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一、行星的诞生
对于我们这些居住在七大洲（包括南极洲）上的人来说，“实地”这个词可以说是稳固的同义语。当我们勘看我们所熟悉的地球表面时，无论是大陆还是海洋，山脉还是河流，它们都像是自开天辟地以来就存在着似的。当然，古代的地质学资料表明，大地的表面一直处于不断的变化之中：陆地的大片面积可能被海洋淹没，海底也可能升出水面；古老的山脉会被雨水逐渐冲刷成平地，新的山系也会由于地壳的变动而不时产生。不过，这些变化仅仅是我们这个星球的固体外壳发生了变动而已。
然而，我们并不难看出，地球曾有过一段根本没有地壳的时代。那时候，地球是一个发光的熔岩球体。事实上，根据对地球内部的研究得知，地球的大部分目前仍然处于熔融状态。我们不经意地说出来的“实地”这个东西，实际上只是飘浮在岩浆上面的一层相对说来很薄的硬壳而已。要得出这个结论，最简单的方法就是测量地球内部各个深度上的温度。测量结果表明，每向下1000 米，地温就上升30℃左右（或每向下行1000 英尺，上升16℉）。正因为如此，在世界最深的矿井（南非的罗宾逊深井）里，井壁是如此之烫，以至必须安装空气调节装备，否则矿工们就会被活活烤熟。
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按照这种增长率，到了地下50 公里的深度，也就是还不到地球半径的百分之一处， 地温就会达到岩石的熔点（1200～1800℃）。在这个深度以下，地球质量的97%强都以完全熔融的状态存在。
显然，这种状态决不会永远持续不变。我们现在所观察到的，不过是从地球曾经是一个完全熔融体的过去起、到地球冷却成一个完全固体球的遥远将来为止这样一个逐渐冷却的过程的某个阶段，由冷却率和地壳加厚速率粗略计算一下，可以得知，地球的冷凝过程一定还在几十亿年前就开始了。
通过估算地壳内岩石的年龄，也得到了同样的数据。乍一看来，岩石好像并不包含有改变的因素，因此，人们才常用“不渝如石”这句成语。但在实际上，许多种岩石中都有一种天然钟，依靠它们，有经验的地质学家可以判断出这些岩石自熔融状态凝固以来所经过的时间。
这种揭露岩石年龄的地质钟就是微量的铀和钍。在地面和地下各个深度的岩石里，常常会有它们的踪迹。在第七章里我们看到过，这些原子会自发进行缓慢的放射性衰变，并以生成稳定的元素铅而告终。
为了确定含有这些放射性元素的岩石有多大年龄，我们只要测出由于长期放射性衰变而积累起来的铅元素的含量就行了。
事实上，只要岩石处在熔融状态下，放射性衰变的产物就会因扩散和对流作用而离开原处。一旦岩石凝固以后，放射性元素所转变成的铅就会开始积累起来，其数量可以准确地告诉我们这个过程持续的时间。这种情况就和间谍从乱扔在太平洋两座岛屿上棕榈林里的空啤酒罐头盒的数目，就可以判断出一只敌人舰队在这个地方驻扎过多长时间一样。
近来，人们又应用经改进过的技术，精确地测定了岩石中的铅同位素及其他不稳定同位素（如铷87 和钾40）的衰变产物的积累量，由此算出最古老的岩石约存在了45 亿年。因此，我们的结论是：地壳一定是在大约50 亿年前由熔岩凝成的。
因此，我们能够想像出，地球在50 亿年前是一个完全熔融的球体，外面环绕着稠密的大气层，其中有空气和水蒸气，可能还有其他挥发性很强的气体。
这一大团炽热的宇宙物质又是从哪里来的昵？是什么样的力决定了它的形成呢？这些有关我们这个星球和太阳系内其他星球起源的问题，是宇宙论（自关宇宙起源的理论）的基本课题，也是多少世纪以来一直萦绕在天文学家头脑中的一个谜。
1749 年，著名的法国博物学家布丰首次试图用科学办法来解答这些问题。布丰在他的四十四卷巨著《自然史》中提出，行星系统是由星际空间闯来的一颗彗星和太阳相撞的结果。他的想像力生动地为人们描绘出了这样的情景：一颗拖着明亮长尾巴的“司命彗星”从当时孤零零的太阳的边缘上擦过，从它的巨大形体上撞下一些“小团儿”，它们在冲击力的作用下进入空间，并开始自转起来（图117a）。
几十年后，德国著名哲学家康德（Immanul Kant）提出了一个截然不同的观点。他认为各行星是太阳自己创造的，与其他天体无关。康德设想，早期的太阳是一个较冷的巨大气体团，它占据了目前的整个行星系空间，并绕自己的轴心缓慢转动。由于向四周空间进行辐射，这个球体逐步冷却，从而使它自己一步步进行收缩。旋转的速度也随之加快，结果，由旋转产生的离心力也随之增大，从而使这个处在原始状态的太阳不断变扁，最后沿不断扩张的赤道面喷射出一系列气体环（图117b）。普拉多（Plateau）曾做过物质团旋转时形成圆环的经典实验：他使一大滴油（不像太阳的情况那样是气体）悬浮在与油的密度相同的另一种液体里，用一种附加机械装置使油滴旋转。当旋转速度达到某个限度时，油滴外围就会形成油环。康德假定，太阳以这种方式形成的各个环，后来又由于某种原因断裂开来，并集中成为各个行星，在不同的距离上绕太阳运转。
后来，这些观点被著名法国数学家拉普拉斯（Pierre-Simon，Marguis de Laplace）所采纳和发展，并于1796 年发表在《对世界系统的解释》一书中。拉普拉斯是一位卓越的数学家，然而在这本书里，他却没有使用数学工具，仅就太阳系形成的理论作了半通俗化的定性论述。
