我们的地球是从星际尘埃中诞生的。在恒星之间的宇宙空间中，布满了巨大的气体云和尘埃云，而它们就是制造新恒星和行星的原材料。根据目前的科研进展所知，宇宙诞生于一次大爆炸，大多数气体很原始，是大爆炸时期所遗留的氢元素和氦元素。但是尘埃却不同，它们是经过最初几代恒星内部加工之后又被抛回宇宙空间而被循环利用的。
地球的故事开始于这些气体云和尘埃云，它们中的一个由于自身的引力开始向内塌缩，进而产生了太阳和它的行星家族——很可能还有其他几个恒星和它的伙伴行星。为了搞清楚人类在宇宙中的位置，特别是那些非常有用的放射性元素是从哪里来的，我们需要知道那些气体云和尘埃云是从何而来的——这是一个真正从大爆炸时开始讲述的故事。
宏观上的宇宙
没有人真正知道是什么引发了宇宙诞生，我们只是叫它“大爆炸”。但是，正如此前我们的另一本书《从当前到无限》所介绍的，有充分的证据表明，在137亿年以前，某种东西在那个充满热量、密度无穷大的“种子”中触发了宇宙的大爆炸。大爆炸中喷涌而出的并不仅仅是我们日常所见的物质，如我们在现今宇宙空间中所能见到的原子。我们能看到原子物质是因为它们能变热，然后就能辐射光；这就是恒星能发光的原因。但是在宇宙里还有另一种物质，它们不发光，被平淡地称为暗物质。暗物质很重要，尽管不发光，但它们会发生引力作用，而且事实上暗物质存在的量很多，比原子物质多得多。
大爆炸之后，宇宙开始膨胀，暗物质的引力把万物拉到一起，形成团块，否则它们都会飞散开来，甚至由于密度太低无法形成恒星。在暗物质和原子物质的混合聚集区，由氢气和氦气组成的巨大的气体云发生塌缩，形成了一个个恒星的小岛。每个恒星的小岛叫作一个星系，由引力吸着在一起。而由诸多星系组成的整个星系团也是由引力维系在一起的，每个星系团中的星系互相绕转运动，像蜜蜂在蜂群周围嗡嗡地飞。但即使在今天，星系团之间还在随着宇宙空间的暴胀而互相远离。
包括太阳和地球在内，所有重要的东西（除了大爆炸本身）的诞生都发生在其中的一个星系内，我们称这个星系为银河系。银河系有一个比较扁平的、由恒星组成的盘。星系盘非常大，即使光从一端传播到另一端也要花10万年，因此我们说它的直径大约是10万光年。从更长远的尺度来看：光速是每秒30万千米，从太阳到地球有1.5亿千米，所以光的传递时长是8分钟多一点。在银河系的中央有一个核球，它很像一个巨大煎蛋的蛋黄，大约有23 000光年宽，3 000光年厚。而在核球区之外，星系盘只有1 000光年厚，所以它的直径比厚度要大100倍。整个系统都在围绕着星系盘的中心旋转。
除了我们看不到的暗物质，星系空间中还包含着上千亿颗恒星，它们有些比太阳大，有些比太阳小，但或多或少都很像太阳。太阳确实是一颗普通的恒星。银河系的跨度非常大，以至于离太阳最近的恒星也有好几个光年远。这就是为什么夜空中的星星看起来都是一个个小点，而不是太阳那样的大光球。
银河系中心的核球区里只有古老的恒星，几乎没有气体和尘埃。在那里，所有用来制造恒星的材料都被用光了。但是星系盘上包含了各种不同年龄的恒星和大量的气体云与尘埃云，在这个恒星的苗圃中，新的恒星一直在诞生。太阳处于从银河系中心到盘边缘2/3的地方，绕银河系中心一圈大概需要2.25亿年。但太阳是怎么来的呢？
恒星诞生
银河系中最古老的恒星已经有大约120亿年的历史了，这意味着那些构成恒星的原材料在聚到一起时，距大爆炸已经不到20亿年了。但是放射测年法和其他技术告诉我们，太阳和太阳系只有45亿年多一点的年龄。从120亿年前到45亿年前，许多恒星诞生、发光，然后消亡，渐渐成就了我们今日的家园。
