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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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靠近恒星中心的最深最热层如果温度够高，就可以产生稳定的铁（经由不稳定的镍），但到这儿聚变反应也就到头了。要生成比铁更重的任何元素都会涉及到质量增加，也就是要创造的元素质量大于原料质量之和，要进行这样的创造就得吸收大量的能量而不是释放能量。而且这种聚变也不会驱动进一步反应，反而会使环境冷却，反应停止。
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巨星的结构多少有点像洋葱。每一层都是一个加工厂，将来自上一层更轻的元素融合，逐步产生更重的元素，比如由氢变成氦，由氦变成碳，这样一路进行下去直到变成铁。很多反应都涉及产生α粒子的氦原子核聚变，从而创造出对建造行星和生命来说必不可少元素，比如碳、氧、硅、镁等。（图片由Barbara Schoeberl授权使用）
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我们太阳系中含量最丰富的一些元素（氢和氦除外，它们当然是最多的）完全由α粒子组成，包括碳、氧、硅、镁、钙、铁，它们同时也是构建生命和行星的绝大部分原料。为什么生命是“碳基”的，这是一个可能的原因。作为α过程链生成的首批稳定元素之一，碳不仅数量庞大，还极为多才多艺，可以形成多种化合物或者化学物质，尤其是跟无处不在的氢一起就能形成有机分子，而有机分子是筑造生命的基石。其他重要元素（尤其对生命来说）例如氮和磷，则要由别的聚变过程来生成，通常是扔进一个氢来让单位重量变成奇数。这样一来，你身体里的每一个原子都来自巨星，除了水分子中的氢绝大部分来自大爆炸。听起来可能有点不可思议，但你总得有一个“故乡”呀。
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门捷列夫在19世纪创立的元素周期表，列出了我们已知的所有元素。其中有很多元素比铁要重，但存在数量都很少。这些重元素确实很难制造出来，所以它们的数量相比其他元素而言，只是“痕量”级别。制造这些重元素的过程叫作中子捕获。发生在恒星内部的是慢中子捕获过程，首先是由铁原子核捕获其他聚变反应剩下来的中子，变成较重的铁同位素。这样的同位素并不稳定，通常接着会释放出1个电子，从而使1个中子转变为质子，这就造出了元素周期表中下一个最重的元素。这样依次吸收更多的中子，如此这般，就逐渐慢慢制造出了越来越重的元素。中子捕获的另一种形式叫作快中子捕获，会在巨星灾变性的死亡期间发生。
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再过50亿年，当我们的小恒星——太阳——走向死亡时，它会用尽炽热核心中的氢，聚变反应也会逐渐停息，不再能使太阳保持膨胀，50亿年前一度启动的坍缩又会复现。不过，鉴于太阳那时依旧炽热，进一步坍缩反而会使温度继续升高，直到1亿摄氏度时，氦就被聚变为碳，然后是氧，就像巨星里的情节一样。到那时，太阳会作为红巨星（不是红超巨星）向外膨胀，将核心之外留存的气体大量刮走，并吞没几乎整个内太阳系（包括地球）。在日核里发生的氦聚变（也就是α过程）反应会很快耗尽燃料，而任何更进一步的坍缩都不会使温度高到能触发新的聚变、生成更重元素的地步。到了这一步，我们的恒星就真的走到生命终点了，到它散尽剩下的氢氦大气层之后，余下的是一个慢慢冷却的发光体，称为白矮星，由致密的碳和氧组成，尺寸只是太阳的1/100。
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巨星的死亡是更大的灾难，却也是更高效的生产。巨星一旦用尽聚变燃料，同样也会重启坍缩。鉴于巨星的体积，这种坍缩会非常迅猛，外层气体会被致密的核心反弹开，于是产生巨大的冲击波和爆炸，这就是超新星爆发。前面提到过的快中子捕获就骤然发生在这期间，原子会吸收中子，制造出比铁更重的元素。此外，超新星爆发的重要之处还在于，恒星艰苦工作的结晶（在多层的聚变工厂里制造出来的那些元素）随之被大量抛洒到星系各处，为下一代星云配置了更重的尘埃，这么一来，当新的太阳系生成时，就有了制造行星的原材料。总的来讲，就像前面提过的，超新星对启动前太阳星云的坍缩极为重要，我们这个太阳系很可能就是这么来的，证据就比如，有的陨石尘粒含有铁的更重同位素，而这只能在早前的超新星爆发中生成。
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巨星在超新星爆发中喷射出了绝大部分质量，但剩下的小部分还是会坍缩成致密的一团。要是这部分质量有我们太阳的两三倍那么大，那在每个原子里支撑自身体积的电子云就会经受不住残余质量强大的内部压力，电子会被挤出轨道，压进原子核中，使每个质子都变成中子。一个原子的直径大概在10-10米（叫作1埃，或者Å）的样子，一个原子核的直径是10-15米的量级，两者的差别就好比体育场之于蚂蚁。也就是说，每个原子的直径就会缩小成原始值的10-5，而体积又与半径的立方成正比，物质密度（质量除以体积）就会增加到1015倍，也就是1000万亿倍。这个超级致密的天体，就叫中子星。中子星物质的密度有多大呢？拿它装满一个眼药水瓶，那就差不多跟全体人类的质量相当了。
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要是中子星残留的质量比太阳的3倍还多，彼此挤压的中子就会不堪重负，坍缩成密度更大的一团。据推测那应该由夸克组成，称为夸克星，只是还从未被确认无疑地观测到过。
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而如果剩余质量超过太阳的5倍，那就连夸克都承受不住这压力了，只能坍缩成极小的体积，形成黑洞的核心。特别是，一旦这巨大质量的密度足够，那它的引力会强大到甚至离核心一定距离的光线都无法逃出它的手掌心，这种光线会被捕获的距离就叫作黑洞视界。有证据表明黑洞确实存在，包括星系中心的超大质量黑洞。
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