构成我们人类自身的原材料是从哪里来的？天文学家知道，恒星内大量生产比氦重的元素——但能制成碳和氧这样的元素却是一系列宇宙巧合最惊人的结果之一。
像我们的太阳这种恒星是由大爆炸所生成的氢和氦在宇宙中混合形成的，恒星被想象成压力火炉，大量生产着诸如碳和氧这样的元素，它们是行星和人的基本成分。要有足够的氢以生成大量的水，水是在类似于地球的行星上像我们一样的生命形式所不可缺少的。上述情况可以肯定，但或许有我们在这里、没注意到的东西。它是由物理定律某种不寻常的巧合决定的。
人，以及像地球一样的行星，是由和我们在恒星上找到的（去掉占恒星99%的氢和氦之后）差不多同样比例的元素组成，氢是最简单的元素，每一个原子由一个质子和一个电子组成。氦是次最简单元素，每个元素的核由两个质子和（在最稳定同位素中）两个中子组成，外边有两个电子。恒星的大约75%是氢，25%是氦，只有1%左右由较重元素组成：较重元素的比例是重要的线索，它告诉我们地球上生命必不可少的材料，像我们躯体内有机分子中的碳，我们呼吸的空气中的氧，已经在恒星内生成。
太阳核合成的这个过程现在已了解得很清楚；但在由此而感到宽慰的同时，却被这样的事实所困惑：恒星内产生重元素的整个过程是以包括碳核的量子特性在内的使人惊讶的巧合为根据的。这种巧合使我们的存在成为可能，这种巧合又是由宇宙生命的初期很重要的另一种巧合所决定的。
所有这些巧合令许多天文学家极感兴趣，重新引发了宇宙究竟是不是为人类“制作的”这一古老的争论，对这些不解之谜的研究一般叫做“人择宇宙学”。首先，第一个不解之谜是，为什么恒星应该由75%的氢和25%的氦构成。这是另一种巧合所产生的结果，大约150亿年前宇宙诞生于大爆炸，在这一事件中引起了另一种巧合。
对此巧合起关键作用的是自然界四种基本力之一的弱相互作用力的强度，正是这种力决定了放射性衰变的进程，决定了质子向中子的转变，或中子向质子的转变。假设大爆炸火球产生的是单一质子的最简单的核，正是弱相互作用的强度决定了在大爆炸后来的阶段有多少氢转变成氦。
这要求有准确的微调以避免在一个方向或另一方向失控——弱相互作用力稍强了些便没有氮产生；弱相互作用力稍弱些，几乎所有的氢都要转变成氦，恒星起初完全由氢构成的宇宙可能和我们自己的宇宙没有很大的差别；但如果所有的恒星当初都由氦组成，它们就要迅速燃尽，很可能没有足够的时间形成行星和演化成生命，即便生命的形成不需要用氢生成水。
这就是为什么宇宙学家把大爆炸的标准模式作为科学巨大成功的理由之一。利用准确的参数值，例如利用现在_在地球上实验所确定的弱相互作用力的强度，标准模式便能解释通过分光镜研究空间古老恒星气体云而揭示出来的_轻元素的分布量。标准模式不仅给出了正确的氢和氦的分布量，而且它也能估算可以看到痕迹的其他很轻的元素，像重氢和锂的分布量。此标准模式还解释了宇宙创生后大约十分之一秒到大约4分钟的时间内这些元素是如何由原生质子生成的，但这种相当成功的模式也告诉我们，在大爆炸中没有材料能被加工成比锂重的元素，每一个锂核中有3个质子和4个中子。那么所有别的元素又是从哪里来的呢？
50年代以前，人们已公认有这个问题，他们早就拟出大爆炸完整而详细的标准模式，乔治 · 盖莫（George Gamow）和他的同事们在美国对大爆炸物理所做的最早的研究证明，除了氢和氮以外，难以生成别的什么。较重元素应该在恒星内生成，但恒星怎样才能做到这一步呢？