宇宙学家测量了所谓的宇宙微波背景辐射——大爆炸时期留下的一个微弱的射电信号，又结合了对基本物理规律的研究，推断出从大爆炸涌现出来的原子物质包含大约75%的氢元素和25%的氦元素，此外还有更多的非原子的暗物质。氢元素和氦元素是两种最简单的化学元素，是构成其他元素的基本元素。这个元素合成的过程开始于第一批恒星，最初是氢元素和氦元素组成的气体球由于自身的重量开始塌缩。
当这样一个包含了比太阳多许多倍的物质的气体球以这种方式塌缩时，它的内部就开始变热。正如开尔文和亥姆霍兹所发现的，引力能正在释放。在气体球塌缩的同时，其内部的压力开始增大。当压力和温度都足够高的时候，在气体球内部深处，氢原子核与其他原子核激烈碰撞，它们中的一些融合在一起，形成了氦元素。这个核聚变的过程会释放能量，提供一个向外的支撑力来阻止气体球进一步塌缩。此时，它已经变成了一颗恒星。
放射性衰变是与核聚变相反的过程。这两种核变都是自然发生的，都是向中等质量的原子核进行变化；如果我们把质量转化成能量来看，中等质量的原子核能量是最低的。非常轻的元素，例如氢元素和氦元素，能聚变成中等质量元素并释放能量；同样地，非常重的元素，例如铀元素和镭元素，可以裂开，变成更轻的元素，并且也释放能量。在极端情况下，一个重核分裂成中等大小的两块，这种情况的放射性衰变被称为核裂变。
在第一代恒星内部，氢元素被合成为氦元素，氦元素被合成为碳元素、氧元素等其他元素。但是当内部的核燃料用光后，恒星会突然向内部塌缩，巨大的引力能被瞬间释放而产生爆炸，接着它们内部制造的其他元素就会散落到宇宙空间中去。这就是天文学家在星际云中看到的尘埃的源头。所以后代的恒星诞生的时候不仅仅只有氢元素和氦元素，还有一些更重的元素的痕迹。大质量恒星需要燃烧很多原料来维持自身的稳定性，所以它们的生命周期很短，只有几百万年左右。由此我们可以看出，在太阳从银河系中的气体尘埃云诞生之前，已经有充足的时间来形成好几代恒星了。在星际云中，重元素的出现会促使像太阳一样的小质量恒星诞生，因为这些元素的化合物能更有效地把热量辐射到宇宙空间。这意味着气体在形成恒星前，可以收缩得更小，并裂成更小的团块。
但是从大爆炸到太阳诞生前，仍然会有许多大质量恒星形成，即使在今天也是如此。两个原因使这个过程变得非常重要：
•通过核聚变反应产生的重元素到铁元素和镍元素就停止了，从能量角度来讲，它们的原子核是最稳定的。
•所有更重的元素，例如金元素和铅元素以及放射性元素，是在大质量恒星死亡时巨大的爆炸中产生的。
在这些被称为超新星爆发的爆炸中，原子核被巨大的压力挤到一起，发生融合，而且在这个过程中还有能量注入其中。所有的放射性元素，包括太阳和太阳系诞生之前的，以及今天仍在用以测定年代的，都是以这种方式产生的：在太阳诞生之前的一次或多次超新星爆发的内部产生。
这突出了超新星的第二个重要特征：在恒星星际间的气体和尘埃云只有在其他东西给予它们一点扰动时才会开始塌缩。尽管也有其他方式可以触发塌缩，但最好的办法就是一个超新星爆发的冲击波给周围的气体云带去一点荡漾。这便催生了我们的太阳系。
行星诞生
太阳和它的行星家族——太阳系诞生于大约45亿年前，这时宇宙已经有90多亿年的历史了。地球作为太阳系的一分子，几乎恰好是宇宙年龄的1/3。大体而言，在我们的星系中每年有10～20颗新恒星诞生，还有同样数量的恒星死亡。在90多亿年里，大约有100亿倍太阳质量那么多的物质在恒星内部燃烧，然后又被抛向宇宙中再循环，因此星际间的气体云中含有更多的重元素，而新诞生的恒星中的重元素也便更多了。但是在每个恒星或每代恒星内部只有很小一部分氢元素和氦元素被加工过。尽管在太阳诞生前的90多亿年里，有好几代恒星形成，并经历了生命周期，又将加工过的物质抛回宇宙空间来丰富星际云中的元素，但当太阳形成之时它也只包含一点点比氦元素重的元素。