六十年后，英国物理学家麦克斯韦（Clerk Maxweil）首次试图从数学上说明康德和拉普拉斯的宇宙学说。这时，他遇到了明显而无法解释的矛盾。计算表明，如果太阳系的这几个行星是由原来均匀散布在整个太阳系空间内的物质所形成的，这些物质的密度可是太低了。根本无从凭借彼此间的万有引力聚成各个行星。因此，太阳收缩时甩出的圆环将永远保持着这种状态，就像土星的情况那样。大家知道，土星的外围有一个环，那是由无数沿圆形轨道绕土星运转的小微粒组成的，我们看不出它们有“凝聚”成一个固体卫星的倾向。
要想摆脱这种困境，唯一的出路是假设初始态的太阳所抛出的物质要比现在行星所具有的物质多得多（至少多100 倍），这些物质中的绝大部分后来又回到太阳内，只有不足1%的一部分留下来，成为各个行星。
然而，这种假设也会导致新的矛盾，这个矛盾的严重性并不亚于原先的一个。这就是：如果这一大部分物质——它们当然具有与行星运动相等的速度——确实落到太阳上，必然会使太阳自转的角速度变为实际速度的5 千倍。那么，太阳就不会像目前这样每四个星期自转一周，而是一个钟头转上7 圈了。
上述考虑看来已宣判了康德-拉普拉斯假说的死刑，因此，天文学家们充满希望的目光又转向别的地方。在美国科学家钱伯伦（Thomas Chrowder Chamberlin）、摩耳顿（Forest Ray Moulton）以及著名英国科学家金斯的努力下，布丰的碰撞说又复活了。当然，随着科学知识的不断增长，他们对布丰原有的观点所涉及的基本知识作了一定的修改。与太阳相撞的那颗彗星被摒弃了，因为这时人们已经知道，彗星的质量小到即使与月亮相比也微不足道的地步。这一回，假设的进犯者是大小和质量都与太阳相当的另一颗恒星。
但是，这个再生的碰撞假说，虽然避开了康德-拉普拉斯假说的根本性困难，它自己却也难以立足。人们很难理解：为什么一颗恒星与太阳猛烈相碰时，磕出来的各个小块物质都沿着近于圆形的轨道运动，而不是在空间中描绘出一些拉得很长的椭圆轨道呢？
为了挽救这个失败，人们又只好假设，在太阳受到那颗恒星冲击而形成行星的时候，它的周围包围着一层旋转着的均匀气体，在这种气体包层的作用下，细长的椭圆轨道就变成了正圆形。但是，在行星运行的这一片区域内，目前并未发现这种介质。因此，人们又得假设，这些介质后来逐渐散入星际空间，目前人们在黄道附近看到的微弱的黄道光，就是这种往日的光轮的残余。这么一来，就得到了一个杂交的理论，其中既有康德-拉普拉斯的原始气体层假设，又有布丰的碰撞假设。这个假说也不能完全令人满意。但正如俗语所说“两害相权取其轻”，碰撞假设就这样被接受为行星起源的正确学说，直到不久以前还出现在所有科学论文、教科书和通俗小册子中（包括我自己的两本书《太阳的生与死》和《地球自传》在内）。
直到1943 年秋，才有位年轻的德国物理学家魏扎克（Carl Friedrich von Welzs.cker）把这个行星起源理论中的症结解开。魏扎克根据最新的天文研究资料指出，康德-拉普拉斯假设中所有的那些阻碍都很容易消除，关于行星起源的详细理论是可以建立起来的，行星系的许多迄今为止未被原有理论接触到的重要方面也得到了解释。
魏扎克的主要论点是建立在最近几十年中天体物理学家们完全改变了他们对宇宙化学成分的看法这一基础之上的。过去，人们普遍认为，太阳和其他一切恒星的化学成分的百分比与地球相同。对地球进行的化学分析告诉我们，地球主要是由氧（以各种氧化物的形式）、硅、铁和少量其他重元素组成的，而氢、氦（还有氖、氩等所谓稀有气体）等较轻的气体在地球上只以很少的数量存在。
当时，由于天文学家们没有其他更好的证据，只好假设这些气体在太阳和其他恒星内也是非常稀少的。然而，通过对天体结构所进行的详细理论研究，丹麦天体物理学家斯特劳姆格林（B.Stromgren）下结论说，上述假设大谬不然。事实上，太阳的物质中至少有35%是氢元素。后来，这个比例又增至50%以上。此外，还有占一定百分比的纯氦。对太阳内部所进行的理论研究（这在史瓦西的重要著作中达到了登峰造极的地步）也好，对太阳表面所进行的精密光谱分析也好，都使天体物理学家们作出令人惊讶的结论说，在地球上普遍存在的化学元素，在太阳上只占1%左右，其余都为氢和氦所分占，前者稍稍多一些。显然，这个分析也同样适用于其他恒星。
人们还进一步知道，星际空间并非真空，而是充斥着气体和微尘的混和物，平均密度为每1 000 000 立方英里1 毫克上下。显然，这种弥漫的、极其稀薄的物质具有与太阳及其他恒星相同的化学成分。
尽管这种物质的密度低得难以令人置信，它的存在却是很容易得到证明的。因为，从遥远恒星发来的光，在进入我们的望远镜之前，要走过几十万光年的空间，这就足以产生可以察觉的吸收光谱了。由这些“星空吸收谱线”的强度和位置，可以相当满意地计算出这些弥漫物质的密度，并判断出它们几乎完全是由氢（可能还有氦）组成的。事实上，其中各种“地球物质”的微尘（直径在0.001 毫米左右），还占不到总质量的1%。
现在，让我们回到魏扎克的基本论点上来。我们说，对宇宙物质化学成分的最新知识是直接有利于康德-拉普拉斯假说的。事实上，如果太阳外围原有的气体包层是由这种物质组成的，那么，其中就只有一小部分，即较重的那些地球元素，能用于构成地球和其他行星，其余那些不凝的氢气和氦气，必定以某种方式与之分离，要么落到太阳上去，要么逸散到星际空间之中。我们在前面已经说过，第一种情况会使太阳获得很高的自旋速度，所以，我们就应该接受第二种说法，即当“地球元素”形成各个行星以后，气态的“剩余物资”就扩散到空间中去了。
