有一定的内部温度，提供足够的压力来抵制引力的作用，并使其发光。由于太阳是一个相当普通的恒星，而且它与我们之间的距离很近，足以让我们研究其某些细节，因此，它是第一个被人类仔细观测过的恒星。不过，由于光谱学的发展，天文学家也可以测量其他恒星的温度；而且有赖于宇宙中还存在双星互相绕转的现象，许多情况下天文学家还可以测量它们的质量。
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在20世纪20年代，天体物理学家已经能够进行简单的计算，确定像太阳一样的恒星中心的温度必须达到约1500万K。使太阳光辉灿烂的惟一可能的能量来源，必然是按照爱因斯坦的方程E=mc2由质量转换为能量所获得的——但是这里的质量m从何而来？那时，粒子物理学的技术已经足够成熟，可以比较精确地测量原子核的质量了，而且很明显，如果氢原子核聚合在一起形成较重的原子核，那么它可能（必然）会“失去”一定的质量。例如，由两个质子和两个中子构成的氦4的原子核，其质量是4.0026单位[这里将碳-12的原子核定义为12个原子质量单位（amu）]，但是4个独立的质子的总质量是4.0313amu。如果可以说服4个质子（氢核）结合在一起形成一个氦核，那么0.0287amu的质量将被以能量的形式释放——这仅仅是4个原始质子总质量的0.7%。50
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但是，这里有一个障碍。如果有办法把4个质子足够紧密地挤压在一起，强核力将占主导地位，将它们紧密结合在一起，并把两个电子驱逐出去（这一过程称为β衰变），产生一个单一的氦4原子核。实际上，正是强力将带有正电的质子结合在一起，虽然质子所带的正电荷相互之间是排斥的。但是，强力的作用范围很小。当两个质子相互靠近时，首先是它们的正电荷所产生的斥力变得足够强大，在强力有机会起作用之前就使它们彼此远离。除非在极端的条件下，强力才可能占领先机。为了让两个质子足够接近以便使强力发挥作用，将它们结合在一起，从而释放出一个正电子形成一个氘核，质子就必须以非常快的速度移动，这意味着必须将它们置于高温高压之下。我们已经看到，在大爆炸发生后最初的几分钟内存在这种情况，不过20世纪20年代时人们还不知道这一点。当时人们确实知道的是，当温度“只有”1500万度时，根据当时已知的物理定律，原子核无法按所需的方式发生聚变，为太阳和其他恒星提供能量。只有当人们发现了量子的不确定性——一种新物理学——才解决了这一难题。
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量子不确定性告诉我们，像质子这样的实体，在空间没有一个确切的位置，而是以一种模糊的方式散布在空间。大家可以根据波粒二象性将这想象成“粒子”的波动属性。波在本质上是一种蔓延出的东西。所以，当两个质子靠近对方时，它们各自的波有可能叠加，虽然此时旧的物理学认为它们还没有触及对方。当两者的波以这种方式叠加时，强力就能够起作用，将质子更紧密结合起来（在弱相互作用的帮助下），迫使它们释放出一个电子。这个过程有时被称为“隧道效应”，因为根据经典物理学，两个带正电荷的粒子之间的电斥力是一个难以逾越的障碍，而质子似乎是在量子的不确定性的帮助下，通过隧道穿越了这一障碍（当然，这一情况对其他粒子也适用）。在20世纪20年代后期，量子不确定性被提出以来，人们发现这一理论恰好足以解释为何在太阳的核心有足够的质子会结合在一起，释放出足够的能量让太阳光辉四射。
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这里或许值得提一下，与地球表面的日常条件相比，发生这样的核相互作用的条件是多么的极端。在核反应发生并转换生成能量的地方是太阳的核心，它的半径只占太阳半径的四分之一，这意味着其体积只占整个太阳体积的百分之一点五。在这里，温度极高，电磁力无法将电子束缚在原子核上组成原子，而且原子核挤压的密度也相当于地球上固态铅的密度的12倍，或是水的密度的160倍。核心区域的压力是地球表面大气压力的3000亿倍。由于密度如此之高，太阳内部占其体积百分之一点五的核，实际上占到了太阳质量的一半。正如我们已经提到的，这里的温度最高达到了1500万K（其核心外缘的温度是约1300万K），但是由于原子核的体积远小于原子，即使在如此高的密度下，它们的行为几乎与在不那么极端的条件下气体（如诸位肺部的空气）原子的行为类似。它们快速移动，彼此反复碰撞。太阳的核心，恰似物理学家所描绘的所谓“完美”气体这种概念。
