錢邁平 馬 雪

宇宙誕生

約137億年前，宇宙誕生于一次大爆炸！

這是目前科學(xué)界最著名，也是最廣泛接受的宇宙演化模型，其依據(jù)來自長(zhǎng)期的天文觀測(cè)和計(jì)算研究。主要證據(jù)：

（1）河外天體有系統(tǒng)性譜線紅移，紅移與距離成正比。也就是說，它們正以距離成正比的速度離開我們，距離越遠(yuǎn)，視向速度越大，用多普勒效應(yīng)解釋，這是宇宙膨脹的反映，也暗示了宇宙曾經(jīng)被壓縮得很小。愛德溫·哈勃在1929年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，這就是天文學(xué)界稱為的哈勃定律。

（2）如果宇宙大爆炸的確發(fā)生過，那么爆炸的最初時(shí)刻一定非常非常熱，宇宙中應(yīng)留有這種熱的殘余。1965年，美國(guó)射電天文學(xué)家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現(xiàn)了一處272億5千凱氏度 （-454.765華氏度，-270.425攝氏度）的宇宙微波背景輻射彌漫在可觀測(cè)到的宇宙中，認(rèn)為這就是科學(xué)家們一直在尋找的熱殘余。他倆因這一發(fā)現(xiàn)分享了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖1，約137億年前，宇宙誕生于一次大爆炸。（seeker.com）

（3）在可觀測(cè)到的宇宙中，豐富的"輕元素"氫和氦隨處可見，也支持了大爆炸模型。

根據(jù)大爆炸模型的描述，約137億年前，物質(zhì)和能量濃縮在一個(gè)極小的奇點(diǎn)，溫度極高，密度極大，瞬間發(fā)生快速膨脹（圖1）。于是，包含著物質(zhì)、能量、時(shí)間和空間的宇宙就誕生了，并一直不斷膨脹，溫度相應(yīng)下降，形成星系、恒星、行星乃至生命。

已知最古老的恒星

約136億年前，已知宇宙中最早的恒星形成。

2014年2月9日，澳大利亞天文學(xué)家斯特凡·科勒爾的研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們用賽丁泉天文臺(tái)的"天圖繪制者"望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了已知宇宙中最古老的恒星，命名SMSSJ031300.36-670839.3，簡(jiǎn)稱SM0313。這顆星形成于大爆炸后僅1億年左右，由更古老的恒星死亡時(shí)的超新星爆發(fā)釋放出的氣體云聚集形成，距離地球約6千光年，位于水蛇座（圖2）。

銀河系形成

約131億年前，銀河系形成。

目前多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系和所有其他星系一樣，誕生于大爆炸后產(chǎn)生的氣體坍縮。

起初，氣體和暗物質(zhì)粒子一起被引力束縛形成一個(gè)近似球形的巨大團(tuán)塊，其中的氣體原子因耗散性而迅速失去能量，向內(nèi)坍縮。由于角動(dòng)量總是守恒的，因此坍縮到質(zhì)量團(tuán)塊內(nèi)部的氣體旋轉(zhuǎn)速度加快，形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體盤，這就是銀河系的胚胎（圖3）。很快氣體因輻射能量而冷卻下來，凝聚成更小尺度，最終觸發(fā)第一代恒星形成，銀河系從此被點(diǎn)亮。

圖2，約136億年前，已知宇宙中最早的恒星形成。它就是2014年發(fā)現(xiàn)的SM0313星，位于水蛇座，距離地球約6千光年。（Kel ler SCetal .,2014）

圖3，約131億年前，銀河系誕生于大爆炸后產(chǎn)生的氣體坍縮。（eso.org/public）

太陽(yáng)系形成

約45億6600萬年前，太陽(yáng)系形成。

目前多數(shù)天文學(xué)家相信，太陽(yáng)系和所有其他恒星系一樣，誕生于星際云團(tuán)的收縮聚集。他們推斷，在銀河系某處，一大片星際云團(tuán)在引力作用下收縮聚集成一團(tuán)。位于中心很小區(qū)域內(nèi)的氣體，在重力擠壓下形成超高密度和溫度的球體，這就是太陽(yáng)的胚胎。