这种观点为我们提供了行星系形成的如下图景：当太阳由星际物质凝聚生成时（见下一节），其中一大部分物质，大约有现在行星系总质量的100 倍，仍留在太阳之外，形成一个巨大的旋转包层。（产生旋转的原因很明显是由于星际物质向原始太阳集中时，各部分的旋转状态不同所造成的。）这个迅速旋转的包层由不凝的气体（氢、氦和少量其他气体）以及各种地球物质的尘粒（如铁的氧化物、硅的化合物、水汽和冰晶等）组成，后者被包含在前者之内，并随之一道旋转。大块的“地球物质”，也就是各行星，一定是尘粒互相碰撞并逐步会聚的结果。在图118 中，我们表示出了以陨星的速度进行碰撞所造成的后果。
在逻辑推理的基础上，可以得出结论说，如果两块质量相近的微粒以这种速度相撞，当然会双双粉身碎骨（图118a），它们非但没有增大，反而变得更小了。与此相反，如果一块小的与一块很大的相撞（图118b），显然小的一块会埋入大块之内，形成一块稍大一些的新物体。
很明显，这两种过程的进行将使小颗的微粒逐步减少，并形成大块物体。越到后来，物体块就越大，越能凭借自己的万有引力把周围的微粒拉来与自己合并，这个过程也就越加速进行。图118c 画出了大块物体的俘获效应增强的情况。
魏扎克曾证明，在当今行星系所占椐的空间里，那些原来遍布各处的细微尘粒，能够在几亿年的时间内会聚成几团巨大的物质——行星。
当这些行星在绕太阳行进的路上吞并大大小小的宇宙物质而长大的时候，表面一定会由于这些新成员的持续轰炸而变得很热。然而，一旦这些星际微尘、石粒和岩块告罄之后，行星的增长即告终止，表面也就会由于向空间辐射热量而迅速变冷，从而形成一层固态地壳。随着行星内部的缓慢冷却，地壳也变得越来越厚。
各种天体理论试图解释的另一个重要问题，是各行星与太阳的距离所呈现的特殊规律［叫做提丢斯-波得（Titus-Bode）定则］。我们来看看下面列出的那张表，表中所列的是太阳系的九大行星及小行星带与太阳的距离。小行星带显然是一群由于特殊情况而没有凝聚成大行星的单独小块。
表中最后一栏数字特别令人感兴趣。这些数字虽然有相当出入，但都和数字2 相差不多。因此，我们可以建立这样一条粗略的规律：每一颗行星的轨道半径都差不多是前一行星轨道半径的两倍。
有趣的是，这条定则也适用于各行星的卫星。例如，下表中所列的土星的九个卫星与土星的距离就证实了这条规律。
在这里，我们也同太阳系中的情况一样，遇到了很大的出入（特别是土卫九），但我们仍可坚信，卫星中也存在着同样的规则分布。
太阳外围原有的这些微粒为什么不形成一个单独的大行星呢？这些行星又为什么以这种特殊规律分布着？
为了解答这些问题，我们得对原始尘埃云中微尘的运动作一番较为细致的了解。首先，我们都还记得，一切物体——散尘、陨石、行星等等——都按牛顿定律沿椭圆形轨道运动，太阳则位于椭圆的一个焦点上。如果形成各行星的这些微尘是些直径为0.0001 厘米的粒子①，那么，在开始时一定有数量为1045 的粒子在各种大小不同、圆扁程度不同的轨道上运动。很清楚，在这种拥挤的交通下，粒子间必定经常发生碰撞。整个系统在这种不断的撞击下会逐渐变得整齐些。不难理解，这样的碰撞要不是使“肇事者”粉身碎骨，就必定是迫使它移到不那么拥挤的路线上去。那么，这种“有组织的”（至少是部分有组织的）“交通”，是由什么规律控制的呢？
对于这个问题，我们先从一群绕太阳公转而周期相同的粒子入手。在这些粒子当中，有一些会在一定半径的圆形轨道上运转，另一些则在扁长程度不等的椭圆轨道上行进（图119a）。现在，我们从一个以太阳为圆心、以粒子公转周期为周期的旋转坐标系（X，Y）来描述这些粒子的运动。
很清楚，从这种旋转坐标系上进行观察时，沿圆形轨道运动的粒子A 永远静止在某点A′上，而沿椭圆形轨道行进的粒子B，它有时离太阳近，有时离太阳远；近时角速度大，远时角速度小；因此，从匀速旋转的坐标系（X，Y）上看，B 有时抢在前头，有时又落在后面。不难看出，这个粒子从这个坐标系看来是在空间描绘出一个封闭的蚕豆形轨迹，在图119 中以B′表示。另一个粒子C的轨道更为扁长，在坐标系（X，Y）上看来，它也描出一个蚕豆形的轨迹，不过要大一些，以C′表示。
很明显，要使这一大群粒子不致相撞，各粒子在匀速旋转的坐标系（X，Y）中所描绘出的蚕豆形轨迹必须没有相交的可能才行。
我们还记得，具有相同运行周期的粒子，距太阳的平均距离是相同的。因此，（X，Y）系中各个粒子轨迹不相交的图形一定是像一串环绕太阳的“蚕豆项链”的样子。
上面这些分析对读者来说恐怕是太艰深了些，实际上它所表述的却是一个相当简单的过程，目的在于弄清一群与太阳的平均距离相同，因而旋转周期相同的粒子不致相交的交通路线图。我们会想到，原先绕太阳运行的那些粒子会有各种不同的平均距离，旋转周期也随之不同，因此实际情况还要复杂得多。“蚕豆项链”不会只有一串，而是有很多串。这些项链以不同的速度旋转着。魏扎克以细密的分析指出，为了使这样一个系统能够稳定下来，每一条“项链”必须包括5 个单独的旋涡状系统，整个情况看来就是图120 所示的样子。这种安排可以保证同一条链内的“交通安全”。但是，各串项链旋转的速度是各不相同的，因而在两条“项链”相遇的地方一定会有“交通事故”发生。在这些作为相邻链环的共同边界的地区，大量的相撞必然造成粒子的会聚，因而在这些特定距离上会形成越来越大的物体。因此，随着每一条链内物质的逐渐稀薄，在边界地区物质会逐渐积聚，最后就形成了行星。
