这次比赛，英国的查德威克胜利了。他抓住了白球——发现了中子。
小居里夫妇对这种游戏着了迷，他们不断地向铝的火山口里打进去大球。结果发现，大球落进了火山口，立即跳出来的可能是红球，也可能是白球。
休息的时候，他们还在看着这些火山口。突然，在跳出过白球的火山口里又跳出来一个小红球，飞快地滚走了。快捉住它！他们捉住小红球仔细一看，原来是正电子。
大家都清楚，这次游戏就是小居里夫妇发现人工放射性的实验。
接着，费米来玩台球戏了。他打的台球是白球——中子。台球桌也不一样了，火山不见了，进球口就在台面上。这样的台球桌适用于白球——中子，因为中子不带电，不需要克服原子核的电荷对它的斥力，不需要爬坡。
费米的游戏比过去的玩法简单得多了，只要对准台面上的进球洞口，把白球打过去就行了，球的速度快慢没有关系。费米向各个洞里都打了白球。
他发现，头几个洞中打进去白球就像石沉大海，没有什么东西跳出来。以后的洞情况就不同了。有时候，白球进去红球出来。有时候，白球进去大球出来。而大多数情况下是白球进去以后，过一段时间跳出来一个小蓝球。这小蓝球不是别的，原来就是电子。
人们不禁要去张望一下火山口里的情况了。原来，火山口里像一只光滑的杯子，里面有若干个红球和白球。这些球在杯子里面悠哉游哉地荡来荡去，你碰我一下，我撞他一下，但是速度都不大，哪个球也爬不出火山口。
忽然，从火山口上掉下来一个大球，这大球掉进火山口就散开成两个白球和两个红球。这不速之客的到来，打乱了火山口里的正常秩序。各个球纷乱起来，乱跑乱撞，最后有一个红球或白球被几个球同时一撞，就爬上了火山口的边缘滚了出来。在这以后，剩下的球又平静下来。
人们原来以为火山口内一定会有小红球和小蓝球（正电子和电子）。看了以后才发现，火山口内只有红球和白球而没有什么小球。
人们发现，在周期表前面几个元素的火山口里，红球和白球的数目差不多一样多，白球也可以略多一点。譬如氧的火山口里就有8个红球和8个白球，这时候火山口里显得很稳定。如果再增加一个或两个白球，火山口里还是比较平静，不会发生问题。如果白球再增加一个，火山口里达到8个红球和11个白球。这时候，火山口里就动乱起来，突然，一个白球变成了红球，同时产生一个小蓝球；小蓝球的速度非常大，立刻爬上火山口滚了出去。以后，火山口里又平静下去，不过这时的火山口已经变成了氟的火山口。
如果火山口里红球多了怎么样？这时也会发生动乱，动乱的结果不是把多余的红球赶出火山口，就是这红球突然一下子变成了白球，同时产生一个小红球，飞快地滚出火山口。
在后面的火山口里，球的数目越来越多。白球的数目大约要比红球数目大半倍才能稳定下来。例如汞的火山口里就需要有80个红球和120个左右的白球。
在最后的几个大火山口里有200多个球碰来碰去，即使外边没有球打进来，由于内部的相互碰撞，也可能忽然把两个红球和两个白球一起挤出火山口，形成一个大球滚了出去。这就是天然放射的α粒子。
在挤出去两个红球和两个白球以后，火山口里的红球和白球比例又不太合适了，白球似乎稍微嫌多了一点。这时候，过多的白球就会突然变成红球，同时，放出去一个小蓝球。这就是天然放射的β射线。
好了，对核子台球戏我们暂时就介绍到这里为止。
当然，这只是一种极为简单的模型。大家不要认为原子核构造和原子核反应真像这个游戏中介绍的那样简单。例如，火山的半山腰就会有条隧道直通火山口里，有时候，外面的球不需要爬上火山口，在半山腰钻过隧道就可以进去。同样，火山口里的球也可以穿过隧道跑出来。当然出现这种情况的机会是很少的。
原子核物理学家们曾经提出来过各种各样的原子核构造模型。有的认为在原子核内，质子和中子是一层一层的，并且绕着共同的重心旋转；也有的认为原子核像一个液体油滴，等等。到底什么样的模型更符合实际，现在还在研究，还没有最后解决。
下编 元素的诞生
（一）
开头的话
在上编《太阳元素的发现》中我们讲了科学家们是如何发明了光谱分析方法，可以不离开地球就能够研究太阳的化学组成，并且先在太阳上发现了元素氦，后来又在地球上也找到了氦。在中编《打开原子的大门》中是从19世纪末的科学三大发现——X射线、电子和放射性的发现说起，讲到了20世纪科学家们是如何打开了原子的大门，并从中解放出巨大的能量——原子能。在本篇中我们将要沿着科学家走过的足迹，看看他们还研究了什么，发现了什么？而这次将把我们的眼光从地球、太阳、恒星一直延伸到宇宙的深处，也就是说要研究大宇宙的奥秘，然后再转回到小宇宙，进一步探究生命的奥秘。
