假如你想從頭開始製作「蘋果餡餅」，你就必須首先創造宇宙

製作蘋果餡餅需要小麥和蘋果，還要這兒加一點、那兒添一撮，最後用爐子烘烤。餡餅的配料是由分子組成的，

比如糖分子或水分子。這些分子又是由碳原子、氧原子、氫原子及少數其他原子組成的。

這些原子又來自何方呢？除氫原子外，其他的原子都是星體造就的，一個星球就像一個宇宙灶，能把氫原子燒製成較重的原子。星球是由星際的氣體和塵埃凝聚而成的，氫是這些氣體和塵埃的主要成分。氫是在宇宙大爆炸中生成的。假如你想從頭開始製作蘋果餡餅，你就必須首先創造宇宙。

假如把一個蘋果餡餅切成兩半，將其中的一半再切成兩半，按照德莫克利特的想法這樣切下去，要切多少次才能切成原子呢？答案是：大約要連續切90次。這當然是不可能做到的。因為不會有這麼鋒利的刀，況且餡餅又極易破碎；原子非常小，肉眼無論如何是看不見的。不過，還是有辦法做到的。

在1910年前後的45年中，人們在英格蘭劍橋大學首次揭示了原子的本質。這個方法之一是：用原子碎片轟擊原子，再觀察它們是如何跳出來的。典型的原子外層裹著一層電子云。電子就是帶電的粒子，它所帶的電荷被隨機地規定為負電荷。電子決定原子的化學性質，因此才有光燦燦的金子，冷冰冰的鐵和具有晶體結構的鑽石。在原子的內部，原子核深深隱藏在電子云裡面，它是由帶正電荷的質子和中性的中子組成的。原子非常小，1億個原子首尾相連也只有小指尖那麼大。而原子核則更小，只有原子的十萬分之一。難怪人們用了這麼長的時間才發現原子核，然而，原子的大部分質量卻集中在原子核內。相比之下，電子猶如漂浮的絨毛。由此可見，原子內部充滿了空間，物質內部是很空虛的。

人類就是由原子組成的，我們放在桌子上的胳膊肘就是由原子組成的，桌子也是由原子所組成的。既然原子如此之小，原子內部又是如此之空虛，原子核甚至更小，那麼，為什麼桌子能把我們撐住？為什麼我的胳膊肘的原子核不會輕易地滑進桌子的原子核中去呢？為什麼我們不會捲成一團或者掉到地球的另一端呢？科學家A·愛丁頓就經常這樣問自己。

答案在電子云里。我胳膊肘中的原子外層有負電荷，桌子中每個原子的外層也都有負電荷，這些負電荷相互排斥。我的胳膊肘之所以不會穿透桌子，就是因為原子核周圍有電子，這些電子的電力是很強的。日常生活中的一切無不依賴原子的結構。如果去掉原子中的電荷，任何事物都將變成看不見的微塵。沒有這種強大的電的作用力，世界上就不會有物體，而只有四處漂游的電子、質子和中子以及基本粒子的引力球——支離破碎的宇宙殘骸。

當我們假定將蘋果餡餅切成單一的原子時，我們面臨著一個無窮小的問題；當我們抬頭仰望夜空時，我們則碰到一個無窮大的問題。這些無窮是時空的無窮回歸：空間沒有盡頭，時間沒有窮盡。如果你站在理髮店的兩面鏡子之間，你會看到你本人的許多映像，每一個映像都是另一個映像的反映。但你不可能看到無窮無盡的映像，因為鏡子不可能絕對平整，光傳播的速度也不是無窮快，同時，你站在鏡子中間阻礙了光的反射。這裡所謂的「無窮大」是一個比任何數字都要大的數。

有一次，名叫E·卡斯納的美國數學家要他9歲的侄子為一個非常大的數字取個名字，這個數是10的100次方，即1後面跟著100個零。這個孩子稱這個數為「Googol」，寫出來是10000000……你也可以自己組成一個非常大的數，再給它起個奇妙的名字。試試看，這是頂有趣的，特別是如果你碰巧也才9歲。「Googol」（10100）似乎夠大的了，再設想一下「Googolplex」（1010100）它是10的10100次方，即1後面跟10100個零。人體中原子的總數大約為1028，而在能觀察得到的宇宙中，基本粒子——質子、中子和電子——的總數大約是1080。如果宇宙是由中子填充的實心體，也就是說，在宇宙中不留任何空間，所需的中子數大約為10128。這個數目與「Googol」相比是大得多了，但與「Googolplex」相比就微乎其微了。況且「Googol」和「Googolplex」都談不上接近無窮大。確切地說，它們同無窮大的距離與1同無窮大的距離是一回事。如果有人試圖寫出「Googolplex」，這隻能是毫無希望的侈想。即使有一張紙大到足以清晰地容納下「Googolplex」所包含的所有的零，整個已知的宇宙也塞不下這張大紙。幸好「Googolplex」有一個很簡單的表示法：1010100，無窮大也有相應的表示：「∞」（讀作「無窮大」）。

燒焦的蘋果餡餅大部分變成碳。切90次即可得到碳原子。碳原子核中有6個質子和6個中子，外層雲中有6個電子。假如我們從原子核中取出一小塊，比如說一塊帶兩個質子和兩個中子的碎片，它將不再是碳原子核，而是氦原子核。在核武器和普通的核電廠中所進行的正是這種原子核的切割或裂變，只是它們所分裂的不是碳。在你第91次切割蘋果餡餅時，或者當你從碳原子核上切下一薄片時，你所得到的不是一小塊碳，而是化學性質完全不同的其他原子，這就叫做「元素嬗變」。