这段对于行星系统形成过程的描述，简单地解释了行星轨道半径所呈现出的规律。事实上，只需进行简单的几何推断，就能看出在图120 所示的图样中，各条链子的边界半径构成了一个几何级数，每一项都是前一项的两倍。我们还能看出为什么这条规律不是精确成立的，因为事实上，决定这些微尘的运动的并不是严格的定律，而只是不规则运动所会达到的一种倾向而已。
这条规律也同样适用于太阳系各行星的卫星系统。事实表明，卫星的形成基本上也遵循了同样的途径。当太阳四周的原始微尘分成各个单独的粒子群以形成行星时，上述过程在各群粒子中都得到重复：各粒子群中的大部分粒子会集中在中心成为行星体，其余的部分则会在外围运转，并逐渐聚成一群卫星。
在讨论这种微尘的碰撞和会聚时，我们不能忘记考虑原来占太阳包层99%上下的那些气体成分的去向。这个问题相对地说是很容易回答的。
当微尘碰来碰去、越聚越大时，那些不能加入这个过程的气体会逐渐弥散到星际空间中去。无需作很复杂的计算就能求出，这种弥散过程所需的时间约为1 亿年，这和行星系生成所需的时间差不多。因此，在各行星产生的同时，太阳包层的大部分氢和氦都逃离太阳系，只剩下微乎其微的一部分，这就是我们以前提到过的黄道光。
魏扎克理论的一个重要的结论是：行星系的形成并不是偶然的事件，而是在所有恒星周围都必然会发生的现象。而碰撞理论则认为，行星的形成在宇宙历史中甚为罕见。计算表明，在银河系的四百亿颗恒星中，在它几十亿年的历史中，充其量只能发生几起恒星相撞的事件。
魏扎克的理论与碰撞理论截然相反。按照他的观点，每颗恒星都有自己的行星系统。因此，就在我们这个银河系内，也一定有数以百万计的行星，它们的各种物理条件都与地球基本相同。如果在这些“可供居住”的地方竟然不存在生命，竟然不能发展到最高阶段，那才是怪事呢？
事实上，我们在第九章中已经看到，最简单的生命，如各种病毒，无非是些由碳、氧、氧、氮等原子组成的复杂分子而已。这些元素在任何新形成的行星体表面上都会大量地存在。因此，我们可以确信，一旦固态地壳生成，大气中大量的水蒸气降落到地面汇成水域后，迟早总会有一些这类分子在偶然的机缘下由必要的原子按必要的次序生成。当然，这些活分子的结构很复杂，因而偶然形成它们的概率极低，如同靠摇动一盒七巧板，就想正好得到某个预定图样的可能性一样低。但是另一方面，我们也不要忘记，不断相撞的原子是那么多，时间又是那么长，迟早总会出现这种机会的。我们地球上的生命在地壳形成后不久就出现了，这个事实表朋，尽管看起来好像不可能，但复杂的有机分子确实能在几亿年的时间内靠偶然的机会生成。一旦这种最简单的生命形式在新行星的表面上诞生，它们的繁殖和逐步进化，必将导致越来越复杂的生物体不断形成。我们还不知道，在各个“可供居住”的行星上，生命的进化是否也遵循着同地球上一样的过程。因此，对这些地方的生命进行研究，将使我们对进化过程得到根本的了解。
不久的将来，我们会乘“核动力推进的空间飞船”作进一步的探险旅行，去火星和金星（太阳系中最为“可供居住”的行星）上对它们是否有生命存在进行研究。至于在几百、几千光年远的世界上是否有生命存在，以及那里的生命存在方式，则恐怕是科学上永远无法解答的问题了。
二、恒星的“私生活”
对于恒星如何拥有自己的行星家族，我们已有了一定了解，现在该考虑一下恒星本身了。
恒星的履历如何？有关它们的诞生、长期的变化以及最后的结局，详细情况又是怎样呢？
要研究这类问题，我们不妨先从太阳入手，因为它是我们这个银河系的几十亿颗恒星中很典型的一颗。首先，我们知道，太阳的寿数很高。因为据古生物学的资料来判断，太阳已经以不变的强度照耀了几十亿年，使地球上的生物得以发展了。任何普通能源都不可能在这样长的时间内提供这样多的能量，所以，太阳的能量辐射过去一直是科学上最令人惶惑的一个谜。直到不久以前，由于发现了元素的放射性嬗变和人工嬗变，才揭示出这种潜藏在原子核深处的巨大能量。在第七章中我们曾看到，差不多每一种化学元素都可以看作一种潜在的、具有巨大能量的燃料，这些能量会在这些元素达到几百万度高温时释放出来。
这样的高温，在地球上的实验室里几乎是无法获得的，然而，在星际空间却不足为奇。以太阳为例，它的表面温度只有6000℃，但温度向内逐渐升高，直到中心部分达2000 万度高温。这个数字并不难得到，根据测得的太阳表面温度和已知的太阳气体的热传导性质就可以求出。这正像我们知道了一个热土豆的表皮有多热，又知道土豆体的热传导系数，就可以推算出它内部的温度，而无需把它切开一样。
把已知的太阳中心温度和各种核嬗变的具体情况结合起来考虑，我们就能得知太阳内部放出的能量是由哪些反应造成的。这些重要的反应叫“碳循环”，是两个对天体物理学感兴趣的核物理学家贝蒂（Hans Albrecht Bethe）和魏扎克同时发现的。
太阳所释放出的能量，主要是由一系列互相关联的热核转变共同产生的，而不是单靠一种。我们把这一系列转变称为一条反应链。这条反应链的最有趣之处，在于它是一条闭合链，它在进行了6 步反应之后，又重新回到起点。从图121 这幅太阳反应链的示意图中，我们可以看出，这个循环反应的主要参加者是碳核和氮核，以及与它们碰撞的高温质子。