最古老的科学
如果说，比原子、分子更小的微观世界的大门是从上一世纪末开始到本世纪中期才打开的。那对于地球和地球以外的日、月、星辰的研究和探索，则是与人类文明的发展同时起步的。所以，天文学是一门最古老的科学。
在远古，人类为了生活和生产的需要就要观察天象。从日月星辰运行的规律，辨认方位，确定历法，了解季节变化……一些古代神话也大都和天文有关，例如中国就有，盘古氏开天辟地，女娲氏炼石补天，夸父追日，后羿射日，嫦娥奔月……世界各民族也都有不同的创世纪的幻丽神话。
关于宇宙的构造，在中国古代就有浑天、盖天和宣夜三种学说，这都是根据当时积累的各种天文现象观测后提出的假说。其中浑天学说与欧洲古代的宇宙观类似。大意是“天如鸡子，地如卵中黄。孤居于天内。天大而地小，半覆地上，半绕地下，故二十八宿半见半隐”。后汉时期张衡根据浑天说制作了一个浑天仪，是在一个大球内刻画着日月星辰，用水轮机转动，人可以钻到里面去看，与实际的天象相合。当时的大学者蔡邕就说过他愿意终生躺在浑天仪内，由此可见这仪器之精巧，这可以说是世界上最早的天象馆。
在欧洲，一直流行着多重天的地心学说，地球在中心，外面有一层层的天球套起来，月亮、太阳和各个行星的天球，最外层是恒星的天幕，而天幕外面则是神居住的地方。张衡的浑天仪是用水轮机运转的，欧洲则设想天球外面有神的机械在运转各重天。这就是托勒玫的地心体系，为神保留了至高无上的地位。在欧洲中世纪传下来一幅画，画的是一个僧侣长途跋涉到了天边，钻出恒星天幕去窥探，看到了神的机械。
到了中世纪末，欧洲文艺复兴的浪潮冲击着各种旧思想、旧观念。哥白尼于1541年发表了“天体运行论”，提出了太阳中心说，从而把神在宇宙中的位置用科学推出去，让他们无容身之地。此后，天文家们观测行星的运动有了正确的坐标（地球和行星绕着太阳转），而后德国的刻布勒根据长期精密的观测确立了行星运动的三大定律，而牛顿正是在这基础上创立了他的万有引力定律（有不少人说牛顿是看到苹果落地从而发现了万有引力，这故事是骗小孩子的胡说）。所以牛顿说“我是站在巨人的肩上，才能比他们看得远些”。
天文学的进一步发展是由于望远镜的发现，这使人们的视野拓宽和延伸了。意大利的伽利略听说荷兰眼镜制造师发明了望远镜，于是在1609年（扫校者注：原书为1809年，有误）自己设计制作了望远镜。他第一次观测就发现了月球上面的环形山，木星有4个月亮（卫星），土星似乎是3块（后来发现这是光环），金星有盈亏变化，银河是由无数密密麻麻的恒星组成的。
望远镜的发现使天文学发展到一个新时代。当时，各国的天文学家都在制作天文望远镜。天文望远镜越大，看到的恒星数目就越多，而当时人们再也不认为恒星仅仅是一块天幕了。宇宙是有限的还是无限的问题就摆在人们的面前。
《列子》中的对话
什么是宇宙？我国汉代高诱注释《淮南子》一书时说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”换句话说，宇宙就是空间和时间的连续体。至于宇宙有多大，汉代天文学家张衡说得好：“宇之表无极，富之端无穷。”也就是说时间和空间是无限的。
关于宇宙有没有尽头的问题，我们不禁想起我国古代《列子》一书中记录的一段对话。殷汤（王）问于夏革（大夫）：古初有物吗？夏革说：古初没有物的话，今天哪能有物。殷汤问：然而上下四方有极尽吗？夏革说：在无极之外复无无极，无尽之中复无无尽。无极复无无极，无尽复无无尽。所以我只知道是无极无尽，而不知道是有极有尽。所以天地大小相含，无穷无尽。你怎么能知道在天地之外不会有更大的天地呢？
在《列子》中讲的是一段哲学推理，但清楚地说明了宇宙的无穷尽原理。这个思想远远地超过欧洲中世纪的宇宙模型。
望远镜的发明，成为天文学家的有力工具，望远镜的口径越大，观测到空间深处的天体越多，宇宙真是无边无际的。
夜间的天空为什么是黑的？
在研究宇宙是否有穷尽的时候，有一位德国医生、业余天文爱好者奥伯斯（1758-1840，以发现小行星和彗星而出名），他在1826年提出一个十分有趣的问题：“夜间天空为什么是黑的？”
夜空是黑的，这当然是谁都看到的，但奥伯斯问：如果宇宙是无限的，那么天空将均匀地布满恒星，无论从哪个方向看天空都会看到星星，所以整个天空将显得很明亮，亮得像太阳一样。而实际不是这样，所以宇宙空间可能是不透明的，遥远空间的星光被不透明的星际物质吸收了。
