時間的1000個瞬間——宇宙、地球和生命的進化 - 突破路上

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忘記密碼?（溫馨提示：會員登陸時，用戶名是您註冊時用的郵箱）標題：時間的1000個瞬間——宇宙、地球和生命的進化近百年來科學和技術的發展提升了人類的思想，人們開始懷疑神話與傳說的真實性。於是，人們轉而從科學中尋找答案。1917年，愛因斯坦認識到他創立的廣義相對論蘊含著一個推論：宇宙或者在膨脹或者在收縮。隨後天文學家們找到了確鑿證據，表明宇宙是在向外膨脹。如果這個宇宙向外膨脹的推淪正確，那麼我們反過來就可以證明：我們所處的世界井非永遠存在！宇宙井非永遠存在，那麼在宇宙之前到底是什麼?宇宙是從什麼情況下，在什麼時間，因為什麼而突然存在了呢？如果宇宙有開始，那麼它是否會有終結？好了，就讓我們迫尋宇宙的誕生和成長，來一次漫長的時間旅行吧！第1節：一、時間荒漠第一章 時間零點按照大爆炸宇宙學理論，宇宙起源於一個"奇點"。所謂"奇點"，實際上是一個數學上的描述，這個"奇點"的特徵就是體積無限小，質量無限大，密度無限大，時空曲率無限大。突然有一天，這個"奇點"發生了改變，變得不再是"奇點"，而是產生了時間和空間的結構，在這個時間和空間的結構上，宇宙開始創生。物理學家們形象地稱之為"大爆炸"，這就是所謂"大爆炸宇宙學"的起源。實際上，上面這些看起來很玄妙、超越我們想像能力的描述，不過是物理學家和數學家用以描述宇宙最初狀態的一種方式。根據愛因斯坦的廣義相對論，宇宙不是靜止的，而是膨脹的，或者是收縮的。後來的物理學家和天文學家經過天文觀測注意到，在很大的尺度上，各種星系都在離我們遠去。這不但印證了愛因斯坦的理論，而且說明宇宙在膨脹。既然它在膨脹，那麼如果往回想，過去的宇宙一定比現在小；如果繼續推算回去，宇宙在過去的某一個時間，一定是從一個點開始的。物理學家就用我們上面提到的"奇點"來形容這個點。物理學家和天文學家甚至根據宇宙膨脹的速度計算出這個點開始膨脹的時間大約在140億年前。那麼，人們一定會問，在140億年以前宇宙是什麼樣子的呢？其實，這個問題不用回答。因為只要奇點存在，時間和空間就不存在。這也許很讓人費解，但這的確是事實。你不用費盡心思去思考這個所謂的"點"是怎麼存在於虛無中的，事實上，所謂的"奇點"就是虛無。沒有時間，沒有空間，什麼都沒有。我們不妨借用我國古代思想家老子《道德經》中的話"道生一，一生二，二生三，三生萬物"、"有物混成，先天地生……吾不知其名，故強字之曰道"來解釋，老子認為宇宙是從"道"演化來的，而"道"就是"無"。哲學從來都和物理學密不可分，這個哲學上的虛無，在物理學的描述中，就是我們說的"奇點"。看起來，早在兩千多年前，中國古代就有了洞悉宇宙秘密的思想家，甚至在《易經》中也認為"太極"（又稱為氣、道或無）是世界的本原。好了，"奇點"就是虛無。既然是虛無，實際上使用"點"這個字眼就已經沒有什麼意義了。你可以認為這個虛無是不存在的，也可以認為是無限大的。在這裡，沒有時間的概念，我們不能說虛無存在了多長時間，而只能說時間的歷史只有140億年，我們的宇宙只存在了140億年。在140億年前，宇宙是一個永恆的、連綿的、無始無終的虛無，是一片時間和空間的荒漠。第2節：二、時間零點(1)1．量子漲落宇宙是從一片時間和空間的虛無中創生的，那麼它是如何從虛無中創生的呢？我們首先要提到的是一個物理學名詞"量子漲落"。宇宙學是一門綜合性學科。而宇宙創生就直接涉及最前沿的物理學-相對論、量子力學和自組織理論。相對論告訴我們宇宙的膨脹特性，而量子力學則告訴我們宇宙是如何開始的。量子力學最重要的一個原理就是"測不準原理"，它引申的一個結論就是：任何物質的參數都不能被精確地測量。在我們所處的宏觀世界中，任何東西都有它的參數。例如我們提及一把尺子，總是說類似下面這樣的話：這把尺子在某年某月某日某時刻的長度是1米，寬度是2厘米，厚度是1毫米。這個測量在宏觀世界是當然的結論，但是，一旦我們要非常精確地測定這把尺子的長度時，量子力學卻告訴我們：我們永遠無法在微觀尺度上更精確地測定這把尺子的長度。例如在萬分之一個原子長度的精確度內，我們永遠不能確切地知道這把尺子到底精確到萬分之幾個原子長度。這並非是由於測量工具不夠先進造成的，而是量子力學闡述的一個物理規律。無論人類測量長度的工具精確到何種程度，都無法在萬分之一個原子尺度上精確確定這把尺子的長度。如果我們換個角度思考這個問題，這把不能被精確測量長度的尺子也可以被認為是長度可以改變的。這個想法很奇怪，但這卻是量子力學最重要的描述方法，就是幾率描述。當我們不能精確確定它到底精確到萬分之幾個原子的長度時，我們就只能用幾率來描述，例如說它有三分之一的幾率精確到萬分之二個原子長度。幾率通常是數學上的一種說法，但是在物理學規律中，這把尺子的不確定存在方式卻是一個真實的事實。當這把尺子的長度作萬分之一原子長度的變化時，我們就可以說這把尺子的長度在進行量子漲落。量子漲落絕不是一個無聊的數學或者文字遊戲，它是一種真實客觀的存在，已經有很多實驗和技術在證明和使用，它是可以計算和測量的。例如，當今科技前沿的量子計算機就是量子漲落規律的一個應用。原子的狀態由於量子效應而呈現不同的情況，當這種情況可以控制和測量時，原子就可以由量子漲落標記為0和1兩個狀態，漲是0而落是1。有了0和1，我們就有可能在原子尺度內建造一台計算機，因為任何一台計算機記錄數據的最原始狀態就是0和1。我們現在使用的計算機是用電壓的高和低來標記0和1的狀態，而量子計算機則使用量子漲落。現在，我們回到宇宙最開始的時間和空間荒漠狀態。荒漠最重要的特徵就是"無"，"無"是一種絕對的狀態，而量子力學拒絕任何絕對的狀態。換句話說，"無"是一種不可能穩定存在，甚至是一種不存在的狀態。正如一把尺子無法保持穩定的狀態一樣，虛無也不能保持穩定。在"無"上面，量子漲落開始發揮它的作用，它打破了荒無邊際的沉默。第3節：二、時間零點(2)我們不知道，也無法想像是哪一次、哪一個量子漲落最終影響了宇宙"奇點"的狀態，將它完全解放出來。但是我們知道，在140億年前的某一刻，奇點和它的虛無崩潰了，宇宙從虛無中創生了，簡單地說，宇宙"無中生有"了。2．自組織僅僅依靠量子漲落並不能形成奇點爆炸。量子漲落無時無刻不在進行，但是決定宇宙形成的那次量子漲落卻在恰當的時間趕上了恰當的自組織行為。可以說，是量子漲落和自組織這兩個我們僅僅發現不過百年的物理學規律，揭示了宇宙創生的秘密。有一句很經典的描述自組織的話："亞平寧半島上一隻蝴蝶翅膀的扇動，可能導致遙遠太平洋深處的一場風暴。" 自組織最初研究的是簡單形態耗散結構的自組織現象。所謂簡單形態耗散結構，就是由大量相同或類似的組成粒子均勻分布構成的系統，例如一團空氣、一瓶清水都可以認為是簡單形態耗散結構。關於簡單形態耗散結構的自組織現象有一個著名的實驗，稱為"伯納對流花樣"。把盛於一平底容器中的液體從底部均勻加熱，溫度較小時沒有對流，熱量僅靠傳導方式傳遞。當溫度增加到某一特定值時，對流突然發生了，並形成很有規則的對流花樣。有趣的是，從上往下俯視時，這些花樣很多呈現規則的正六角形，這就是"伯納對流花樣"。在這種對流中，中心液體往上流，邊緣液體往下流，呈現一種很有規則秩序的動態結構。對流開始前是一種穩定態，溫度達到特定值時，原穩定態喪失穩定性，從而出現新條件下的新穩定態，這個失穩點叫作臨界點。從分子角度看，臨界點之前的穩定態相對於臨界點之後的穩定態是混亂無序的，在臨界點上發生有序程度的突變，這種突變是自發進行的，因此稱為自組織現象。伯納實驗證明，自然界本身就有自我組織的能力。一個耗散結構，只靠與環境交換物質和能量，並無誰來發號施令，系統就能自我組織和自我完善，進化成更加有序的新系統。依靠自組織，宇宙從一片荒漠中開始形成。構成宇宙最初的基本粒子-光子、電子、輕子和由它們組成的原子-就在這一時刻開始出現。這些基本粒子再經過自組織形成構成宇宙最基本的那些元素。但是這裡有一個問題，我們知道，物理學有一個最基本的原理"能量守恆定律"，這個原理告訴我們，沒有任何能量形式，包括物質形式（在物理學中，物質形式也是能量形式的一種存在方式）能夠憑空產生。能量只能轉化，不能憑空產生。因此，物理學家預言，為了能量平衡，宇宙在創生之初，當能量出現時，一定有大小相同、性質相反的負能量出現。正能量出現多少，就一定存在多少負能量。同樣，能量構成物質基本粒子時，也一定有相對的負粒子出現。這就是說，每存在一個正電子，一定相對存在一個負電子，每存在一個正質子，一定存在一個相對的反質子，這些正負能量和正反粒子維持了能量守恆的神聖不可侵犯。第4節：二、時間零點(3)3．時間之箭熱力學認為，任何時間上向前的過程都是不可逆的，任何現象都是轉瞬即逝的。熱力學把時間與有序性和無序性這樣的概念聯繫起來，時間的流動就變得顯而易見。這是因為在任何孤立系統中都有一種毫不留情的傾向，使得有序程度降低而無序程度增加。例如：往一杯清水中加一點牛奶，奶分子就會和水分子混合在一起並且擴散，最後，牛奶和水的分布就會完全一樣，整個液體呈現乳白色的狀態。在這個最後狀態中，分子的無序性達到了最大值。熱力學有個專門描述這種無序性的術語，稱為"熵"。