圖4，約45億6600萬年前，太陽(yáng)系誕生于星際云團(tuán)的收縮聚集。（NASA/JL-ltech）

引力作用持續(xù)而強(qiáng)烈，氣體和塵埃被不斷吸入并相互加壓，產(chǎn)生越來越多熱量。太陽(yáng)胚胎將變得更小、更亮、更熱，內(nèi)核開始產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。巨大的能量向四周噴出，形成強(qiáng)大能量風(fēng)，吹離了四周尚未來得及吸入的氣體和塵埃，太陽(yáng)就這樣形成。

太陽(yáng)形成后，周圍大量的星際氣體、巖石和冰塊，在太陽(yáng)引力作用下圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)（圖4）。在太空零重力狀態(tài)下，它們不會(huì)四散懸浮，而是會(huì)在引力作用下聚成一團(tuán)，形成最初的行星。那時(shí)，有數(shù)以百計(jì)的新生行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，擁擠而混亂，相互撞擊頻繁，有的彼此融合成更大的行星，有的粉身碎骨，有的被更大的行星俘獲成為它的衛(wèi)星，最終形成太陽(yáng)系。

地球誕生

約45億4000萬年前，地球誕生。

天文學(xué)研究顯示，圍繞初生的太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的原始星云，經(jīng)不斷引力集聚、碰撞和擠壓，逐漸形成了內(nèi)部灼熱的行星雛形，其中包括地球胚胎（圖5）。隨后，地殼開始形成（圖6）。

地球誕生后，其中的放射性物質(zhì)衰變，使地球內(nèi)部進(jìn)一步升溫。當(dāng)溫度升到鐵的熔點(diǎn)時(shí)，大量融化的鐵向地心沉降，并以熱的方式釋放重力能。大量的熱使地球內(nèi)部廣泛融化并發(fā)生改變，逐步形成分層結(jié)構(gòu)，其中心是致密的鐵核，熔點(diǎn)低的較輕物質(zhì)則浮在表面，經(jīng)冷卻形成地殼。地球的磁場(chǎng)或許也在這個(gè)時(shí)期形成。

圖5，約45億4000萬年前，地球誕生。(BBC)

圖6，隨后，地殼形成。 （Bu Magnet）

月球誕生

約44億年前，地球與一顆正在形成的行星迎頭相撞，產(chǎn)生了月球（圖7）。

據(jù)美國(guó)"阿波羅"飛船采集的月球巖石樣品，以及其他各項(xiàng)研究結(jié)果，多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，地球形成1億多年時(shí)，曾遭到一顆比地球小的，名叫忒伊亞（Theia）的行星撞擊！飛濺起的熔融碎塊，有一部分被地球的引力捕獲進(jìn)環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道，最終聚集形成月球。

新生的月球距離地球比現(xiàn)在近得多，在那時(shí)的地球上仰望天空，可看到一個(gè)巨大的月亮，可能比現(xiàn)在看到的大10～20倍。因此，當(dāng)時(shí)月球?qū)Φ厍虻囊Ρ痊F(xiàn)在大得多，導(dǎo)致早期地球表面的巖漿及隨后形成的海洋都有超強(qiáng)的潮汐作用。

冥古宙

地質(zhì)學(xué)家將約45億4000萬年至40億前地球的初生時(shí)期稱為冥古宙，這個(gè)名字取自希臘神話的地獄之神冥王，以此形容當(dāng)時(shí)地球表面環(huán)境像地獄一般--遍地熔融的巖漿，超高強(qiáng)度的宇宙輻射，還有隕石和小行星等太陽(yáng)系其他天體的狂轟濫炸……（圖8）

