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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起
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[1] 普朗克时期有两种表达：Plank epoch，Plank era。在地质学术语中，epoch和era有不同的层级位置。地质年代时间术语，由大到小依次是宙（eon）、代（era）、纪（period）、世（epoch）、期（age）、时（chron）。比如，今天的人类生活在显生宙新生代第四纪全新世。——编者注
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[2] 弦理论：又称弦论，是理论物理学的一支，结合量子力学和广义相对论为最终的万物理论。弦理论用一段段“能量弦线”作为最基本单位，来说明宇宙里所有微观粒子如电子、质子及夸克都由这一维的“能量线”所组成。——译者注
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[3] 圈量子引力论：一种量子引力理论，与弦理论同是当今将引力量子化最成功的理论。——译者注
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[4] 按相对论，信息和能量在空间中的运动不能超光速，但是宇宙膨胀是空间本身在膨胀，因而不受光速约束。——编者注
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[5] 夸克汤：粒子物理学的“标准模型”认为，在超过1万亿摄氏度的温度下，质子和中子也会“熔化”，变成夸克和胶子组成的等离子体，这种夸克—胶子等离子体就是“夸克汤”。——译者注
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[6] 空洞：天文学里，空洞指的是纤维状结构之间的空间，二者均为宇宙组成中最大尺度的结构。一个典型的空洞直径大约为11至150个百万秒差距（1个百万秒差距等于3261600光年），其中只包含很少或完全不包含任何星系。——译者注
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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 [:1701069953]
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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 第二章 恒星与元素
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当氢和氦（以及暗物质）形成的巨大星云在自身引力作用下坍缩，开始形成最早的恒星和星系时，早期宇宙的黑暗时期就结束了。类似的恒星诞生过程今天仍在发生，我们银河系中的鹰星云即其中一例，那里至今仍在批量生成新的恒星及太阳系。但就像我们前面说的，最早的气态星云只包含原子（暗物质除外），绝大部分是氢和氦的形态，尚不具备用来形成行星的物质；是第一代及随后的恒星的形成与死亡，才创造出了能建造行星和行星上生命的更重元素。
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一团前太阳星云（pre-solar cloud）一旦在自身引力作用下开始坍缩，它的分子就向中心跌落并不断提速（就像一个球从山上滚落）。加速中的分子彼此碰撞、弹开，其动能因此转变为热能，使星云的温度和压力升高，从而导致坍缩中止。（在下一章我们将详细讨论这类星云的大小、形状及演化历程。）
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实际上，星云未必会坍缩得很厉害，这取决于它的大小。如果不是很大，那它压根儿不会坍缩多少；越大的质量，引力越强，因此星云在温度过高之前就会坍缩得越彻底。
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有些进程有助于星云保持坍缩。例如，占了星云绝大部分的氢气，它的分子由两个氢原子结合而成。如果坍缩星云的中心有足够高的温度，氢分子就可以断裂为原子，而这样的分裂会吸收能量，阻止温度升高，使星云能继续坍缩。这个进程与烧开水时发生的相变很像（在描述大爆炸时我们已经打过这个比方）：炉火向水注入大量的能量使水升温直到沸腾，而沸腾时水从液态到气态的转变吸收了能量，因此温度会不再变化，直到所有的水都煮干。与此类似，从氢分子到氢原子的转变从坍缩的星云中吸收了热能，使星云的温度保持稳定，直到转变结束。稍晚一些或在星云的更深处，当温度更高到能从氢原子中剥离电子使氢原子离子化时，还会有相似的过程发生。这样的进程就好像另一种“相变”，使温度能保持稳定。
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即便如此，也只有极大的星云才能无需任何外力，仅凭自身就坍缩得足够彻底。最早一批完全由氢和氦组成的恒星质量巨大（传统上它们被叫作第三星族星[1]，而今是遍寻不见的讨厌鬼），它们来自的星云质量数千倍甚至数百万倍于我们的太阳，所以最终形成的恒星质量也是太阳的数百倍。小型星云会形成更小的恒星，它们的坍缩需要触发和推动，以便越过界限，到达能保持收缩的足够密度。例如巨星，往往在超新星爆发（详见下文）中死亡并产生冲击波，从而形成对邻近星云的一记重击，使之开始坍缩。很可能正是凭借了这样的外力，第一批小型恒星得以形成。它们存在了非常久的时间，因此也留下了关于宇宙年龄的一些主要证据。在陨石尘粒中有迹象表明我们自己的太阳系就是这样启动的，不过我们过一会儿再回过头来说它。
