第九章
恒星的一生

苍穹在上，繁星点点。我们常躺在地上眺望群星，讨论它们到底是被造出来的，还是自己冒出来的。

——马克·吐温，《哈克贝利·费恩历险记》

我有……一种渴望……我可以这么说吗？……像是宗教。然后我会走出门，去看星夜。

——文森特·凡·高

想做个苹果派，你需要小麦、苹果、各种调料，还有烤箱的高温。这些原材料是分子构成的——比如糖或水分子。而这些分子又是原子组成的——包括碳、氧、氢和其他一些原子。原子从哪里来？除了氢，它们都产生于恒星。恒星是宇宙厨房，氢原子在那里被烹饪成更重的原子。恒星由星际气体和尘埃云凝成。氢是那些云团的主要组成部分，起源于大爆炸。所以如果你真的想从头开始做一个苹果派，首先得创造宇宙。

假如你把苹果派切成两半，再把其中一块继续切成两半；你就这样本着德谟克利特的精神不断重复下去。那么要切多少下，你才能见到单个原子？答案是大约90下。当然，没有刀子能锋利到那个份上，苹果派也太容易碎掉，更何况原子太小，不借助点外力根本看不清。但我们依然想办法做到了。

1910年前后长达45年的时间里，英国剑桥大学的研究者第一次理解了原子的本质——他们采用的办法之一是用一些原子轰击另一些原子，看它们如何反弹。一个典型的原子由电子云包裹。顾名思义，电子是一种带电粒子，不过它们带的“负”电荷只是人们的主观定义。电子决定了原子的化学性质，金子的闪闪发光，钢铁冷冰冰的手感，钻石的晶状结构都源于电子。原子深处，在电子云之下的东西，就是原子核，它一般由带正电的质子和电中性的中子组成。原子极其微小，一亿个原子叠起来，也就只有小拇指尖那么大。而原子核的大小甚至只有原子的十万分之一，这也是人们花了这么久才找到它的原因。^[1]原子的大多数质量都集中在原子核上，和它相比，电子只是飘浮的绒毛。原子内部空间巨大。所以物质的主要成分其实是虚空。

我是原子构成的。我搁在桌上的胳膊肘，也是原子构成的。桌子当然同样由原子构成。但如果原子那么小，原子间空隙那么大——就不要提更小的原子核了——为什么桌子能支撑住我？就像亚瑟·爱丁顿^[2]问过的，为什么组成胳膊肘的原子，不会轻松穿过组成桌子的原子呢？我为什么没有摔倒在地，或者干脆直接穿过地球？

答案在那些电子云上。我胳膊肘原子的外部带着负电荷，桌子也一样。负电荷会彼此排斥。我的手没办法穿过桌子，就是因为原子核周围有电子，而且它们力量很强。我们的日常生活与原子的这种结构密不可分。假如有人关掉了电源，那所有的一切都会崩塌成看不见的细碎尘埃。没有电，宇宙就只剩下电子、质子和中子杂糅而成的松散云团，以及基本粒子在引力作用下形成的球体。那会是一个死气沉沉的世界遗骸。

当我们不断切分苹果派，到了比原子更小的尺度后，面对的就是一个无限小的世界。而我们仰望夜空时，看到的又是一个无穷大的世界。这种无穷大代表了无限的退行，不仅是空间的无限，也是时间的无限。如果你站在两面镜子之间——比如说某家发廊里——能看到自己许许多多的重影，这是影子在镜面间不断反射所致。这些倒影数量虽多，却并非无穷无尽：因为镜子不是完美的平面，彼此也没有彻底对齐；还因为光传播的速度有限；此外，你挡住了光线的传播。真正的无穷，比任何数字都大。

美国数学家爱德华·卡斯纳曾经问他9岁的侄子，能不能想个非常非常大的数字出来。小男孩想出的数字确实很大，它是10的100次方（10¹⁰⁰）。1后面跟着100个零。那个小男孩称之为googol^[3]。这个数字写下来就是：10, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000。你也可以编个巨大的数字，给它起个奇怪的名字。这是件挺有趣的事情。要是你才9岁，会更加乐在其中。

如果你觉得googol算大，那么你可以想想googolplex。它是10的googol次方，就是说，1后面跟上googol个0。作为对比，你体内的原子总数只有10²⁸个，而已知宇宙中的所有基本粒子——质子、中子和电子——加起来，约10⁸⁰个。如果宇宙是个被中子填满的实体^[4]，也就是说不留一丝一毫缝隙，大约会有10¹²⁸个粒子。这个数字比googol多点，但比googolplex差远了。即使数字大到googol和googolplex这个份上，它们依然连“无穷”的边都摸不着。本质上来说，googolplex和无穷之间的差距，和从1到无穷一样大。别想把googolplex直接写出来，因为这是个不可能完成的任务。能写下那么多0的纸，会比整个宇宙都大。还好，googolplex还有更简单的写法：10¹⁰¹⁰⁰。甚至连无穷也有个很简单的写法：∞。

