卡尔·萨根 《宇宙》·第九章 恒星的生命
太阳神睁开双眼，埃及大地撒满阳光，当他闭上眼睛，埃及大地便又陷入黑暗，由此方有白昼和黑夜之分。诸神出于其口，像生出自其眼。万物莫不由他创造。他是金碧辉煌的神童，他的光芒使所有的生命都显得生气勃勃。
引自古埃及托勒密王朝时期的禅语
上帝创造的物质颗粒的形状和大小各异，……也许密度和引力也不相同。因此，自然规律才会千变方化，宇宙也才会千姿百态。至少我看不出这一切有什么矛盾之处。
牛顿《光学》
夜空高悬，星光闪闪：我们常常躺在地上，仰望群星，谈论着这些星星究竟是创造出来的还是自然产生的。
马克·吐温《哈克贝利·芬》
每当我……极需得到……宗教的安慰时，我就到户外去描绘夜空的繁星。
荷兰画家梵·高
制作苹果馅饼需要小麦和苹果，还要这儿加一点、那儿添一撮，最后用炉子烘烤。馅饼的配料是由分子组成的，比如糖分子或水分子。这些分子又是由碳原子、氧原子、氢原子及少数其他原子组成的。这些原子又来自何方呢？除氢原子外，其他的原子都是星体造就的，一个星球就像一个宇宙灶，能把氢原子烧制成较重的原子。星球是由星际的气体和尘埃凝聚而成的，氢是这些气体和尘埃的主要成分。氢是在宇宙大爆炸中生成的。假如你想从头开始制作苹果馅饼，你就必须首先创造宇宙。
假如把一个苹果馅饼切成两半，将其中的一半再切成两半，按照德漠克利特的想法这样切下去，要切多少次才能切成原子呢？答案是：大约要连续切90次。这当然是不可能做到的。因为不会有这么锋利的刀，况且馅饼又极易破碎；原子非常小，肉眼无论如何是看不见的。不过，还是有办法做到的。
在1910年前后的45年中，人们在英格兰剑桥大学首次揭示了原子的本质。这个方法之一是：用原子碎片轰击原子，再观察它们是如何跳出来的。典型的原子外层裹着一层电子云。电子就是带电的粒子，它所带的电荷被随机地规定为负电荷。电子决定原子的化学性质，因此才有光灿灿的金子，冷冰冰的铁和具有晶体结构的钻石。在原子的内部，原子核深深隐藏在电子云里面，它是由带正电荷的质子和中性的中子组成的。原子非常小，1亿个原子首尾相连也只有小指尖那么大。而原子核则更小，只有原子的十万分之一。难怪人们用了这么长的时间才发现原子核①，然而，原子的大部分质量却集中在原子核内。相比之下，电子犹如漂浮的绒毛。由此可见，原子内部充满了空间，物质内部是很空虚的。
我就是由原子组成的，我放在桌子上的胳膊肘就是由原子组成的，桌子也是由原子所组成的。既然原子如此之小，原子内部又是如此之空虚，原子核甚至更小，那么，为什么桌子能把我撑住？为什么我的胳膊肘的原子核不会轻易地滑进桌子的原子核中去呢？为什么我不会卷成一团或者掉到地球的另一端呢？A·爱丁顿就是经常这样问自己的。
答案在电子云里。我胳膊肘中的原子外层有负电荷，桌子中每个原子的外层也都有负电荷，这些负电荷相互排斥。我的胳膊肘之所以不会穿透桌子，就是因为原子核周围有电子，这些电子的电力是很强的。日常生活中的一切无不依赖原子的结构。如果去掉原子中的电荷，任何事物都将变成看不见的微尘。没有这种强大的电的作用力，世界上就不会有物体，而只有四处漂游的电子、质子和中子以及基本粒子的引力球——支离破碎的宇宙残骸。
当我们假定将苹果馅饼切成单一的原子时，我们面临着一个无穷小的问题；当我们抬头仰望夜空时，我们则碰到一个无穷大的问题。这些无穷是时空的无穷回归：在空间上没有尽头，在时间上没有穷尽。如果你站在理发店的两面镜子之间，你会看到你本人的许多映像，每一个映像都是另一个映像的反映。但你不可能看到无穷无尽的映像，因为镜子不可能绝对平整，光传播的速度也不是无穷快，同时，你站在镜子中间阻碍了光的反射。这里所谓的“无穷大”是一个比任何数字都要大的数。
有一次，名叫E·卡斯纳的美国数学家要他9岁的侄子为一个非常大的数字取个名字，这个数是10的100次方，即1后面跟着100个零。这个孩子称这个数为“Googol”，写出来是10000000……。你也可以自己组成一个非常大的数，再给它起个奇妙的名字。试试看，这是顶有趣的，特别是如果你碰巧也才9岁。“Googol”（10100）似乎够大的了，再设想一下“Googolplex”（1010100）它是10的10100次方，即1后面跟 10100个零。人体中原子的总数大约为炉，而在能观察得到的宇宙中，基本粒子——质子、中子和电子——的总数大约是1080。如果宇宙是由中子填充的实心体②，也就是说，在宇宙中不留任何空间，所需的中子数大约为 10128。这个数目与“Googol”相比是大得多了，但与“Googolplex”相比就微乎其微了。况且“Googol”和“Googolplex”都谈不上接近无穷大。确切地说，它们同无穷大的距离与1同无穷大的距离是一回事。如果有人试图写出“Googolplex”，这只能是毫无希望的侈想。即使有一张纸大到足以清晰地容纳下“Googolplex”所包含的所有的零，整个已知的宇宙也塞不下这张大纸。幸好“Googolplex”有一个很简单的表示法：1010100，无穷大也有相应的表示：“∞”（读作“无穷大”）。
