複雜事物的開端
如果必須用一句話來概括「在大爆炸之後都發生了些什麼？」那就深深地吸上一口氣，然後說：「大爆炸（宇宙的起點）發生之後，引力開始塑造著宇宙的結構，並且使溫差加劇，這是100億年後我們周圍所存在的複雜事物形成的先決條件，而我們本身就是其中的一個組成部分。」也許這就是最好的回答。[1]
在一個晴朗的夜晚，仰望星空，恆星顯然是我們這個宇宙中最重要的成員。但恆星就像人類一樣，從來都不是孤立存在的。它們聚集在我們稱之為星系（galaxies）的巨大的宇宙群落中，每個星系可能擁有1000億顆恆星。我們自身所在的星系是銀河系（Milky Way）。銀河系並不像那些昏暗模糊的其他星系，由於我們是從內部對其進行觀察的，它看起來就像是一條流淌在夜空的明亮而蒼白的河流。而裸眼看不見的，甚至直到一二十年前對於絕大多數天文學家而言也是模糊不清的，乃是由許多星系所聚集成的更大的群落。其中包括星系群（group）（通常直徑為幾百萬光年，擁有大約20個星系）和星系團（cluster）（最寬為2000萬光年，包含著幾百個甚至幾千個星系）。星系群和星系團由於引力的作用而聚集在一起。然而還存在著更大的結構，這些構造十分巨大，隨著宇宙的膨脹而不斷擴展。其中包括超星系團（supercluster，最高寬度達1億光年，大約擁有1萬個星系），20世紀80年代，天文學家發現了一系列巨大的超星系團。而在這些更大規模中，宇宙明顯是同質的。宇宙背景輻射的一致性顯現了這種同質性。因此，複雜的范型只有在比超星系團小的規模中才會引起我們這些複雜的觀測者的興趣。
目前，超星系團似乎是宇宙中可觀測到的最大的有序結構。它們的發現，使我們對於宇宙中心的認識比哥白尼發現地球圍繞太陽公轉更進了一步。我們的太陽位於一個二級星系中的平常區域內（仙女座星系是我們所在的星系群中最大的），即位於有著幾千個其他星系的處女座超星系團邊緣的一組星系中（參見圖2.1）。[2]
最近人們已經清楚，即便超星系團在宇宙的歷史中也僅僅是一個小角色。這意味著絕大部分的宇宙物質（90%或更多）是無法觀測的，這些物質〔稱之為暗物質（dark matter）恰如其分〕的確切性質至今還是一個謎。也就是說，關於宇宙絕大部分的構成，我們仍處於一無所知的尷尬境地。[3]本章將涉及有關暗物質特性的一些理論，但依然主要關注為我們所知的那部分宇宙——可以觀測到的那部分宇宙。
現在我們接著上一章來繼續講述宇宙的早期歷史：大約在宇宙誕生30萬年之後，能量和物質走上了各自不同的道路。
圖2.1 太陽在銀河系中的位置
太陽位於銀河系的一條臂上，距離其中心大約為27000光年。星雲塵埃遮蔽我們的視野，因此看不清銀河系的中心。選自尼科斯·普蘭佐斯：《我們宇宙的未來：人類在宇宙中的命運》（劍橋：劍橋大學出版社，2000年），第97頁
早期宇宙和最初的星系
在宇宙誕生後的最初幾分鐘內，它迅速冷卻，以至於除了元素週期表中的前三個元素氫、氦和鋰（在一瞬間產生）之外，其他任何質量更重或更為複雜的元素都不可能產生。在熾熱且混沌的早期宇宙裡，比這三種元素複雜的事物都不可能存在。以一個化學家的眼光來看，早期宇宙是極其簡單的，以至於根本不可能產生像我們的地球或者生存於地球之上的生物那樣複雜的物體。最早誕生的恆星和星系差不多就是由氫和氦構成的。它們說明我們的宇宙擁有令人驚訝的能力，可以利用非常簡單的元素來構建複雜的物體。恆星一旦形成，即開始為創造包括生物體在內的更加複雜的實體鋪設基礎，因為在恆星熾熱的核心，正進行著將氫元素與氦元素轉變為週期表中的其他元素這一魔術般的過程。
迄今為止，宇宙的歷史都為大爆炸的膨脹力所主宰。現在我們要向大家介紹第二種大範圍的力——引力。早在17世紀牛頓就對引力做了十分成功的描述，20世紀初愛因斯坦又做了更為準確的描述。大爆炸將能量與物質分離，引力又將它們重新聚集。牛頓認為任何形式的物體都會對所有其他形式的物體產生某種引力。愛因斯坦認為，引力之所以發生作用是由於巨大物體能夠使時空發生彎曲。他進一步指出，引力能夠對能量和物質產生相同的作用。這個結論並不令人感到驚奇，因為愛因斯坦早就證明了物質實質上就是凝固的能量。他又進一步巧妙地論證，證明引力能夠像彎曲物體一樣彎曲能量。太陽是我們所在的太陽系中體積最大也是質量最大的天體。愛因斯坦認為，太陽的巨大質量足以彎曲周圍的時空，而改變經過太陽旁邊的光線的軌道。該現象的最佳觀測機會是在發生日食之際，這是能夠看到其他恆星接近太陽的唯一時機。愛因斯坦預言，如果在日食之前拍攝太陽旁邊的恆星，你將發現它們還沒有運行到太陽背後前速度好像會放慢，而當它們出現在太陽的另一側時，在離開太陽之前又會在太陽旁邊盤桓一小會兒。這種現象就是由於恆星光束被太陽的質量所吸引而發生的，就好像把棍子插入水中光線會發生折射一樣。在1919年的一次日食中，愛因斯坦的預言受到檢驗，其結果很令人吃驚，他的理論被證明是正確的。
