我们已经领教了爱因斯坦方程的威力，它迫使我们重新审视对待质量的方式。我们认识到，质量不仅是物体所含物质的量度，它还是物体蕴含质能的量度。我们还认识到，如果能够释放这被封印的能量，那么我们脚下便有一个巨大的能源，存量惊人。本章中，我们将探索释放质能的方式。在讨论这些实用技术之前，再多花点时间，来仔细研究下我们刚才得到的方程E=mc2+½mv2。
还记得吗，这个方程只是E=γmc2的一个近似？当物体的速度不高于光速的20%时，这个近似是相当不错的。写成这样的形式便于我们把质能和动能分开。还是需要再强调下，这只是E=γmc2一个近似表述。还记得吗，可以在时空中构造一个矢量，它在空间方向的分量代表一个守恒量，当速度较小于光速时，它可以近似为传统的动量守恒。同样，这个时空动量矢量在时间方向上的分量也是守恒量，对应的长度是E=mc2+½mv2。可以看到，½mv2为科学家所熟知，它是动能的表达式。据此，我们可以确定这个时间方向的分量是能量。我们得出了能量守恒，这点非常出乎意料。毕竟我们的初衷是寻找时空中的动量守恒定律。
假如有一桶老鼠夹子，每个老鼠夹已装备完毕，能量便储存在它们的弹簧中。我们知道弹簧中储存能量，是因为老鼠夹陷阱被触发时，会发出响亮的声音（能量以声音的形式释放），啪的一声一跃而起（能量转变为动能）。现在想象，一个老鼠夹触发其余的老鼠夹的场景。在弹簧释放能量的过程中，老鼠夹啪的一声关上，响亮的声音传播开来。能量守恒定律告诉我们，老鼠夹关上之前的能量必须等于关上之后的能量。由于老鼠夹陷阱最初是静止的，所以总能量等于mc2，m是一桶老鼠夹的总质量。之后，是一堆闭合的老鼠夹和它们释放的能量。根据前后能量相等，可以得出结论：一桶蓄势待发的老鼠夹，比一桶触发后的老鼠夹能量要大。现在，让我们考虑另一个动能贡献质量的例子。装满热气的盒子比它在低温状态下的质量要大。温度测量的是分子在盒子中来回运动的速度，气体越热，分子运动的速度就越快。分子运动越快，这个盒子里的分子就具有更多的动能（也就是说，对热气来说，把每个分子的½mv2加在一起的结果更大）。因此盒子有更大的质量。这个逻辑对所有东西都适用，只要它储存有能量。一个新电池的质量比一个旧电池质量更大，一杯热咖啡的质量比一杯冷咖啡的质量更大。在一个湿冷的周六下午，在奥德姆足球场看比赛，中场休息时买一个热气腾腾的土豆肉馅饼，若在比赛结束后你还没吃，那么冷的馅饼的质量就减少了。
因此，质量和能量的转变并不是千载难逢的过程，它每时每刻都在发生。坐在火堆旁，身心放松，火堆噼啪作响，你正在从燃烧的煤中吸收热量，正是这些热量带走了煤中的能量。等到早上，火熄灭了，煤燃烧殆尽，你若执拗地打扫灰烬，收集所有的残渣，然后用最精确的天平称重。即使你考虑到每一个灰烬的原子，你都会发现它比燃烧前的煤轻。这个差值就等于释放出的能量除以光速的平方。换句话说，我们可以根据m=E/c2快速计算出夜晚加热房间的煤炭质量的变化。如果，煤炭燃烧释放能量的速度是1000瓦/小时，一共持续了8个小时，那么一共输出了1000×8×60×60）焦耳的总能量，差一点不到3000万焦耳（因为我们必须以秒为单位计算时间，而不是用小时，这样才能得到以焦耳为单位的总能量）。因此，相应的质量损失必须等于3000万焦耳除以光速的平方，结果不到百万分之一克。这种质量的微小减少必须用能量守恒来解释。煤在点燃之前的总能量等于煤的总质量乘以光速的平方。当煤炭燃烧时，能量离开火堆。最终，火熄灭了，留下的只是灰烬。根据能量守恒定律，灰烬的总能量必须小于煤的总能量，减少的量进入房间，创造了温暖的氛围。总之，灰烬的能量等于它的质量乘以光速的平方，一定比煤的少，减少的量等于刚才计算的值。
