宇宙起源于神秘，借力光明和黑暗，憑借復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，從大爆炸后的第一時(shí)刻起，到首批恒星的形成，無(wú)論在哪個(gè)數(shù)量級(jí)上，都是一個(gè)關(guān)于聚合的故事。為了講述這個(gè)故事，科學(xué)家仰望星空尋求答案，同時(shí)又在實(shí)驗(yàn)室里，模擬宇宙歷史上最為極端的環(huán)境。這個(gè)故事充滿(mǎn)了驚奇。一些看似平凡的英雄即將登場(chǎng)。沒(méi)有它們，這一切就不可能發(fā)生，也不可能存在。而其中的兩位至關(guān)重要。生命的涌現(xiàn)，有賴(lài)于來(lái)自恒星的元素。而正是它們點(diǎn)亮了星光。下面就是它們的故事。

暗物質(zhì)

大爆炸創(chuàng)造了物質(zhì)，對(duì)于這個(gè)過(guò)程，我們?nèi)晕赐耆髁?。但是我們知道，大部分的物質(zhì)——約占84%——是以一種與光無(wú)關(guān)的形式存在的。它就是只與引力發(fā)生作用的“暗物質(zhì)”。其余16%是重子，或稱(chēng)“普通物質(zhì)”，它們構(gòu)成了今天的可見(jiàn)宇宙。普通物質(zhì)不但與引力發(fā)生作用，還能以發(fā)出、吸收光子，也就是我們平常所說(shuō)的輻射或發(fā)光的形式，與電磁發(fā)生作用。

隨著宇宙的膨脹和冷卻，來(lái)自大爆炸的部分能量轉(zhuǎn)化成了普通物質(zhì)：電子、中子和質(zhì)子（即電離的氫原子）。今天，質(zhì)子和中子安逸地共存于原子核中。但在最初幾秒內(nèi)，大爆炸殘余輻射場(chǎng)中存在的高能質(zhì)子流——伽瑪射線使它們無(wú)法聚合在一起。不過(guò)幾秒之后，情況有所好轉(zhuǎn)，輻射溫度下降到了大約數(shù)萬(wàn)億K——雖然仍比我們今天所習(xí)慣的室溫（300K）高出太多，但那時(shí)候不同，那是一個(gè)早期宇宙，是一個(gè)完全不同的物質(zhì)世界。

大爆炸余熱的強(qiáng)度導(dǎo)致早期宇宙過(guò)于光滑，從而使氣體云難以形成。

溫度下降后，較重的原子核已經(jīng)能夠從伽瑪射線的轟炸中幸存下來(lái)。原初的原子核開(kāi)始合成，核力已經(jīng)能夠?qū)①|(zhì)子和中子聯(lián)接在一起。這一過(guò)程持續(xù)到因宇宙繼續(xù)膨脹變冷，而使核聚變無(wú)法再進(jìn)行。在此20分鐘內(nèi)，宇宙中充滿(mǎn)了原子。它們是76%的氫，24%的氦，和微量的鋰——但是因?yàn)闇囟忍?，電子無(wú)法穩(wěn)定地圍繞原子核飛行，因此它們都是以離子的形態(tài)存在的。至于其它元素，則一直要到首批恒星誕生，才會(huì)在恒星的內(nèi)部開(kāi)始鍛造。

恒星想要誕生，這些剛剛形成的氫原子和氦原子就必須聚集在一起，以形成稠密的云團(tuán)。云團(tuán)會(huì)在宇宙中引力稍強(qiáng)一點(diǎn)的地方產(chǎn)生，以便它們吸引周?chē)奈镔|(zhì)。問(wèn)題在于，早期宇宙的團(tuán)塊化程度是否足夠？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們可以先看看今天的夜空。在今天的夜空中，有一個(gè)內(nèi)含微妙圖案的昏暗微波輻射。它就是宇宙微波背景。宇宙微波背景顯示出的結(jié)構(gòu)可以追溯到大爆炸后約377000年。對(duì)于年齡138億年的宇宙來(lái)說(shuō)，這是很短的一段時(shí)間，只相當(dāng)于一個(gè)81歲人生命中的一天而已。

雖然那時(shí)宇宙的溫度僅僅冷卻到了3000K，但自由電子已經(jīng)開(kāi)始被質(zhì)子俘獲并繞著它旋轉(zhuǎn)，中性的氫原子由此形成。而來(lái)自大爆炸閃光的光子，此前一直在未被束縛的電子中碰撞、散射，本性自由的它們終于得到機(jī)會(huì)，飛向宇宙的各個(gè)角落。這些光子直到今天仍然彌漫在整個(gè)宇宙中，雖然它們的溫度已經(jīng)降到了2.7K。這就是宇宙微波背景。

這幅天空地圖所揭示的內(nèi)容令人驚訝：大爆炸余熱的強(qiáng)度導(dǎo)致早期宇宙過(guò)于光滑，從而使氣體云難以形成。

但是暗物質(zhì)不與光直接發(fā)生作用，在同樣的輻射下，它不會(huì)像普通物質(zhì)那樣被光滑化。因此，它的團(tuán)塊化程度會(huì)較高。在引力的作用下，暗物質(zhì)密度高于平均水平的區(qū)域開(kāi)始將密度較低區(qū)域中的物質(zhì)吸引過(guò)來(lái)。暗物質(zhì)“暈（Halo）”開(kāi)始形成，并且相互合并。隨著暗物質(zhì)的聚合，普通物質(zhì)也相伴而至。因此是暗物質(zhì)，而非常規(guī)物質(zhì)，促成了恒星和星系的形成，并逐漸使現(xiàn)代宇宙的結(jié)構(gòu)成形。