引力對物質和能量同時施加作用，從而造就了宇宙的形態和結構。如果我們堅持牛頓關於引力是一種「力」的直觀而簡單的概念，可以很容易地看到這些是如何發生的。牛頓指出，引力可以在很大範圍內發生作用，但是距離越近，引力作用越強。準確地說，兩個物體之間的引力與它們的質量（的平方）成正比，與它們之間的距離（的平方）成反比。這意味著引力能夠使原本兩個結合得很緊密的物體更加緊密，而對相距較遠的物體影響甚小。對於諸如帶能粒子這一類質量較輕且移動速度較快的物體，引力甚至產生不了多少影響，所以，引力對物質的塑造，其效果要比對能量的塑造更加明顯。由於引力作用效果的差別，它已經在許多不同範圍內創造了大量複雜的結構。這是一個值得注意的結論，因為它說明在某些意義上、在某些範圍內，引力能夠暫時抵消熱力學第二定律，這一基本定律似乎表明隨著時間的流逝，宇宙將變得更加無序、更加簡單（參見附錄二）。相反，隨著引力能量的釋放（即引力使物體聚合在一起），宇宙變得更加有序了。引力因而成了我們宇宙秩序和范型的主要源泉之一。在本章的其餘部分，我們將會看到，引力是如何創造天文學家們正在研究的那些複雜物體的。
宇宙早期以及星系和恆星的大部分歷史，可以被認為是大爆炸所產生的使宇宙膨脹的力量和使宇宙重新聚合的引力之間相互作用的產物。在這兩種力之間存在著不穩定的、動態的平衡，膨脹力在大範圍內佔據優勢，而引力則在較小的範圍內佔據優勢（最多不超過星系團層次）。不過，引力需要某種初始的差異性才能發生作用。如果早期宇宙具有完全平均的稠度——比方說，如果氫元素和氦元素在整個宇宙中的分佈絕對均勻——那麼引力除了延緩宇宙的膨脹速度之外，所起的作用將會微乎其微。宇宙將會保持均質，諸如恆星、行星等複雜物體以及人類都不可能出現。
所以，知道早期宇宙的同質性究竟到達何等程度是非常重要的。天文學家試圖通過尋找宇宙背景輻射溫度的細微差異來測量早期宇宙的「稠度平均性」。任何「崎嶇不平」應該能夠在宇宙背景輻射中的細微溫差中有所顯示。20世紀90年代發射的宇宙背景探測器（COBE），其設計目的就是為了尋找這種差別，而2001年6月發射的威爾金森微波異向性探測器（WMAP）正以更高的精度測繪這種差別。宇宙背景探測器（COBE）已探明，雖然宇宙背景輻射幾乎是完全相同的，但其溫度確有細微的差別。顯然，早期宇宙的某些地區要比其他地區溫度稍高，密度稍大。這些「褶皺」帶來的差異性為引力發生作用創造了條件，引力放大了這些差異性，從而使得高密度的區域更為緻密。大爆炸之後的10億年中，引力造就了許多由氫元素和氦元素構成的巨大星雲。這些星雲可能有幾個星系團那麼大，它們自身所產生的引力完全抵消了宇宙的膨脹。在更大範圍內，大爆炸所產生的膨脹力仍居於統治地位，因此這些巨大星雲之間的距離隨著時間的流逝而不斷增加。
在其自身引力拉扯之下，氫原子和氦原子被更加緊密地擠壓在一起，星雲開始向內部塌陷。隨著氣體星雲的收縮，一些區域變得比其他地方密度更高，塌陷得更快；就這樣，原始星雲分裂成不斷收縮的雲團，這些雲團具有不同的大小，大到整個星系，小到單個恆星。引力將每塊雲團壓縮到更小的空間內，其內部的壓力不斷增長。不斷增長的壓力致使溫度不斷升高，每個氣態雲團在塌陷的過程中都會因此逐漸升溫。在體積較小、大約包含相當於數千顆恆星的物質的小塊雲團中，出現了密度和溫度都非常高的區域；在這些宇宙托兒所的部分區域裡誕生了第一批恆星。[4]
隨著中心區域的溫度不斷升高，其中原子的運動速度會越來越快，撞擊也越來越猛烈。最終，其猛烈程度戰勝了氫原子內部帶正電原子核之間的電荷斥力。（這種排斥力部分取決於原子核中質子或正電荷的數量，所以這種反應最容易發生在氫原子中；原子量越大，這種反應就越不容易發生。）當溫度上升到1000萬攝氏度時，一對氫原子就會融合為一個擁有兩個質子的氦原子。這種核反應被稱為核聚變（fusion），也就是氫彈中心區域所發生的反應。根據愛因斯坦的公式E=mc2，當氫原子聚變為氦原子時，極少的物質轉化成了巨大的能量，其釋放的能量等於物質的質量乘以光速的平方。愛因斯坦的公式告訴我們，由於光速是一個巨大的數字，即便是極少量物質的轉化也會釋放出巨大的能量。準確地說，當氫原子轉化為氦原子時，大約會丟失0.7%的質量，我們之所以知道這一點，是因為氦原子要比合成它的氫原子輕一些。丟失的質量轉化成了能量。[5]恆星就像巨大的氫彈，擁有足以「爆炸」千百萬年甚至幾十億年的燃料。因此，第一批恆星照亮了早期宇宙長達10億年之久的漫漫黑夜。
聚變反應所產生的巨大熱量和能量抵消了引力的作用，年輕的恆星一旦被引燃就停止了繼續塌陷。恆星內部核爆炸所產生的膨脹力與引力保持平衡，控制著星核的巨大能量。恆星之所以能形成持久穩定的結構，是將物質聚集在一起的引力與聚變反應所產生的使物體分離的膨脹力之間相互妥協的結果。這種拉鋸式的平衡會一直持續下去，一旦內部溫度升高，恆星便開始擴張，溫度逐漸下降——這又導致了恆星的收縮，這就好比空調系統中那種負反饋循環。（假如氣溫過高，空調開始啟動，使氣溫再次下降。）我們從變星的脈動中可以觀測到這種拉鋸式平衡。但是通常而言，只要恆星存在，這種內在的相互抵消作用將會持續千百萬年，甚至幾十億年。