奥伯斯的解释并不正确，被称之为“奥伯斯佯谬”。但他提出的问题标志着科学宇宙学的萌芽，围绕着这个问题的解决，使人们进一步加深了对宇宙的认识。
人们有了望远镜，就看到了宇宙深处，不仅看到越来越多的恒星，还看到了在宇宙间有众星簇成的星团，有弥漫的星云，有成为旋涡状的星云。这时就产生了一种想法，恒星难道是同时产生的吗？就像我们走到森林中去，看到的树木有的年老，有的年轻，星星是不是也有生老病死呢？我们看到的星星肯定有不同的年龄。在这时有人假设，观测到的星云应该是刚刚形成的恒星。然而，那时的人们错了，错在当时还没有弄清楚各个天体离我们有多远，当然也不可能知道这些天体有多大了。
当时，我们能够研究的天体就是我们的地球，还有一些从天外飞来的不速之客——陨石。在分析它们的化学组成后，就发现天外来客与地球本身相比，并没有什么特殊之处。显然地球外面的天体的物质组成应该是与地球没有太大区别的。但是飞到地球之外去研究别的天体，在上一世纪只能是幻想。
光谱透露了星光的秘密
对于地球我们可以研究它的成分，但是对于地球以外的天体呢？我们离不开地球，所以也就无从去研究它们的化学组成。
1825年，一位法国哲学家孔德在他的实证哲学讲义中说：“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”后来，1860年，法国天文学家弗拉马里翁也说：“要想解决恒星世界上的温度高低，我们是永远得不到有关的数据的。”然而他们的结论都下得太早了，这些不能解决的问题不但解决了，而且解决得很好。这归功于光学的成就，那就是光谱分析，这在本书的上篇《太阳元素的发现》中已经讲过了。
光谱透露了太阳的秘密，同样也透露了星光的秘密，此后不仅望远镜，还有分光仪也成了天文学家手中有力的武器。1868年法国的詹森和英国的罗克耶几乎同时发现在太阳上有一条新的谱线，那就是氦（太阳的意思），这是在地球以外发现的新元素（后来在地球上也找到了氦）。当然科学家们利用分光仪在地球上到处搜索，又找寻到了更多的新元素。
于是，孔德的预言破产了。利用光谱人们可以在地球上研究恒星的组成。不仅如此，在打开了原子的大门以后，科学家们发现了光谱线形成的奥秘，并且还可以由光谱来测出恒星表面的温度等物理状态。于是就兴起了一个研究恒星光谱的高潮，并且把恒星按光谱分了类。
恒星的颜色
我们在夜空中可以看到无数的繁星，但是仔细观察就会发现，恒星有不同的颜色，有的红，有的黄，有的白，有的蓝。显然，这是由于恒星表面温度不同，红色的温度低，而蓝色的温度最高。在掌握了光谱分析这一武器后，就可用来研究所有能观测到的恒星。
天文学家们拍摄下来各个恒星的光谱图，这实际是恒星的物理和化学性质的档案。他们把恒星按光谱分了类，并分为O、B、A、F、G、K、M七大类。另外对有特殊情况的恒星还有R、N、S三个副类。大略地说恒星的表面温度按O～M次序减小，也就是说单位面积上发光的亮度减小。例如，参宿七是B型星，表面温度12000K；天狼星是A型星，表面温度约为10000K；织女星也是A型星，表面温度为9700K；心宿二是M型星，表面温度为3650K；参宿四是M型星，表面温度约3500K。我们的太阳表面温度为6000K，是一颗G型星。
恒星离我们多远？
过去我们把天上的大多数星星叫做恒星，这个“恒”字意味着永恒不变的意思。那只是人们夜观天象时发现它们在天空上的位置等似乎是永不改变。但长期观测后，就发现恒星也在运动，也在“自己行走”，这叫做恒星的“自行”。
有了望远镜，人们就能观测到越来越多的星，也发现了恒星的许多细节。除了颜色不同恒星的亮度也彼此不同，过去人们用肉眼去观测，根据恒星的亮度把它们分了等级，叫做星等，分为1～6等。6等星是人们肉眼能观测到的最暗的星，1等星则比6等星亮100倍。还有少数星比1等星还要亮，那可以推上去，定为O等、-1等、-2等、-3等……有了望远镜以后，人们观测到了更暗的星，那就推下去，定为7等、8等、9等、10等……也就是说星等的数值越大，星就越暗。反过来，星等的数值越小，星就越亮。如果我们假定所有的恒星的亮度都一样，那么亮星就离我们近，暗星就应该离我们远。但是当人们设法测量出某些恒星离我们的距离（以光年为单位，即光线走一年的距离，约等于946051亿公里）后，就发现亮星虽然离我们较近，但在距离上也有很大差异，而离我们最近的星并不是我们看到的最亮的星。例如，我们看到最亮的恒星是天狼星，距离我们8.65光年，而夏季在南部天空看到的红色亮星心宿二则离我们约410光年，织女星离我们26.3光年，冬季看到的猎户座中最亮的星参宿七则离我们约有850光年，参宿四则离我们约有600光年。而离我们最近的星则是半人马座α星（南门二），只有4.2光年远。