天体物理学家知道，恒星的办法是核合成，一定要设法把氦核胶结到一起。氦4核是非常稳定的，事实上，由整数的氦4核所构成的原子一般也较其他枝的原子稳定。含6个质子和6个中子（12个核子）的碳核和含16个核子的氧核是两个最明显的例子，它们对形成像我们一样的生命很重要。一旦宇宙中（即在恒星内）的碳和氧达到一定的数量，它们便比较容易（按照由粒子加速器内氦核和其他相互作用方式而导出的物理定律）组成较重的元素。
把氦核加到现有的核上就能发生这种情况，有时，从现有的核中打出过剩的质子或中子会产生略轻一些的元素的核。但当物理学家第一次详细考察这种过程时，甚至在这第一步都遇到难关。
两个氦核用一定的动能（足以克服每个核所带的正电荷之间的斥力）相互碰撞将胶结到一起形成一铍8核。所有的稳定核都是通过四种基本力中的另一种——强力——而结合在一起的。强力胜过电斥力，但只有很小的作用范围。然而可惜，铍8核虽是氦4核的整数倍，但它是含有整数个氨4的核是稳定的这一法则的一个例外。它特别不稳定，在10-14秒的生存期内会分裂成较轻的粒子。那么，需要用另外的氦核加到铍8核上才能组成的碳核，何以能建立起来呢？
或许，某些理论工作者推测，当三个氦4核同时碰撞到一起，碳12便能直接在恒星内生成。但一个简单的计算不久便证明，其前景未必像听到的那样。它偶尔可以发生，但不足以产生我们周围所看到的那么多碳。
1952年，美国天体物理学家埃德 · 萨尔皮恃（Ed Salpeter）在多少有些走投无路的情况下提出，碳12说不定是在非常快速的两步过程中生成，两个氦核碰撞形成铍8核，在它蜕变前又受到第三个氦核的快速打击，但由于第三个粒子可能把不稳定的铍8核打碎，它还称不上是对三氦核碰撞想法的改进，而且，弗雷德 · 霍伊尔（Fred Hoyle）早在1946年详细阐述化学元素在恒星内生成的经典文章，就已经涉及这个问题。
在50年代，英国剑桥大学是霍伊尔的根据地，但他经常到加里福尼亚与他的朋友，核物理学家威利 · 福勒（Willy Fowler）一起工作。霍伊尔冥思苦想的问题是，重核何以能在恒星内生成，他对铍、氦和碳的能级有可能正好促成萨尔皮特提出的二步反应逐渐感到兴趣。问题的关键在于称为共振的一种性能。
这些能级纯属核的量子性质。量子物理——与这种小客体相关的物理学——告诉我们，能量是不连续的，如果往核上加能量，它只能吸收特殊的能量小包，或量子。原子的外层电子能从一个能级跃迁到另一能级，但它们不能存在于二能级之间，处于中间状态。
正像原子内电子能占据不同的能级那样，组成原子核的质子和中子也能占据不同的能量台阶。只要从外部给它们适当的推动（适当的能量量子），这些粒子就可以从低能态改变到高能态。一旦它们处于高能状态，它们可以回落到较低能级，最大的可能是落到最低的能量台阶，并在此过程中辐射相当数量的能量。允许碳和较重元素存在的那种巧合取决于那三种起关键作用的核在能级方面的微调。
这正是共振起作用的地方。当两个核碰撞并胶结在一起，形成的新核有两核的组合质能量（减去少量的，由强力产生的能量，即，使新核胶合到一起的结合能）加上它们的运动组合能量，即它们的动能。新核“想要”占据自己的能量台阶，但如果入射粒子的组合能量并不正好等于能量台阶的能量，任何超过的部分都不得不以剩余动能的形式被处理，或者作为从新核射出的粒子——或者，如果超过的部分很多，就会把核炸成碎块（这就是“原子”炸弹的原理）。