烧焦的苹果馅饼大部分变成碳。切90次即可得到碳原子。碳原子核中有6个质子和6个中子，外层云中有6个电子。假如我们从原子核中取出一小块，比如说一块带两个质子和两个中子的碎片，它将不再是碳原子核，而是氦原子核。在核武器和普通的核电厂中所进行的正是这种原子核的切割或裂变，只是它们所分裂的不是碳。在你第91次切割苹果馅饼时，或者当你从碳原子核上切下一薄片时，你所得到的不是一小块碳，而是化学性质完全不同的其他原子，这就叫做“元素嬗变”。
让我们来进一步探索这个问题。我们知道，原于是由质子、中子和电子组成的。那么，我们能分割质子吗？假如我们在高能条件下用其他基本粒子（比如质子）来轰击质子，我们就可以看到隐藏在质子内部更基本的粒子单位。物理学家现在认为，像质子和中子等所谓的基本粒子，实际上是由称为夸克的更基本的粒子组成的。夸克的性质可以说是“色香味俱全”，这样说是为了让人们更好地理解原子核世界。夸克是物质的最小组成单位吗？或者它自身也是由更小更基本的粒子组成的？我们对物质性质的认识是否已经到底了？是否还存在着无限的越来越小的基本粒子呢？这是科学上还没有解决的一个最大的问题。
在中世纪的实验室中，为了探求炼丹术，人们曾经探索过元素的嬗变。许多炼丹士都相信，所有的物质都是4种基本物质——水、气、土和火——的混合物。这是爱奥尼亚人的一种古老的推测。他们认为，通过改变土和火的比例，铜就可以变成金。这种谎言颇为迷人。卡格里沃斯特洛和圣·杰耳曼伯爵一类的骗于自称不仅可以点铁成金，而且还通晓长生不老的奥秘。他们有时把金子藏在搅棒的一端，然后装模作样地演试一番，最后让金块奇迹般地在坩埚中出现。炼丹士以财富和长生不老作诱饵，从欧洲贵族身上骗走了大量金钱。当然，严肃的炼丹士也还是有的。如巴拉塞尔士，甚至还包括文萨克·牛顿。当然，炼丹士诈骗到的钱并没有完全白费掉，他们发现了磷锑和汞等新的化学元素。事实上，现代化学的兴起可以直接追溯到这些炼丹士的试验。
天然存在的化学性质不同的原子，共有92种，称为化学元素。直到近代，我们行星上的一切都是由这些元素所组成的，但它们主要以分子的形式存在。水是由氢和氧原子组成的，空气主要由氮（N）、氧（O）、碳（C）、氢（H）和氩（Ar）原子组成，以 N2、O2、CO2、H2O和Ar，分子形式存在的地球本身就是形形色色的原子的混合物，其中主要是硅、氧、铝、镁和铁的原子。火并不是由化学元素所组成，而是高温下失去电子的原子核构成的热辐射等离子体。从现代观点来看，古代爱奥尼亚人所说的以及炼丹术的所谓4种元素——水、气、土、火，实际上根本不能称为元素，因为其中之一的水是一种化合物，另两种（土和气）是混合物，而火则是一种等离子子体。
自炼丹士时代以来，越来越多的元素已被发现，越后发现的元素越是稀有的元素。组成地球的元素或成为生命基础的元素是最常见的元素。在室温下有些元素是固态，有些呈气态，而溴和汞二种元素则呈液态。科学家根据元素的复杂程度将它们按次序排列成表。氢是最简单的，为1号元素；最复杂的是铀，为92号元素。还有一些元素是我们不太熟悉的，如铪、饵、镝和镨，这些元素在我们口常生活中极难碰到。大体上说，愈是我们熟悉的元素愈普遍存在。地球含有大量的铁，而钇的含量却相当少。当然，这个规律也有例外。例如金或铀都很贵重，因为它们可以用来制造金币或装饰品，或者因为它们具有极大的实用价值。
原子由3种基本粒子——质子、中子和电子一——组成。这一事实直到近代才被发现，而中子则迟至1932年才被发现。现代物理学和现代化学的创立，把错综复杂的世界简化到了令人吃惊的程度：千姿百态的物质世界只是由3种粒子以不同式样排列组成的。
中子，顾名思义，是不带电荷的。质子带正电荷，而电子则带有与质子等量的负电荷。电子与质子所带的不同电荷之间的相互吸引力使原子得以结合在一起。由于每个原子都是中性的，原子核中质子的数目必定与电子云中的电子数目相等。原子的化学性质只取决于电子的数目。电子的数目（也就是质子的数目）称为原子数。毕达哥拉斯一定会赞同如下观点，即化学仅仅是一门数字的科学。具有1个质子的原子必定是氢，2个是氦，3个是锂，4个是铍，5个是硼，6个是碳，7个是氮，8个是氧，以此类推，具有92个质子的原子必定是铀。
同性电荷互相排斥。这就是我们所说的“同类相克”——犹如隐士碰上了厌世者。电子排斥电子，质子排斥质子。那么，原子核是怎样捏合在一起的呢？为什么不会各飞东西呢？这是因为其中还有另一种自然力的存在，它既不是引力，也不是电力，而是一种近程核力。只有在质子和中子靠得非常近时，这种力才起作用。它像一排排的钩子，将质子和中子互相拉扯在一起，从而克服了质子间的排斥力。中子只产生核吸引力而不产生电排斥力，它像胶水一样把原子核粘在一起。纵使“隐士”性格孤僻，彼此之间仍可以和睦相处。
氦的原子核里有两个质子和两个中子，它的结构非常稳定。3个氦原子核构成一个碳原子核，4个构成氧原子核，5个构成氖原子核，6个构成镁原子核，7个构成硅原子核，8个构成硫原子核，如此等等。每当我们增加一个或几个质子及足够数目的中子使原子核凝聚在一起时，我们就制造出一种新的化学元素。如果我们从汞中取出一个质子和3个中子，我们就可以得到金——这是古代炼金士们梦寐以求的事情。铀以外还有一些其他的元素。在地球上，这些元素不是天然存在的，而是人工合成的，而且很容易分解。第94号元素叫钚，是已知最毒的一种元素。不幸的是，它的分解速度相当慢。
