大历史：星系和恒星的诞生
在一个晴朗的夜晚，你仰望星空，看见天上若隐若现、闪耀的星星，是否也曾好奇过，星星是怎么诞生的？我们与星星之间又有什么样遥远的呼应？
这节课我们将会探索，星星是怎么产生的，以及为何卡尔萨根说：
宇宙在我们体内，我们都是星辰的产物。
The cosmos is within us. We are made of star-stuff.
Carl Sagan
我们希望你还记得简单的化学知识，至少记得元素周期表。
NO！我讨厌化学！
为什么我们不能就是学点雍正皇帝“朕就是这样的汉子”的历史？
作为一个文科生，我理解你的痛苦，但宇宙是最早的炼金术师，如果我们追溯自己的族谱到足够早的时期，我们就会发现自己的祖先不只是农民、采集者、鱼、单细胞生物，你的祖先还是——星星。
为了理解我们是怎么从星星变成人类的，你需要一点化学知识。
宇宙褶皱、引力与第一颗恒星
上篇文章我们讲述了大爆炸和宇宙诞生几秒内的模样。
而在宇宙诞生后的最初几分钟内，它迅速冷却，以至于除了元素周期表中的前三个元素氢、氦、锂之外，其他任何质量更重或更复杂的元素都不可能产生。
以一个化学家的眼光来看，早期宇宙是极其简单的，以至于根本不可能产生星星、地球乃至生命这样复杂的物质。
迄今为止，宇宙的历史都为大爆炸的膨胀力所主宰，现在我们要向大家介绍第二种大范围的力——引力。
我们上学时都背过万有引力，可能还经常使用公式来应付考题，但似乎从来没有人真正理解过引力对于宇宙、对于人类的重要意义，并且这种意义在多么幸运和巧合的情况下诞生的。
牛顿认为，任何形式的物体都会对其他形式的物体产生某种引力，无论是树上的苹果、你现在拿着的手机，还是天上的太阳和星辰。在这个意义上，牛顿统一了天上和地上。
而爱因斯坦认为，引力之所以发生作用是由于：巨大物体能够使时空发生弯曲，引力能对物质和能量产生相同的作用，引力能像弯曲物体一样弯曲能量。
引力对物质和能量同时施加作用，从而造就了宇宙的形态和结构。
我们都知道，引力与质量（的平方）成正比，与距离（的平方）成反比。因此，对于诸如质量轻且移动速度快的带能粒子，引力产生不了多少影响。这就导致，引力对物质的塑造，其效果要比对能量的塑造更加明显。由于这种效果的差别，它在不同范围内创造了大量复杂的结果。
在某些意义、某些范围上，我们可以说，引力暂时抵消了热力学第二定律，这一基本定律表明随着时间的流逝，宇宙会变得更加无序、更加简单。相反，随着引力的释放，物体聚合到一起，宇宙变得更有序了。
然而，科学家们指出，只有在具备某种初始的差异性时，引力才能发生作用。
假如早期宇宙是完全均匀的——比如氢和氦在整个宇宙间均匀分布——那么引力将无法发挥巨大的作用，宇宙将保持均质，诸如恒星、行星等复杂物体以及人类都不可能出现，宇宙将一片荒芜。
幸运的是，这样的细微变化是存在的。
上节课我们学到，人类可以通过CBR（宇宙背景辐射）观测宇宙初期温度和密度的细微变化，任何“崎岖不平”应该都能在CBR的细微温差中有所显示。
而在20世界90年代，人类发射的COBE探测器已探明，早期宇宙的某些地区确实要比其他地区温度稍高、密度稍大。科学家们预测，很有可能是在大爆炸时，在不可测量的量子尺度上出现了微小的光点（量子涨落），这些光点造成了宇宙细微的变化，我们可以形象地称之为：宇宙褶皱。
这些褶皱带来的差异性，随着宇宙的膨胀一起膨胀，使得引力得以发挥巨大的作用。
在大爆炸约10亿年后，当引力将氢原子和氦原子汇聚在一起的时候，巨大的厚厚的星云开始形成，浩瀚无垠的宇宙中国开始出现越来越多的“小岛”。
在这些岛屿中，氢原子和氦原子被更加紧密地挤压在一起，压力不断增长，温度不断上升，原子之间的碰撞越来越活跃，最终激烈的碰撞克服了原子之间的斥力，原子相互聚合——就在大爆炸大约1亿年以后，宇宙的第一颗恒星诞生了！
我们必须深刻理解恒星诞生的意义。因为在大爆炸38万年后，宇宙越来越冷，越来越荒芜，温度太低，新的元素就不会再产生了。
假如没有引力，没有氢和氦的聚集，我们头顶的灿烂星空就永远不会出现，宇宙就只会是一片单调乏味的无垠之地，只有巨大的氢气云和氦气云漫无目的地漂浮着。
