宇宙

——[作者] [美] 卡尔.萨根

座头鲸以其跃出水面的壮观场面和非同凡响的交流方式闻名于世。

我们一直都是太空旅行者。

前言

1. 终有一日，今天的未知之谜会得到解开，但那需要漫长的勤勉研究。人类寿命有限，一个人穷尽毕生之力也不足以攻克天空这如此巨大的课题。……因此，唯有经过岁月和持续数代的研究，此等知识才能逐渐显现。终有一日，我们的子孙会惊讶于他们的先人竟不了解那些无比浅薄的常识……待到谜团揭开之时，我们早已被遗忘。如果宇宙无法为人类世代提供无穷无尽的谜题，那它就实在太渺小，太可悲了……大自然不会一下子彰显它的全部奥秘。
2. 本质上来说，人类诞生在宇宙一隅，命运早已注定与之紧密相连。我们最寻常、最琐碎的事务，都可以追溯到宇宙及其起源。
3. 我们身处的时代处于决定人类文明走向，甚至物种存亡的十字路口。不论去向何方，我们的命运都与科学密不可分。
4. 科学不断发展，永无终结，不存在什么终极真理能让所有科学家解甲归田。
5. 然而科学的发展也有阴暗面：最近的研究表明，如果核战打响，那么原爆扬起的尘埃将遮天蔽日，导致地球寒化。即使是那些没直接参与战争的国家也会因此遭遇前所未有的灾难。技术的发展既能帮人类进一步探索宇宙的奇迹，也能让地球陷入混乱无序。我们有幸生于史上最重要的时代之一，甚至有幸决定历史的走向。

第一章 星海之滨

1. 已知有涯，而未知无涯；我们如同立于荒岛之上，被苍茫大海所困。每一代人的任务，都是填出一小块新的陆地。
2. 宇宙即一切。过去是，将来亦如是。对宇宙的遐思即便再卑微渺小，也能撼动人心——那是脊柱上传来的刺痛、嗓子里的哽咽，或者某种模模糊糊、从高处坠落的久远记忆。如此，我们知道，那最伟大的谜团近了。
3. 宇宙的规模和年龄远超常人想象。我们的行星家园只是迷失在永恒和无限间的小小一点。从宇宙的角度来看，人类的关注无关紧要，甚至微不足道。
4. 毕竟苍穹浩瀚，我们不过是晨空中一粒飞扬的尘埃。
5. 如果我们被随机抛进宇宙某处，落在行星或者附近的概率会小于1/$10^{33}$（1后面跟33个0）。这样的数字极难在日常生活中见到，可见星球多么稀少。
6. 年轻的恒星发蓝光，高热量；中年的恒星发黄光，光源稳定；红色的恒星往往年事已高；还有挣扎在死亡边缘的白矮星、黑矮星。
7. 星海浩渺，远超人们最狂野的幻想。它包含的众多世界里，地球实在微不足道。可能只在我们眼里，它才显得无比重要。地球是我们的家，它养育了我们。人类在这里诞生，演化至今，在这里走向成熟，在这里培养出探索宇宙的热情，也是在这里，怀揣着痛苦与不安，摸索着走向未知的命运。
8. 生活在当下是一种幸运，我们身边有那么多才华横溢、求知若渴的同族，与此同时，对知识的探求又得到了普罗大众的尊重。人类生于群星，暂居于地球，现在终于开始了漫长的返乡之旅。
9. 亚历山大曾是这颗行星上最伟大的城市，大图书馆是它的智慧源泉，也是史上第一个真正的学术研究机构。无数学者在这里研究宇宙（Cosmos），这是个希腊语词汇，意思是“万物的秩序”。在某种意义上，它是混沌的对立面，暗示着世间一切都存在深层的联系，也表达了对宇宙复杂精妙的敬畏之情。

第二章 宇宙的复调

1. 银河的恒星系数以千亿计，其中大多数可能从来没有生命萌芽，另一些恒星系中，生命可能曾经兴起又消亡，或者始终停留在最简单的结构上。只有很小一部分世界才诞生了智慧生物，他们的文明程度说不定远超我们。