天然存在的元素又是来自何方呢？我们不妨详细考察一下各种原子各自形成的过程。整个宇宙几乎到处都存在着氢和氦，这两种最简单的元素占宇宙物质的99％。事实上，人们在地球上发现氦之前就已经在太阳上发现氦的存在，所以才把它命名为“Helium”（取自希腊的太阳神Helios）。其他元素是否可能是从氢和氦演化而来的呢？核物质必须靠得很近才能抵消电斥力，从而使近程核力起作用。但这种情况只有在几千万度的高温下才能发生，因为在这样的高温下，粒子的运动速度极快，以至于斥力来不及起作用。在自然界里，只有星体内部才有这样的高温和因此而产生的高压。
人类研究了太阳离地球最近的恒星表面发出的各种波的波长，其中包括无线电电波、普通可见光和X射线等。太阳并不像阿那克萨哥拉所设想的那样是一团炽热的石头，它是由氢和氦组成的一个巨大的球体，由于高温而发出灼热的白光，就像火钳在炽热的火炉里发出白光一样。当然阿那萨哥拉的见解并不是完全错误的。猛烈的太阳风暴会使太阳发出明亮的耀斑，严重地干扰地球上的无线电通讯。太阳风暴还会使太阳形成巨大的拱形羽状热气层——日珥。日珥受太阳磁场的控制。与日珥相比，地球显得渺小多了。有时在太阳下山时用肉眼可以看到太阳的黑子，它们实际上是太阳里磁场强度较大、温度较低的区域。所有这些连续的动荡扰动，都发生在相对温度较低的可见表面。我们看到的只是温度约为6000度的太阳表面。太阳内部的温度高达4000万度，太阳光就是从那里发射出来的。
恒星及其伴随的行星是在星际气体和尘埃发生引力崩塌时产生的。星云中分子间的相互碰撞使温度升高，最后氢开始聚变成氦，即4个氢核结合成一个氢核，并释放出了射线光子。光子被上面的物质交替地吸收和发射，逐渐向恒星表面移动，而且每移动一步都要损失一部分能量。光子这种漫长的迁移过程需要100万年的时间，最后才变成可见光到达恒星表面，并向星际空间发射。结果恒星发亮了，原先的星云引力消失了。恒星外层的重量被内部核反应所产生的高温和高压支撑住。50亿年来，太阳就是处于这样的一种稳定状态之中。像氢弹内的热核反应一样，太阳内不断地发生着抑制性的爆炸。这种爆炸为太阳提供了能量，每秒钟大约有4亿吨（4 × 1014克）的氢转换成氦。当我们仰望夜空中的繁星时，我们所看到的就是遥远的核聚变发出的光亮。
在天鹅星座Deneb星（天鹅星座的一等星）方向上，有一个巨大的、由炽热的气体组成的超级发光气团，它可能是气团中心附近发生的超新星大爆炸和旧恒星泯灭产生的。在其外缘，星际物质在超新星冲击波的重压下，触发出新一轮的星云引力崩塌和新星的形成。从这个意义上说，星体也有双亲，双亲之一可能在孩子出生时死亡，正如人类有时也会发生这种情况一样。
像猎户座星云那样巨大的高度压缩的复合星云，能成批地产生像太阳一样的恒星。从外部看，这样的星云表面似乎暗淡无光，但星云内部却被炽热的新生星体照耀得灿烂辉煌。后来，这些星体离开了它们的生育之地，邀游到银河系去，在那里寻求自己的前程。成长起来的星体周围仍然带有成簇的发光云雾，它们是在引力作用下仍然吸附着的原生气体的残余。金牛座的昂星团是一个最新的例子。像人类的家庭一样，成年后的星体也会离家远走，致使兄弟姊妹之间很少团聚。在银河系的某些地方就有太阳的兄弟姊妹，其数目可能多达几十个，而且是由同一个星云在50亿年前产生的。但是，我们目前还不清楚它们都是哪些星体，只知道这些星体可能位于银河系的另一侧。
在太阳中心，由氢转化为氦的反应不仅发射出可见光的光子而使太阳光芒四射，而且还产生更神秘的、难以捉摸的辐射：太阳靠中微子发出微弱的光。中微子与光子一样，无重量，以光速传播，但中微子不是光子，它不是一种光。中微子与质子、电子和中子一样，具有固有的角动量，或称为“自旋”，而光子是根本没有自旋的。对中微子来说，物质无所不能穿透。它几乎能毫不费力地穿过地球和太阳，只有极小部分被干涉物质阻滞而不能通过。在我们朝太阳直视一秒钟时，有10亿个中微子穿过我们的眼球。当然，中微子不会像光子那样停留在视网膜上，而是势不可挡地穿过我们的头。奇妙的是，在晚上，我们低头朝着太阳的方向——地面时（就好像我们的脚下没有地球把太阳挡住一样），几乎有等量的太阳中微子穿过我们的眼球。像可见光可以轻易地穿透玻璃那样，中微子可以轻易地穿透地球。
如果我们对太阳内部的认识能像我们所想象的那么透彻，而且又懂得中微子产生的核物理学，那么我们就可以准确地计算出单位时间内在单位面积上所接收到的太阳中微子数量（譬如在我们的眼球上每秒钟所接收到的中微子数）。然而，要用实验的方法验证计算所得到的数据是相当困难的，因为我们不可能捕捉到穿过地球的中微子。但在大量的中微子中会有一小部分与物质相互作用，在条件适当的情况下还是可以检测到的。中微子偶然间可以将氯原子转变成氩原子，但质子和中子的总数不变。我们需要大量的氯，才能验证所谓的太阳中微子流的预言。为此，美国物理学家把大量洗涤液倒进南达科他州利德地区的霍姆斯特克矿井，采用微量化学的方法，从氯中除去新生的氩。从而可推断：产生的氩愈多，中微子也就愈多。实验表明，太阳的中微子比计算所预计的要少。