我们不妨从碳开始。普通碳（C12）和一个质子碰撞，形成了氮的轻同位素（N13），并以γ 射线的形式放出一些原子核能。这一步反应是核物理学家们所熟知的，并已在实验室中用人工加速的高能质子实现了。N13 的原子核并不稳定，它会自动进行调整，放出一个正电子（即β+粒子），从而变成碳的比较稳定的重同位素（C13），煤中就含有少量这种元素。这个碳同位素的核再被一个质子撞上，就会在强烈的γ 辐射中变成普通的氮N14。（从N14 开始，我们也可以同样方便地描述这个反应链。）这个N14 核再和一个（第三个）热质子相逢，就变成了不稳定的氧同位素O15，它很快就放出一个正电子，变成稳定的N15。最后，N15 再接受第四个质子，然后分裂成两个不相等的部分，一个就是开头那个C12 的原子核，另一个是氦核，也就是α 粒子。
我们可以看到，在这个循环的反应链里，碳原子和氮原子是不断地重新产生的，因此，借用化学术语来形容时，它们只起催化剂的作用。这个反应的实际结果是接连进入反应的四个质子变成一个氦原子核。因此，我们可以这样来表述全过程：在高温下，氢在碳和氮的催化作用下嬗变为氦。
贝蒂成功地证明了，在2 千万度高温下进行的这种循环反应所释放的能量，正好与太阳辐射的实际能量相符。其他各种可能发生的反应，其计算结果都与天体物理学的观测不符。因此，可以确定，太阳能主要是由碳、氮循环产生的。还应注意，在太阳内部的温度条件下，完成图121 所示的这样一个循环，差不多要500 万年的时间。因此，每当这样一个周期结束时，碳（或氮）的原子核就又会以刚进入反应时的姿态重新出现。
原先曾经有人认为，太阳的热量来自媒的燃烧。现在，在我们了解到碳在整个过程中所起的作用后，仍可以说这句话，不过，这里的“煤”不是真正的燃料，它扮演了神话中的“不死鸟” *的角色。
特别值得注意的是，太阳的这种释能反应的速率主要由中心温度和密度决定，同时也在一定程度上依赖于太阳内氢、碳、氮的数量。由此我们可立即找出这样一种方法，即选择不同浓度的反应物，使它所发出的光度与观测相符，从而分析出太阳气体中的各种成分来。这一办法是史瓦西近年提出的。用这种方法，他发现太阳的一大半物质是纯氢，氮略少于一半，只有很少一部分是其它元素。
对于太阳能量所进行的解释，可以很容易地推广到其他大部分恒星上去。结论是这样的：不同质量的恒星，具有不同的中心温度，因而能量释放率也不同。例如，波江座O2-C 的质量是太阳的1/5，因此，它的光度只有太阳的1%左右；而大犬座α（通称天狼星）比太阳重2 倍半，它的光比太阳强40 倍。还有更大的恒星，如天鹅座Y380，它比太阳重40 倍左右，因此它比太阳亮几十万倍。上述各例所表现出的质量越大、光度越强的关系，都可用高温下“碳循环”反应速率会增大这一点来满意地解释。在这类属于所谓“主星序”的恒星中，我们还发现，随着恒星质量的增大，它们的半径也增大（波江座O2-C 的半径是太阳半径的0.43 倍，天鹅座Y380 则为太阳的29 倍），平均密度则随之减小（波江座O2-C为2.5，太阳为1.4，天鹅座Y380 为0.002）。图122 上列出了属于主星序的一些恒星的数据。
除了这些由质量决定其半径、密度和光度的“正常”恒星之外，天文学家们还在天空中发现了一些完全不遵从这种简单规律的星体。
首先我们要提到所谓“红巨星”和“超巨星”，它们具有与“正常”恒星相同的质量和光度，但却要大得多。图123 上画出了几个这样的异常恒星，它们是著名的御夫座α，飞马座β，金牛座α，猎户座α，武仙座α 和御夫座ε。
这些恒星之所以会有令人难以置信的大尺寸，显然是由于某种我们还解释不了的内部作用力所造成的。因此，这种星的密度才远比一般恒星为小。
与这种“浮肿”恒星适成对照的是另一类缩得很小的恒星，它们叫做“白矮星” 。图124 就画出了一颗，同时还画出地球作为比较。它是天狼星的伴星*，它的直径只有地球的3 倍大，却具有太阳的质量；因此，它的平均密度一定是水的50 万倍！毫无疑问，这种白矮星正是恒星耗尽了所有可用的氢燃料后所达到的末期状态。
我们已经知道，恒星的生命来自从氢到氦的缓慢的核嬗变过程。当恒星还年轻、刚刚从星际弥漫物质形成时，氢元素的比例超过了整体质量的50%。我们可以料到，它还有极长的寿命。例如， 根据太阳的光度， 人们判断出它每秒钟要消耗6.6亿吨氢。太阳的质量是2×10^27 吨，其中有一半为氢，因此，太阳的寿命将是15×10^18 秒，即500 亿年！要知道，太阳现在只有三四十亿岁，因此，它还很年轻，还能以和目前差不多的光度，连续不断地照耀几百亿年呢！
但是，质量越大，光度也就越强，这样的恒星消耗氢的速度要快得多了。以天狼星为例，它的重量是太阳的2.3 倍，因此它原有的氢燃料也是太阳的2.3 倍；但它的光度，却是太阳的39 倍。在相同的时间里，天狼星所消耗的燃料39 倍于太阳，而原有的储存量只2.3 倍于太阳，因此，只消三十亿年，天狼星就会把燃料用光。对于更亮的恒星，如天鹅座Y380（质量为太阳的17 倍，亮度为太阳的30 000 倍），它原有的氢储存量不会支持到一亿年以上。
一旦恒星内的氢终于耗尽以后，它们会变成什么样子呢？
当这种长期支持恒星的核能源丧失以后，星体必然会收缩，因此，在以后的各个阶段，密度会越来越大。
天文观测发现了一大批这类“萎缩恒星”的存在，它们的平均密度比水大几十万倍以上。它们至今仍然还是炽热的，由于表面温度这样高，它们会放射出明亮的白光，因而和主星序中发黄光或者发红光的恒星有显著不同。不过，由于这些恒星的体积很小，它们的总光度就相当低，比太阳要低几千倍。天文学家们把这类处于末期演化阶段的恒星叫做“白矮星”，这个“矮”字既有几何尺寸上的意义，又有光度上的含义。再到后来，白矮星将逐渐失去自己的光辉，最后变成一大团冷物质——“黑矮星”。这种天体是普通的天文观测所无法发现的。