所以，必须推翻那种亮星就近的假定，要研究恒星就要求把所有的恒星都放在同样距离来比较亮度，这样才公平合理。天文学家们把这个距离规定为32.6光年，而这时恒星的亮度叫做绝对星等。把几颗我们看到的亮星摆到同样的标准距离后，离我们最近的南门二变得几乎刚能肉眼看出来（绝对星等为4.38）；天空中最亮的天狼星也降为一般的亮星（绝对星等为1.43）；而参宿四（绝对星等为-6）、参宿七（绝对星等为-7.1）和心宿二（绝对星等为-5.3）的亮度则增大到比最亮的行星——金星还要亮得多（金星最亮时日视星等为-4.4）。看来，恒星的形态大小确实有很大的差别。
给星星排排队
本世纪初，天文学家们用恒星光谱类型（相当于表面温度）作横坐标，用恒星的光度（绝对星等）作纵坐标，把各个恒星标在图上，制成恒星的光谱-光度图。于是就发现恒星在图上主要分布在中间一条反7字形的叫做主星序的带上（在主星序上的星叫做主序星），此外在右上角有一些恒星，在左下角还有一些恒星。经过这样排比，发现在右上角的星表面温度低而光度却大，所以恒星的体积一定很大，就名之为巨星。例如参宿四和心宿二就是有名的巨星，与太阳系相比，参宿四的半径可以超过太阳系中火星的轨道半径。而左下角则是炽热的、密度极大而体积很小的恒星，这类恒星名叫白矮星。例如，我们看到天空中最亮的恒星——天狼星就有一颗肉眼看不到的伴星，两颗恒星靠引力作用相互绕转。天狼星的这颗伴星的质量大约和太阳相等，但半径仅仅是太阳的0.73％，即比地球还要小，但表面温度竟高达26000K。白矮星的密度可以高达10 5 ～10 7 克／厘米 3 。
为了了解恒星，天文学家们做了大量的工作，测定它们的亮度、距离、光谱、表面温度……然后进行分类，终于在恒星的光谱-光度图上找出了头绪，从而奠定了恒星演化研究的基础。
恒星肯定会像其他运动着的物质一样，也有生老病死。在恒星的光谱-光度图上，倒底哪些是年轻的星？哪些是年老的星？它们之间有什么关系？又是怎样演化的？这就有许多推测，也提出了不少假说。而真正解决这一重要的演化问题则是在爱因斯坦建立了广义相对论原理以后。
光谱还告诉了我们什么？
天文学家在拍摄恒星和天体的光谱时常常要和一个标准的光谱相比较，于是就发现了一些新的现象，那就是有的天体的光谱中的光谱线，例如氦的光谱线不在原来的位置，光谱线的波长似乎变长了，也就是向红的那边移动了（在可见光的光谱中红光的光波最长，紫光的光波最短），这叫作光谱红移现象。
1842年奥地利的物理学家多普勒曾经指出，光源和观测者之间如果有相对运动，光的频率会被压缩（相互趋近时光的频率向紫端移动）或被展宽（相互远离时光的频率向红端移动），相对运动的速度可以由光谱紫移或红移的量推算出来。这就是有名的多普勒效应。
我们可以在火车道边证明一下多普勒效应，当一列火车从远方向你开近时，你会听到声音频率很高的尖啸声向你走来，当火车离你远去时，声音频率就会降低，这是音频的多普勒效应。对光波的情况也是一样，这样一来，天文学家们就可以根据天体的光谱线的红移程度，来推算天体远离我们的速度。
研究和分析的结果是很令人吃惊的。原来越是离我们远的天体，光谱的红移越大，也就是说远离我们的速度越大。于是天文学家们得出了一个看法，那就是说今天我们观测到的宇宙正在膨胀着（请注意，不是以地球为中心在膨胀，而是整个宇宙在膨胀）。
著名的美国天文学家哈勃（1889-1953），认真地研究了光谱的红移规律，确定了根据红移的量来确定天体离我们的距离。是他首先确定过去观测到的旋涡状星云不是我们银河系内的天体，而是银河系外和我们银河系可以等量齐观的巨大的恒星体系。例如在仙女座肉眼可见的仙女大星云M31，就是一个离我们最近的恒星系，哈勃在1923年最早测定了仙女座大星云的距离（现在测定仙女座大星云距我们约220万光年）。它比我们的银河系还要大（我们的银河系内约有千亿颗恒星和大约等于百亿个太阳质量的星际物质。是个扁平的圆盘，圆盘的直径约为10万光年）。
哈勃还根据恒星特别是遥远星系的光谱，观察并测定出它们的视向速度，即它们都在远离我们，而且离我们越远的天体远离我们的速度就越大，并几乎成正比关系。这被称为哈勃定律。正是根据哈勃的观测，建立起大爆炸的宇宙起源模型。