这至今仍然是一个不解之谜。虽然低太阳中微子流不至于危及我们关于星体核合成的理论，但肯定具有某种不可忽视的意义。有的人认为，中微子在从太阳到地球的迁移过程中裂成碎片；有的人认为，太阳内部的核火焰被暂时封闭，缓慢的引力收缩过程是产生现在这种太阳光的原因之一。当然，中微子天文学还是一门非常新的学科。但是，目前我们已经发明了一种奇妙的工具，可以用它直接观察炽热的太阳核心。随着中微子望远镜灵敏度的提高，我们还可能观测邻近星体深处的核聚变反应。
由于在太阳或者其他星球的核心里的氢燃料是有限的，氢的聚变不可能永远持续下去。一个星体的命运，一个星体的生命周期的完结，在很大程度上取决于它的原始质量。一个星体在太空中消耗了它的部分物质之后，如果它的质量还有太阳的质量的二三倍，那么，它的生命循环方式将与太阳绝然相同。但是太阳的运数已够壮观了。五六十亿年以后，当太阳中心的氢全部转化成氦的时候，氢聚变区将慢慢向外——向热核反应的膨胀壳——迁移，迁移到温度约为1000万度的地方。同时，太阳的自重将迫使其富含氦的核心重新收缩，使内部的温度和压力又进一步升高。氦核将更密集地堆集在一起，以致开始互相渗透。尽管存在着电荷间的斥力，但此时近程核吸引力开始起作用。灰烬又变成燃料，太阳将开始第二轮核聚变反应。
这个过程将产生元素碳和元素氧，为太阳在一定的时间内的继续发光提供新的能源。星球犹如埃及神话中的凤凰。相传这种鸟每500年自行焚化一次，然后由灰中再生③。在太阳外壳的氢聚变和太阳中心的高温氦聚变的共同作用下，太阳将发生根本的变化：外层膨胀、温度降低，变成一颗红色巨星。它的外表将远离其内核，结果表面引力将变得很微弱。它的大气层将以星球飓风的形式扩散到宇宙空间。当太阳膨胀成一颗红色巨星时，它将把水星和金星——甚至地球——完全吞没。整个内太阳系都将被太阳吃掉。
再过几十亿年，地球上的美好时期就会结束。以后太阳将慢慢地发红、膨胀。整个地球，包括两极，都将酷热无比。地球北极和南极的冰冠将消融，整个地球会成为一片汪洋。由于高温，更多的海水将蒸发到空中，使天空变得雾气腾腾。因为云雾遮住了阳光，地球的末日可能向后推延。但太阳的演变是无情的。海水终将沸腾，大气层势必蒸发到太空中去，我们这颗行星将遭受到最大的灾难④。到那时，人类肯定会进化成另一副模样。我们的后代也许能控制或调节星体的进化，或者只好卷起铺盖，搬到火星、土卫二或土卫六上去住，或者像R·戈达德所设想的那样，到某个年轻的、充满希望的行星系去寻找尚未开发的新天地。
利用太阳的星尘做燃料是有一定限度的。总有一天，太阳内部将完全由碳和氧组成，那时的温度和压力将无法继续维持核反应。当太阳中心的氦快用完时，其延缓的崩塌过程将重新开始，温度将再度上升，从而引起最后一轮的核反应，并使大气层相应地有所膨胀。在这最后毁灭的过程中，太阳将发生缓慢的脉动，每隔几千年伸缩一次。最后，大气层中的物质都将被他入宇宙空间，形成一个或几个同轴的气壳。因为太阳炽热的核心已经暴露，它的紫外光会将气壳淹没，还会形成斑斓缤纷的红色和蓝色的荧光，一直延伸到冥王星轨道以远的地方。太阳中的一半物质大概会以这种方式损耗掉。到那时，太阳崩溃所产生的强光将充满整个太阳系。
当我们从地球这个银河系的角落里举目四望时，我们可以看见许多星体被闪光的球形气团——行星状星云——所包围。这些星体并不是行星，不过其中有些很像在低倍望远镜里所看到的天王星和海王星的蓝绿色圆盘。这些气团乍看起来呈环形，因为它们像肥皂泡一样，边缘比中心看得更清楚。所有行星状星云都是恒星的外层标志。在靠近星体中心的地方可能有一些已经死亡了的天体，它们是曾经充满生机的行星的残骸，现在既无空气也无海洋，笼罩在微弱的亮光之中。太阳的残骸，即裸露的太阳核，最初包裹在行星状星云之中，后来变成一个炽热的小星球。它在空间逐渐变冷、收缩，密度大到空前惊人的程度——一汤匙大小的物质重达1吨以上。再过几十亿年，太阳就会退化成一颗白矮星，像我们所看到的行星状星云中心的亮点。它的表面高温度逐渐冷却，最终成为一颗暗淡无光的、死气沉沉的矮星。
质量大致相同的两颗恒星的演化速度大抵相同。不过，质量较大的恒星核燃料的消耗速度要快些，变成红巨星的时间也会早些，而且会首先衰退成白矮星。因此，应该有、也确实有许多双星体存在。在这些双星体中，一个是红巨星，另一个是白矮星。有些双星体紧靠在一起，灼热的星气流便直接从膨胀的红巨星流向致密的白矮星，在白矮星表面的某个特定的区域着陆。氢原子在白矮星的强引力作用下、不断地聚集在一起，压力和温度不断地升高，直到来自红巨星的大气物质发生热核反应，使白矮星短暂地闪烁出明亮的光辉。这样的双星体称为新星，其来源与超新星大不相同。新星只能在双星体系内形成，其能量来源于氢原子的核聚变。而超新星则只存在于单星体之中，其能量来源于硅原子的核聚变。
在星体内部合成的原子通常都要返回到星际气体中去。红巨星会将它们的外大气层喷射到星际空间去，行星状星云就是类太阳恒星不断喷射其外层物质后的最终产物。超新星迅速地将它的大部分物质喷射到星际空间去。返回星际气团的原子自然是星体内部热核反应最易产生的原子：氢原子聚变成氦，氦聚变成碳，碳聚变成氧。在大恒星内，由于氦核不断增加，形成了氖、镁、硅、硫等物质。氦核是逐步增加的，每次增加2个质子和2个中子，一直到生成铁为止。硅原子的聚变也能直接形成铁原子，因为1个硅原子含有28个质子和中子，在几十亿度的高温下，两个硅原子就可以结合成一个含有56个质子和中子的铁原子。