在大爆炸发生10亿年后，宇宙才逐渐变成我们现在所看到的样子：
浩瀚无垠的太空中遍布着数不清的星系
星系中又包含着数不清的恒星
以及多到令人眼花缭乱的行星
至于我们身处的地球呢？
诺，就是那个暗淡的、渺小的蓝色光点。
恒星的生与死
刚才我们提到，星云中心的温度不断升高，原子的运动速度越来越快，撞击也越来越猛烈。
当温度上升到1000万摄氏度时，一对氢原子就会融合为一个拥有两个质子的氦原子。这种核反应被称为核聚变。
根据爱因斯坦的公式E=mc^2，当氢原子聚变为氦原子时，极少的物质转化成巨大的能量，其释放的能量等于物质的质量乘以光速的平方。
由于光速是一个巨大的数字，即便是极小量物质的转化也会释放出巨大的能量。恒星就像巨大的氢弹，拥有足以爆炸千百万年甚至几十亿年的燃料。
对于星星来说，星云最初的大小非常重要。
如果最初的气体云小于太阳大小的8%，则永远不可能变成星星，只可能形成褐矮星；
如果最初的气体云大小是太阳的60-100倍，则可能分裂出2个或2个以上的星星；
如果刚好在太阳的8%到8倍之间，它的寿命会更长。我们的太阳目前正处于中年期，还有50亿年的寿命。较小的星星，寿命在数百亿年；更大的星星，有时候只有几亿年的寿命。
当星星内部消耗完所有的氢元素和氦元素，星星会开始膨胀，温度会越来越高，更重的元素开始形成，直到铁元素的出现。
但比铁元素更重的元素无法在此过程中产生，因为没有足够的能量将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？
当体积大约在太阳8倍-60倍的巨型恒星燃料耗尽时，它们会“死亡”也即塌陷，这一突如其来的塌陷持续时间不会超过1秒钟。此时，超新星（supernova）这一天文现象诞生了。
一颗超新星爆炸所产生的巨大能量与闪光，相当于1000亿恒星或整个星系，并且可以持续好几个星期。伴随着质子捕获和中子捕获等物理反应，在这个大熔炉里，比铁重许多的元素被烤制出来。
在这场星系级的炼金术中，产生的氧元素最多，其次是少量的氖、镁和铝，这些都是恒星际空间里最常见的重元素。
恒星的爆炸将这些元素抛撒到宇宙深处，让宇宙到处浸润着这些死去的星星的尘埃，创造了形成我们这个世界的原材料。
卡尔萨根曾说：宇宙在我们体内，我们都是星辰的产物。The cosmos is within us. We are made of star-stuff.
他说的就真的只是字面意思。你手里的手机，星星的产物；你养的猫，星星的产物；你的右手，星星的产物。走出阳台，你周围所能看到的、听到的、触摸到的、感受到的一切，都是宇宙中巨大的星星爆炸后，漂浮在真空中的残骸。尽管万物在亿万年的时间里变换了形式，但我们所有的存在，都来自于头顶闪耀着的、遥远的星辰。
可以说，恒星的生与死，在神秘的宇宙起源，和我们看得见摸得着的实际生活之间，建立了一道桥梁。
也许有一天，当你要对你的爱人求婚的时候，你可以说：
看到我手中的戒指了吗？我从一家珠宝商店买到它，是一个很好的人卖给我了我，一个宝石匠人努力雕刻它，一个辛劳的矿工把它从地底下挖了出来。
但这枚戒指之所以在那儿，是因为数十亿年前，一颗巨大的星星死亡时发生的爆炸将它抛洒到了太空，它刚好留在了太阳系中，并作为0.1%恰好没有被太阳吸收掉的物质，幸运地附着在一小片宇宙尘埃上，经历漫长的飞行，落在了环绕太阳旋转的地球上。
而现在，我跪在你面前，许诺我所能给予的一切，祈求你——我最爱的人——嫁给我。亲爱的，你愿意收下这枚古老的星星为我们所打造的礼物吗？
太阳的诞生
和所有恒星一样，我们的太阳也是在星云受引力作用发生塌陷的过程中形成的，也许是临近的一颗超新星引发了这次塌陷。
这场巨大爆炸产生的冲击波穿越了聚银河系中心大约2.7万光年，即位于星系中心至星系边缘40%处螺旋臂区域的气态星云。
当冲击波穿越星云之际，星云中的物质就好像撒在振动的鼓面上沙子开始重新排列，一个由数百颗恒星组成的星群群落在此诞生。
