依照今天的标准衡量，在大爆炸发生几十万年之后，宇宙是非常简单的。大多数原子物质以氢原子和氦原子构成的巨大星云的形式存在，而这些星云镶嵌在由暗物质构成的更庞大的星云之中，并受到后者引力的塑造。当时，没有星系，没有恒星，没有行星，当然也没有生命有机体。除了来自宇宙背景辐射的微弱光亮，整个宇宙漆黑一片。不同地区之间基本上是一样的。威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）对宇宙背景辐射进行的惊人考察表明，整个宇宙的温差不超过 0.0003 摄氏度。宇宙各地似乎是一样的，没有变化，没有多样性，事实上也没有令其变得有趣的任何事物。

然而，几亿年之后，宇宙包含了巨大的光带：最初的星系。每一个星系都由几十亿个光点组成，那些光点就是最初的恒星。星系和恒星的演化是更复杂事物——包括行星、细菌以及人类——演化的第一步。因此，要想了解宇宙中更复杂事物的出现，我们首先得考察恒星和星系的演化。在我们的教材中，第一批恒星的出现被当作第 2 道主要门槛，因为它们的存在让宇宙变得更明亮、更复杂和更多样化。从某种意义上来说，这道门槛一直在被跨越，甚至今天也是如此，因此从那时开始，恒星就在不断出现（参见门槛 2 概述）。

门槛 

成分 ▲ 

结构 ▲ 

金凤花环境 ＝ 

突现属性 

 恒星

原子物质，存在的形式为氢原子和氦原子以及/或者它们的原子核。 

内核（聚变）；外层储有氢和氦+其他元素，直至铁。 

早期宇宙中密度和温度的变化率+引力创造出足以发生聚变的高温。 

新的、局部的能量流；星系；有可能通过聚变创造新的化学元素。 

最初的星系和恒星是如何形成的？

为了解释最初的恒星是如何出现的，我们就得回到引力，即大爆炸所创造的四种基本力之一。引力是牛顿在 17 世纪发现的。他认识到，促使苹果落地的力也能解释太阳周围行星的运动。引力是在各种物质形式之间起作用的吸引力。

20 世纪早期，爱因斯坦指出，引力也会影响能量。我们前面了解到，爱因斯坦证明了物质和能量是本质相同的“事物”的不同形式。在极端高温下，物质能够转化为能量，反之亦然。因此，我们毫不奇怪，引力不但影响质量，也会影响能量。英国天文学家阿瑟·艾丁顿（Arthur Eddington，1882－1944）——他是著名的和平主义者，拒绝服兵役——在一战结束后不久（1919 年）就证明了这一点。艾丁顿断定，通过观察太阳的引力是否让光线弯曲，我们就可以检验爱因斯坦的观点。他认识到，当太阳在一颗恒星前面运行时，通过观察恒星的位置，就可以进行这种检验。如果太阳的引力弯曲了恒星发射出来的光线，我们就能够短暂地看到太阳运行到其前面的那颗恒星，因为它的光束会因为太阳引力的作用而发生轻微弯曲。然而，太阳是如此明亮，我们通常无法观察太阳附近的恒星。不过，在日食发生时，我们可以这么做，这也解释了为何艾丁顿要等到 1919 年。当艾丁顿在非洲普林西比岛上研究那次日食时，他发现的也正是爱因斯坦所预测的。当恒星接近太阳边缘时，它们会盘桓一小会儿，然后迅速消失。即使在绕到太阳另一侧之后，恒星弯曲的光线也足以让它们一度可见，这个事实带来了盘桓效应。这个例子（这里指爱因斯坦）再次证明，出色的科学所创造的奇怪理论最终会被证实是正确的。

引力、宇宙背景辐射与温度

引力在我们的故事中扮演着一个重要角色，因为它能够把简单宇宙变得更有趣。引力随着质量的增多而增强，随质量（物质）之间距离的扩大而减弱。这意味着，它的影响因地而异，取决于所涉及的物体质量以及它们之间的距离。很显然，如果宇宙是完全同质的（也就是说，如果宇宙中所有原子之间的距离是相等的），那么，就会出现一种停滞状态，每一事物对其他事物施加的引力都是一样的。一旦早期宇宙的密度出现细微差异，那么，引力在质量稍多的区域会更强大，从而能够在质量相对空旷的地带创造出物质块。这是迈向新的复杂形式的第一步，因为随着物质聚集成密度更大的星云，星系和恒星最终由此形成。因此，早期宇宙是否同质这个问题，对天文学家来说显得至关重要。

幸运的是，宇宙背景辐射研究正好提供了天文学家所需要的信息，因为它简洁地呈现了早期宇宙在密度和温度上的差异。20 世纪 60 年代，当天文学家开始研究早期宇宙时，他们对宇宙的同质性感到震惊。宇宙中似乎不存在重大的差异。不过，后来更精确的研究表明，宇宙存在温度上的细微差异。1992 年，美国天文学家乔治·斯穆特（George Smoot）利用一颗特意为探测宇宙背景辐射而设计的卫星研究了这些差异。结果表明，他发现的那些差异足以解释星系是如何形成的。在看到斯穆特为早期宇宙绘制的图表时，宇宙学家约瑟夫·西尔克（Joseph Silk）惊呼：“我们正在观察宇宙的诞生！”

