起初，地球并不存在，也没有太阳照耀着大地。我们所在的太阳系，其中心是一个发光的恒星，周围是各种行星和卫星，它在宇宙中还只是一个“新人”，仅仅45.67亿岁。在我们这个世界从虚空中出现之前，还发生了许多事情。

为我们这个星球诞生而准备的舞台很早很早以前就搭建好了。万物起源于宇宙大爆炸。根据最新的估计，大爆炸发生在约138亿年前。关于这个创造一切的时刻，仍然有很多谜团没有解开，它是宇宙历史的一个决定性事件。它是一个奇点，一个从无到有的转变，超越了现代科学认知或数学逻辑。如果你想在宇宙中寻找造物主的证据，大爆炸就是你的起点。

一开始，一切空间、能量和物质从不可知的虚空中诞生。最初什么都没有。然后，一些东西出现了。这个概念已经超出了我们构建隐喻的能力。我们的宇宙并不是突然出现在以前只是真空的地方，因为在大爆炸之前，没有体积，也不存在时间。我们对“无”的理解意味着空，但在大爆炸之前，甚至没有什么东西是空的。

然后，一瞬间，不只是一些东西出现了，而是所有可能的东西都突然冒出来了。那时，宇宙的体积可能比一个原子核还小。这个极度压缩的宇宙始于均匀的纯能量，没有粒子来破坏这完美的一致性。宇宙迅速膨胀，但并不是向太空或其他任何外部膨胀（因为我们的宇宙不存在“外部”）。体积出现并增长，不过当时还是热能的形式。宇宙随着扩大逐渐冷却。第一批亚原子粒子出现在大爆炸后的不到一秒内——纯能量变成了物质，电子和夸克就此诞生。它们是我们世界上所有固体、液体和气体的不可见的本质。随后，仍然在不到宇宙第一秒的时间里，夸克成对或三个一组结合形成更大的粒子，包括构成每个原子核的质子和中子。当时的宇宙仍然热得难以想象，这样的状态持续了大概50万年，直到不断膨胀的宇宙最终冷却到几千度，在这个温度下，电子能够围绕在原子核周围，形成第一批原子。在这些原子中，氢超过90%，还有少量氦和微量锂。元素的混合形成了第一批恒星。

第一缕光

引力是聚集宇宙的巨大引擎。一个氢原子很小，但是把一个原子乘以10的60次方，它们就会对彼此施加相当大的引力。引力将它们向内拉到一个共同的中心，形成一颗恒星，这是一个巨大的气态球体，其核心承受着巨大的压强。随着巨大的氢云坍缩，恒星的形成过程将移动的原子的动能转化为原子聚集态的引力势能，再进一步转化为热量，这个过程与小行星撞击地球时的剧烈过程是一样的，但释放的能量要多得多。氢球的核心温度最终达到了千百万度，压强也达到千百万个大气压。

这种温度和压强引发了一种新现象，它被称为核聚变反应。在这些极端条件下，两个氢原子的原子核（每个氢原子核都包含一个质子）以这样的力碰撞，中子从一个核转移到另一个核，使得一些氢原子变得比其他一些更重。经过数次碰撞，就会形成带有两个质子的氦原子核。出乎意料的是，由此产生的氦的质量比形成它们的原始氢的质量少1%。损失的质量直接转化为热能（就像氢弹一样），从而促成更多的核聚变反应。恒星被“点燃”，周围覆满辐射能，氢变得越来越少，而氦变得越来越丰富。

许多巨大的恒星要比我们的太阳大得多，它们最终耗尽了核中大量的氢。但极端的内部压强和高温会继续促进核聚变。恒星核中带有两个质子的氦原子聚变成碳原子，每个碳原子有6个质子，这是一种至关重要的生命元素，碳甚至可以作为新的核能脉冲在恒星核周围的原子球层中触发氢的聚变。然后核中的碳聚变成氖，氖再聚变成氧，然后是镁、硅、硫等等。渐渐地，恒星发展成了洋葱一样的结构，一层又一层的同心球层都在发生聚变反应。这些反应发生得越来越快，直到最终阶段产生铁原子，这个阶段通常不超过一天。第一批恒星的生命周期走到这里时，大约是大爆炸的千百万年之后了，元素周期表里的前26个元素大都已经通过众多恒星内的核聚变被创造了出来。

铁原子是这个核聚变过程所能达到的极限。氢聚变产生氦，氦聚变产生碳，以及所有其他的聚变步骤中，都会释放大量核能。但是铁原子核的能量是所有原子核中最低的。当高温把所有燃料都变成灰烬时，能量就用尽了。铁是最终的核灰，铁与任何东西聚合都无法产生核能。所以当最初的大质量恒星产生了不可避免的铁原子核时，这个聚变游戏就结束了，而结果将是灾难性的。在那之前，恒星一直保持着一种稳定的平衡，其中两种巨大的内力互相制衡：引力将质量拉向中心，核反应将质量从中心向外推。然而，当核心充满铁的时候，向外的推力就不存在了，巨大的引力瞬间占据了上风。整颗恒星以极大的速度向内坍缩，然后反弹，爆炸产生了最初的超新星。恒星被撕裂，它的大部分质量向外爆炸喷发。

