大歷史：星系和恒星的誕生
在一個(gè)晴朗的夜晚，你仰望星空，看見天上若隱若現(xiàn)、閃耀的星星，是否也曾好奇過，星星是怎么誕生的？我們與星星之間又有什么樣遙遠(yuǎn)的呼應(yīng)？
這節(jié)課我們將會(huì)探索，星星是怎么產(chǎn)生的，以及為何卡爾薩根說：
宇宙在我們體內(nèi)，我們都是星辰的產(chǎn)物。
The cosmos is within us. We are made of star-stuff.
Carl Sagan
我們希望你還記得簡單的化學(xué)知識(shí)，至少記得元素周期表。
NO！我討厭化學(xué)！
為什么我們不能就是學(xué)點(diǎn)雍正皇帝“朕就是這樣的漢子”的歷史？
作為一個(gè)文科生，我理解你的痛苦，但宇宙是最早的煉金術(shù)師，如果我們追溯自己的族譜到足夠早的時(shí)期，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的祖先不只是農(nóng)民、采集者、魚、單細(xì)胞生物，你的祖先還是——星星。
為了理解我們是怎么從星星變成人類的，你需要一點(diǎn)化學(xué)知識(shí)。
宇宙褶皺、引力與第一顆恒星
上篇文章我們講述了大爆炸和宇宙誕生幾秒內(nèi)的模樣。
而在宇宙誕生后的最初幾分鐘內(nèi)，它迅速冷卻，以至于除了元素周期表中的前三個(gè)元素氫、氦、鋰之外，其他任何質(zhì)量更重或更復(fù)雜的元素都不可能產(chǎn)生。
以一個(gè)化學(xué)家的眼光來看，早期宇宙是極其簡單的，以至于根本不可能產(chǎn)生星星、地球乃至生命這樣復(fù)雜的物質(zhì)。
迄今為止，宇宙的歷史都為大爆炸的膨脹力所主宰，現(xiàn)在我們要向大家介紹第二種大范圍的力——引力。
我們上學(xué)時(shí)都背過萬有引力，可能還經(jīng)常使用公式來應(yīng)付考題，但似乎從來沒有人真正理解過引力對(duì)于宇宙、對(duì)于人類的重要意義，并且這種意義在多么幸運(yùn)和巧合的情況下誕生的。
牛頓認(rèn)為，任何形式的物體都會(huì)對(duì)其他形式的物體產(chǎn)生某種引力，無論是樹上的蘋果、你現(xiàn)在拿著的手機(jī)，還是天上的太陽和星辰。在這個(gè)意義上，牛頓統(tǒng)一了天上和地上。
而愛因斯坦認(rèn)為，引力之所以發(fā)生作用是由于：巨大物體能夠使時(shí)空發(fā)生彎曲，引力能對(duì)物質(zhì)和能量產(chǎn)生相同的作用，引力能像彎曲物體一樣彎曲能量。
引力對(duì)物質(zhì)和能量同時(shí)施加作用，從而造就了宇宙的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。
我們都知道，引力與質(zhì)量（的平方）成正比，與距離（的平方）成反比。因此，對(duì)于諸如質(zhì)量輕且移動(dòng)速度快的帶能粒子，引力產(chǎn)生不了多少影響。這就導(dǎo)致，引力對(duì)物質(zhì)的塑造，其效果要比對(duì)能量的塑造更加明顯。由于這種效果的差別，它在不同范圍內(nèi)創(chuàng)造了大量復(fù)雜的結(jié)果。
在某些意義、某些范圍上，我們可以說，引力暫時(shí)抵消了熱力學(xué)第二定律，這一基本定律表明隨著時(shí)間的流逝，宇宙會(huì)變得更加無序、更加簡單。相反，隨著引力的釋放，物體聚合到一起，宇宙變得更有序了。
然而，科學(xué)家們指出，只有在具備某種初始的差異性時(shí)，引力才能發(fā)生作用。
假如早期宇宙是完全均勻的——比如氫和氦在整個(gè)宇宙間均勻分布——那么引力將無法發(fā)揮巨大的作用，宇宙將保持均質(zhì)，諸如恒星、行星等復(fù)雜物體以及人類都不可能出現(xiàn)，宇宙將一片荒蕪。
幸運(yùn)的是，這樣的細(xì)微變化是存在的。
上節(jié)課我們學(xué)到，人類可以通過CBR（宇宙背景輻射）觀測宇宙初期溫度和密度的細(xì)微變化，任何“崎嶇不平”應(yīng)該都能在CBR的細(xì)微溫差中有所顯示。
而在20世界90年代，人類發(fā)射的COBE探測器已探明，早期宇宙的某些地區(qū)確實(shí)要比其他地區(qū)溫度稍高、密度稍大?？茖W(xué)家們預(yù)測，很有可能是在大爆炸時(shí)，在不可測量的量子尺度上出現(xiàn)了微小的光點(diǎn)（量子漲落），這些光點(diǎn)造成了宇宙細(xì)微的變化，我們可以形象地稱之為：宇宙褶皺。
