混沌初開

hùn dùn chū kāi

正如上面所介紹的，人類對宇宙的認識不斷拓寬，從肉眼到光學望遠鏡，從光學望遠鏡到射電望遠鏡，由於地球大氣的阻礙，我們在地球上還是不可能收到全方位的信息。到了宇航已成為現實的時代，人們理所當然的把望遠鏡搬到地球之外，這就是世界上最新的望遠鏡——哈勃望遠鏡。這是1990年4月24日送到離地球613公里軌道上的最先進的望遠鏡。從而摘掉了地球大氣層這個遮眼罩。

根據觀測和理論，認為我們所在的宇宙起源於約150億年前的一次大爆炸。在那時也可以説是混沌初開。而這大爆炸的起點的狀態是當今天文學、物理學研究的熱點。現代科學家認為在最原始狀態下電磁作用、弱相互作用、重力作用都是統一的，在大爆炸的一瞬間開始，重力場、電磁場相繼獨立出來，此後才由原物質形成質子和中子，隨着宇宙物質的進一步演變生成現有的原子核和原子。我們的銀河系大約在100億年前形成。關於以後宇宙物質的演化，下面我們將較詳細地介紹。

我們已經知道我們的宇宙是一個階梯式的宇宙，恆星組成星系，一些星系組成星系團，各星系團又組成我們觀測到的宇宙——總星系。這種階梯式的宇宙曾經解決了前面提出的奧伯斯的光度佯謬。而如今膨脹的大爆炸宇宙模型更好地解釋了天空為什麼是黑的。而奧伯斯問題的提出是建立在均勻的恆穩態的宇宙模型上的，這與實際觀測的結果不符。

問題是在大爆炸前宇宙是什麼形態，如果在大爆炸的那一瞬間把時間作為0的話，那負時間宇宙會處於什麼狀態？再就是我們所處的宇宙膨脹有沒有盡頭。這就有兩種模型，一是無限膨脹，終於完全散開了去；一是膨脹到了極限又會收縮，也許會又縮回到原始的緻密狀態。這一切還有待天文學家們進一步觀察研究。

宇宙是有限還是無限的呢？是無限的。我們用哈勃望遠鏡已經觀測到120億光年遠的天體！但這只是我們認識的前緣，並不是宇宙的極限。在我們的宇宙體系外肯定還有別的宇宙體系。正像古代哲學家説的：宇宙是大小相含，無窮無盡，宇宙之外還會有更大的體系。只是我們的認識暫時還難以達到而已。

現代宇宙學認為：原始宇宙是完全由中子組成的非常熾熱、非常稠密的大火球。後來，宇宙開始膨脹並變冷，這時中子蜕變為質子和電子。這種由中子、質子和電子組成的原始物質名叫“太素”（Yelm）。

當原始宇宙温度下降到109～1010K時，原始物質開始結合成氖和氦（當然絕大部分還是氫），這是原始的星際物質。根據B2FH理論，原始的星際物質靠引力收縮形成一些團塊——原始恆星，同時內部温度逐漸升高，當恆星內部温度升到7×106K以上時，氫的核聚變開始，核反應的輻射膨脹與恆星的引力收縮相抵制，恆星發光並進入相對穩定狀態，這時恆星內部的核聚變有質子-質子循環和碳-氮循環兩種。這是恆星氫燃燒階段，一般可穩定進行100萬～100億年。我們的太陽已進行了約46億年，估計還將繼續50億年。這一階段在恆星核心生成氦，同時還有一些碳、氮、氧等元素的形成。

當恆星核心的氫全部轉為氦（約佔恆星總質量10%～15%）時核反應停止，引力收縮佔優勢，結果使核心温度上升，恆星外殼膨脹，變成紅巨星。當核心温度升高到108K，密度也驟增，開始了新的核反應——氦燃燒。這時恆星變成脈動變星（這類恆星有規律的膨脹和收縮像脈搏一樣）。氦燃燒主要是三個氦原子核結合成碳核的聚變反應，然後再生成氧。

如果恆星足夠大，那麼還將繼續收縮升温，發生碳和氧燃燒（聚變）過程，生成硅、鈣等元素。更進一步則是硅燃燒（又名α過程），其核反應機理是硅核光解生成高能α粒子，α粒子又與別的核結合生成鐵族元素。當恆星演化到這個階段，核心的温度可以增高到4×109K，這就使核達到統計平均狀態，生成元素週期表上鐵附近的多種元素。這個過程是e過程（平衡過程），結果是生成鐵質核心。到這時，恆星就進入風燭殘年了。

據B2FH理論，比鎳更重的元素不能靠聚變反應生成，而是由一些重元素核在恆星中連續俘獲中子形成的。在大質量恆星（質量達到8～20個太陽質量）演化的末期，核心温度可以高達4×109K，鐵會轉為氦和中子，大量吸熱，使核心處於爆縮狀態，隨之是超新星爆發。這時強密度中子流會陸續擊人元素核中生成鈾、釷，甚至超鈾元素和超重元素。

根據愛因斯坦在20年代初提出的質能轉化關係，貝特等在30年代末提出氫聚變為氦的熱核反應是太陽發光發熱的能源。通過對太陽內部結構的研究和分析，天文學家們進一步研究了恆星的能源和演化的關係。於是就產生了核天體物理學這樣的一個天文學分支。由於恆星形成時的質量不同，發的光（能量）也不同。恆星越大發光越強烈（表面温度也高），在主星序內停留階段也短，反而是質量小的恆星，能量消耗少，穩定發光的時間要更長。一般説來，高光度、大質量的O和B型星在主星序上停留只有幾百萬年、幾千萬年，而低光度、小質量的K和M型星則可以穩定發光長達幾千億年、幾萬億年之久。太陽是G型星，據計算在主星序階段可以停留100億年左右，如今已過了50億年，即已達到中年，估計還能維持50億年或更長的壽命才進入晚年。