化学的诞生

对于那些在宇宙中寻找设计痕迹的人来说，超新星几乎和大爆炸一样，是个很好的起点。可以肯定的是，大爆炸必然导致了氢原子的出现，而氢原子不可避免地创造了第一批恒星。然而，恒星把你带到现代的生命世界的过程却一点也不明显。一个巨大的氢球尽管确实有越来越多铁那样的重元素聚集在核内，但似乎并未以十分引人注意的方式将一切发展下去。

但当第一批巨大的恒星爆发时，宇宙的新篇章随之打开。这些破碎的天体在太空中播撒着它们创造的元素。碳、氧、氮、磷和硫这些与生命有关的元素特别丰富。镁、硅、铁、铝和钙也格外丰富，它们是许多常见岩石的主要成分，并构成了类地行星的很大一部分质量。但在这些爆发的恒星所创造的不可思议的高能环境中，这些元素以全新奇异的方式聚变，创造出了所有元素周期表中的元素，使得元素的数量远远超过了26个。同时还出现了许多更罕见元素最初的踪迹，比如珍贵的银和金、实用的铜和锌、有毒的砷和汞，以及放射性的铀和钚。更重要的是，所有这些元素都被抛入太空，在那里它们能够通过化学反应找到彼此，并以有意义的新方式聚集在一起。

普通的原子相撞时，会发生化学反应。每个原子的中心都有一个小而重的核，这个核带正电，核的周围是一个或多个带负电的电子形成的电子云。除非在恒星内部的终极“高压锅”环境中，单独的原子核几乎不会发生相互作用。但是原子的电子会不断与相邻原子的电子碰撞。当两个或更多个原子相遇，它们的电子相互作用并重新排列时，就会发生化学反应。电子会这样重组和共享，是因为某些电子组合非常稳定，特别是2个、10个或18个电子的组合。

大爆炸之后的第一批化学反应产生了分子，分子是几个原子紧密结合形成的一个小单元。甚至在氢原子开始在恒星中聚变形成氦之前，氢分子（H2）就在深空的真空中形成了。每个氢分子由两个氢原子以化学方式结合在一起。每个氢原子只携带一个电子，它们并不稳定，毕竟“2”才是宇宙中电子的“魔法数字”。所以当两个氢原子相遇时，它们会整合资源，形成一个具有两个共享电子的分子，来满足那个魔法数字。由于大爆炸后氢的丰度很高，氢分子肯定早于第一批恒星出现，并且自原子首次出现以来，氢分子一直是我们宇宙的恒定特征。

最初的超新星爆发后，随着各种其他元素被播撒进太空，许多其他引人关注的分子得以形成。两个氢原子与一个氧原子结合而成的水分子（H2O）就是一个早期的例子。氮（N2）、氨（NH3）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）分子也有可能在超新星周围的太空中富集。所有这些分子类型都将在行星的形成和生命的起源过程中发挥关键作用。

然后是矿物，矿物是一种微观上具有化学完美性和结晶秩序的固体。最初的矿物只有在形成元素的密度足够高而温度足够低的情况下才能形成，因为原子在这种情况下才能排列成小晶体。就在大爆炸的几百万年后，最先爆发的恒星周围冷却的延伸包层为这种反应提供了完美的环境。纯碳的微晶，也就是钻石和石墨，可能是宇宙中最早的矿物。那些最早出现的晶体就像细小的尘埃，单个的颗粒很小，但凝聚在一起可能会大到足以给太空增添一点钻石的光芒。这些晶质形式的碳很快就与其他高温固体结合，这些高温固体含有更常见的元素，包括镁、钙、硅、氮和氧。它们中有些是常见的矿物，比如一种铝和氧的化合物，名叫刚玉，它有一些丰富多彩的品种，也非常珍贵，比如红宝石和蓝宝石。微量的硅酸镁橄榄石也出现了，它被认为是八月的诞生石。还有一种碳化硅，名叫莫桑石，它现在经常作为钻石的廉价的人造替代品。星际尘埃总共包含十几种常见的“元矿物”。随着第一批恒星的爆发，宇宙开始变得更加富有生机。

在我们的宇宙中，没有什么事情只发生一次（或许除了大爆炸）。古老的恒星爆发后散落的碎片不断受到引力的作用。因此，前几代恒星的遗迹通过形成新的星云，必然会孕育新的恒星，每一个星云都是由气体和尘埃组成的巨大的星际云，是许多先前恒星的残骸。每一个新的星云都比之前的含有更多的铁，而氢含量则稍低。138亿年来，这个循环一直持续，古老的恒星会产生新的恒星，并慢慢改变宇宙的构成。无数个恒星在数不清的星系中诞生。

宇宙的线索

很久以前，大约50亿年前，我们如今处在银河系“郊区”的家园位于银河系中心到边缘的一半的位置，处于布满恒星的旋臂的荒芜边缘。在这个毫不起眼的地方，在黑暗的虚空中，除了一个由气体和冰尘组成的巨大星云绵延数光年之远，其他什么也没有。那片气体云的十分之九是氢原子，其余物质中的十分之九是氦原子，富含有机小分子和微观矿物颗粒的冰和尘埃占了剩下的1%。