無序性增加的過程就是一個熵增加的過程，當牛奶和水混合均勻後，這個系統的熵達到最大值，這時液體處於一個平衡狀態，奶分子和水分子在混合物中所有各處都是均勻的，不再具有任何進一步混合的能力。根據常識，我們從來沒有見過相反的過程，就是牛奶和水的乳白色混合溶液自發地分成白色的奶和無色的水。這就是熱力學描述的時間之箭，它在熱力學中稱為"熱力學第二定律"。這個定律說，所有的物理過程都是不可逆的，因為一部分能量總是作為熱散失掉了。如果過於死板地理解這個定律，我們就會注意到下面這個推論：熱力學排除了有序結構的自然出現。這就意味著宇宙的整個進程將必然走向無序的混沌，所有星系和星球的最終結果都是走向分散，整個宇宙將沿著一條不歸的道路走向死亡，甚至我們所描述的宇宙創生都是不可能的。這顯然是不正確的。事實上，熱力學理論正把握著有序生命產生的關鍵。我們不妨設想一台正在運行的蒸汽機，當蒸汽機運轉時，能量轉化為所有組成部分的分子運動，這一過程是極端複雜的，但是熱力學並不涉及原子和分子，它把注意力直接集中在一些與感覺有關的宏觀量上，例如體積、溫度和壓力。蒸汽機的工作就是把熱轉化成功，水在鍋爐中被加熱成為蒸汽，蒸汽衝撞活塞，活塞做功推動輪子的轉動。同樣，我們也可以通過做功產生熱量，當你摩擦雙手時，就是在做功產生熱量，這說明熱和功不過是能量的兩種不同形式。這也就是我們在前面所說的能量守恆定律，它在熱力學中又被稱為"熱力學第一定律"。如果你在一件事情發生前能擬訂出一份這個事件所有參與的能量（包括物質）的清單的話，在事件的前後總能量總是相等的。唯一的區別是：開始時的能量的一部分或者全部，必定會在事件後作為熱量出現。這是因為總有一些能量在某種物理過程中被"燒掉"了，例如克服摩擦和空氣阻力。任何一個能量轉化的過程中，都有因為產生熱而出現的能量耗散。雖然熱和功是平等的，但是耗散使得它們之間產生了一個十分重要的不對稱性。這個現象就是使"熱力學第二定律"出現的最早推動力。第5節：二、時間零點(4)第二定律的含義是：所有的能量轉化都是不可逆的。在蒸汽機中曲軸的運動產生了熱量，這些熱量就是我們說的從有序狀態變為無序狀態的分子無規則的隨機運動。這種無規則運動的能量又有一部分會被空氣分子帶走，這最終將導致熱損耗帶來的不可避免的能量損耗。所以我們也就可以從另一個角度描述第二定律：熱只能由較熱的地方流向較冷的地方，而不能通過把熱量從較冷的地方轉移到較熱的地方而做功。4．熵與熱寂於是，我們前面提到的"熵"的概念出現了，它是1865年由德國物理學家克勞修斯引入的，來源於兩個希臘字母，意義分別是"轉移的量"和"發生變化的能力"。熵將第二定律表示得更為明確，將可逆過程與不可逆過程加以區別；熵是這樣一個量，它在有耗散的情況下不停地生長，當所有進一步做功的潛力都消耗殆盡時，它就達到了最大值。"熵"無疑是一個很明確的概念，它給了一個明確的時間箭頭：熵的增加方向一定與時間的前進方向一致。為了更深入地理解熵的含義，把一些雜亂的、容易引起混淆的因素去掉是明智的。科學家們通常使用一種理想化的情況，把所感興趣的過程定義為系統，而過程以外任何無關的東西稱為系統外界。可以用一個暖瓶來形容一個孤立系統，我們如果只關心暖瓶裡面的熱水，那麼暖瓶裡面自然形成的小氣候就是一個孤立系統，暖瓶和暖瓶外面的世界就是這個孤立系統的外界。按照第二定律，在一個孤立系統中自然發生的任何過程，都一定伴隨著系統熵的增加。因而熵給所有孤立系統提供了一個時間箭頭，當熵達到它的最大值時，孤立系統的時間演化就停止了，該系統就處於它最無序的狀態。這時，系統已耗盡了它所有發生變化的能力，它已經達到了熱力學平衡。現在，我們回到我們剛剛萌芽的宇宙。從虛無中創生的宇宙就是一個完全孤立的系統，就像那個暖瓶中的世界，而暖瓶外（如果有外的話）的世界並不在這個孤立系統的考慮範圍之內。於是根據熱力學的兩個定律，我們可以對宇宙這麼描述：第一條定律說，宇宙的總能量是守恆的；第二條定律說，宇宙的總熵總是在無情地朝著它的最大值增長。這是一個可怕的推斷，整個宇宙的演化就是逐漸退化，最後停止於熱力學平衡，此時不會再有任何變化發生。一個完全平衡的宇宙，熵達到最大，不再有任何生命和生機。這就是宇宙的"熱死說"或者說"熱寂說"。5．生機勃勃的宇宙"熱寂"是一個非常可怕的景象。但是我們卻知道，宇宙似乎並沒有按照熵所指引的道路走向死亡，恰恰相反，它不但創生了，而且還在不停地膨脹，沒有任何跡象表明它會有一個灰色的結局。這很奇怪，所以我們不得不重新清理一下我們的思路。第6節：二、時間零點(5)我們不能否認兩件事情：一個是熵增描述的熱力學第二定律是經過考驗的理論，是自然界至高無上的定律之一，不容懷疑；另一個是宇宙這個孤立系統還在生機勃勃地生長著。那麼，一定有一個什麼環節我們還沒有注意到。我們再回到那個蒸汽機或者是暖瓶。如果我們讓蒸汽機無限緩慢地工作，這樣在每個瞬間，系統和外界就會處於熱平衡。在這種"准靜態"的情況下，系統的整體性質不會隨著時間而改變，熵會在任何時候都處於一個穩定的最大值，不會改變。這就是所謂的"平衡態"。熵最初的定義和計算就是從"平衡態"而來，因為只有在這種情況下，熵的具體數值才容易計算。實際上，"平衡態"的說法是熱力學家們偷的一個懶，事實卻是，任何系統都不可能無限緩慢地運動，任何系統也不能完全孤立而不和任何其他外界發生關係。因而熵的最大狀態也必須同時把外界的熵計算在內。例如涼了的暖瓶中的水，它一定和暖瓶外的冷空氣發生了交換才導致了冷卻。熱力學家們為了計算簡單，總是儘可能避免把暖瓶外面的冷空氣帶進計算中來，為了不把冷空氣引入，只有採用"平衡態"這種靜態的方式，而事實上這是不可能的。因此，打破"平衡態"才是真正解決問題的辦法。"平衡態"只能描述熱力學演化的終態，即完全靜止下來的狀態，而不能描述隨時間表現的任何過程。計算熵，不能靜態地、孤立地計算單個時間瞬間的數值，而是應該和時間結合計算，計算它隨時間變化的特性。這就是最終能夠解決問題的"非平衡態熱力學"。"非平衡態熱力學"最重要的貢獻就是處理系統遠離平衡時候的情況。還記得"伯納對流花樣"嗎？我們設想一個水瓶中的水，如果我們對它不做任何處理，水分子將最終變得無序，但是，如果我們對它加熱，水分子們就會開始對流，甚至達到沸騰。初看上去這個現象很奇怪，加熱使得熵增加（注意，熵增原理無可否認），但是水分子的運動隨機性卻減小了，變得更加有序了。這卻恰恰給出了"非平衡態熱力學"的第一個證據：在不可逆的、非平衡態的過程中，有序性的增加方向開始和時間箭頭的方向吻合了。這是一個令人滿意的結論。物理學家終於擺脫了熵增必然導致物質無序性增加的怪圈，開始把熵和無序這兩樣東西徹底分開。熵可以增加，但是物質的無序性卻在降低，"非平衡態"貢獻了這一關鍵結論的理論基礎。熱力學第二定律終於開始能夠解釋我們的宇宙為何能創生並生機勃勃地發展了-只要遠離平衡態，宇宙這個大系統，在大的範圍和時間上將會不斷發展，平衡態所描述的"熱寂"終於可以壽終正寢了。第7節：三、物質形成(1)三、物質形成宇宙從虛無中開始，時間和空間真正開始建立。在我們做下面任何描述之前，我們必須給出一個規則。這個規則就是描述我們現在的宇宙時，我們只能使用現在大家熟悉的數學、物理學、天文學、化學、生物學等等知識。簡單地說，就是我們描述一個蘋果脫離樹枝時，它必然向大地飛去，而不是飛向太空或者別的什麼方向，而且更精確地說，它飛向大地的速度越來越快，速度的增加與運行時間成正比。不要小看這個規則，因為很多人都曾問過物理學家：世界為什麼是這個樣子的呢？物體為什麼互相吸引而不是互相遠離，而且互相之間的引力大小一定與相互距離的平方成反比，為什麼不是3次方或者1.5次方？甚至，為什麼我們看到的世界一定是三維的而不是二維的或者四維之類的呢？換句話說，為什麼當初那個爆炸產生的宇宙是現在這個樣子，而不是其他什麼樣子。宗教或者某些哲學說：有一個更高智慧或者更高層次的力量（神或者上帝）創造了這個世界的規則，神讓物體相互之間的引力與距離的平方成反比。我們無法也沒有證據否認這種說法，就算最好的物理學家也沒有證據。我們只能說，從最早的那個爆炸點開始，規則就創立了。這個規則可能是偶然的，因為從虛無中創生的世界，發生什麼都不令人驚奇，就像每個人的出生都只有億萬分之一的概率一樣，沒有什麼是不可能發生的。也許有很多種其他可能，例如可能真有這種情況：我們生活在一個引力與距離的立方成反比的世界中。但是，我們熟悉的世界是現在的世界，是存在的並且可以測量的世界，在這個世界中，沒有假如。從這個意義上說，物理學家們是一群可憐的傢伙，他們畢生都在研究各種規則，卻不知道這些規則是從哪裡來的。所以，很多物理學家甚至包括愛因斯坦，在終其一生的物理學研究後，都沮喪地轉向神學的研究。我們不能因此嘲笑他們，恰恰相反，轉向神學正是他們看透世間萬物後的必然歸宿。正像一位宗教學者所說："當科學家歷盡艱辛地到達一個從未有過的高度時，總會發現宗教早已微笑著站在那裡了。" 也許，用宗教來解釋這些不能回答的問題，是最簡單的辦法。好了，讓我們拋開關於宇宙創生初期那些過於艱深和哲學化的討論，用構成我們世界的現有的規則直觀地去看看在宇宙創生初期都發生了什麼吧。1．10-43秒用現代宇宙學的名詞來說，10-43秒這個瞬間一般被稱為普朗克時期。普朗克是量子力學的奠基人之一，用以描述最小物質單位的一個量被稱為普朗克常數，所以科學家用他的名字命名這個最小最小的宇宙的開始。