這些褶皺帶來的差異性，隨著宇宙的膨脹一起膨脹，使得引力得以發(fā)揮巨大的作用。
在大爆炸約10億年后，當(dāng)引力將氫原子和氦原子匯聚在一起的時(shí)候，巨大的厚厚的星云開始形成，浩瀚無垠的宇宙中國開始出現(xiàn)越來越多的“小島”。
在這些島嶼中，氫原子和氦原子被更加緊密地?cái)D壓在一起，壓力不斷增長，溫度不斷上升，原子之間的碰撞越來越活躍，最終激烈的碰撞克服了原子之間的斥力，原子相互聚合——就在大爆炸大約1億年以后，宇宙的第一顆恒星誕生了！
我們必須深刻理解恒星誕生的意義。因?yàn)樵诖蟊?8萬年后，宇宙越來越冷，越來越荒蕪，溫度太低，新的元素就不會(huì)再產(chǎn)生了。
假如沒有引力，沒有氫和氦的聚集，我們頭頂?shù)臓N爛星空就永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)，宇宙就只會(huì)是一片單調(diào)乏味的無垠之地，只有巨大的氫氣云和氦氣云漫無目的地漂浮著。
在大爆炸發(fā)生10億年后，宇宙才逐漸變成我們現(xiàn)在所看到的樣子：
浩瀚無垠的太空中遍布著數(shù)不清的星系
星系中又包含著數(shù)不清的恒星
以及多到令人眼花繚亂的行星
至于我們身處的地球呢？
諾，就是那個(gè)暗淡的、渺小的藍(lán)色光點(diǎn)。
恒星的生與死
剛才我們提到，星云中心的溫度不斷升高，原子的運(yùn)動(dòng)速度越來越快，撞擊也越來越猛烈。
當(dāng)溫度上升到1000萬攝氏度時(shí)，一對(duì)氫原子就會(huì)融合為一個(gè)擁有兩個(gè)質(zhì)子的氦原子。這種核反應(yīng)被稱為核聚變。
根據(jù)愛因斯坦的公式E=mc^2，當(dāng)氫原子聚變?yōu)楹ぴ訒r(shí)，極少的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成巨大的能量，其釋放的能量等于物質(zhì)的質(zhì)量乘以光速的平方。
由于光速是一個(gè)巨大的數(shù)字，即便是極小量物質(zhì)的轉(zhuǎn)化也會(huì)釋放出巨大的能量。恒星就像巨大的氫彈，擁有足以爆炸千百萬年甚至幾十億年的燃料。
對(duì)于星星來說，星云最初的大小非常重要。
如果最初的氣體云小于太陽大小的8%，則永遠(yuǎn)不可能變成星星，只可能形成褐矮星；
如果最初的氣體云大小是太陽的60-100倍，則可能分裂出2個(gè)或2個(gè)以上的星星；
如果剛好在太陽的8%到8倍之間，它的壽命會(huì)更長。我們的太陽目前正處于中年期，還有50億年的壽命。較小的星星，壽命在數(shù)百億年；更大的星星，有時(shí)候只有幾億年的壽命。
當(dāng)星星內(nèi)部消耗完所有的氫元素和氦元素，星星會(huì)開始膨脹，溫度會(huì)越來越高，更重的元素開始形成，直到鐵元素的出現(xiàn)。
但比鐵元素更重的元素?zé)o法在此過程中產(chǎn)生，因?yàn)闆]有足夠的能量將那些更重的原子核聚合在一起。所以剩下的元素是怎么形成的呢？
當(dāng)體積大約在太陽8倍-60倍的巨型恒星燃料耗盡時(shí)，它們會(huì)“死亡”也即塌陷，這一突如其來的塌陷持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過1秒鐘。此時(shí)，超新星（supernova）這一天文現(xiàn)象誕生了。
一顆超新星爆炸所產(chǎn)生的巨大能量與閃光，相當(dāng)于1000億恒星或整個(gè)星系，并且可以持續(xù)好幾個(gè)星期。伴隨著質(zhì)子捕獲和中子捕獲等物理反應(yīng)，在這個(gè)大熔爐里，比鐵重許多的元素被烤制出來。
在這場星系級(jí)的煉金術(shù)中，產(chǎn)生的氧元素最多，其次是少量的氖、鎂和鋁，這些都是恒星際空間里最常見的重元素。
恒星的爆炸將這些元素拋撒到宇宙深處，讓宇宙到處浸潤著這些死去的星星的塵埃，創(chuàng)造了形成我們這個(gè)世界的原材料。
卡爾薩根曾說：宇宙在我們體內(nèi)，我們都是星辰的產(chǎn)物。The cosmos is within us. We are made of star-stuff.