所以，人们认为哈勃是现代宇宙学的奠基人。
来自宇宙空间的电波
随着科学的进步，人们进一步认识了光。原来光是电磁波，但我们肉眼能见到的光只是电磁波的一段，比光波更长的还有红外线、无线电波（通俗地说），比光波更短的有紫外线、X射线、γ射线等。为了收集来自宇宙空间的信息，补充眼睛的不足，人们开始用照相底片收集记录宇宙间的信息，进一步扩大了视野。
1931～1932年，美国新泽西州贝尔电话实验室的无线电工程师央斯基，在进行长期无线电通讯的过程中发现常有“嘶嘶”的噪音出现，他在天空中寻找噪音的来源，终于找到了！美国《纽约时报》在1933年5月5日头版发表了“来自银河中心的无线电波”的消息。可是在当时这只是一条新闻，并未引起科学家们的广泛注意。他们不知道观察宇宙的另一个窗口已经打开了。地球的大气层只能放一小部分波段的电磁波过来，而其余部分或是被吸收，或是被反射掉了。所以我们隔着大气层并不能观察到宇宙的全貌。
二次世界大战后，由于雷达技术的发展，可以精密地定向地收集无线电波，这很快就被用于天文学，就形成了一个新的天文学重要分支——射电天文学。
射电天文学的发展使人们看到宇宙中更多的奥妙。不仅仅发现了射电星，还完成了60年代被称为天文学的四个重大发现，那就是：星际分子、类星体、脉冲星、微波背景辐射。
在这些发现的基础上，人类对大宇宙的认识又迈进了一大步。
混沌初开
几乎各民族都有古老的关于宇宙万物起源和产生的神话。在我国就有盘古氏开天辟地的神话，封建社会的蒙学读本《幼学琼林》一开始就说：“混沌初开，乾坤始奠，气之轻清上升者为天，气之重浊下凝者为地。”这些都是关于宇宙起源的朴素观点。
正如上面所介绍的，人类对宇宙的认识不断拓宽，从肉眼到光学望远镜，从光学望远镜到射电望远镜，由于地球大气的阻碍，我们在地球上还是不可能收到全方位的信息。到了宇航已成为现实的时代，人们理所当然的把望远镜搬到地球之外，这就是世界上最新的望远镜——哈勃望远镜。这是1990年4月24日送到离地球613公里轨道上的最先进的望远镜。从而摘掉了地球大气层这个遮眼罩。
根据现在的观测和理论，认为我们所在的宇宙起源于约150亿年前的一次大爆炸。在那时也可以说是混沌初开。而这大爆炸的起点的状态是当今天文学、物理学研究的热点。现代科学家认为在最原始状态下电磁作用、弱相互作用、重力作用都是统一的，在大爆炸的一瞬间开始，重力场、电磁场相继独立出来，此后才由原物质形成质子和中子，随着宇宙物质的进一步演变生成现有的原子核和原子。我们的银河系大约在100亿年前形成。关于以后宇宙物质的演化，下面我们将较详细地介绍。
现在我们已经知道我们的宇宙是一个阶梯式的宇宙，恒星组成星系，一些星系组成星系团，各星系团又组成我们观测到的宇宙——总星系。这种阶梯式的宇宙曾经解决了前面提出的奥伯斯的光度佯谬。而如今膨胀的大爆炸宇宙模型更好地解释了天空为什么是黑的。而奥伯斯问题的提出是建立在均匀的恒稳态的宇宙模型上的，这与实际观测的结果不符。
现在的问题是在大爆炸前宇宙是什么形态，如果在大爆炸的那一瞬间把时间作为0的话，那负时间宇宙会处于什么状态？再就是我们所处的宇宙膨胀有没有尽头。这就有两种模型，一是无限膨胀，终于完全散开了去；一是膨胀到了极限又会收缩，也许会又缩回到原始的致密状态。这一切还有待天文学家们进一步观察研究。
宇宙是有限还是无限的呢？是无限的。我们目前用哈勃望远镜已经观测到120亿光年远的天体！但这只是我们目前认识的前缘，并不是宇宙的极限。在我们的宇宙体系外肯定还有别的宇宙体系。正像古代哲学家说的：宇宙是大小相含，无穷无尽，宇宙之外还会有更大的体系。只是目前我们的认识暂时还难以达到而已。
下编 元素的诞生
（二）
地球为什么有这么多种元素？
打开元素周期表，可以看到，我们居住的地球上现已发现有110种化学元素；而且科学家们还在研制人造重元素。可是，大家也都知道，太阳主要是由氢这种元素组成的。为什么地球有这么多的元素呢？
原来，万物都在运动、变化，都有自己的起源和演化规律，构成宇宙万物的各种元素也不例外。的确，在地球现今的条件下，我们还没有看到铁演化成金的过程。但是，一些放射性元素如铀、钍等，确实正在不断蜕变为铅。人们不禁要问：再经过一段长时间，铀、钍等放射性元素既然都会变成铅而消失，那在此以前，这些重元素又是如何产生的呢？这就是元素的起源和演化问题。这个问题和天体的起源和演化密切相关，同样是科学家们探索的重大问题。