因此，质量和能量的相互转换，每天都在发生，它是大自然最为基本的物理过程。事实上，对于宇宙中的任何事情，质量和能量都在不断地变来变去。在我们知道了自然界这一基本事实之前，人们究竟是怎样解释与能量相关的事情的呢？应该知道的是，当爱因斯坦在1905年第一次写下E=mc2时，已是一个远离原始世界的时代了。1830年，第一条城际铁路在利物浦和曼彻斯特之间开通，它是以燃煤蒸汽机车为动力的。那时，燃煤远洋客轮横渡大西洋已近70年，蒸汽机的黄金时代正如火如荼，先进的汽轮机动力客轮，如“毛里塔尼亚号”和“泰坦尼克号”即将投入使用。维多利亚时的人们非常熟悉如何有效地燃烧煤炭，如何发挥它的惊人效果，但爱因斯坦之前的科学家是如何看待火燃烧背后的物理学的？一位19世纪的工程师会认为，煤炭中存储着能量（煤炭就像成千上万个微型老鼠夹，储存着能量），煤燃烧的化学过程触发着老鼠夹陷阱并释放着能量。这个能量图像是可行的，它使得计算非常精确，足够设计出像远洋班轮或蒸汽快车这样完美的机器。后爱因斯坦时代的观点与这个图像并不矛盾，甚至是这幅图像的重要补充。我们现在明白了，能量与质量交织在一起，不可开交。物体蕴含能量越多，质量越大。在爱因斯坦之前，科学家不会想到质量与能量之间会有什么联系，他们没必要这样想。他们对自然的看法已经非常准确，足以解释眼前的世界，解决遇到的问题。毕竟质量的变化如此之小，不足以引起他们的注意。
从这里可以看出对科学的新见解。随着理解事物的层次越深入，越准确的宇宙观将会呈现出来。并且，现行的宇宙观不再是确定无疑的，相信科学中没有绝对真理，非常重要。任何时期的科学知识体系，包括现在的，都是理论和宇宙观的集合，只是尚未被证伪。
在刚才的例子中，物质的变化都会引起质量的微小改变，并伴随着显著的能量释放。温暖我们的火，美味的热馅饼，变冷了就难以下咽。煤燃烧过程中，释放出储存的化学能。火柴点燃煤，引起连锁化学反应，煤分子随即重排列，煤炭变成灰烬。当分子键断裂和重组时，当原子和原子结合成分子时，若有能量放出，质量便减少。化学能的起源和原子的结构有关。单个氢原子是最简单的例子，它是由一个质子和一个围绕质子运动的电子构成的。采用量子力学，物理学家可以简单计算出原子的质量如何随着电子的运动而发生改变。其实氢原子的质量有个最小值。这个质量最小值比相距足够远的一个电子和一个质子的总质量小0.00000000000000000000000000000000002千克。然而，这么小的质量差值，转化的能量却不可小觑。你要不信，可以向化学家求证，或是坐在炉火边亲身体验下它的威力。
和常人一样，物理学家也怕麻烦，他们不喜欢用非常小的数字，那要写很多个零。所以，他们通常放弃千克来表示质量，而采用一个叫电子伏特的单位。电子伏特实际上是一个能量单位，它表示电子在1伏特的电压下加速时所获得的能量。读起来真绕口，好像又要吃粉笔灰了。还是用日常语言来说吧，拿一个9伏的电池，用它做一个小的粒子加速器，给一个电子9电子伏的能量。然后，质量由电子伏特除以c2得到。用这套便利的方法，氢原子的质量将比质子（938272013eV/c2）和电子（510998eV/c2）的总质量（1eV是1电子伏能量的缩写）小13.6eV/c2。值得注意的是质量单位中保留了一个c2因子，质量乘以c2，c2因子就相互抵消，这样就很容易计算出静止的质子储存的能量，能量值为938272013eV。
另外值得注意的是，氢原子的质量小于其组成部分的总和，而不是大于。这似乎意味着有负能量储存在氢原子中。这并不稀奇，“储存负能”只是说明需要力才能分解原子。这种负能被称为“结合能”。氢原子第二小质量比电子和质子之和小10.2eV/c2。[41]这里质量是以离散的（“量子化”）值出现的，这是量子理论名字的由来，它很神秘，常常被误解。例如，不存在质量比最小质量大2eV/c2的氢原子。这就是“量子”这个词的所蕴含的全部内容。对于氢原子来说，原子核是一个质子，电子在原子核周围的分离轨道上运动，对应分离的原子质量。
所以，在描绘电子轨道时，请务必小心，因为这个轨道不是行星围绕太阳运动的轨道，两者完全不同。粗略地说，质量最小的原子，相比质量次之的原子，其电子的轨道更靠近质子，以此类推便可以描绘所有电子轨道。当电子最接近质子时，氢原子处于“基态”，此时氢原子最轻。只要加上适量的能量，电子就会跳到下一个轨道，原子就会因增加的能量变得更重一些。这样看来，给原子添加能量就像拉伸弹簧，把鼠夹支起来一样。