2. 达尔文在《物种起源》中写道：

   人类并不能直接改变物种；他们只是把生物置于新的环境下。是自然法则在影响那些生物，导致它们变异。但人类确实可以在自然变异中进行选择，并按自身意愿让其逐渐累积。通过这种方式，他就培育出了更符合自身利益或喜好的动植物。这一过程可以是有目的、有计划的，也可能是无意识行为的结果

3. 7000万年对于一个寿命只有它百万分之一的物种来说到底意味着什么？我们就像蝴蝶，飞翔在日光下，以为白昼是永恒。

4. 不论我们多么喜欢氧，它对未受保护的有机物来说无疑都是一剂毒药。大气氧含量逐渐增加，导致绝大多数不能适应氧气的生物灭亡。而一些原始的生命，比如肉毒杆菌和破伤风杆菌，至今只能在无氧环境下生存。地球大气里的氮是惰性化学物质，比氧温和得多，但它同样是生物造就的。99%的地球大气源自生物。可以说，生命创造了天空。

5. 我们今天所见的一切物种当时也不存在，在古老的岩石里找不出像人类的化石。没有物种可以永存，它们存世的时间或长或短，总归要走向消亡。

6. 寒武纪大爆发之后，新的物种层出不穷。第一批鱼类和脊椎动物很快出现；以前只生长在海洋里的植物终于登上了陆地；昆虫和它们的后代成了动物在陆地上拓殖的先驱；有翼昆虫登场的同时，类似肺鱼的早期两栖类也出现了，它们能同时在水里和陆地生存；接下来是最早的树木和最早的爬行动物；恐龙的时代来临了；哺乳动物登台亮相，然后是鸟类；第一朵花绽开；恐龙灭绝；鲸目动物——海豚和鲸鱼的祖先——出现；同一时期，我们人类和猴子共同的祖先灵长类动物初露头角。不到1000万年前，自然演化出了第一批长得像人类的物种，他们的大脑容量在短时间内暴涨；几百万年前，真正的人类终于出现了。

7. 目前我们已知的有机分子种类多达数百亿，但其中作用于生命基本活动的只有大约50种。同样的分子被一而再、再而三地使用，巧妙应用在许多不同方面。深入地球生命的核心——控制细胞化学的蛋白质，以及携带遗传信息的核酸——我们会发现这些分子在所有动植物身上都基本相同。橡树和人类由同样的材料构成，我们有同一个祖先。

8. 如果突变率太高，我们就会失去40亿年艰苦演化的遗传成果。如果太低，物种演化速度又会跟不上未来环境的变化。物种演化需要在基因突变和自然选择中取得精确的平衡，才能展现出非凡的适应性。

