且夫天地为炉兮，造化为工；阴阳为炭兮，万物为铜。
——贾谊《鵩鸟赋》 混濛之初，万物皆无。没有时空，没有星系，也没有生命。 宇宙起源于一个密度无限大体积无限小的“奇点”。宇宙伊始，一切从无到有。然而，此刻的“有”只是一片“混沌”，弥漫着夸克、电子、光子等粒子。随着宇宙的降温，逐渐形成了质子、中子、恒星和行星。最终，“碰巧”形成了生命。化学元素是构成宇宙万物的物质基础。我们人类赖以生存的地球、太阳都是由化学元素组成[1]。从古至今，人类一直没有停止对物质组成的探索。那么，化学元素到底从何而来呢？ 在很长的一段时间内，大家都认为质子和中子是不可分割的最小微粒。直到1964年，Murray Gelmann 和G. Zweig 提出一种假说：质子和中子由更小的粒子组成。夸克是一种点状粒子，没有内部结构，可以分为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克。研究发现：构成质子或中子需要两种夸克——上夸克（u）和下夸克（d）。上夸克带有2/3个电荷。下夸克带有-1/3个电荷。质子或中子由三个夸克组成。
图1. 质子、中子结构示意图
宇宙大爆炸之后，随着温度的降低，夸克形成了质子（氢核）和中子。化学元素的产生是从氢核和氦核开始的。随着宇宙的演化，氢核和氦核捕捉到电子形成氢原子和氦原子。氢是宇宙中最先出现的化学元素，浩瀚宇宙中弥漫的星际气体大部分都是氢云，除此之外，也有着氦云，它们都是宇宙大爆炸的产物。对于氦之后元素的生成，恒星起着非常重要的作用。“炼丹炉”般的恒星悬浮在宇宙的深处，将轻元素作为原料炼制成重元素。
宇宙大爆炸后物质密集区由于不均匀性产生了引力中心，经过漫长的时间逐渐收缩形成了大小不一的星系。引力的挤压使原子团的温度越来越高，最终形成恒星[2]。1938年，Hans Bethe提出了恒星的热核聚变理论。恒星生成过程中的高温使原子核克服静电斥力而相互碰撞引发核聚变，在这个过程中较的轻原子核合成较重的原子核[3]。就这样，恒星“炼丹炉”开始了它的“炼丹”之路。一种又一种的化学元素被它“熔练”而出。1948年，George Gamow、 Ralph Alpher和Hans Bethe发表了《化学元素的起源》。这篇论文说明了宇宙中诸元素的起源, 并且提供了大爆炸模型最早的证据[4]。
恒星的最初阶段是聚集的氢云。随后，氢发生核聚变生成氦。当热核聚变继续发生，氦燃烧生成了碳氮氧三种元素。温度继续上升，核反应持续发生，碳氮氧元素燃烧生成硅元素和镁元素。此时恒星发出红光并且高温膨胀导致恒星外层的物质距离核心十分遥远。最后，恒星核心区生成铁元素。此时，若想合成更重的元素则需要更高的能量。
铁的燃烧意味着恒星的寿命逐渐走向终结，铁元素的核反应不会放出热量，反而还要吸收热量。燃烧引起恒星核心温度下降从而导致恒星收缩。当白矮星的质量增加的一定程度，电子互斥作用不足以抵抗引力而导致外部物质坍塌。最终巨大的引力势能转化为剧烈的能量导致爆炸。在此过程中发生更复杂的核反应，生成各种比铁更重的金、铅、铀等重原子核。
恒星所生成的各种元素伴随着爆炸将扩散弥漫到宇宙之中，进一步与星云气体混合，参与下一次循环，陨石就可以证实这一点。就这样, 恒星从星云中诞生，寿终时将物质回馈给星云；而新的恒星又将从星云中诞生。在恒星的生死循环中不断地产生化学元素[5]。值得一提的是，超新星爆发可以照亮整个星系，并且光亮可以持续月余。更令我们骄傲的是，在我国的宋代古籍《宋会要》中就已经记载了超新星的爆发过程。公元1054年5月某天清晨，在天关（今金牛座）附近出现一颗亮如金星、光芒四射、白天也能看得见的超新星，这一奇观持续了23天。如今的蟹状星云就是1054年那位超新星爆发的遗留。
原文如下： 至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。
图2. 恒星的演变与化学元素的生成示意图
但是，在恒星“熔炼”化学元素的过程中存在着一个令人百思不得其解的“A8沟”问题[3]。根据前文所述，重元素是由轻元素合成的，按照质量数的大小依次进行。8Be特别不稳定，半衰期很短，理论上元素生成反应到这一步就会无法进行下去。但是，相对原子质量A等于8的元素如果不存在，后期的元素又如何合成呢？科学家发现恒星中碳的丰度极高，那么碳又在元素起源中扮演什么样的角色呢？对此，英国科学家Fred Hoyle提出一个假说，该假设认为存在这样一个反应： 8Be+4He→12C （1） 8Be的生成反应与（1）形成共振，（1）的反应速度比8Be衰变的速度还要更快。由于这两个反应之间存在的共振使（1）反应的概率变得极大，在8Be形成的同时12C也顺利的生成。美国加利福尼亚工学院核物理实验室证实了这一假设。值得思考的是，这一反应与碳成为生命主体元素有何关系呢？
图3. 元素周期表（来源网络）
氢是宇宙中最早产生的元素，在元素周期表中位列第一。铀是地球上所发现的最后一个天然元素，在相当长的时间内一直位于元素周期表的末尾。直到1940年，通过中子轰击铀得到元素镎（Np），元素王国的成员又开始增加。第100号元素镄（Fm）是为了纪念费米建造了世界上第一个原子反应堆。第101号元素钔（Md）是为了纪念门捷列夫创建了元素之国。目前被认可的化学元素有114种。元素王国的成员到底有多少，现在也无从定论。 星星簇拥天空，我们来自星星。作为新一代的化学人，我们要做的就是：路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。总有一天，我们也能像星星一样闪闪发光。
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