问题来了，我们是怎么得出氢原子如此精细的细节的？这些微小的质量差异肯定不是用秤测量得出的。我们可以用薛定谔波动方程预测氢原子质量应该是多少。薛定谔波动方程是量子理论的核心。相传，在1925至1926年的圣诞节和新年期间，薛定谔与情人在冬季的阿尔卑斯山度假时，发现了这个现代物理学中最重要的方程。物理课本上没有提起他是如何向情人解释这个方程的。希望薛定谔的情人也能像一代代的物理系学生一样享受他的成果。对大多数物理系学生来说，这个以他名字命名的方程已熟记于心。用薛定谔方程计算氢原子并不困难，它是本科生试卷上的常客。但是这些数学的论证需要试验的确凿证据，否则将毫无意义。幸运的是，原子结构的量子化特性很容易被观察到。事实上，它们就在眼前。量子理论有一个普遍的规则，大致可以这样表述：在没有外界影响下，一个重的物体一有机会就会变轻。这个概念不难理解。如果一个物体被单独放置，它就不可能变成一个更重的物体，因为没有能量被添加，但是，它总是有机会释放一些能量，变得更轻。显然，还有第三种可能，什么也没发生，物体保持不变，有时确实是这样。拿氢原子来说，这意味着较重的氢原子最终会减少一部分质量变得轻一些。这个过程是通过发射单个光粒子来实现的，这个粒子就是我们之前遇到的光子。例如，第二轻的氢原子在某一时刻自发地转变成最轻的氢原子，电子的轨道随之改变，多余的能量被光子带走[42]。同样，相反的过程也会发生。如一个刚好在原子周围的光子，在某一时刻被原子吸收，然后，原子就会因吸收的能量，跃迁到更高的质量状态。
也许加热物体是使能量进入原子的最平常的方法。加热物体使电子跃迁到更高的轨道，然后再跃迁下来，同时发射出光子（这是钠蒸气路灯背后的物理机制），这些光子携带的能量恰好等于轨道间的能量差，因此可以通过探测它们来直接观察物质的结构。事实上，我们一直在检测着这些光子，我们的眼睛就是光子探测器，我们把光子的能量记录为颜色。围绕岛屿的热带海洋，蓝色此起彼伏。梵高画下的星辰是锯齿状的钻石黄，以及血液中的铁红色，这些颜色都是眼睛看到的物体的量子化结构。19世纪末20世纪初，探索高温物体发光颜色的起因，是推动量子理论被发现的一股力量。那时，一大批勤奋的科学家对物体发出的光进行了仔细观察，长期以来，他们探索了各种物质，可以说是所有物质，最后，终于取得成功，他们为填充派对气球的气体（氦气）欢呼，庆祝。“氦”源于希腊语单词“helios”[43]，意思是“太阳”。之所以用希腊太阳神的名字命名该元素，是因为这个原子的指纹特征是在日食的光线里首次发现的，该发现是由法国天文学家皮埃尔·杨森（Pierre Janssen）在1868年做出的。这样看来，氦元素首次在恒星上被发现，而不是地球上。今天，科学家在星光中识别氧气的特征指纹，来寻找地外生命的迹象，这些星光由恒星发出，掠过行星的地表大气层。这些都是光谱学研究的内容，光谱学作为科学的一个分支是探索宇宙内外的有力工具。
自然界中的元素在能量台阶（质量台阶）上都有一个位置，位置的高低取决于电子的能级。除氢元素外，其他元素都有不止一个电子，因此它们发出的光跨越了彩虹和其他颜色，世界如此多彩，最终原因就在这里。简单来讲，化学作为一门科学，主要关注的是当原子靠得很近（但不能太近）时会发生什么。当两个氢原子彼此靠近时，质子相互排斥，因为它们都携带正电荷，但由于一个原子中的电子吸引另一个原子中的质子，于是这种排斥被克服了。结果是两个原子结合在一起形成一个氢分子，组成最佳配置。原子被束缚的原理与电子被束缚在单个氢原子核的轨道上的原理相同。被束缚意味着需要一些力量才能把它们分开，“需要一些力量”是我们需要提供一些能量的一种粗糙的说法。如果我们需要提供能量来将分子分开，由此可见，那么分子的质量就比原来两个氢原子的质量之和要小，就像氢原子的质量小于其组成部分的质量之和一样。在这两种情况下，结合能的产生都是由书本开始时遇到的电磁力引起的。