太空中的星云能够一直存在千百万年，直到一个触发事件让它开始坍塌成新的恒星系，这种典型的触发事件包括附近爆炸恒星的冲击波。大约46亿年前，这样一个触发事件造就了我们的太阳系。在100万年的时间里，太阳系形成前的气体和尘埃团在旋转中以极其缓慢的速度向内聚拢。就像一位旋转的溜冰者，随着引力把纤细的臂拉向中心，巨大的气体云旋转得越来越快。当星云坍塌并加速旋转时，云变得更加致密，逐渐变平，形成一个中心凸起的圆盘，这就是新生的太阳。这个富含氢的中心球体越长越大，最终吞噬99.9%的云质量。随着中心球体的成长，内部压力和温度上升至聚变点，点燃了太阳。

接下来所发生事情的线索就保存在我们太阳系的记录中，包括这里的行星和卫星、彗星和小行星，以及丰富多样的陨石。一个显著的特点是，所有行星和卫星都在同一平面上、沿同一方向围绕太阳运行。更重要的是，太阳和大多数行星差不多都在同一平面上沿同一方向绕着它们各自的轴旋转。运动定律中没有任何一条规定了这种自转的一致性；行星和卫星可以以任何方式公转和自转，从北到南、从东到西、从上到下、从下到上都可以，同时仍然遵守万有引力定律。如果行星和卫星是从遥远的来源随机捕获的，可能就会是这样一个大杂烩。相比之下，我们在太阳系中观测到的接近一致的轨道表明，行星和卫星几乎是在同一时期由同一个尘埃和气体组成的平面旋转圆盘上聚集成的。所有这些巨大的天体都保持了最初在星云中的旋转方向，也就是说，整个太阳系有着相同的角动量。

太阳系起源的第二条线索来自其中八大行星的独特分布。离太阳最近的四颗行星，水星、金星、地球和火星是相对较小的岩质行星，主要由硅、氧、镁和铁元素组成。它们表面主要是类似黑色的火山玄武岩一样致密的岩石。相对靠外的四颗行星，木星、土星、天王星和海王星是气态巨行星，主要由氢和氦组成。这些巨大的球体不存在固体表面，越往深处只有越厚的大气层。这种行星一分为二的现象表明，在太阳系历史的早期，就是太阳诞生后的几千年内，强烈的太阳风将剩余的氢和氦吹到了更冷的区域中。在离太阳足够远的地方，这些易变的气体会冷却、凝结并聚合成各种球体。相比之下，那些更大、富含矿物质的尘埃颗粒留在了距离炽热的中央恒星更近的地方，它们快速地聚集在一起，形成了靠内的岩质行星。

形成地球和其他内行星的剧烈过程的细节，在种类惊人的陨石中完美地保存了下来。想到我们的家园经常被从天而降的石头砸到，我们多少会感到有些不安。事实上，科学界直到最近大概两百年才注意到它们，尽管民间传说中不乏丰富多彩的陨石奇闻逸事，包括一些关于不幸的法国农民的故事。尽管学者已开始更正式地提出陨石是从天上落下来的，但几乎没有任何可复制的科学证据能用来记录它们，更不用说解释它们的来源了。美国政治家、博物学家托马斯·杰弗逊在读了耶鲁大学有关康涅狄格州韦斯顿的陨石撞击观测的技术报告后，打趣地说道：“我发现，相信两个[美国]北方教授撒谎，比相信石头从天上掉下来要更容易些。”

经过两个世纪数以万计的陨石陆续被发现，这些故事的真实性不再受到质疑。随着陨石专家来到更多区域，以及狂热的收藏家争夺最稀有的种类，世界各地的博物馆和私人收藏的陨石数量急剧增加。有一段时间，收藏者偏好独特的铁陨石，它们有黑色的外壳、怪异的蚀刻形状和极高的密度，因此与普通的岩石相比显得与众不同。但1969年在原始的南极冰原上发现的数千颗陨石改变了这种看法。

陨石为我们带来了有关地球起源的线索。最常见和最古老的陨石是45.66亿年前的球粒陨石，它们形成的时间正好在太阳系行星和卫星形成之前，那时，太阳的核反应刚刚开始，强烈的辐射能炙烤着周围环绕的星云。高炉效应将星尘盘熔成一团团又小又黏的岩石球，称为球粒，该名称来自古希腊语中的“谷物”。这些太阳高温炼过的产物，大小从滚珠轴承到小豌豆粒不等，被多次熔化，在反复的辐射脉冲中改变了离太阳最近的区域。这些古老的球粒被太阳系形成前颗粒更细的尘埃和矿物碎片粘在一起，形成了原始球粒陨石，落在地球上的有很多。球粒陨石为我们观察太阳诞生之后、行星形成之前的这段短暂的时间提供了一种绝佳的视角。

第二类比较年轻的陨石统称为无球粒陨石，可追溯到太阳系最早的物质熔化、粉碎或变形的时候。无球粒陨石具有惊人的多样性，它们有的是闪亮的金属块，有的是大块的黑色岩石，有的是像玻璃一样的细粒，还有一些是一英寸宽的有光泽晶体。在地球上最偏远的一些地区，仍有更多新品种在不断被发现。