任何两个核碰撞简单地胶结在一起而可能发生的情况大致就是如此。在许多情况下，它们只不过碰撞后相互反跳开并继续它们个别的活动。然而，如果事事都配合得很好，能量总数恰好和新核的一个自然能级相等，新核就会生成、自然，它那时也能按普通方式放射能量小包并跳到最低能级，在这种情况下，相互作用会进行得很有效，较轻核转变成较重核形式将近完成。这种对能量的匹配，使之与新核的能级之一相等，就是所谓的共振，其关键取决于碰撞所涉及的核的内部结构。
1954年，霍伊尔认识到，恒星内生成相当多碳的仅有途径是，要有涉及氦4、铍8和碳12的一种共振。每一种核的质能量是确定的，不能改变；每一种核的动能取决于恒星内的温度，它是任何一位天体物理学家都能算出来的。用这种标准温度计算，霍伊尔预测，碳12核内一定存在一个以前从未探测到的能级，与之发生共振的组合能量，包括它的各个组成部分在恒星内通常条件下的动能。
霍伊尔对必定存在的能级做了精确计算。他威逼福勒的多少持怀疑态度的核物理小组做必要的实验来验证他的预测。为了封住他的嘴，他们简单地这样做了。除了霍伊尔，他们每个人都感到吃惊，测量显示，碳12有一个能级恰好比计算能量高4%。为了使共振发生，两核一定要进行的碰撞难以有足够的动能补足此4%。但氦燃烧恒星的中心却是如此之热，以致那里的热运动能提供这一微小差额，那里所发生的共振，保证恒星内有足够的氦核能融合成碳核，使我们得以存在。
对人择最大的争议——争议宇宙是否在某种意义上是为我们的利益建造的——在于宇宙所提供的利益是事后认识到的。我们着眼于宇宙，注意到它有某种使人类生存成为可能的特性，并且说：“哦，是的，它一定生来就有这种性质，否则我们就不会到这里来注意它了”。但霍伊尔的预测则不同，它独具一格。它是一个真正的科学预测，已经被后来的实验所验证。事实上，霍伊尔说的是：“由于我们的存在，碳必须有一个7.6兆电子伏特的能级”。其后，实验做出来了，且测出了该能级。这是人择原理仅有的一次成功的预测。
霍伊尔的人择所理解的不寻常的自然界不能被过分强调。例如，原来假设碳中的能级比氦4和铍8的组合能量低4%。但动能决不会减去这一差值而只能加上这一差值，否则简单的核合成便无法进行，碳便不能大量生成。这种情况在恒星核合成的下一个公认的步骤，即在从碳12和氦4生成氧的步骤中是没有的。当一个碳12核和一个氦4核在恒星内的条件下相遇，它们也有一个对应于两种核的质能量组合的特殊能量。这个能量刚好比氧16的一个能级高1%。但这1多却足以保证共振不致发生。有些氧16肯定是在恒星内生成——但在恒星生命的早期阶段和碳相比其数量很少。如果氧能级高1%，那么实际上所有恒星内生成的碳都要迅速地被加工成更重的元素。在这种情况下，以碳为基础的生命形式将不存在。
霍伊尔的认识直接导致对于恒星内原生的氢和氦如何合成为其他元素有详细的了解。他和威利 · 福勒密切合作研究这个问题，一起工作的还有杰弗里（Geoffrey）和玛格丽恃 · 伯比奇（Margaret Burbidge）夫妇研究小组。福勒（没有霍伊尔）后来由于他在恒星核合成研究中的成就而获得诺贝尔奖。
这些巧合，即刚好存在生成碳12的共振，刚好不存在生成氧16的共振，确实非同寻常。看来似乎是，用霍伊尔的话来说就是，“物理定律已被精心设计成与恒星内产生的结果有关”。而且还有另一有关问题：明显的巧合帮助宇宙成为适于生命存在的地方。
解决在恒星内生成碳和较重元素问题，只解决了在地球上终于形成以碳为基础的生命问题的一半。重元素怎样从恒星逸出，扩散通过星系，成为新恒星及行星赖以形成的材料云雾的一部分？简单的回答是：当少数恒星像超新星一样爆炸时，重元素扩散。撇开氢和我们周围微量的氦不谈，地球上以及你身体内的每一种元素都是这么来的。然而，是什么使超新星大发脾气呢？原来，生命原材料通过宇宙的这一种扩散也和宇宙巧合紧密相关。