在学校化学实验偷玩过火柴的人都知道，化学反应伴随着能量的产生。炭火就是一个完美、可控的例子。用燃烧的火柴轻轻一点，煤炭就能释放能量，持续数小时。更加离谱的是，一根雷管爆炸所释放的能量和煤炭释放的能量相当，只不过前者释放的速度更快罢了。能量不是来自燃着的火柴或导火索，而是来自它们体内储存的能量。最重要的一点是，如果反应过程中有能量放出，那么反应产物的总质量必须小于物体开始时的质量。
下面我们讲述最后一个通过化学反应释放能量的例子。假设坐在一个充满氢分子和氧分子的房间里。我们可以畅快呼吸，并且这里看起来非常安全和舒适，因为需要一定的能量才能把氢分子中的两个氢原子拆分开，它们紧紧结合在一起。这似乎表明氢气分子应该是一种稳定的物质。然而，氢气可以通过化学反应分解，并能产生大量能量，因此氢气非常危险。它在空气中极易燃烧，一个小火花就能引发灾难。有了这些新概念，我们可以更详细地分析这个过程了。假设我们把氢分子气体（由两个氢原子结合而成）和氧分子气体（由两个氧原子结合而成）混合在一起。现在，当你坐在房间里发现两个氢分子和一个氧分子的总质量大于两个水分子的总质量，而每个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成时，你就会变得非常紧张。换句话说，以分子形式出现的四个氢原子和两个氧原子的质量要比两个H2O分子大，多出的质量约为6eV/c2。因此，氢分子和氧分子更倾向于被重新排列成两个水分子。不同之处在于原子（以及里面的电子）的构型。表面上看，一个重新排布结构的分子所释放的能量很小，但是这个充满气体的房间包含了1026个分子[44]，这里有相当于大约1000万焦耳的能量，这些能量足以将人化成灰。幸运的是，虽然反应后的总质量比初始质量小，但还需要一些努力才能将它们以及相关电子放进正确的构型中。这有点像把一辆巴士推下悬崖的过程。巴士需要一些能量才能启动，但它一旦启动，这个过程就无法阻止。因此，此时在房间中玩火柴是非常愚蠢的行为，因为火柴放出的能量可以触发分子重组过程，从而开启水的生产过程。
通过重组原子来释放化学能，或通过移动周围的重物来释放重力能（比如水电站中大量的水）为我们的文明提供了生产和驾驭能源的手段。同时，我们也越来越善于获取自然界丰富的动能资源。在呼啸的风中，空气分子迅速流动，我们通过安装风力涡轮机将这种狂野的动能转化为有用的能量。分子撞击涡轮的叶片，结果分子减速，将动能传递给涡轮，涡轮开始旋转（顺便说一下，这是一个动能守恒的例子）。通过这种方式，风的动能转化为涡轮的旋转动能，进而为发电机提供了动力。利用海洋能的方式与之大致相同，只是这种情况下，大量水分子的动能转化为了有用的能量。从相对论角度来看，所有形式的能量都对质量有影响。想象一个大盒子，里面装满了飞来飞去的鸟儿。
把盒子放在一套磅秤上称量，从而可以得到鸟和盒子的总质量。但是由于鸟儿在四处飞动，它们有一定的动能，因此，箱子的总重量会比鸟儿都睡着时重一点点。
从史前时代起，化学反应释放的能量就一直是人类文明的主要动力源泉。一定数量的煤、油或氢所能释放能量的多少本质上是由电磁力的强度决定的，因为正是这种力决定了原子和分子结合的强度，这些结合在化学反应中被破坏，被改造。然而，自然界中还存在另一种力，能从给定数量的燃料中释放出更多能量，原因仅仅因为更强大。
原子的深处是原子核——一堆质子和中子，它们被强大的核力黏合在一起。与原子和分子的情况一样，粘在一起的核子也需要用力才能拉开，并且原子核的质量同样小于组成它的质子和中子的总质量。完全类似于化学反应，我们会想是否可以使原子核产生特定的相互作用，从而使质量差转化为有用的能量，并释放出来。打破化学键并释放原子中储存的能量就像点燃火柴一样容易，但释放原子核中的能量完全是两码事。它通常很难获取，并且需要一些精妙仪器。不过，也并非总是这样：有时候核能会自然、自发地释放出来，并对地球造成极其重要的影响，后果往往出人意料。