早在1886年，英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》，提出：所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚成的，这种在元素产生以前就存在的物质名叫“Protyl”。此后，人们关于放射性、核反应、核能的发现，使得人们对元素的认识更深了一步。但真要解决问题，只有跳出地球，到大宇宙去研究才有可能。也就是说，先要解答宇宙间的元素是从哪里来的。
尤里先生和宇宙化学
尤里先生是美国人，谈到他总是把他和重氢的发现联系在一起。
前面我们已经讲过，老汤姆逊是怎么样称量原子核的，并且和他的学生阿斯顿一起发现空气中的氖有两种不同质量的原子，也就是说氖有两种同位素—— 20 Ne和 22 Ne。后来阿斯顿又制成了质谱仪——称量原子和分子质量的仪器，发现大多数元素都有几种同位素。
但是，最轻的元素——氢有没有同位素呢？许多科学家都在找，但是一直没有找到。玻尔的学生尤里1931年底在蒸发了大量液体氢之后，把残留的液体氢用光谱检测，终于发现了原子核质量数为2的氢的同位素。因为这个同位素太重要了，所以得到单独的命名和符号，那就是氘（符号为D，音刀）。1934年，卢瑟福又人工制造了氢的质量数为3的放射性同位素，它也得到单独的命名和符号，那就是氚（符号为T，音川）。人们通常把氘叫做重氢，而把氚叫做超重氢，相应的氘和氧化合生成的水就名叫重水（分子式为D[[[2 O）。
由于发现了重氢，尤里在1934年获得诺贝尔化学奖，当时他仅仅41岁。他所以能发现重氢，是利用了在波尔那里学来的知识，首先计算出原子核质量数为2的氢的同位素的原子光谱谱线的位置（谱线的波长），又参考了老汤姆逊和他的学生阿斯顿一起验证空气中的氖有两种同位素的实验方法，终于获得了成功。
重氢和重水是发展原子能事业的重要材料，1933年尤里在美国的老师路易斯利用电解水的方法得到了第一小滴纯重水，并且测定重水的密度是1.108，沸点是101.42℃。1934年挪威利用廉价的电力建成世界第一座重水工厂。二次世界大战期间，美国研制原子弹，尤里是重要的科学顾问，负责铀-235的分离和重水的工业生产。
第二次世界大战后，尤里转而研究宇宙化学。他对半个多世纪以来科学家们积累的关于地球、陨石、太阳、恒星、星云等各种宇宙体的元素和同位素分布的资料，进行了统计分析并于1951年第一次发表了元素在宇宙间的分布数据，1956年进一步修订后，作了一张元素在宇宙间的分布曲线图。这张图是以宇宙间元素的同位素的相对含量为纵坐标，以核的质量数为横坐标画出来的。概括地说，氢最多，氦次之，再次为碳、氮、氧，并且随相对原子质量的增加而迅速减少，但到了铁时有一个突然增多，而比铁更重的元素则又是逐渐减少。
这样，就进一步发展了元素起源和宇宙学理论。
宇宙间的元素是从哪里来的？
尤里的宇宙元素相对含量分布图，和前面讲的恒星的光谱-光度图一样，对宇宙学的研究工作十分重要。科学家们必须对我们观测到的现在宇宙的元素分布作出科学的解释，还要说明其演化过程。
宇宙间元素的分布规律又与天体的演化态有关。一般说来，在早期形成的星中，金属／氢的比值很小，而年老的星这个比值则增大，在超新星爆发时，会生成放射性元素，甚至还发现有超铀元素。于是，元素的演化又成了宇宙学家研究的课题，他们先后提出了平衡过程假说，中子俘获假说，聚中子裂变假说等，但都难以圆满解释现有宇宙中元素分布的规律。成功的是1957年提出的恒星中生成元素的假说（这个假说由Burbidge夫妇、Fowler和Hoyle共同提出，所以简称B 2 FH学说），这个假说也是建立在大爆炸宇宙学的基础上的。
这个假说认为随着恒星的形成、演化和衰亡的过程，在恒星的核心分阶段地生成了由轻到重的各种元素。B 2 FH理论基本解释了尤里的宇宙间元素的分布曲线。
大爆炸
现代宇宙学认为：原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热、非常稠密的大火球。后来，宇宙开始膨胀并变冷，这时中子蜕变为质子和电子。这种由中子、质子和电子组成的原始物质名叫“太素”（Yelm）。
