作为核熔炉的恒星
如前所述，在星系和恒星形成的早期，宇宙中存在的元素几乎只有氢和氦。因此，早期恒星的原料组块也差不多只有这些了。如果恒星还携带行星的话，那么行星的原料组块也不过是氢和氦。甚至到了今日，太阳系中行星的原料基本还是这样，尤其是较大的行星，如木星、土星、天王星和海王星。所以这些行星也没有多少复杂性的迹象，这并不令人奇怪。但太阳系中还有4个相对较小的近日行星，包括地球，这些小行星的原料组块包括大量的重元素，如碳、氧、镁、硅和铁。这些更复杂的重元素来自何方？又有多长时间的历史？前一个问题的答案很简单：来自核合成（nucleo-synthesis），就是恒星内部熔炼出来的新元素。但要回答这些重元素在宇宙中究竟存在了多久，就不那么容易了。
核合成过程的工作原理如下：恒星在内核处熔氢炼氦必然导致主燃料氢的减少、氦的增多。相对较大的恒星在燃尽了所有的氢元素之后，无情的引力会使恒星内核的温度提升至108以上，而这正是新的核聚变的金凤花条件：氦经核聚变转化成了更重的元素，如氮、碳、氧。氦元素燃尽之后，如果恒星还足够大，那么其引力缩压还会使内核温度升高，进一步造成更重化学元素生成的金凤花条件，这样一直到铁元素。如前所述，铁是所有化学元素中最稳定的，因此也是中型恒星所能制造出来的最终的元素。此类条件持续的时间相当长，所以恒星有足够的时间生成这些更为复杂的原子核。
较大的恒星在其生命的末期——可能持续数千年之久——通过中子俘获（neutron capture）的过程可以合成更重的化学元素，制造出铜、锌、银、金等元素。这一过程结束之后，恒星再也没有核燃料可用了，对抗引力的能流就此式微，于是质量极高的恒星会迅速塌缩并释放大量能量然后爆炸，貌似一个巨大的火球，即所谓的“超新星”。而这种超新星的爆发又创造出了新的金凤花条件，使得目前所知的最重的稳定的化学元素得以涌现，一直到铀元素。因为这种新的金凤花条件持续的时间较短，所以最重的化学元素比较稀少。
我们很难弄清上述过程究竟持续了多久。因为重元素相对稀少，所以很难在昏暗的、古老的光线下被发现。不过，在星系形成的早期，已有很多大的恒星很快地自生自灭了。这些巨型的恒星很有可能已经熔炼出较重的化学元素，其爆炸释放出的巨大能流可能摧毁了大多数——甚至是所有的——附近业已形成的复杂实体。不过巨大的爆炸还把新近形成的重元素抛洒到附近的星系空间。这样，后来形成的二代和三代恒星就拥有了更丰富的重元素原料，对宇宙演化的进程可谓贡献巨大。另外，还有学者认为相当数量的金元素或者其他重元素是在中子星碰撞的过程中涌现的。
星际空间的温度相对不是很高，所以具备使化学元素合成简单分子的条件，比如水，水由氢和氧组成，其中还包含由硅、氧和金属合成的硅酸盐，以及一些小的有机分子，包括简单的氨基酸，是蛋白质不可或缺的组成成分。这些实体的涌现必然伴随着以电磁辐射形式呈现的宇宙中的熵增。这样，大自然的建筑工具包又丰富了，有了越来越多也越来越脆弱的各种化学组块。这一过程可能发生在距今100亿年左右，甚至更早。因此，布满岩石的行星——也许还有生命——形成的金凤花条件可能在这一时期就已经形成了。
参考文献
Adams, Fred & Laughlin, Greg. 1999. The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity. New York, The Free Press.
Barrow, John D. & Tipler, Frank J. 1986. The Anthropic Cosmological Principle. Oxford, Oxford University Press.
Bartusiak, Marcia. 2010. The Day We Found the Universe. New York, Vintage Books.
Bureau International des Poids et Mesures. 2006. The International System of Units (SI).
Organisation Intergouvernementale de la Convention du Métre. www.bipm.fr/en/ home. Chaisson, Eric J. 2001.
Cosmic Evolution: The Rise of Complexity in Nature. Cambridge, Mass., Harvard University Press. Chaisson, Eric J. 2003. ‘A unifying concept for astrobiology.’ International Journal of Astrobiology 2, 2 (91–101).
