核合成物質元素構築「平凡的世界」
在宇宙誕生的最早期階段，通過核聚變反應產生的化學元素只有氫、氦和少量的鋰，三種化學元素構成了元素周期表內其餘元素的基礎，從最簡單的三種元素髮端，宇宙所有更為複雜的元素從中產生，通過千變萬化的「鏈式反應」，我們今天看到的宇宙差不多產生了100多種化學元素，大部分物質元素通過自然方式產生，少部分物質元素通過人工方式產生，存在數千種同位素元素，它們是100多種化學元素的變體，大自然未有停止更為複雜元素的合成過程。（自然演化史不同於社會發展史，可能經歷很長、甚至遠超過生命周期的時間，人們才能看到新的物質元素和自然形態的變化，自然史和社會史有一點相同，不論人類願意、還是不願意，消極等待、還是積極應對，運動和變化都是兩者不變的主題，永恆的運動和變化或是靜悄悄、或是以劇烈的方式發生，一部自然的、社會的發展史就是它們運動和變化的歷史記錄。）在難以確定的未來，人們可能發現新的化學元素。
宇宙怎樣從開始階段的三種基本元素擴充為目前階段多種形態的「元素家族」？這是目前新物理學研究的前沿領域和物理化學的焦點課題之一，亞利桑那州立大學的地球和空間探索學院（SESE）得到了國家科學基金會的經費支持，地球和空間探索學院的原子核天體物理學中心的科學家將總額1140萬美元的經費分成幾個部分，其中的大約100萬美元用於未來5年對化學元素的研究。SESE的天體物理學家弗朗克·蒂姆斯擔任亞利桑那州立大學物理學前沿中心的主要科學家，他同時擔任亞利桑那州立大學高級計算機中心的主任和《天體物理學》雜誌的編輯，蒂姆斯的研究方向集中在天體物理學領域的超新星、宇宙的化學進化、天體生物學、高級計算機的運算。除了亞利桑那大學主導的元素進化研究項目，位於蘭幸的密西根大學、位於印第安納州南班特的諾特丹大學和位於西雅圖的華盛頓大學加入了化學元素的研究團隊。除了蒂姆斯領銜的項目團隊，美國還有十個科學研究中心進行了與物質元素有關的前沿物理學課題的研究。
蒂姆斯領銜的科學團隊致力於在宇宙開始的地方挖掘「金礦」，他們對宇宙時間追朔到了137億年以前，宇宙在大爆炸核合成過程中產生了三種基本的化學元素，在宇宙誕生之後的10億年，我們知道的幾乎所有化學元素實際上已經形成，物質元素怎樣形成？遵循了怎樣的原理？科學團隊相信，在三種基本元素之後的元素在恆星內部形成，恆星成為了宇宙的「元素工廠」，從恆星內部「呼喚」出了大量元素，好像思想家馬克思對資本原始積累的描述，資本彷彿從地下呼喚出了大量人口。恆星在開始階段獲得了三種基本的輕元素，好像資本所有者獲得了生產資料一樣，恆星對獲得的氫、氦物質元素以核反應方式進行加工處理，好像資本所有者對獲得的生產資料以資本主義的生產方式進行加工處理一樣，目的是為了獲得資本的增值效應。恆星的「元素工廠」以誕生的新元素表現了增值效應，其中包括碳、氮、氧和所有其它的金屬元素，越來越複雜的物質成分最終組成了包括「我和你」在內的宇宙萬物，不同的物質成分構成了「氣象萬千」的物質世界。
科學家大體上了解化學元素的演變過程，我們的身體同樣由簡單和複雜的化學元素構成，然而，大量的細節有待說明，我們知道化學元素和物質形態演變的基本輪廓，難以解釋所有的細節方面，好像我們知曉資本主義生產方式的基本經濟學原理、難以解釋所有的技術進步、資本世界「五花八門」的金融產品、「眼花繚亂」的社會生活形態一樣。科學團隊儘可能描述化學元素進化的細節方面，在兩大領域之間搭建了「膠合劑」的連接關係，他們將低能量原子核天體物理實驗和對恆星實際的天文觀測結合在一起。古老恆星和今日恆星產生了很大的不同，最古老的恆星由輕元素的物質材料構成，它們來自於三種基本的化學元素，今日恆星加入了重元素的物質材料，而重物質元素來自於最古老的恆星，當晚年的古老恆星發生爆炸，它們向外拋灑了重物質元素，比如：碳和氮，「就地取材」的下一代恆星逐步演變為今日的恆星世界。
古老、上一代的恆星消失了，年輕、下一代的恆星產生了，恆星生命循環往複的過程持續到今天，大質量恆星在核聚變和核裂變過程中製造了越來越多的複雜元素，在恆星內部的核反應過程停止之後，大質量恆星不能抵抗自身引力的壓縮，它們以超新星暴的方式結束自己光明燦爛的一生，從超新星暴製造的化學元素被大批量地投放到太空，它們形成了下一代恆星的物質來材料，在一次又一次恆星新老交替的循環中，下一代的恆星逐漸獲得了穩定、更重和更複雜的化學元素。以我們的太陽係為例，太陽、地球和月球大約在45億年以前形成，太陽系天體的大多數化學元素在宇宙的最早期並不存在，它們通過一代又一代恆星的循環演變獲得了新的化學元素物質。
一種典型的大質量恆星大致上存活100萬年，我們的太陽大約在宇宙大爆炸之後的92億年形成，為了完成10億年恆星的進化史，理論上可能有1000代大質量恆星加入了恆星生命周期的循環，為了形成一顆擁有太陽化學元素成分的恆星，理論上需要10000代大質量恆星加入恆星生命周期的循環，總之，我們的太陽經歷了很多代恆星生命周期的演變。亞利桑那大學地球和空間探索學院的科學家開發了恆星演變的計算機模型，他們在模型建構中考慮了所有尺寸、所有質量和各種化學成分的恆星類型，恆星被設置在生命周期演變的模型中，科學團隊將計算機模型設置的恆星與實際觀測的恆星進行比較，儘可能使得模型設置的恆星和真實觀測的恆星保持一致。他們遇到了一個最艱難的理論問題，無法精確了解死亡恆星怎樣爆炸的物理過程，他們只能粗略、概要地理解死亡恆星的爆炸過程，這不能讓他們徹底理解恆星如何製造更多、更複雜的化學元素。公眾的科普知識不同於科學家的專業知識，他們需要達到對研究對象物理、化學和數學的精確理解，高級計算機模擬技術成為了一種專業化的研究手段。
（編譯：2014-9-17）
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