第8節：三、物質形成(2)在普朗克時期，空間剛剛開始形成，可觀測宇宙的尺度甚至比原子核還要小得多，它的半徑只有10-38厘米，但是這個比原子核還小的空間卻包含了構成我們現今所看到的宇宙中的所有的物質。可以想像一下它有多重，它的密度高達每立方厘米1037噸，溫度則高達1038℃。在這個小小的空間里，物質顯然還沒有開始被區分，所有的一切，包括構成你我身體的那些物質，都全部壓縮在這個小小的體積之內。沒有人能想像得出構成這個小火球的物質是什麼。這個火球在極短的時間內向外膨脹，所以我們就不難想像科學家為什麼要稱之為"大爆炸"。一個小小的、非常熱的不知道是什麼物質構成的球就是我們現在宇宙的嬰兒時期。今天的宇宙經過140億年的不斷膨脹、冷卻，目前可觀測的宇宙的範圍已經達到150億光年。全部物質的平均密度只有每立方厘米10-31克，就是說每立方米的空間只能分攤到一個氫原子，和最初相比，這是一個無法想像的差距。那個微小的東西一旦開始膨脹，就必須遵守膨脹的規則。例如它膨脹採用的方式，膨脹的速度，就是我們所謂的規則。前文曾經說過，我們無法去回答這些規則是從哪裡來的，但是我們至少可以來描述一下這些規則。這些簡單的規則如此重要，我們就生活在這些簡單規則構成的世界中，無法擺脫，並且永遠遵守它們。規則之一：力在宇宙形成過程中，最重要和最先應該知道的概念是力。我們之所以認識世界上的任何物體，是因為它和別的物體相互作用。由於力（相互作用）有許多不同的形式，所以這個世界看起來確實很複雜，有諸如彈簧、肌肉、風、膨脹氣體、重力、物體接觸、磁、電等所施加的力。但實際上，規則永遠是簡單的，只要七個音符的簡單排列就構成了無數美妙的音樂，宇宙規則同樣簡單。就我們所知，宇宙中只有四種力，在這四種力的操縱下，構成了我們這個千變萬化的宇宙，而其餘的力只不過是這四種基本力的不同表現形式罷了。萬有引力重力是我們第一個體驗到的力。當我們還是嬰兒時，如果把支持我們的力拿開，重力拉我們向下時，我們就會哭起來。偉大的英國科學家牛頓遠在300年前就對重力做了極圓滿的描述。同其他三種力比較起來，重力是一種形式簡單的力，它的主要特點是：兩個物體之間的力正比於它們質量的乘積，而與它們之間的距離的平方成反比。首先我們得注意的是，此力永遠是引力。就目前我們所知，還沒有方法能產生重力的斥力。其次，物體之間的力的方向是沿連接兩物體間的直線方向。這看起來是物體間有作用力存在的一個直截了當的方式，但它不是唯一的方式，如電磁力的取向可以與兩作用物體間連線相垂直。此外，重力不隨物體的速度或取向而變化，而其他力則不然。重力隨距離的平方成反比變化，這一關係與其說與重力不如說與空間性質有關。這個公式只適用於球形物體或與其本身大小比起來離開較遠的物體。第9節：三、物質形成(3)牛頓定律最令人驚奇的特點是，它表明重力的來源是"質量"。我們用"質量"這個名詞來描述物質在兩種完全不同的實驗中所顯示出的類似性質。它是萬有引力的來源，因而也決定物質的重量。電磁力 我們把電和磁聯繫起來，因為它們是相同現象的兩個部分。兩電荷之間的力依其相對速度而變：如果它們彼此是相對靜止的話，它們只受靜電力；如果它們是在運動，它們彼此就產生磁力作用。初看起來，電磁力和牛頓的萬有引力定律非常相像，因為這個力和兩電荷之間距離的平方成反比，這個關係一方面是由於空間特性所決定，另一方面是因為此公式僅應用於帶電物體遠小於其之間距離的情況。如果一個電荷運動，並且經過另一個電荷，那麼它所產生的磁力正比於運動速度，其方向垂直於該速度和連結兩電荷之間的直線。電磁力能產生一個很有意思的現象：如果一個電荷被加速，這時會有輻射能以光速放出，從而產生一個電磁輻射源。光、無線電波、紅外線和X射線都是這種輻射源發出的。我們日常生活里所遇到的大部分力就是來源於這種電磁力，它使電子靠近原子，並且使原子互相結合在一起。如果深究下去，沙發上彈簧的力也可以看作是金屬的晶體結構中移動原子間的電磁引力。炸藥爆炸的能量來源於化學能，化學能也是電磁力產生的。當膨脹氣體撞擊容器壁或者炸彈外殼時，施加在撞擊分子上的排斥力也是電磁力，這種斥力是由於電子間距離的扭曲而產生的。所有生物過程都能用分子轉化來描述，這種轉化是受電磁力支配的。強核力我們認識萬有引力和電磁力已有很長時間了，但是，一直到20世紀過了好長時間，原子核中存在的第三種力才被弄清楚。原子核包括質子和中子，其中最重要的是質子帶正電，中子不帶電，不過它們吸得非常牢，好像被膠粘住了一樣。如果它們不能粘在一起，那麼就沒有我們現在的世界了。這個力非常大，連帶有同性電而相斥的質子間的靜電斥力也不會使整個核散開，而萬有引力太弱了，不能把核約束在一起。因此，在核粒子之間一定有比電磁力更強的力存在。經過研究，對這種強核力已可做出很好的定性描述，這種力最重要的特性是：它是短程力。如果核粒子互相接觸到非常近的距離內，此力是很強的。在這個範圍之外，此力很快降為零。關於這點，力的作用有些像把原子核結合在一起的膠水，而道理卻完全不同。這種核力的強度由質子和中子的方位而定。弱相互作用雖然大物理學家費米計算出了第四種形式的力-弱相互作用的一些規則，但是直到現在，弱相互作用的重要意義和機制還沒有被人們很好地了解。弱相互作用可用來解釋放射電子射線的天然放射性元素的衰變，許多新粒子也因弱相互作用而衰變。我們對它知道得太少，以至於不能說它的作用範圍究竟有多大。第10節：三、物質形成(4)萬有引力、電磁力、強核力和弱相互作用力-目前就人類所知，物質的基本結構單元還沒有以另外的方式作用的。我們把核束縛力叫作強力，把其他力稱為弱力。這四種力是宇宙間全部存在的力，是物質間互相作用的簡單規則。在這些規則的作用下，我們才能行走、運動、看電視、仰望星空、看太陽升起又落下……我們不知道它們是從哪裡來的，但是我們永遠在它們的統治之下。我們比較一下四種力相互作用的強度。當兩個質子互相接觸時，強核力（使兩個質子靠近的力）可以是電磁排斥力（使兩個質子遠離的力）的100倍。弱相互作用與強核力比較，後者是前者的1013倍。所有這些作用力中最弱的是萬有引力，它只有強核力的1/1039那麼小！而萬有引力在我們看起來那麼重要的原因是它相對來說是長程力。例如，我們的重量表示地球中的1051個核粒子與我們自己身體內的1019個核粒子間的引力。在個別的核反應或原子反應中，可以完全忽略掉萬有引力的影響；而對大尺度的物體，例如星星、銀河等之間的相互作用主要是萬有引力作用。2．0.01秒在宇宙形成0.01秒之後，宇宙的溫度約為1000億攝氏度，這個溫度看起來很恐怖，但是已經在我們可以測量或者說可以預測的範圍之內了。剛才那個最原始的小球，我們根本不能預測它的溫度。在0.01秒之後，我們現在認識的一些粒子開始出現了。而剛才那個小球，構成它的物質根本沒有人知道。0.01秒之後的宇宙物質的主要成分為輕粒子。輕粒子顧名思義就是質量很小的粒子，例如光子、電子和中微子。而能構成實際物質的質子和中子的比例只佔不到十億分之一。由於整個體系在快速膨脹，因此溫度便很快下降。我們同樣無法知道為什麼構成我們身體和這個世界的這些粒子一定是現在這個樣子，它們從宇宙創生初期到現在一直是這個樣子，從來沒有改變過。我們知道孩子總是像父母，而這些沒有父母的粒子的樣子是誰確定的呢？所以，就像描述力的規則一樣，我們也只能描述一下物質規則，而不能探究它的根源。規則之二：基本粒子 構成世界的基本粒子大概有二百多種，所有的物質都是由這二百多種基本粒子組合構成的。這些粒子相互作用，構成了生機勃勃的宇宙。例如我們看到一隻狗在奔跑，從微觀粒子的角度看，就是數不清的粒子在運動，這些粒子構成狗的細胞，狗的細胞又構成它的肌肉和神經。這些粒子通過三種力（萬有引力在粒子相互作用這個級別可以忽略不記，它適用於比較大的尺度）互相糾纏和影響，才產生我們看得見的運動。第11節：三、物質形成(5)根據粒子間的三種相互作用，可將這二百多種基本粒子分成三大類： 第一類是具有強作用的粒子，稱為強子。已發現的基本粒子中，約95%是強子，這是基本粒子中最龐大的家族。質子和中子是大家熟知的強子，除了質子和中子外，還有π介子、K介子、超子以及叫作共振子的基本粒子也是強子。強子除具有強相互作用外，一般也有電磁作用和弱相互作用。基本粒子的第二大類是沒有強相互作用的，稱為輕子。比較有名的輕子有電子和中微子，另外還有τ介子和μ介子等基本粒子也屬於輕子。輕子的特點就是沒有強相互作用，而都有弱相互作用。另外有些輕子，例如電子，因為帶電所以還有電磁作用。中微子比較難以探測到，就因為它不帶電，又是輕子，所以只有通過探測弱相互作用才能探測到它。基本粒子的第三大類就是既沒有強相互作用，也沒有弱相互作用，而只有電磁作用的粒子。這類粒子只有一種，就是光子。所以，凡是有光子參與的過程必然涉及電磁作用。我們不妨列舉一下創世之初的幾個有名的輕子： 電子 電子像撞球一樣有靜止質量，但它的質量很小，小得無法想像。然而，從許多方面看，電子並不完全像撞球。首先，電子有自旋，這一性質往往被看作是電子靜止時的角動量，好像它是個陀螺在繞軸自轉一樣。其次，電子在許多場合還呈現波的行為。如果一束電子被聚焦在一個適當的衍射光柵上（按原子的大小刻的一道一道的紋路，讓電子束穿過或者反射），這束電子將像衍射光（光通過光柵時會出現有規律的花紋）那樣形成圖樣。