地球诞生之谜

编译刘远

一片地狱般炽热的荒野，一个毫无生机的熔融行星，最终却变成了你、我和其他一切生物的发祥地。这是为什么?宇宙从何而来?地球从何而来?你我又从何而来?地球是不是宇宙中惟一有生物存在的星球?星系从何而来?恒星又从何而来?这些都是人类诞生之后就孜孜以求想要弄清的奥秘。下面，我们就引领你探寻这些问题的答案。

刚刚诞生的地球是一座了无生机的“炼狱”，不断遭遇巨型小行星或彗星的冲撞，火山将大量有毒的气体喷进地球的原始大气层。然而，地球最终却变成了生命的乐土。这是怎么办到的呢?

也许你听说过6500万年前一颗小行星(或彗星)撞击地球、导致恐龙灭绝的故事，可是你知道吗?地球形成之初，类似规模的猛烈撞击，早期地球几乎每个月都要遭遇一次。为什么我们敢这么说呢?一些证据留在了地球岩石中。这些证据显示，地球其实是一颗比我们原先想象的要复杂得多的行星。

刚刚形成的地球远不是生命的家园，而是一座“炼狱”：满目疮痍，奇热无比，巨大的小行星和彗星不断冲撞地球，火山将大量有毒气体喷进地球的原始大气层。那个时候，月球距离地球比现在近得多，因此从地球上看去月亮也比现在大得多。

科学探索发现，地球是在自己形成初期遭遇一系列大撞击之后才成为一颗可居住行星的。那么，地球究竟是如何从一座“炼狱”最终演变为一个生命世界的呢?我们脚下坚实的土地从何而来?我们呼吸的空气从何而来?地球上的滔滔之水又从何而来?

诞生之初

为了更形象地说明地球演变这一过程，我们不妨把地球的45亿年历史浓缩为一天，即24小时。

如果把现在作为这24小时的终点，那么人类仅仅是在30秒以前才出现在地球上的，恐龙是在23时以前才出现的，首批多细胞动物是在上午9时05分出现的，在此之前大多数单细胞生物就已存在，其中最早的单细胞生物大约是在凌晨4时出现的。

地球是在这24小时中的零点出现的，不过，暴烈的地球形成史早在这之前很久就已开始。

最初，巨大的古老恒星因走到生命终点而发生爆炸，这被称为“超新星爆发”。这种爆发产生了我们今天已知的所有化学元素，包括铁、碳、金等，甚至还有铀和其他放射性元素，这些元素构成了星尘云。随着时间的推移，引力控制了一切，星尘云便坍缩成为一个旋转的巨大星云盘：太阳星云。

在太阳星云的中心，温度和压力升高，太阳由此诞生。最终，氢气和氦气等轻质气体被推到太阳星云的外围，而靠近太阳的则是由重元素组成的尘埃颗粒。无数的尘埃颗粒在各自的轨道上环绕早期的太阳运行，时不时地发生碰撞。如果迎头相撞，或者撞击速度很快，尘埃颗粒就会碎裂；但如果碰撞速度不快，相撞的尘埃颗粒就合而为一。经过足够多次的碰撞之后，尘埃颗粒就聚合成鹅卵石大小；接着，鹅卵石又聚合成岩石；岩石继续聚合，聚合得越大则引力也越大；最终，引力的作用让岩石聚合成为球状的星子，其直径通常只有几千米。

随着时间的进一步推移，一些星子变得像月球那么大。接着，它们继续聚合，最终形成最靠近太阳的四颗岩质行星：水星、金星、火星和地球。(瞧瞧你家的床底下，你多半会看到一些毛茸茸的尘球，它们是由尘埃聚集在一起而形成的。同样的事情也发生在最初的太阳系中。45亿年前，正是那些在太空中飘浮的巨大的“尘球”聚合形成了太阳系的九大行星。)