一个烤焦的苹果派，其主要成分是碳。将它对切90次，你就得到了一个碳原子。碳原子核内有6个质子、6个中子，核外有6个电子。如果我们从原子核内取走一大块——比如2个质子和2个中子——那它就从碳原子核变成了氦原子核。这种切分，或者说裂变，一般应用在核武器和核电站里，只不过遭到裂变的并不是碳原子。如果你对苹果派挥起第91刀，切开了碳原子核，那么你得到的，就不再是更小的碳，而是变成了另一种东西——它有着完全不同的化学性质。换句话说，你切割原子，会改变元素。

让我们更进一步。原子是由质子、中子和电子组成的。我们能把质子切开吗？如果我们用其他基本粒子——比如其他质子——来对它进行高能轰击，就能瞥见隐藏在质子里的更基本单位。物理学家们最近提出，所谓的基本粒子，比如质子和中子，实际上是由更基本的粒子如夸克组成的，它们有着不同的“颜色”和“味道”。用这种比喻方式，是为了让它们更接近我们的日常生活，相对容易理解。夸克是组成物质的最小颗粒吗？还是说，它们也是由更小的物质组成的？我们对物质本质的理解，会有尽头吗？还是说，它们可以无限地细分下去？这是科学的一大未解之谜。

中世纪的炼金术士常常在他们的实验室里做研究，想改变元素的性质。许多炼金术师认为所有物质都是四种基本元素水、风、土和火的混合。这种观点可以追溯到爱奥尼亚人。在他们眼里，改变土和火的比例，就可以把铜变成金。炼金术师里有不少狡诈的骗子，比如卡廖斯特罗和圣日耳曼伯爵，他们不但谎称自己有能力改变元素，还假装掌握了永生的奥秘。的确，复杂艰苦的试验后，金子奇迹般地出现在坩埚里，但它恐怕原本就藏在搅棒底的暗格之中。财富和永生的诱惑下，欧洲贵族把大笔资金提供给这些可疑的奥秘探索者。当然啦，严肃认真的炼金术师也是存在的，比如帕拉塞尔苏斯和艾萨克·牛顿。所以那些钱也不算彻底打了水漂——新的化学元素，比如磷、锑和汞在这个过程中被逐次发现。现代化学的起源，甚至可以直接追溯至炼金术实验。

自然界存在92种化学性质不同的原子，被称作化学元素。它们在不久前组成了我们这颗星球上的万事万物。多数情况下，它们会以彼此结合的分子样貌出现在我们眼前。水是氢原子和氧原子结合而成的分子，空气的主要成分是氮（N）、氧（O）、碳（C）、氢（H）和氩（Ar），它们以N₂、O₂、CO₂、H₂O和Ar的形式存在。地球本身也是各种原子的复合物，主要包括了硅^[5]、氧、铝、镁和铁。至于火，它根本不是一种化学元素，而是一种等离子辐射，在高温中将一些电子从原子核上剥离。古代爱奥尼亚人认为的四种“元素”，和现代意义上的化学元素完全两码事。那“四元素”里，一种是分子，两种是分子混合物，最后一种是等离子体。

从炼金术师时代至今，人们发现了越来越多的化学元素。一般来讲，元素发现得越晚，就越罕见。元素里最常见的种类构成了地球和生命的基础核心。一些元素是固体，一些是气体，还有两种（溴和汞）常温下是液体。按照复杂程度，科学家为它们排了序。最简单的氢是1号元素，最复杂的铀是92号元素。有些元素比较少见，比如铪、铒、镝和镨，和我们的日常生活关系不大。总的来说，我们对一个元素越耳熟，它在地球上的含量就越多。比如铁就比钇多得多。当然，这条规则也有例外，比如金或铀。经济因素、审美倾向，或者重大的实际应用价值也会影响人们对化学元素的评价。

意识到原子由质子、中子和电子这三种基本粒子组成，并不是多久远的事情。直到1932年，中子才被发现。当代的物理学家和化学家已经把我们所感知到的复杂世界，简化到了令人吃惊的程度：以不同模式组合起来的三个基本粒子，本质上，构成了一切。

中子，顾名思义，不带电荷，呈中性；质子带正电荷；电子带与之等量的负电荷。电子和质子不同电荷间的吸引力使基本粒子结合成原子。由于每个原子都呈电中性，原子核内的质子数量，一定和电子云的电子数量相同。一个原子的化学性质，取决于它有多少电子，或者有多少等量的质子，我们称之为原子序数。化学是简单的数学，毕达哥拉斯肯定很喜欢这个概念。如果你是有一个质子的原子，那你就是氢；有两个质子，就是氦；三个，锂；四个，铍；五个，硼；六个，碳；七个，氮；八个，氧；以此类推，直到第九十二个，铀。

电荷分为正电荷和负电荷，同类之间强烈相斥。我们可以这么想象，在微观世界里，人人都是避世隐士，想和同胞离得越远越好。电子和电子相排斥，质子和质子相排斥。不过这样一来，原子核是怎么结合在一起的？它为什么没有立刻飞散？这是因为自然界里还存在一种基本力：它不是引力，不是电磁力，而是一种距离非常短的核力，叫作“弱核力”。它就像一组钩子，能在质子和中子非常接近的情况下把它们拉到一起，克服质子之间的电斥力。这些中子提供了相互吸引的核力，又没有电斥力，你可以把它想象成胶水，使得原子核成为一体。所以情况就变成了这样：性情乖戾的隐士们渴望独处，却因为一些喋喋不休的和事佬，被迫和同胞待在一起。