Chaisson, Eric J. 2006. Epic of Evolution: Seven Ages of the Cosmos. New York, Columbia University Press.
Chaisson, Eric J. & McMillan, Steve. 2008. Astronomy Today, 6th edn. San Francisco, Pearson Addison Wesley.
Chown, Marcus.2005. ‘Did the big bang really happen?’ New Scientist issue 2506, 2 July (30).
Chown, Marcus. 2007. ‘Rival theory fights back against dark matter.’ New Scientist issue 2623, 27 September (12–13).
Chown, Marcus. 2008. ‘Land of the rising suns.’ New Scientist issue 2670, 23 August (40–3).
Chown, Marcus. 2009. ‘O others, where art thou?’ New Scientist issue 2722, 22 August (37–9). Delsemme, Armand. 1998.
Our Cosmic Origins: From the Big Bang to the Emergence of Life and Intelligence. Cambridge, Cambridge University Press. Gehrels, Tom. 2007.
Survival through Evolution: From Multiverse to Modern Society. Charleston, S.C., Book Surge Publishing. Gehrels, Tom. 2009. The Cosmological Foundation of Our World, Seen in a Revised History of our Universe. http://arxiv.org/abs/0912.5362.
Getman, Konstantin V., Feigelson, Eric D., Luhman, Kevin L., Sicilia-Aguilar, Aurora, Wang, Junfeng & Garmire, Gordon P. 2009. ‘Protoplanetary disk evolution around the triggered star-forming region Cepheus B.’ Astrophysical Journal 699 (1454–72).
Hammer, F., Puech, M., Chemin, L., Flores, H. & Lehnert, M. D. 2007. ‘The Milky Way, an exceptionally quiet galaxy: Implications for the formation of spiral galaxies.’ Astrophysical Journal 662, 1 (322–34).
Jantsch, Erich. 1983. The Self-Organizing Universe: Scientific and Human Implications of the Emerging Paradigm of Evolution. Oxford & New York, Pergamon Press (1980).
Lerner, Eric. 2004. ‘Bucking the big bang.’ New Scientist issue 2448, 22 May (20).
Levy, David H. (ed.). 2000. The Scientific American Book of the Cosmos. New York, St..Martin’s Press & London, Macmillan.
Rees, Martin. 1997. Before the Beginning: Our Universe and Others. London, Simon & Schuster.
Reeves, Hubert. 1986. L’heure de s’enivrer: L’univers a-t-il un sens? Paris, éditions du Seuil.
Reeves, Hubert. 1991. The Hour of Our Delight: Cosmic Evolution, Order, and Complexity. New York, W. H. Freeman & Co.
Sharma, Ajay. 2004. ‘Origin and escalation of the mass-energy equation ΔE = Δmc2, General Science Journal. www.wbabin.net/ajay/sharma3.pdf.
Shiga, David. 2006. ‘Gravity: Were Newton and Einstein wrong?’ New Scientist issue 2549, 29 April (52).
p l (52). Shiga, David. 2007. ‘Supernova shift may distort dark-energy readings.’ New Scientist issue 2625, 13 October (14). Weinberg, Steven. 1993. The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. London, Flamingo (1977).
推荐阅读书目
Adams, Fred & Laughlin, Greg. 1999. The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity. New York, The Free Press.
Bartusiak, Marcia. 2010. The Day We Found the Universe. New York, Vintage Books.
Bryson, Bill. 2003. A Short History of Nearly Everything. London, Random House.
Chaisson, Eric J. 2006. Epic of Evolution: Seven Ages of the Cosmos. New York, Columbia University Press.
Kraus, Lawrence M. 2012. A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing. New York, Atria Books.
Reeves, Hubert. 1991. The Hour of Our Delight: Cosmic Evolution, Order, and Complexity. New York, W. H. Freeman & Co.
Weinberg, Steven. 1993. The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. London, Flamingo (1977).