早期的地球和现在的地球完全不一样。但是，要想知道地球最初究竟是什么样子很不容易，这就好比仅凭一个成年人的模样和体重就想知道这个人出生日寸的模样和体重。当然，照片可以记录一个人出生时的长相和胖瘦。可是，地球诞生在漫长的45亿年前，那时的一切痕迹如今几乎已全部被岁月抹掉，这是由于当时的地球是一个“火球”：一块表面岩浆汹涌的巨大岩石。因此，当时地球表面的一切几乎都已熔化，而今地球早已面目全非。所以，要想重建地球的原貌，就不能仅在地球上、而是更多地要到外太空去寻找线索。

天上掉下来的线索

在距离地球超过1.6亿公里的火星和木星之间，有一个被称为“小行星带”的区域，无数的小行星在这里运行。这些小行星都是塑造行星时所剩下的“边角余料”。有时，某颗小行星的残片会被敲出轨道，踏上与地球相撞的旅程。这种残片被称为“流星”或“陨星”，它们可能对地球造成剧烈撞击。陨星落到地面后，被称为陨石。

不久前，在加拿大不列颠哥伦比亚省西北角靠近美国阿拉斯加州的一个冰湖表面上，当地的一名森林飞行员发现了一些很像是陨石残块的东西。他立即把其中的一部分残块装在一个特制冰箱里，邮寄给美国宇航局专家。邮件经过美国海关时，曾被要求解冻接受检查，因为海关人员担心来自加拿大的致命病原体之类的东西会随着这个邮件而进入美国。专家一眼就认出，这是一块碳质球粒状陨石，构成它的星尘和构成早期地球的星尘完全一样。

这真是一个令人欣喜的重要发现，因为一般至少每几十年才可能有一次这样的机遇。于是，一组科学家迅速赶往冰湖，仔细搜寻散落在湖面上或者已埋进冰中的陨星残块。最终，他们找到了超过400个这样的残块。只要它们尚未被污染(即保持着陨星45亿年前形成时的原始状态)，它们就能向我们讲述地球的起源故事。具体而言，只需通过分析未被污染的陨石样本的成分，就能知道塑造早期地球的尘埃颗粒的化学组成。形象地说，陨石就是我们窥探远古世界的一扇窗户。

从这400多个陨石残块中，可以看出这颗陨星的含碳量和含水量都很高。除此之外，已经查明这颗陨星含有至少90种元素。这也就是早期地球的“化学指纹”。另外，陨石中还包含着放射性元素，根据这些元素的衰变速度，科学家就能算出陨石的年龄。正因为大多数陨星是和行星同时形成的，并且由同样的材料构成，因此陨星的年龄和成分也就是地球和其他行星的年龄和成分。对陨石的检测发现，几乎所有陨石的年龄都是45亿年，上下相差很小。这就意味着所有的陨星和行星都在太阳系早期就迅速形成了。

“铁之灾”其实是福音

但是，在遭遇一系列大规模撞击之前，年轻的地球还远远没有成形。当时，地球的巨大引力将来自太空的大量残骸拉向自己，于是地球便接连不断地遭遇撞击，由此在地球表面产生了巨大的热量。与此同时，地球内部的放射性元素衰变也产生了大量的热，从内部炙烤地球。这两大热量的综合作用，无疑导致了灾难性的后果。

还是把地球从诞生到现在看成24小时，那么，到了零点过后8分钟时，地球已变成一座恐怖的熔炉。当温度上升至成千上万度时，地球表面岩石中的铁和镍等金属开始熔化。当时，地球的外部很可能呈熔融状态，是一片“熔岩之海”，深度达成百上千公里。也就是说，当时的地球就像飘浮在太空中的一颗巨大液滴。在这种状态下，铁元素等重元素沉入液滴中心，而那

些轻质元素和富含碳和水的轻质成分则像湖面上的藻类一样，漂浮在地球表面。

这种全球性的元素迁徙被称为“铁之灾”，但这场“灾难”实际上却是地球的福音，将对地球的未来产生深远的影响。下沉的铁在地球中心积累，形成一个有两个月球那么大的熔融状内核。这种液态铁一直在转动，直到今天，这种运动所产生的电流仍在继续把地球变成一块拥有南、北两极的巨大磁铁。也许你要问：谁也没去过地心，那么怎么可能知道地球有个液态铁核呢?加拿大的北极冰原，是一个提供证据的好地方。