讓我們來進一步探索這個問題。我們知道，原子是由質子、中子和電子組成的。那麼，我們能分割質子嗎？假如我們在高能條件下用其他基本粒子（比如質子）來轟擊質子，我們就可以看到隱藏在質子內部更基本的粒子單位。物理學家現在認為，像質子和中子等所謂的基本粒子，實際上是由稱為夸克的更基本的粒子組成的。夸克的性質可以說是「色香味俱全」，這樣說是為了讓人們更好地理解原子核世界。夸克是物質的最小組成單位嗎？或者它自身也是由更小更基本的粒子組成的？我們對物質性質的認識是否已經到底了？是否還存在著無限的越來越小的基本粒子呢？這是科學上還沒有解決的一個最大的問題。

在中世紀的實驗室中，為了探求煉丹術，人們曾經探索過元素的嬗變。許多鍊金術士都相信，所有的物質都是4種基本物質——水、氣、土和火——的混合物。這是愛奧尼亞人的一種古老的推測。他們認為，通過改變土和火的比例，銅就可以變成金。這種謊言頗為迷人。卡格里沃斯特洛和聖·傑耳曼伯爵一類的騙子自稱不僅可以點鐵成金，而且還通曉長生不老的奧秘。他們有時把金子藏在攪棒的一端，然後裝模作樣地演示一番，最後讓金塊奇蹟般地在坩堝中出現。鍊金術士以財富和長生不老作誘餌，從歐洲貴族身上騙走了大量金錢。當然，嚴肅的鍊金術士也還是有的。如巴拉塞爾士，甚至還包括艾薩克·牛頓。當然，煉丹士詐騙到的錢並沒有完全白費掉，他們發現了磷、銻和汞等新的化學元素。事實上，現代化學的興起可以直接追溯到這些煉丹士的試驗。

天然存在的化學性質不同的原子，共有92種，稱為化學元素。直到近代，我們行星上的一切都是由這些元素所組成的，但它們主要以分子的形式存在。水是由氫和氧原子組成的，空氣主要由氮（N）、氧（O）、碳（C）、氫（H）和氬（Ar）原子組成，以N2、02、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、鋁、鎂和鐵的原子。火併不是由化學元素所組成，而是高溫下失去電子的原子核構成的熱輻射等離子體。從現代觀點來看，古代愛奧尼亞人所說的以及煉丹術的所謂4種元素——水、氣、土、火，實際上根本不能稱為元素，因為其中之一的水是一種化合物，另兩種（土和氣）是混合物，而火則是一種等離子子體。

自鍊金術士時代以來，越來越多的元素已被發現，越後發現的元素越是稀有的元素。組成地球的元素或成為生命基礎的元素是最常見的元素。在室溫下有些元素是固態，有些呈氣態，而溴和汞兩種元素則呈液態。科學家根據元素的複雜程度將它們按次序排列成表。氫是最簡單的，為1號元素：最複雜的是鈾，為92號元素。還有一些元素是我們不太熟悉的，如鉿、鉺、鏑和鐠，這些元素在我們日常生活中極難碰到。大體上說，愈是我們熟悉的元素愈普遍存在。地球含有大量的鐵，而釔的含量卻相當少。當然，這個規律也有例外。例如金或鈾都很貴重，因為它們可以用來製造金幣或裝飾品，或者因為它們具有極大的實用價值。

原子由三種基本粒子——質子、中子和電子——組成。這一事實直到近代才被發現，而中子則遲至1932年才被發現。現代物理學和現代化學的創立，把錯綜複雜的世界簡化到了令人吃驚的程度：千姿百態的物質世界只是由3種粒子以不同排列組成的。

中子，顧名思義，是不帶電荷的。質子帶正電荷，而電子則帶有與質子等量的負電荷。電子與質子所帶的不同電荷之間的相互吸引力使原子得以結合在一起。南於每個原子都是中性的，原子核中質子的數目必定與電子云中的電子數目相等。原子的化學性質只取決於電子的數目。電子的數目（也就是質子的數目）稱為原子數。畢達哥拉斯一定會贊同如下觀點，即化學僅僅是一門數字的科學。具有1個質子的原子必定是氫，2個是氦，3個是鋰，4個是鈹，5個是硼，6個是碳，7個是氮，8個是氧，以此類推，具有92個質子的原子必定是鈾。

同性電荷互相排斥。這就是我們所說的「同類相剋」——猶如隱士碰上了厭世者。電子排斥電子，質子排斥質子。那麼，原子核是怎樣捏合在一起的呢？為什麼不會各飛東西呢？這是因為其中還有另一種自然力的存在，它既不是引力，也不是電力，而是一種近程核力。只有在質子和中子靠得非常近時，這種力才起作用。它像一排排的鉤子，將質子和中子互相拉扯在一起，從而克服了質子間的排斥力。中子只產生核吸引力而不產生電排斥力，它像膠水一樣把原子核粘在一起。縱使「隱士」性格孤僻，彼此之間仍可以和睦相處。

氦的原子核里有兩個質子和兩個中子，它的結構非常穩定。3個氦原子核構成一個碳原子核，4個構成氧原子核，5個構成氖原子核，6個構成鎂原子核，7個構成硅原子核，8個構成硫原子核，如此等等。每當我們增加一個或幾個質子及足夠數目的中子使原子核凝聚在一起時，我們就製造出一種新的化學元素。如果我們從汞中取出一個質子和3個中子，我們就可以得到金——這是古代煉金士們夢寐以求的事情。鈾以外還有一些其他的元素。在地球上，這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號元素叫鈈，是已知最毒的一種元素。不幸的是，它的分解速度相當慢。