两个质子和两个中子组成的氦原子核非常稳定。三个氦原子核可以组合成一个碳原子核；四个则是氧；五个组成氖；六个变成镁；七个，硅；八个，硫；以此类推。我们每往原子核里添加一些质子和用来让它们保持稳定的中子，就制造了一种新的化学元素。如果我们从汞原子里剥离一个质子和三个中子，我们就造出了金原子，这是古代炼金术师梦寐以求的事。地球上不存在比铀更复杂的原子，它们只能由人类合成，而且大多数情况下会迅速衰变。其中之一，也就是94号元素钚是已知毒性最高的物质之一。不幸的是，它衰变得很慢。

自然界中的元素是打哪儿来？你也许可以给每一种元素设想一种来源，但在宇宙里，氢和氦^[6]这两种最简单的化学元素占去了总比例的99%。实际上，人们先在太阳上发现了氦，然后才在地球上找到了它的踪迹。这点从氦的名字上就能看出来。氦是Helium，出自希腊神话的太阳神赫利俄斯。其他化学元素有可能是从氢和氦演变而来的吗？为了平衡电斥力，核内物质必须紧紧贴在一起，这样才能让弱核力生效。这种情况只会在极高的情况下发生，此时粒子的移动速度非常高，以至于电斥力来不及发生作用——这需要几千万摄氏度的高温。自然界中，只有恒星内部才具备这样的高温高压条件。

太阳是距离地球最近的恒星。我们从各种波段对它进行了研究，包括射电、普通的可见光，以及X射线。所有这些光都来自太阳最外层。和阿那克萨哥拉想的不一样，太阳并不是烧红的石头，而是氢和氦组成的巨大球体，由于高温而发光，当然这个道理和拨火棍被烧红时会发光一样，所以阿那克萨哥拉也不算全错。强烈的太阳风暴会产生耀斑，足以干扰地球的无线电通信；太阳上还有巨大的拱状热气流，这些受磁场引导的日珥体积巨大，让地球相形见绌。我们偶尔能在太阳落山时看到它表面的暗区，那些黑子其实是高强度磁场导致的太阳表面温度较低的区域。所有这些不间断的剧烈活动都发生在太阳表面，那里只有约6000℃，而太阳的内部，也就是阳光的发源地，有足足4000万℃。

恒星与行星诞生于星际气体和尘埃云团的引力坍塌。云团内部气体分子不断碰撞产生的热量逐渐叠加，最终达到了足以让氢转化成氦的阈值：四个氢核，结合成了一个氦核，同时向外释放了一个伽马光子。光子向外迸发，经过层层物质的交替吸收和发散，最后终于移动到恒星表面。每走一步，它都会失去一些能量。这趟去往恒星表层的史诗旅程历时百万年，然后它才能辐射进太空。而恒星就是这样点亮的。组成恒星前身的云团，随着恒星形成而不再继续引力坍塌，因为它内部核反应的高温高压支撑了外层的重量。在过去50亿年里，太阳一直处在这样一种稳定态里。类似氢弹的反应不断发生，为太阳提供着能量。每秒就有大约四亿吨（4×10¹⁴克）氢被转化成氦。所以夜晚闪闪发光的群星，其实都是远方的核聚变。

天鹅座天津四方向有一个发光的巨大的云团。那些炽热气体可能源于云团中央的超新星爆发。超新星爆发意味着恒星的死亡，但爆发的冲击波压缩了云团外围的星际物质，引发了新一轮的引力坍塌和恒星诞生。从这个意义上来说，恒星也有父母。婴儿诞生，父母死亡。人类社会里偶尔也有类似的情况。

类似太阳的恒星，在巨大的压缩云团——比如猎户座星云——里成批成批诞生。星云看似黯淡模糊，但内部早已被新生恒星照亮。这些星辰随后会离开襁褓，走向银河。青少年时期的恒星外侧依然被朦胧的云雾笼罩，那是被重力俘获的残余云团物质，就像羊膜。昴宿星团就是我们附近的一个例子。如同人类社会，成熟的恒星会离开家庭，和兄弟姊妹各奔东西。我们的太阳也许有一些——可能几十个——兄弟姊妹，它们50亿年前诞生于同一个星云。但我们不知道它们到底是谁。它们可能已经到了银河系的另一边。

太阳核心的氢氦反应不只表现在可见光的光子亮度上，它还产生了更神秘、更鬼魅的中微子辐射。和光子一样，中微子没有质量^[7]，以光速传播。但中微子不是光子。它不算任何一种光。和质子、电子还有中子一样，中微子有它的固有角动量或者说自旋，光子则完全没有自旋。对中微子来说，物质是透明的。它可以毫不费力地穿过地球和太阳，只有很小一部分会遭到阻截。我们抬头看一秒太阳，就有10亿个中微子穿过了我们的眼球。它们不会像普通光子那样停留在视网膜上，而是会继续向前，从我的后脑穿出。到了晚上，你盯着地面太阳应该在的方向，会有和白天等量的中微子穿眼而过。它们毫不费力地穿过地球，就像阳光穿过透明玻璃。