第一批恆星的點燃是宇宙歷史上一個重大的轉折點，這標誌著事物的複雜程度達到了新的水平，標誌著新的實體按照新的規則開始運作。被引力聚集在一起的幾十億億個原子突然形成了全新的組織結構——它可以存在千百萬年甚至幾十億年。這一時刻開始於原恆星（proto-star）內部由於溫度進一步微增而點燃的核聚變反應，引力所帶來的能量由此轉化成為熱能，一個新的更為穩定的能量流系統誕生了。恆星將自身包含的原子排列為新的、可持續的組態，這種組態能夠經受巨大能量流的考驗而不致解體。我們知道，這便是此類臨界值的標誌性模式。當原本獨立的實體被納入一個更有秩序的新模式，並且由於自由能不斷上升的吞吐量而結合在一起時，新的組態就突然出現了（參見第4章）。但是，對於所有這些構造而言，結合在一起是很困難的，故而無法永存。因此，凡是達到新的複雜程度的事物，其特點就在於某種脆弱性和最終崩塌的必然性。根據熱力學第二定律，所有的複雜實體最終都將消亡，但是，結構越簡單，其倖存的可能性就越大，這也是恆星的壽命比人類長得多的原因（參見附錄二）。
許多最早的恆星，在130億年後的今天仍然存在。絕大多數都位於各星系的中央，或者以巨大的球形軌道圍繞星系運行的球狀星團（globular cluster）之中。最早的恆星可能是在相對不成形的氣態星雲的混沌和迅速崩塌中形成的。它們的軌道不規則，而且缺乏比氫和氦——它們形成之際僅有的元素——更重的元素，我們今天因而能夠測定其年齡。在擁擠的早期宇宙中，胚胎星系經常相互融合，這種星系間合併有助於解釋為什麼許多最古老的恆星都具有不規則的軌道。
早期宇宙中的星系在形成與合併的過程中，由於受到引力的作用，整個宇宙中星系的形狀都被塑造得非常一致。早期宇宙中參差不齊的星系被引力聚合在一起，不同的部分以弧形被拖曳至中心；這些圓弧在運動中所形成的微小差別使得每塊星雲都開始旋轉，就像水流入排水溝。當星雲收縮時，旋轉加快，好似滑冰者收攏手臂一樣。轉得最快的部分被離心力拋出，如同一塊旋轉的生麵團，而整塊星雲開始變得扁平，就像一塊宇宙級的比薩。這些完全受制於引力的簡單過程，解釋了為什麼許多宇宙中最大的星雲，甚至是在星系團的層次上，最終都形成了被蘇聯理論家雅科夫·澤爾多維奇（Yakov Zel』dovich）稱之為「可麗餅」（crepe）的旋轉的圓盤狀。在較小的尺度上，我們也可以看到相同的規律在發生作用，如果我們遠處觀測太陽系，它看上去也像一隻巨大的扁平圓盤。
到第二代恆星開始形成的時候，這些過程也將一些更大的星系，如銀河系，改造成巨大而多少有些規整的圓盤。這種變化反映在年輕恆星的軌道更加有序，例如我們的太陽以每小時80萬千米的速度，大約每2.25億年圍繞銀河系中心運行一周。類似的機制也塑造了其他星系，形成了一個由許多恆星星系組成的宇宙，這些星系的構造方式有所不同，但大都會形成規則的旋轉圓盤。恆星的形成過程一直持續到今天。在銀河系中，每年大約會形成10顆新的恆星。
宇宙學巡禮：黑洞、類星體和暗物質
早期宇宙還存在著比恆星更奇異的物體。絕大多數星系的中央具有極大的密度，以至於即使溫度升高到能夠啟動核聚變反應，由物質與能量所構成的巨大的星雲仍然在不斷塌陷。在這裡，引力將物質和能量擠壓到幾乎不復存在，從而形成黑洞（black hole）。黑洞的空間區域十分緻密，以至於任何物質和能量，甚至連光都不能逃脫其引力的作用。這意味著我們不可能直接觀測到它的內部究竟發生了些什麼，除非進入黑洞——當然，那樣我們也就不可能再回來報告我們的發現了。黑洞的密度如此巨大，假如要把我們的地球變成黑洞，那必須把它壓縮成一個直徑1.76厘米的圓球。[6]
關於黑洞的真正意義，已經有了很多有趣的猜想。例如，最近有人認為黑洞就是新生的宇宙從外面看到的樣子。每一個黑洞都可能是由一次獨立的大爆炸所產生的獨立的宇宙。李·斯莫林認為，如果真是這樣的話，說不定我們可以解釋宇宙其他一些古怪的現象。尤其是，我們也許就能解釋為什麼這麼多重要的參數——例如基本的物理力的相對強度，或者基本核粒子的相對體積——似乎協調一致地創造了一個能夠產生恆星、元素以及像我們人類這樣複雜實體的宇宙。按照斯莫林的假設，只有能夠產生黑洞的宇宙才會有「後代」。如果我們進一步假設，新宇宙與它們的「父輩」宇宙只存在細微的差別，那麼我們就可以看到一個類似達爾文進化論的選擇過程在發生作用。[7]經過許多代之後，包含大量宇宙的超空間很可能被某些具備產生黑洞的嚴格條件的宇宙所主宰，即便就統計學而言這類宇宙存在的概率非常低，僅僅因為其他宇宙都不能產生後代，就會導致這樣的結果。但是，如果一個宇宙能夠產生黑洞，它也可能產生諸如恆星等其他巨大的物體，以及其他各種複雜結構。這些想法說明，對於我們現代創世神話而言，在我們宇宙層次之上也許還存在新層次，可能存在一個年齡遠遠超出130億年而且比我們的宇宙大得多的「超宇宙」。但是，我們目前既無法證明也無法否定這些宏大的想法。