以上都是我们熟悉的化学元素。这样的星际热核反应并不容易生成铒、铪、镝、镨或钇，却容易生成我们日常生活中常见的元素。这些元素返回星际气团，在随后发生的星云崩塌及恒星和行星形成的过程中散尽。除了氢和部分的氦以外，地球上的所有化学元素都是几十亿年前的星体中的某种星体灶制造出来的。这些星体有一部分已经变成白矮星，默默无闻地呆在银河系的另一侧。人体脱氧核糖核酸中的氮，牙齿中的钙，血液中的铁，以及苹果馅饼中的碳，都是在崩塌的星体内部形成的。因此我们可以说，人体是由星体物质构成的。
某些稀有元素则是在超新星的爆炸过程中形成的。地球上金和铀的含量之所以比较丰富，就是因为在太阳系形成之前发生过许多超新星的爆炸。其他行星系中稀有元素的含量可能与地球不尽相同。是否存在这样一些行星，它们的居民炫耀着铝制的首饰、钋制的手镯，而金子却是实验室中难得的珍品呢？假如地球上的金和铀也像镨一样鲜为人知，无足轻重，那么我们的生活是否会大大地改观呢？
生命的起源和进化，在本质上是与星体的起源和演化息息相关的。首先，构成人的物质以及使生命活动成为可能的原子，都是很久以前在遥远的红巨星上形成的。宇宙中发现的化学元素的相对丰度，与恒星中所产生的原子的相对丰度极其吻合，因此，我们有理由相信，红巨星和超新星就是炼制物质的锅和灶。太阳是一个第二代或第三代的星体，太阳中的所有物质以及在我们周围所看到的所有物质，都是星际锅灶在前一轮或前两轮的循环中炼制的。其次，地球上还存在着某些重原子，这一事实表明，在太阳系形成之前不久，可能有一颗较近的超新星发生过爆炸。这次爆炸不大可能是一种偶然的巧合，而可能是由于超新星爆炸所形成的冲击波压缩了星际气体和尘埃，从而导致了太阳系的凝聚。第三，太阳出现之后，它的紫外线大量射入地球大气层，它的热度产生了光照，从而激发了导致生命起源的复杂的有机分子。第四，地球上的生命几乎都离不开阳光。例如，植物吸收光子后将太阳能转化成化学能，动物则以植物为养料。人类的种植活动只不过是利用植物作为媒介来获取太阳光而已。因此我们可以说，我们每个人都是以太阳作为能量来源的。最后，遗传学上的变异为进化提供了原始的材料。变异是大自然选择新生命形式的手段，而宇宙射线——超新星爆炸时以近于光的速度射出的高能粒子——则是产生变异的原因之一。遥远的大恒星的死亡是地球上生命进化的原动力之一。
假如我们把一个盖格计数器和一块铀矿石带到地下深处，譬如说，放在一个金矿井深处，或放在一个火山熔岩洞——由融化的岩浆流过地球而切开的洞穴——深处，当它们受到γ射线或像质子和氦核这样带电高能粒子的照射时；灵敏的计数器就会检测出来。如果把计数器移近铀矿石，计数速率（即计数器每分钟发出的咔嗒声）就会迅速增加，因为铀矿石在自发的核衰变中能释放出氦核。如果把铀矿石放在一个厚的铅筒内，计数速率就会大大减少，因为铅能吸收铀的辐射。但还是可以听到计数器发出一些咔嗒声，其一部分咔嗒声是由洞壁的天然放射性引起的，一部分是由穿透洞顶的带电高能粒子引起的。我们听到的是很久以前在太空深处产生的宇宙射线的声音。在地球的整个生命史中，这种主要由电子和质子组成的宇宙射线一直在不停地撞击着地面。上万光年以外的星体在消亡过程中所产生的宇宙射线，有一部分经过几百万年才穿过银河系，碰巧撞上地球以及我们的遗传物质。在生命遗传码的形成、寒武纪爆炸或我们祖先进化成两足直立的某些关键阶段，很可能就是由宇宙射线触发的。
1054年7月4日，中国天文学家在金牛星座发现了一颗他们称为“客星”的金牛星。这是一颗人们在天空中从未见过的最明亮的恒星。绕地球半固，在美洲的西南部，当时有一个富有天文研究传统的高度文明的民族⑤也目睹了这颗明亮的新星⑥。根据我们发现的一个木炭堆残迹里的C14，我们可以推断，在11世纪中期，有些安奈萨齐人，即今天的荷皮人（生活在美国亚利桑那州东北部的印第安人）的祖先，曾经在现在的新墨西哥州的一块悬垂的山崖下居住过。似乎是他们当中的一个人在悬崖上留下了一幅未受风化的新星图。这颗新星与新月之间的相对位置可能就是图中所绘的那样。在那儿还发现一个手印——也许是那位画家留下的印记。
这颗著名的恒星现在称为蟹状超新星，距地球5000光年。之所以如此称呼这颗星，是因为几个世纪以后，一位天文学家用望远镜观察大爆炸的残迹时，偶然想起它的形状像螃蟹。蟹状星云是一个巨大的恒星爆炸的残留物形成的。这次大爆炸经历了3个月，在地面用肉眼都可以看见。在晴朗的白天很容易看到，就是在晚上，也可以借它的光读书看报。每一个星系中，平均每100年出现一颗超新星。一个典型的星系的生命周期大约为100亿年，也就是说，将有1亿个星球发生爆炸。这个数字是够惊人的，但是尽管如此，在1000个星星中不过只有一个星星发生爆炸。银河系在1054年发生爆炸之后，第谷于1572年发现了一个超新星。稍后，在1604年，开普勒⑦又发现了另一颗超新星。但是自从天文望远镜发明以来，竟然在银河系里还没有观察到超新星的爆发。几个世纪以来，天文学家们对此怨叹不已。