天然存在的元素又是來自何方呢？我們不妨詳細考察一下各種原子各自形成的過程。整個宇宙幾乎到處都存在著氫和氦，這兩種最簡單的元素占宇宙物質的99％。事實上，人們在地球上發現氦之前就已經在太陽上發現氦的存在，所以才把它命名為「Helium」（取自希臘的太陽神Helios）。其他元素是否可能是從氫和氦演化而來的呢？核物質必須靠得很近才能抵消電斥力，從而使近程核力起作用。但這種情況只有在幾千萬度的高溫下才能發生，因為在這樣的高溫下，粒子的運動速度極快，以至於斥力來不及起作用。在自然界里，只有星體內部才有這樣的高溫和因此而產生的高壓。

人類研究了太陽離地球最近的恆星表面發出的各種波的波長，其中包括無線電電波、普通可見光和X射線等。太陽並不像阿那克薩哥拉所設想的那樣是一團熾熱的石頭，它是由氫和氦組成的一個巨大的球體，由於高溫而發出灼熱的白光，就像火鉗在熾熱的火爐里發出白光一樣。當然阿那克薩哥拉的見解並不是完全錯誤的。猛烈的太陽風暴會使太陽發出明亮的耀斑，嚴重地干擾地球上的無線電通訊。太陽風暴還會使太陽形成巨大的拱形羽狀熱氣層——日珥。日珥受太陽磁場的控制。與日珥相比，地球顯得渺小多了。有時在太陽下山時用肉眼可以看到太陽的黑子，它們實際上是太陽里磁場強度較大、溫度較低的區域。所有這些連續的動蕩擾動，都發生在相對溫度較低的可見表面。我們看到的只是溫度約為6000度的太陽表面。太陽內部的溫度高達4000萬度，太陽光就是從那裡發射出來的。

恆星及其伴隨的行星是在星際氣體和塵埃發生引力崩塌時產生的。星雲中分子間的相互碰撞使溫度升高，最後氫開始聚變成氦，即4個氫核結合成一個氦核，並釋放出了射線光子。光子被上面的物質交替地吸收和發射，逐漸向恆星表面移動，而且每移動一步都要損失一部分能量。光子這種漫長的遷移過程需要100萬年的時間，最後才變成可見光到達恆星表面，並向星際空間發射。結果恆星發亮了，原先的星雲引力消失了。恆星外層的重量被內部核反應所產生的高溫和高壓支撐住。50億年來，太陽就是處於這樣的一種穩定狀態之中。像氫彈內的熱核反應一樣，太陽內不斷地發生著抑制性的爆炸。這種爆炸為太陽提供了能量，每秒鐘大約有4億噸的氫轉換成氦。當我們仰望夜空中的繁星時，我們所看到的就是遙遠的核聚變發出的光亮。

在天鵝星座Deneb星（天鵝星座的一等星）方向上，有一個巨大的、由熾熱的氣體組成的超級發光氣團，它可能是氣團中心附近發生的超新星大爆炸和舊恆星泯滅產生的。在其外緣，星際物質在超新星衝擊波的重壓下，觸發出新一輪的星雲引力崩塌和新星的形成。從這個意義上說，星體也有雙親，雙親之一可能在孩子出生時死亡，正如人類有時也會發生這種情況一樣。

像獵戶座星雲那樣巨大的高度壓縮的複合星雲，能成批地產生像太陽一樣的恆星。從外部看，這樣的星雲表面似乎暗淡無光，但星雲內部卻被熾熱的新生星體照耀得燦爛輝煌。後來，這些星體離開了它們的生育之地。遨遊到銀河系去，在那裡尋求自己的前程。成長起來的星體周圍仍然帶有成簇的發光雲霧，它們是在引力作用下仍然吸附著的原生氣體的殘餘。金牛座的昂星團是一個最新的例子。像人類的家庭一樣，成年後的星體也會離家遠走，致使兄弟姊妹之間很少團聚。在銀河系的某些空間就有太陽的兄弟姊妹，其數目可能多達幾十個，而且是由同一個星雲在50億年前產生的。但是，我們目前還不清楚它們都是哪些星體，只知道這些星體可能位於銀河系的另一側。

在太陽中心，由氫轉化為氦的反應不僅發射出可見光的光子而使太陽光芒四射，而且還產生更神秘的、難以捉摸的輻射：太陽靠中微子發出微弱的光。中微子與光子一樣，無重量，以光速傳播，但中微子不是光子，它不是一種光。中微子與質子、電子和中子一樣，具有固有的角動量，或稱為「自旋」，而光子是根本沒有自旋的。對中微子來說，物質無所不能穿透。它幾乎能毫不費力地穿過地球和太陽，只有極小部分被干涉物質阻滯而不能通過。在我們朝太陽直視一秒鐘時，有10億個中微子穿過我們的眼球。當然，中微子不會像光子那樣停留在視網膜上，而是勢不可擋地穿過我們的頭。奇妙的是，在晚上，我們低頭朝著太陽的方向——地面時（就好像我們的腳下沒有地球把太陽擋住一樣），幾乎有等量的太陽中微子穿過我們的眼球。像可見光可以輕易地穿透玻璃那樣，中微子可以輕易地穿透地球。

如果我們對太陽內部的認識能像我們所想像的那麼透徹，而且又懂得中微子產生的核物理學，那麼我們就可以準確地計算出單位時間內在單位面積上所接收到的太陽中微子數量（譬如在我們的眼球上每秒鐘所接收到的中微子數）。然而，要用實驗的方法驗證計算所得到的數據是相當困難的。因為我們不可能捕捉到穿過地球的中微子。但在大量的中微子中會有一小部分與物質相互作用，在條件適當的情況下還是可以檢測到的。中微子偶然問可以將氯原子轉變成氬原子，但質子和中子的總數不變。我們需要大量的氯，才能驗證所謂的太陽中微子流的預言。為此，美國物理學家把大量洗滌液倒進南達科他州利德地區的霍姆斯特克礦井，採用微量化學的方法，從氯中除去新生的氬。從而可推斷：產生的氬愈多，中微子也就愈多。實驗表明，太陽的中微子比計算所預計的要少。