还有，我们要注意，这些年迈的恒星在烧光自己所有的氢燃料而逐步收缩和冷却的时候，并不总是安静和平稳的。这些“风烛残年”的恒星经常会发生极大的突变，好像是要反抗命运的判决一样。
这类灾变式的事件——所谓新星爆发和超新星爆发——是天体研究中最令人振奋的题目之一。一颗这样的恒星，原先看起来和其他恒星并没有什么两样，但在几天时间内，它的亮度就增加了几十万倍，表面温度也显著地升到极高温。研究它的光谱变化，能看出星体在迅速膨胀，最外层的扩展速度可达每秒钟2000 公里。但是，光度的这种增强只是短期的，在达到极大值后，它就开始慢慢地平静下来。一般地说，这颗恒星会在爆发后一年左右的时间内回复原有光度。不过，在这以后很长一段时间内，它的辐射强度还会有小的变化。光度是恢复正常了，其他方面却并不一定如此。爆发时随星体一起迅速膨胀的一部分气体，还会继续向外运动。因此，这颗星外面会包上一层不断增大的发光气体外壳。目前，我们只获得了一颗这样的新星在爆发前的光谱（御夫座新星，1918年），而且就连这唯一的一份资料也很不完全，对它的表面温度和原来的半径都不能十分肯定。因此，关于这一类恒星是否在持续变化的问题，目前还缺乏确定的证据。
另一类星体是所谓超新星，对它们的爆发所进行的观测使我们对这种爆发的后果有了较清楚的了解。这类巨大的爆发在银河系内几个世纪才发生一次（而一般的新星爆发则是每年40 次左右），爆发时的光度要比一般新星强几千倍。在光度达到极大值时，一颗超新星所发出的光可以抵过整个星系。第谷（Tycho Brahe）在1572 年所观测到的可在白天见到的星，中国天文学家在1054 年记载的客星，也许还包括犹太星，都是我们这个银河系内超新星的典型例子。
第一颗河外超新星是1885 年在仙女座星云附近发现的，它的光度比在这个星系中发现的所有新星都强上千倍。这类大爆发虽然很少发生，但由于巴德（Walter Baade）和兹维基（Fritz Zwlcky）首先认识到了这两种爆发的重大不同之处，并对各遥远星系中出现的超新星进行了系统的研究，我们对这类星体的性质近几年来已有了相当的了解。
超新星爆发时的光度比起普通的新星爆发来差别极大，但它们在许多方面是相似的：由两者光度的迅速增强和以后的缓慢减弱所决定的光度曲线形状相同（比例尺当然是不同的）；超新星爆发也产生一个迅速扩展的气体外壳，不过，这个外壳所含的物质要多得多。但是，新星爆发所产生的外壳会很快变稀薄，并消失到四周的空间内，而超新星所抛出的气体物质却在爆发所及的范围内形成了光度很强的星云。例如，在1054 年看到超新星爆发的位置上，我们现在看到了“蟹状星云”。这个星云肯定是由爆发时所喷出的气体形成的（见图版Ⅷ）。
在这颗超新星上，我们还找到了这颗恒星爆发后的某些残留痕迹的证据。事实上，就在蟹状星云的正中心，我们可以观测到一颗昏暗的星，据判断，这是一颗高密度的白矮星。
这一切都表明，超新星爆发和新星爆发是类似的过程，只不过前者的规模在各方面都大得多就是了。
在接受新星和超新星的“坍缩理论”之前，我们还得先问问自己：造成整个星体猛烈收缩的原因是什么呢？根据目前看来颇为可信的一种看法，原因是这样的：由大量炽热气体物质构成的恒星，它们原来之所以能处于平衡状态，完全是靠本身内部炽热气体的极高压力在支撑着。只要恒星中心的“碳反应循环”在进行着，星体表面所辐射出的能量就会从内部深处所产生的原子核能得到补充。因此，恒星几乎不发生什么宏观变化。但是，一旦氢元素完全耗尽，再无能量可补充，星体就必然会收缩，并把自己的重力势能转变成辐射。不过，由于星体内的物质极不善于传导热能，热能从内部传到表面的过程进行得很慢，所以，这种重力收缩是相当缓慢的。以太阳为例，计算表明，要使太阳的直径收缩成现在的一半，需要1 千万年以上。任何能使收缩加快的因素都会马上使星体释放出更多的重力势能，引起内部温度和压力的增长，从而使收缩的速度减慢。根据这个道理，要想造成新星和超新星那样的迅速坍缩，唯一途径是从内部运走收缩时所释放的能量。比如说，如果星体内部物质的传导率增强几十亿倍，它的收缩速度也会加快同样倍数，因而在几天之内，一颗恒星就会坍缩。然而，目前的理论确切地表明：物质的传导率是其密度和温度的确定的函数，想要把它减小数百倍或甚至只是数十倍，都几乎是不可能的事情。因此，这种可能性被排除了。
我和我的同事沈伯格（Schenberg）最近提出这样一种看法：星体坍缩的真正原因是由于中微子的大量形成。我们在第七章曾详细讨论过这种微小的核粒子，并且知道，整个星体对于它就如同一块窗玻璃对于可见光那样透明。因此，它恰好可以充当从正在收缩的恒星内部带走多余能量的理想搬运工人。不过，我们得搞清楚，在收缩星体的炽热内部是否会产生中微子，以及中微子的数量是否足够多。
有很多种元素的原子核在俘获高速电子时会发射出中微子。当一个高速电子进入原子核时，马上会放出一个高能中微子。原子核得到电子后，变成原子量不变的另一种元素的不稳定核。由于不稳定，这个新原子核只能存在一定的时期，然后就会衰变，放出一个电子，同时又放出一个中微子。以后，这种过程又可以从头开始，并导致新的中微子的不断产生（图125）。我们把这种过程叫做尤卡过程。