因此，我們可以從這些沉思平安返回到我們所知的宇宙。關於我們的宇宙以及居住的星系，黑洞可以告訴我們一些重要的信息。與恆星相比，它們的密度非常大，其引力所釋放出的能量要大得多。人馬座星群方向距銀河系中心27000光年的地方可能存在著一個黑洞。通過一種叫作人馬座A的無線電強波可以確定這個黑洞的存在，它的質量大約相當於太陽的250萬倍。
黑洞存在於許多星系的中央，這或許有助於解釋另一個奇怪物體——類星體（quasar），或者稱之為「類星電波源」（quasistellar radio source）。第一批類星體是由澳大利亞天文學家於1962年探測到的，這是現代天文學家所知道的最明亮的物體。它們甚至比那些最大的星系都要亮，儘管它們的體積還沒有太陽系大。它們的距離也非常遙遠。絕大多數距離我們超過100億光年，最近的也在20億光年之外。所以當我們觀察類星體的時候，我們看到的是宇宙早期存在的物體。目前來看，它們的能量似乎來自那些吞噬周圍大量物質的巨大的黑洞。因而，類星體是由黑洞以及恆星食物組成的。在宇宙的生命中，類星體出現得很早，那時各星系之間更為擁擠，因此黑洞能夠吞噬更多的物體。宇宙隨後開始擴張，星系團彼此遠離，星系級黑洞的獵獲物逐漸減少。因此，儘管許多星系的中央仍有黑洞存在，這些「野獸」如今很難吞噬足夠多的物質而形成類星體。由於非常貪吃星塵，類星體的生存時間最多只有幾百萬年，在今天的宇宙中它們已經比較罕見了。類星體就好比是天文學領域中的恐龍，不過作為其能量來源的黑洞仍然存在於大多數星系的中央，正等待著冒失的恆星落入其掌控之中。
可見宇宙主要由星系和恆星組成。而對星系與星系團運動的觀測卻導致了令人尷尬的結論，即我們所觀測到的僅僅是宇宙極微小的一部分。的確，我們所能看到的部分不會超過宇宙的10%，甚至僅為1%。利用引力的基本規律，天文學家通過研究星系的旋轉方式，可大致計算出一個星系群中到底含有多少物質，此類研究顯示，星系所包含的物質也許是我們所能見到的10倍。天文學家把那些看不見的物質稱為暗物質（dark matter），這個術語正好表達了他們的困惑。
這些數量巨大的物質究竟是由什麼構成的？找到這個問題的答案是現代天文學的中心課題之一。目前主要有兩種答案。第一種，這些物質是由微小的粒子組成的，每個粒子甚至比電子都小許多，但總體卻要比其他形式的物質更重。它們被稱為「弱相互作用大質量粒子（從某種意義而言它們也有著一定的質量）」，簡稱WIMP。根據當前最佳的解釋，這些粒子就是中微子（neutrino），一種可能有質量，也可能沒有質量的粒子。即使有質量，也不會超過電子質量的1/500000。然而，每存在一個粒子，就會存在約10億個中微子，因此即使中微子的個體質量微乎其微，它們也能組成宇宙中絕大部分的物質。假如我們能看見中微子的話，那麼宇宙看上去就像一大片中微子塵霧，點染著微小的物質斑點。另一種答案是，也許有許多我們看不見的巨大物體，因為它們並不發光，或者不能釋放其他形式的射線。它們可能是由恆星的殘骸或是行星狀物體組成的，被稱為「暈族大質量緻密天體」，簡稱MACHO。最近，又出現了第三種說法，這對於暗物質問題或許是一個很簡潔的答案：暗物質可能實際上就是暗能量（dark energy）。正如我們所見，能量同樣會產生引力。大約70%的宇宙物質/能量是由所謂的真空能（vacuum energy）所構成的，它們發現於20世紀90年代晚期，這種能量加快了宇宙的膨脹速度。如果是這樣的話，它或許可以解釋天文學家所觀測到的大部分額外引力。按照這一設想，宇宙中的暗物質不超過25%，而看得見的宇宙僅僅佔5%。[8]
恆星的生與死
恆星就像人類一樣，也有它們的生平。它們從誕生起，歷經生存、轉變，直至衰亡。關於恆星典型的生命週期，如今我們知道得不少。這些知識大部分得自於對恆星的光譜研究。我們從本書的前一章可知，仔細分析吸收線的光帶（當能源經過恆星之間被吸收後而產生的頻率）就可以知道恆星中含有多少物質，也可以知道恆星有多熱。20世紀以來，當天文學家研究了越來越多恆星的光譜之後，他們繪製了一幅圖表，說明恆星一生的不同階段以及恆星能夠存在的不同類型。
恆星最重要的單一特徵乃是它們的體積，或者是恆星形成之前的原始物質星雲的體積。體積決定恆星的許多特徵，包括它的亮度、溫度、顏色，以及它的壽命。如果原始星雲的體積小於太陽的8%，則它的中心就不可能十分緻密，其溫度也達不到使氫原子發生聚變的程度，這樣就形成不了恆星。最多只能形成褐矮星（brown dwarf）——一種像木星般大小、光線昏暗的天體。褐矮星是介於行星與恆星之間的天體，儘管最近對褐矮星周圍的物質所作的觀測顯示，即使它們的體積不足以發生聚變反應，但其形成過程在許多方面與恆星是相同的。[9]另一方面，如果原始星雲的體積是太陽的60—100倍，它很可能在塌陷過程中會一分為二，甚至分裂成更多的小塊，從而形成恆星，這也正好解釋了天文學家所觀測到的那麼多雙星或者多星的恆星系。在這兩個極值之間，以下兩種大小是主流：大多數恆星的體積在遠遠小於太陽到太陽的8倍之間，而剩下的則是太陽的8—60倍。瞭解這兩個數值很有幫助。