我们现在经常能观察到其他星系中的超新星。1979年12月6日，英国《自然》杂志刊登的D·赫尔方和K·朗的文章足以使20世纪初的天文学家惊讶得目瞪口呆。文章宣称：“1979年3月5日，由9个星际飞行器组成的爆发传感器网络，记录到了极其猛烈的硬X射线与γ射线的爆发。根据飞行时间测定：其位置与大麦哲伦星云中的N49号超新星的残留物位置相一致。”（大麦哲伦星云所以这样命名，是由于在北半球第一个注意到这个星云的人叫麦哲伦。这是银河系的一个小卫星星系，在18万光年以外。既然有大麦哲伦星云，当然也有小麦哲伦星云）但是，同一期杂志还刊登了梅泽兹和他在列宁格勒爱奥弗（Ioffe）学院的同事合写的文章。他们利用装在“联盟11”号和“联盟12”号宇宙飞船上的γ射线爆发探测器，在登上金星的途中，观察到了这个爆发源。他们认为，探测器检测到的是一个发光的脉冲星，离我们只有几百光年。尽管在位置上很接近，赫尔方和朗并没有肯定γ射线的爆发与超新星的残留物有关。他们估计了各种各样的可能性，其中包括如下这样一个令人吃惊的推断：这个爆发源就在太阳系内！也可能是其他星球的飞船在其漫长航行的归途中排出的废弃物。但是，“N49号超新星发生星体爆发”的理论更容易为人们所接受，因为我们已经证实了超新星的存在。
当太阳变成红巨星时，内太阳系的命运如何是一个严峻的问题。但有一点可以肯定，就是行星决不会被喷发的超新星融化和烤焦。只有比太阳还大的恒星附近的行星才会遭受这种厄运，因为大恒星的温度高、压力大，其核燃料的消耗速度也快，生命周期也就比太阳短得多。在发生异常的核反应之前，一个比太阳大数十倍的恒星将氢转化为氦的过程，最多只能持续几百万年。因此，几乎可以肯定没有足够的时间让任何一个行星出现高级生命形式的进化。其他星球上的生命也不可能知道他们的星球会变成超新星。这是因为，如果他们的生命长到足以使他们能明白超新星是怎么一回事，他们的星球也就不可能变成超新星。
超新星爆发的主要条件是：硅聚变成大铁核。在巨大的压力下，星体内部的自由电子被迫与铁原子核的质子合并。等量而相反的电荷互相抵消，结果星球内部变成一个巨大的原子核。原子核所占据的体积比原先的电子和铁原子核所占的体积小得多。星球中心会发生猛烈的爆聚，而其外部则产生回弹现象。超新星就是这样爆发起来的。超新星的亮度可能比该星系中所有其他星球加起来的亮度还要大。预计在今后几百万年内，猎户星座中所有最近形成的蓝白色超巨星都会变成超新星。猎户座将出现连续不断的宇宙烟火。
可怕的超新星爆发会将原来星球中的大部分物质——少量的氢和氦以及数量可观的碳、硅、铁和铀原子——喷射到宇宙空间，剩下的就是由核力束缚在一起的热中子核。这是一个巨大的原子核（原子量达1056），一个直径只有30公里的恒星，一个小得可怜的、皱缩的、密集的、没有生气的星体碎片，一个快速旋转的中子星。当巨大的红巨星坍塌成这种中子星时，它的自转速度显著加快。蟹状星云中心的中子星就是一个巨大的原子核，其大小与曼哈顿区差不多，每秒钟自转30圈。这个中子星强大的磁场在红巨星坍塌过程中得到进一步增强，并能俘获带电的粒子，其作用颇像小得多的木星磁场。在旋转磁场中的电子会产生辐射束。不仅会产生无线电频率范围内的射线，还会产生可见光。如果地球碰巧位于这个宇宙灯塔的光程之内，我们就会看到它每旋转一次就发生一次闪光。因此，我们又把它称为脉冲星。脉冲星犹如一个宇宙节拍器，它会定时闪光，定时发出嘀嗒声。它比最准确的时钟还要准时。通过对某些脉冲星的长期无线电脉冲频率的测定，我们可以推断。，这些脉冲星， 例如PSRO329+52号脉冲星，可能有一个或几个小伴星。我们大概可以这样设想：行星能够在恒星演化成脉冲星时免于毁灭，行星有可能推迟被俘获。要是站在这样的行星表面上望天空。我们将会看到怎么样的一番景象呢？
一匙中子星的质量差不多等于普通的一座山的重量。因此。如果你让一小块的这种物质从手里脱掉（你也只能这么做）、它会像石头从空中落下那样轻而易举地穿过地球。在地球上钻出一个洞，从地球的另一侧——可能从中国——钻出来。那里的人们可能正在外面散步、思考着自己的问题。突然一小块中子星物质从地面冒出来，在空中停留片刻，然后又钻回到地球的下面去。这件事至少可以成为那一天人们拿来消遣的话题。如果一块中子星物质从附近的太空中落下来，当它下落时地球又正好在它的下面转动。那么。它就会反复穿越转动的地球，将地球撞出成千上万个孔。直到它与地球的摩擦所要生的作用力迫使它停止运动为止。在中子星物质停止在地心之前，我们的行星内部早就像一块瑞士乳酪一样千疮百孔了，因此只好等地下的岩石流和金属流来愈合这些创伤。，幸运的是，大块的中子星物质还从来没有在地球上降落过。但小块的这种物质则比比皆是。中子星的这种可怕力量就潜伏在每个原子的原子核中。也就是说。在每只茶杯中，在每只老鼠身上。在每次呼吸之间。以及在每块苹果馅饼中。都存在着这种力量。中子星告诫我们，不要轻视最平凡的事物。
从上面我们已经了解到，像太阳这样的恒星终将结束它的生命而变为红巨星，然后再变为白矮星。一颗质量比太阳大2 倍的恒星坍塌后将变为一颗超新星，然后再变为一颗中子星。那些更大的恒星（例如在经历超新星阶段之后质量比太阳大5倍的恒星）的命运就更加奇特了。重力会使它转变成黑洞。假定我们有一台魔术重力机，那么就可以通过拨动它的刻度盘来控制地球的引力。开始时将转盘拨到1g⑧（g表示重力加速度），地球上所有东西的行为与我们所预料的完全一样，因为地球上的动植物以及所有的建筑物都是按1g演化和设计的如果重力远远小于1g，所有事物的外形都会变得高而瘦长，动物植物和建筑物都不会因自身的重量而倾倒或粉碎。如果重力大于1g，动物、植物和建筑物都会变得粗壮而结实。但是即使在相当强的重力场中，光仍然是直线传播的。