當恆星核心中氫的含量消耗到只剩下1%～2%時，能量供應不足抵住引力，恆星開始收縮。收縮使核心温度進一步增高，這時恆星核心邊層開始發生氫轉變為氦的核反應，使得恆星外層温度增高而膨脹變成紅巨星。而內部核心的温度升得更高，引發了氦的聚變，這時恆星會發生週期性的膨脹和收縮。

更進一步的情況是，小質量的恆星，因能源耗盡而收縮成紅矮星。大質量的恆星，因引力收縮，使熱核反應不斷升級直到生成鐵的核心。這時恆星的核心再進一步坍縮，外層就會爆發成為“新星”或“超新星”（“新”只是我們似乎觀察測到一個新的星，而實際上是個快要老死的星），而其核心則變成為密度極大的白矮星或中子星。也有的爆發後就完全散開到宇宙空間去了。

例如，公元1054年在金牛座的超新星爆發，在我國的史書中有詳細的記載。在今天我們還可以看到爆發時拋出的蟹狀星雲，和一顆中心遺留的中子星。新星和超新星爆發可以説是恆星晚年的迴光返照。但這決不是一般的回光，一顆超新星爆發時光度可以達到107～1010個太陽的光度（相當於整個星系的光度），即光度突然增大千萬倍甚至上億倍，同時放出極大的能量。這是恆星世界中已知最為激烈的爆炸，而爆炸得到的產物是比鐵更重的元素，直到超鈾元素。

根據愛因斯坦廣義相對論還預言了一種特殊的天體——黑洞。1939年奧本海默等作過計算，認為星球有可能坍縮到它的引力半徑之內.對於晚期高密度的恆星來説，當恆星質量超過引力半徑公式給定的M值時，就會形成黑洞。也就是説連光線也不能從黑洞中逃逸出來，這樣外界就無法再觀察到它了。黑洞也是恆星終極的產物，天文學家們極力設法找尋黑洞，首先在雙星體系內尋找黑洞。天文學家們描繪了這樣的圖景，黑洞天體不斷地把它的伴星的物質像長虹吸水一樣的吞噬着，它們也許最終會合併成一個黑洞。

一般説來，恆星是由低密度的星際物質凝縮而成，這是形成恆星的原料——原始星雲，質量大約是幾十個乃至一萬多個太陽的質量。在凝縮過程的同時，不僅密度不斷增加，而且核心温度也不斷增加，輻射壓力和引力相互較量之後，終於平穩地收縮成原恆星。在這過程中，原恆星的核心温度繼續增大，增大到700萬度以上時，氫聚變為氦的熱核反應開始，恆星發光發熱，而核心產生的能量足以抵住引力收縮的壓力和向外輻射掉的能量，於是變成一顆穩定的正常發光的恆星，進入了主星序成為一顆主序星，這是恆星的壯年時代。

恆星經歷了生老病死的過程，在這個過程中把物質轉化為能量，把氫和氦轉化為更重的元素直到超鈾元素，從而為宇宙向更深層次的演化奠定了基礎。恆星死亡的殘骸將混人星際物質中，準備生成更新一代的恆星。

以上概略敍述了元素在恆星中的演化。根據B2FH理論，放射性元素是在恆星演化後期形成的。如果我們選兩個半衰期不同的放射性同位素例如鈾-235和鈾-238，假定它們同時形成，形成的比例可由理論推算，可以簡單認為是1比1。那麼，由地球或其他宇宙天體中這兩種放射性物質的現今比例，就不難推算出經過了多少年了。

例如，在地球上鈾-235對鈾-238現今的比例已經是0.00725。而且科學家們已經測定：鈾-235的蜕變常數是972億年；鈾-238的蜕變常數是154億年，所以就不難推算出鈾元素生成已經過了65億年了。當然，這是元素的年齡下限，也就是説這是老一代恆星爆發為超新星的年齡，再往前推算原始恆星的生成和演化的年齡，由之可以估算出銀河系的年齡約為150億年。或者説，這就是原始大爆炸的年齡。

如果我們銀河系的初始狀態全部是氫，那麼第一代恆星應當全部由氫組成；第一代恆星死亡後，生成的各類元素彌散開來，使銀河系的組成發生變化，於是再凝聚成的第二代、第三代恆星的原始組成就複雜了。我們的太陽現處於氫燃燒階段，但已有鐵等重元素，可以肯定它不是第一代恆星。而地球也只能是由第一或第二代恆星的殘骸形成，地球的鐵核、地球上的各種元素和放射性物質，都説明了這一點。這就是地球上為什麼有這麼多種元素的原因。

在恆星中後期形成的重元素，實際上儲存了恆星的能量，又以放射蜕變形式逐步釋放，所以我們地球不僅享受着本代恆星——太陽供應的能，而且還在享受着前幾代恆星留下來的“祖先遺產”。可以這樣認為，地球是銀河系物質演化高級階段的產物。

關於元素的起源和演化的學説，實際上還處於假説階段，還有不少重要環節不很清楚。在這方面，天文學上的新發現還在不斷豐富其內容。