第三章 和谐世界

1. 和太阳、月亮一样，群星也东升西落，用一整晚的时间横贯天空。虽然季节不同，星座不同，但无论在哪年的初秋，你看到的星座总是这几个，绝不会有新的星座突然从东方升起。群星代表了一种秩序，一种可预测性，一种永恒。从某些角度来看，它们抚慰人心。
2. 天空就像宏伟的日历，任何有能力、愿意为之付出时间的人都能看懂。
3. 开普勒第二定律：行星在相同时间内扫出的面积相同。
4. 开普勒第一定律：每一颗行星（P）的轨道都呈椭圆形，而太阳（S）位于椭圆的一个焦点上。
5. 开普勒的这两个定律似乎有些抽象。行星的轨道是椭圆的，它们在相同时间内扫出相同面积。没错，但那又怎么样呢？还不如圆周运动更简单易懂些。大多数人也许觉得这些定律不过是数学理论上的修修补补，和日常生活无甚关系。但我们的星球就遵循着这法则，满载被重力黏到地面上的人类在星际空间里飞驰。我们的许多举动都要遵守开普勒发现的定律：在我们向其他行星发射航天器的时候，在我们观察双星的时候，在我们研究遥远星系的运动时，你会发现整个宇宙都在遵守开普勒定律。
6. 开普勒第三定律，是指行星周期（即它们绕轨一圈的时间）的平方，与它们和太阳的平均距离的立方成正比。以木星为例：遵照定律$P^2$=$a^3$，其中P表示行星绕太阳公转的周期（以年为单位），而a是行星到太阳的距离
7. 约翰内斯·开普勒终生探索行星运动，寻找天体间的和谐。他去世36年后，这项研究在艾萨克·牛顿手里达到顶峰。牛顿出生于1642年圣诞节，用他妈妈后来的说法，小牛顿发育不良，刚落草时能装进一夸脱的马克杯里。这个体弱多病、觉得被爸妈抛弃的小男孩成年后不爱交际，总是与人争吵，守了一辈子童贞。但他大概是有史以来最伟大的科学天才。
8. 从古至今，物体一直从高处往低落；有史以来，月球始终绕着地球转。但牛顿是史上第一个意识到它们背后是同一种力的人。万有引力完美地阐释了什么叫作“宇宙”。无论在宇宙哪个角落，万有引力定律都适用。
9. 万有引力定律是个平方反比定律，即力的大小和距离的平方成反比。
10. 1696年，瑞士数学家约翰·伯努利向同行们发起挑战，希望他们能解决最速降线问题，即给两个高低不同的点连上一条曲线，在只计算重力的前提下，找到能让物体在最短时间内落下的那条曲线。伯努利原本给出的期限是6个月，但在另一个著名学者莱布尼茨（他和牛顿各自独立发明了微积分和积分学）的要求下，把时长改成了一年半。1697年1月29日下午4时，牛顿收到挑战，次日早晨上班前，他就为数学发明了一门全新的分支学科：变分学。牛顿用变分学解决了最速降线问题，然后把答案寄了回去。按照牛顿的要求，他发表的文章没有署名，但横溢的才华和独创的见解暴露了作者的身份。当伯努利看到牛顿的解答时，他评论道：“我们从爪印里认出了那只雄狮。”当时牛顿已经55岁了。
11. 开普勒和牛顿代表了人类历史的一个关键转折点。他们发现简单的数学法则，能适用于包括大地和天空在内的整个自然界；他们发现以人类的所思所想，能理解世界的运转规则。他们尊重观测数据，准确预测了行星的运动，证明人类对宇宙的了解可以达到出乎意料的深度。我们今日的全球化文明、对世界的看法，还有对宇宙进行的探索，都从他们的洞见中获益良多。
12. 牛顿小心地保护着他的科研成果，为此不惜和同行翻脸。他相信至少一二十年里，科学界无法取得超越万有定律的成就。但在宏伟又精巧的大自然面前，他和托勒密、开普勒一样，既兴奋又谦卑。去世前不久，他写道：“我不知道世人怎么看我；但我就像个在海边玩耍的儿童，为不时找到些漂亮卵石和贝壳而高兴不已，却对浩瀚的真理之海浑然不觉。”