物体的重量随着重力的减弱而减少，当重力趋近于零时，轻微的动弹就会使我们的朋友漂浮起来，并在空中直翻筋斗；茶或其他液体一旦溢出来就变成在空中跳动的圆球，因为这时的表面张力超过了重力。当重力盘恢复到1g时。所有的茶球都会变成茶雨降落下来。当重力盘转到3g或4g时，人人都动弹不得。甚至移动一只脚都是很费力的。在我们继续将重力盘往上拨之前。我们还是把我们的朋友送出重力机的作用范围以外为妙。在重力还只有几个g的情况下，提灯的光束仍旧直线传播（就我们的分辨能力而言，可以说几乎是直线），这与重力为零时的情形没有什么两样。当重力达到1000g时，光束仍然是直的，但树木已经被压扁。当重力达到100万g时，石头由于自身的重量而粉碎。最后，除了那只有特殊豁免权的笑猫以外，没有任何东西能够幸存。当重力接近10亿g时，更不可思议的事情发生了：原来笔直射向天空的光束开始弯曲。在极大的重力加速度下，就是光也受到了影响。如果把重力再加大的话，光就会逆转而返回我们附近的地面。此时，任何宇宙间的怪物已不复存在，剩下的只是龇牙咧嘴的引力。
当重力大到一定程度时，任何东西，哪怕是光，都不能够从中逃逸出来。这样的地方就叫做黑洞。黑洞对周围的一切都是冷酷无情的，它是宇宙中的一种怪物。当密度与重力变得足够大时，黑洞熄灭不见了。之所以称之为黑洞，是因为即使是光也无法从中逃脱出来。由于光被捕捉在黑洞里，所以黑洞到处都被照得明晃晃的。虽然我们从外面看不见黑洞，但它的重力存在却是很明显的。在星际航行中，如果你对黑洞没有给予足够重视，你就可能被黑洞无情地拖进去，你的身体就会被拉成细细的长线。但是，万一你在这样的航行中幸免于难的话，你倒是应该好好地看一看环绕着黑洞所形成的碟形物。
太阳内的热核反应支撑着太阳的外层，使悲剧性的重力坍塌延迟几十亿年。白矮星是靠从原子核中脱离出来的电子压力来支撑的，而中子星则是靠中子压力来抵消重力影响的。但对于超新星爆发和其他激变之后的残骸所形成的质量比太阳大好几倍的晚期星体来说，目前还没有什么已知的力量能够防止它坍塌。这种星体令人难以置信地收缩、旋转、发红、最后消失、质量比太阳大2O倍的星体则会收缩成美国洛杉矾那个样子。当重力骤增到1010时，这种星体会通过自生的裂缝滑到时空的连续统一体中，最终从我们的宇宙里消失掉。
黑洞是英国天文学家约翰·米歇尔于1783年首先想到的，但是由于这个想法实在太离奇了。所以长期被忽视。一直到最近，这一想法才开始得到重视。随后，人们竟然找到了黑洞存在于宇宙空间中的证据。这一事实使包括天文学家在内的许多人都感到十分惊奇。X射线是不能透过地球大气层的，因此，如果我们要确定这种波长很短的光是否是天体发出的，我们必须将X射线望远镜带到高空中去。世界上第一个X射线观测站是国际合作的范例，它是美国在1971年从意大利的一个发射台发射的，该发射台位于印度洋肯尼亚沿岸，命名为乌呼鲁（Uhuru斯瓦希里语的“自由”）。1971年，乌呼鲁在天鹅座星系发现了一个非常明亮的X射线源。这个X射线源忽隐忽现，频率为每秒1000次，因此这个被称为“天鹅X-l”的射线源必定很小。不管忽隐忽现的原因是什么，这种隐现的信息穿过“天鹅X-1”的速度不会比光速（30万公里／秒）快，因此，“天鹅 X-1的直径不会大于 30万公里/秒 ×1/1000秒=300公里。一颗与小行星一般大小的天体就是一个明亮的X射线源，即使在星际以外也看得见，它可能是什么东西呢？“天鹅X－l”跟一颗炽热的蓝色超巨星并列在一起，从这颗超巨星的可见光里还可以看到一颗以前没有发现过的靠得很近的大伴星，它不断地改变它的引力方向，质量大约是太阳的10倍，该超巨星不可能是一个X射线源，因此，用X射线光源来验证这颗从可见光里看到的伴星是很理想的，但是，一个质量比太阳大10倍而且已经坍塌成小行星的不可见物体只能是一个黑洞，X射线很可能是由聚集在“天鹅 X-1”周围的气体和尘埃与超巨星摩擦而产生物，天蝎V861、“Gx339-4”“SS433”以及“圆规座X-2”等星体都可能成为黑洞，“仙后A”是一个超新星的残骸，这颗超新星的光在17世纪就已经到达地球了、当时世上已有不少天文学家，但竟然没有一个人记载过这次爆发。像I·S·斯克洛夫斯基所推测的那样，那里可能隐藏着一个黑洞，黑洞吞噬了爆发中的恒星核。熄灭了超新星的火焰。空间望远镜是追踪、搜索神奇的黑洞蛛丝马迹的有效工具。
为了更好地理解黑洞，我们可以设想一个空间曲面，设想一个平整而又柔软的线性二维平面。如果我们往平面上投下一小团物质。平面就会变形或起皱，一粒弹子围绕这个皱面滚动，滚动的轨迹就像行星绕着太阳运动的轨道，根据这种解释（爱因斯坦的创见），重力就是空间结构的畸变。在这个例子中。我们看到，被物质弄弯曲的2维空间变成了3维的物理空间。设想我们生活在一个3维的宇宙空间里，物质将我们的住地畸变成我们的直观所无法感觉的4维物理空间，物质的质量越大，它的重力就越大；平面越褶皱，空间的畸变或弯曲越厉害，以此类推，黑洞是一种无底的深渊。假如你掉进了黑洞，会发生什么事情呢？跟从外面看到的一样，你会觉得下落的时间无限之长，因为在别人看来，你的钟——不管是机械钟还是生物钟——都停止了。但在你看来，你的钟仍在滴答滴答地走动着。假如你能克服引力潮和辐射流的伤害、而且，假如黑洞正在旋转着（这是很可能的），那么，你可能出现在时空上完全不同的另一部分，即空间上的另外某个地方、时间上的另外某个时刻。有人提出空间有一种蛀洞，这种蛀洞有点像苹果上的蛀洞，尽管这种观点尚未得到证实。重力隧道能够提供一种星际的或星系间的通道，让我们以非凡的速度直抵难以抵达的地方吗？黑洞能作为时间机器为人类服务。，把我们带到遥远的过去和无穷的将来去吗？这些设想正在被认真、严肃、周密地讨论着。这个事实表明，宇宙是多么超现实的啊！