圖7，約44億年前，地球與一顆正在形成中的行星迎頭相撞，產(chǎn)生了月球。（NASA/JPL-Caltech）

圖8，冥古宙早期的地球情景--昏黑的天空，巨大的月亮，遍地洶涌的巖漿，狂轟濫炸的隕石……（Ron Mil ler via International space artnetwork）

圖9，約44億前，已知最古老的地殼碎片。（John W.Val ley,2014）

約44億前，已知最古老的地殼碎片。

西澳大利亞杰克山冥古宙巖石中，發(fā)現(xiàn)的微小鋯石晶體碎屑（圖9），經(jīng)放射性同位素測(cè)定和原子探針斷層攝影研究相互印證，確定其年齡約44億年。也就是說，地球形成1億多年后，表面已冷卻，地殼已形成。

研究還發(fā)現(xiàn)，這顆鋯石碎屑來源于花崗閃長(zhǎng)巖或石英閃長(zhǎng)巖，因這兩種巖石都富含水，所以推測(cè)當(dāng)時(shí)的地表已存在液態(tài)水，或許原始的海洋已形成。

地球水圈和大氣圈形成

那時(shí)聚合在地球內(nèi)部及彗星撞擊帶來的水，受熱氣化上升，冷卻成云降雨。大雨可能連續(xù)不斷地下了幾百萬年，其中夾雜著無數(shù)的閃電，不斷催化著巖石中的氮、氫等元素，形成氨基這樣的組成低級(jí)生命所必需的有機(jī)分子。隨著雨水不間斷侵入，地表逐漸冷卻，氨基酸等大分子形成，原始的海洋也隨之誕生。那時(shí)氣溫仍很高，甚至海水是沸騰的。

圖10，冥古宙晚期的地球情景--橙紅色的天空，月亮仍然很大，火山爆發(fā)頻繁，暴雨雷電不斷，（nature.com）

圖11，約41億年前形成的一顆鋯石包含的石墨斑點(diǎn)，碳同位素比值與光合作用產(chǎn)物的一致。（ izabeth A.Belletal .,2015）

地球相當(dāng)大的質(zhì)量，產(chǎn)生的引力足以捕獲一些氣體，組成最初的大氣圈。隨著地球大氣圈的形成，大量的隕石和小行星在進(jìn)入大氣圈后，因超高速與大氣摩擦產(chǎn)生的高溫而燒蝕掉，天體轟炸逐漸減弱。當(dāng)然，原始的大氣圈是缺氧的，主要是混有氫氣和水蒸氣的高密度二氧化碳。臭氧層還沒有形成，地球表面的宇宙輻射依然很強(qiáng)烈！

圖12，太古宙時(shí)期的地球，一部分地殼尚未完全冷卻，陸地上大大小小、密密麻麻的隕石坑歷歷在目，但生命已開始萌發(fā)。（Mar ioProtIV）

圖13，始太古代，約37億年前，在今天格林蘭西南端沿海的伊阿蘇島，構(gòu)成疊層石的基本單元--微生物席已經(jīng)出現(xiàn)，這是目前可用肉眼直接看到的最古老生命記錄。（Allen P.Nutman et.al.,2016）

還是在杰克山冥古宙巖石中，又發(fā)現(xiàn)了一粒微小的鋯石，包含有幾個(gè)石墨斑點(diǎn)（圖11），測(cè)定其碳12/碳13的比值，居然與光合作用產(chǎn)物的一致，而測(cè)定這顆鋯石的年齡是41億年！因石墨是在鋯石結(jié)晶時(shí)包裹進(jìn)去的，應(yīng)該比鋯石更古老，顯示那時(shí)已經(jīng)有生物在進(jìn)行光合作用。

太古宙

圖14，西澳大利亞的皮爾巴拉地區(qū)，約34億8000萬年前，古太古代淡水熱泉沉積硅質(zhì)巖中保存的層柱狀疊層石化石，是已知最古老的陸地生命記錄。（aca.unsw.edu.au）