天堂和地狱

1. 似乎只有一种假说可以符合所有已知的事实：1908年，一颗彗星撞击了地球。（通古斯大爆炸）
2. 行星之间的广袤太空里存在许多物体，有些是岩石质地，有些是金属，有些是冰，还有些由包括有机物在内的不同物质复合而成。它们大小不一，袖珍的小于沙粒，大的则超过了尼加拉瓜或者不丹的国土面积。有时候，它们的轨迹会恰好指向行星。通古斯事件可能是由一个直径100米的冰体彗星碎片引发的，它有足球场大小，重达100万吨，以每秒30千米，即每小时10800千米的速度坠落。
3. 科学生于自由探索，且致力于自由探索：任何假设，无论多么离奇，它的价值高低都由自身决定。打压不同意见可能是宗教界和政治界常用的手法，但在探索知识的道路上并不适用；它与科学精神背道而驰。我们无法预知下个取得颠覆性新发现的人会是谁。
4. 金星环境真相的第一条线索来自玻璃棱镜，还有衍射光栅。衍射光栅是有精细、规则的平行细缝的玻璃平面。当强烈的普通白光从细缝中穿过时，会得到拉伸，展现出彩虹色的光谱。把这些光按频率从高至低做个排列，总体上呈紫、蓝、绿、黄、橙、红几种颜色。这些我们可以用肉眼识别的光就叫作可见光。但大自然里的光远不止这些。比紫光更高频的光，叫作紫外线。它真实存在，能够杀死微生物。虽然人类看不见，但大黄蜂和光电管都能探知它。世界远比我们所见的更复杂。比紫外线频率更高的，叫作X射线，继续往上还有伽马射线。再看低频，低于红光的就是光谱的红外部分，最早被发现源于有人把灵敏的温度计放在了看似一片黑暗的地方，尽管人类肉眼无法察觉，但温度计的数值发生上涨，说明它其实受到了光的照射。响尾蛇和半导体都能很好地探测到红外线。红外线之外，是射电，也即无线电的宽广光谱区。光线没有高下之分。从伽马射线到射电电波，光的本质并没有发生变化。对天文学来说，它们全都有用。但肉眼的局限总让我们对非可见光抱有偏见。
5. 科学界就发现光谱可以用来测定遥远物体的化学性质。不同的分子和化学元素会吸收不同频段的光，它们中的一些是可见光，剩下的则位于光谱的其他部分。在行星大气的光谱中，出现一条单独的暗色线条，意味着这部分的光消失了，也就是说，阳光在穿过那个世界的大气时被吸收了一部分。每种分子或者原子的光谱特征各不相同，所以它们能和光谱上的线条一一对应。这就是为什么我们能在地球上分析出6000万千米外的金星大气构成。
6. 苏联的金星探测器穿透厚重云层，成功降落在我们神秘邻居的地表上之后才得到实证。是的，金星是个异常炽热的地方。那里没有沼泽，没有油田，没有苏打海洋。你瞧，在证据不够充分的情况下，我们很容易把事情搞错。
7. 在普通的可见光下，金星云层呈现出一种淡淡的黄色，正如伽利略第一次透过望远镜观察就注意到的那样，它特征匮乏。但假如能透过镜头看到紫外线，我们会发现金星的高层大气有优雅、复杂的气旋系统，那里风速约为100米/秒。金星大气层的成分里二氧化碳占去了96%，剩下的氮、水蒸气、氩气、一氧化碳和其他气体痕迹微弱，而碳氢化合物和碳水化合物连百万分之零点一都不到。至于金星的云，它的主要成分是浓硫酸，另外掺杂了一些盐酸和氢氟酸。即便在高处寒冷的云层，这颗行星也完全没法讨人喜欢。
8. 在可见的云层上方70千米处，我们将遇到由微小颗粒组成的烟霾；60千米处，我们一头扎进云层，悬浮在身边的都是浓硫酸液滴。越深入，液滴就越大。刺激性气体，如二氧化硫（SO2）在大气底层含量低微，却会在云层高处不断生成，由于太阳紫外线的照射分解，与水结合成硫酸。硫酸凝成液滴，在海拔更低的地方又被热量分解成二氧化硫和水，完成循环。金星的硫酸雨遍及全球，下个不停，但一滴也落不到地上。
9. 硫黄色的薄雾一直向下延伸到距离金星地表45千米处，从这里开始，我们进入了厚重而透明的大气层。虽说是透明的大气，但气压实在太高，阳光被大气里的分子反射，所以我们根本看不到地表。这里没有尘埃，没有云朵，只有越来越大的压力。而透过云层的阳光色泽让人联想到地球的阴天。
10. 金星是行星级别的灾难现场。我们已经清楚地了解到其地表高温源于强烈的温室效应。阳光穿过金星的大气和云层——它们对可见光来说是半透明的——抵达地表。地表受热后当然要把这些辐射努力送回太空。但金星的温度比起太阳来说非常低，能够散逸的光主要是红外线，而非可见光。更糟糕的是，就连这点红外线也被大气里的二氧化碳和水蒸气挡住大半。于是乎，太阳的热量被困住，地表不断升温，最后只有少量的红外辐射从厚实的大气中散逸，平衡了大气下层和地表吸收的阳光。
11. 金星的地表环境是一个警告：我们的家园也可能遭遇同样的灾难。
12. 地球是颗可爱的蓝星，也是我们唯一的家。金星太热，火星太冷，只有地球堪称天堂。毕竟，这是我们诞生和演化的地方。但地球的气候可能并不稳定。这颗可怜的星球未必经得起人类反复折腾。
13. 地球是个渺小又脆弱的世界，它值得我们珍惜。