元素铀有92个质子，其最稳定的存在形式有146个中子。这种铀的半衰期约为45亿年，也就是说，在45亿年后，一块铀中的一半原子会自发分裂成较轻的元素，这些元素中最重的是铅元素，同时，铀分裂的同时释放出能量。根据E=mc2，铀原子核分裂成两个较轻原子核的过程中，生成的两个总质量比铀原子核的质量要小。这种质量的损失以核能的形式显示出来。这种重原子核分裂成两个轻原子核的过程称为核分裂。除了146个中子的形式，铀还有一种不太稳定的存在形式，这种铀含有143个中子，它分裂时会生成另一种形式的铅，并且半衰期为7.04亿年。这些元素可以用来精确测定几乎与地球年龄一样古老的岩石的年龄，地球年龄大约有45亿年。
这项技术非常简单。有一种被称为锆石的矿物，它能将铀自然地结合到它的晶体结构中，恰恰对铅它却不能。因此，可以假定矿物中存在的所有铅都来自铀的放射性衰变，这样通过简单地计算存在的铅核数量，加上知道的铀的衰变率就可以精确地测量出锆石的形成时间。此外，铀分裂时产生的热量在保持地球温度方面也起着至关重要的作用，这种热量为板块运动和高山隆起提供了动力。如果没有这种来自核能的动力，那么土地将会永远遭受自然的侵蚀而崩塌入海。有关核裂变的问题到此为止。下面，我们近距离审视下原子核，进一步了解其储存的能量，认识下释放核能的另一个重要过程：核聚变。
以两个质子为例（此时，它们周围没有电子，因此我们不能把它们融合起来，形成氢分子）。在不施加干扰的情况下，它们因都带有正电荷，而朝相反的方向分开。因此表面上看来把它们硬推到一起是没有意义的。不过，我们硬着来，尝试下，看看能发生什么。一种方法是以更快的速度把它们扔向彼此。质子之间的斥力随着距离越来越近而变得越来越大。事实上，每缩短一半距离，斥力就会翻倍。因此，如果电斥力是自然界中唯一的力的话，那么质子注定要相互分离，好像这是必然。但是，事实上，强力和弱力会加入进来，与之抗衡。当质子靠得很近，几乎接触到彼此时（质子不是实心球，我们可以认为它们是可以重叠的），会有一些不寻常的事情发生。当我们把两个质子像这样拿到一起时，其中一个质子会通过释放出一个多余的正电子而自发地把自己变成一个中子（中子是电中性的，因此得名），但并不总是这样。正电子与电子相同，只是它们带正电荷。这个过程同时还释放出一种叫作中微子的粒子。与质量相近的质子和中子相比，电子和中微子非常轻，它们“嗖”地远离，把质子和中子抛在身后。采用20世纪下半叶粒子物理学家提出的弱相互作用理论，我们可以很好地理解这种嬗变过程的细节。我们将在下一章展示它是如何发生的。这里我们需要记住的是，这个过程能够发生，而且确实发生了。在不受电斥力的影响下，质子和中子在强力的作用下依偎在了一起。一个质子和一个中子就这样结合在了一起，形成了氘核。质子随着正电子的发射变成中子的过程（反之亦然，随着一个电子的发射，中子也可以变成质子）叫作放射性β衰变。(www.xing528.com)
然而，这些与我们对能源的理解有什么关系呢？这两个原初的质子每一个的质量都是938.3MeV/c2。其中，1MeV等于100万eV（“M”代表“百万”）。MeV/c2转换成千克很容易：938.3 MeV/c2相当于1.673×10–27千克[45]。因此，两个原始质子的总质量为1876.6MeV/c2。而氘核的质量为1875.6MeV/c2，减少的1MeV的能量被正电子和中微子带走，其中大约一半被用来制造正电子，因为它的质量约为½MeV/c2（中微子几乎没有质量）。因此，当两个质子转化为一个氘核时，总质量的一小部分（大约1%的1/40）被破坏并转化为正电子和中微子的动能。