星雲胚胎中物質的總量決定了星雲的引力、收縮速度，以及星雲中心的密度和熱度。新星中心的熱度決定了它燃盡所有可用燃料的速度。因此，體積大的恆星比體積小的恆星溫度更高；儘管它們擁有更多的物質，但是它們的燃燒更快，生存更具危險性，死亡更早。體積10倍於太陽的恆星，其壽命僅僅為3000萬年，而最為巨大的恆星也許只能存活幾十萬年。那些較小的恆星，體積從太陽的2倍直至其1/10，密度並不高，因此內核的溫度也比較低。它們能夠更為節儉地消耗有限的燃料。最小的恆星其壽命長達數千億年，是當前宇宙年齡的許多倍。
大部分恆星，就像我們的太陽一樣，比巨型恆星燃燒得更為緩慢。但最終它們都會消耗掉全部氫元素，屆時其內核將充滿氦元素。到那時，支持恆星走完一生大部分歲月的氫聚變反應已不能再繼續下去了。恆星的中心開始冷卻並逐漸向內塌陷。但是塌陷使得恆星內部的壓力增強，溫度再次升高，這樣就出現了一個令人意想不到的情況，恆星的體積膨脹到了原先的好幾倍。如果恆星足夠大的話，最初的塌陷可以使內核的溫度上升到1億攝氏度。達到這一溫度之後，以氦為燃料的聚變反應又開始了。但與氫聚變相比，氦聚變反應只能將很少的質量轉化為能量，因此並不能持續很長時間。恆星很快又耗盡了氦元素，這時，中心再次開始塌陷，而外層則膨脹得更為巨大，有時甚至被拋入宇宙空間。在此過程中，每一次反應都需要比前一次更高的溫度，許多新的元素誕生了，其中最為豐富的是碳、氧和氮。例如，我們的太陽將連續發生這樣的情形，直到開始產生碳元素為止，而體積稍大一些的恆星則可以繼續這樣的情形直到氧元素形成為止。就這樣，逐漸衰老的恆星產生了許多元素週期表中位置靠前的元素；體積最大的恆星，在它們生命的最後階段可以形成鐵元素（原子序列號為26），這一創造過程所需的溫度在40億——60億度之間。聚變反應所產生的新元素序列直到鐵元素才告終結。當恆星滅亡之際，包含著所有這些新元素的灰燼將散佈在它們的位置周圍，與早期宇宙中的任何區域相比，恆星墓地在化學成分上更為複雜。
在死亡階段，許多恆星膨脹成為紅超巨星，例如獵戶星座的參宿四。大約50億年之後，太陽進入死亡階段，體積將急劇膨脹，甚至地球和火星都會被它的最外層所吞沒。（參宿四的體積十分巨大，如果把它放在太陽的位置，那麼地球距離其中心與表面正好相等。）當燃料耗盡，小型和中型恆星開始變冷，最終成為熄滅的恆星，稱為白矮星。白矮星密度很大，體積與地球相仿。數十億年之後，絕大部分恆星都會變冷，那時它們作為恆星的生涯就結束了。
巨型恆星的體積大約在太陽的8倍以上，其生命歷程更具戲劇性。由於這些恆星十分巨大，內核中的壓力和溫度很高，因此它們能夠製造直到硅為止的新元素，並且正如前文所述，甚至還能製造鐵元素。在其生命的最後階段，它們製造出了不同的元素，層層相疊，拚命釋放能量以避免引力所導致的塌陷。但是當燃料耗盡，它們的結局要比中型恆星更加壯觀。在沒有能量可維持自身存在之際，引力將取得支配地位並壓垮它們，這一突如其來的、災難性的塌陷過程所持續的時間不會超過一秒鐘。此時，超新星（supernova）這一天文現象誕生了。一顆超新星爆炸所產生的巨大能量與閃光，相當於1000億顆恆星或整個星系，並且可以持續好幾個星期。體積不超過太陽30倍的原始恆星，塌陷之後會形成中子星（neutron star）。在這種天體內，原子被緊緊壓在一起，導致電子與質子融合併形成中子。中子星上相當於太陽質量的物質，其體積被壓縮到一座現代大城市的大小。中子星能以每秒最大600圈的速度自轉。地球上的天文學家於1967年首次發現中子星時，曾把它看作是脈衝星（pulsar），因為當中子星自轉的時候（如果地球上的天文學家恰好位於一個適當的角度），所釋放出的能量以短脈衝的形式擊打地球。蟹狀星雲中的一顆中子星就是超新星爆炸之後的殘留物，以每秒30圈的速度自轉，它由中國天文學家於公元1054年發現。
體積大於太陽30倍的恆星，塌陷過程更為劇烈，內核擠壓成為黑洞。在內核以外，質子與電子結合成為中子，中子和中微子形成巨大的洪流，從垂死的恆星往外逃散。巨大的脈衝形成了一個高達幾十億度的大熔爐。超新星的高溫在頃刻之間越過了某種臨界值，在這個大熔爐裡，比鐵重許多的元素被烤製出來。實際上，在極端的時間內，超新星爆炸可以製造出元素週期表中一直到鈾為止的所有元素。接著，這些元素又猛烈地射入宇宙深處。在這場星系級煉金術的過程中，產生的氧元素最多，其次是少量的氖、鎂和硅，這些都是恆星際空間裡最常見的重元素。此類超新星最近的一次發現是在1987年2月，這是自1604年以來所觀測到的最明亮的超新星，當時曾有一顆超新星在銀河系中爆炸。1987年我們所看到的這顆超新星，位於南天球與銀河系相鄰的大麥哲倫星雲中。它標誌著以前名為桑杜裡克-69 202（Sanduleak-69 202）的恆星臨死的苦痛；在恆星生命的盡頭，即紅巨星階段，其直徑大約是太陽的40倍。超新星爆炸的位置離我們大約有16萬光年之遙，這意味著爆炸實際發生在16萬年前。人類歷史早期所記載的許多「新星」或許就是超新星，其中也包括耶穌誕生時所記錄到的那一顆。自從最初的星系形成以來，恆星際空間之所以元素豐饒，是由於大恆星的壽命都很短，超新星不斷產生新化學元素所致。你所戴的金戒指或銀戒指的原材料就是在超新星內部形成的。沒有超新星，我們根本就不會存在。[10]