這至今仍然是一個不解之謎。雖然低太陽中微子流不至於危及我們關於星體核合成的理論，但肯定具有某種不可忽視的意義。有的人認為，中微子在從太陽到地球的遷移過程中裂成碎片；有的人認為，太陽內部的核火焰被暫時封閉，緩慢的引力收縮過程是產生現在這種太陽光的原因之一。當然。中微子天文學還是一門非常新的學科。但是，目前我們已經發明了一種奇妙的工具，可以用它直接觀察熾熱的太陽核心。隨著中微子望遠鏡靈敏度的提高，我們還可能觀測鄰近星體深處的核聚變反應。

由於在太陽或者其他星球的核心裡的氫燃料是有限的，氫的聚變不可能永遠持續下去。一個星體的命運，一個星體的生命周期的完結，在很大程度上取決於它的原始質量。一個星體在太空中消耗了它的部分物質之後，如果它的質量還有太陽的質量的二三倍，那麼，它的生命循環方式將與太陽截然相同。但是太陽的運數已夠壯觀了。五六十億年以後，當太陽中心的氫全部轉化成氦的時候，氫聚變區將慢慢向外——向熱核反應的膨脹殼——遷移，遷移到溫度約為1000萬度的區域。同時，太陽的自重將迫使其富含氦的核心重新收縮，使內部的溫度和壓力又進一步升高。氦核將更密集地堆集在一起，以致開始互相滲透。儘管存在著電荷間的斥力，但此時近程核吸引力開始起作用。灰燼又變成燃料。太陽將開始第二輪核聚變反應。

這個過程將產生元素碳和元素氧，為太陽在一定的時間內的繼續發光提供新的能源。星球猶如埃及神話中的鳳凰。相傳這種鳥每500年自行焚化一次，然後由灰中再生。在太陽外殼的氫聚變和太陽中心的高溫氦聚變的共同作用下，太陽將發生根本的變化：外層膨脹、溫度降低，變成一顆紅色巨星。它的外表將遠離其內核，結果表面引力將變得很微弱。它的大氣層將以星球颶風的形式擴散到宇宙空間。當太陽膨脹成一顆紅色巨星時，它將把水星和金星——甚至地球——完全吞沒。整個內太陽系都將被太陽吃掉。

再過幾十億年，地球上的美好時期就會結束。以後太陽將慢慢地發紅、膨脹。整個地球，包括兩極，都將酷熱無比。地球北極和南極的冰冠將消融，整個地球會成為一片汪洋。由於高溫，更多的海水將蒸發到空中，使天空變得霧氣騰騰。因為雲霧遮住了陽光，地球的末日可能向後推延。但太陽的演變是無情的。海水終將沸騰，大氣層勢必蒸發到太空中去，我們這顆行星將遭受到最大的災難。到那時，人類肯定會進化成另一副模樣。我們的後代也許能控制或調節星體的進化，或者只好捲起鋪蓋，搬到火星、土衛二或土衛六上去住，或者像R·戈達德所設想的那樣，到某個年輕的、充滿希望的行星系去尋找尚未開發的新天地。

利用太陽的星塵做燃料是有一定限度的。總有一天，太陽內部將完全由碳和氧組成，那時的溫度和壓力將無法繼續維持核反應。當太陽中心的氦快用完時。其延緩的崩塌過程將重新開始，溫度將再度上升，從而引發最後一輪的核反應，並使大氣層相應地有所膨脹。在這最後毀滅的過程中，太陽將發生緩慢的脈動，每隔幾千年伸縮一次。最後，大氣層中的物質都將被拋入宇宙空間，形成一個或幾個同軸的氣殼。因為太陽熾熱的核心已經暴露，它的紫外光會將氣殼淹沒，還會形成斑斕繽紛的紅色和藍色的熒光，一直延伸到冥王星軌道以遠的空間。太陽中的一半物質大概會以這種方式損耗掉。到那時，太陽崩潰所產生的強光將充滿整個太陽系。

當我們從地球這個銀河系的角落裡舉目四望時，我們可以看見許多星體被閃光的球形氣團——行星狀星雲——所包圍。這些星體並不是行星，不過其中有些很像在低倍望遠鏡里所看到的天王星和海王星的藍綠色圓盤。這些氣團乍看起來呈環形，因為它們像肥皂泡一樣，邊緣比中心看得更清楚。所有行星狀星雲都是恆星的外層標誌。在靠近星體中心的區域可能有一些已經死亡了的天體。它們是曾經充滿生機的行星的殘骸，現在既無空氣也無海洋，籠罩在微弱的亮光之中。太陽的殘骸，即裸露的太陽核，最初包裹在行星狀星雲之中，後來變成一個熾熱的小星球。它在空間逐漸變冷、收縮，密度大到空前驚人的程度——一湯匙大小的物質重達1噸以上。再過幾十億年，太陽就會退化成一顆白矮星，像我們所看到的行星狀星雲中心的亮點。它的表面高溫度逐漸冷卻，最終成為一顆暗淡無光的、死氣沉沉的矮星。

質量大致相同的兩顆恆星的演化速度大抵相同。不過，質量較大的恆星核燃料的消耗速度要快些，變成紅巨星的時間也會早些，而且會首先衰退成白矮星。因此，應該有、也確實有許多雙星體存在。在這些雙星體中，一個是紅巨星，另一個是白矮星。有些雙星體緊靠在一起，灼熱的星氣流便直接從膨脹的紅巨星流向緻密的白矮星，在白矮星表面的某個特定的區域著陸。氫原子在白矮星的強引力作用下、不斷地聚集在一起，壓力和溫度不斷地升高，直到來自紅巨星的大氣物質發生熱核反應，使白矮星短暫地閃爍出明亮的光輝。這樣的雙星體稱為新星，其來源與超新星大不相同。新星只能在雙星體系內形成，其能量來源於氫原子的核聚變。而超新星則只存在於單星體之中，其能量來源於硅原子的核聚變。