他說的就真的只是字面意思。你手里的手機(jī)，星星的產(chǎn)物；你養(yǎng)的貓，星星的產(chǎn)物；你的右手，星星的產(chǎn)物。走出陽臺(tái)，你周圍所能看到的、聽到的、觸摸到的、感受到的一切，都是宇宙中巨大的星星爆炸后，漂浮在真空中的殘骸。盡管萬物在億萬年的時(shí)間里變換了形式，但我們所有的存在，都來自于頭頂閃耀著的、遙遠(yuǎn)的星辰。
可以說，恒星的生與死，在神秘的宇宙起源，和我們看得見摸得著的實(shí)際生活之間，建立了一道橋梁。
也許有一天，當(dāng)你要對(duì)你的愛人求婚的時(shí)候，你可以說：
看到我手中的戒指了嗎？我從一家珠寶商店買到它，是一個(gè)很好的人賣給我了我，一個(gè)寶石匠人努力雕刻它，一個(gè)辛勞的礦工把它從地底下挖了出來。
但這枚戒指之所以在那兒，是因?yàn)閿?shù)十億年前，一顆巨大的星星死亡時(shí)發(fā)生的爆炸將它拋灑到了太空，它剛好留在了太陽系中，并作為0.1%恰好沒有被太陽吸收掉的物質(zhì)，幸運(yùn)地附著在一小片宇宙塵埃上，經(jīng)歷漫長的飛行，落在了環(huán)繞太陽旋轉(zhuǎn)的地球上。
而現(xiàn)在，我跪在你面前，許諾我所能給予的一切，祈求你——我最愛的人——嫁給我。親愛的，你愿意收下這枚古老的星星為我們所打造的禮物嗎？
太陽的誕生
和所有恒星一樣，我們的太陽也是在星云受引力作用發(fā)生塌陷的過程中形成的，也許是臨近的一顆超新星引發(fā)了這次塌陷。
這場巨大爆炸產(chǎn)生的沖擊波穿越了聚銀河系中心大約2.7萬光年，即位于星系中心至星系邊緣40%處螺旋臂區(qū)域的氣態(tài)星云。
當(dāng)沖擊波穿越星云之際，星云中的物質(zhì)就好像撒在振動(dòng)的鼓面上沙子開始重新排列，一個(gè)由數(shù)百顆恒星組成的星群群落在此誕生。
它們都可以算是第二代或第三代恒星，因?yàn)樾纬伤鼈兊牟牧铣藲?、氦意外，還包含了許多別的元素。
這里你需要記住，宇宙早期形成的第一代恒星是不可能形成生命的，而后形成的恒星，如我們的太陽，就完全具有了創(chuàng)造生命的可能性。
太陽包含了太陽系中大約99%的物質(zhì)，在余下微小的0.1%的殘余物中，誕生了包括我們地球在內(nèi)的所有行星。
宇宙有目的嗎？
開一個(gè)可能比較大的腦洞。
根據(jù)目前我們所知的信息，假如138億年的宇宙演化是有方向或者目的的話，不妨可以說是：越來越復(fù)雜。
宇宙的褶皺創(chuàng)造了星星，星星創(chuàng)造了更多的元素，而元素創(chuàng)造了復(fù)雜生命，而復(fù)雜生命中誕生了目前已知的最復(fù)雜的生物——人類自己。
一開始宇宙只有2種元素，星星的爆炸產(chǎn)生了十幾種元素，盡管宇宙和星星非常宏大，但其實(shí)它們的結(jié)構(gòu)都非常簡單，只是一大坨簡單的元素聚集在一起，它的能量流動(dòng)密度并不高。
作為對(duì)比，這個(gè)看起來很荒唐的東西——人類大腦，是目前我們所知的最為復(fù)雜的物質(zhì)，比同樣大小的太陽碎塊要復(fù)雜7萬5000倍，它的基本結(jié)構(gòu)和組成方式更加復(fù)雜精密，里面的復(fù)雜聯(lián)結(jié)，比銀河系里的星星數(shù)量還要多。
一位哈佛教授曾說：“如果我們需要了解的大腦知識(shí)是1公里那么長，那么我們現(xiàn)在大概處于不到2厘米的地方。”