科学家们说，地球磁场每分每秒都在发生变化，其结果之一就是地球磁极在每一天都有所移动。每过几年，一些地质学家就会到北极去定位精确的磁北极。即指南针所指的北极。地理的北极是固定不变的，而磁北极却随时在变。在过去的1 00年里，磁北极的位置已经发生了很大的变化。为了确定磁极现在的位置，科学家需要在八个不同的地点测量磁场的强度和方向，然后逼近磁北极。最近的测量表明，磁极已经偏离加拿大海岸200公里，而且偏离速度还在加快。这种加快在20世纪70年代以来尤其明显，从原来的每年移动大约10公里变成了现在的40公里。这种趋势如果持续下去，40到50年后，磁北极就会到达西伯利亚，其后果令人难以想象。

不过，假如地球没有这个液态铁核，生物体就很难在地球上存活。事实上，每一天都有大量致命的带电粒子轰击地球。这些粒子是由太阳耀斑发出的，它们以每小时160万公里的速度在太空穿行，形成所谓的太阳风。如果太阳风“吹”到地球，地球大气层就会立即被“吹”散。不过，地球内核所产生的包裹地球的磁场就像一面巨大而坚实的盾牌，将那些致命的粒子挡开，从而保护了地球上的生物。

如果地球失去了这面盾牌，命运将如何呢宁火星能告诉我们答案。40亿年前，和地球一样，火星也有一个液态铁内核，也有一面磁场盾牌。那时的火星很可能也有浓密的大气层，火星表面也可能存在液态水，因此当时的火星上也可能存在原始的生物。但是，火星的体积只有地球的几分之一，所以火星很快便冷却下来，液态铁核也随之冻结、变硬，火星磁场由此消失。于是，火星大气层就被太阳风吹散了，难怪今天的火星表面只是一片寸草不生的荒漠。

天地相撞撞出月球

零点16分，“铁之灾”宣告结束。但是，即便有了液态铁核和磁场，当时的地球仍然和今天完全不同。火山喷出大量的有毒气体，地球被包裹在一个令人窒息的大气层里面，当时地球大气层的主要成分是二氧化碳、氮和水蒸气。因为没有氧气可供呼吸，也没有臭氧层来阻挡致命的紫外线辐射，所以当时的地球不是一个适合生物存在的星球，至少对我们所知道的生物来说是这样的。不过，就是在这样的条件下，月球诞生了。那么，月球是怎样出世的呢宁

20世纪60年代晚期，美国宇航局向月球发射“阿波罗”载人飞船，宇航员们的任务之一是把月球表面的岩石样本取回地球。最终，宇航员们取回了成百上千块月球石。运用放射性测量技术，科学家算出了它们的年龄。让科学家们大吃一惊的是，月球比地球年轻几千万年。更让他们大惑不解的是，月球石的化学组成和地球完全一样，却同任何已知的其他天体都不相同。也就是说，月球和地球是由相同的基本材料形成的。更神奇的是，月球石所包含的铁也很少，这和地球表面的岩石完全一致。

一些科学家灵机一动，提出了这种观点：大约在地球形成5000万年后，另一个巨大的星子(由和地球相同的成分构成)仍然在太阳系中游荡；这块和火星大小差不多的巨型岩石最终撞向地球，撞击的能量是如此巨大，以至地球的外层和那颗星子都彻底熔化，两者由此聚合成为一颗块头更大的新地球；与此同时，这次猛烈的碰撞也将大量熔融的岩浆喷入太空，这些熔岩最终就聚合成为月球。如今，这一观点已被广泛接受。

零点过后16分钟，也就是地球诞生5000万年后，月球便形成了。不过，那次大碰撞的余音才刚刚开始显现。刚形成的月球与地球之间的距离比现在近大约32万公里，因此那时如果从地球上看去，月球比现在要大许多倍。不仅如此，那时地球的自转速度也比现在快得多，这使得当时地球上的一天不是24小时，而是不到6小时。另外，正因为当时月球距离地球那么近，所以它对地球的引力拉动作用也很明显，地球表面有时甚至会上升或沉降60多米。随着时间的推移，月球逐渐飘远，地球的自转速度也就降了下来，这一过程甚至持续到了今天。