在星體內部合成的原子通常都要返回到星際氣體中去。紅巨星會將它們的外大氣層噴射到星際空間去，行星狀星雲就是類太陽恆星不斷噴射其外層物質後的最終產物。超新星迅速地將它的大部分物質噴射到星際空間去。返回星際氣團的原子自然是星體內部熱核反應最易產生的原子：氫原子聚變成氦，氦聚變成碳，碳聚變成氧。在大恆星內，由於氦核不斷增加，形成了氖、鎂、硅、硫等物質。氦核是逐步增加的，每次增加2個質子和2個中子，一直到生成鐵為止。硅原子的聚變也能直接形成鐵原子，因為1個硅原子含有28個質子和中子，在幾十億度的高溫下，兩個硅原子就可以結合成一個含有56個質子和中子的鐵原子。

以上都是我們熟悉的化學元素。這樣的星際熱核反應並不容易生成鉺、鉿、鏑、鐠或釔，卻容易生成我們日常生活中常見的元素。這些元素返回星際氣團，在隨後發生的星雲崩塌及恆星和行星形成的過程中散盡。除了氫和部分的氦以外，地球上的所有化學元素都是幾十億年前的星體中的某種星體灶製造出來的。這些星體有一部分已經變成白矮星，默默無聞地呆在銀河系的另一側。人體脫氧核糖核酸中的氮，牙齒中的鈣，血液中的鐵，以及蘋果餡餅中的碳，都是在崩塌的星體內部形成的。因此我們可以說，人體是由星體物質構成的。

某些稀有元素則是在超新星的爆炸過程中形成的。地球上金和鈾的含量之所以比較豐富，就是因為在太陽系形成之前發生過許多超新星的爆炸。其他行星系中稀有元素的含量可能與地球不盡相同。是否存在這樣一些行星，它們的居民炫耀著鋁製的首飾、釙制的手鐲，而金子卻是實驗室中難得的珍品呢？假如地球上的金和鈾也像鐠一樣鮮為人知，無足輕重，那麼我們的生活是否會大大地改觀呢？

生命的起源和進化，在本質上是與星體的起源和演化息息相關的。首先，構成人體的物質以及使生命活動成為可能的原子，都是很久以前在遙遠的紅巨星上形成的。宇宙中發現的化學元素的相對丰度，與恆星中所產生的原子的相對丰度極其吻合，因此，我們有理由相信，紅巨星和超新星就是煉製物質的鍋和灶。太陽是一個第二代或第三代的星體，太陽中的所有物質以及在我們周圍所看到的所有物質，都是星際鍋灶在前一輪或前兩輪的循環中煉製的。其次，地球上還存在著某些重原子，這一事實表明，在太陽系形成之前不久，可能有一顆較近的超新星發生過爆炸。這次爆炸不大可能是一種偶然的巧合，而可能是由於超新星爆炸所形成的衝擊波壓縮了星際氣體和塵埃，從而導致了太陽系的凝聚。第三，太陽出現之後，它的紫外線大量射入地球大氣層，它的熱度產生了光照，從而激發了導致生命起源的複雜的有機分子。第四，地球上的生命幾乎都離不開陽光。例如，植物吸收光子後將太陽能轉化成化學能，動物則以植物為養料。人類的種植活動只不過是利用植物作為媒介來獲取太陽光而已。因此我們可以說，我們每個人都是以太陽作為能量來源的。最後，遺傳學上的變異為進化提供了原始的材料。變異是大自然選擇新生命形式的手段，而宇宙射線——超新星爆炸時以近於光的速度射出的高能粒子——則是產生變異的原因之一。遙遠的大恆星的死亡是地球上生命進化的原動力之一。

假如我們把一個蓋格計數器和一塊鈾礦石帶到地下深處，譬如說，放在一個金礦井深處，或放在一個火山熔岩洞——由融化的岩漿流過地球而切開的洞穴——深處，當它們受到γ射線或像質子和氦核這樣帶電高能粒子的照射時。靈敏的計數器就會檢測出來。如果把計數器移近鈾礦石，計數速率（即計數器每分鐘發出的咔嗒聲）就會迅速增加，因為鈾礦石在自發的核衰變中能釋放出氦核。如果把鈾礦石放在一個厚的鉛筒內，計數速率就會大大減少，因為鉛能吸收鈾的輻射。但還是可以聽到計數器發出一些咔嗒聲，其中一部分咔嗒聲是由洞壁的天然放射性引起的，一部分是由穿透洞頂的帶電高能粒子引起的。我們聽到的是很久以前在太空深處產生的宇宙射線的聲音。在地球的整個生命史中，這種主要由電子和質子組成的宇宙射線一直在不停地撞擊著地面。上萬光年以外的星體在消亡過程中所產生的宇宙射線，有一部分經過幾百萬年才穿過銀河系，碰巧撞上地球以及我們的遺傳物質。在生命遺傳碼的形成、寒武紀爆炸或我們祖先進化成兩足直立動物的某些關鍵階段，很可能就是由宇宙射線觸發的。

中國天文學家在金牛星座發現了一顆他們稱為「客星」的金牛星。這是一顆人們在天空中從未見過的最明亮的恆星。繞地球半圈，在美洲的西南部，當時有一個富有天文研究傳統的高度文明的民族也目睹了這顆明亮的新星。根據我們發現的一個木炭堆殘跡里的C14，我們可以推斷，在11世紀中期，有些安奈薩齊人，即今天的荷皮人（生活在美國亞利桑那州東北部的印第安人）的祖先，曾經在現在的新墨西哥州的一塊懸垂的山崖下居住過。似乎是他們當中的一個人在懸崖上留下了一幅未受風化的新星圖。這顆新星與新月之間的相對位置可能就是圖中所繪的那樣。在那兒還發現一個手印——也許是那位畫家留下的印記。