μ介子 μ介子是1937年在宇宙射線中發現的。宇宙射線是宇宙空間飛到地球上的高能粒子流。帶電粒子通過物質時，它的能量損失有兩個途徑：一是把能量交給物質原子中的電子，使得原子電離或激發；二是在原子核電場中偏轉並輻射出光子，把能量交給光子。後一種過程的能量損失率（指帶電粒子在物質中走過1厘米時所損失的能量）反比於帶電粒子的質量的平方。如果質量大100倍，能量損失就要減少10000倍。1937年，天文學家發現一種帶電粒子，當初認為它是電子，但是在能量很高時，這種粒子的能量損失率卻遠遠低於電子的理論預期值。因此，它不可能是電子，而應當是一種質量比電子大200多倍的新粒子，稱之為μ介子。μ介子被發現後，人們對它的性質進行了很多研究，實驗證明這種粒子和電子非常相像，幾乎完全一樣，唯一的差別只是二者質量相差很大，差了200多倍。電子和μ介子性質十分相似，但是，它們確實是兩種不同類型的粒子，而且兩者不可能通過簡單的途徑互相轉變。令人難以理解的是，既然μ介子與電子十分相像，為什麼質量相差這麼大？自然界為什麼要有μ介子？它在物質世界中究竟起什麼作用？一句話："既生e（電子），何生μ？"這就是著名的"μ介子之謎"。這是粒子物理中的頭號重大難題，μ介子的發現者培爾甚至說，也許要待愛因斯坦再世才能解決這個問題。第12節：三、物質形成(6)中微子 中微子是唯一的只有弱作用而沒有電磁作用和強作用的基本粒子。它是很難被發現的。中微子從理論預言到實驗發現，經歷了二十幾年的漫長歲月，這在粒子物理學的歷史上是罕見的。早在20世紀20年代，人們發現原子核在衰變時，有一部分能量竟然"丟失"了。這和能量守恆定律根本不相容，造成了理論上的危機。為了解釋這一現象，20世紀30年代初，奧地利物理學家泡利提出了中微子假設。他假定原子核的衰變產物中有一種質量極小的、中性的、穿透力極強的粒子，是它偷偷地帶走了那部分失蹤的能量。後按照義大利物理學家費米的建議，正式把這個粒子叫作中微子。有了中微子以後，衰變的機制就清楚了，成功的費米衰變理論，就是在中微子假設的基礎上提出來的。中微子提出後，二十多年內一直還只是一個理論假設，並沒有在實驗中發現它的足跡。這是為什麼呢？因為中微子只參與弱相互作用，比通常的電磁作用要弱20個數量級。我們大概作一個比較，一個電子在物質中只能走約1微米遠，一個光子在物質中可以走大概10厘米遠，而一個中微子卻可以走約1015米遠。也就是說，一個光子在水中平均走10厘米左右就會與水中的一個原子發生一次作用，而一個中微子卻要穿過整整1011個地球才會與其內的一個原子核發生一次作用。如果想用探測器來測中微子，至少中微子得在探測器內發生一次作用以便留下可供探測的信號。也就是說，即使我們用像地球那樣大的探測器，1011個中微子射到探測器上也只能探測到一個中微子。可見，探測中微子是一件十分艱巨的工作，必須有巨大的探測器和極強的中微子束。3．0.1秒在宇宙誕生0.1秒時，宇宙溫度已經急速下降到300億攝氏度。在此前構成世界的基本單位中子與質子的數量是一樣的，但是隨後中子數飛快減少，兩者之間的比例從1∶1下降到0.61∶1。我們不知道為什麼最初中子和質子數量一樣，但是還好，我們還能知道為什麼質子要比中子穩定。科學頑強地試圖看透規則背後的東西。絕大多數的基本粒子都是不穩定的，經過一定的生命期就會衰變為其他的粒子，粒子的產生和湮滅是基本粒子的基本性質。當然，確實也還存在著若干穩定的粒子，例如質子、電子、中微子和光子，這是需要我們進一步去說明的事實。根據相對論的結論，質量和能量存在著一定的比例，再根據能量和動量守恆，就可以知道粒子只能衰變為比它本身的靜質量更輕的粒子。因此靜質量為零的中微子和光子的穩定性非常高，就可以用能量和動量守恆得到說明。電子是帶電粒子中最輕的粒子，比它輕的粒子都是不帶電的，因此在能量動量守恆和電量守恆的雙重約束下，電子也應該是穩定的。可是為什麼質子也能是穩定的呢？例如它完全可以衰變為正電子和光子，而且這一過程並不違反能量、動量以及電荷等守恆定律，應該是允許的。可是事實上質子卻是非常穩定的，它的生命期非常長。其實質子的穩定性是我們整個宇宙構成的基礎，因為如果質子是不穩定的，原子結構也就不穩定，以致分子結構不穩定，整個目前所呈現的宇宙結構也就都不穩定了。第13節：三、物質形成(7)因此，質子的穩定性是一個極為重要的事實。為了說明質子的穩定性，人們引進了類似電荷的新量子數，稱它為"重子數"，並且規定質子的重子數為1，它們的反粒子（稱為反質子）的重子數為-1，而其餘的更輕的粒子的重子數均為0。質子是帶有重子數的最輕的粒子，並且類似電荷守恆，在任何物理過程中體系的總重子數（所有粒子的重子數的代數和）是要守恆的。這樣在能量動量、電荷和重子數守恆的三重約束下，質子的穩定性才得到形式上的說明。重子數的概念可以推廣到更多的粒子，而且重子數守恆定律也被證明是普遍成立的。應該指出以上對粒子穩定性的說明只是以現象本身來進行的現象說明，還沒有找到問題的本質，粒子的穩定性還需要我們尋找更深刻的本質上的原因。正像原子穩定性的研究對原子物理的促進一樣，粒子穩定性的研究也將帶來基本粒子研究的重大發展。4．1秒在宇宙誕生1秒的時候，宇宙溫度已經下降到100億攝氏度了。隨著這個火球密度的減小，中微子不再處於熱平衡狀態，開始向外逃逸。電子-正電子對開始發生淹沒效應，中子和質子之比進一步下降到0.3∶1，但這時溫度還是太高，強核力仍然不足以把質子和中子束縛在一起。儘管如此，強子特別是質子和中子是構成世界物質的基本單位。強子的出現，意味著構成宇宙特別是我們能夠看到的宇宙星辰的物質具備了出現的前提。有了強子，特別是中子和質子，才有了石塊、泥土和水，才有了星球和人類。但是，科學永遠不會滿足於只是了解到強子這個層次。前文曾說，科學永遠試圖看到規則背後的東西。所以，科學試圖知道比強子還基本的東西是什麼，然而，這次科學讓大家有些失望。規則之三：物質的最小單位--夸克 科學家解釋強子的構成時，使用了模型的概念。因為強子可以探測，但是打碎強子看看它裡面的東西，卻似乎是一項不可能完成的任務。宇宙規則深奧無比，強子像一個堅硬的小球，無論科學家用什麼方法都不能動搖它分毫。也許是因為我們的能力還不夠，但是更有可能的是規則根本不允許強子被打開。所以，科學家只能猜測比強子更基本的物質單位是夸克，每個強子由三個夸克構成，這就是所謂的夸克模型。夸克模型在說明強子的分類、質量和物理過程等方面取得了顯著的成績，可是作為夸克模型的主要角色夸克卻至今尚未在舞台上親自出場，這未免使人掃興。雖然在1977年4月，美國斯坦福大學的費爾班克在美國物理學會年會上，宣稱他曾發現了電荷為1/3電子電荷的客體，很可能它就是自由夸克。當時引起了科學家們一陣興奮，可是後來別人重複這樣的實驗時卻沒能再發現分數電荷。第14節：三、物質形成(8)夸克在強子內部自由地運動著，估計目前所能達到的能量的高能粒子就可能把夸克分子轟出來，那麼為什麼我們至今尚未發現夸克呢？是什麼原因把夸克禁閉在強子內部呢？ 科學家們根據大量事實確認了夸克的存在，但是又沒法說明自由夸克為什麼至今還未被發現？它是否最終能被發現？目前在回答這些問題時，人們提出了若干所謂"夸克禁閉"的方案。夸克禁閉的問題和強子結構是緊密相聯的。一般認為，夸克之間是通過交換膠子而形成它們之間的強相互作用的，正像帶電粒子之間通過交換光子而形成它們之間的電磁相互作用一樣。但是這兩者之間又有本質的差別。根據目前所謂量子顏色規範場理論的觀點，顏色規範是非對易的，而電磁規範是對易的，由此導致它們有以下兩點主要差別：（1）膠子本身帶有顏色，也就是膠子本身也可以產生膠子，而光子本身並不帶電，光子本身不能直接產生光子。（2）帶電粒子距離愈小，它們之間的電磁相互作用愈大；距離愈大，作用力卻愈小。而夸克之間的超強相互作用則與之相反，當夸克之間的距離愈大時作用也愈大，而當它們的距離愈小時作用力也愈小，當它們相互靠近時，它們就像是近乎自由的粒子。上文所說的超強相互作用的這種在近距離趨向自由的性質通常稱為漸近自由性（或稱紫外自由）。而當夸克間的距離愈來愈大時，它們之間的作用也愈來愈大。正是由於這個緣故，使得我們無法把單個夸克分離開來。對於強子結構、夸克禁閉已提出了若干具體模型，這些模型可以總括為兩大類。第一類模型就是所謂的弦模型。它認為強子是由一條無質量的弦所構成的，這條弦有不變的張力（相當於勢能與距離成正比），因此它經常會收縮而至消失。只有當弦經常繞其質心轉動，並且其端點以光速運動，以至於這條弦有伸長的趨勢時，才可以使離心力和張力達到平衡。弦的兩端中一端是夸克，另一端就是反夸克，這好像是磁棒的兩極一樣。如果我們設法把弦拉長，那就要不斷地對它做功，當弦得到足夠的能量，就會被拉斷成為兩條弦，這樣我們並沒有得到單個的自由夸克，而不過是產生了另外一個強子。實際上在弦的斷裂處產生出一對夸克對--夸克和反夸克分別出現在兩條弦的斷裂端上。這也和磁棒的情況相像，我們使磁棒斷裂，只能得到另外的磁棒，而不能得到單個的磁單極。強子結構的另一類模型就是所謂的袋模型。在這個模型里，強子被看成是真空中的氣泡，夸克和膠子被看成是裝在氣泡內的氣體，點狀的夸克和膠子在泡內自由地運動。