太阳系的质量揭示了这些宇宙起源的奥秘。根据一系列天文证据，整个太阳系，包括太阳和各个行星在内的天体，它们全部质量的70.1%是氢元素，27.9%是氦元素，0.9%是氧元素，只留下1.1%的份额给余下的重元素。由于其他元素的比例太少，用原子数量比用质量更容易给它们排序。拿前十名（除了氢元素和氦元素）来说，每70个氧原子就有40个碳原子、9个氮原子、5个硅原子、4个镁原子和氖原子、3个铁原子，还有2个硫原子。其他元素就更少了，在太阳系中每出现1 000万个硫原子才会有3个金原子。在地球上，黄金也是稀有的，所以价格昂贵。但除了氢元素，所有我们认为很平常的元素其实都是很稀有的，这些元素仅仅对于人类来说是平常的，因为我们居住在一个岩石材质的球体上，而太阳系中的这些元素刚好都集中到了这里。当形成太阳系的气体云和尘埃云塌缩的时候，大部分氢元素和氦元素聚集到中心，形成了太阳，而一些较重的元素则留在外面，在一个形似圆盘的轨道内绕着年轻的太阳旋转，就是在这个“圆盘”里，一些尘埃粒子黏在一起，形成了地球。
演化成太阳系的云团不可能只形成一颗没有行星相伴的单星，因为它在旋转。当一个自转的物体收缩时，它会转得更快。你大概见过这种现象，花样滑冰运动员把手收回来时会转得更快，你自己在滑冰时尝试自转，手也会自然地向外甩。对一个塌缩的星际气体云来说，这个效应实际抵消了向内的引力，当与原恒星的距离超过某一个临界点后，那些继续塌缩的物质会被压成一个盘，绕着年轻的恒星旋转。太阳也在自转，周期为27天。而且正如你所料，所有行星和太阳系形成时留下的碎片也在沿着同样的方向绕着太阳旋转。
在绕着年轻太阳的盘状物质里，演化出了几种不同的物体。尽管我们对其中的地球特别感兴趣，但是把它当作太阳系组成的一分子来正常看待是值得的。有4颗岩石行星离太阳很近，它们从内到外依次是水星、金星、地球和火星。然后是一片聚集了宇宙瓦砾的区域，都是行星形成时留下的碎片，被称为小行星，它们所在的区域就被称为小行星带。小行星带的外面是4颗大型的气体行星——木星、土星、天王星和海王星。其中最大的木星，质量是地球的317倍，但其内部大部分都是氢元素和氦元素。显然，“气体巨人们”的形成方式和地球不一样，但这里我们并不需要做太多关心。在气体行星外面是另一个碎片带，含有一些大型的冰块，这里被称为柯伊伯带。在更远的宇宙深处，在到最近恒星一半的距离上，整个太阳系被球状云团包围，里面是一些冰状物体，直径一般为几十千米，我们称之为彗星。有时，一个或几个大冰团会受到干扰，比如临近恒星的引力使它们飞向太阳，变成一团光球从太阳系内部掠过，然后又呼啸着飞回太空。但是相比于现在，我们更关心在45亿年前，太阳这颗年轻的恒星在向它周围的盘状物质辐射能量时发生了什么。
地球诞生
一开始，星系盘上的成分和太阳系形成的云团一样——98%是氢元素和氦元素，2%是余下所有物质。因为氦元素不会起化学反应，所有的氦都是以气体形式存在的。氢元素能和其他元素合成，反应成水、甲烷和氨等，但没有很多重元素，所以大部分氢元素也是以气体形式存在。其他原子，如氧原子、碳原子、氮原子等，会与另外一个原子还有氢原子结合组成分子。许多分子粘在细小的石墨颗粒（碳原子的一种形式）表面，像香烟烟雾的小颗粒一样。随着太阳开始升温，它的辐射把所有剩余的气体都带到了太空中。