這顆著名的恆星現在稱為蟹狀超新星，距地球5000光年。之所以這樣稱呼這顆星，是因為幾個世紀以後。一位天文學家用望遠鏡觀察大爆炸的殘跡時，偶然想起它的形狀像螃蟹。蟹狀星雲是一個巨大的恆星爆炸的殘留物形成的。這次大爆炸經歷了3個月，在地面用肉眼都可以看見。在晴朗的白天很容易看到，就是在晚上，也可以借它的光讀書看報。每一個星系中，平均每100年出現一顆超新星。一個典型的星系的生命周期大約為100億年，也就是說，將有1億個星球發生爆炸。這個數字是夠驚人的，但是儘管如此，在1000個星星中不過只有一個星星發生爆炸。銀河系在1054年發生爆炸之後，第谷於1572年發現了一個超新星。稍後，在1604年，開普勒又發現了另一顆超新星。但是自從天文望遠鏡發明以來，竟然在銀河系裡還沒有觀察到超新星的爆發。幾個世紀以來，天文學家們對此怨嘆不已。

我們現在經常能觀察到其他星系中的超新星。1979年12月6日，英國《自然》雜誌刊登的D·赫爾方和K·朗的文章足以使20世紀初的天文學家驚訝得目瞪口呆。文章宣稱：「1979年3月5日，由9個星際飛行器組成的爆發感測器網路，記錄到了極其猛烈的硬X射線與γ射線的爆發。根據飛行時間測定：其位置與大麥哲倫星雲中的N49號超新星的殘留物位置相一致。」

（大麥哲倫星雲所以這樣命名，是由於在北半球第一個注意到這個星雲的人叫麥哲倫。這是銀河系的一個小衛星星系，在18萬光年以外。既然有大麥哲倫星雲。當然也有小麥哲倫星雲）但是，同一期雜誌還刊登了梅澤茲和他在列寧格勒愛奧弗學院的同事合寫的文章。他們利用裝在「聯盟11」號和「聯盟12」號宇宙飛船上的γ射線爆發探測器，在登上金星的途中，觀察到了這個爆發源。他們認為，探測器檢測到的是一個發光的脈衝星，離我們只有幾百光年。儘管在位置上很接近，赫爾方和朗並沒有肯定γ射線的爆發與超新星的殘留物有關。他們估計了各種各樣的可能性，其中包括如下這樣一個令人吃驚的推斷：這個爆發源就在太陽系內！也可能是其他星球的飛船在其漫長航行的歸途中排出的廢棄物。但是，「N49號超新星發生星體爆發」的理論更容易為人們所接受，因為我們已經證實了超新星的存在。

當太陽變成紅巨星時，內太陽系的命運如何是一個嚴峻的問題。但有一點可以肯定，就是行星決不會被噴發的超新星融化和烤焦。只有比太陽還大的恆星附近的行星才會遭受這種厄運，因為大恆星的溫度高、壓力大，其核燃料的消耗速度也快，生命周期也就比太陽短得多。在發生異常的核反應之前，一個比太陽大數十倍的恆星將氫轉化為氦的過程，最多只能持續幾百萬年。因此，幾乎可以肯定沒有足夠的時間讓任何一個行星出現高級生命形式的進化。其他星球上的生命也不可能知道他們的星球會變成超新星。這是因為，如果他們的生命長到足以使他們能明白超新星是怎麼一回事，他們的星球也就不可能變成超新星。

超新星爆發的主要條件是：硅聚變成大鐵核。在巨大的壓力下，星體內部的自由電子被迫與鐵原子核的質子合併。等量而相反的電荷互相抵消，結果星球內部變成一個巨大的原子核。原子核所佔據的體積比原先的電子和鐵原子核所佔的體積小得多。星球中心會發生猛烈的爆聚，而其外部則產生回彈現象。超新星就是這樣爆發起來的。超新星的亮度可能比該星系中所有其他星球加起來的亮度還要大。預計在今後幾百萬年內，獵戶星座中所有最近形成的藍白色超巨星都會變成超新星。獵戶座將出現連續不斷的宇宙焰火。

可怕的超新星爆發會將原來星球中的大部分物質——少量的氫和氦以及數量可觀的碳、硅、鐵和鈾原子——噴射到宇宙空間，剩下的就是由核力束縛在一起的熱中子核。這是一個巨大的原子核（原子量達1056），一個直徑只有30公里的恆星，一個小得可憐的、皺縮的、密集的、沒有生氣的星體碎片，一個快速旋轉的中子星。當巨大的紅巨星坍塌成這種中子星時，它的自轉速度顯著加快。

蟹狀星雲中心的中子星就是一個巨大的原子核，其大小與曼哈頓區差不多，每秒鐘自轉30圈。這個中子星強大的磁場在紅巨星坍塌過程中得到進一步增強，並能俘獲帶電的粒子，其作用頗像小得多的木星磁場。在旋轉磁場中的電子會產生輻射束。不僅會產生無線電頻率範圍內的射線，還會產生可見光。如果地球碰巧位於這個宇宙燈塔的光程之內，我們就會看到它每旋轉一次就發生一次閃光。因此，我們又把它稱為脈衝星。

脈衝星猶如一個宇宙節拍器，它會定時閃光，定時發出嘀嗒聲。它比最準確的時鐘還要準時。通過對某些脈衝星的長期無線電脈衝頻率的測定，我們可以推斷。這些脈衝星，例如PSR0329＋54號脈衝星，可能有一個或幾個小伴星。我們大概可以這樣設想：行星能夠在恆星演化成脈衝星時免於毀滅，行星有可能推遲被俘獲。要是站在這樣的行星表面上望天空。我們將會看到怎麼樣的一番景象呢？