在正在收缩的星体内部，如果温度很高，密度很大，那么，中微子所造成的能量损失将是极大的。例如，铁原子核在俘获和发射电子的过程中转换成中微子的能量，可达每克每秒10^11 尔格。如果换成成分为氧（它所产生的不稳定同位素是放射性氮，衰变期为9 秒）的恒星，那么，它所失去的能量可达每克每秒1017 尔格之多。在后面这种情况下，能量释放得如此之快，以致只需要25 分钟，恒星就会完全坍缩。
由此可见，采用在收缩恒星的炽热中心区域开始产生中微子辐射这种说法，就可以完全解释星体坍缩的原因。
不过，我们还得说，尽管中微子所造成的能量损失可以比较容易地计算出来，但要研究恒星坍缩本身还存在着许多数学上的困难，因此，目前我们只能提出某些定性的解释。
我们不妨这样设想：由于星体内部气体的压力不够大，外围的大量物质就会开始在重力作用下落向中心。不过，恒星一般都处于不同速度的旋转之中，因此，坍缩过程进行得并不一致，极区（即靠近旋转轴的部分）物质先落入内部，这样就会把赤道区物质挤出来（图126）。
这一来，原先藏在深处的物质就跑了出来，并被加热到几十亿度的高温。这个温度会造成星体光度的骤增。随着这个过程的继续进行，原先那颗恒星中收缩进去的一部分就紧紧收缩成极为致密的白矮星，而挤出来的那部分则逐渐冷却，它们继续扩张，形成像蟹状星云那样朦胧的东西。
三、原始的混沌，膨胀的宇宙
把宇宙作为一个整体来看，我们立刻就会面临着它是否随时间而演化这样一个极为重要的问题。宇宙在过去、现在和将来都大致上永远是目前我们所看到的这副模样呢，还是经过了各个演化阶段而不停地变化着呢？
总结从科学的各个不同分支所得到的经验，我们得到了确定的回答。是的，我们这个宇宙是在不断变化的。它的久已湮灭的过去，它的现在，它的遥远的将来，是三种大为不同的状态。由各门科学搜集来的大量事实还进一步表明，我们的宇宙有过一个开端。从这个开端起，宇宙经过不断变化，发展成现在这个样子。大家已经知道，行星系的年龄有几十亿岁了，这个数字在各项不同的独立研究中都顽强地一再出现。月亮显然是被太阳用强大吸引力从地球上扯下来的一块物质，同样也应该是在几十亿年前形成的。
对一颗颗恒星的进化所进行的研究（见上节）表明，我们在天上所见到的大多数恒星也都有几十亿年的岁数。通过对恒星运动的普遍研究，特别是对双星、三星和更复杂的银河星团相对运动的考查，使天文学家们得出结论说，这几种结构的存在时间不会比几十亿年更长。
另一个独立的证据是由各种化学元素，特别是钍、铀之类缓慢衰变的放射性元素的大量存在这个事实提供的。它们虽然在不断衰变，却至今仍然在宇宙中存在着，这就使我们有根据假定说，要么这些元素目前还在由其他轻元素的原子核不断形成，要么它们是大自然货架上那些年代久远的产物的存货。
我们目前所具备的核嬗变知识，迫使我们放弃第一种可能性。因为即使在最热的恒星内部，温度也未达到足以“炮制”出重原子核的极高程度。事实上，我们已经知道，恒星内部的温度有几千万度，而要想从轻元素的原子核“炮制”出放射性的原子核，温度得有几十亿度才行。
因此，我们必须假设，这些重元素的原子核是在宇宙某个过去的年代里产生的，在那个特殊的时候，所有的物质都受到极为可怕的高温和高压的作用。
我们能够把这个宇宙的“炼狱” 时期大致地计算出来。我们知道，钍和铀238 的半衰期分别是180 亿年和45 亿年，而它们迄今还没有大量衰变，因为它们目前的数量还和别的稳定元素一样多。至于铀235，它的半衰期只有5 亿年上下，它的数量要比铀238 少140 倍。钍和铀238 的大量存在说明，这些元素的形成距今不会超过数十亿年，同时，我们还能从含量较少的铀235 进一步计算一下这个时间，因为这种元素每隔5 亿年减少一半，所以，必须经过7 个这样的半衰期（即35 亿年），才能减少为原来数量的1/128，这是因为:
从核物理学角度出发对化学元素的年龄所进行的这种计算，与根据天文学数据算出的星系、恒星和行星的年龄，两者符合得极好！
不过，在几十亿年前，在万物刚开始形成的早期阶段，宇宙是处在何种状态之中呢？宇宙又经历了什么变化，才达到现今这种样子呢？
对这两个问题，最适当的解答是通过研究“宇宙膨胀”现象得出的。前面我们已看到，在宇宙的巨大的空间中，散布着大量的巨大星系，太阳所属的包括几百亿个恒星的银河只是其中的一个，我们还看到，在我们视力所及的范围内（当然，这视力是由200英寸望远镜帮了忙的），这些星系基本上是均匀分布的。
威尔逊山的天文学家哈勃在研究来自遥远星系的光线时，发现它们的光谱都向红端作轻微移动；而且，星系越远，这种“红移”就越大。实际上，我们发现，各星系“红移”的大小与它们离开我们的距离成正比。
对于这种现象，最自然不过的解释莫过于假设一切星系都在离开我们，离开的速度随距离的增大而增大。这个解释建立在所谓“多普勒效应”上。这就是说，当光源向我们接近时，光的颜色会向光谱的紫端移动；当光源离我们而去时，光的颜色会向红端变化。当然，要想获得明显的谱线移动，光源与观察者之间的相对速度一定要很大才行。伍德（R. W. Wood）教授曾因在巴尔的摩闯红灯行车而被拘捕。他对法官说，由于我们上面所说的现象，他在驶向信号灯的汽车内把信号灯射出的红光看成绿色了。这位教授纯粹是在愚弄法官。如果法官的物理学学得不错，他就会问伍德教授说，要把红光看成绿光，汽车得以多高的速度行驶才行，然后再以超速行车的理由课以罚金！