如果我们对太阳内部构造的推测完全正确，也正确理解了生成中微子的核物理，那我们应该能精确计算出单位面积（比如我的眼睛）、单位时间（比如一秒钟）内的太阳中微子通过量。但这个计算结果不容易得到证实，因为中微子直接穿过地球，难以捕捉。不过中微子的量这么大，总有一小部分会和物质发生作用，只要条件合适依然能得到探测。罕见的情况下，中微子能将氯原子转化成质子和中子数量相同的氩原子。为了探测太阳中微子，你需要大量的氯。美国物理学家向南达科他州利德地区的霍姆斯特克矿洞里注入了海量清洗液，然后对氯进行扫描，以寻找新生成的氩。氩越多，中微子自然就越多。这些实验表明，太阳散发的中微子数量明显少于预测值。

这可真是个有意思的问题。太阳中微子通量少于预期，可能不会对恒星核聚变理论造成多少冲击，但它无疑意味着某些重要的事情。人们为此提出了很多解释，比如中微子在从太阳到地球的过程中破碎，或者太阳内部的核聚变能量会得到暂时储存，照耀着我们的阳光部分源于缓慢的引力收缩，等等。不过中微子天文学还是门崭新的学问，我们刚刚创造了一种可以直接窥视太阳中心的工具，新鲜劲儿都还没过去呢。随着中微子望远镜灵敏度的提高，我们将可能探测邻近恒星内部的核聚变，进一步研究这个问题。

恒星内部的核聚变无法永远维持。无论太阳还是别的恒星，内部的氢燃料都有限。恒星的结局很大程度上取决于初始质量的大小。那些比太阳大上两三倍的恒星，不论生时往太空发散了什么物质，都会以壮观的方式终结。不过太阳之死已经够惊人了。五六十亿年后，太阳内部的氢逐渐全部转化成氦，原本的氢聚变区不断外扩，直到热核反应壳层表面温度不足1000℃时，氢聚变才自动停止。与此同时，太阳自身的引力迫使富含氦的内核重新收缩，进一步增加内部的温度和压力。由于更加紧密地凑到一起，氦原子核开始相互黏合。尽管电斥力尚存，但弱核力发挥出了作用，于是灰烬化为燃料，太阳的第二轮聚变反应开始了。

这个过程中，碳和氧元素诞生，它们为太阳提供了额外能量，使它在有限的时间内继续发光发热。恒星如同凤凰，注定要在自己的灰烬中重生。^[8]不过到那时，远离太阳核心的薄壳处的氢聚变，以及核心处发生的高温氦聚变，会给太阳带去巨大的变化：随着外部的膨胀和冷却，太阳变成了红巨星。由于可见表面远离内核，引力作用微弱，太阳的大气层将剧烈膨胀，犹如一场星际风暴。变成红巨星的太阳会吞没金星与水星——甚至包括地球。到那时，内太阳系就成了太阳的一部分。

地球的好日子结束于几十亿年后的某天。从那天起，太阳会逐渐变红、膨胀，而地球温度不断升高，甚至极地也会酷热难当。随后，南北极的融冰引发洪水，吞没海岸。高温下的海洋水汽蒸腾，带来遮天蔽日的浓云，能稍微遮挡一些阳光，为地球拖延一阵死期。但太阳的演变无可阻挡。海洋终究会沸腾，大气也会蒸发进太空，届时，我们的星球就迎来了你能想象出的最大灾难。^[9]不过到那时，人类肯定已经进化成了完全不同的东西。也许我们的子孙后代可以调节恒星的演化，也可能他们只是打包走人，去了火星、木卫二、土卫六，或者就跟罗伯特·戈达德设想的那样，在某个充满希望的星系安了新家。

核反应的余烬尽管能重新作为燃料，却总归有个尽头。当太阳内部全是碳和氧时，温度和压力就不足以支撑核反应继续了。随着核心位置的氦消耗殆尽，被拖延许久的引力坍塌终于得以继续，而这样一来温度再次上升，引发最后一轮核反应，并让大气层略微膨胀。垂死挣扎的过程中，太阳会缓慢脉动，每隔千年膨胀和收缩一次，它的大气会以一个或者多个同心球层状喷射进太空中。暴露的太阳灼热核心使得它的球壳充满紫外线，产生了可爱的红色和蓝色荧光，一直延伸到冥王星的轨道之外。也许太阳的一半质量会以这种形式消耗。随着太阳的幽灵不断向外伸展，整个太阳系都会充满这种奇异的光芒。

今天在银河的这一隅环视，我们可以看到许多恒星被发光的气体球状外壳包裹。我们把这些气体叫作“行星状星云”（其实和行星一点关系也没有，只是它们似乎会让人联想到用简陋望远镜观察天王星和海王星时看到的蓝绿色圆盘）。它们像一个个环，但那只是因为从我们的视角看起来边缘比中心更厚，就像肥皂泡有个清晰的轮廓一样。每个行星状星云，都是恒星体积达到巅峰时的标志。在星云中央死去的恒星附近，可能还有一些被毁灭的行星。它们也许曾经生机勃勃，但如今大气全无，海洋蒸发，被笼罩在地狱似的光芒中。我们的太阳也会走到这一步。届时，行星状星云包裹住的太阳核心又小又热，随着它在太空中不断冷却，最终会坍塌到地球闻所未闻的密度——每茶匙的质量超过一吨。从那时起的几十亿年间，太阳会和那些行星状星云的核心一样，逐渐变成一颗白矮星。当表面的高温也褪去后，太阳就演化到了它的最终阶段：死气沉沉的黑矮星。