一匙中子星的質量差不多等於普通的一座山的重量。因此。如果你讓一小塊的這種物質從手裡脫掉（你也只能這麼做）、它會像石頭從空中落下那樣輕而易舉地穿過地球。在地球上鑽出一個洞，從地球的另一側——可能從中國——鑽出來。那裡的人們可能正在外面散步、思考著自己的問題。突然一小塊中子星物質從地面冒出來，在空中停留片刻，然後又鑽回到地球的下面去。這件事至少可以成為那一天人們拿來消遣的話題。如果一塊中子星物質從附近的太空中落下來，當它下落時地球又正好在它的下面轉動。那麼。它就會反覆穿越轉動的地球，將地球撞出成千上萬個孔。直到它與地球的摩擦所產生的作用力迫使它停止運動為止。在中子星物質停止在地心之前，我們的行星內部早就像一塊瑞士乳酪一樣千瘡百孔了，因此只好等地下的岩石流和金屬流來癒合這些創傷。幸運的是，大塊的中子星物質還從來沒有在地球上降落過。但小塊的這種物質則比比皆是。中子星的這種可怕力量就潛伏在每個原子的原子核中。也就是說，在每隻茶杯中，在每隻老鼠身上，在每次呼吸之間，以及在每塊蘋果餡餅中，都存在著這種力量。中子星告誡我們，不要輕視最平凡的事物。

從上面我們已經了解到，像太陽這樣的恆星終將結束它的生命而變為紅巨星，然後再變為白矮星。一顆質量比太陽大2倍的恆星坍塌後將變為一顆超新星，然後再變為一顆中子星。那些更大的恆星（例如在經歷超新星階段之後質量比太陽大5倍的恆星）的命運就更加奇特了。重力會使它轉變成黑洞。假定我們有一台魔術重力機，那麼就可以通過撥動它的刻度盤來控制地球的引力。開始時將轉盤撥到1g（g表示重力加速度），地球上所有東西的行為與我們所預料的完全一樣，因為地球上的動植物以及所有的建築物都是按1g演化和設計的。如果重力遠遠小於1g，所有事物的外形都會變得高而瘦長，動物植物和建築物都不會因自身的重量而傾倒或粉碎。如果重力大於1g，動物、植物和建築物都會變得粗壯而結實。但是即使在相當強的重力場中，光仍然是直線傳播的。

物體的重量隨著重力的減弱而減少，當重力趨近於零時，輕微的動彈就會使我們的朋友漂浮起來，並在空中直翻筋斗；茶或其他液體一旦溢出來就變成在空中跳動的圓球，因為這時的表面張力超過了重力。當重力盤恢復到1g時，所有的茶球都會變成茶雨降落下來。當重力盤轉到3g或4g時，人人都動彈不得。甚至移動一隻腳都是很費力的。在我們繼續將重力盤往上撥之前，我們還是把我們的朋友送出重力機的作用範圍以外為妙。在重力還只有幾個g的情況下，提燈的光束仍舊直線傳播（就我們的分辨能力而言，可以說幾乎是直線），這與重力為零時的情形沒有什麼兩樣。當重力達到1000g時，光束仍然是直的，但樹木已經被壓扁。當重力達到100萬g時，石頭由於自身的重量而粉碎。最後，除了那隻具有特殊豁免權的笑貓以外，沒有任何東西能夠倖存。當重力接近10億g時，更不可思議的事情發生了：原來筆直射向天空的光束開始彎曲。在極大的重力加速度下，就是光也受到了影響。如果把重力再加大的話，光就會逆轉而返回我們附近的地面。此時，任何宇宙間的怪物已不復存在，剩下的只是齜牙咧嘴的引力。

當重力大到一定程度時，任何東西，哪怕是光，都不能夠從中逃逸出來。這樣的地方就叫做黑洞。

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黑洞對周圍的一切都是冷酷無情的，它是宇宙中的一種怪物。當密度與重力變得足夠大時，黑洞熄滅不見了。之所以稱之為黑洞，是因為即使是光也無法從中逃脫出來。由於光被捕捉在黑洞里，所以黑洞到處都被照得明晃晃的。雖然我們從外面看不見黑洞，但它的重力存在卻是很明顯的。在星際航行中，如果你對黑洞沒有給予足夠重視，你就可能被黑洞無情地拖進去，你的身體就會被拉成細細的長線。但是，萬一你在這樣的航行中幸免於難的話，你倒是應該好好地看一看附著黑洞周同的碟形物。

太陽內的熱核反應支撐著太陽的外層，使悲劇性的重力坍塌延遲幾十億年。白矮星是靠從原子核中脫離出來的電子壓力來支撐的，而中子星則是靠中子壓力來抵消重力影響的。但對於超新星爆發和其他激變之後的殘骸所形成的質量比太陽大好幾倍的晚期星體來說，目前還沒有什麼已知的力量能夠防止它坍塌。這種星體令人難以置信地收縮、旋轉、發紅、最後消失，質量比太陽大20倍的星體則會收縮成美國洛杉磯那樣大小。當重力驟增到1010時，這種星體會通過自生的裂縫滑到時空的連續統一體中，最終從我們的宇宙里消失掉。