红星蓝调

1. 今天的环境下，火星不可能存在露天的水体，因为气压很低，即便是冷水也会很快沸腾蒸发。而液态水就算存在，也只能分布于土壤缝隙和岩石孔洞中，数量稀少。这里的氧气含量太低，人类无法呼吸。过于稀薄的臭氧则无法阻止太阳那可以杀死微生物的紫外线长驱直入。这样的环境下，还能有生物存活吗？
2. 然而在我看来，如果宇宙允许分子机器演化成你我这样复杂而精妙的生物，其实是莫大的荣光。
3. 人类就是这样。当我们的感情被激发后，会本能地自我欺骗，而“近邻星球上有智慧生物居住”这个想法是多么激动人心啊。
4. 罗威尔认为火星人开凿了运河，这种幻想也许，只是也许，是一种预言。也许有一天，火星会完成地球化。人类会建立永久居住点，与那颗红星和谐相处，把罗威尔的幻想化为现实。到那一天，火星人，就是我们。

旅行者的故事

1. 当我们意识到还有许许多多的世界与地球类似，同样有人居住时，就不会再对那些号称“伟大”的事物如此顶礼膜拜，也会懂得许多庸庸碌碌之人关注的只是鸡毛蒜皮之事。
2. —18世纪时，从荷兰旅行到中国要一两年，这也是“旅行者”从地球到木星耗费的时间。如果横向对比，你会发现当年开辟新航道的代价，比今天的太空探索更高，不过两者都没有超过国民生产总值（GNP）的1%。和过去一样，当代航天器和它们装载的机器，也在为人类将来的星际之旅开辟着道路。
3. 航海大发现造成的恶果，和它带来的好处几乎不相上下，但从最终结果来看，它联结了整个地球，削弱了地方主义，团结了人类，并大大加深我们对这颗星球，以及对自身的理解。
4. 包括月亮在内，太阳系内的几乎所有卫星，面对自己行星的朝向都固定不变。
5. 如果木星的质量再增加几十倍，内部就会产生热核反应，也发出光来。可以说，巨行星就是凝聚失败的恒星。即使如此，木星向外释放的能量也高得吓人，两倍于它接受的阳光热量。光是看红外光谱，你甚至会把木星也认作恒星。它若在可见频段发光，我们就会生活在一个双星系统里。
6. 木星云层深处的气压比地球高得多，甚至能把电子从氢原子里挤出，继而产生一种非凡的物质——液态金属氢。这是地球上从未有过的物理现象。（常温下，液态金属氢可能就具备超导特质，如果它能在地球上生产，无疑会掀起电子产业的革命。
7. 直到比冥王星轨道再远出两到三倍的地方，星际间质子和电子的压力才能超过业已式微的太阳风。我们把这个位置叫作“日球层顶”，它也是界定太阳系边界的一种方式。不过即使到了这里，“旅行者号”也会继续向前。它将在21世纪的某天冲出日球层顶，继续遨游无尽深空。它不会进入另一个恒星系，而是注定永远在远离任何岛屿的星海中航行。几亿年后，它将完成环游银河系中心的壮举。“旅行者号”史诗般的远航，才刚刚启程。

夜空之脊

1. 生物学中有个原理，虽然算不上完美，但适用于不少场合。它叫作“重演”，即胚胎在发育成熟的过程中会再现物种的演化史。我相信人类在智力发展过程中也存在重演，会下意识地想古人之所想。
2. 德谟克利特说，万事万物都是原子以错综复杂的方式组合起来的，人类也概莫能外。“除了原子与虚空，”他说，“世间并无一物。”
3. 奥尼亚人的传统和那些后来人有很大的不同甚至矛盾，反而更接近现代科学。他们的影响力只持续了两三个世纪便消失殆尽，直到文艺复兴才得到继承。对世界历史来说，这是无法弥补的巨大损失。
4. 柏拉图著名的洞穴寓言里，被囚于洞中的人只看到外面往来人群的影子，他相信影子是真实的，却不曾想过只要扭头，就能看到更加鲜亮的世界。毕达哥拉斯学派显然深深地影响了柏拉图，以及后来的基督教。
5. 毕达哥拉斯学派认为存在一个完美的神秘世界，但凡人看不见、摸不着。早期的基督徒接纳了这种思想，开普勒年轻时所受的训练也属于这一套。所以开普勒深信自然界中存在和谐数字（他说过“宇宙铭刻着和谐比例的标记”），行星运动一定能以简单的数值关系加以解释，而且行星只可能做匀速圆周运动。他实际观察到行星运动违背了这理论，却依然反复不断地尝试。只不过，开普勒和毕达哥拉斯的信徒不一样，他选择相信观察和实验数据。最终，他被迫放弃了圆形轨道的想法，并领悟到行星的轨道其实是椭圆形的。毕达哥拉斯学派的观点，既点燃了开普勒探索群星的激情，又阻碍了他，使他晚了至少10年才获得发现。
6. 现在我们已经清楚人类生活在银河系旋臂外缘，距离银心3万光年，这里星辰稀疏。如果有外星人居住在沙普利所见星团核心附近的行星上，可能会向人类投以同情的目光。因为银心附近，天空会被群星点亮，可见范围内有数百万颗璀璨的明星，而我们只能在地球上看到区区几千颗。他们的太阳（或者太阳们）也许也会落山，然而不存在真正的黑夜。
7. 宇宙深处，还有更多更遥远、看起来更黯淡的星系，数以千亿计，一直延伸到已知宇宙的尽头。
8. 人类生活在一颗无足轻重的行星上，围绕着一颗单调乏味的恒星旋转。这个恒星系处在银河系外沿两条旋臂末端之间，甚至银河系也只是一个稀疏星系团里不起眼的一员，这个星系团被遗忘在宇宙的一角，而宇宙中的星系比人类个体的数量还要多得多。