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一旦万事俱备，坍缩星云的温度峰值能够达到1000万摄氏度左右，那一颗恒星就将诞生了。在如此温度下，电离氢（离子化了的氢原子）的原子核（这会儿也就只是个质子而已了）移动速度飞快到能克服电斥力（质子均带正电，因此互相排斥）彼此聚合为氦，氦原子核通常有2个质子和2个中子。这一核聚变过程由于涉及质量向能量的转变，释放了巨大的能量。正如前一章所述，爱因斯坦最众所周知的方程E=mc2，描述的就是物质质量m向能量E的转变，其中c是光速，大约30万千米每秒，也就是能让你在1秒内绕地球8圈左右。c2这个数极大，因此即便将仅仅1毫克的物质（这差不多是非常小的一粒药的质量）转变为能量，都够烧开4万升左右的水了。或者换个说法，转换60毫克的物质（就是非常小的一小瓶小药片）就能把一个奥运标准泳池的水都给汽化掉。人们在20世纪二三十年代发现了核聚变过程，随后便应用于发展恒星核合成理论（其中最杰出的工作是由物理学家汉斯·贝特［Hans Bethe］和天体物理学家弗雷德·霍伊尔做出的，不过天文学家亚瑟·爱丁顿［Arthur Eddington］很早以前就曾预言了这个理论），也就是上文描述的内容。
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在坍缩中的前太阳星云里之所以会发生物质到能量的第一次转换，是因为4个氢原子的质量略大于1个氦原子的质量，而很多这些多出来的质量都转换成了能量。大量产生的热量阻止了星云进一步坍缩，使它的温度峰值保持在略高于1000万摄氏度的水平（太阳的中心温度为1500万摄氏度左右）。这样陷入停滞状态的星云实际上就是恒星，就像我们今天的太阳一样——一个压缩的气态星云，因核聚变产生的热能而停止了坍缩。
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恒星内部并不是到处都会发生聚变反应，只有在最深最热的核心区域才会有，其他区域的温度都低得不足以驱动聚变。而核心产生的热量通过对流浮向表面，使太阳外观呈现出颗粒状，这个就叫米粒组织；当热量以辐射或者光子的形式离开太阳表面，最终以可见光的形式抵达地球，就是太阳能了。更重的粒子比如零散的电子和质子也会被太阳吹走，随太阳风向外扩散，最终抵达地球和其他行星。
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在像我们太阳这么小（或是像更小的红矮星那样）的恒星中，氢聚变所能保持的温度虽然较为“温和”，也会使坍缩会陷入停滞。可是小归小，这些恒星还是能保持氢“燃烧”状态很久。燃烧会很慢是因为，基本上不可能一次集齐4个氢原子核（在极高的温度下已经都只是质子）来造出氦原子核，于是氢原子的聚变进程本身就零打碎敲。这样一来，这个叫作质子—质子链反应的进程就要分好几步来进行：首先，2个质子撞到一块儿，克服相互间的电斥力，短暂结合成有2个质子的原子核，这是氦的一种很轻的同位素（对特定元素而言，不同的同位素是指原子核中质子数相同但中子数不同，而中子呈电中性，因此不会影响元素的化学特性。氦的同位素全都有2个质子，中子数可以是0到8的任意值，但只有其中含1个或2个中子的才是稳定的，也就是说不会衰变成其他物质）；然后，氦的这种轻同位素并不稳定，维持不了多久就会释放出反物质，正电子或者叫反电子，以及1个小小的中微子（这解释了太阳中微子流量的来源），这样就能把1个质子变成中子，而剩下一种氢的同位素，叫作氘，包含质子中子各一；接着，氘会受到第三个质子（还是氢原子核）的撞击并与之融合，成为氦的另一种稳定同位素，包含2个质子1个中子；最后，2个这种氦原子核撞到一起，形成另一种稳定的氦，包含2个质子2个中子，并释放出2个质子。聚变能量的绝大部分都在这最后一步产生，而快速发射出来的2个质子又会马不停蹄去猛撞其他质子，使这个慢悠悠的链反应能永远持续下去。（最后这种包含2个质子2个中子的氦原子核，也叫α粒子，它是类似于铀这种更重的原子在核衰变后通常的产物。）
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我承认，上面关于氢聚变反应的细节说得实在有点多了，但有两个重要原因让我们必须关注它。第一，聚变反应是驱动太阳从而也是所有地球生命的基本能源，也是海洋、大气活动（包括洋流、天气模式乃至气候变化）的能量之源。第二，质子—质子链反应极为缓慢，对太阳来说氢燃烧总共可以持续100亿年左右，而现在我们大致处于这个进程的中间点；我们可是花了其中相当大块的时间，才在地球上演化出像人类这么复杂的生命，所以进程才过半确实是件好事。但撇开这两点，像我们太阳这么小的恒星对于建造行星而言就实在一无是处了，它只会生产出新的氦，然而早在大爆炸之后宇宙中就到处都有氦了。所以，太阳这样的恒星可一点儿都不特别，至少在创造新物质方面。
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比这大得多的恒星（质量至少15倍于我们的太阳），坍缩就不会因为区区1000万至1500万摄氏度的温度便停滞，而必须要到高得多的温度。到了那种高温时，聚变会产生新的更重的元素。比如在1亿摄氏度左右时，恒星能够将氦聚变为碳，然后是氧。有一种名叫红超巨星的恒星非常大，它的温度就高得能一路形成直到铁的各种元素。
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对于制造更重元素而言最重要的某些聚变过程涉及氦原子核（也就是α粒子，上面说过，它包含2个质子2个中子）的结合。比如有一例叫作3α过程，需要通过两次反应来促成3个α粒子的结合，从而产生碳。这个反应很难得才发生一次，因此是产生更重元素的瓶颈。不过一旦有了碳，“α链”就接管了场面，每一步加1个α粒子，先从碳变成氧，氧变成氖，氖变成镁，镁再变成硅，一直到变成铁为止（实际上是先变成不稳定的镍，再通过辐射衰变为稳定的铁）。这条链上每一步都只有在比上一步高得多的温度和压力下才能发生，所以每一步都倾向于把巨星内部更深更热的地方作为自己的温床，于是巨星就好像层层剥开的洋葱，越往内的层次就是越重元素的加工厂。
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这个恒星洋葱的最外层也仍有足够的温度，可以维持聚变，将氢转变为氦，从而为内部所有层级的反应提供绝大部分原料。要是最外层生产氦的速度和我们的太阳差不多，那下面的加工厂就都得被它卡住，或者至少这种情况也会成为主要的瓶颈，因为温度更高压力更大的地方发生反应的速度可比它快得多，氦的涓涓细流很快就会榨干耗尽。好在这些恒星上有了碳、氮、氧的存在，提升了生产内部各层都需要的氦也就是香饽饽α粒子的速度，人们贴切地将这个反应叫作“碳氮氧循环”。
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