当原始宇宙温度下降到10 9 ～10 10 K时，原始物质开始结合成氘和氦（当然绝大部分还是氢），这是原始的星际物质。根据B 2 FH理论，原始的星际物质靠引力收缩形成一些团块——原始恒星，同时内部温度逐渐升高，当恒星内部温度升到7×10 6 K以上时，氢的核聚变开始，核反应的辐射膨胀与恒星的引力收缩相抵制，恒星发光并进入相对稳定状态，这时恒星内部的核聚变有质子-质子循环和碳-氮循环两种。这是恒星氢燃烧阶段，一般可稳定进行100万～100亿年。我们的太阳已进行了约46亿年，估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核心生成氦，同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。
当恒星核心的氢全部转为氦（约占恒星总质量10％～15％）时核反应停止，引力收缩占优势，结果使核心温度上升，恒星外壳膨胀，变成红巨星。当核心温度升高到10 8 K，密度也骤增，开始了新的核反应——氦燃烧。这时恒星变成脉动变星（这类恒星有规律的膨胀和收缩像脉搏一样）。氦燃烧主要是三个氦原子核结合成碳核的聚变反应，然后再生成氧。
如果恒星足够大，那么还将继续收缩升温，发生碳和氧燃烧（聚变）过程，生成硅、钙等元素。更进一步则是硅燃烧（又名α过程），其核反应机理是硅核光解生成高能α粒子，α粒子又与别的核结合生成铁族元素。当恒星演化到这个阶段，核心的温度可以增高到4×10 9 K，这就使核达到统计平均状态，生成元素周期表上铁附近的多种元素。这个过程是e过程（平衡过程），结果是生成铁质核心。到这时，恒星就进入风烛残年了。
据B 2 FH理论，比镍更重的元素不能靠聚变反应生成，而是由一些重元素核在恒星中连续俘获中子形成的。在大质量恒星（质量达到8～20个太阳质量）演化的末期，核心温度可以高达4×10 9 K，铁会转为氦和中子，大量吸热，使核心处于爆缩状态，随之是超新星爆发。这时强密度中子流会陆续击人元素核中生成铀、钍，甚至超铀元素和超重元素。
恒星的生与死
根据爱因斯坦在20年代初提出的质能转化关系，贝特等在30年代末提出氢聚变为氦的热核反应是太阳发光发热的能源。通过对太阳内部结构的研究和分析，天文学家们进一步研究了恒星的能源和演化的关系。于是就产生了核天体物理学这样的一个天文学分支。由于恒星形成时的质量不同，发的光（能量）也不同。恒星越大发光越强烈（表面温度也高），在主星序内停留阶段也短，反而是质量小的恒星，能量消耗少，稳定发光的时间要更长。一般说来，高光度、大质量的O和B型星在主星序上停留只有几百万年、几千万年，而低光度、小质量的K和M型星则可以稳定发光长达几千亿年、几万亿年之久。太阳是G型星，据计算在主星序阶段可以停留100亿年左右，如今已过了50亿年，即已达到中年，估计还能维持50亿年或更长的寿命才进入晚年。
当恒星核心中氢的含量消耗到只剩1％～2％时，能量供应不足抵住引力，恒星开始收缩。收缩使核心温度进一步增高，这时恒星核心边层开始发生氢转变为氦的核反应，使得恒星外层温度增高而膨胀变成红巨星。而内部核心的温度升得更高，引发了氦的聚变，这时恒星会发生周期性的膨胀和收缩。
更进一步的情况是，小质量的恒星，因能源耗尽而收缩成红矮星。大质量的恒星，因引力收缩，使热核反应不断升级直到生成铁的核心。这时恒星的核心再进一步坍缩，外层就会爆发成为“新星”或“超新星”（“新”只是我们似乎观察测到一个新的星，而实际上是个快要老死的星），而其核心则变成为密度极大的白矮星或中子星。也有的爆发后就完全散开到宇宙空间去了。
例如，公元1054年在金牛座的超新星爆发，在我国的史书中有详细的记载。在今天我们还可以看到爆发时抛出的蟹状星云，和一颗中心遗留的中子星。新星和超新星爆发可以说是恒星晚年的回光返照。但这决不是一般的回光，一颗超新星爆发时光度可以达到10 7 ～10 10 个太阳的光度（相当于整个星系的光度），即光度突然增大千万倍甚至上亿倍，同时放出极大的能量。这是恒星世界中已知最为激烈的爆炸，而爆炸得到的产物是比铁更重的元素，直到超铀元素。
根据爱因斯坦广义相对论还预言了一种特殊的天体——黑洞。1939年奥本海默等作过计算，认为星球有可能坍缩到它的引力半径之内（引力半径r[[[g ＝2GM／c 2 ，式中G为万有引力常数，c为光速，M为恒星质量。对于晚期高密度的恒星来说，当恒星质量超过引力半径公式给定的M值时，就会形成黑洞。也就是说连光线也不能从黑洞中逃逸出来，这样外界就无法再观察到它了。黑洞也是恒星终极的产物，天文学家们极力设法找寻黑洞，首先在双星体系内寻找黑洞。天文学家们描绘了这样的图景，黑洞天体不断地把它的伴星的物质像长虹吸水一样的吞噬着，它们也许最终会合并成一个黑洞。