把两个质子挤压在一起形成一个氘核，可以释放出强力束缚的能量，这是一个核聚变的例子。“聚变”用来描述两个或者两个以上原子核融合在一起释放能量的过程。与化学反应释放的能量（由电磁力引起的）不同，强力的结合能非常巨大。例如，氘核形成时释放½MeV的能量，而氢氧爆炸才释放6eV。有一点是确定的：核反应释放的能量通常是化学反应释放能量的100万倍。通常情况下，核聚变不可能发生，原因是强大的核力是短距相互作用，它只有在核子非常接近时才起作用，并且当距离在飞米（大约相当于一个质子的大小）之外急剧下降。由于质子间的电磁排斥力，要把质子挤压到这么小的距离并不容易。有一种方法可以实现这一点，不过需要质子以极快的速度运动。然而，这意味着非常高的温度，因为温度本质上不过是衡量粒子平均速度的手段：一杯茶的水分子比一瓶冷咖啡的水分子运动更为剧烈。要发生核聚变至少1000万度的温度是必要的，温度越高越好。幸运的是，宇宙中，温度在某些地方达到并超过了聚变所需要的温度——星核深处[46]。
让我们回到宇宙黑暗时代，那时距宇宙大爆炸不到5亿年，宇宙中只有氢、氦和少量较轻的化学元素。慢慢地，随着宇宙的膨胀和冷却，原始气体在重力的作用下开始聚集成团。同时，在冲向对方时，它们不断加速，就像书本，如果丢开手，它便朝向地面加速一样。氢和氦运动得越快，它们越热。结果是这一大团气体变得越来越热，越来越密集。当温度达到10000度，电子被从它环绕原子核的轨道上扯下来，形成一种由质子和电子混合而成的气体——等离子体。当单个电子和质子在一起时，它们将势不可挡地奔向彼此，以极快的速度加速结合在一起。等离子体这个看似无法挽回的坍缩可以被拯救，因为当温度接近1000万度时，一些非常重要的事情发生了：这是把质子和电子转化为宇宙的生命和光，庞大的核能，一颗恒星。单个质子融合在一起形成一个氘核，氘核与另一个质子融合产生氦，同时释放出宝贵的结合能。通过这种方式，新星慢慢地将质量的一小部分转化为能量，从而加热星核，阻止并抵抗着恒星由于引力导致的坍缩。它可以坚持至少数十亿年的时间，这足够让寒冷、多岩的行星变暖，让水流动，让动物进化，文明崛起。
太阳就是一颗恒星，目前，它正处在一个舒适的中年阶段：正燃烧着氢，制造着氦。这个过程中，太阳每秒燃烧400万吨的质量将6亿吨氢转化为氦。这种质量的挥霍，尽管是我们生存的基础，不能永远持续下去，即便是这个足以容纳100万个地球的等离子球也是如此。那么，当星核的氢燃料耗尽时，会发生什么呢？如果没有核原料向外施加压力，恒星将再次开始坍缩，并且随着坍缩变得越来越热。当温度升高到大约1亿度时，氦开始燃烧，这样恒星的坍缩被再次阻止。这里使用“燃烧”这个词并不很准确。我们的本意是，核聚变最终产品的净余质量小于聚变材料的质量，这种因质量的损失产生的能量符合E=mc2。
氦燃烧的过程值得进一步研究。两个氦核的融合会产生一种特殊的铍，它由4个质子和4个中子组成，被称为铍8。铍8只能存活一百万亿分之一秒，之后会分裂成两个氦原子核。铍8的寿命非常的短暂，它停留的时间不够长，以至于它不能与附近的其他任何物体融合。事实上，如果没有人为干预（多数情况如此），恒星内部合成较重元素的途径将被阻断。1953年，科学家对恒星核物理过程的理解还处于初级阶段，天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）意识到，无论核物理学家如何解释，碳都必须是在恒星内部被制造出来的，因为他坚信宇宙中没有其他地方可以制造碳。基于持之以恒的天体观察，他推测只有假定存在一种较重的碳原子核时，碳元素才能从短寿命铍8和第三个氦原子核的融合过程中高效生产出来。为了确立这个理论，霍伊尔计算出重碳应该比普通碳重7.7MeV/c2。一旦这种新形式的碳在恒星中被制造出来，通往更重元素的途径就打开了。当时，这种碳还没有被发现，在霍伊尔预测的推动下，科学家们争分夺秒地寻找着它。在霍伊尔做出预测的几天后，加州理工学院凯洛格实验室的核物理学家就证实了这一预测。这个故事非常了不起，它不只是帮我们在理解恒星是如何工作的过程中树立了信心：对一个精美理论的最好证明莫过于对它预测的实验的验证。