两颗质量接近的恒星组成的双星系统，演化路径也接近。但双星中质量更大的那一颗消耗氢元素更快，化作红巨星再蜕变成白矮星的速度也更快。所以很多情况下，双星系统里的一颗是红巨星，另一颗是白矮星。如果它们挨得特别近，那么红巨星的大气会流向白矮星，落在它的某片区域。在白矮星强大引力的作用下，这些被窃夺的氢元素不断压缩，发出高温高热，直至产生热核反应，让白矮星爆发出强光。这种情况我们称之为新星。新星的起源和超新星大不相同。新星只诞生在双星系统中，光源来自氢聚变；超新星是单星，由硅聚变供能。^[10]

诞生于恒星内部的原子，通常会返回星际气体中：红巨星把外层大气吹进深空，行星状星云是类太阳恒星走向生命终结时抛散出的气体，炽烈闪耀的超新星将恒星的大部分物质喷出。这些返回星际气体的原子里，恒星内部聚变产物们自然占了大头，它们包括氢聚变成的氦、氦变成的碳、碳变成的氧及其后继产物。大质量恒星可以不断添加氦原子，能生成更多的氦、氖、镁、硅、硫，等等。每个阶段，两个质子和两个中子就会被添加进核内，直到生成铁原子。硅也能直接聚变成铁：硅原子有二十八个质子和中子，它们在数十亿摄氏度的高温下两两结合，形成了有五十六个质子和中子的铁原子。

这些化学元素我们很眼熟，名字也说得出口。而那些恒星反应生成得比较少的元素，比如铒、铪、镝、镨和钇等等，我们就没怎么听说过。化学元素在返回星际气体后，随着接下来的云层崩塌，新的恒星和行星形成，又一次被引力俘获。除了氢和一些氦之外，地球上的所有元素都是数十亿年前群星用它们的“炼金术”合成出来的，那些星体如今可能是银河系另一头某颗毫不起眼的白矮星。我们DNA里的氮、牙齿里的钙、血液里的铁，还有苹果派里的碳全部出自恒星内部。人类是由星际物质构成的。

有一些罕见的元素诞生于超新星爆发。地球拥有储量相对丰富的金和铀，这是因为太阳系形成前有许多超新星爆发。其他星系的稀有元素可能会和地球不一样。外星居民会不会炫耀似的带着铌垂饰和镤手镯，把金当作实验室里的珍品？如果黄金和铀在地球上像镨一样无足轻重，我们的生活会不会因此改善？

生命的起源和恒星的演化密不可分。第一，那些让生命成为可能的原子，诞生于很久很久以前，很远很远地方的恒星。宇宙中化学元素的丰度与恒星生成原子的相对丰度吻合，几乎可以确定红巨星和超新星是宇宙中各种物质的熔炉。我们的太阳是第二代，或者第三代恒星。构成它的所有物质、构成你我以及周围一切的物质，都已经在恒星这口大坩埚里熔炼过一两轮。第二，从地球上存在的某些重原子来看，太阳系形成之前，附近曾有过超新星爆发。这不太可能只是巧合。很可能正是超新星爆发产生的冲击波压缩了星际气体和尘埃，触发了太阳系的形成。第三，太阳发出光芒后，它的紫外线倾泻在地球的大气层里；这份温度带来了闪电；那些能量激发了复杂的有机分子，并最终导致生命起源。第四，地球生命几乎完全依赖阳光。植物吸收光子，把阳光转化成化学能。动物以植物为食。农业的本质不过是以植物作为介质系统性地收集阳光。可以说几乎所有地球生物都以太阳为能量来源。最后，物种演化的基础是被称为突变的遗传变化。通过基因突变和优胜劣汰，大自然不断诞生新的物种。这一过程有宇宙射线的参与——超新星爆发时接近光速喷出的高能粒子是突变的重要诱因。地球生命的演化，部分源于遥远星辰壮烈的死亡。

想象一下，你带着一部盖革计数器和一块铀矿去了地底深处，比如某个金矿矿洞，或者某条熔岩挖出来的地底隧道。这台敏感的计数器暴露在伽马射线，或者其他带电粒子（比如氢核和氦核）中时，会咔嗒咔嗒地响。要是把它放在铀矿边上，咔嗒的频率立马激增，这是因为铀的衰变释放出了氦核。如果把铀矿摆放进厚实的铅罐，计数率能明显下降；因为铅能够吸收铀的辐射。不过即使如此，我们依然可以听到一些咔嗒声。这些声音中的一小部分来自洞穴岩壁的天然放射性，然而它们不足以解释当下的辐射量。事实上，有许多辐射源自穿过岩石而来的宇宙带电粒子。所以我们听见的是宇宙的响声。它们产生于太空深处，产生于另一个遥不可及的年代。

宇宙射线主要是电子和质子，它们从地球诞生之时起就不断轰击着这颗星球。数千光年外恒星毁灭所产生的宇宙射线，会在银河系中呈螺旋状盘旋百万年后落一些到地球上，改变我们的遗传密码。也许它们在地球生物遗传密码的建立中起了某种关键作用，也许它们造成了寒武纪大爆发，也许它们让人类的祖先两足直立，行走于大地之上。

