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我相信，即使一片草叶也是恒星的杰作。
——沃尔特·惠特曼（Walt Whitman）
地球的年龄有多大了？通过对放射性原子的测量，地球的年龄被确定为45.5亿年。早在19世纪，人们已经提出了地球拥有悠久历史的有力论据。一方面，地质学家通过测算侵蚀和沉积过程的速度，估算出地球的年龄至少有10亿年。通过对物种进化速度的估算，达尔文主义者也提出了相同的观点。另一方面，伟大的物理学家威廉·汤姆逊（William Thomson，又称开尔文勋爵）却计算出，只需地球年龄1%的时间，太阳就会因为内部所有热量散失殆尽而熄灭。因此，他消极地断言：“几百万年以后，地球上的居民将会失去生命所必需的光和热，除非光和热还存在于我们未知的来源之中，并且已经在造物主的大仓库中准备好了。”20世纪的科学研究证实，这样的能源确实存在，就在原子核里，氢弹就是储藏在原子核内的能量的一种极具杀伤力的应用。
太阳的能量来源于由氢原子（最简单的原子，原子核由一个质子组成）转化为氦原子（第二简单的原子，原子核由两个质子和两个中子组成）的过程。长期以来，人们希望利用核聚变获得新的能源（“受控核聚变”），但无法达到发生核聚变所需的数百万度高温。更大的问题是，如何用物理方法将这种超热气体限制在一定范围内，并用磁力将其困住，因为很显然，任何固体容器都会被它熔化。太阳的质量如此之大，以至于引力将包裹在外部的较冷层向内拉，从而“盖住”了高压内核区。太阳就这样调整了自己的结构，使原子能在其内核里产生，并以能够平衡表面损失的热量所需的速率向外扩散，而这些损失的热量正好是地球上生命形成的基础。
这种燃料使太阳照耀了我们近50亿年。然而，再过50亿年左右，它的燃料就会耗尽，那时，太阳的内核就会收缩，而外层会膨胀。在此后1亿年
的时间里，太阳将会变得更亮，并膨胀为一颗被称为“红巨星”的恒星，届时太阳将会吞噬内行星，并蒸发掉地球上的所有生命。与此同时，太阳的一些外层会被吹走，但内核会收缩成一颗白矮星，并在太阳系干涸的残骸上发出暗蓝色的光芒，亮度还不及现在的满月。
天体物理学家对太阳的内部结构进行了测算，并与观测到的太阳的半径、亮度、温度等进行了拟合，得出的结果与测算结果相符。因此，他们可以自信地告诉我们太阳内部的具体情况。他们还可以计算出未来几十亿年太阳将如何演变。显然，这些计算结果还不能得到直接验证。不过，我们可以观察其他与太阳相像但处于不同演化阶段的恒星。如果我们有大量形成于不同时间段的恒星可供研究，那么为每颗恒星的一生提供一张“快照”并非难事。这就好比，通过观察不同阶段的大量生命，一个刚着陆在地球上的火星人很快就能推断出人类或树木的生命周期。即使在最邻近地球的恒星中，我们也能分辨出哪些还很年轻，不超过100万年，而哪些处于濒死状态，已经吞噬了它们曾经拥有的所有行星。
上述推论其实基于这样一个假设：原子及其原子核在任何地方都是一样的。虽然牛顿的伟大理论将地球和天体运行轨道上的引力联系了起来，但他只研究了太阳系内部的运动。我们花了很长时间才意识到，引力一样作用于其他恒星，甚至其他星系。在古代，人们认为，天体是由一种特殊的物质“精华”构成的，这些物质比土、空气、火和水都纯净。直到19世纪中叶，我们对太阳的构成还是一无所知。通过使用棱镜对太阳和其他恒星的光谱组成的分析，人们发现，来自太阳和其他恒星的光包含了地球上常见原子的特征谱线。恒星的物质成分和“月下界”地球上的原子并无不同。
天体物理学家可以像计算太阳的演化过程那样，简单地计算出一颗恒星的生命周期，并判断该恒星的质量是太阳的一半、2倍或者10倍。较小的恒星燃烧燃料的速度较慢。相比之下，质量是太阳质量10倍的恒星比太阳亮几千倍，消耗燃料的速度也更快，例如猎户座中排列成梯形的4颗蓝色恒星。这类恒星的寿命比太阳要短得多，而且死亡方式更为惨烈，会以超新星的形式爆炸。在几个星期内，它们的亮度相当于几十亿个太阳，其外层以两万千米每秒的速度被抛射出去，形成一股爆炸波，冲击周围的星际气体。