今天，我们有更多的证据来支持恒星演化理论。对中微子的研究就是一个显著的例子。中微子产生于质子变成中子的聚变反应。它是一种幽灵般的粒子，几乎不与任何东西发生相互作用。因此，中微子一旦产生就能毫无阻碍地从太阳中心流出。事实上，中微子流量惊人，在地球上，每秒每平方厘米大约有1000亿个中微子穿过。听起来很简单，却很难想象。把手举在面前，看着指甲，每秒钟就有1000亿个来自恒星核心的亚原子粒子穿过它。幸运的是，中微子几乎总能穿过手掌，穿过地球，视若无物。但是，极罕见的情况下，中微子也会发生作用，问题的关键是建立一个能够捕捉这些罕见事件的实验装置。“超级神冈”实验能够迎接这项挑战，它位于日本岐阜县附近神冈矿业所的茂住矿山深处，是一个直径40米高40米的巨大圆柱体，体内含有5万吨纯水。水的周围环绕着1万多个光电倍增管，这些光电倍增管能够探测到中微子与水中电子碰撞时产生的微弱的光线。因此，实验能够“看到”来自太阳的中微子流，并且实验探测到的中微子数量与太阳内部聚变过程产生的中微子理论预期数量相符合。
最终，恒星耗尽氦，开始进一步的坍塌。当核心温度上升并超过5亿度时，碳开始燃烧，产生更重的元素，这个过程一直持续到铁。我们的血液呈现红色，就是因为它含有铁元素。铁元素是恒星核聚变的终点。因为，比铁更重的元素在星核中不能通过聚变生成，这里也存在一个收益递减法则[47]，也就是比铁更重的原子核与其他原子发生核聚变反应时，放不出能量来。换句话说，向铁原子核中加入质子或中子只能使它们更重（而不是更轻，变轻是聚变释放出能量的条件）。事实上，比铁更重的原子核更倾向于释放质子或中子，就像之前在铀的例子中所看到的那样。在这些情况下，产物的质量之和小于初始原子核的质量，因此，当一个重原子核分裂时，能量被释放出来。总之，铁是一个特例，它是原子核中的金凤花姑娘[48]（Goldilocks），它异常稳定。
由于没有途径提供能量来阻止不可避免的坍缩，在引力的作用下，一颗核心富含铁的恒星处在命运的转折点上。此时，这颗恒星还有最后一线生机，来阻止彻底的坍缩。恒星诞生之时，电子被从氢原子上扯下来，在四周游荡。随着恒星密度的增大，这些游荡的电子由于泡利不相容原理对坍缩做了最后的抵抗。泡利不相容原理是量子理论中的一条重要原理，对原子的结构形成和稳定性至关重要。粗略地说，这条原理是指电子聚集在一起的密集程度是有限的。对于密度较大的恒星，电子向外施加的压力会随着恒星的坍缩而增加，直到能够阻止由于引力导致的坍缩。一旦发生这种情况，恒星就被长时间困在一种羸弱的状态。它没有燃料可以燃烧（这就是为什么一开始它会坍缩），因为电子产生的压力，它也不能进一步坍缩。这样的恒星被称为白矮星——一个对无法挽回的荣光的漫长纪念——生机勃勃的生命创造者现在被压缩成一个小行星大小的残留。在一个比宇宙年龄要长的时间尺度里，白矮星逐渐冷却直到从视野中消失。我们想起了大爆炸理论之父乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）在回顾宇宙从光明到黑暗的必然过程时所作出的感慨：“可以把宇宙的演化比作刚刚结束的烟花表演：几条烟丝、几块灰烬和几缕烟雾。站在冰冷的灰烬旁，我们缅怀着迟暮的太阳，并试图回忆那早已逝去的、创世时的辉煌。”
整本书贯穿一个目标，就是仔仔细细地解释为什么事物如其所是，伴随着讲解的深入，还要为其提供论证和论据。但这里对恒星是如何工作的描述，看起来有些空泛，显然这已经偏离了我们仔仔细细解释的风格。因此，你甚至会提出反对意见：我们不可能知道恒星是如何工作的，因为在恒星上做实验是不可能的。但这不是简短的理由。我们讲的简短，是因为这样可以避免陷入细枝末节。霍伊尔卓越的工作和“超级神冈”实验的成功，加上印度物理学家苏布拉曼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）的最后一个精彩预言就足以作为证据了。