我们还是回到星系的“红移”问题上来吧。这个问题乍一看来有点蹊跷：为什么宇宙间的所有星系都在离开我们的银河系呢？难道银河系竟是一个吓退一切的夜叉吗？如果真是如此，我们的银河系又具有什么吓人的性质呢？为什么它看来竟会如此与众不同呢？如果把这个问题好好思考一下，就很容易发现，银河系本身并无特殊之处，别的星系实际上也并不是故意躲开我们，事实只不过是所有的星系都在彼此分开就是了。设想有一个气球，上面涂有一个个小圆点（图127）。如果向这个气球里吹气，使它越来越胀大，各点间的距离就会增大。因此，呆在任何一个圆点上的一只蚂蚁就会认为，其他所有各点都在“逃离”它所在的这个点。不仅如此，在这个膨胀的气球上，各圆点的退行速度都是与它们和蚂蚁之间的距离成正比的。
这个例子很清楚地说明，哈勃所观察到的星系后退的现象，和我们这个银河系所处的位置或它所具有的性质并没有什么关系，这个现象只不过是由于散布着星系的宇宙空间在经历着普遍的均匀膨胀而已。
根据所观测到的膨胀速度和现今各相邻星系间的距离，可以很容易地算出，这个膨胀至少在五十亿年前就开始了①。
在这之前，当时的星云（目前的各个星系）正在形成在整个宇宙空间内均匀分布着的恒星。再往前，这些恒星也都紧紧挤在一起，使宇宙充满了连续的炽热气体。再往前，这种气体越来越致密，越来越炽热，这个阶段显然应该是各种元素（特别是放射性元素）产生的时代。再往前去，宇宙间的物质都处于超密和超热的状态下，成了我们在第七章提到过的那种核液体。
现在让我们把这些情况归纳起来，按正常的顺序来看一看宇宙的进化吧。
在整个历史的开端，在宇宙的胚胎阶段，所有用当今威尔逊山望远镜（观察半径为5 亿光年）看到的一切物质都被挤在一个半径八倍于太阳的球体内①。但是这种极为致密的状态不会长期存在。只消两秒钟，在迅速的膨胀作用下，宇宙的密度就将达到水的几百万倍；几小时后，就会达到水的密度。大概就在这个时候，原先连续的气体会分裂成单独的气体球，它们就是如今的恒星。在不断的膨胀下，这些恒星后来又被分开，形成各个星云系统，它们就是现在的各个星系，如今仍在向着不可测的宇宙深处退去。
我们现在可以自问一下：造成这种宇宙膨胀的作用力是怎样的一种力呢？这种膨胀将来会不会停止，并转成收缩呢？宇宙是否有可能掉过头来，把银河系、太阳、地球和人类重新挤成具有原子核密度的凝块呢？
根据目前最可靠的情报，这种事情是决不会发生的。很久以前，在宇宙进化的早期，宇宙冲决了一切束缚自己的锁链——这锁链就是阻止了宇宙间物质分离的重力——膨胀了，因此，它们就会遵照惯性定律接着膨胀下去。
我们举一个简单例子来说明这种情况。从地球表面向星际空间发射一枚火箭。我们知道，过去所有的火箭，包括著名的V-2 火箭在内，都没有足够的推动力以进入空间；在它们上升的路途中就会被重力所停止，并落回地球上来。不过，如果我们能使火箭具有足够的功率，使它的起始速度超过每秒钟11 公里，这枚火箭就可以排除重力的拉扯而进入自由空间，并且不受阻挡地运行下去。11 公里每秒的速度通常称为克服地球重力的“逃逸速度”。
设想有一发炮弹往空中爆炸了， 它的碎片向四面飞去（ 图128a）。爆炸时产生的力抵抗了想把它们拉到一起的引力，而使弹片互相飞离。不用说，在这个例子中，各弹片之间的引力作用极为微弱，根本不足以影响它们在空间中的运动，因而可以忽略不计。但是，如果这种重力很强，就会使各弹片在中途停住，再转回头来落回它们的共同重心（图128b）。它们倒底是落回来，还是无限制地飞开，这决定于它们的动能和重力势能的相对大小。
把炮弹片换成星系，就会得到前面所说的膨胀宇宙的图景。不过，这时各星系的巨大的质量造成了很强的重力势能，与动能不相上下，因此，有关宇宙膨胀的前景，只有在仔细研究这两种能量以后才能得出。
根据目前所掌握的最可靠的星系质量的数据来看，各个互相离开的星系所具有的动能是其重力势能的好几倍。目此，大概可以这样说，宇宙会无限地膨胀下去，而不会被它们之间的引力重新拉近。不过要记住，有关宇宙的数据总的说来都不很准确，将来的进一步研究很可能把整个结论颠倒过来。不过，即使宇宙真的会停止膨胀，并且回转来进行收缩，那也得需要几十亿年的时间。因此，黑人诗歌里所预言的那种“星星开始坠落”、我们在坍缩星系的重压下粉身碎骨的景象，眼下还不会发生。
这种造成宇宙各部分以可怕速度飞离的高爆炸力物质究竟是什么东西呢？对这个问题的解答可能会使你失望：事实上，很可能从来就不曾有过所谓爆炸。宇宙现在之所以会膨胀，只是因为在这之前它曾从无限广阔的地域收缩成很致密的状态（当然，这段历史是没有任何记录保留下来的），然后又反弹回来，如同被压缩的物体具有强大的弹力一样。如果你走进一间球室，正好看到一只乒乓球从地板上跳到空中，你当然会得出结论（根本不用怎么思考）说，在你进入这间屋子之前，这个球一定是从某个高度落到了地板上，并由于弹性再次跳起来的。
现在，我们不妨让想像力自由驰骋，设想一下在这个宇宙的压缩阶段，一切事物是否都会与目前进行的顺序相反。
如果是在80 亿年或100 亿年前，你是否就会从最后一页读起，把这本书读到第一页？那时的人是否会从自己嘴里扯出一只油炸鸡，在厨房里使它复活，再把它送到养鸡场；在那里，它从一只大鸡“长”成一只小鸡，最后缩进一只蛋壳里，再经几周的时间变成一枚新鲜鸡蛋呢？倒是很有趣的。不过，对于这类问题，是不可能从纯粹的科学观点进行解答的，因为在这种情况下，宇宙内部的极大压力会把一切物质挤成一种均匀的核液体，从而把以前的一切痕迹完全抹掉。