时空之旅

1. 实际上，天空中的多数恒星都是双星或多星系统，形单影只的太阳反倒是个异类。
2. 空间和时间彼此交织。不回溯时间，就看不见空间。
3. 狭义相对论描述的现象看似奇特怪异，恰恰说明了科学的本质就是求真。这些现象取决于你的相对速度，但它们真的存在，绝对不是幻觉。只要你学过一些代数，就可以用简单的数学计算来证明这一学说，所以任何受过教育的人都可以理解狭义相对论。它也和许多实验的结果吻合。非常精准的时钟，在飞机上就是会比地面上慢一点。核子加速器必须考虑物质质量会随着速度增加而增加；如果遗漏了这一点，那加速后的粒子都会撞在装置仓壁上，而核子物理实验基本上就不剩什么了。
4. 但只要人类没有自我毁灭，就总有一天会驶向星辰大海。我相信，完成太阳系的全面探索之日，就是群星向我们招手之时。
5. 如你所见，空间和时间彼此交织。行星和恒星也和人类一般，从生到死。人的一生短短数十载，太阳的寿命则是我们的一亿倍。与群星相比，我们就像朝生暮死的蜉蝣。在真正的蜉蝣眼里，人类恐怕也是迟钝缓慢，甚至不怎么动弹的物体。从恒星的角度来看，人类，这种数量多达几十亿，生命转瞬即逝的生物，都挤在一个异常寒冷、坚固，而且遥远的硅酸盐铁球体上。
6. 放眼宇宙，每一颗行星的未来都由它们当下的变化决定。而我们的小小星球，恰好处在历史的重要分岔口。这个岔口的重要性不亚于2500年前爱奥尼亚科学家和神秘主义者之间的那场对决。无论我们在这个时代做出什么抉择，都将深深影响一代又一代子孙，以及他们通往群星的命运。

恒星的一生

1. 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。
2. 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，
3. 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℃。
4. 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。
5. 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。
6. 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
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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$10^{56}$。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。
18. 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。
19. 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。
20. 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。
21. 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抗住强大的重力。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$10^{10}$g，然后在时空连续体上撕开一道裂缝，从我们的宇宙中消失。
22. 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。