黑洞是英國天文學家約翰·米歇爾於1783年首先想到的，但是由於這個想法實在太離奇了。所以長期被忽視。一直到最近，這一想法才開始得到重視。隨後，人們竟然找到了黑洞存在於宇宙空間中的證據。這一事實使包括天文學家在內的許多人都感到十分驚奇。X射線是不能透過地球大氣層的，因此，如果我們要確定這種波長很短的光是否是天體發出的，我們必須將X射線望遠鏡帶到高空中去。世界上第一座X射線觀測站是國際合作的範例，它是美國在1971年從義大利的一個發射台發射的，該發射台位於印度洋肯亞沿岸，命名為烏呼魯（Uhuru斯瓦希里語的「自由」）。1971年，烏呼魯在天鵝座星系發現了一個非常明亮的X射線源。這個X射線源忽隱忽現，頻率為每秒1000次，因此這個被稱為「天鵝X－1」的射線源必定很小。不管忽隱忽現的原因是什麼，這種隱現的信息穿過「天鵝X－1」的速度不會比光速（30萬公里／秒）快，因此，「天鵝X－1」的直徑不會大於30萬公里／秒×1／1000秒=300公里。一顆與小行星一般大小的天體就是一個明亮的X射線源，即使在星際以外也看得見，它可能是什麼東西呢？「天鵝X－1」跟一顆熾熱的藍色超巨星並列在一起，從這顆超巨星的可見光里還可以看到一顆以前沒有發現過的靠得很近的大伴星，它不斷地改變它的引力方向，質量大約是太陽的10倍，該超巨星不可能是一個X射線源。因此，用X射線光源來驗證這顆從可見光里看到的伴星是很理想的，但是。一個質量比太陽大10倍而且已經坍塌成小行星的不可見物體只能是一個黑洞，X射線很可能是由聚集在「天鵝X－1」周圍的氣體和塵埃與超巨星摩擦而產生的，天蠍V861、「GX339－4」、「SS433」以及「圓規座X－2」等星體都可能成為黑洞，「仙后A」是一個超新星的殘骸，這顆超新星的光在17世紀就已經到達地球了、當時世上已有不少天文學家，但竟然沒有一個人記載過這次爆發。像I·S·斯克洛夫斯基所推測的那樣，那裡可能隱藏著一個黑洞，黑洞吞噬了爆發中的恆星核，熄滅了超新星的火焰。空間望遠鏡是追蹤、搜索神奇的黑洞蛛絲馬跡的有效工具。

為了更好地理解黑洞，我們可以設想一個空間曲面，設想一個平整而又柔軟的線性二維平面。

如果我們往平面上投下一小團物質。平面就會變形或起皺，一粒彈子圍繞這個皺面滾動，滾動的軌跡就像行星繞著太陽運動的軌道，根據這種解釋（愛因斯坦的創見），重力就是空間結構的畸變。在這個例子中。我們看到，被物質弄彎曲的二維空間變成了三維的物理空間。設想我們生活在一個三維的宇宙空間里，物質將我們的住地畸變成我們無法直觀感覺到的四維物理空間。物質的質量越大，它的重力就越大；平面越褶皺，空間的畸變或彎曲越厲害，以此類推，黑洞是一種無底的深淵。假如你掉進了黑洞，會發生什麼事情呢？跟從外面看到的一樣，你會覺得下落的時間無限之長，因為在別人看來，你的鐘——不管是機械鐘還是生物鐘——都停止了。但在你看來，你的鐘仍在滴答滴答地走動著。假如你能克服引力潮和輻射流的傷害，而且假如黑洞正在旋轉著（這是很可能的），那麼，你可能出現在時空完全不同的另一部分，即空間上的另外某個區域、時間上的另外某個時刻。有人提出空間有一種蛀洞，這種蛀洞有點像蘋果上的蛀洞，儘管這種觀點尚未得到證實。重力隧道能夠提供一種星際的或星系間的通道，讓我們以非凡的速度直抵難以抵達的空間嗎？黑洞能作為時間機器為人類服務，把我們帶到遙遠的過去和無窮的將來去嗎？這些設想正在被認真、嚴肅、周密地討論著。這個事實表明，宇宙是多麼超現實的啊！

從根本的意義上來說，我們都是宇宙之子。試想，在炎熱的夏天，你仰望萬里無雲的天空，陽光炙烤著你的面孔，如果你直視太陽，該是一件多麼危險的事啊！太陽離地球足足有1．5億公里遠，但是我們尚能感覺到其巨大的威力。如果我們處在太陽熾熱而發光的表面，或進入熊熊燃燒的核火爐中心，我們又將感覺到什麼呢？太陽給予人類以溫暖，養育著人類，給人類帶來光明。是它使地球富饒肥沃，它的強大力量是人類的實踐活動所遠遠不可及的。鳥兒歡快地迎接日出，甚至某些單細胞的生物也有趨光的本能。我們的祖先把太陽奉若神明，這是何等的聰明！但在宇宙之中，太陽只不過是一顆普通的、甚至是平凡的星球。如果我們應該崇拜比自身強大的力量的話，難道我們不該去崇敬太陽和其他星體嗎？這種敬畏之心，深深地隱藏在每一位天文調查者之中，有時埋藏得如此之深，以致研究者自己常常沒有覺察到它的存在。

銀河系還是一個尚未探索的充滿神奇的星體的世界。雖然我們對銀河系進行過初步的探索，而且正碰到過其中的一些星體，有幾個與我們所了解的星體相似，有些則古怪到超出了我們所能想像的程度，但是，我們的探索才剛剛開始。以往的探索航行表明，我們對銀河系的許多非常有趣的星體至今仍然一無所知，無法預言。在銀河系以外不遠的地方，幾乎可以肯定存在著行星，它們環繞著麥哲倫星雲中的恆星運轉，環繞著銀河系周圍的球狀星團中的恆星運轉。銀河系可能是一個巨大的螺旋形世界，擁有4000億個星球，此外還有正在坍塌的氣體雲、正在收縮的行星系、發光的超巨星、穩定的中期恆星、紅巨星、白矮星、行星狀星雲、新星、超新星、中子星和黑洞。我們這個星球上的物質、我們這個星球的形態及其大部分特徵，是受生命與宇宙間深刻的內在聯繫所制約的。這個問題，我們從研究地球本身入手，已經逐步弄清，將來一定會在研究整個銀河系行星世界的過程中進一步弄清。

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