无球粒陨石

南极大陆拥有大片古老的蓝色冰原，这些地方其实从不下雪。从太空中掉下的岩石就静静地躺在那里，这些黑暗的“天外来客”只等着被发现。国际条约禁止对该地区进行商业开发，加上进入偏远冰原的机会有限，这些地外资源能得到很好的保护，以用于科学研究。包裹严实的科学家成群结队地到达这里，乘坐直升机和雪地摩托，在这些环境险恶的冰原上进行地毯式的系统搜索。他们仔细记录并包装每一个发现，确保手或呼吸没有污染表面。每次南极夏季过后，这些“陨石猎人”回到文明社会，都会把他们找到的珍宝转交给公共收藏，其中最著名的是马里兰州休特兰郊区的史密森尼学会的储藏设施，那是一个足球场大小的建筑物，里面有成千上万的标本，保存在高度洁净的密封储藏柜中。

同样富有陨石的地区还有澳大利亚、美国西南部、阿拉伯半岛，以及最引人注目的北非广袤的撒哈拉沙漠，尽管这些地区对有组织的复原和无菌保存无甚益处。有流言在横穿撒哈拉沙漠的图阿雷格人、柏柏尔人、费扎人等游牧民族中盛传，称陨石可能很有价值。21世纪早期，有人在北非的流沙中发现了一块珍贵的月球陨石，据说在一次私人拍卖中它的成交价达到了100万美元。对沙漠骑手来说，从骆驼上跳下来，携带着一块奇石去下一个村庄是很容易的事儿，那里会有一个陨石中间商的非官方协会给他一点现金成交。这些中间商通过卫星电话联系，巧舌如簧。一袋袋岩石从一个经销商转到下一个经销商手上，每转一次涨一个差价，直到运达马拉喀什、拉巴特或开罗，然后在易趣上和大型国际岩石及矿物展上送到买家手中。

在我前往摩洛哥偏远地区的地质学考察旅行中，不止一次有人向我提供粗麻袋，里面装着10磅到20磅据称是陨石的岩石，他们会说：“没有中间商，上周刚从沙漠里找到的。”这些只收现金的“交易”通常在棕泥砖房里没有窗户的昏暗密室中进行，远离刺眼的沙漠阳光，几乎看不清麻袋里装的是什么。在礼节性地问候和分享传统的薄荷茶后，卖家就会把里面的东西倒在地毯上。有些石头只是岩石，就是那种铺路的碎石。这就像是一个测试，看你是否了解你要的东西。有些是最常见的球粒陨石，一般有橄榄或鸡蛋那么大，有些则有熔化得很好的熔壳，是快速从天而降过程中灼烧的产物。起价总是非常高。如果你说它们太普通了，可能就会出现一个更小的袋子，里面装着铁陨石或更稀奇的东西。

我记得，有一次我们的导游阿卜杜拉在斯库拉以东几英里的一条尘土飞扬的小路上做过一次交易。卖家是一位信誉可疑的远方熟人，用卫星电话打来，并要求保密。“可能是火星陨石，”他告诉阿卜杜拉，“900克。只要两万迪拉姆。”大约折合2 400美元——来自火星的已知陨石只有二十几颗，如果他说的是真的，那就捡着大便宜了。他们约定了时间和地点。两辆不起眼的汽车并排停下，我们三个人从车上下来，紧挨着站成一圈。那块提到的岩石从一个天鹅绒小袋子里滑了出来，但它看起来就像一块普通的岩石（所有火星陨石都是这样）。价格降到了15 000迪拉姆。然后是12 000。但我们没有办法确定它是不是火星陨石，所以我们放弃了。后来阿卜杜拉向我透露，他其实动心了，但总有更多的陨石出现。最好不要贪得无厌，没有人会说实话，所有交易都是一锤子买卖。

就像南极洲一样，赤道沙漠揭示了各种陨石的自然分布，为我们了解早期太阳系的特性以及我们地球的起源提供了无与伦比的线索。令人遗憾的是，与南极洲的陨石不同，这些样本中的大多数永远无法进入博物馆收藏，这至少有两个原因。首先也最重要的是，越来越多的业余收藏家群体竞争激烈，少数富有的狂热爱好者和撒哈拉地区陨石易于获取的特点助长了私人收藏之风。任何稀有的东西都会很快被卖出，而且价格很高。这些标本中的一部分最终无疑会被捐赠给博物馆，但大多数没有得到妥善处理，刚发现时的大部分科学价值很快就被无防护的手、多用途布袋和随处可见的骆驼粪所污染。同样令人苦恼的是缺乏任何有用的文书记录，例如陨石是何时何地在沙漠中被发现的。所有商人都会说“摩洛哥”，但这通常是一个谎言，因为撒哈拉沙漠的大部分位于东部，地处阿尔及利亚和利比亚，现在从这些国家进口标本是非法的。因此，没有严格的文件，大多数博物馆不会接受“摩洛哥”或“北非”的陨石。

在环境恶劣、干旱的撒哈拉沙漠地区，或者南极洲的冰原上，任何从天上掉下来的岩石都显得与众不同。这样一种无杂质的陨石种群样本，让科学家对太阳系早期地球形成的时期有了最好的了解。每十个发现中差不多有九个是球粒陨石，其余的是各种各样的无球粒陨石，它们属于一个长达千百万年的时代，那时我们年轻的太阳系还只是一团不稳定的星云，球粒陨石聚集在一起，形成越来越大的天体：首先是拳头大小，然后是汽车大小，接着是一座小城的大小——几十亿个直径数英里的物体，都围绕着年轻的太阳，在同一条窄环上争夺空间。