由於這種運動對泡的邊界產生了壓強，使泡向外擴展，而另一方面真空又對泡的邊界存在固定的壓強，使泡向內收縮。當兩種傾向達到平衡時，就是強子通常所處的狀態。泡的邊界雖然具有彈性，可以收縮和擴展，但卻不能讓泡內的夸克和膠子穿透。因此在這個模型里，夸克和膠子是絕對禁閉的。實際上袋模型是在以夸克禁閉作為基本事實的前提下提出來的，顯然，這種模型否認了找到單個夸克的可能性。在袋模型中，強子的質量主要來自袋內夸克的能量、袋本身的與袋體積成比例的體積能（體積能密度就是真空對袋所施加的不變壓強）、夸克之間通過交換膠子的色相互作用能，以及一部分零點能量。第15節：三、物質形成(9)強子結構是基本粒子研究的重要方面，可是無論是夸克模型，還是其他模型，目前還沒有哪一種強子結構的模型是令人滿意的。也許，我們永遠都不能知道強子里到底是什麼。5．13.8秒在宇宙創生13.8秒時，宇宙溫度下降到30億攝氏度。這時，質子和中子已經可以形成像氫、氦這樣穩定的原子核，我們對宇宙的認識終於可以轉到化學的層次了。化學是一門古老的學科，化學比物理學更接近我們的生活，也更容易被我們理解。我們知道的物質相互作用，例如爆炸、燃燒，甚至生命的形成，化學都能給我們一些直觀的認識。化學元素就是從13.8秒這一時刻開始形成的。注意，我們指的是化學元素的原子核，而不是化學元素本身。在這麼高的溫度條件下，電子還不可能被原子核俘獲形成原子，所以在這個時候，科學只能給出原子核形成的一些圖像。當然，只要元素的原子核能夠形成，那麼原子核最後俘獲電子形成中性原子就只是時間問題了。所以，在這個階段，最好先看看原子核的合成。在現在人類的科研條件下是不可能模仿30億攝氏度這樣的溫度的，怎麼辦呢？有一個辦法，溫度對粒子運動的影響無非是影響它的活躍程度，也就是說，溫度越高，粒子越活躍。那麼，什麼是粒子活躍呢？就是速度快的粒子。於是，人們通過研究粒子高速運動的行為來間接推斷創世之初的情形。好在人類已經有了加速粒子的手段，那就是高能加速器。加速器的作用就是通過長長的跑道，用不斷給粒子加速的方法來獲得高速粒子。加速器有兩種-直線加速器和環線加速器。直線加速器很好理解，粒子像一個短跑運動員，從一端跑到另一端獲得速度。目前世界上最大的直線加速器在美國，長度達到10公里，從空中看非常壯觀。而環線加速器可以理解為圓形跑道，粒子一圈一圈地跑，不斷獲得速度。科學家通過加速器把粒子加速到宇宙初期30億攝氏度時粒子熱運動的速度，從而使產生新元素的核反應能夠發生。這非常重要，因為當時所產生的原子核至今仍是構成宇宙物質的基本部分。通過加速器，人類已經能夠人工合成簡單原子核並能解釋大量的氫、氦甚至鋰（這幾種元素的原子核是依次含有一個、兩個和三個質子的最簡單的原子核）的形成機制。這個過程通常是這樣的：把中子和質子加速，讓它們互相碰撞，當速度足夠快的時候，它們就有可能組合在一起形成原子核。這也是宇宙在創世之初30億攝氏度時做的事情，大量熱運動的質子和中子互相碰撞，逐漸形成各種各樣的原子核。這裡還有一個常識，單一質子也可以形成氫原子核，科學上表示為1H（專有名詞叫作氕）；而更通常的情形是一個中子和一個質子結合形成的氫原子核，科學上表示為2H（專有名詞叫作氘）；還有兩個中子和一個質子構成的氫原子核，科學上表示為3H（專有名詞叫作氚）。其實無論是氕1H、氘2H還是氚3H，它們都是氫原子核。類似的兩個質子和一個中子構成的氦原子核表示成3He（可以叫它氦三），而兩個質子和兩個中子構成的氦原子核表示為4He（可以叫它氦四），其中4He最穩定。第16節：三、物質形成(10)由於越簡單的原子核越穩定，所以在這個時期，宇宙中所有的原子核幾乎都是這三種-氫、氦和鋰。這三種原子核我們現在都很熟悉，氫氣通常在假日被打進氣球中，而氦氣通常被灌進飛艇里，這兩種氣體都比空氣輕，所以氫氣球和氦汽艇都能浮在空中。而我們平常所用的手機鋰電池裡含有鋰。在那個時候，這三種原子核所佔的比例是不一樣的。氫原子核最穩定，所以占的比例最大，大約佔到73%，氦佔到26%，剩下1%是鋰和其他偶然形成的原子核。6．35分鐘宇宙開始它的生命旅程35分鐘後，溫度進一步下降到3億攝氏度，這時核過程停止了，氦和自由質子的質量之比大概保持在0.22～0.28這一範圍內。由於溫度還是太高，質子還不能和電子結合起來形成中性原子。這裡有個奇怪的現象：鑒於大爆炸早期，中子數目和質子數目相同，這正好同4He中質子數目和中子數目相等的事實一致，我們奇怪為什麼大爆炸沒有將全部氫變成氦。科學家們注意到，當宇宙膨脹時，很多中子轉變為質子，所以中子數目會少於質子數目，這樣就失去了氦形成的條件。在中子變成質子的反應中，同時包含有對中微子的發射和吸收，這些捉摸不定的粒子與物質的相互作用相當弱。如果這些中微子與物質的相互作用非常強，中子應該衰變得非常快，並且以後應當有很少的中子遺留下來。如果這些中微子與物質的反應太弱，則形成氘核的反應會發生得很遲，就不會有過剩的質子形成氫以適於在像太陽這樣的恆星中燃燒。那樣我們的宇宙中也許將存在著迥然不同的生命。7．30萬年當宇宙膨脹導致的冷卻使溫度下降到低於4000℃的時候，一個引人注目的事情發生了。這個時候由於溫度的降低，自由飛行的電子將降低飛行速度。由於飛行速度的降低，它進一步受到質子的引力作用，慢慢地被質子俘獲，成為質子的一顆衛星，圍繞它轉動。我們知道，原子是由電子和質子（另外加上中性的中子）構成的，這樣一個質子和一個電子就發生了複合作用，成為最小的原子-氫原子。在所有原子中，氫原子是最小的，所以受周圍宇宙輻射的作用也最小。一般原子受輻射照射時會發出光來，比如我們在電影里經常看到，描寫醫院放射室或者核潛艇的核發動機時，總是表現為藍瑩瑩的，其實這就是輻射照射空氣分子時與分子相互作用發出的光。由於氫原子受宇宙輻射作用很小，所以輻射對它沒有什麼影響，因此任何光和輻射都能穿過它們。在外面看，原來一團緻密的氣體開始變得透明。這是一個奇妙的時刻，如果我們站在這個時期的宇宙外面，我們會注意到它開始變得透明和稀疏。整個宇宙開始敞開，這在宇宙學上叫作"解耦"。解耦後的宇宙體積進一步增大，為形成星系做好了準備。第17節：三、物質形成(11)按照大爆炸理論，在解耦前，宇宙應該是完全均勻的。因為我們無法想像從一個點向四周擴展的宇宙有什麼理由是不均勻的。但是很明顯，現在我們觀測到的宇宙是不均勻的，因為我們不但能觀察到星系團，而且還能觀察到單獨的星系和恆星。他們的平均密度大約為宇宙平均密度的1030倍。這個結構是如何形成的呢？其實，自組織理論就能很好地解釋這個問題。在絕對均勻的情形下，總會在微小的局部有不均勻性，而這個微小的不均勻在某種條件下就可能擴大成最終的不均勻性。還記得那句話嗎：亞平寧半島上一隻蝴蝶翅膀的振動，有可能掀起太平洋深處的一場風暴。在當初那個均勻的物質中，在引力作用下，微小密度有變大的趨勢。任何一個微小的引力不均勻，都可能在局部形成一個比周圍平均密度高的區域。這個區域將吸引更多的物質，因而進一步增加其密度。美國物理學家勒斯仔細研究過這個問題。他說:如果一個區域內有較高的物質密度，將導致更多的氣體受引力的作用而聚集；但由於離子密度增大的原因，也同時有更高的內部壓強。一方面，擾動尺度越小，由此壓強差引起的向外作用力越大；若尺度很小，壓強使高密度區分裂。另一方面，引力的行為恰好為另一種方式，尺度愈大則引力愈大；若尺度非常大，壓強效應是微不足道的，引力就起了作用，高密度區坍塌。對於一定尺度規模的擾動而引起所發生的穩定和不穩定之間的分界線叫作勒斯長度，大小為勒斯長度的一團物質的質量稱作勒斯質量。在解耦前和解耦後，勒斯長度是不同的，由105秒差距（秒差距如同光年一樣，是一種宇宙尺度）下降到30秒差距，此時的勒斯質量是l06個太陽質量。因此，如果一個區域所包含物質的總數大於l06個太陽質量，則擾動直到解耦前都是穩定的，解耦時才突然變為不穩定。解耦後，由於氣體隨同宇宙膨脹，密度連續減小。不久以後，與密度有關的增加的引力效應阻止了膨脹並引起壓縮，半徑達到極大值，像銀河系這樣的星系的半徑約為40千秒差距，隨後急劇減小。當區域坍縮時，密度迅速上升，變得比宇宙平均密度大很多，這與星系觀測一致。質量大於106個太陽質量的區域的引力是不穩定的，這個情況預言：將形成l06個太陽質量以上的構造。在原星系本身中必定有小擾動產生，若其尺度足夠大，它將是不穩定結構，開始坍縮形成星系中的星團和單個的恆星，甚至當時原星系本身也正在塌陷。這種情況下的勒斯長度很難算，但它表明星系形成過程跟勒斯質量在102～106個太陽質量間的變化有關。因此，恆星的第一代必然比現在典型的恆星重得多。這個結論對恆星中重元素的合成是重要的，因為重恆星更容易產生重元素。在這個階段，宇宙的主要成分仍然是氣體物質，它們慢慢一團一團地凝聚成密度較高的氣體雲，慢慢地再進一步形成各種恆星系統。這些恆星系統的演化又產生了碳、氧、硅、鐵等元素。但是要記住，今天的物理學是基於此時此地的宇宙的研究基礎上發展出來的，我們不能保證它絕對適用於描述創世之初的宇宙。因為當時宇宙的溫度和密度仍然非常大，而只有在較低溫度和較低密度下，物質的行為才可以用當代物理學描述，所以我們目前仍然無法十分精確地描述當時的情形。第18節：一、恆星(1)第二章 宇宙演義宇宙完成漫長的胎兒過程後，終於進入一個相對穩定的發展時期。