1054年7月4日，中国天文学家记录下了出现在金牛座的“客星”：那是颗人们从未见过的星星，它突然变得比天上任何星辰都亮。地球另一面的北美洲西南部，一个天文学传统悠长的土著部族也注意到了那颗灿烂的新星。^[11]我们用碳14测定法检测了当年的炭火余烬。这个部族是霍皮人祖先阿纳萨齐人中的一支，生活在新墨西哥的崖壁之下。看起来，他们中的一员在崖壁上找了处不受风吹雨打的地方，留下了记录那颗星星的画，画边上还有个手印，大概是艺术家的签名。

那颗爆炸的星星距离我们5000光年，如今叫作“蟹状星云”——因为几世纪后一个天文学家用望远镜观察爆炸残余物时，无端联想到了螃蟹。那次剧烈的爆炸可以从地球上用裸眼观测长达3个月，甚至白天也能看到，到了夜晚，你还能借着星光读书。按照计算，银河系平均每个世纪都有一颗超新星爆发。一个典型的星系能存在约100亿年，所以它的一生能见证约一亿次超新星爆发。这是个很大的数，不过算概率，只有千分之一的恒星会变成超新星。以银河系为例，1054年的爆发后，第谷·布拉赫于1572年记录了另一场爆发，紧接着，开普勒记下了1604年的超新星爆发。^[12]不幸的是，发明天文望远镜以后，银河系里还没有新的超新星爆发，天文学家们已经为此抓耳挠腮了好几个世纪。

我们经常能观察到在其他星系的超新星爆发。我接下来引用的这句话，准让20世纪初的天文学家大吃一惊。它出自大卫·赫尔方和诺克斯·朗1979年11月6日发表在英国《自然》杂志上的文章：“1979年3月5日，九部太空航天器的联网传感器检测到了极为强烈的X射电和伽马射电暴，根据渡越时间测定，它们与大麦哲伦星云超新星遗迹N49吻合。”（大麦哲伦星云得名于著名的航海家麦哲伦，他是第一个发现该星云的北半球居民。你大概也想到了，还有一片小麦哲伦星云。）然而同一期《自然》上，E. P.马泽斯和他在列宁格勒约飞研究所的同事——后者的数据源自“金星11号”和“金星12号”的伽马射电探测器，当时那两部飞行器正在去金星的半路上——则认为，射电的源头是只在几百光年外的脉冲星。尽管赫尔方和朗在射电源头位置上达成了一致，但他们也没有坚持伽马射电暴与超新星遗迹直接相关。他们好心地考虑了各种可能性，甚至给出了射电源头其实在太阳系内的猜想，比如那是一艘外星飞船在返航时留下的废气。不过，射电来自N49是个更简单的假设，因为我们可以确定星系里存在超新星。

上面已经说过，当太阳变成红巨星时，内太阳系会落得悲惨的命运，但我们熟知的行星至少还能留个尸体。那些比太阳大得多的恒星一旦变成超新星，会把周围的行星彻底熔毁。因为它们的内部温度和压力更高，消耗燃料的速度更快，所以寿命比太阳短得多。如果一颗恒星比太阳大10倍，它只能进行几百万年的稳定氢氦聚变。时间如此之短，几乎可以肯定它们的伴生行星是来不及演化出高级生命形式的；换言之，清楚超新星是怎么回事的生物，他们的恒星就不太可能变成超新星。

超新星的本质是特大规模的硅铁核聚变。在恒星内部巨大的压力下，自由电子会被迫进入铁原子核内与质子融合，等量的相反电荷相互抵消，让整个恒星内部变成一个巨大的单一原子核，所占空间比原本的电子和铁原子核小得多。随后，核心剧烈爆炸，向外部反弹，形成超新星爆炸。超新星爆炸的亮度可能比它所在星系其他所有恒星加起来还要夸张。最近那些在猎户座孵化出的蓝白色超巨恒星，注定在几百万年后成为超新星。猎户座会成为宇宙中的烟花灿烂之地。

惊天动地的超新星爆发会把原恒星的大多数物质抛射进太空，包括少量残存的氢和氦，以及大量的其他原子，如碳、硅、铁和铀。爆炸留下来的是一颗炽热的中子核球：中子被弱核力捆缚在一起，形成巨大的单一原子核，其原子量约为10⁵⁶。它是一颗直径只有30千米的太阳，它是萎缩、稠密、破灭的恒星残骸，它是一颗高速旋转的中子星。当巨大的红巨星核心坍塌成中子星时，旋转的速度会更快。蟹状星云中央的中子星，是一个巨大的原子核，约有曼哈顿大小，每秒旋转30圈。原恒星强大的磁场在崩塌过程中被放大，捕捉带电粒子的能力让木星磁场相形见绌。旋转磁场中的电子不仅向外释放无线电辐射，还伴生有可见光。如果地球恰好在这个宇宙灯塔的光束照耀范围内，会看到它每转一圈都会发光。这就是它们被称为脉冲星的原因。它们像节拍器一样摇摆闪烁，运行得比最优质的普通钟表更精准。对一些脉冲星，比如PSR 0329 + 54的长时间脉冲观测表明，它可能有至少一颗行星相伴。这些行星也许是爆发过程中幸存下来的，也可能是后来捕获的。我想知道这些行星的天空会是个什么样子。