太阳周围只有固体粒子还留在盘上，以同样的方向运动，但是在不同的轨道有不同的速度，彼此的路径交叉，所以经常碰到一起。因为它们运动方向一样，这些碰撞比较温和，所以粒子开始黏到一起。此外，电场力可能也有助于促进积累蓬松的尘埃球。如果你不常做家务，那么在你的床底下也能找到类似的东西。这些尘埃球通过引力吸到一起，会变得越来越大。只花了10万年，这些团块就长到1 000米左右的大小，人们称之为星子，这是构成岩石行星的零件。一些小行星带中的天体可能是太阳系形成时留下的原始星子；另一些岩石碎片是那些更大的天体碰撞时散落的碎片，因为从星子向行星演化是一个暴力的过程，一些越来越大的岩石会相互碰撞。
计算机模拟显示，云团塌缩形成太阳和行星的100万年之后，在太阳和今天的火星轨道之间存在20～30个天体，小到月球尺寸（大约为地球直径的27%），大到火星尺寸（大约为地球直径的53%）。它们周围还有大量的小星子，在一系列碰撞中，这些小星子会被大天体席卷，而大的天体之间也会碰撞合并，直到最后只留下四五个较大的天体——水星、金星、地球、火星，外加至少一个火星大小的天体。这些天体被年轻太阳的热气所烘烤，复杂的分子都被破坏，气体也被吹走，这4颗（加一颗）原行星的主要成分只剩下铁、硅以及碳的稳定化合物。
从大小上看，地球和金星很像双胞胎，并且占据了太阳的临近轨道。它们一定是以非常接近的方式演化形成的。在行星演化过程的后期，除了行星变大这一事实外，这个阶段的关键变化是由撞击吸积进来的物体自带动能，并产生了大量的热量。这些热量熔化了年轻行星的表面，然后熔化物缓慢地渗透到内部。但在5 000万年后，行星已经液化殆尽，铁元素和其他重元素都沉到地核去了，较轻的硅化合物则浮在表面，降温形成了地壳。随着铁元素一起沉到地核的还有其他重元素，包括由超新星爆发产生的放射性元素铀元素（其中的一次超新星爆发引发了太阳系的诞生）。铀元素衰变产生的热量可以持续几十亿年，这在某种程度上解释了为什么地核今天还是熔融态，以及为什么开尔文估计的地球年龄是错误的。但这只是其中一个因素，开尔文还忘了在他的计算中加入地核中流体对流的影响，这也改变了他对地球年龄的估算结果（我们将在后面谈到对流，特别是在第5章深入了解地球内部时）。此外，一旦固体地壳形成，它就像熔融地核的绝热层，会减缓热量向地外空间的散发。
令人感到奇怪的是，尽管这个过程完美地解释了今天金星的特征，它却不能完全说明今天地球的结构。地球现在的地壳很薄，在占地表面积2/3的海洋下，地壳的厚度平均只有5 000米多一点，而在大陆下面，地壳有30千米厚。我们将会解释，这对于板块构造的过程非常重要，而板块活动在地质时代改变了我们星球的地貌。薄的地壳像鸡蛋壳一样容易开裂，通过火山活动释放内部的热量，使表面的板块互相挤压产生地震。但是空间探测器的数据表明，金星的地壳至少有50千米厚，甚至可能有100千米厚，所以它形成了一个固定的层，而没有板块构造活动。由于放射性物质的作用，金星内核热量积累、压力增加，在经过很长一段时间间隔后（最近的一次是6亿年前），整个外壳全部破碎，巨量的熔岩涌出，覆盖了整个金星表面，随着热量的释放，其表面又固化出一层新壳。这个星球又回到沉寂状态，然后又过了几亿年。
金星存在厚厚的富含硅酸盐的地壳，这与天文学家的预测非常吻合。金星会有这么厚的壳层是毫无疑问的，但问题是地球的壳层为什么会这么薄？地球上应该有的硅酸盐都去哪里了？而答案似乎和地球的另一个独有的特征密切相关，那就是它的大月亮。
月球诞生