這個時候，構成全部宇宙的基本微粒都已穩定存在，形成宇宙的基本物質也已確定下來。星系開始形成，早先的緊密熾熱慢慢變成現在的空曠寒冷。我們熟悉的宇宙開始露出雛形。一、恆星每一個星系都有一顆恆星安居中央，就像我們的太陽一樣，給整個星系提供熱量和光線。恆星是構成宇宙的基本單位，是星系的核心。所以，了解宇宙演化必須先從了解恆星開始。1．恆星序列如果想知道恆星演化的過程，必須首先搞清楚什麼是恆星序列。如果我們用肉眼仔細觀察天上的星星，就不難發現，閃爍的群星有不同的顏色，有的微帶藍色，有的則微微發紅。星星的顏色跟它們各自表面的溫度有關，隨著溫度的增加，顏色由紅到橙，由橙到黃，由黃到藍，所以科學家就用星星的顏色來確定它們的表面溫度。20世紀初，丹麥天文學家赫茨普龍和美國天文學家羅素髮現，如果用恆星的亮度和它們的表面溫度分別作為縱坐標和橫坐標的話，表示各種不同恆星的點並不是凌亂分布的，而是有一定規律，這個規律就叫作恆星的序列性。在圖上，沿左上方到右下方的對角線上分布最密集，所以把這個區域叫作主星序。這表明：溫度高的亮度強，隨著溫度的降低，亮度也減弱。另外，在左下方也有一塊比較密集的區域，這些星溫度高，呈藍白色，可是亮度卻很弱，大概它們體積不大，因而表面積不大（因為亮度跟表面積大小有關）。這類星叫作白矮星，這個區域叫白矮星序。在主星序右側還有一個比較密集的區域，這些星亮度大，溫度卻低，呈紅色。一般來說，溫度低的星應該不太亮，但是這些星卻非常亮，由此推斷它們的體積一定十分巨大，所以叫作紅巨星，這一帶就叫作紅巨星序。在巨星序的上方還有超巨星序。這張圖就叫作赫茨普龍-羅素圖，簡稱赫羅圖。天文學家認為，恆星的這種序列性反映了它們演化的規律性，不同序列的恆星就處在不同的演化階段。這樣，天文學家雖然沒有可能觀察到某個恆星從形成到衰亡的全過程，卻可以通過觀察處在不同演化階段的許多恆星來研究恆星的演化規律。第19節：一、恆星(2)2．第一階段-星雲凝聚最早的宇宙充滿了宇宙塵埃，這些塵埃互相吸引、碰撞、遠離，漸漸形成了一團一團的雲霧一樣的形狀。我們知道，在天空中看到的雲，實際上是無數細小的水顆粒或者叫水珠構成的。這些宇宙塵埃也同樣聚集在一起，形成了恆星和星系的原始狀態，這就是星雲。就是在現今的宇宙中，也依然存在著古老的星雲組織。這些星雲組織呈一團團不規則雲霧狀，其中充滿了各種各樣的氣體和塵埃。這些古老的星雲，不知道因為什麼原因沒有形成星系，而是按原來的形態保存了下來，它們給科學家提供了研究恆星形成原因的最寶貴的資料。有很多這樣的星雲我們至今還能看到，如著名的馬頭星雲。因為星雲是離散的，所以它們都不發光，而且它們十分稀疏，有些甚至稀疏到我們的目光可以穿越它們。也許，當我們注視一顆遙遠的恆星時，那顆恆星的星光已經穿過了無數古老原始的星雲才到達我們這裡。星雲由於分布不均勻而往往分裂成團塊，並向中心凝聚，成為瀰漫星雲。瀰漫星雲在逐步凝聚收縮過程中進一步分裂，變成體積和質量更小而密度卻更高的小球狀星雲。星雲很龐大，半徑起碼有好幾光年。它的外原物質自由地向中心墜落，墜落速度相當快，但也需幾百萬年的時間才能落到中心區。星雲的質量通常和恆星差不多，但是體積卻比恆星大成千上萬倍。在宇宙形成早期，由於星雲團中顆粒間的萬有引力作用、熱運動造成的碰撞作用和分子結合力，這些星雲物質開始凝聚，在這個凝聚過程中，星雲體積收縮，並且逐漸變熱。變熱的原因來自熱力學定律，氣體收縮導致分子間距變小，分子勢能轉化為熱能釋放出來。由於收縮是由引力造成的，所以這個收縮階段很快，大概只需要幾百萬年。隨著快收縮過程的進行，星雲內部的密度迅速增大，溫度快速升高，氣壓也相應增強，隨之發生一系列的反應，使外原物質下落的速度和星雲的收縮速度減緩，即進入慢收縮階段。一般把處於慢收縮階段的天體稱為原恆星。慢收縮開始後，中心區受強烈壓縮而升溫並發出熱輻射，直到最後中心溫度升到約800萬攝氏度到1000萬攝氏度以上，由氫原子核聚變為氦原子核的熱核反應提供足夠的能量，使內部壓力與引力處於相對平衡狀態，一顆恆星就正式誕生了。原恆星進一步形成恆星的收縮過程要持續幾百萬年到幾千萬年。經過凝聚的星雲就開始向恆星演化，當體積逐漸縮小時，亮度就開始增加。當能在赫羅圖上看到這團星雲物質時，我們就可以稱它為恆星了。這時候它一般位於赫羅圖的右下角，成為一顆主星序恆星。第20節：一、恆星(3)3．第二階段-壯年恆星星雲團由於中心收縮而大大加熱，當星雲內部的溫度達到1000萬攝氏度時，就開始了一個新的轉變。原來星雲物質中大量的氫，由於萬有引力互相靠近和壓縮而形成了核聚變反應。這個核聚變反應就是氫彈爆炸的原理，每四個氫原子互相靠近和擠壓，在形成一個氦原子核的同時釋放出大量核聚變能。在地球上，人們要想實現核聚變，以氫彈為例，就需要使用巨大的外力迫使氫原子互相靠近。這個巨大的外力在地球上是不能自動產生的，所以人們就只能使用原子彈產生的巨大壓力形成氫原子擠壓，造成核聚變，這就是氫彈的原理。而在早期的星雲中，由於體積十分巨大，僅僅依靠原子間相互的引力就可以滿足核聚變的條件，所以恆星內部就有無數個巨大氫彈在爆炸，這些爆炸產生了巨大的能量，從而使恆星進入一個活躍的壯年時期。進入壯年時期的恆星主要組成物質幾乎全部是氫和氦。內部核聚變所產生的能量逐漸佔主要地位，收縮就不再繼續。這時它通過輻射、發光而失去的能量就靠內部的核反應來補充，所以一顆壯年恆星是非常穩定和活躍的，這一階段的恆星就位於赫羅圖上的主星序中。在恆星漫長的一生中，停留在主星序階段的時間最長。我們的太陽就是一顆典型的壯年恆星，它活躍的內部不斷進行核聚變反應，無休止地向外界輻射熱量和光，所以才有了我們地球上的陽光普照。4．第三階段-紅巨星無論恆星當中有多少氫，總會有燒完的那一天。當壯年恆星內部的核反應逐漸把氫消耗完，所有的氫都轉化為氦時，維持恆星狀態的反應就結束了。這時候，恆星中心的核反應不再提供維持恆星狀態的能量，星體只能繼續收縮。同上次收縮一樣，這次收縮同樣將星體內部繼續加熱。而與此同時，恆星表層的大量氣體由於失去了核心的束縛而向外膨脹，表面溫度降低，這時恆星將變得很奇怪，它將有一個巨大的體積，但是主要成分卻全部是氣體，而同時有一個更加緻密的內核。這個內核的溫度非常高，超過1億攝氏度，密度超過每立方厘米100噸。在這個內核中，由於只有氦原子，所以開始進行一個新的核反應，由三個氦原子核轉化為一個碳原子核，再度產生巨大的能量，這個能量使得內部壓力增高，從而抵禦了向內塌陷的力，使整個恆星再度穩定起來。我們可以設想一下從外面看這一階段的恆星的情形：暗藍色的外圍星雲氣體,巨大的網路狀結構橫亘在內部的紅色塵埃中,顯著的中心白點,灼熱的中央白矮星。星雲的這些顯著結構詳細表達了恆星臨死時的活動: 在紅巨星階段,恆星的氧-碳內核已經不再發生熱核反應,即使外殼對核的壓力增大,內核也得不到充分的壓縮而引起碳-氧繼續聚變,但內核周圍的氫層和氦層繼續燃燒,並且向外擴展,這種情況下,引力與排斥力開始不穩定, 恆星便開始一鼓一縮地脈動； 紅巨星稀薄的包層向外以星風的形式逃逸,形成同心圓結構; 隨著紅巨星大氣的喪失,中心星由於極高的密度和溫度產生類似爆發的高速星風, 將剩餘的氣體與塵埃拋出,形成不規則的塊狀結構和氣泡結構。由於從遠處看這個階段的恆星體型巨大而且發紅，所以又叫紅巨星。第21節：一、恆星(4)一般一個紅巨星可以存在10億年左右。它們在赫羅圖的右上角。一般來說，體積越大的恆星氫消耗得就越快，所以壽命也就越短，成為紅巨星的過程就越快。5．第四階段-白矮星經過了紅巨星階段後，恆星就進入了它的晚年。這一時期恆星的特點首先是不穩定。不穩定的狀態首先表現為脈動，也就是它的大小和亮度開始發生周期性變化。當脈動幅度達到一定程度的時候，就會發生爆炸。爆炸拋射出來的物質在垂死的恆星周圍形成一個龐大的氣殼或者是氣環，看起來就好像是星雲一樣，然而這個星雲卻非常明亮，和恆星的亮度一樣。這時候，紅巨星內部的氦也燒完了，內核溫度達到6億攝氏度以上，此時，碳開始進行核反應，進一步轉化為氧和鎂等比碳重的元素。碳燒完的速度更快，大概只需要1萬年。這時候內核的溫度已經超過20億攝氏度，然後氧被迫進行核反應轉化為氖、硫等更重的元素。氧反應存在的時間更短，幾乎只有一年左右。這些反應一個接一個地進行，每一種元素都轉化成比它更重的元素，直到最後，溫度達到40億攝氏度的時候，終於全部轉化為最穩定的元素--鐵。到了鐵，剩餘的核能在1000秒內用完，內核溫度已經達到了60億攝氏度。這時，內核已經不能通過核反應來獲取內部壓力以抵擋向內的塌陷了。核反應消失以後，只有引力作用的內核不可阻擋地向內塌陷，體積越來越小，密度越來越大。它的半徑最後縮到只有幾百公里，而密度卻比岩石高了幾億倍。現在的內核已經沒有原子核了，所有的原子核都已經被擠碎成為非常小的微粒。我們知道，在原子核外面旋轉的電子，當原子已經被壓縮到間隙足夠小的時候，電子之間同性相斥的力就開始起作用，它阻止了內核繼續向內的塌陷，拯救了這顆無可救藥的恆星。於是，這顆恆星終於穩定了下來，因為體積小，所以亮度很低，於是它出現在赫羅圖的左下角，被稱為白矮星。6．第五階段-超新星、中子星如果一個恆星在青年時期過大， 那它衰亡的過程就激烈得多。由於它質量大、引力作用強，在核反應結束的時候，向心引力非常大，所以它收縮得非常迅猛。