圖16，西澳大利亞的皮爾巴拉地區(qū)，約34億3000萬年前，古太古代沉積的斯特雷利湖組巖石中的層錐狀疊層石化石。（bgc-jena.mpg.de）

圖17，把這種34億3000萬年的疊層石打磨拋光后，呈現(xiàn)出美妙絕倫的花紋，那是為光合作用而向上趨光生長(zhǎng)微生物席的紋層化石。（crystalworldsales.com）

圖18，西澳大利亞比斯利河地區(qū)，約27億年的新太古代巨型穹狀疊層石化石。（Sanjoy M.Sometal .,2016）

地質(zhì)學(xué)家將約40億年至25億年前的地球歷史時(shí)期稱為太古宙（Archean Eon）。以地殼形成和地球上出現(xiàn)最古老的巖石為起點(diǎn)。名字取自古希臘字"開始"的意思，并根據(jù)地球演化特點(diǎn)進(jìn)一步劃分為始太古代 （40億至36億年前）、古太古代（36億至32億年前）、中太古代（32億至28億年前）和新太古代（28億至25億年前）。那時(shí)的地殼已冷卻到足以形成大陸和海洋，而且隨著大氣圈屏障的完善，天體的狂轟濫炸也大大緩解，生命開始形成。那時(shí)的地球表面布滿大大小小隕石和小行星撞擊坑，一些陸地上仍有巖漿在涌動(dòng)，但大部分已被原始的海洋覆蓋（圖 12）。

始太古代，約37億年前，在今天格林蘭西南端沿海的伊阿蘇島（Iasuisland），微生物席及早期疊層石已經(jīng)出現(xiàn)，這是目前可用肉眼直接看到的最古老生命記錄（圖13）。

此后，疊層石陸續(xù)在世界各地生長(zhǎng)發(fā)育。

如，西澳大利亞的皮爾巴拉（Pilbara）地區(qū)，古太古代約34億8000萬年的德萊塞組（Dresser Formation）淡水熱泉沉積硅質(zhì)巖中保存的層柱狀疊層石化石，是已知最古老的陸地生命記錄（圖 14、圖 15）；34億 3000萬年的斯特雷利湖組（Strelley Pool Formation）巖石中的層錐狀疊層石化石（圖 16、圖 17）。

如，西澳大利亞比斯利河（Beasley River）地區(qū)，新太古代約27億年的穹狀疊層石化石。測(cè)定同地點(diǎn)同時(shí)期熔巖流進(jìn)海里快速冷卻時(shí)捕獲的氣泡，結(jié)果顯示當(dāng)時(shí)的大氣壓不足今天的一半，說明那時(shí)的大氣圈還很薄，宇宙射線對(duì)地表的照射還非常強(qiáng)！但并不影響疊層石的茁壯生長(zhǎng)（圖 18）。

元古宙

約25億年前至5億4200萬年前，地球歷史進(jìn)入元古宙（Proterozoic Eon），其命名源自古希臘字，意思是"較早期的生命"。分為古元古代（25億至16億年前）、中元古代（16億至10億年前）和新元古代（10億至5億4200萬年前）。這一時(shí)期首次出現(xiàn)了一些穩(wěn)定的大陸塊，并開始相互拼接。有大量的細(xì)菌和藻類化石記錄，其最重大的演化事件之一是有氧大氣圈的形成。

古元古代，大量的藍(lán)細(xì)菌等微生物形成一些大型-巨型的疊層石，并構(gòu)成規(guī)模宏大的生物礁。如，南非北部德蘭斯瓦超群（Transvaal Supergroup） 瑪爾瑪尼白云巖（Malmani Dolomite）地層的巨型穹狀疊層石化石生物礁（圖 19）。

圖19，南非北部，約25億年的古元古代巨型穹狀疊層石化石生物礁。（all-geo.org）