每一勺中子星物质的质量，都相当于地球的一条山脉，也就是说，如果你有这么一块物质，然后放手让它掉下（好像也没其他选择），它会轻松地撕开地面，就像石头在空气中落下那样一路穿过地核，从星球另一面——可能是中国——冒出来。那儿的人们也许正在聊天散步，或者忙自己的事情呢，突然看到一小块中子星物质冲破地面，飞到高空待了一会儿，然后又钻回了地下。这样的怪事至少能给他们寻常的一天增添点趣味。假如邻近空间有人朝地球丢了这么块物质，那么它会不断穿过自转的地球，直到被地球内部物质摩擦停止。到那时，地球已经被它钻出了几十万个洞。要不是岩浆和金属流填补了那些坑洞，我们的星球看起来会像个瑞士奶酪。还好，地球上不存在大块的中子星物质。不过小块的这种物质其实到处都是。中子星的巨大能量，就隐藏在每个原子的原子核里，藏在每一个茶杯、每一只睡鼠、每一缕空气、每一个苹果派里。中子星教会了我们要尊重平凡的事物。

正如我们所知，太阳这样的恒星最后会演化成红巨星和白矮星。那些坍塌后质量依然两倍于太阳的恒星会化作超新星，然后是中子星。但更加巨大的恒星，比如坍塌后质量超过太阳五倍的那种，会在超新星阶段后迎接另一种奇异的命运——重力会把它变成一个黑洞。想象一下，我们有一台神奇的重力机器，能够拨动表盘来控制地球重力。它的初始值是1g^[13]，此时一切如常。地球上的动物、花草，还有我们的建筑结构，都是为1g环境演化或设计出来的。如果重力更小一些，地球上可能会出现许多纤瘦的物体，因为它们不用担心被自重压垮。如果重力再大一点，那动植物也好，建筑也好，都必须变得矮矮胖胖才不会坍塌。不过即使重力不小，光线也会像我们熟悉的那样呈直线传播。

不妨继续想象一下，如果一群普通人参加《爱丽丝梦游仙境》里的茶话会是怎样的场景。随着我们调低引力，物体的重量随之减少。接近0g时，最轻微的推搡也会让我们的朋友翻滚着飘到半空。溢出的茶水，或者别的什么饮料会变成在空气中颤动的球体，这是液体表面张力战胜重力的结果。要是我们在这些茶水球四处飘荡时重新把表盘拨回1g，那就会制造一场茶水雨。接下来，我们再增加一点重力，比方从1g到3g或4g，所有人马上会动弹不得；甚至连伸出手也需要费上牛劲。继续调高重力之前，我们得先发下善心，把人们从重力机器的范围里挪开。重力系数不高的情况下，光线依然沿着直线前进（至少在裸眼看来如此），好像和0g下没什么区别。到了1000g时，光依然直挺挺的，但是树木已经碾平；100000g时，岩石也被自己的重量粉碎。除了神秘莫测的柴郡猫什么也不会剩下。当重力达到10亿个g时，更加奇怪的事情发生了。天空中原本呈直线状的阳光，在极强的重力加速度下开始弯曲。如果引力进一步增加，光会被拉到我们附近的地面上。现在，连柴郡猫也隐去了身形，只剩下了它在强重力下的露齿一笑。

包括光线在内，没有任何东西能逃离强大到这个份上的引力。我们把这样的地方叫作黑洞。它对周围的一切漠然处之，简直是一种宇宙柴郡猫。当密度和引力足够大时，黑洞就会从我们的宇宙里“消失”。因为光线也会被俘获，所以我们才说它“黑”。不过，因为光被束缚在黑洞里，所以它内部可能非常明亮。虽然黑洞无法直接观察，但我们可以侦测到它的引力。假如你在星际旅行时不小心闯进无法逃离的黑洞领域，身体会被拉成一条长长的、令人不太舒服的细线。假如你还能从事故中幸存下来，那绝对会认为黑洞吸积盘是难忘景象。

太阳内部的热核反应支撑着它的外层，把灾难性的引力坍塌往后推迟了数十亿年。成为白矮星后，从原子核剥离出来的电子压力支撑住了它的结构。中子星的中子压力也可以扛住强大的重力。然而那些经历超新星爆炸的庞大恒星，如果质量超过太阳许多倍，就再没有任何已知的力量能够阻止它崩塌了。这颗恒星会难以置信地收缩、旋转，变红，然后消失。一颗20倍于太阳质量的恒星会收缩到洛杉矶大小，引力达到10¹⁰g，然后在时空连续体上撕开一道裂缝，从我们的宇宙中消失。