在20世纪30年代早期，仅凭已建立的物理学理论，他预言了白矮星（无自转的）应该有一个质量上限。钱德拉塞卡最初估计的这个质量上限为1个太阳质量（即以太阳的质量作为单位），后来经过更精确的计算，他得出1.4个太阳质量。钱德拉塞卡进行他的工作时，仅有少数白矮星被观察到了。今天，人们已经观察到了大约1万颗白矮星，它们的质量都接近太阳的质量。没有一颗白矮星的质量超出了钱德拉塞卡的最大值。在地球上一个昏暗的实验室中，从简单实验装置中发现的规律适用于整个宇宙，这是物理学真正的乐趣。钱德拉塞卡正是利用了物理规律的普遍性做出了他的预测，并因此获得了1983年诺贝尔奖。他的预言得到了证实，这表明物理学家有权利非常确信他们真的知道恒星是如何工作。
恒星都注定要以白矮星的形式结束生命吗？上一段的内容表明了这一点，但并不是全部，还留有其他线索。如果白矮星质量不可能大于1.4个太阳质量，那么质量比这更大的恒星最后会怎样呢？也许大质量恒星可以摆脱一部分质量从而满足钱德拉塞卡的限制，但除此之外，还有两种可能，对应着两种不同的恒星命运。对于这样两种情况，随着恒星的坍缩，较大的初始质量意味着电子最终将以接近光速的速度四处运动。一旦发生这种情况，将毫无出路：电子产生的压强[49]将不足以抵抗重力。对这些大质量的恒星来说，命运的下一阶段就是中子星。这个过程将点燃最后一次聚变反应，由于质子和电子移动得非常快，有足够的能量启动质子—电子聚变，生成中子。该反应是β衰变的反过程，因为在β衰变过程中，中子自发衰变为质子和电子并释放出中微子。最终，这类恒星演变成了一个全部由中子组成的球体。中子星的密度惊人地大：一茶匙中子星物质比一座山还重。把一个比太阳质量还大的恒星压缩成一个城市大小[50]，就是中子星。此外，科学家观察到的许多中子星以惊人的速度旋转，它们是一座座宇宙灯塔，将辐射抛向外空。这些星体被称为脉冲星，是名副其实的宇宙奇观。对于一些已知的脉冲星，其质量接近太阳的两倍，但直径却只有20千米，它们以每秒超过500转的速度旋转。还有，力在这颗星体上的狂暴程度，是超出我们的想象的。
除了中子星外，还有一种命运等待着更大的恒星。就像白矮星中的电子可以接近光速一样，中子星中的中子可能突破爱因斯坦设定的限制。当这种情况发生时，没有任何力量可以阻止中子星坍缩成黑洞，这是它们命运的最终归属。今天，我们对黑洞内部时空物理的认识还不完整。我们将在最后一章看到，质量会扭曲时空，使它偏离我们熟悉的闵可夫斯基时空。对于黑洞，它造成了时空的极度扭曲，以至于连光都无法逃脱它的魔爪。在这样极端的环境中，目前所知的物理定律都会被打破。因此，探索黑洞是21世纪科学的一项重大挑战。只有完成这个挑战，我们才能讲完恒星的故事。
[41]严格地说，这并不准确。氢原子质量的另一个可能值仅比最小质量高0.000006eV/c2。这个微小的质量差对射电天文学家非常重要，但是这个质量差太小了，我们假设它们没有什么区别。（原书注）
[42]光子带走的能量等于13.6eV减去10.2eV，也就是3.4eV。（原书注）
[43]赫利俄斯，太阳神。
[44]101=10，102=100，1026=100000000000000000000000000，因此，不难发现为什么要发明简写的形式。（原书注）
[45]10–1=0.1，10–2=0.01，以此类推。所以10–27对应的数在小数点后有26个零。
[46]星核一般指恒星的核心。
[47]生产过程中，在投入固定的情况下，增加额外投入的边际收益越来越低。
[48]金凤花姑娘是美国传统童话中的一个角色。她喜欢不冷不热的粥，不软不硬的椅子，总之是“刚刚好”的东西，所以后来美国人常用金凤花姑娘来形容“刚刚好”。
[49]电子简并压。
[50]中子星的最大质量的估算，类似于钱德拉塞卡对白矮星质量极限的计算，即假设中子在形成中子星时不会以接近光速的速度运动。（原书注）
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