[1] 目前，我们有关宇宙演化的叙述都是基于几个世纪以来的天文观测和借助科学观念对其做出的解析，且这里的科学观念本身是从大量的围绕我们地球家园的自然科学研究中衍生出来的。所有这一切对我们更好地理解宇宙史提供了强大的工具。迄今，围绕早期宇宙史已有不少专著问世。本书的相关叙述主要是基于以下著述：史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）的《宇宙最初三分钟》（The First Three Minutes, 1993）；埃里克·詹奇的《自组织的宇宙观》（The Self-Organizing Universe, 1983）；埃里克·蔡森的《宇宙演化》（Cosmic Evolution, 2001）及《宇宙演化的史诗》（Epic of Evolution, 2006）；埃里克·蔡森与史蒂夫·麦克米伦（Steve McMillan）合著的《今日天文》（Astronomy Today, 2008）；大卫·李维（David Levy）的《科学美国人的宇宙之书》（The Scientific American Book of the Cosmos, 2000）；以及阿尔芒·德尔塞姆（Armand Delsemme）的《我们从宇宙中走来》（Our Cosmic Origins, 1998）。埃里克·蔡森的“宇宙演化”网站非常有用，可参阅其官方网址：www.cfa.harvard.edu/~ejchaisson/cosmic_evolution/docs/splash.html。玛西亚·巴图夏克（Marcia Bartusiak）的《我们发现宇宙的那一天》（The Day We Found the Universe, 2010）对现代天文学史做了精彩叙述。
[2] 根据国际计量局出版的小册子《国际单位制》（The International System of Units, 简称SI，2006，第113页），“秒”被界定为铯 -133原子基态的超精细能级之间的跃迀所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。据说其辐射振荡的频率从未随时间而发生改变。“秒”可谓人类一直在使用的最古老也是最直觉的计时单位之一，因为一秒大致相当于正常男子在安静状态下两次心跳之间的时长。
[3] 直到今天，人类还未能发现地球上有任何暗物质存在。不过根据有关其他星系运动的界说，暗物质似乎与普通物质混搭在一起。现有的少量有关银河系伴星系（satellite galaxies）的观测对暗物质理论也构成了问题，参阅Chown（2009）。此外还有一个非常有名的另类理论，叫作修正的牛顿引力理论（MOND），可参阅Shiga（2006）和Chown（2007）。
[4] 有关暗能量的综述，参阅Shiga（2007）。故此，这里的叙述还只是相当初级的。不过埃里克·蔡森曾经说过，尽管未来有关宇宙年龄的计算可能建立在新的洞见之上，但这里所述的有关事件发生的顺序恐怕不会有大的变化，参阅Chaisson（2001）, pp. 98-99。有关“大爆炸”宇宙论可能存在的一些问题，可参阅Chown（2005）和Lerner（2004）。
[5] “辐射期”一词借自埃里克·蔡森的说法。我还不清楚是谁第一个强调早期宇宙从辐射主导过渡到后来物质主导的重要性的。史蒂文·温伯格在《宇宙最初三分钟》（1993，第80页）中曾提到过这一点，但却未做详细阐释。虽然人们常把质能公式E=mc2完全归功于爱因斯坦的天才，但根据印度物理学家阿杰伊·夏尔马（Ajay Sharma，2004）的说法：“在爱因斯坦之前，在众多的物理学家之中，至少有艾萨克·牛顿、英国的S.T.普雷斯顿（S.T.Preston）在1875年，法国的彭加勒(Poincaré）在1900年，意大利的德·普莱托（De Pretto）在1903年，德国的弗雷德里希·哈瑟诺尔（F. Hasenöhrl）对E=D mc2的猜测和推导做出重要贡献。爱因斯坦之后，普朗克曾独立推导出E=mc2公式。据说，J.J.汤姆逊（J.J.Thomson）1888年也曾从麦克斯韦方程组中预见到E=D mc2公式。”
[6] 有关这一时段的记述，最有名的要算史蒂文·温伯格的《宇宙最初三分钟》（1993）。温伯格后来曾说过，这本书更准确的题目应该是《宇宙最初3¾分钟》（第110页）。数十年来，天文学家们一直在思考：为何这三种力及其自然常数会取我们今天所观测到的值呢？这个问题很重要，因为若不其然的话，更复杂的物质体系不可能会最终形成。时至今日，依然没有人能够解释为何这种力及其常数会以那样的方式涌现。英国天体物理学家布兰登·卡特甚至在1973年由此提出了人择原理的观念，紧接着，英国天文学家约翰·巴罗和弗兰克·蒂普勒（1986）又提出了两种变体：弱人择原理和强人择原理。弱人择原理称：若自然常数不是这样，我们就不可能由此观测它，而强人择原理更是蕴含了这样一种观念，即早有某种初始的条件限定了我们的宇宙，包括宇宙常数，使其只能成为现在这个样子。只不过迄今为止，还没有人知道这些所谓初始的条件究竟是什么。如果自然常数纯属偶然机遇所致，那么人们就有理由设想除此之外还有其他宇宙存在，而其他宇宙的常数也有所不同。