第二類超新星，是白矮星由於吸收了鄰近恆星的新物質引起爆炸而形成的，被稱為Ia型超新星（Ia supernova）。這種爆炸所發出的光亮甚至超過了大型恆星衰亡所形成的超新星，它們釋放出的主要是鐵元素，以及其他的一些重元素。
恆星的衰亡是地球生命故事中必不可少的一個章節，因為恆星不僅創造了形成我們這個世界的原材料，也創造了能使生物圈得以存在所必需的能量。遍佈於星系各處的重元素首先形成於恆星和超新星之中。當宇宙逐漸衰老，新元素（氫和氦以外的元素）的比率在穩定增長。假如沒有由恆星和超新星所創造的化學物質極為豐富的環境，就無法形成我們的地球，更談不上什麼生命的進化。因此，構成我們這個世界的化學物質，分別形成於三個不同的場所：大爆炸產生了氫元素與氦元素，而從碳（原子序列號為6）到鐵（原子序列號為26）的大部分元素是在中型和大型的恆星內部逐漸形成的，其他元素則形成於超新星的內部。宇宙早期形成的第一代恆星不可能形成生命。而以後形成的恆星，例如我們的太陽，就完全具有了創造生命的可能性。
推動生物圈的能量在很大程度上也源自恆星。太陽光是地球能源最重要的來源之一。但是對於過去200年裡的人類而言，儲存在煤和石油裡面的陽光也變得同樣重要。另外，地球許多重要的發展進程都是由地球內部的熱引擎所推動的，而地球的熱量一部分源自太陽形成的過程，一部分則來自超新星所產生的放射性元素。通過這些方式，恆星的歷史已成為地球生命故事至關重要的組成部分。
太陽的形成
和所有的恆星一樣，我們的太陽也是在物質星雲受引力作用發生塌陷的過程中形成的。也許是鄰近的一顆超新星引發了這次塌陷。這場巨大爆炸產生的衝擊波穿越了距銀河系中心大約2.7萬光年即位於星系中心至星系邊緣40%處螺旋臂區域的氣態星雲。當衝擊波穿越星雲之際，星雲中的物質就好像撒在振動的鼓面上的沙子開始重新排列。一個由數百顆恆星組成的星群部落就此誕生。
它們都可以算作第二代或第三代恆星，因為形成它們的材料中除氫、氦以外，還包含許多別的元素。在形成太陽的星雲中，原始氣體占98%（大約72%為氫氣，27%為氦氣）。但其中還有許多其他的元素，包括碳、氮、氧（這些元素占宇宙所有物質的1.4%），以及鐵、鎂、硅、硫和氖（這些元素佔據剩下的0.5%）。這10種元素，有的形成於大爆炸之際，有的形成於大型恆星內部，它們只佔我們所在的星系區域原子物質質量的0.03%，而其餘的元素則形成於超新星。[11]比氫和氦更重的元素，以及許多由這些元素形成的簡單化學物質的存在，說明為什麼我們的太陽（或許還有與它相似的恆星）與第一代恆星不同，它是伴隨著一群衛星一起誕生的。這些衛星就是組成太陽系的行星（參見第3章）。
像所有的恆星一樣，太陽的許多特徵是由它的體積決定的。它是一顆黃色的恆星（光譜類型為G2），這意味著太陽屬於中等亮度的恆星。然而，絕大部分恆星（大約95%）體積比太陽小，溫度也比太陽低。[12]對於地球而言，太陽是個龐然大物。它的直徑為140萬千米，是地球與月球距離的4倍多。儘管如此，當太陽衰亡之際，它的體積還不足以塌陷成為一顆超新星。但太陽也不算很小，並不能維持很長的生命。它大致形成於46億年前，還將存在40億——50億年的時間。迄今為止太陽的年齡是宇宙的1/3，它已走過了自身生命週期的一半。與所有的恆星一樣，太陽內部持續不斷地發生著巨大的核爆炸，溫度高達150萬攝氏度。核爆炸使得氫原子聚變為氦原子，並釋放出大量的輻射能。聚變反應產生以光子形式存在的能量，這些光子要從太陽緻密的內核掙扎而出，到達表面，需要花費100萬年的時間。太陽的表面溫度降低為6000攝氏度。能量從太陽表面向外輻射，遍及整個太陽系，直至太空深處。光子一旦到達太陽表面，即開始以光速運動。光子用100萬年的時間努力穿越亞原子微粒（subatomic particle）的堵塞之後，僅用8分鐘即可抵達1.5億千米之外的地球。
如果沒有太陽，我們的地球不會存在，生命也無從演化。太陽系所有的行星都是由太陽的碎片在引力場作用下組成的。太陽提供了絕大多數的光和熱，維繫地球上的生命。正是太陽這顆電池，使地球表面複雜的地質、大氣以及生物過程得以運轉。
宇宙的範圍
宇宙在誕生之際，其體積小得難以想像，而現在的體積則大得難以想像。出於某些原因，想要瞭解宇宙的形成過程，我們必須設法理解宇宙的空間與時間範圍。雖然我們不可能完全領會這些範圍，但值得我們去做一番努力。