它们越变越大：达到罗得岛的大小，然后是俄亥俄州、得克萨斯州甚至阿拉斯加州那么大。当成千上万这样的星子经历着这种混沌的吸积过程时，它们以新的形式越发多样化。当它们的直径增加到50英里或更大时，两个同等的热源混合。许多碰撞到一起的小物体的引力势能与快速衰变的放射性元素（如铪和钚）的核能在强度上相当。组成这些星子的矿物就这样被热量改变，它们的内部彻底熔化，分化成一种类似鸡蛋构造的独特矿物区：一个富含金属的致密核心（类似蛋黄），硅酸镁地幔（蛋白），以及薄而脆的外壳（蛋壳）。最大的星子被内热、与水的反应以及在拥挤的太阳系边缘频繁碰撞的强烈冲击所改变。估计有300种不同的矿物是由于这种动态的行星形成过程而产生的。那300种矿物是每一颗岩质行星一定会形成的原料，而所有这些矿物至今仍存在于坠落到地球的各种陨石中。

当两颗巨大的行星以足够大的力量碰撞在一起时，它们就会被炸成碎片，这种情况时有发生。（由于巨行星木星的引力干扰，这一剧烈的过程直到今天仍在火星与木星之间的小行星带中发生。）因此，我们今天发现的大多数不同的无球粒陨石代表了被摧毁的小行星的不同部分。因此，分析无球粒陨石有点像用一具爆炸的尸体上一堂棘手的解剖学课。我们需要时间、耐心，还有很多零碎的工作，才能清楚地看到原来身体的模样。

星子的致密金属核是最容易解释的，它们最终形成一类独特的铁陨石。尽管曾经被认为是最普通的陨石类型，但南极的无偏样本显示，铁陨石在所有坠落的陨石中只占5%。星子的核一定是相对较小的。

许多奇特的陨石类型代表了全然不同的富含硅酸盐的星子幔，这些陨石包括古铜钙长无球粒陨石、钙长辉长无球粒陨石、奥长古铜无球粒陨石、橄辉无球粒陨石、斜方辉石-橄榄石原始无球粒陨石、古铜辉石橄榄石铁陨石等，每一种都有其独特的成分、结构和矿物学特性，大多数（英文名称）以最早发现陨石的地方命名。其中一些陨石与今天地球上的岩石类型非常相似。钙长辉长无球粒陨石代表一种相当典型的玄武岩，这种岩石从大西洋中脊喷出，覆盖在海底。奥长古铜无球粒陨石主要由硅酸镁矿物组成，它大概是大型地下岩浆库中晶体沉降的结果。当岩浆冷却时，比周围热液体更致密的晶体生长，沉到底部，形成浓缩的质量，就像今天在地球深处的岩浆库中发生的那样。

偶尔，在一次极具破坏性的碰撞中，一颗陨石碰巧获得一块星子核幔边界的碎片，在核幔边界，有大量硅酸盐矿物和富含铁的金属共存。结果就形成了美丽的橄榄石铁陨石，一种闪亮的金属和金黄的橄榄石晶体的混合物。抛过光的橄榄石铁陨石薄片，光会从金属上反射出来，并穿过彩色玻璃状的橄榄石，它是所有陨石样品中最珍贵的标本之一。

随着引力将早期的球粒陨石聚集在一起，并伴随着高压、高温、腐蚀性的水和剧烈的撞击，越来越多的新矿物出现了。在所有陨石中，总共发现了250多种不同的矿物，数量比太阳系形成前的那十几种矿物增加了20倍。这些不同的固体，包括第一批细粒黏土、片状云母和准宝石锆石，成了地球和其他行星的基石。星子越来越大，最大的那些吞噬了较小的星子。最终出现了几十个巨大的岩石球，每个都有一颗小行星那么大，它们充当着巨大的真空吸尘器，横扫太阳系的大部分区域，在尘埃和气体聚集成接近圆形的轨道时，将它们清扫干净。一个天体最终在哪里了结，很大程度上取决于它的质量。

组装太阳系

太阳拥有太阳系的绝大部分质量，它主宰着一切。太阳系并不是一个特别大的恒星系统，太阳也只是一颗普通的恒星，这对附近的一个有生命的行星来说是件好事。矛盾的是，恒星质量越大，寿命就越短。巨大恒星更高的内部温度和压力会使核聚变反应越来越快。因此，一颗质量相当于太阳10倍的恒星，或许只能维持太阳十分之一的寿命，最多也就是几亿年，在这颗恒星爆发成致命的超新星之前，几乎没有足够的时间让一颗围绕其旋转的行星开始孕育生命。相反，一颗质量是太阳质量十分之一的红矮星，其寿命将达到太阳的10倍以上，也就是1 000亿年或更长时间，但是，这样一颗弱恒星所释放的能量可能无法像我们这颗光芒四射的黄色能量球一样维持生命。