這種劇烈的坍塌使內核壓縮到密度極高的狀態，同時又向外發出強烈的衝擊波，使外層物質猛然向星際空間拋射，這就是超新星爆發。超新星爆發時亮度驟增幾千萬倍甚至1億倍以上，經過幾個月時間才慢慢變暗下來。劇烈爆發把很大一部分恆星物質拋射到周圍的空間中，成為瀰漫星雲。超新星爆發後，恆星緻密的內核在坍塌造成的巨大壓力下壓縮成為超高密度的狀態，密度比白矮星還要高几百萬倍。在這種情況下，原子里原來的核外電子幾乎全部被擠到原子核里去，和原來在核里的質子結合成中子。這時候恆星的全部物質都由中子構成，恆星就成為中子星。由於密度大，中子之間也會產生一種斥力，能對抗引力塌陷，使內核達到一個穩定平衡的狀態。第22節：一、恆星(5)7．第六階段-黑洞恆星進一步塌陷，成為充分緊縮到某種程度的天體，致使光線都不能外逃，第一個測出此事件發生時該天體半徑的是美國天體物理學家史瓦西。史瓦西稱得上是20世紀上半葉最偉大的天體物理學家，他曾為天體物理學的許多分支學科撰寫了指引方向的論文。愛因斯坦推導出廣義相對論引力場方程組後，史瓦西在去世前不久求出了第一個嚴格解，其中就包含了黑洞推論。天體緊縮到光線都不能向外逃逸的臨界半徑被稱為史瓦西半徑。太陽的這種半徑大約為3公里，這就是說如果把太陽物質緊縮到半徑為此值或更小的一個球內，它的光線就休想往外逃逸了。任何物體的史瓦西半徑都可以算出來，質量愈小，這種半徑也愈小。對應於一個人體質量的史瓦西半徑實在微小，如果用厘米為單位來表示，就是小數點前面一個零，小數點後面要先來20個零才出得來非零數字。如果把一個人的質量擠壓在如此小的半徑範圍中，光線就不能由此人逃逸到外界了。一個天體失落在一個黑洞中絕不是它在宇宙中消失了，它的引力使它仍可以被外界所覺察。光線貼近它就被它捕獲，在它周圍較遠處穿越的光線則發生方向變更。它能夠用它的引力和別的天體組成力學系統，能夠控制住一批行星，還能夠和另外一顆星結成一對雙星。一顆恆星的命運要麼以老老實實冷卻的白矮星結束，要麼以中子星而結束。但當一顆恆星演化到結束時，如果剩下質量太多到既不能形成白矮星，也不能成為平衡態中子星時，那麼，這種殘餘天體的下場就是在黑洞里永遠地收縮下去。恆星的結局是緻密天體，其中的物質永遠處在一起。不過在此以前它們把一部分質量拋向空中，這就為新一代恆星的誕生準備了物質基礎。那麼，歸根結底宇宙中的一切恆星都要縮聚為冷卻中的白矮星、中子星或者黑洞，而圍繞它們死氣沉沉地運轉的則是冰冷的行星，看起來宇宙似乎是在走向枯燥乏味的未來。第23節：二、太陽系形成(1)二、太陽系形成太陽系是我們棲息的家園，是地球和生命起源的地方。太陽在浩瀚的恆星海洋中毫不起眼，但是因為它離我們最近，所以研究太陽系的起源可以最終了解其他恆星的起源，而且我們也十分有必要知道我們生存的這個星系是如何開始的。1．起源假說一個圓滿的太陽系起源理論必須能解釋太陽系目前存在的基本特徵，否則我們就只能假定太陽系形成之後存在過某種強大的外界擾動，而這幾乎是不可能的。下面便是起源理論所必須解釋的主要特徵：（1）幾乎全部繞太陽運轉的天體的運動（公轉和自轉）都在同一方向，只有天王星、金星、少數衛星和許多彗星是例外。（2）這些天體的軌道平面相互之間夾角很小。例外的情況是天王星的衛星和多數亮彗星。（3）行星的赤道面和太陽的赤道面一樣，都近似平行於各個行星的公轉軌道，而只有天王星特殊。（4）四顆類地行星的密度遠比四顆類木行星的密度要大。早期假說法國人布豐提出的太陽系起源假說是依據這樣的信念：彗星是一顆甚為龐大的天體，它一旦碰到太陽上就必定會裂為碎塊而飛散到太空去，地球和其他行星就可能是由這種碎塊形成的。我們現在知道，彗星的質量極小，不會產生上述可能的過程。這個假說後來又做了修正，即認為太陽沒有與彗星相撞，而是和另一顆恆星相碰。當然，若兩顆恆星相碰，其規模肯定是相當可觀的。不過，恆星彼此相隔太遠，它們相碰的可能性之低可以完全否定這一設想。如果恆星之間直接碰撞讓人難以置信，那麼，會不會有另一顆恆星與太陽非常接近呢？兩顆恆星可如此的近，以至於恆星的潮汐力（兩顆離得很近的星球，互相相向的一面互相吸引的力和互相相背的一面互相吸引的力是不同的，這個差別就是潮汐力）互相能夠從太陽或恆星中吸出一股類似雪茄煙霧狀的氣團，使之最後能凝聚成為行星和衛星，但這種情況發生的概率仍是極小的。有人估計，自地球有生以來，在含有2000億顆恆星的銀河系中，經這種過程產生的行星系統僅有10個。面對著茫茫的恆星世界，天文學家無法認同這樣的陳舊觀念-地球在宇宙中是獨一無二的，我們的行星系統是無與倫比的。假如一個天文學家能完全客觀地研究宇宙，他就不會承認天空中數不勝數的恆星都是單為人類的利益而存在的。他必然認為還有不少的恆星，其周圍運行著有與人相似的生命存在的行星。所以，他對那些諸如恆星相撞或恆星接近之類的假說不予理睬，因為接受這樣的假說，就無異於承認我們太陽系賦有特殊性或近似特殊的條件。而且還有人證明過，即使兩顆恆星相撞或互相靠近，拋向太空中的氣體也不會凝聚為行星，因為氣體的密度肯定很低，氣體的運動只能導致氣體的繼續擴散。所以天文學家力求把太陽系的形成解釋為一種不受外界影響的自身獨立的變故。星雲收縮說 星雲說星雲說是18世紀後半葉德國哲學家康德和法國數學家拉普拉斯提出來的。星雲說認為太陽系是由一團巨大、灼熱而又轉動著的原始太陽星雲在引力作用下演化而成的。成分以氫為主的氣體雲在銀河系中是極為普遍的。有人估計，氣體雲的某一部分可能脫離氣團的主體而自發形成一個局部旋渦。在一些亮星雲的照片中，顯示出在這些亮星雲與地球之間存在著晦暗的"球狀體"，這一事實更加重了上述論證的分量。第24節：二、太陽系形成(2)那麼，假如這種小型旋渦的氣體的密度達到足夠高的程度，它便會在本身引力的作用下自行收縮起來。凡是一個處於自轉而同時又收縮的體系或物體將會越轉越快，這是角動量守恆定律的必然結果。正在收縮之中的氣團的角動量是難以計算的，不過，氣團中每個質點的角動量便等於質點的質量m、質點的轉動速度v和質點圍繞中心轉動的軌道半徑r三者的乘積（角動量＝mvr）。如果該質點不受外力的作用，這一乘積mvr將始終保持不變。假定質點的質量m不變，則在質點的轉動軌道半徑縮短的時候（因為氣團作為整體在不斷地收縮），其自轉速度就要增加。這個現象可舉一個實例來加以說明：一位旋轉的花樣溜冰運動員，在她開始旋轉之初，其雙臂是伸開的，但當她將雙臂收攏時，她便轉動得更快了。如果軌道半徑減小而速度並不增加，那角動量就一定要降低。然而角動量守恆定律卻完全否定了這種可能性-只要無外力作用在旋轉體系之上，其角動量肯定是恆定不變的。氣體圓盤說從星雲假說的觀點出發，康德和拉普拉斯進一步提出氣體圓盤的假說。既然星雲中一團正在收縮的氣旋可以越轉越快，其結果就會圍繞著中心星雲在垂直於自轉軸的平面內形成一個巨大的氣體圓盤。圓盤一旦形成，拉普拉斯認為它會馬上收縮起來。在此過程之中，圓盤便定時地遺棄一些小型的環圈或蒸汽環帶，這些環狀氣團由於停止收縮也就脫離了主圓盤，每個獨立的環圈通過自身形成一隻小型的旋渦而聚合成為一顆行星；而這種氣旋的旋轉會再產生更小的氣體環形氣團，由此又形成行星的衛星（例如月亮）。在此之前，太陽已成為一顆新生的恆星，它的腰部圍繞著一個又大又扁的氣體塵埃圓盤。這個圓盤的扁平形狀就可以解釋行星軌道大都分布在同一平面之內的事實。拉普拉斯舉出土星環為例，說"土星環就是土星大氣的原始範圍及其不斷凝結過程的現存證據"。這一解釋儘管十分巧妙（它已部分地為當代假說所吸收繼承），但它卻無法說明太陽系的一個極為重要的特徵，即行星和太陽之間的角動量分布極不均勻這一現象。太陽的質量雖然遠遠超過其體系的其餘部分質量的總和（太陽佔全體系總質量的99.9%），但是太陽的角動量居然只有全體系的2%。這一情況的物理含義是：太陽旋轉極慢，但擁有全體系98%的角動量而體積卻不大的諸行星，竟然在距離中心甚遠的地方高速轉動著。根據康德-拉普拉斯理論並結合此後的補充知識來預算太陽的自轉周期，就能驗證康德-拉普拉斯假說是否正確。天文學家不僅能估計氣體雲在收縮之前的體積，還可測出所觀測星雲中氣體的自轉速度。根據這個估計的體積、觀測的自轉速度和角動量守恆定律，康德-拉普拉斯理論預見到太陽的自轉周期應在半天左右，而實際的觀測周期卻是26天。理論與觀測之間相差竟如此懸殊，是令人無法接受的，康德-拉普拉斯理論肯定忽略了形成過程中某些重要的方面。縱然這一理論對後來的天文學家的思想啟發很大，但也無法原封不動地採用。第25節：二、太陽系形成(3)二力作用說這是以太陽四周略具雛形的星雲圓盤為起點的一個假說，是由美國亞利桑那大學月球和行星實驗室的柯依伯提出的。他主張行星的發端是兩種完全相反的力對星雲圓盤中任一氣旋（旋轉單元）共同作用的結果。這兩種作用力就是： （1）使氣體聚集為一個整體的自身引力。（2）力圖使氣旋解體的太陽潮汐力。若氣體密度足夠高（高過某一特定的臨界值，柯依伯稱此臨界值為"羅歇密度"），引力場將會起主導作用，而組成旋渦的物質便收縮為一種原行星，即一顆原始行星。在原始行星這個中央核四周環繞有一個同拉普拉斯的想像一般大的氣體圓盤。來自太陽的潮汐力迫使每顆原行星朝太陽方向變扁，從而便發生了周期和方向都與繞日公轉一樣的繞軸自轉。但是隨著原行星在其自身引力作用下不斷收縮，它會越轉越快，因為無外力作用時，它的角動量必須保持守恆。