尽管月球的直径只有地球的1/4，但它依然是迄今为止太阳系中各个行星系统里最大的卫星。对许多天文学家来说，月球根本不应该算作卫星。从某种意义上讲，木星和其他巨行星的卫星才能被称作卫星；他们更倾向于把地球和月亮的关系描述为“双行星系统”。事实上，其他三个内行星都没有真正的卫星。水星（直径大约是地球的38%）和金星独立地绕着太阳转，而火星只有两个非常小的“伙伴”：火卫一和火卫二，它们的直径都只有几千米大小。它们显然是由火星重力场从附近小行星带中捕捉来的流浪岩石块。这一对比使得地月系统更加不寻常。那么，它到底是怎么形成的？
地球简史
最有可能的一个解释是，地球一开始确实是像金星的双胞胎，有着一层很厚的地壳，而另一个火星一般大小的行星在附近形成了。这个天体最可能位于两个拉格朗日点中的一个之上，在地球之前或之后60度，但依然在绕太阳旋转的同一轨道上。在这些拉格朗日点上，太阳的引力和地球的引力共同作用产生一种引力坑，可以让一些小物体在那里聚集并停留。今天，我们用这些同样的拉格朗日点作为人造卫星的稳定轨道，例如，轨道上的红外线望远镜需要离地球很远，以保证不受我们星球的干扰。一个小天体如果不是精确地位于拉格朗日点之上，它就会在那里像钟摆一样进行小幅度的摆动。但如果一个大天体从位于地球轨道的拉格朗日点附近的宇宙碎片生长出来，这个摆动幅度就会越来越大，以至于很快这个天体就会撞向地球。这类事件可能在地球原始地壳形成的1 000万年间发生过一次。
不要以为这仅仅是两个岩石块的碰撞，碰巧掉了些碎片。这个模型的一个名字是“大飞溅”，它能让人联想起地球年轻时的情景。在一个火星大小的天体和地球发生了一次惊天动地的碰撞后，巨大的动能被释放出来，这个外来的天体被彻底毁灭，而地球的整个表面也会重新熔化。这个外来天体致密的金属内核渗透过已经熔化的地球表面，被年轻地球的内核吸入，而核心以外较轻的物质和地球原来的表面则飞溅到了太空中。大约有今天月球10倍重的物质，被以这种方式抛了出去，大部分完全逃离了地球，进入太阳的独立轨道，但有一些则被捕获，在地球周围形成一个环。当地球的表面再次冷却，并形成一层新的、薄薄的地壳时，周围环上的物质会结合形成月球，接着在微型程度上重新上演一出太阳周围行星形成的过程。
有大量的证据支持这个地月系统形成的模型。最有说服力的是，从月球带回的样本显示它和地球地壳的成分完全一致，而且月震测量显示月球没有大型金属内核。月球岩石的年龄告诉我们，这一戏剧性事件发生在44亿年前，几乎是太阳刚刚形成之后。这样一次侧面的撞击也解释了为什么地球自转会是24小时一圈这么快的速度，而没有月球的金星的自转时长是243天。在地球刚刚被击中、月球形成之时，地球自转的速度比现在更快，从那以后一直在减慢。这个偏离中心的碰撞还使地球发生了倾斜，给我们带来了四季的变化。有这么大一个卫星绕着地球旋转，它起到了引力稳定的作用，在漫长的地质时期里制止了地球倾角的变化。而地核里多余的铁成分和快速自转的现象，恰巧能够解释为什么我们的星球有一个很强的磁场。
此外，还有一个来自太阳系更远处的间接证据可以证明这次碰撞的确发生过。水星引力的强度表明，尽管其体积很小，但有相对较大的质量，这意味着它密度很大。月球有着类似地球的地壳，却没有内核，而水星有着类似的内核，却没有地壳。一种自然的解释是，一个更大的天体最初在水星轨道上形成，但是在太阳系生命早期它被一颗原行星撞了，不是像地球经历的那种侧撞，而是迎面相撞。在这次正面撞击中，所有较轻的物质都被炸到太空中，只留下较重的内核。