我们中等大小的太阳正好处在一个合适的中间值上：它的质量没有很大，寿命不算短，同时质量也不算太小，温度不会过低。它预计有90亿或100亿年可靠的氢燃烧，这意味着有足够的时间让生命延续，也有足够的时间让它们继续演化。诚然，再过四五十亿年，太阳核心中的氢就会耗尽，必须改为燃烧氦。在这个过程中，它将膨胀成一颗比现在直径大一百倍的红巨星，也会变得没那么宜人，它会吞没可怜的水星，先“烫伤”再吞下金星，这也会让地球变得相当被动。然而即使在45亿年后，在太阳进入脾气暴躁的晚年，让地球上的生命变得不确定之前，我们仍然有足够的时间。

我们的太阳系对一个有生命的星球有另一个重要的好处。与其他大多数恒星系统不同，太阳系是单恒星系统。天文学家使用强大的望远镜发现，我们在夜空中看到的恒星中，每三颗中大约有两颗实际上是双星系统。在双星系统中，两颗恒星围绕一个共同的引力中心起舞。在那些恒星形成之时，氢会在两个不同的地方聚集而形成巨大的气团。

如果我们的星云曾经旋转得更猛烈一些，有更多的角动量，因而在木星区域有更多的质量，那么我们的太阳系可能也会成为一个双星系统。太阳的质量就会更小，木星就不会是一颗巨大的富氢行星，而是成长为一个小的富氢恒星。也许生命会在并立的二者之间繁衍。也许一颗额外的恒星会提供维持生命的额外能量来源。但两颗恒星的引力作用可能会很棘手，地球可能最终会变成一个对生命极不友好的世界，它会出现一个偏心的轨道，自旋不稳定，气候剧烈变化，因为两个强大的引力源会把它往不同的方向拉扯。

事实上，气态巨行星的表现相当不错，它们大小适中，绕太阳运行的轨道接近圆形。木星是其中最大的一颗，其质量接近太阳质量的千分之一，这已足够对邻近的行星施加明显的控制了。由于木星的破坏性引力场，组成小行星带的星子从未聚合成一颗行星。但木星并没有大到足以在自己的核心引发核聚变反应，这是恒星和行星之间的决定性差异。稍远些的有环的土星，以及更遥远且更寒冷的天王星和海王星则更小。

尽管如此，所有这些气态巨行星都足够大，可以捕获被它们自己的引力束缚的碎片盘，就像太阳系中的“小太阳系”一样。因此，这四颗靠外侧的行星都有一系列迷人的卫星，其中包括一些较小的小行星，它们被巨行星的引力吸引，继而沿轨道运行。其他卫星是在行星诞生过程中残余的尘埃与气体里比较合适的位置上形成的，有的几乎和四颗靠内的行星差不多大，有自己的动态地质过程。事实上，太阳系中最活跃的天体是木星的卫星木卫一，它离木星非常近，每41小时就走完一圈完整的轨道。木卫一的直径约2 260英里，巨大的潮汐力不断给它施加压力，并为六座火山提供能量，这些火山上含硫的气流柱从卫星表面延伸超过100英里，与太阳系中其他的火山都不一样。同样迷人的还有木卫二和木卫三，这两颗巨大的卫星和水星差不多大小，由几乎相等比例的水和岩石组成。这两颗大卫星的内部都被木星持续的潮汐力加热。因此，它们的深处都有环绕的、被冰覆盖着的海洋，成为美国国家航空航天局（NASA）地外生命搜索的目标。

土星是木星外面的行星，它不仅拥有二三十颗卫星，还带有一个由超强反光的小块水冰组成的光环系统。土星的大部分卫星都比较小，其中一些是被捕获的小行星，另一些则由土星的剩余气体形成。但它最大的卫星土卫六比水星还要大，被厚厚的橙色大气所笼罩。欧洲空间局的惠更斯探测器于2005年1月14日登陆土卫六，我们得以近距离看到土卫六的动态表面。河流和溪流的分支网络连接着冰冷的液态碳氢化合物湖。稠密、多彩、动荡的大气中混杂着有机分子。土卫六是另一个值得探索生命迹象的世界。

最遥远的气态巨行星是天王星和海王星，它们同样拥有十分吸引人的卫星。大多数卫星表现出了水冰、有机分子和持续动态活动的迹象。海王星的大卫星海卫一甚至具有一个富含氮的大气层。天王星和海王星都有复杂的光环系统，它们的光环似乎由大量汽车大小的富含碳的黑色物质组成，这与构成土星冰环的发光粒子非常不同。

岩质世界

在离我们的家园更近的地方，引力也起着作用。太阳点燃后，大部分的氢和氦被吹到气态巨行星的区域，太阳系靠内部分的质量要少得多，其中大部分由硬质岩石提供，也就是组成球粒陨石和无球粒陨石的物质。水星是最小、最干燥的岩质行星，它在离太阳最近的地方形成。这颗最靠内的行星似乎是环境恶劣、死气沉沉的焦土世界：几十亿年来的强烈撞击形成多坑的表面，天空中没有空气。如果有人问你太阳系中最不可能出现生命的天体，水星会是你的首选。