由是便有了下述猜测：我们生存于其中的宇宙只是众多宇宙中的一个，合称所谓“多重宇宙”（multiverse），而且各自以自己的方式演化。当今时代，英国皇家天文学家马丁·里斯爵士（Sir Martin Rees）是这一观念的主要倡导者（1997）。不过不幸的是，我们并没有任何直接的证据说明还有其他的宇宙存在，而且在我看来，我们永远也不可能得到这样的证据，因为就原始界定而言，我们所能观测到的一切只能属于我们自己的宇宙的一部分。
此外，围绕多重宇宙还有另外一种说法。数十年前，印度裔美籍天文学家萨布拉曼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910 —1995）曾提出：如同光一样，物质似乎也有量子的特性。这就是说，能量和物质都不是连续性的，而是由许多离散的步骤组成。就物质而言，我们迄今认识到的有原子核层面、原子和分子层面、日常物体层面（从细菌到岩石到人类本身）、太阳及行星层面、星系层面、星系团以及整个“可观测到的”宇宙。所有这些层次之间都存在巨大的间隔。2007年，荷兰裔美籍天文学家汤姆·格雷尔斯（Tom Gehrels，1925—2011）提出：在所有这些质量量化的体系中似乎有某种清晰的数学模式存在。如果格雷尔斯的说法正确的话，那么，根据总体趋势推断下一个层次——也就是一系列的宇宙，我们或许就能得到可能的多重宇宙的间接推断数据（2007 & 2009）。因为依照定义，所有直接观察所能得到的只能是关乎我们自身宇宙的事物，所以要得到其他宇宙的直接观测数据是不可能的。因此，所谓多重宇宙的任何证据都只能说是间接的。虽然这种种猜测可能都很有趣，但在大历史的叙事中，我们将不考虑多重宇宙会起什么作用。
[7] Chaisson (2001), pp. 110..
[8] Jantsch (1983), pp. 82-89. 我觉得使用“宇宙协同进化”可能比仅称“协同进化”更妥当一些，因为这样就可以区分不同类型的“协同进化”，尤其是生物协同进化。
[9] 天体物理学家计算辐射的能含量要借助马克斯·普朗克著名的E=hv公式，而要计算物质中的能含量就要用E = mc2公式。
[10] Chaisson & McMillan (2008), p. 735.
[11] Chaisson’s Cosmic Evolution website, page ‘First stars.’
[12] 围绕类星体目前还存在很多争议，这里恕不详述。读者可参阅Chaisson & McMillan（2008），pp. 670.。
[13] Chaisson (2001), p. 126.
[14] 所有已知的星系都已存在了数十亿年，而人类记录天体的历史却不过五千年。人类的历史与星系的历程相比简直微不足道，所以人类迄今还未曾观测到任何一个星系的演变过程。故此，人类有关星系的历史记述都是依据大量有关星系的形象重新绘制的，人们认定星系从130亿年一直持续到今日（我们的银河系）。所有有关星系的形象都从属于星系演化的不同时代。恒星的状况与此类似，其实大多数恒星比人类的历史也要悠久得多。比如在我们的银河系，天文学家往往借助所谓不同时代恒星发出的光来从事研究。
[15] Hammer, Puech, Chemin, Flores & Lehnert (2007).
[16] Reeves (1991), p. 80.
[17] Reeves (1991), pp. 72-73.
[18] Jantsch (1983), p. 89.
[19] 参阅Getman, Feigelson, Luhman, Sicilia-Aguilar, Wang & Garmire (2009)。
[20] 恒星内部的核聚变过程事实上比这还要复杂一些，可参阅Chaisson & McMillan（2008），pp. 439.。
[21] Reeves (1991), p. 106.
[22] Jantsch (1983), p. 91.
[23] 有关太阳的广为接受的一些数据是：质量为2×1030千克，光度为4×1026瓦，半径为7×108米。
[24] Chaisson (2001), pp. 148..
[25] Chaisson (2001), p. 150 and p. 240.
