在宇宙誕生的極早期階段，在核聚變反應中產(chǎn)生的化學元素只有氫、氦和少量的鋰，這三種化學元素構(gòu)成了元素周期表中其余元素的基礎(chǔ)，從最簡單的三個元素發(fā)端，所有的更為復雜的物質(zhì)元素從中產(chǎn)生，在千變?nèi)f化的“鏈式反應”過程中，今日宇宙產(chǎn)生了大約100多種化學元素，通過自然方式產(chǎn)生了大部分的物質(zhì)元素，通過人工方式產(chǎn)生了少部分的物質(zhì)元素。有數(shù)千種同位素元素，它們是100多種化學元素的變形體，大自然從未停止過復雜元素的合成過程。

自然演化史不同于社會發(fā)展史，自然演變經(jīng)歷了很長的、甚至遠超生命周期的時間，人們才能觀察到物質(zhì)元素和物質(zhì)形態(tài)的變化。自然和社會的運動與人們的愿意、態(tài)度無關(guān)，運動和變化都是自然和社會不變的主題，永恒的運動和變化或以靜悄悄的方式，或以劇烈的方式發(fā)生，一部自然和社會的發(fā)展史就是運動和變化的歷史記錄。在難以確定的未來，人們可能發(fā)現(xiàn)新的化學元素。

宇宙從開始階段的三個基本元素擴充到目前階段的“元素家族”，多種形態(tài)元素的形成是目前新物理學研究的前沿領(lǐng)域，也是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支助，地球和空間探索學院下設了原子核天體物理學中心，科學家將總額1140萬美元的經(jīng)費分成幾個部分，大約100萬美元用于未來5年對化學元素的研究。

SESE的天體物理學家弗朗克·蒂姆斯是亞利桑那州立大學物理學前沿中心的主要科學家，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》雜志的編輯，蒂姆斯的研究方向集中在天體物理學領(lǐng)域，包括了超新星、宇宙化學的進化、天體生物學、高級計算機運算。除了亞利桑那大學設立的元素進化的研究項目，位于蘭幸的密西根大學、印第安納州南班特的諾特丹大學和西雅圖的華盛頓大學參與了化學元素的研究。除了蒂姆斯領(lǐng)銜的項目團隊，全美有十個科學研究中心，對與物質(zhì)元素有關(guān)的前沿物理學課題展開研究。

蒂姆斯領(lǐng)銜的科學團隊致力于在宇宙開始的地方挖掘“金礦”，他們對宇宙時間的追朔達到了137億年以前，宇宙在大爆炸核合成過程中產(chǎn)生了三種基本的化學元素，實際上在宇宙誕生后的10億年，人們已知的幾乎所有的化學元素已經(jīng)形成。物質(zhì)元素的形成遵循了物理化學的原理。除了三種基本的元素，其余的物質(zhì)元素都在恒星的內(nèi)部產(chǎn)生，恒星是宇宙的“元素工廠”，從恒星內(nèi)“呼喚”出了大量的元素，好似資本仿佛從地下呼喚出了大量人口。

恒星在開始階段獲得了三種基本的輕元素，好似資本所有者獲得了生產(chǎn)資料，恒星對氫、氦物質(zhì)元素進行了核合成的加工處理，好似資本所有者對生產(chǎn)資料以資本主義的生產(chǎn)方式進行了加工處理，以獲得資本的增值效應。從恒星“元素工廠”煉成了新的元素，其中包括了碳、氮、氧和其它所有的金屬元素，越來越復雜的物質(zhì)成分最終組成了展現(xiàn)在人們眼前的萬事萬物，不同的物質(zhì)成分構(gòu)筑了氣象萬千的物質(zhì)世界。

人們大體上了解了化學元素演變的過程，人們的身體由簡單和復雜的化學元素組成，但大量的細節(jié)有待闡明，人們了解了化學元素和物質(zhì)演變的基本輪廓，但很難解釋宇宙物理學的所有細節(jié)信息，好似人們知道了資本主義生產(chǎn)方式遵循的經(jīng)濟學原理，但很難解釋所有細節(jié)的信息，其中包括技術(shù)進步、五花八門的金融產(chǎn)品、眼花繚亂的社會經(jīng)濟和生活的形態(tài)?？茖W家盡可能地描述化學元素進化的所有細節(jié)信息，他們將低能原子核天體物理的實驗和對恒星實際的天文觀測結(jié)合起來。

古老恒星和今日恒星有很大的不同，最古老的恒星由輕元素物質(zhì)構(gòu)成，它們是三種基本的化學元素，而今日恒星添加了重元素物質(zhì)，而重元素物質(zhì)產(chǎn)生于最古老的恒星。晚年的古老恒星會發(fā)生爆炸，崩塌的恒星向外拋灑重元素物質(zhì)，比如：碳和氮，下一代恒星“就地取材”，逐步演變?yōu)榻袢盏暮阈鞘澜?。上一代的古老恒星消失了，下一代的年輕恒星產(chǎn)生了，恒星的生命循環(huán)過程持續(xù)到了今天，大質(zhì)量恒星在核聚變和核裂變的過程中制造了越來越多的復雜物質(zhì)元素。

在恒星內(nèi)部的核反應過程停止后，大質(zhì)量恒星抵抗不了自身引力的壓縮作用，它們以超新星暴的方式結(jié)束了光明燦爛的時光，超新星暴制造了大量的化學元素物質(zhì)，它們被超新星暴拋射到了太空，形成了下一代恒星的物質(zhì)材料，在恒星一次次新老交替的循環(huán)中，下一代恒星逐漸獲得了穩(wěn)定、更重和更復雜的化學元素。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(shù)化學元素在宇宙的極早期并不存在，通過一代代恒星的循環(huán)往復得到了新的化學元素物質(zhì)。

典型的大質(zhì)量恒星大致上可以存活100萬年，太陽大約在宇宙大爆炸后的92億年形成，設想一下10億年的恒星進化史，從理論上講，大約有1000代大質(zhì)量恒星加入了生命周期的大循環(huán)，一顆擁有太陽化學元素成分的恒星，大致需要10000代大質(zhì)量恒星加入到生命周期的大循環(huán)。太陽經(jīng)歷了很多代恒星生命周期的演變。亞利桑那大學地球和空間探索學院的研究人員開發(fā)了恒星演變過程的計算機模型，在模型建構(gòu)中考慮了所有尺寸、質(zhì)量和化學成分的恒星類型，在生命周期演變的基礎(chǔ)上設置了恒星的模型。

經(jīng)過計算機模型設置的恒星與實際觀測的恒星進行一番比較，盡可能使模型設置的恒星與真實觀測的恒星保持一致?？茖W團隊遇到了一個十分艱難的理論問題，他們無法精確地理解死亡恒星發(fā)生大爆炸的物理過程，只能粗略、概要地理解死亡恒星的爆炸過程，他們沒有徹底地理解恒星如何制造更多、更復雜的化學元素。公眾的科普知識不同于科學家的專業(yè)技能。只有達到對研究對象的精確理解，借助物理、化學和數(shù)學的知識，應用高級計算機的模擬技術(shù)，以專業(yè)化的態(tài)度對待專業(yè)化的問題。

（編譯：2014-9-17）