金星是水星外面的行星，是地球的孪生兄弟，但两颗星球在宜居性上却有着天壤之别，这在很大程度上要归因于它的轨道：金星的轨道要比地球轨道距离太阳近约3 000万英里。在金星的历史早期，它可能有一定量的水储备，甚至有一片浅浅的海洋，但是在太阳的高温和太阳风的洗礼下，金星上的大部分水似乎都被煮沸蒸发了，这个世界不再湿润。金星厚厚的大气中主要是二氧化碳，它们锁住了太阳的辐射能，造成了失控的温室效应。今天金星的平均表面温度超过了900华氏度^[1]，热到足以熔化铅。

火星比地球离太阳更远一些，其质量比地球小得多，只有地球质量的十分之一，但它在许多方面是和地球最像的。像所有的岩质行星一样，火星有一个金属的星核和一个硅酸盐的星幔。和地球一样，它也有大气和大量的水。它相对较弱的重力很难将高速的气体分子保持在上层大气中，因此数十亿年来，空气和水都逐渐消失了，然而火星仍然保存着温暖潮湿的地下水库，那里可能是生命的一个脆弱的庇护所。难怪大多数的行星探索任务都把这颗红色星球作为目标。

地球是“离太阳第三远的岩石”，恰好处在宜居带的中间。它离太阳足够近，也足够热，将大量的氢和氦“让”给了太阳系更靠外的区域；但它离太阳也足够远，也足够冷，可以让大部分水保持液态。和我们太阳系中的其他行星一样，地球形成于约45亿年前，基本上是在几百万年的时间里，从碰撞球粒陨石和随后形成的引力团变成越来越大的星子。

深时

在关于太阳、地球和太阳系其他部分诞生过程的所有证据中，贯穿着巨大的时间跨度的概念——45亿年，并且仍在继续。美国人喜欢引用人类历史上著名事件的日期。我们会庆祝伟大的成就和发现，例如莱特兄弟的首次飞行是1903年12月17日，首次载人登月是1969年7月20日。我们会记述国家损失和悲剧的日子，比如1941年12月7日和2001年9月11日。我们会记得国家生日——1776年7月4日，当然还有1809年2月12日（查尔斯·达尔文和亚伯拉罕·林肯两人巧合的生日）。我们相信这些历史时刻是准确的，因为一份完整的笔录和口述记录将我们与不那么遥远的过去联系在一起。

地质学家也喜欢引用历史上的时间标记：大约12 500年前，最后一次冰期结束，人类开始在北美定居；6 500万年前，恐龙和许多其他生物灭绝；5.3亿年前，寒武纪之初，突然出现了各种硬壳动物；超过45亿年前，地球成为围绕太阳运行的行星。但是，我们如何才能确定这些年龄估算是正确的呢？没有关于地球几千年前的古代纪年的书面记录，也没有任何口述材料。

45亿是一个几乎无法算清楚的数字。目前人类寿命的吉尼斯世界纪录是由一位法国女性保持的，她庆祝了自己122岁生日。因此人类甚至无法存活45亿秒（约144年），所有有记录的人类历史还不到45亿分钟。然而，地质学家却声称地球已经存在超过45亿年了。

理解“深时”并不容易，但我有时试着用很长一段路来解释它。在马里兰州安纳波利斯南部，切萨皮克湾西岸有片20英里长的悬崖，它雄伟壮观，延绵起伏，还藏有许多化石。沿着水陆之间的狭长地带走，你可能会发现大量灭绝的蛤蜊和螺旋形蜗牛、珊瑚和海胆。如果你足够幸运，可能偶尔还会碰到一个6英寸的锯齿鲨齿或6英尺的流线型的鲸头骨。这些珍贵的遗物讲述了1 500万年前的时光，当时，这个地区更温暖，气候更像热带，就像今天的毛伊岛，巨大的鲸来到这里产崽，60英尺长的大鲨鱼尽情地以弱者为食。这些化石集中在300英尺深的沉积物中，而此地的沉积物形成于地球历史的300多万年中。砂岩和泥灰岩的地层微微地向南倾斜，沿着海滩行走就像在时光中漫步。每向北跨出一步，都会看到更古老一些的地层。

想要了解地球历史的尺度，就想象着是在走回过去，每走一步就是退后了一百年，每一步等于三代多人的历史。一英里就让你回到了17.5万年前。切萨皮克的悬崖长20英里，辛苦地走上一天，相当于过了300多万年。但要想在地球历史上留下一个小小的印记，你就必须以这样的速度走上好几个星期。每天20英里，每走一步跨越100年，走上20天，你就会回到约7 000万年前，也就是恐龙大灭绝之前。每天20英里这样走下去，5个月的行程相当于5.3亿多年，也就是寒武纪“大爆发”时期，在这一时期，大量硬壳动物几乎同时出现。但如果每走一步代表100年，你得走上差不多三年，才能到达生命的曙光出现的时刻，而要走上四年，才会到达地球的开端。

我们为什么这么肯定？地球科学家已经发现大量证据，表明地球极其古老，表明深时确实存在。最简单的证据出现在产生物质年层的地质现象中，数出层数，就数出了年代。最引人注目的地质年历是纹泥沉积物，其形成的明暗交替的薄层，分别代表了颗粒较粗的春季沉积物和颗粒较细的冬季沉积物。瑞典的冰川湖保存了一个记录细致的序列，包含13 527年的地质分层，每年一个新的明暗层沉积下来。在怀俄明州秀丽陡峭的峡谷中，格林河页岩层层分明，有着连续的垂直剖面，年层超过100万层。同样，来自南极和格陵兰岛几千英尺深的冰钻岩芯，展露了超过80万年的堆积物——年复一年，积雪层层覆盖。所有这些分层都堆叠在极其古老的岩石之上。