在物质碰巧稍多的地方，引力也就更强大，它将这些区域向内挤压。当由暗物质和原子物质构成的巨大星云向内部塌缩时，它们的温度就开始上升。一条基本原则就是：把更多能量压缩到一个更小空间，温度就会上升。（这里所说的更小的是相对而言的，我们现在讨论的，乃是星系大小的区域！）因此，在密度增加的区域，温度也开始增高。这是年轻宇宙生命中的新现象，因为在此之前宇宙一直在冷却。现在，我们可以想象，在整个早期宇宙中，巨大的暗物质星云缓慢地向内部塌缩，嵌入其中的，还有由原子物质构成的较小星云，它们在塌缩的时候，温度也相应升高。这些星云内部的原子因高温而获得能量，它们开始以更快速度运转，并且更频繁和更猛烈地相互撞击。最终，在极端的高温之下，电子再次脱离质子，从而重新创造出早期宇宙中的等离子，这种宇宙充满了游离的、带电荷的质子和电子。

然后，在大约 1000 万摄氏度，一道关键的门槛被跨越。质子碰撞得如此猛烈，以至于它们聚合在一起。质子带有正电荷，因此，它们通常相互排斥，不过，如果碰撞足够强烈，它们就可以克服这种排斥力，一旦两个质子足够接近，它们就会通过强核力（强核力只在非常微小的、亚原子的距离起作用）结合在一起。结果就是氦原子核的出现，它由紧密结合起来的两个质子和两个中子组成。质子碰撞形成氦原子核的过程，就是核聚变。质子溶解时，它的少量质量转化为大量能量。（我们之所以知道这一点，乃是因为氦原子核四个粒子的质量，稍轻于四个质子质量之和。）这就是一颗氢弹的核心发生的变化。爱因斯坦的著名方程式 E=mc2表示：这种过程所释放的能量总量（E），相当于转化为能量的质量总和（m）乘以光速（c）的平方。光速大约是 30 万千米/秒，因此，那将是一个巨大的数字。这也说明了氢弹为何有如此大的威力。1952 年，第一颗氢弹在太平洋埃内韦塔克岛试爆，它的威力几乎是 1945 年 8 月 9 日在长崎爆炸的原子弹威力的 500 倍。

当新的氦原子经过聚变而形成时，正在塌缩的原子星云的核心产生了巨大热量。每个星云核心的这种大熔炉，阻止了星云进一步塌缩，并且让它稳定下来。在早期宇宙中，当这个过程在巨大的、不断塌缩的物质星云中不断重复出现时，最初的星系就出现了，它们由几十亿颗恒星组成，宇宙也逐渐变得明亮。

“于是有了光！”

恒星本质上是氢元素（还有一些氦元素）的巨大储藏库，中心的温度极高，当氢原子核（即质子）落入中心时，它们就会聚变成氦原子核。位于每颗恒星核心的熔炉产生的热和光缓慢地穿过恒星，最终逃逸到空旷的太空。每颗恒星都能够持续发出光和热，只要它有足够多氢元素来维持核聚变反应即可。我们的太阳也是以相同方式在 45 亿年前形成的，它可能会存在 80 亿年或 90 亿年（参见图 1.9）。因此，它已经度过了生命的一半历程。

因此，我们可以想见，黑暗的宇宙随着星系出现而变得明亮起来，当新的恒星形成时，数十亿微小的光点联结在一起。新兴的恒星成为炙热的场所，能量由之倾泻到广袤寒冷的太空。从恒星流入周围空间的能量流，最终会创造出包括人类在内的新的、更复杂的实体。星系体现了复杂性的新层级。它们是数十亿颗恒星之间的引力相互作用形成的天体，它们相对稳定，大多数星系存在的时间与宇宙一样古老。每一颗恒星有其自身的结构，其炽热的核心发生聚变，外层的压力维持着核心的高温，并且为内核提供更多氢元素。恒星相对稳定；其中一些只会存在几百万年，另一些会存在几十亿年。与所有其他复杂事物一样，恒星会呈现出一些突现属性，比如，通过内核聚变产生能量的能力，这些能量流能够维持它们的存在，并且让它们变得稳定。

星系和恒星也为新的复杂形式的出现奠定了基础。星系内部有一个甜蜜的位置，它是复杂事物的理想场所。它离核心以及大量“超新星”爆炸（本章后面会讨论）不是太近，也没有位于能量太少的边缘，而是处于两者之间。同样，复杂事物也无法在恒星内部被创造出来，那里的能量过多，以至于复杂事物一出现就很可能被摧毁。因此，我们要想找到更复杂的事物，既不是在恒星的核心，也不是在能量不足的空旷太空，而应该在恒星周围区域去寻找。那也是大历史大部分内容发生的地方：恒星的附近。

因此，大爆炸发生大约 2 亿年之后，我们可以想象数十亿物质星云塌缩形成数十亿新的恒星，它们被结合在数十亿新的星系中。引力将星系结合成庞大的星系群，从而形成巨大的网状结构，这是我们宇宙中最庞大的组织结构。在比星系群更大的规模上，引力减弱，当扩张力占据主导地位时，我们发现的结构也越来越少。在这些非常宏大的规模上，宇宙各部分彼此渐行渐远。这就是哈勃于 20 世纪 20 年代观察到的扩张现象。