当然，元素转变是一个古老的梦想，但对于一些像我一样有理论思考爱好的人来说，20世纪30年代最激动人心的莫过于对自然演化的探索。我有必要对这一点做些解释。这一章开始时，我们是从创世纪的那一天开始的，此时我们依然照此办理。我们应从哪里开始呢？阿麦夫（Armagh）的詹姆士·阿斯歇尔（Jarnes．Uesher）大主教很久以前，大约是在1650年说过，宇宙是在公元前4004年创造的。这位大主教既教条，又无知，而且不允许辩驳。他或者是其他的牧师知道创世纪是哪一天、哪一日、星期几以及几点钟等那些我们很幸运地忘记了的东西。但世界的年龄之谜仍然存在，并且伴随着一些自相矛盾的观点延续到20世纪初：因为，一方面，我们清楚地知道地球已存在了亿万年，但另一方面我们却不知道太阳的能量是从哪里来的，以及这些恒星如何能维持这样久？当然，当我们有了爱因斯坦的方程时，这一切就清楚了，因为该方程表明，物质的损失会产生能量。但物质是如何变化的呢？
很清楚，这才真正是能量问题的症结和打开理解查德威克发现之门的关键。1939年，汉斯·贝斯（Hans．bethe）在康耐尔大学工作。他首次非常精确地解释了太阳中的氢是如何转变成氮的，在此转变过程中，物质的损失变成能量源源不绝地流向我们，这是太阳馈赠给人类的礼物。我是带着激情地谈到这些物质的。因为对我来说，这些物质具有质量，但没有记忆，而只有经历。在我看来，汉斯·贝斯的解释就像我自己的结婚纪念日以及我的孩子们出生一样令人难忘。因为在随后的年代里（我认为，权威的截止时间应该是1957年）研究表明，在所有的恒星中都在进行着原子依次重建、并具有越来越复杂的结构的过程。物质自身在“进化”。该词汇虽源自达尔文和生物学，但它却是改变我们这个时代物理学的词汇。
元素进化过程的第一步，发生在像太阳一样的年轻恒星中。这一步是从氢变成氨，它需要巨大的内部热能；我们在太阳表面所看到的仅仅是这种反应所产生的风暴。（氦最初是在1868年日蚀期间根据一条光谱线确定出来的，它之所以被称为氮，是因为当时地球上还没有发现它。）这一反应的结果是两个重氢的原子核碰撞，并融合成一个氮原子核。
当太阳变成以氮元素为主的时候，那时它将变成一颗更热的恒星，在这颗恒星中，氦的原子核发生碰撞，并依次形成更重的原子。例如，当三个氦原子核在万亿分之一秒内在同一点碰撞在一起，就形成碳。在每个生命体中的每个碳原子都是通过这样一些野蛮的、几乎不可能发生的碰撞所形成的。在形成碳原子之后，再生成氧、硅、硫和更重的元素。最稳定的元素是在门捷列夫周期表的中部，大约是在铁与银之间。但生成元素的过程远远地越过了这些元素。
如果元素是这样依次形成的，那为什么这一过程会自动地停下来呢？为什么我们只发现了92种元素（最后一个元素是铀）？为了有根据地回答上述问题，就要建造92种元素以后的元素，并且必须证实，当元素变得更大的时候，它就变得更复杂，更易分成碎片。然而，当我们这样做时，我们不仅是在生成新的元素，而且是在制造某些极易爆炸的东西。元素钚是费米在第一座历史上有名的石墨反应器（过去我们非正式地称之为“反应堆”）中制造的，它能详尽地说明这一点。在某种意义上说，钚是天才费米的一座纪念碑，但我却认为它是献给阴间之神普鲁托（Pluto）的礼物，因为钚元素（Plutonium）用的就是死神的名字，4万长崎人就死于钚炸弹。那是历史上又一次用一块纪念碑同时纪念一个伟人和众多的死难者。
我必须暂时回到威尔里茨卡矿，因为需要对一个历史的矛盾作些解释。恒星正在不停地合成元素，而我们却一直认为宇宙正在停下来，为什么会这样？或者说怎么解释？这种想法来自对机器的简单观察。每台机器都在消耗着比它所传送的更多的能量。有些能量是浪费于磨擦，有些是浪费于磨损。在比威尔里菠卡矿的古代木绞盘更精密高级的机器中，能量浪费于其他必要的方面——例如，消耗在消震器或冷却器中。这些方式都使得能量被减少。有一个难以达到的能量池，在该池中，我们输人的能量有一部分总在损耗，也无法从中得以恢复。
1850年，鲁道夫·克劳西斯（RudolfClausius）将选一想法变成了基本原理。他说，存在着不可利用的能量，也有不可到达的能量残余。他把这不可到达的能量叫做熵，并表述为著名的热力学第二定律：熵总在增大。在宇宙中，热正在流入某种平衡之湖，流入湖中能量不再是可利用的了。
100年以前，那的确是一个很好的想法，因为那时人们仍认为热是一种流体。但热却不是一种像火或生活中任何其他的东西，热是原子的随机运动。奥地利的路德维格·波尔茨曼（LudwigRoltzmann）抓住了这一想法，并用其对机器、蒸汽机或者是宇宙的工作原理作出了新的解释。
波尔茨曼说：“当能量被减少时，原子就呈现为一种更无序的状态。”熵是对无序的一种度量；那是一个意义深远的概念，该概念就来源于波尔茨曼的新的解释。令人吃惊的是，可制作一种度量无序的方法，那就是特殊状态的概率——在此被定义为原子聚集方式的数量。他十分精确地表示为：