假如宇宙的年齡是130億年的話，那麼我們就無法看到130億光年之外的任何事物，因為沒有什麼能夠超越光速，而130億光年是從宇宙誕生那一刻起光所能達到的最遠距離。但事實上宇宙也許更為龐大，因為在宇宙存在的第一秒鐘，時空即迅速膨脹，其速度要比光速快得多。如果真是這樣，那麼宇宙真正的大小將是可觀測宇宙的億萬倍。的確，假如不同的部分以不同的方式膨脹，那麼就會形成數十億個不同的宇宙，每一個宇宙都有各自不同但相差甚微的物理定律。
當然，僅就可觀測宇宙而言，想要測量它的體積也是不可能的。就空間尺度而言，從最小的亞原子微粒直到已知最大的星系群，我們必須將10乘上36次，即最大星系群的體積是已知最小微粒的1036。[13]這樣的說明對我們而言幾乎毫無意義，僅是想想這些尺度，我們也必須努力發揮我們的想像力。我們不妨用一種思想實驗來衝擊一下，從而對一些非常大的尺度形成某種認識，也許不無裨益。
像銀河系這樣的大星系大約包括1000億顆恆星。更大的星系甚至包括1萬億顆恆星，而更多數量的矮星系卻只有1000萬顆恆星，所以1000億可以看作是每個星系所包括恆星的平均數。就我們所知，在可觀測到的宇宙中大約有1000億個星系。那麼1000億到底是怎麼樣的一個概念呢？設想一個谷堆包含1000億粒稻穀：那麼它足以填滿類似悉尼歌劇院這樣大小的建築物。[14]這也說明僅在我們所在的星系之內就有多少顆恆星。要反映整個可觀測宇宙中的恆星數量，那就得建造1000億座歌劇院，並把每一座都裝滿稻穀。（稻穀的總數大致相當於地球上所有沙漠和沙灘上的沙子數量。）[15]但是讓我們集中到一座歌劇院上面來吧，想像它就代表我們的銀河系。現在我們用稻穀作為比例模型，那麼從位於悉尼歌劇院中心的太陽到最近的那粒稻穀之間的距離有多遠呢？半人馬座阿爾法星是一個三星系統，其亮度居夜空中類恆星天體的第三位，其中的比鄰星是距離我們最近的恆星。如果我們的太陽相當於悉尼歌劇院中的一粒稻穀，那麼比鄰星就位於大約100千米以外的澳大利亞紐卡斯爾城，而兩顆恆星間的實際距離是4.3光年（超過40萬億千米）。總之，在地球周圍12光年的範圍內大約有26顆恆星（其中有一顆是天狼星，由於距離較近——距我們只有8.6光年——其體積是太陽的2倍，而亮度又是太陽的23倍，因此天狼星是我們所能見到的最亮的星星。）。要對我們所在星系的大小有初步的理解，就必須想像悉尼歌劇院中的所有谷粒是如何按照這樣一個尺度分佈在宇宙空間的。
還有一個可以理解這尺度的方法。假如一架大型噴氣式飛機要花5—6個小時飛越澳大利亞或是美國的大陸領土，那麼同一架噴氣式飛機飛行至太陽要用多少時間？（在到達目的地之前，我們能在飛機航班上進幾次餐？）波音747飛機大約每小時飛行900千米，差不多要用20年才能到達約1.5億千米之外的太陽。若是飛往離我們最近的比鄰星，噴氣式飛機至少要飛行500萬年才能到達目的地！而這只是一個擁有1000億顆恆星的銀河城市中隔壁鄰居之間的距離。要感受整個銀河系的範圍，就必須記住光從太陽到地球只需8分鐘，卻要用4年又4個月的時間才能到達比鄰星。光線得花3萬年的時間才能到達銀河系的中心，其距離相當於到比鄰星的1萬倍。
儘管粗略，這些思想實驗仍有助於我們想像宇宙到底有多大，也說明我們人類所關注的範圍通常是何等的渺小，或者說絕對的渺小。按照宇宙的尺度，我們的太陽和地球只是很小很小的微粒而已。
這些計算說明了其他一些事物對於理解人類的歷史同樣十分重要。我們的地球在宇宙中所處的位置並不是任意的。我們之所以能夠存在，只是因為我們處於一個非典型的區域。絕大多數的空間還是真空狀態，而且十分寒冷。實際上，我們的思想實驗設想只涉及一個銀河系、一個包含數量異乎尋常的物質的空間區域。在星系之外，物質密度更加稀薄。我們的地球處於星系中物質較為豐富的區域，在這個巨大的星系內超新星產生了許多種元素。在這個星系中，我們居住在由一顆恆星所形成的區域內，距離那顆成年恆星很近。甚至在星系最為緻密的地方，即圓盤處，真空區域通常每立方分子大約只含有一個原子。但在地球的大氣層，在同樣大小的空間內也許會有2500億億個分子。[16]而輸送這些物質的是太陽每一秒鐘所釋放出來的能量。換句話說，人類的歷史發生於宇宙的一個口袋中，那裡物質稠密、富含能量。在這個物質丰度極高且極為複雜的環境中，生命才有可能誕生。
本章小結
大約30萬年之後，以包含氫元素和氦元素的巨大星雲為主體，構成了早期宇宙。這些元素就是未來形成恆星和星系的原材料。宇宙誕生之後大約過了10億年，在氫元素與氦元素較為集中的區域出現了第一批恆星。引力推動這些緻密的氣態星雲形成許多不同尺寸的旋轉圓盤。尺寸最小的是與太陽系體積大致相當的物質星雲。當它們塌陷之際，中心溫度開始升高，氫元素開始聚變為氦元素。核聚變反應所釋放的能量，阻止了中心進一步塌陷，並形成了恆星穩定的內核。一旦氫元素全部耗盡，巨大的恆星開始以氦元素乃至更為複雜的直到鐵為止的元素作為燃料，此時聚變反應所需要的能量已入不敷出。體積最大的那些恆星迅速燃燒，最終在超新星大爆炸中坍塌。大部分複雜的化學元素是在超新星內部產生的。體積較小的那些恆星燃燒較為緩慢，溫度相對較低，生存時間更長，當燃料耗盡，它們最終會像煤渣一樣逐漸冷卻。