一般说来，恒星是由低密度的星际物质凝缩而成，这是形成恒星的原料——原始星云，质量大约是几十个乃至一万多个太阳的质量。在凝缩过程的同时，不仅密度不断增加，而且核心温度也不断增加，辐射压力和引力相互较量之后，终于平稳地收缩成原恒星。在这过程中，原恒星的核心温度继续增大，增大到700万度以上时，氢聚变为氦的热核反应开始，恒星发光发热，而核心产生的能量足以抵住引力收缩的压力和向外辐射掉的能量，于是变成一颗稳定的正常发光的恒星，进入了主星序成为一颗主序星，这是恒星的壮年时代。
恒星经历了生老病死的过程，在这个过程中把物质转化为能量，把氢和氦转化为更重的元素直到超铀元素，从而为宇宙向更深层次的演化奠定了基础。恒星死亡的残骸将混人星际物质中，准备生成更新一代的恒星。
元素的年龄
以上概略叙述了元素在恒星中的演化。根据B 2 FH理论，放射性元素是在恒星演化后期形成的。如果我们选两个半衰期不同的放射性同位素例如铀-235和铀-238，假定它们同时形成，形成的比例可由理论推算，可以简单认为是1比1。那么，由地球或其他宇宙天体中这两种放射性物质的现今比例，就不难推算出经过了多少年了。
例如，在地球上铀-235对铀-238现今的比例已经是0.00725。而且科学家们已经测定：铀-235的蜕变常数是9.72×10 10 ／年；铀-238的蜕变常数是1.54×10 10 ／年，所以不难推算出铀元素生成到现在已经过了6.5×10 9 年了（65亿年）。当然，这是元素的年龄下限，也就是说这是老一代恒星爆发为超新星到现在的年龄，再往前推算原始恒星的生成和演化的年龄，由之可以估算出银河系的年龄约为150亿年。或者说，这就是原始大爆炸到现在的年龄。
如果我们银河系的初始状态全部是氢，那么第一代恒星应当全部由氢组成；第一代恒星死亡后，生成的各类元素弥散开来，使银河系的组成发生变化，于是再凝聚成的第二代、第三代恒星的原始组成就复杂了。我们的太阳现处于氢燃烧阶段，但已有铁等重元素，可以肯定它不是第一代恒星。而地球也只能是由第一或第二代恒星的残骸形成，地球的铁核、地球上的各种元素和放射性物质，都说明了这一点。这就是地球上为什么有这么多种元素的原因。
在恒星中后期形成的重元素，实际上储存了恒星的能量，又以放射蜕变形式逐步释放，所以我们地球不仅享受着本代恒星——太阳供应的能，而且还在享受着前几代恒星留下来的“祖先遗产”。可以这样认为，地球是银河系物质演化高级阶段的产物。
关于元素的起源和演化的学说，实际上还处于假说阶段，还有不少重要环节不很清楚。在这方面，天文学上的新发现还在不断丰富其内容。
行星系演化的学说
人类在对宇宙漫长的研究过程中不断地摆正了自己的位置。哥白尼以后，地球不再是宇宙的中心了，至于太阳则不过是我们太阳系的中心，太阳作为一颗恒星仅仅是我们所在的银河系——本星系中的一颗普通的恒星，而且也不在本星系的中央。
能够最先研究得较为详细的应当是太阳系本身——太阳和各行星的大小、距离、公转周期、自转周期……行星又各有几个卫星。当然，还有的行星有光环，还有一大群小行星，还有彗星……总的说来，它们都基本上处在同一平面上，按同样的方向旋转。在天文学中最先提出的一个问题就是太阳系是怎样形成的，太阳系在宇宙间是不是唯一的（如果是唯一的，那地球上的人类也将是唯一的宇宙精灵）。作为真正的天文学家来说，他们从来不相信太阳是宇宙间的唯一的行星系，当然像人一样的智慧生物，也会在宇宙间别的星球上存在。问题就在于要解决太阳系是怎样起源的。
在早期，太阳系的起源和当时的天文观察水平相适应，也和当时科学认识的水平相适应。最早人们用望远镜看到了不少星云，有的是烟雾一样弥漫的，也有的是呈各种各样的旋涡形的。当时还没有认识到这些旋涡状星云是庞大的离我们极远的恒星系，与我们的太阳系不是一个尺度。但由这些观测还是产生了较早的太阳系形成理论，康德于1755年、拉普拉斯于1796年分别根据刚刚建立的万有引力定律提出了星云说——即太阳系是由一团气体星云形成的，因引力收缩而旋转，由于离心力的作用形成扁平的螺旋状，最后中心形成太阳，周围凝聚成行星。