关于地球如何演变成今天的样子，水星和月球其实还能告诉我们更多信息。所有这些都发生在45亿多年前，那是一系列爆炸似的活动。以天文学的观点来看，这些活动快得几乎不可思议。接下来，地球完成了它的演化，使自己成为一个适宜生命安家的星球。而记录下这一切的，则是两张饱受摧残的“面孔”。
海洋和大气层的诞生
在月球形成的那次碰撞后，地球重新开始冷却。它干燥、没有生气，而且在地壳固化后依然非常炽热。一些气体通过火山活动从地球内部逃了出来，这是地表之下岩浆中持续的化学反应的结果——这里面混合了熔化的岩石、挥发性物质以及地表下的固体岩石块。但是大部分地球大气层，还有几乎所有海洋中的水，是在地月系统形成之后从太空进入地球的。
我们知道这一切发生的时间，是因为宇航员从月球中带回了岩石样本，而研究人员测定了这些岩石的年代。所有的证据显示，大约在太阳系形成1亿年后，也就是在月球刚刚从绕着地球的碎片中形成后，它被厚达200千米深的岩浆海洋所覆盖。这给了月球一层光滑的表面，但很快被从太空飞来的陨石密集地轰炸，造成了我们今天看到的坑坑洼洼的表面。这轮轰炸持续了大约5亿年，于40亿年前结束，后期的陨石撞到了之前的坑上，炸出的陨石坑重叠在一起。在过去40亿年左右的时间里，因为行星间宇宙碎片持续存在，所以陨石坑的形成概率很低。
如果月球是太阳系内有着这种饱受摧残的表面的唯一天体，那么我们会猜测，这是由地月系统演化过程中那些碎片扫过、撞击造成的。然而，缺乏大气的水星表面却展示出了完全相同类型的伤痕——虽然火星的大气层淡化了那些陨石坑的边界，但是有明显的证据证明，这颗红色的行星也曾遭受过这种撞击。显然，水星和火星间的所有东西、所有的太阳系中的内行星都受到了撞击的影响。除此之外，地质学家们声称，事实上金星的表面在6亿年前被重塑过。那里没有被陨石大范围撞击过的痕迹，只有相对较少的一些陨石坑，它们应该是过去的6亿年里被一些“流浪”的碎片撞击而形成的。
地球的表面在地质时代被改变过，经历了腐蚀与风化。但是地球肯定也在45亿～40亿年前被宇宙碎片密集地撞击过。是什么样的碎片呢？其中有一些是大块的岩石，就像今天的小行星；同样可以肯定的是，其中还有彗星，它们是大块的含冰物质，有水结成的冰，也有甲烷和氨结成的冰。它们在太阳系遥远的外圈、寒冷的深空处凝结而成，由于木星等巨行星的引力作用被甩到了内圈。就碰撞释放的能量而言，其成分是否是岩石、冰块或两者的混合物并不重要，起决定作用的是它的质量和速度。一个直径10千米大小、由岩石和冰块混合而成的天体以每秒50千米的速度到达地球，则这个陨石释放的能量相当于1亿兆吨TNT炸药爆炸产生的能量，在地表炸开了一个陨石坑，而它携带的冰块也全都以气体形式喷发出去，包括水蒸气，这让地球产生了大量的降水。但是因为月球的质量要小得多，引力也因此比地球弱得多，所以不可能形成大气层。那些气体全都飘散到太空中，只留下干燥的、没有生机的月球——保持着它初始的模样。
月球上的陨石坑表明，在过去的45亿～40亿年间，总共有1 000亿亿吨的物质从太空中撞击了地球。如果这些物质中有一半是彗星，而彗星中占20%质量的物质是冰，那么这带来的水已经相当于今天地球上所有水的80%了，余下的一些可能是由火山释放的气体产生的。地球的原始大气就是一件意外的礼物。几乎与此同时的38亿年前，地球上出现了生命。生命迅速在我们的星球上立足，几乎可以肯定的是，这是由降落到地球表面的彗星所包含的特殊混合物质所造成的。
但是生命的故事我先不给你讲述。让我们现在把目光集中到另一方面：是什么塑造了这样一颗行星——它的内部高温致密，拥有一层薄薄的地壳，而表面大部分被水所覆盖，比它的邻居有趣、热闹多了。