永恒的尽头

1. 新生星系里的小块云团，同样在经历引力坍塌；随着它们内部温度攀升，热核反应发生，第一批恒星就此诞生。这些炽热、庞大而年轻的恒星肆意挥霍氢燃料，迅速演化，很快在超新星爆发中结束了短暂的一生。热核反应的余烬——包括氦、碳、氧和更重的元素——被爆炸送回星际空间，导致了后续恒星的新一轮演化。超新星爆发时的冲击波，还压缩了临近物质，加速了星系团的形成。引力作用无孔不入，会把哪怕一点点物质的凝聚不断放大，所以超新星爆发的激波很可能促成了各种尺度物质的形成。随着宇宙史诗般的演化，大爆炸产生的气体云凝结出了层级分明的物质，从星系团、星系、恒星、行星，再到生命，最后出现了拥有智力、略懂万物起源的智慧生物。
2. 宇宙既不仁慈，也不恶毒，只是对我们这样的小东西漠不关心。
3. 多普勒效应。固定声源或光源发出一组球面波。如果源头从右向左移动，如图所示，它会在从点1至点6的过程中不断发出球面波。但在B点的观察看来，波形被不断拉长，而A点观察者则看到波形被不断压缩。我们把源头的远离称为红移（波长拉伸），把源头的接近称为蓝移（波长变短）。多普勒效应是宇宙学的关键
4. 当某个物体以极高的速度接近时，光谱线会发生蓝移，高速远离时会发生红移。[3]我们在遥远星系中观察到的光谱线红移现象得到了多普勒效应的解释，而这种现象是宇宙学的关键。

记忆挥之不去

1. 保罗·麦克莱恩有个颇为可信的假说，他认为大脑高级功能的演化经历了三个连续的阶段：
   • 覆盖脑干的是爬虫复合体（R-complex），它负责侵略、仪式、领地和社会等级等意识，数亿年前由我们的爬行类祖先演化而出。我们每个人的头骨深处都有个类似鳄鱼大脑的东西。
   • 爬虫复合体的外层是边缘系统，或者说哺乳动物的大脑，它起源于数千万年前我们还没演化到灵长类阶段的哺乳动物远祖，它主导了我们的心情、情感，还有对幼体的同情和关心。
   • 最外侧的大脑皮层直到数百万年前，才在我们的灵长类祖先身上出现，它与下方更原始的大脑处在不稳定的休战状态。大脑皮层是物质转化为意识的地方，也是我们宇宙之行的起点。它占去了大脑总质量的三分之二，也是我们直觉和理性分析的所在地。我们的思考、灵感、阅读、写作、数学计算和谱写乐曲能力全都位于这个部分。大脑皮层控制着我们的意识。它是我们的最重要特征，是人类之所以成为人类的关键。文明是大脑皮层的产物。
2. 写作也许是人类最伟大的发明，它把不同时代、彼此从不相识的人们联系到了一起。书籍打破了时间的枷锁，证明人类可以创造奇迹。

银河百科全书

1. 对人口的控制是保证文明发展出星际飞行能力的必要前提之一。如果任由人口爆发式增长，那么任何社会都不得不把所有精力和技术用在填饱肚子上。这是个普适性的结论，不管放在哪种社会条件下都是如此。
2. 100万年是怎样一个概念？我们发展出射电天文学和航天飞机才几十个年头；作为技术文明只有几百年历史，科学思想的普及不过耗时千年，甚至文明本身满打满算也就几万年；几百万年前，人类才在这颗星球上演化出来。从目前的技术发展速度来看，一个领先人类百万年的文明看待我们的方式，大概跟我们看待夜猴或者猕猴差不多。
3. 实际上，两个太空文明几乎不可能在同等水平上展开互动。任何冲突都会呈一边倒的态势。100万年的差距足以决定一切。如果一个先进文明出现在太阳系里，我们根本无能为力。他们的科技水平完胜我们。我们也犯不着担心对方是否怀有恶意。他们既然存在了这么久，很可能已经知道如何与他人相处了。也许我们对外星人的恐惧心理，反映出了自身落后的那一面：在过去的地球历史中，略微落后的文明往往惨遭蹂躏。

谁为地球代言

1. 核攻击致死的直接原因是冲击波，它们能夷平许多千米外的加固建筑。此外还有火焰风暴、伽马射线和中子射线——它们负责把人的内脏煎熟。
2. 如果人类生存了下去，那么这个时代会因为两个原因而得到铭记：在技术青春期，我们设法避免了自毁；也是在这个时期，我们探索起了星空。
3. 我们是产生了自我意识的局部宇宙。我们已经开始思忖起了自己源于何方：我们由星辰所铸，如今眺望群星；我们由100亿亿亿亿个原子组合而来，而今考虑起了这些原子的悠久演化；我们回溯着意识（至少在地球上）诞生的漫漫长路。我们忠于地球及其物种。我们为地球代言。我们要生存下去。因为这责任不仅属于我们，也属于那古老而浩瀚的宇宙，属于我们的起源之地。

本文作者: Uyouii
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