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从人类的标准看，这些状况非常极端，但是比起宇宙大爆炸时的状况来，它们就不显得那么极端了。恒星核心与大爆炸相比的关键区别在于，前者在数百万甚至数百亿年里是保持不变的。而宇宙大爆炸几分钟就结束了，所谓的核合成进行不了多长时间。即使是在太阳的核心这种情况下，两个质子也只有在极为罕见的情况下才会发生正面碰撞，使它们足够接近彼此，发生隧道效应，在强力以及某种β衰变的作用下，制造出一个氘核，包含一个质子和一个中子。
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物理学家花了二十多年的功夫，才弄清楚了使太阳发光的核聚变过程的所有细节。例如，物理学家使用粒子加速器测量了质子相互碰撞时相互作用的方式的细节（碰撞的截面），并计算出这种生成氘核的碰撞在太阳核心发生的频率。当然了，我们这里可以略去所有这些工作的细节，直接谈一谈其发现的结果。虽然每一秒钟都有许多质子相撞事件，但是平均起来，某一单个的质子，每10亿年才能有机会和另一个质子相撞。因此，假设我们有20亿个质子，那么一年后，它们之中只有一对结合起来形成了一个氘核。
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这种情况一旦发生，在大约一秒钟以内，第三个质子会附着到氘核上，形成氦3的原子核。当其他质子碰撞到氦3的原子核时，它们都会弹开。比起质子来，氦3的原子核较少，因此它们彼此相撞的机会较少。但是，一旦它们碰撞，却更容易聚合。氦3的原子核在太阳核心游荡大约100万年后，会遇到另一个氦3原子核，两者聚合形成氦4原子核，释放出两个质子。
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这一连串的事件称作质子-质子连锁反应，整个由氢到氦的转换过程（不论通过什么手段）有时也被称为“氢燃烧”。经过10亿多年，最终的结果是四个质子合成一个氦4原子核并释放能量。51对于每一个以这种方式制造的氦4原子核，0.048×10-27千克的质量会消耗掉。太阳内核中有成千上万亿的粒子，每秒中也会发生无数的核聚变反应，因此，总体上，太阳每秒都会“失去”430万吨的质量，6亿吨氢转换成了不到5.96亿吨的氦。52太阳上这样的反应已经进行了大约45亿年，迄今在这一过程中它释放的能量只相当于其初始状态下所拥有的氢的质量的万分之一都不到。这一比例是如此之低，大家应该不感到奇怪，因为每产生一个氦4原子核，只消耗4个质子原始质量的百分之0.7。即使太阳完全是由氢构成的（实际上不是），所有的氢都转化为氦4，它在这一过程中丧失的质量也只相当于其原始质量的0.7%。其实，这些数字真正要告诉我们的，是太阳究竟有多大！
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所有这一切发生的速度都可以自我调节。如果太阳缩小一点，其核心的压力和温度将上涨，这样就会发生更多聚变，释放更多的能量。热量的增加将使太阳膨胀，从而降低了压力，并使其冷却。如果太阳扩大，其内核温度会降低，能量产生的速度将会减慢，这样它就会收缩，回到其稳定的体积。但是，当其核心的氢燃料耗尽（对太阳来说，核心的氢会在约40亿年的时间内耗尽），所有的一切都需要调整到一个新的稳定的平衡。
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正如氢原子核（质子）可以聚合形成氦4原子核一样，氦原子核也可以聚合形成其他元素的原子核，只不过后续过程中释放出的能量会逐级减少。但是，这些恒星核合成过程所需的温度比质子-质子链更高，只要氢燃烧在进行，它们就不可能发生。虽然这事儿看上去似乎很矛盾，可实际上，氢燃烧确实使像太阳这样的恒星的核心变得相对凉爽。当所有的氢燃料耗尽时，首先会发生的事是恒星核心的压力下降，从而使恒星缩小。这会释放出引力能，使恒星核心温度升高，直到达到某一高度，使新的核聚变反应可以发生。这些反应释放的能量会使恒星重新在更高的内部温度和压力下稳定下来，只要新的燃料来源不断。
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由于氦4原子核是一种特别稳定的核结构，在许多的这些相互作用中，它的行为就像一个整体。它有时被称为α“粒子”。在恒星核合成的下一阶段中，较重的元素基本上是通过α粒子聚合在一起形成的。其后，有些原子核就可以吸收更多的质子，还有一些可能会释放出粒子，形成其他元素或同位素，而且大体上说来，比起其他重元素，含有4个核子的原子核（如碳12和氧16等）都特别稳定和常见。53