它们都可以算是第二代或第三代恒星，因为形成它们的材料除了氢、氦意外，还包含了许多别的元素。
这里你需要记住，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，如我们的太阳，就完全具有了创造生命的可能性。
太阳包含了太阳系中大约99%的物质，在余下微小的0.1%的残余物中，诞生了包括我们地球在内的所有行星。
宇宙有目的吗？
开一个可能比较大的脑洞。
根据目前我们所知的信息，假如138亿年的宇宙演化是有方向或者目的的话，不妨可以说是：越来越复杂。
宇宙的褶皱创造了星星，星星创造了更多的元素，而元素创造了复杂生命，而复杂生命中诞生了目前已知的最复杂的生物——人类自己。
一开始宇宙只有2种元素，星星的爆炸产生了十几种元素，尽管宇宙和星星非常宏大，但其实它们的结构都非常简单，只是一大坨简单的元素聚集在一起，它的能量流动密度并不高。
作为对比，这个看起来很荒唐的东西——人类大脑，是目前我们所知的最为复杂的物质，比同样大小的太阳碎块要复杂7万5000倍，它的基本结构和组成方式更加复杂精密，里面的复杂联结，比银河系里的星星数量还要多。
一位哈佛教授曾说：“如果我们需要了解的大脑知识是1公里那么长，那么我们现在大概处于不到2厘米的地方。”
根据我们所掌握的科学，凡是达到新的复杂程度的事物，其特点就是某种脆弱行和最终崩塌的必然性。根据热力学第二定律，所有复杂实体终将消亡，但是，结构越简单，其幸存的可能性就越大。这也是为什么恒星的寿命比人类长得多的原因。
还有一个来自生物学的例子。
很多人认为，死亡之于生命，就是一件天经地义、必然发生的事情。其实严格来说，我们所熟知的死亡，无论是人、动物，还是一颗巨大的红杉树的死亡，很可能是“自愿”演化出来的。
什么意思？
今天这个世界上，有一种小生命叫阿米巴虫，是一种单细胞原生生物，人们可以通过显微镜观察到它。这种小生命的结构非常简单，但是它却能做到一件让秦始皇做不到的事——那就是永生。
阿米巴虫属于无性生殖的，即是可以由一个个体分裂成两个个体，对于它们来说，只要没有致命的意外，理论上可以一直复制下去，不会有衰老和死亡。
直到大约在距今12亿年前的某一天，地球上的第一次有性生殖出现了。出现的原因众说纷纭，科学界没有定论。
但可以确定的是，正是有性生殖让生物可以快速地积累增强物种适应性的变异，使得生命开始了复杂化的进程，同时也出现了越来越不可避免的、甚至越来越快速到来的死亡。
因为有性生殖不是单纯地复制基因，而是让不同的基因进行交流融合，这使得有益突变得以迅速地聚集在一起，并让不适应环境的有害突变迅速消亡，从而开启了纷繁复杂、多种多样的生命世界。
也就是说，在某种意义上，从宇宙到地球上的生命，都不约而同地选择了复杂性，而由此而来的代价，便是越来越不稳定的结构、越来越容易崩溃的生存，而这个过程不以星星、不以生命、不以人类的意志为转移，就好像我们都被捆在一辆没有方向盘的高速列车上。
为了复杂性的延续，某个具体生命的生死毫不重要。就好像太平洋鲑鱼，它们逆流而上，迁徙几百甚至上千公里，回到它们出生的小溪，然后陷入性爱的狂欢之中，等到产卵之后，就会燃尽自己的生命之火，成为一片安静的浮尸。
而从另一个正面的角度来看，无论是宇宙还是生命，其实都已经选择了抛弃单调、冗长的存在，而努力去创造更复杂、瑰丽的事物，哪怕代价是脆弱，哪怕代价是死亡，只要我们曾像灿烂的流星一样划过。
具体到我们的人生，不应该也像宇宙学习吗？
我们下周五再见。
本期参考与延伸书目：
《起源》（1981年），John Gribbin
《宇宙的生命》（1998年），Lee Smolin
《就这六个数字》（2000年），Martin Rees
《天体的炼金术》（1996年），克罗斯维尔
《银河系时代的到来》（2001年），蒂莫西·莫西斯
《科学指南》（1995年第2版），切萨雷·埃米利亚尼
《我们在宇宙中的位置》（2002年），查尔斯·莱恩威弗
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