你一定会感觉很惊奇——科学家们竟然找到了一种测量月球正在以何种速度远离地球的办法：宇航员在月球表面安装了一台大型的回复式反射器，它能将激光束按照其来射路径反射回去；同时，科学家在地球上安装了一台高能激光发射器。1969年，科学家将激光束发往月面的那台反射器，并测定了激光束从发射到返回地面所花的时间——全程历时两秒半。在这之后，科学家逐年进行同样的测量，由此证实月球的确是在逐渐远离地球。月球目前距离地球大约38.6万公里，这一距离近年来每年增加大约3.8厘米。

催生月球的那次大碰撞，对地球本身而言也是一次“幸运大撞击”。正因为那次撞击的力量是如此巨大，所以地球的转轴被迫倾向太阳，这样地球上才有了季节之分。如果丧失了月球的稳定作用，地球就会剧烈摇晃，地球上的气候就会经常性地走各种极端。如果那样，一个充满生机的地球还可能形成吗?

地球之水何处来

科学家们相信，至少在月球诞生10亿年以后，炽热、熔融的地球表面才冷却、变硬，形成地壳。但究竟是否如此，则无人知道，因为地球的地质变化无常，最早的地壳如今早已荡然无存。然而，现在有新的惊人证据出现，已不得不让人重新思考地壳的形成历史。

在澳大利亚西部的岩石中，地质学家发现了微小的锆石晶体。和沙粒大小差不多的锆石，却和金刚石一样坚硬。锆石也是原始地球的遗物，是熔岩冷却成固体地壳时的产物。所以，锆石的年龄也就是地壳的年龄。

在澳大利亚发现的锆石中，有一粒的年龄竟然高达44亿年，这暗示地球可能在月球形成后不久就冷却形成了地壳。虽然现在还不清楚这种地壳在当时是“熔浆海洋”中的小岛还是大片的陆地，但是至少表明44亿年前地球就已经有了部分地壳。换句话说，地球形成后仅1.5亿年(而非以前认为的10亿年)就已经有了地壳。但是这又引出了另一个奥秘：一旦地球冷却形成坚实的地面，地表就有可能积聚液态水，那么这一积聚是从何时开始的呢?

一些地质学家相信，答案就藏在那些锆石中。但锆石是如此稀少，因此哪怕只想找到几粒锆石，也必须研磨、筛滤成百上千公斤的古代岩石。对锆石化学成分进行的分析显示，最

古老的锆石中含有大量的氧-18(氧的一种同位素)。这只能由一种情况导致，那就是锆石晶体是在水中形成的。此消息传出后，科学界为之震惊——地球表面这么快就有了液态水?!从锆石的年龄估算，在地球诞生仅两亿年后，地球上就形成了沐浴在原始海洋里的岛屿和小型大陆。也就是说，零点过后才50分钟，不仅月球已经诞生，而且地球的地壳也已成形，甚至就连液态水也已存在。

水是生命最关键的要素，一切生物体都必须有水才能存活。最终，水将覆盖四分之三的地球表面。事实上，地球海洋中所包含水量的总和接近1亿万亿加仑，这可是一个令人简直无法想象的天文数字。那么，这些水是从哪里来的呢?

听起来或许有点怪，但实际情况可能就是这样：这么多的水一开始就存在，只不过是藏在某个地方。解开这一谜团的关键之一是火山。在地球的婴幼儿时期，火山一直在把大量的水蒸气喷进地球大气层。接着，随着地球的逐渐冷却，水蒸气凝结成雨，一滴一滴地聚集在地球的低洼地带。事实上，这样的过程直到现在也未停止。比如，从夏威夷火山链喷出的气体的主要成分就是水蒸气。

但也有一些科学家认为，仅仅依靠火山喷出的水蒸气来形成如此巨大的地球海洋，不知需要多么漫长的时间。换句话说，地球海洋的形成一定还借助了某种外力。具体而言，地球海洋中的水或许来自外太空，是由富含水冰的大型彗星带到地球表面的。当时那些天地大碰撞的证据如今已不复存在，因为原始地球表面早已被冲蚀、毁坏了。不过，有一个地方依旧保存着早期大碰撞时代的记录，这个地方就是——月球。