分子氫

宇宙一旦中性化，氣體便開(kāi)始形成云團(tuán)。普通物質(zhì)開(kāi)始加速落入暗物質(zhì)的引力陷阱，引力的勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并在暗物質(zhì)暈內(nèi)創(chuàng)造出快速移動(dòng)的高動(dòng)能熾熱粒子氣體。大約從溫度1000K起，在大爆炸后大約5億年——相當(dāng)于81歲人生的第4年，宇宙中的首批恒星開(kāi)始從這些氣體云中降生。

氣體云中要形成恒星，就必須有一定的密度；但如果組成氣體云的分子溫度太高，運(yùn)動(dòng)太劇烈，就會(huì)無(wú)法達(dá)到這個(gè)密度。所以第一步就是要讓云團(tuán)中的原子慢下來(lái)，釋放掉多余的動(dòng)能，溫度要低于100K。

但是它們自己冷不下來(lái)。碰撞的原子會(huì)彼此交換動(dòng)能，而氣體的總動(dòng)能不會(huì)改變。因此它們需要催化劑。

宇宙中的第一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是“結(jié)合性分離”。

扮演催化劑角色的是“分子氫”?！胺肿託洹笔莾蓚€(gè)結(jié)合在一起共享電子的氫原子。熾熱粒子與這個(gè)啞鈴狀的分子相撞，會(huì)將自己的一部分能量傳遞給它，使它旋轉(zhuǎn)。被激發(fā)的氫分子為了達(dá)到低能狀態(tài)，會(huì)釋放出一個(gè)光子。光子在逃離云團(tuán)時(shí)就會(huì)把能量帶走。

要產(chǎn)生分子氫，原子氣體云需要一些化學(xué)進(jìn)程。反映早期氣體云化學(xué)進(jìn)程的最精妙模型包含了將近500種可能存在的化學(xué)反應(yīng)。幸運(yùn)的是，要了解分子氫的產(chǎn)生，我們只需要關(guān)注其中兩個(gè)關(guān)鍵性的。

宇宙中的第一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是“結(jié)合性分離”。起初大部分氣體云中的氫都是中性原子。它們由一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子和一個(gè)圍繞著它旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的電子組成，二者的電荷剛好抵消。但是少量原子會(huì)俘獲兩個(gè)電子，形成一個(gè)帶負(fù)電荷的氫離子。帶電氫離子會(huì)與中性氫原子“結(jié)合”，使額外的電子“分離”，并留下一個(gè)中性的分子氫。這一過(guò)程可以用化學(xué)符號(hào)H + H- → H₂ + e-來(lái)表示?！敖Y(jié)合性分離”只能將0.01%的原子氫轉(zhuǎn)化為分子氫，但這一小部分就足以讓云團(tuán)開(kāi)始變冷變厚。

云團(tuán)冷卻和變厚到一定程度后，第二階段的化學(xué)反應(yīng)隨即開(kāi)始。這一階段就是所謂的“三體結(jié)合”，可以表示為H + H + H → H₂ + H。組成這段“三角戀”的是三個(gè)單獨(dú)的氫原子，它們中的兩個(gè)最終將結(jié)合在一起，而另一個(gè)會(huì)被拋棄?！叭w結(jié)合”會(huì)把云團(tuán)中剩余的原子氫基本上全部轉(zhuǎn)化為分子氫。一旦所有的氫成為分子，云團(tuán)的溫度便也會(huì)降低到足以凝結(jié)成恒星了。

恒星

從稠密云團(tuán)的形成到恒星核熔爐的點(diǎn)燃，這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜性超過(guò)了此前所有的一切。實(shí)際上，即便是當(dāng)今最精秒的計(jì)算機(jī)模擬，也只能觸及恒星的體積和核聚變開(kāi)始時(shí)那一刻。模擬2億年的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需大約12小時(shí)的高速并行運(yùn)算能力。問(wèn)題在于最終1萬(wàn)年。隨著氣體的密度越來(lái)越高，云團(tuán)結(jié)構(gòu)變化也越來(lái)越快。起初只需計(jì)算云團(tuán)每10萬(wàn)年的變化，而到了最后1萬(wàn)年，每幾天都在發(fā)生變化。計(jì)算量急劇增長(zhǎng)，即便是現(xiàn)在最快的計(jì)算機(jī)，也需要不停地運(yùn)行一年以上。模擬原始云團(tuán)完整的初始狀態(tài)即使耗盡人的一生也無(wú)法完成。所以我們?nèi)匀粚?duì)第一代恒星形成時(shí)的質(zhì)量分布狀況一無(wú)所知。決定恒星核心鍛造什么元素的是恒星的質(zhì)量，因此我們現(xiàn)在還沒(méi)有辦法了解宇宙中那些生命必需的元素是何時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)的。想要知道答案，我們只能指望“摩爾定律”了。