1987年2月24日，加拿大天文学家伊恩·谢尔顿（Ian Shelton）与其助手在智利北部的拉斯坎帕纳斯天文台进行例行观测。在南方的天空，他们发现了一种陌生的光团，很亮，足以用肉眼看到。然而，前一天晚上它并不存在。事实证明，这是近代以来观测到的距离最近的超新星。从最早的几个星期，直到随后几年里亮度逐渐减弱的过程中，天文学家使用现代天文学技术对其进行了持续的监测，用以检验这类大爆炸的已有理论。这是唯一一颗其前身恒星已经为人所知的超新星：从过去的照片来看，原来处在这颗超新星位置上的是一颗蓝色恒星，其质量大约为太阳质量的20倍。
超新星代表了恒星生命中的灾难性事件，涉及一些极端的物理过程，天文学家自然会为之着迷。然而，地球上只有万分之一的人是天文学家，其他人更关注地球表面上的活动。那么，这些数千光年外的恒星爆炸与所有发生在地球表面或靠近地球表面的活动有什么关系呢？答案令人惊讶不已，它们竟然对每个人的生存环境起着至关重要的作用。没有它们，我们就不会存在。正是超新星创造了构成地球的原子“组合”——这是复杂生命的化学基石。自达尔文以来，我们已经了解了人类出现之前的进化和自然选择，以及我们与生物圈其他部分的关联。现在，天文学家将地球的起源追溯到太阳系形成之前就已经毁灭的恒星，而正是这些古老的恒星构成了人类和地球的原子。
在自然界中，有92种不同的原子，它们被排列成“元素周期表”。每个原子在表中的位置取决于其原子核中质子的数量。元素周期表从1号元素氢开始，到92号元素铀。原子核中不仅含有质子，而且含有另外一种粒子，叫作中子。中子比质子稍重一些，但不带电荷。一种特定元素的原子可以有几种变体，叫作同位素，所含中子数各不相同。例如，碳元素在元素周期表中属于6号元素：它的原子核中含有6个质子。最常见的碳原子是 12 C，它包含6个中子，但还存在拥有7个和8个中子的同位素，分别被称为 13 C和 14 C。铀是自然界中最重的元素，但实验室里已经制造出了更重的原子核，其原子序数高达114。这些超重元素不稳定，易于衰变。有些元素的寿命长达数千年，比如钚（94号元素）。那些编号超过100的元素可以在原子核碰撞实验中被制造出来，但很快就会发生衰变。
当一颗大质量恒星内核的氢元素全部转化为氦元素（2号元素）后，恒星的内核便会向内收缩，使内部温度继续升高，直到氦元素能够参与核聚变反应。由于氦原子核的电荷是氢原子核的2倍，因此它们需要更快地碰撞，以克服更强烈的电斥力，这就需要更高的温度。当氦耗尽时，恒星会进一步收缩并升温。像太阳这类普通大小的恒星无法获得足够高的温度，使核聚变长久地进行下去，但大质量恒星因为具有更强大的引力，其中心温度可以达到10亿摄氏度。在生成碳元素（6号元素）的过程中，这些恒星会释放出更多能量，并引起一系列核聚变反应，产生更重的原子核：氧、氖、钠、硅等原子核。特定原子核形成时所释放的能量取决于将其质子和中子“黏合”在一起的核力与质子之间的静电排斥力之间的对抗程度。铁原子核（包含26个质子）比其他任何原子核结合得都要紧密，必须增加能量（而不是释放能量）才能形成比它更重的原子核。因此，当恒星的内核都被转化为铁原子核之后，将会面临一场能源危机。
随后的发展充满了戏剧性。一旦铁原子核所占的比例超过一定的阈值（约1.4个太阳质量），引力就会占上风，铁原子核向内坍缩到中子星大小，同时释放出巨大的能量，形成一次大爆炸，外部物质被抛向太空，最终变为一颗超新星。此时的恒星形成一种“洋葱”似的结构：氢和氦仍在外层燃烧，而较热的内层物质按照元素周期表的排列顺序由外向内依次分布。被抛回太空的碎片中包含了这些混合在一起的元素，氧是最常见的，其次是碳、氮、硅和铁。结合所有类型的恒星及其所经历的各种演化阶段，我们可以计算出这些元素之间的比例，得出的结果与在地球上观察到的比例一致。
铁元素在元素周期表中仅仅排列在第26位。初看之下，形成比铁原子重的原子似乎是一个问题，因为必须注入更多能量才能合成它们。不过，恒星在坍缩过程中产生的高温，加上外层爆炸产生的冲击波，二者的能量一起促进了少量元素周期表中的其余元素的产生，直到第92号元素铀。