1783年，英国天文学家约翰·米契尔首次提出黑洞的概念。但这个想法看起来太奇怪了，长久以来都无人问津。直到黑洞存在的证据明明白白地摆到了面前，许多人——包括许多天文学家——才真正感到震惊。地球大气对X射线来说不透明，所以想检测天体能否发出波长这么短的光，必须把X射线望远镜送上高空。第一台X射线望远镜是国际合作的典范，它由美国设计制造，在印度洋肯尼亚外海的意大利平台发射升空，名字叫乌乎鲁（Uhuru），斯瓦西里语意为“自由”。1971年，乌乎鲁发现天鹅座方向有一个非常明亮的X射线源，它每秒闪烁1000次。这个叫作天鹅座X-1的射线源肯定非常小。无论闪烁的原因是什么，它两次闪烁间的横越速度都不可能超越光速，或者说300000千米/秒。因此，天鹅座X-1不可能大于[300000千米/秒] × [（1/1000）秒] = 300千米。 一个小行星大小的物体，却闪烁着明亮的X射线，能被远在苍穹彼方的人看到。那它会是什么呢？天鹅座X-1在天空中的位置，和一颗灼热的蓝色超巨星完全重叠。通过分析那颗恒星的可见光，我们推断出它有个质量相当，却压根看不见的伴星。那颗伴星的引力，拉得超巨星在轨道上忽前忽后。既然这颗伴星的质量相当于太阳的10倍，超巨星又不太像是X射线源，那么把那颗能从超巨星可见光位移中推断出的伴星认作X射线源，就很自然而然了。但一个质量10倍于太阳的不可见天体，又坍塌到了小行星的大小，它只可能是黑洞。^[14]天鹅座X-1的X射线，似乎源于气体和尘埃在围绕它时产生的摩擦。至于这些物质，大概是从超巨星那里吸引过来的。除了天鹅座X-1，已知的候选黑洞还包括了天蝎座V861、GX339-4、SS433和圆规座X-2。仙后座A是超新星遗骸，它传来的光应该在17世纪时抵达地球。当时已经有了不少天文学家，却没有人记载超新星的爆发。也许就像I. S.施克洛夫斯基认为的，黑洞吞噬了爆发恒星的核心，减弱了超新星的亮度。我们把天文望远镜送上太空的作用之一，就是去检查这些残骸，看有没有传说中黑洞的踪迹。

要理解黑洞，行之有效的方法是思考空间的曲率。想象一张柔软、划着纵横线条的平面，比如一张橡胶质地的坐标纸。把一个重物放在纸上，它会凹陷变形。这时候再摆一个大理石球，它会绕着圈接近重物。这个过程，本质上和行星绕转太阳很像。我们今天能做出这个形象的比喻，得归功于爱因斯坦，是他提出了“引力是空间结构的扭曲”这一观点。在这个例子里，我们看到质量对二维空间施加影响，从而产生了三维上的扭曲。而我们生活的三维宇宙里，局部物质被质量扭曲成了无法直接感知的第四个物理维度。局部的质量越大，局部的引力越强，空间的褶皱或者卷曲就越严重。继续用上面那个比喻的话，你可以把黑洞看作一种无底洞。如果你掉进了黑洞，会发生什么现象？从外部看，你坠落的时间会长得无穷无尽，因为你的钟表——无论是生物钟还是机械钟表——都处于无限接近于停止的状态。但在你自己看来，这些钟表都运行如常。假如你有某种办法在引力潮汐和辐射通量中幸存下来，并且（只是假设）黑洞在旋转^[15]，那么你可能会从时空的另一处冒出来。就是说，你去了另一个时间，另一个空间。这种情况类似于苹果上虫子啃出来的洞，所以得名虫洞。科学家们认真地讨论过虫洞，然而目前我们还找不到证据表明它们存在与否。引力能否提供一种恒星系间，甚至星系间的隧道，让我们更快地抵达那些正常速度难以企及的地方？黑洞能作为时间机器带我们返回久远的过去或者未来吗？甚至不用进行严肃的学术讨论，我们也能从这些问题中看出宇宙是多么超越现实。

本质上来讲，我们都是宇宙之子。想想晴朗夏日晒在脸上的阳光，再想想直视太阳有多么危险。我们远在1.5亿千米外就能感受到它的力量。如果能站上它那夺目的表面，甚至深入炽热的核心，又会有怎样的体验？太阳温暖了我们，滋养着我们，让我们得以看见世界。它使大地肥沃。它的力量超越了人类的经验。日出时分，鸟儿竞相欢唱。就连一些单细胞生物也知道游向亮光。我们的祖先崇拜太阳^[16]，他们绝不愚蠢。可在众星之中，太阳的地位并不出众，甚至略为低下。如果我们必须敬畏某种远远超过我们的力量，那还有比太阳和星辰更好的选择吗？天文研究中的每一点一滴都暗藏了人们深深的敬畏之情，只是这份情感有时藏得太深，甚至研究者自己也没有察觉。

银河是未经探索的神奇大陆，充满了以星辰为尺度的奇异事物。我们才对它进行了初步的探索，就增长了不少见识。它们有的正如先哲所预料，有的却超越了人们最狂野的想象。过去的发现之旅已经表明，还有许许多多奥秘隐藏在星海中。银河系附近，有围绕着它运动的大小麦哲伦星云以及其他球状星团，它们当中肯定也存在行星。从那些世界看到的银河景象，无疑令人屏息：巨大的螺旋星系在天际升起，它包含了4000亿颗恒星。那里有坍塌的气体云团、凝结中的行星系统、闪亮的超新星、稳重的中年恒星、红巨星、白矮星、行星状星云、新星、超新星、中子星和黑洞。倘若我们能够跳脱出去，从那些遥远异星的角度来反思自身，就能更清楚地理解：我们的组成物质、形态和大部分特性，取决于生命和宇宙之间的深刻联系。