“天上雪山”淹没地球

月球的表面布满撞击坑(陨击坑)，其中每个坑都是月球在某一个时期遭遇流星碰撞的结果，一些坑的直径宽达好几百公里。据估计，月球在其形成之初曾经遭遇过超过一百万次的大型撞击。而地球的质量比月球大得多，所以地球的引力必定会引来更多、更大的流星，因此地球曾经遭遇过至少数千万次的大规模碰撞。也许你曾听说过6500万年前恐龙因陨星撞地球而灭绝的事，但是你知道吗?在地球形成之初，这样的大规模撞击每个月就有一次，并且如此可怕的“石头雨”一连下了好几百万年。彗星就是这些“石头雨”中的一员。据估计，彗星有至少一半的质量是水和冰，也就是说，每一颗大彗星都像一座大雪山，它们融化后当然就能填满地球的海洋。可是，这种估计是否正确呢?要想找到答案，一个办法就是测量彗星之水的化学成分，并且把测量结果与地球海洋之水的化学组成进行比较。

然而，研究彗星却是一件十分棘手的事。在过去20年中，只有极少数彗星足够近距离地经过地球附近，从而能接受地球人的仔细研究，其中的一颗是在1997年经过地球附近的哈雷一波普彗星。像哈雷一波普这么大的彗星，一颗就能提供一个典型的地球湖泊所需水量的十分之一。当然，海洋要大得多，所需的水量自然也多得多。不过，早期太阳系中有很多大彗星，因此，彗星之水填满地球海洋应该不成问题。

有人提出，撞击所产生的热量足以将彗星内部的水冰气化，当时地球的上空一定笼罩着蒸气云。蒸气云降下炽热的酸雨，这种酸性暴雨下了至少好几百万年。开始时，酸雨导致的洪水形成河流、湖泊；最后，水可能就会覆满几乎整个地球。不过，这个理论有一个问题：地球海水中虽然主要是一般的水(H₂O)，但也有极少量的重水(HDO)，重水多含有一个中子。可是，迄今为止的分析结果表明，彗星之水和地球海洋之水的这两种成分之比并不匹配，具体而言，彗星之水的重水含量要高一倍。

但是，持“彗星之水造就地球海洋”观点的科学家并不气馁。他们认为，已经被研究过的所有彗星都来自太阳系的外围，而在相对比较靠近太阳的地方形成的彗星则可能与前者不同，由于越是靠近太阳的地方温度越高，所以来自比较靠近太阳的地方的彗星所包含的重水比例应该比较低。因此也就可能和地球海水中的重水比例相同。但究竟是否如此呢?还是要等测量了这后一类彗星的成分之后才能确定。为此，首先得找到这样的彗星，然后在射电望远镜里研究它的成分。

也许你会问：彗星同地球的距离通常都在1亿公里以上，那么怎么能测定这么远的水里究竟有哪些成分呢?科学家是运用分光计来完成这一测量的。这有点像取指纹。就像每个人的指纹都不同一样，每一种分子化合物所发出的光波的波长也不同。根据波长，就可以判断是哪种物质。遗憾的是，迄今所探测的比较靠近太阳的彗星都很“脏”——彗星表面尘埃太多，不能反射足够的光波，因此科学家也就无法查明彗星之水的化学组成。不过，现在每一年都能发现两到三颗来自内太阳系的彗星，所以彗星之水与地球之水之间的关系终将被查明。

在火山和流星的围攻之下，早期的地球经历了一段大苦大难的煎熬。在地球24小时历史的头一个小时里，它惨遭殴打、撞击、炙烤、酸蚀，更可怜的是，这一切苦难的证据如今却已消失无踪。年轻的地球同它今天的样子仍旧有着天壤之别，那时的它充满敌意、万分恐怖，空气中充斥着有毒的气体。然而，不知为何，就是在如此可怕的环境条件之下，生命却快要起源了。这简直令人匪夷所思，但它却是真的!