从根本的意义上来说，我们都是宇宙之子。试想。在炎热的夏天，你仰望万里无云的天空，阳光炙烤着你的面孔，如果你直视太阳。该是一件多么危险的事啊！太阳离地球足足有1．5亿公里远，但是我们尚能感觉到其巨大的威力。如果我们处在太阳炽热而发光的表面，或进入熊熊燃烧的核火炉中心，我们又将感觉到什么呢？太阳给予人类以温暖，养育着人类，使人类得到光明。是它使地球富饶肥沃，它的强大力量是人类的实践活动所远远不可及的。鸟儿欢快地迎接日出，甚至某些单细胞的生物也有趋光的本能。我们的祖先把太阳奉若神明⑨，这是何等的聪明！但在宇宙之中，太阳只不过是一颗普通的、甚至是平凡的星球。如果我们应该崇拜比自身强大的力量的话，难道我们不该去崇敬太阳和其他星体吗？这种敬畏之心，深深地隐藏在每一位天文调查者之中，有时埋藏得如此之深，以致研究者自己常常没有觉察到它的存在。
银河系还是一个尚未探索的充满神奇的星体的世界。虽然我们对银河系进行过初步的探索，而且正碰到过其中的一些星体，有几个与我们所了解的星体相似，有些则古怪到超出了我们所能想象的程度，但是，我们的探索才刚刚开始。以往的探索航行表明，我们对银河系的许多非常有趣的星体至今仍然一无所知，无法预言。在银河系以外不远的地方，几乎可以肯定存在着行星，它们环绕着麦哲伦星云中的恒星运转，环绕着银河系周围的球状星团中的恒星运转。银河系可能是一个巨大的螺旋形世界，拥有4000亿个星球，此外还有正在坍塌的气体云、正在收缩的行星系、发光的超巨星、稳定的中期恒星、红巨星、白矮星、行星状星云、新星、超新星、中子星和黑洞。我们这个星球上的物质、我们这个星球的形态及其大部分特征，是受生命与宇宙间深刻的内在联系所制约的。这个问题，我们从研究地球本身人手，已经逐步弄清，将来一定会在研究整个银河系行星世界的过程中进一步弄清。
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①人们原先认为质子是均匀地分布在电子云中，而不是在原子中心聚集成带正电荷的原子核。原子核是剑桥大学E·卢瑟福发现的，他发现某些撞击的粒子沿着它们入射的方向反弹回来。卢瑟福评述说：“这是我一生中所发生的最不可思议的事件，几乎就像向一张纸发射的一发15英寸的加农炮弹反弹回来打中你自己一样的不可思议。”
②作这一计算的想法很古老。阿基米德的《数沙人》是这样开头的“有一些人，像济若王他们认为沙子的数目是无穷的，我所说的沙子不仅是指锡拉立兹周围和西西里其他地方的沙子，还包括任何地方，不论有没有人居住的地方所发现的所有的沙子。还有一些人，他们并不将其看为无穷，而只是认为没有一个已命名的数大到足以超过其值而已。”阿基米德接着不仅命名了这个数，而且估算了它。后来他问到，当时所知的宇宙能容纳多少一粒挨着一粒排列起来的沙子？他的估计是1063，这与1087个原子恰巧相当接近。
③比太阳重的星体在它们最后的演化阶段会达到更高的中心温度和压力。它们能够不只一次地从灰烬中再生，利用碳和氧作为燃料合成更重的元素。
④阿兹台克人（墨西哥印第安人）曾经预言过“当地球变得疲惫不堪……当地球的子孙后代已经完结”的时刻，他们相信，到了那一天，太阳将从天空坠落，星星将从天空中抖落下来。
⑤指玛雅人（maya）族，印第安人的一个种族。
⑥穆斯林的观测者也注意到这颗新星，但在所有的欧洲纪年史中对此都没有提到过一个字。
⑦开普勒在1606年出版的一本书《新星》中，对超新星是宇宙中原子的某种偶然联结表示怀疑。他写道：“……这不是我的看法，而是我妻子的看法：昨天，当我写作疲倦时，被叫去吃晚饭，我要的一盘沙拉已放在我的面前。我说：‘好像只要锡盘、莴苣叶、盐水、醋、油和蛋片永远在空中到处飞翔，最后可能偶然会成为一盘沙拉’。我亲爱的妻子回答：‘是的，但不会像我的这一盘这么可口’。”
⑧1g是物体在地球表面下落时所具有的加速度，约为10米/秒2。下落的石块1秒钟后速度将达到10米/秒。2秒后达到20米/秒、如此等等、直到碰到地面或由于空气的摩擦阻力而减慢。在重力大得多的地方，下落物体的速度也将相应增大许多。在加速度为10g的地方，1秒钟后速度达10×10米/秒=100米/秒，2秒后为200米/秒，以此类推。此时稍微绊一下就可能会致命的。由重力引起的加速度通常用小写g表示，以与牛顿的引力常数G相区别。G是宇宙各处引力强度的度量，不单单是指我们所讨论的地球或太阳的某个地方（两个参数的数量关系为F=mg=GMm/r2，g＝GM／r2。其中F为重力，M为行星或恒星的质量。m为下落物体的质量，t为下落的物体到行星或恒星中心之间的距离）。