正是由於恆星的誕生與衰亡，才最終形成了我們所居住的化學物質更為複雜的宇宙。的確，在宇宙早期相對簡單的環境中，支配地球以及我們歷史的複雜事物根本無法存在。
延伸閱讀
關於恆星的一生，肯·克羅斯韋爾的《天體的煉金術》（1996年）是一本很好的介紹性讀物，而蒂莫西·費裡斯的《銀河系時代的到來》（1988年）可以說是一部優秀的現代天文學歷史書。阿曼德·德爾塞默所著《我們宇宙的起源》（1998年）也是較好的介紹性讀物，切薩雷·埃米利亞尼的《科學指南》（1995年第2版）則以通俗易懂的形式揭示了許多技術方面的細節。艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的著作可讀性較強，但是已經有一點兒過時了。約翰·格裡賓的《起源》（1981年）是一部關於我們所處宇宙的出色的普及性歷史書，然而宇宙學的發展十分迅速，因此也顯得有些陳舊。馬丁·裡斯所著《就這六個數字》（2000年）以及李·斯莫林所著《宇宙的生命》（1998年）圍繞現代天文學提出了一些更具有思索性的觀念。在《宇宙的演化》（2001年）中，埃裡克·蔡森試圖為我們在恆星中所發現的複雜性層次下一個定義。查爾斯·萊恩威弗的文章《我們在宇宙中的位置》（2002年發表）提出了宇宙「地理學」和空間的層次這一觀念。
[1] 章首語：馬丁·裡斯：《就這六個數字：宇宙形成的深層力量》（紐約：基本圖書出版社，2000年），第126頁。
[2] 蒂莫西·費裡斯：《預知宇宙紀事》（紐約：西蒙和舒斯特出版社，1997年），第151—152頁。
[3] 在費裡斯所著《預知宇宙紀事》第5章「黑色之王」中，有關於暗物質問題最新的探討；也可參見裡斯所著《就這六個數字》第6章。根據最近的估算，輻射也許要占宇宙總質量的0.005%；諸如中微子這一類的微粒差不多佔0.3%；由質子和電子構成的普通物質大致占5%；那些由理論上存在但尚未被發現的微粒所構成的「冰冷的暗物質」占25%；而剩下的70%也許就是由「暗能量」所構成的了。參見戴維·B. 克萊恩（David B. Cline）：《尋找暗物質》，載《美國科學》，2003年3月，第50—59頁，尤其是第53頁的圖表。
[4] 來自美國宇航局（NASA）2003年2月發射的威爾金森微波異向性探測器（WMAP）的證據表明，第一批恆星大約出現於大爆炸之後2億年這一時段。參見《想像宇宙的奇異》，2003年2月12日（https://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/features/news/12febo3.html，2003年4月訪問）。
[5] 裡斯：《就這六個數字》，第53頁；把物質與反物質結合在一起，是將質量100%完全轉化為能量的唯一方法。
[6] 費裡斯：《預知宇宙紀事》，第79—80頁。
[7] 李·斯莫林：《宇宙的生命》（倫敦：菲尼克斯出版社，1998年），尤其是第7章「宇宙進化嗎？」「達爾文宇宙進化論」認為，與自然選擇的規則相似，任何含有複製的系統（在此情況下，亦即宇宙和黑洞）都有可能毫無目的地形成複雜的實體；相關事例，可參見亨利·普洛特金（Henry Plotkin）：《思想的進化：進化心理學入門》（倫敦：企鵝出版社，1997年），第251—252頁。
[8] 查爾斯·萊恩威弗：《我們在宇宙中的位置》，馬爾科姆·沃爾特編：《超越火星：探索生命的起源》（堪培拉：澳大利亞國家博物館，2002年），第95頁。
[9] 約翰·威爾福德·諾布爾（John Wilford Noble）：《恆星也許是宇宙的演員》，載《紐約時報》，2001年6月8日，第21版。
[10] 參見阿曼德·德爾塞默：《我們宇宙的起源：從大爆炸到生命和智慧的出現》（劍橋：劍橋大學出版社，1998年），第61頁，其中的圖表概述了不同質量的恆星不同的生命類型；有關超新星爆炸細節的詳盡描述，可見保羅·戴維斯：《最後三分鐘》（倫敦：菲尼克斯出版社，1995年），第41—45頁。
[11] 參見德爾塞默：《我們宇宙的起源》，第74—75頁。
[12] 肯·克羅斯韋爾（Ken Croswell）：《天體的煉金術》（牛津：牛津大學出版社，1996年），第47—48頁。
[13] 威爾遜：《論統合》（倫敦：阿巴庫斯出版社，1999年），第49頁。
[14] 我第一次聽到這一設想，是20世紀90年代初一位在悉尼生活和工作的已故英國天文學家戴維·艾倫（David Allen）在一次演講中提到的。
[15] 切薩雷·埃米利亞尼：《科學指南：通過事實、數字和公式探索宇宙物理世界》（紐約：約翰·威利出版社，1995年），第9頁。
[16] 克羅斯韋爾：《天體的煉金術》，第182頁。