S=KlogW
S是熵，它与给定状态的概率W的对数值成比例（K是比例常数，现在K被称为波尔茨曼常数）。
当然，无序状态是一种比有序更常见的状态，因为原子的每种随机聚集几乎都是无序的。所以，有序的排列大体上将会消失，但“大体上”并不是“永远是”。有序状态并不一定会变成无序。这只是一个统计规律，它只说明有序将倾向于消失。但统计学并没有说“永远”，统计学允许在宇宙的某些岛上（这里指在地球上、在你、我，在恒星上，或在其他各种场所）存在有序，而其他地方则为无序。
虽然这是一个完美的概念，但仍有一个问题值得询问。如果真的是这种概率使我们得以存在的话，那么这种概率会不会低到我们无权生存的程度？
问到这一问题的人们总是这样来描述它和看待此刻组成我们身体的所有原子。这些原子此刻来到我所在的地方并生成我本人，这种想法将是多么疯狂！是的，确实是很疯狂。如果事情就是这样发生的话，那么它不仅是不可能的——我认为实际上不会发生。
但是，当然，自然界不是这样演化的，而是逐步进行的。那些原子形成分子，分子形成盐基，盐基形成氨基酸，氨基酸形成蛋白质，蛋白质在细胞中起作用，这些细胞就形成了所有简单动物的最初的形式，然后逐步变得高级和复杂。那些组成同一层次或者是组织层的稳定单元是一些随处可见的原始物质，它们可以形成更高级的结构，其中一些高级的结构将碰巧会稳定下来。只要仍保留着尚未变成现实的稳定性优势，那么就不会有其他的方式出现。演化是一个从简单到复杂的逐步进行的、爬梯的过程，其每一步都是稳定的。
由于这个题目是我非常熟悉的，我给它取了个名字，叫做“层稳定”。生命就是这样逐步缓慢地、但持续地变复杂而形成的，这就是演化的中心过程和问题。现在我们知道，不仅生命是这样演化的，而且物质也是如此演化的。如果所有恒星要通过立即组装各种原子来生成像铁一样的重元素，或是像铀一样的超重元素的话，实际上是不可能的。不，一个恒星将氢变成了氦，然后在一个不同的恒星的另一阶段，氦可组成碳、生成氧、生成更重的元素，如此逐步爬上了梯子的最高处，最后形成了自然界的92个元素。
我们无法重现恒星中的全部过程，因为我们还无法控制融合许多元素所必须的极高的温度。但我们已经把脚放在梯子上了：复制了第一步，把氢变成了氦。在橡树岭实验室，人们正试图把氢融合。
当然，要重造太阳内部超过摄氏千万度的温度是很困难的。但更困难的是制造一种容器，它能容纳如此高温，哪怕是几分之一秒而不毁损。没有任何物质能承受得了。能在这种严酷的状态下容纳气体的容器唯有“磁力陷”。这是一种新型的物理：等离子物理。它的刺激和重要性就在于它是自然界的物理学。总有一次，人们所作的安排会运行起来，不是与自然界的方向相反，而是以自然界发生在太阳或恒星中的相同步骤进行的。
不朽和死亡是一对矛盾，我要以此话题来结束这篇文章。20世纪的物理是一项不朽的工作。人类想像力的社区性作品已经产生了一些纪念碑式的金字塔、《伊利亚特》、抒情诗歌和大教堂等。那些创造这一个又一个概念的人们是我们这个时代的先锋。门捷列夫排列他的卡片；J．J．汤姆森推翻了古希腊人关于原子不可分的观念；卢瑟福把它变成了一个行星系统；尼尔斯·玻尔做出了原子模型；查德威克发现了中子；费米用中子打开并改变了原子核。在他们之前的都是一些提倡打破旧习的人。这些新概念的首批创始人有：马克斯·普朗克，他使能量具有了像物质一样的原子特征；路德维格·波尔茨曼使我们更清楚地了解这样的事实：原子——世界中的世界——是像我们自己的世界一样真实的。
谁会想到，仅仅还在1900年，人们还在争论，争论的主题一言以蔽之，就是原子究竟是否存在。伟大的哲学家恩斯特·马克（ErnstMach）说不存在；伟大的化学家威廉·奥斯瓦尔德（WilhelmOstwald）说不存在。但仍有一个人在临近世纪转换的时候，站出来支持原子存在的理论。他就是路德维格·波尔茨曼，我对他表示由衷的敬意。
波尔茨曼是一个易怒的、杰出的、难相处的人，一个达尔文早期的追随者，他喜欢争论并且令人喜欢，总之，他有常人所应有的一切优缺点。他的声望忽好忽坏，其杰出的知识让人容忍其缺点。在当时，存在着反原子的学说并且占统治地位，如果不是波尔茨曼，我们的进步将会倒退几十年，也许一百年。不仅仅是物理学会倒退，而且生物学也会倒退，因为它完全依赖于物理学。
波尔茨曼当时只是争论？不，他为激情而生，为激情而死。在1906年他62岁时，他感到孤独和挫折，就在原子学说正要取得胜利的时刻，他认为一切都无所谓了，然后自杀了。剩下能纪念他的只有他的不朽的公式：
S=KLogW
该公式刻在他的墓碑上。
我不想花更多的笔墨去描述波尔茨曼的简洁和洞察力强的优点。但我愿以威廉·布莱克（WilliamBlake）在《清白的预言》一诗开头的四行献给波尔茨曼：
为了探寻一粒沙中的世界，
和一朵野花中的天堂；
你把无限握在手中，
并在片刻间化作永恒的真理。