根據(jù)我們所掌握的科學(xué)，凡是達(dá)到新的復(fù)雜程度的事物，其特點(diǎn)就是某種脆弱行和最終崩塌的必然性。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，所有復(fù)雜實(shí)體終將消亡，但是，結(jié)構(gòu)越簡單，其幸存的可能性就越大。這也是為什么恒星的壽命比人類長得多的原因。
還有一個(gè)來自生物學(xué)的例子。
很多人認(rèn)為，死亡之于生命，就是一件天經(jīng)地義、必然發(fā)生的事情。其實(shí)嚴(yán)格來說，我們所熟知的死亡，無論是人、動(dòng)物，還是一顆巨大的紅杉樹的死亡，很可能是“自愿”演化出來的。
什么意思？
今天這個(gè)世界上，有一種小生命叫阿米巴蟲，是一種單細(xì)胞原生生物，人們可以通過顯微鏡觀察到它。這種小生命的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是它卻能做到一件讓秦始皇做不到的事——那就是永生。
阿米巴蟲屬于無性生殖的，即是可以由一個(gè)個(gè)體分裂成兩個(gè)個(gè)體，對(duì)于它們來說，只要沒有致命的意外，理論上可以一直復(fù)制下去，不會(huì)有衰老和死亡。
直到大約在距今12億年前的某一天，地球上的第一次有性生殖出現(xiàn)了。出現(xiàn)的原因眾說紛紜，科學(xué)界沒有定論。
但可以確定的是，正是有性生殖讓生物可以快速地積累增強(qiáng)物種適應(yīng)性的變異，使得生命開始了復(fù)雜化的進(jìn)程，同時(shí)也出現(xiàn)了越來越不可避免的、甚至越來越快速到來的死亡。
因?yàn)橛行陨巢皇菃渭兊貜?fù)制基因，而是讓不同的基因進(jìn)行交流融合，這使得有益突變得以迅速地聚集在一起，并讓不適應(yīng)環(huán)境的有害突變迅速消亡，從而開啟了紛繁復(fù)雜、多種多樣的生命世界。
也就是說，在某種意義上，從宇宙到地球上的生命，都不約而同地選擇了復(fù)雜性，而由此而來的代價(jià)，便是越來越不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、越來越容易崩潰的生存，而這個(gè)過程不以星星、不以生命、不以人類的意志為轉(zhuǎn)移，就好像我們都被捆在一輛沒有方向盤的高速列車上。
為了復(fù)雜性的延續(xù)，某個(gè)具體生命的生死毫不重要。就好像太平洋鮭魚，它們逆流而上，遷徙幾百甚至上千公里，回到它們出生的小溪，然后陷入性愛的狂歡之中，等到產(chǎn)卵之后，就會(huì)燃盡自己的生命之火，成為一片安靜的浮尸。
而從另一個(gè)正面的角度來看，無論是宇宙還是生命，其實(shí)都已經(jīng)選擇了拋棄單調(diào)、冗長的存在，而努力去創(chuàng)造更復(fù)雜、瑰麗的事物，哪怕代價(jià)是脆弱，哪怕代價(jià)是死亡，只要我們曾像燦爛的流星一樣劃過。
具體到我們的人生，不應(yīng)該也像宇宙學(xué)習(xí)嗎？
我們下周五再見。
本期參考與延伸書目：
《起源》（1981年），John Gribbin
《宇宙的生命》（1998年），Lee Smolin
《就這六個(gè)數(shù)字》（2000年），Martin Rees
《天體的煉金術(shù)》（1996年），克羅斯維爾
《銀河系時(shí)代的到來》（2001年），蒂莫西·莫西斯
《科學(xué)指南》（1995年第2版），切薩雷·埃米利亞尼
《我們在宇宙中的位置》（2002年），查爾斯·萊恩威弗
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