对缓慢的地质过程的测量进一步延长了地球历史的时间尺度。规模巨大的夏威夷群岛需要缓慢而稳定的火山活动，熔岩不断地堆积覆盖，根据现代的喷发速度，这一过程至少持续了数千万年。阿巴拉契亚山脉和其他古老的圆顶山脉是由数亿年的缓慢侵蚀而形成的，那些构造板块的几乎无法察觉的运动，也是在数亿年的周期中塑造了大陆，开辟了海洋。

物理学和天文学为深时提供的证据同样具有说服力。碳、铀、钾、铷和其他元素的放射性同位素具有可预测的衰变速率，它们是非常精确的时钟，能够用来确定岩石形成事件的年代，甚至能追溯到数十亿年前太阳系形成的时候。如果你收集了100万个放射性同位素原子，其中一半会在一段叫作半衰期的时间内衰变。例如，有100万个铀-238原子，等44.68亿年的半衰期过去后，我们再回来看，你会发现只剩下了大约50万个铀-238原子。其余的铀衰变成50万个其他元素的原子，最终变成稳定的铅-206原子。再过44.68亿年，就只剩下约25万个铀原子了。用这种放射性定年法，我们测定了最古老的原始球粒陨石的年龄，就是45.66亿年。

但是在太阳系出现之前的数十亿年呢？天体物理学家对遥远星系运动的测量表明，宇宙比45亿年古老得多。所有星系都在加速远离我们。多普勒频移的数据，也就是所谓的红移效应表明，距离越远的星系退行得越快。如果倒放宇宙这盘磁带，一切都会收缩到约138亿年前的某一点。那就是大爆炸。来自最遥远天体的光在太空中已经传播130多亿年了。

关于这一点的数据毋庸置疑。任何声称地球年龄是一万年或者更少的说法，都与来自各个科学领域的清晰而可靠的观测证据相矛盾。除非宇宙是在一万年前被创造出来的，而且这种创造让它看起来更古老——这是美国博物学家菲利普·戈斯（Philip Gosse）于1857年在他费解的论著《脐》（Omphalos，得名于希腊语中的“肚脐”一词，因为没有母亲的亚当是有肚脐的，所以他看起来像是由女人生出来的）中首次阐述的结论。戈斯列举了数百页的证据，证明地球极其古老，然后开始描述上帝如何在一万年前创造了一切，使它们看起来要古老得多。

有些人可能会从这个神创古代（Prechronism）的创世论漏洞中找到慰藉。针对天体物理学家对数十亿光年之外的恒星和星系的观测证据，神创古代论的支持者反驳称，创造宇宙时那些恒星和星系本来就要向地球发出光。他们认为，具有古老比例的放射性同位素和子体同位素的岩石，是故意由铀、铅、钾和氩的恰当比例混合形成的，这使得它们看起来比实际年龄要古老得多。如果你相信这种神创古代论，我建议你跳到第十一章。如果不是这样，就让你的想象力跳回到几十亿年前的过去，也就是我们星球诞生的时刻。

45亿年前的地球诞生是一出大戏，它在整个宇宙历史上无数次上演。每一颗恒星和行星都产生于荒凉到接近真空的太空中，由气体和尘埃组成。单个物质粒子太小，我们的肉眼看不见，但它们聚在一起却非常大，我们可以观察到几乎横跨半个银河系的正在形成恒星的巨大云团。几十亿年前，引力促成了太阳系的诞生，在一群行星“小矮人”中，太阳以孤独的巨人姿态出现。核反应让太阳表面燃烧，让它的行星邻居沐浴在光明和温暖之中。就这样，我们的家园在通往有生命的世界的路上蹒跚地迈出了第一步。

这些史诗般的事件看起来那样陌生，但其实我们每一天都经历着导致地球形成的宇宙现象。构成地球的元素和原子也构成了我们的身体和居住地。万有引力将恒星和行星从尘埃和气体中聚集起来，将元素锻造成恒星，也将我们牢牢地固定在我们的行星家园上。说到物理和化学的普遍规律，太阳底下没有什么新鲜事。

岩石、恒星和生命带给我们的启示是同样明晰的。要了解地球，你必须先将自己从微不足道的人类生命的时空尺度中分离出来。我们生活在一个由一千亿个星系组成的宇宙中，每个星系都有一千亿颗恒星。同样，我们生活在一个已经历了数千亿天的宇宙中，日复一日。如果你要在宇宙中寻求意义和目的，你不会在任何与人类的存在相关的特殊时刻或地点找到它。空间和时间的尺度大得令人难以置信。但是，一个被自然规律所限定的宇宙，必然会导致世界有机会被认识，正如科学研究内在揭示的那样，这是一个充满意义的宇宙。

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[1] 华氏度（tF）与摄氏度（tC）的换算公式为：tF=9/5tC+32。——译者注