如果恒星质量超过9个太阳质量，其核心部分的温度升高要超过10亿度，发生的核反应更复杂，它所生成的最终恒星尘埃取铁56核的形式，恒星的所有能量来自质子和中子更紧地挤进原子核而有的核反应，在铁56中，它们已尽可能紧地挤在一起，不再有能量能通过核聚变提供。更重的核，像金、铅、银和铀，核子挤得比铁56要松。用铁生成它们，必须给核子系统更多的能量。这就是在一个超新星中所发生的事情。
当一个质量比我们的太阳质量高20倍或20倍以上的恒星燃完了核燃料，来自上边的压力把内部区域压得如此结实，以致电子和质子被迫合并，形成中子。恒星的核心部分变成中子球，中子挤在一起甚至比铁核质子和中子的混合体还要紧。这种恒星核心的质量和我们的太阳一样，但它所占据的空间却只有珠穆朗玛峰那么大。
这种核心的突然收缩吸拉恒星靠外的层次——另外的19倍或更多的太阳质量——以致使恒星靠外部的底层垂直下落，在压碎形成中子星以前，下落速度可达光速的15%，从周边向中心挤压，这就像原子设法挤压原子核一样。核子材料迅猛地重新结合，同时发送激波，飞速反穿通过恒星。
每一件事情的发生都不足半秒。当激波开始向外贯穿恒星时，它受到阻尼并开始减慢。它试图移动大约20个太阳质量的材料质体。没有帮助，它就会失败。但后面接着有一大批中子星核心受压时产生的中微子。减慢激波中的质体是如此的密集，以致它实际上吸收了大量的中微子——中微子这种粒子不愿意和任何东西相互作用，它几乎能不受影响地通过充满我们和太阳之间空间那么厚的铅层。来自中微子的能量加强了激波，足以把由重元素组成的恒星外层打散。
这种人择巧合取决于中微子决定性的爆发，1980年所做的计算机计算证明，激波单独不能完成打散恒星外层的工作，中微子是必不可少的。但中微子的性质必须被准确地“微调”之后才能取得预期效果，应再一次指出，其关键在于弱相互作用力的强度，即取决于中微子与质子和中子相互作用力有多强。如果弱相互作用力太弱了点儿，那么即使密集的激波也要被中微子穿透，中微子将透过恒星，不会促成对恒星外层的冲击使之散向空间，另一方面，如果弱相互作用力太强了点儿，那么中微子将被卷进核心部分的反应，永远不会逸出到减慢的激波正要消逝的区域。弱相互作用必须不强不弱，正好允许足够的中微子从核心部分逸出，推进激波。
这种情况已由对超新星1987 A中微子爆炸的研究所证实，这些中微子的能量足以和理论所要求的能量相匹配、用计算机对超新星的研究正支持这样的观点：中微子实际上是把充满重元素的气体喷向空间的、驱动力——气体所含有的材料不仅是研究这些现象的有机生物的组成材料，而且也是望远镜支架的制成材料，也是分析望远镜观测资料的计算机中硅片的制造材料，所有这些都明显地和在大爆炸中需产生75%的氢和25%的氦的条件构成一个整体。如果弱力一直较弱，那么中微子便不能促使超新星爆炸。另一方面，如果它强了一点儿，那么宇宙将由氢占优势，恒星内部各处的氦很少或没有。有一点儿氦，也有爆炸中的超新星，宇宙中这种机会非常的少。
我们的存在取决于一连串巧合，取决于霍伊尔所预测的核能级更富戏剧性的巧合。和我们的先辈不同，我们知道我们通过什么方法来到这个世界上。但，我们的先辈一样，我们仍不知道这是什么原因。
[New Scientist，1990年1月13日]