第一批恒星形成于大约100亿年前，由原始物质构成，这种物质只含有最简单的原子，没有碳，没有氧，也没有铁，那时的化学是一门非常乏味的学科。第一批恒星周围也没有行星环绕。在太阳形成之前，可能有几代大质量恒星已经经历了它们的整个生命周期，将远古时的氢转化为生命的基本组成部分，并通过强风或爆炸将它们抛入太空。其中一些原子融入了一个类似于猎户座星云的星际云团，大约45亿年前，一颗新的恒星在那里诞生，它周围被充满尘埃的气体盘包围着，最终形成了太阳系。为什么碳和氧在地球上随处可见，而金和铀却非常罕见呢？答案在太阳形成之前那些爆炸的恒星身上。地球和人类都源自那些古老恒星的灰烬。银河系是一个生态系统，一代代的恒星在不断地循环利用、加工着原子。
太阳系中的碳原子、氧原子和铁原子最初都是在大质量恒星中形成的，这类恒星将自己的碎片抛入太空，形成尘埃云。在45亿年前，太阳系就在这片尘埃云中形成。这些“污染物”（指碳原子、氧原子和铁原子）只占全部物质的2%，氢原子和氦原子仍然占据主导地位。不过，地球上之所以出现重原子比例过高的现象，是因为氢原子和氦原子是挥发性气体，它们已逃离了所有的内行星。同太阳一样，木星这样巨大的行星主要由氢和氦组成。在新生太阳周围的尘埃扁盘中，靠外的部分比较冷，木星就是在这种环境中形成的，它自身的引力足以拉住这些轻原子。
比太阳更古老的恒星应该在银河系遭受这种“污染”之前就已经形成了。因此，与太阳相比，重元素在这些恒星表面上会比较缺乏。恒星具有复杂的光谱，其中每种原子都具有一组独有的特征颜色。例如，街灯中的钠发黄光，而汞蒸汽会发出特有的蓝光。事实上，在最古老的恒星中，所有较重的原子的数量往往比较少，这恰恰为银河系历史的总体格局提供了佐证。相比之下，即使在最古老的恒星中，氦含量也非常丰富，其中的原因可以追溯到“大爆炸”发生后的最初几分钟。我们将在下一章对此展开讨论。
确定不同原子的比例并意识到“造物主不需要转动92个不同的旋钮”是天体物理学的一大胜利。关于原子，仍存在一些不确定的细节性问题，但其本质主要取决于一个数字，那就是将构成原子核的粒子（质子和中子）结合在一起的力的强度。
爱因斯坦著名的质能方程 E = mc 2 告诉我们，质量（ m ）通过光速（ c ）与能量（ E ）相关。因此，光速就有了重要的意义。光速决定了“转换因子”，即告诉我们每千克物质的能量是多少。将质量百分之百转化为能量的唯一方法是，将它与等质量的反物质放在一起。不过，银河系中不存在成块的反物质（对于我们的生存来说，这是幸运的）。仅仅1千克反物质所产生的能量就相当于一座大型发电站在10年内产生的能量。像汽油这样的普通燃料，甚至TNT这样的炸药，释放出的静止质能也只有大约十亿分之一。这些物质的燃烧只涉及化学反应，原子核仍保持不变，只是改变了其电子的轨道和原子之间的联系。然而，核聚变的威力是惊人的，因为它比任何化学爆炸的效能都要高出数百万倍。一个氦原子核的质量是构成它的两个质子和两个中子的总质量的99.3%。剩下0.7%的质量主要以热量的形式释放出去了。因此，太阳的燃料（太阳内核的氢气）在聚变成氦时，将其质量的0.7%，即0.007转化为能量，这个数字就是 ε ，它决定了恒星的寿命。从氦到铁的进一步核聚变反应仅多释放0.001。因此，恒星生命的后期相对短暂，甚至更短，因为在温度更高的恒星内核中，额外的能量会在不可见的情况下被中微子带走。
当简单的原子进行核聚变反应时，释放的能量取决于“黏合”原子核的力的大小。这个力不同于我们已经讨论过的两种力——引力和静电力，因为该种力仅在非常短的距离内才起作用，而且只有在原子核的尺度上才有效。我们可以感觉到静电力和引力的力量，但感觉不到这种力。在原子核内部，这种力能将质子和中子牢牢地结合在一起，足以对抗电斥力，否则电斥力会使带正电荷的质子相互分离。物理学家称这种力为“强相互作用力”。
这种强相互作用力支配了微观世界，将氦原子中的质子和较重原子核内的质子牢牢地结合在一起，由此聚变出巨大的能量，为太阳提供持久的热量，这也是人类出现的先决条件。就像威廉·汤姆逊一个世纪前就意识到的那样，如果没有核能，太阳将在大约1 000万年内萎缩。由于强相互作用力仅作用于短距离，因此它在较大和较重原子核中的作用力较小。这就是比铁原子核重的原子核变得松弛而不是更紧密的原因。