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大家可能会猜测，在下一步的聚合过程中，一对氦4原子核将形成铍8原子核。但是铍8却一反常规。这种元素非常不稳定，而且如果两个氦4原子核恰好发生碰撞，并以正确的方式结合，它们也只能存在很短的时间。这成了天体物理学家的一个大谜团，因为宇宙中有非常多的重于铍的元素，但是除了在恒星内部，没有任何其他地方能够形成这些元素。如何才能让恒星的核合成跳过铍，产生更重、更稳定的原子核？直到20世纪50年代，该难题才得以解决。当时弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）灵光一现，想明白了碳12可以在恒星内部通过一个称作3α过程，由3个氦4原子核构成。虽然这本书集中探讨的是21世纪的理念，而不是20世纪50年代古老的历史，但是霍伊尔的洞见极其深刻，而且与现代宇宙学思想息息相关，所以我们有必要稍稍离题一会儿，说说它的重要性。事实上，霍伊尔是第一个应用了以人类为中心的推理（并且是迄今最成功的）对物理世界作出预测的。
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铍8原子核的寿命只有10-19秒，但即使在如此短暂的时间里，当恒星内部的氢燃烧已经结束，在那种状况下，产生的某些铍原子仍有时间和α粒子核相撞。问题是，由于铍8极不稳定，这样的碰撞应该是将原子核打破，而不是将3个α粒子合在一起。
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霍伊尔推理说，既然存在碳（最重要的是，从人类的角度来看，碳是像我们一样的生物存在的基础），那么就一定存在某种物理定律，不论铍8多么不稳定，也允许3个α粒子结合在一起。他当时是这样说的：“既然我们周围的自然世界到处都是碳，而且我们自己的生命也是以碳为基础的，恒星必然已经找到了一个非常有效的制造碳的途径，我也要努力找到它。”54如果3α过程确实发生作用，就会形成碳12的原子核——但是这里形成的碳12核有什么特性能阻止其立即解体吗？
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霍伊尔知道，根据量子物理学，原子核通常以其最低能量状态存在（称为“基态”），但在适当条件下，它们能吸收量子能（如伽马射线光子），并进入所谓的“激发态”。经过很短的时间后，它们会释放出一个伽马射线光子，并返回到基态。这与一个原子吸收一个可见光光子，使得一个电子跃升到一个新的能量水平，然后电子再重新释放光子，返回到低能量状态的过程很相似。有一个比方可以很好地说明问题。我们可以想象小提琴或吉他的琴弦，平常它可以以正常的频率振动发出自然的（基本的）音，但是如果以正确的方法按压，同样一根弦也可以产生和谐的振动发出更高的音。
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霍伊尔得出结论认为，在我们所讨论的恒星内部，3个α粒子只有在一种状况下才能结合到一起形成单个的碳12原子核，这一条件就是假如碳12核有和铍8的基态对应的自然“共振”，外加温度适当的α粒子进入时所携带的能量。这样，进入的α粒子的动能都将用来“激发”碳12的核，一个不剩，无法留下一个把它拆开。处于激发态的碳12核可以放射出一个伽马射线光子，并返回到基态。但是，只有当激发碳12——即产生共振所需的能量——比进入的α粒子的能量略低时才会发生上述情形。如果这一能量稍稍多一些，那么进入的α粒子就不会有足够的能量完成所需的进程。而如果能量少很多，那么就有足够多的剩余动能击破原子核。
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到20世纪40年代末期，一些科学家就通过实验提出了共振的恰当能量，但那时候没有人将这一过程和恒星内部的反应联系起来。几年后，当霍伊尔在美国加州理工学院（Caltech）跟那里的粒子物理学家提出这个问题时，他被告知，最新的实验显示以前的工作是错误的。霍伊尔不相信他们的话，并且非要实验者重复测量一遍不可。55霍伊尔的意思实际上是说，我们存在这一事实意味着自然定律必然允许某一特定的元素，即碳12，具有一个特定能量的激发态。在20世纪50年代，这一连串的推理对大多数科学家来说都显得似乎非常荒谬。但是，像所有的好的科学思想一样，它承受得住检验。
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