我们虽然知道核力至关重要，但它到底有多重要呢？例如，如果 ε 的取值是0.006或0.008，而不是0.007，将会发生什么变化呢？初看之下，人们可能会认为这不会带来太大的改变。如果 ε 变小，氢将会变成效率较低的燃料，太阳和恒星就不会存活那么久。这本身并不重要，毕竟，人类已经生活在地球上，而太阳目前的年龄还不到其应有寿命的一半。然而，事实证明，在将氢转化为元素周期表中其余元素的过程中，存在一些微妙的效应，它们对数字 ε 的变化非常敏感。
在这个核反应链中，第一个关键环节（由氢合成氦）相当敏感地取决于原子核的强相互作用力。氦原子核包含两个质子和两个中子，它的形成并不是4个粒子一次性叠加形成的，而是通过氘（重氢）这个中间环节分阶段形成的，氘由一个质子和一个中子组成。如果原子核的“黏合”力较弱，则 ε 的取值为0.006而不是0.007，那么质子就不能与中子结合，氘也就不稳定，氦的形成之路就会被堵死。结果便是，我们只会得到一个由氢组成的简单宇宙，其原子由一个质子和一个绕之运转的电子构成。在这个世界，不存在化学反应。恒星仍然可以在这样的宇宙中形成（如果其他一切都保持不变），但它们将不会有核燃料，而是会收缩并冷却，最后变成一堆残骸，不会有爆炸以将碎片抛入太空，因此也就不会形成新的恒星，也不会存在任何能够形成岩石行星的元素。
初看起来，人们可能会从这个推理中猜测，更强大的核力会使核聚变更有效，更有利于生命的存在。然而，如果
ε
大于0.008，我们也不可能存在，因为不会有氢从“大爆炸”中保存下来。在现实的宇宙中，两个质子之间的相互排斥力非常强烈，以至于如果没有一两个中子的帮助
，原子核内的强相互作用力根本就无法将它们结合在一起。如果
ε
等于0.008，那么两个质子就可以直接结合在一起，这种现象应该发生在早期宇宙。这样带来的结果便是，普通的恒星中没有氢可供燃烧，水也就不可能存在。
因此，任何具有复杂的化学性质的宇宙都要求 ε 的取值在0.006～0.008之间。某些特殊细节甚至更加敏感。英国理论物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）在推算碳和氧在恒星中形成的过程时，偶然发现了“精细调谐”的最著名例证。碳（原子核中有6个质子和6个中子）是由3个氦原子核结合而成的，但同时出现3个氦原子核的概率几乎可以忽略不计，因此碳的形成也是分阶段进行的。在与另一个氦原子核结合形成碳之前，这一过程会经历一个中间阶段，即2个氦原子核结合形成铍原子核（含有4个质子和4个中子），然后再与另一个氦原子核结合形成碳。然而，霍伊尔发现一个问题，这个铍原子核非常不稳定：它很快就会衰变，以至于在它衰变之前，第三个氦原子核出现并黏附在它上面的可能性微乎其微。那么，碳究竟是如何产生的呢？事实证明，碳原子核有一个特性，即与一种特别的能量之间存在“共振”，从而增加了铍原子核在衰变前的短暂时间内与另一个氦原子核结合的可能性。实际上，霍伊尔预言了这种共振的存在，并敦促自己的同事探测这种现象，结果被证明是正确的。原子物理学中的这种“意外”使碳得以形成。然而，在接下来碳捕获另一个氦原子核形成氧的过程中，这种“共振”效应却消失了。事实证明，“共振”对核力的变化非常敏感，即使核力只改变4%，也将会严重限制碳的生成量。因此，霍伊尔认为，即使 ε 仅有几个百分点的变化，也会危及我们的生存。
无论元素是如何形成的， ε 的变化都会影响元素周期表的长度。如果核力变弱，原子核结合最紧密的元素（现在是26号元素铁）的排序将会在元素周期表中降低，稳定元素的数目也将减少到92以下。这将导致化学变得比较贫乏。相反， ε 若增大，将会提高重元素的稳定性。
初看之下，由大量不同原子组成的更长的“菜单”似乎开辟了一条道路，可以将我们引向更有趣、更多样的化学世界。然而，事实全非如此。例如，如果英文字母表中包含更多字母，英语语言也不会因此而变得更加丰富。同样，即使只存在几个常用元素，复杂分子照样多种多样，变化无穷。如果没有氧和铁（分别是8号和26号元素），尤其是大量的碳（6号元素），化学将会变得枯燥无味，因为生命所必需的任何复杂分子都不会生成。不过，无论是通过增加原本就十分丰富的元素的数目，还是在已有的92种稳定的元素之外再增加若干种稳定的元素，这一切都不会对化学有任何助益。
所以，元素的实际组合取决于数字 ε 。不过，值得注意的是，假如这个数字是0.006或0.008，而不是0.007，那么以碳为基础的生物圈就不可能存在。