這樣，我們可以看出，行星的自轉方嚮應該與其公轉軌道運動的方向相同。同理，產生於原行星周圍的星雲圓盤中的衛星，其公轉與自轉也和原行星的自轉同一個方向。這個解釋似乎不能很好地說明土星環的存在，但美國天體物理學家羅歇曾證明了在2.4倍於行星半徑（稱為羅歇限）範圍內存在的潮汐力非常強，足以阻止衛星的形成。這種羅歇限的概念有助於說明土星環的存在：原始構成環繞土星的星雲圓盤的物質，因處於羅歇限之內而未能聚結成衛星。我們或許還記得，早在兩個世紀之前，拉普拉斯就認為土星環乃是星雲圓盤的現存證據。柯依伯認為整個太陽系形成過程可分為四個階段來討論：第一階段是原始星雲分解成為原太陽和繞太陽轉動的星雲圓盤。在此階段的原太陽仍是昏暗無光的。第二階段是星雲圓盤中的原行星的形成。該圓盤分裂為兩部分：內側部分形成四顆類地原行星，外側部分形成四顆類木原行星。在介於兩者之間的區域中，圓盤密度不會超過發生收縮過程所必需的羅歇密度，因而太陽的潮汐力將會阻止任何大型天體的形成。然而可以預料，幾個比行星小的天體還是可能形成的，經碰撞，這些小型天體便分裂成為小行星。類木原行星之外的星雲圓盤也是密度甚低，那就只能形成彗星了。第三階段是使太陽由暗變亮。它強烈的輻射會使星雲圓盤中比較靠近太陽的氣體電離，這種旋轉的電離圓盤與太陽磁場間的相互作用能充分說明太陽角動量的喪失及太陽自轉周期的必然加長這兩個現象。第四個階段是星雲圓盤和來自剛剛發光的太陽的輻射之間進一步相互作用。正如彗尾由於受太陽的輻射與微粒輻射壓的作用總是背離太陽一樣，星雲圓盤中的多數氣體也是遠離太陽的。僅有那些被行星胚胎引力場牢牢控制住的氣體才能留在太陽的近旁，其餘的物質（其實占其質量的絕大部分）則由太陽系拋回星際空間去。離太陽最近的那些行星，因蒙受太陽的輻射與微粒輻射壓作用更強，所喪失的質量會遠遠多於四顆離太陽較遠的類木行星。既然被拋射出去的物質多是較輕的物質（氫氣居多數），這就說明了類地行星的密度之所以較高的原因。第26節：二、太陽系形成(4)收縮假說的主要困難是難以解釋氣體被太陽風吹散後如何形成類地行星。要形成類地行星，星雲圓盤中的密度必須超過羅歇密度，而這就要求在分解過程中占星雲圓盤質量3/4的氫必須存在。照此說來，我們的地球就應該含有大量的氫元素，但實際上卻不是這樣。當然，也會有這樣一種可能性：類地行星的形成是一個吸積過程，而類木行星則是通過收縮過程形成的。這一見解在某種程度上已經得到觀測資料的支持，月亮和火星上的巨大環形山便是吸積過程的例證；而土星與木星兩者的內衛星及土星環的情況，則又表明這些行星系是由星雲圓盤中的緻密部分分解而成的。由此看來，類地行星與類木行星這兩者的形成條件和過程不同是完全可能的。火、木二星之間空隙的存在可以這樣解釋：由於密度、太陽潮汐力以及溫度等條件的限制，上述兩種過程均不能在這一區域發生。密度擾動說英國天文學家金斯在20世紀初提出，原始星雲如果出現滿足一定條件的密度擾動，就會碎裂、坍塌而形成恆星。那麼促使原始太陽星雲坍塌而形成太陽系的密度擾動是如何產生的呢？太陽附近的超新星爆發可能是造成這種密度擾動的原因。我們來想像一下50億年前所發生的過程。那時太陽還沒有誕生，在現在稱為太陽系的這部分空間所有的只是一片密度很低的瀰漫雲狀物質，這便是年輕的原始太陽星雲。在離它幾十光年的地方有一顆大質量恆星，已經到了一生中的晚期。隨著時光的推移，這顆衰老著的恆星終於用完了在它核心部分進行熱核反應的全部材料。結果這顆恆星劇烈地收縮，外部物質向中心迅速跌落，同時產生強烈的衝擊波。恆星的外層向周圍空間猛烈地拋出大量物質，星光在短時間內增亮千萬倍，這就是超新星爆發。外拋物質的初速度可以達到每秒上萬公里，經過幾十萬年的長途旅行後，拋出物以每秒幾十公里的速度與太陽系星雲相遇。太陽系星雲在它們的衝擊下受到壓縮而擾動，星雲中的物質分布不再是大致均勻的了，而是有的地方密度變高，有的地方密度變低。結果是太陽系星雲發生碎裂，並最終在它密度最高的地方出現引力坍塌而形成太陽系。1969年一顆大隕星墜落在墨西哥一個名為阿連德的村莊附近。這是一顆生存了45億年之久的老年隕星，為我們提供了幾乎原封不動的原始太陽星雲物質的樣品。研究發現，阿連德隕星中鎂26同位素的丰度和分布情況無法用原始太陽星雲本身做出解釋。一種可能的途徑就是通過超新星爆發把鋁26注入太陽星雲，並且在後來再衰變為鎂26。這似乎間接地證明了太陽系最初是由某個超新星爆發偶然形成的。雖然這個說法偶然性太大，但還是被大多數人接受了。第27節：二、太陽系形成(5)星雲吸積說假定雲狀圓盤圍繞太陽旋轉的局面已定，描繪行星形成過程的另一種方法便是吸積過程，這就是說許多小天體集聚合併成為大天體。從火星上、月亮上和地球上的撞擊環形山或隕星坑便可看出，這些天體在太陽形成後的第一個10億年期間，每個都收集了許多小型天體。月亮上的月海與東方盆地就是由於收集這些小型天體而形成的，因而使月亮的質量大為增加。照此看來，月亮就是由吸積過程形成的。吸積理論的主要障礙在於很難想像此過程是如何開始的。原始星雲圓盤中那些細小的屑粒究竟是怎樣會聚到一起而成為幾個龐大的行星的呢？ 星雲圓盤中的第一批固體顯然是發現於球狀隕星中的嵌入顆粒。這些隕星嵌粒通過某種途徑集聚到形成大塊物體的母體中，這種母體經過進一步合併就可能成為小行星，以至最終成為行星。但是細小的屑粒是怎樣會聚到一起的，這一機制是完全不清楚的。星雲圓盤中的隕星嵌粒和塵埃都是非常細小的屑末，它們之間的萬有引力很小，還不足以有效地吸引其他的顆粒。但是，這些物質屑粒受到高能光子、太陽風中的質子與電子以及宇宙射線的轟擊，都是帶電的，電力要比引力強得多。"阿波羅"12號宇宙飛船的飛行員曾發現許多微粒附著在他們的服裝和設備之上，據推測這些顆粒是帶電的。帶有相反電荷的兩個物體是相互吸引的，一帶電體（不論帶正電還是帶負電）會吸引其他非帶電體，用一把塑料尺與毛皮摩擦即可吸附塵埃與紙屑。可以肯定，電力之強不僅足以使星雲圓盤中的屑粒彼此吸引，而且一旦相撞，還可以結合得更加牢固。另一個要回答的問題是，內側的類地行星和外側的類木行星的密度何以相差如此懸殊？星雲圓盤的溫度與太陽風對促使化學元素分離和圓盤中央形成石質的類地行星可能起了一定作用。星雲圓盤的中央無疑會比外部熱，所以可以認為中心的岩石一類的物質首先會凝固下來。當然，甲烷、氨、水蒸氣和二氧化碳等氣體在圓盤的熱區是不會凝固的，像氫、氨之類的最輕元素則可能被太陽風吹出太陽系的中央區。不過，既然太陽風之強足以吹散氣體，那它也應該會使氣體電離。這樣一來，星雲圓盤的內部就可能是由自轉的電離氣體所組成。帶電粒子的運動產生磁場，人們普遍認為，造成太陽自轉速度減慢的原因正是這種自轉電離的星雲圓盤磁場和太陽磁場的相互作用。這樣，角動量由太陽轉移到圓盤，並且如果大量的氣體被吹至太空，那也會帶走太陽的一些角動量。當這些氣體被吹散時，行星在其形成過程中到底前進了多遠，這是不清楚的。第28節：二、太陽系形成(6)吸積假說這樣描述太陽系的形成過程：首先形成許多數百英里直徑的天體，之後，這些天體再集聚成為類地行星和月球。月亮原是處於繞日運動的軌道之中，後來不知何原因又為地球所俘獲。月球的軌道平面比地球的赤道面更為接近平行於太陽系平面，這一事實是地球俘獲月亮這一見解的有力論據。木星的內衛星的軌道面幾乎都與木星的赤道面相平行，這表明它們是同木星一起形成的。可是，木星的外衛星的軌道面卻與木星的赤道面傾斜得很厲害，而且有幾個外衛星的公轉還是逆行。因此，目前普遍認為木星的外衛星是木星俘獲而來的。類木行星主要是由氫和氨構成的，有人猜測這些氣體也許還夾雜有一些岩石物質，都是憑藉著甲烷、氨、水和二氧化碳才集聚到一起的。顯然，這一部分圓盤擁有大量的物質，足可形成大行星，而大行星的引力場不久便強得可以吸聚氣體，因而每顆行星就增大起來。行星增長得越大，它的增長速度也越快，直到把圓盤中的氣體耗盡為止。除類木行星之外，據推測僅能形成主要由凝凍的甲烷、氨氣、水和二氧化碳的混合物構成的小型天體。這些小型天體圍繞著太陽在各自的軌道上運動，一般都位於海王星和冥王星的軌道之外。按照這個假說，這種由冷凝混合物組成的小型天體，有的偶然在其軌道上受到擾動，就會深入到太陽系的內部，這時它便被太陽加熱，從而形成了使天文學家驚異不止的壯麗彗星。2．行星起源行星共性起源人們很早就注意到太陽系天體的很多明顯的共性，這些共性對於我們認識太陽系的歷史有特別重要的意義。所有的行星基本上都在一個共同的平面上，像一個巨大的鐵餅，這在天文學上叫作軌道共面性；根據觀測，所有行星的運行軌道都是一個橢圓，但是有一個很有意思的特點，所有這些橢圓都不是特別扁，而是更接近正圓形，這在天文學上叫作軌道近圓性；行星的自轉（自身的轉動）、公轉（圍繞太陽的轉動）的方向一般說都是一致的（金星反向自轉），自轉和公轉圍繞的軸心大致都是平行的，也就是說基本上所有的行星都朝同一個方向轉動並且轉動面都平行，這在天文學上叫作自轉、公轉同向性。另外，構成這些行星的基本元素幾乎是相同的。行星為什麼有這樣鮮明的公共規律性呢？這說明它們肯定有著共同的起源。它們就是由最初那個太陽星雲變化而來的。星雲物質是一些基本微粒，由於引力的作用，密度大的微粒吸引密度小的，成為一些團塊；這些團塊的周圍微粒又陸續被吸引到團塊上，團塊逐漸增大，最後，最大的團塊形成了太陽，其他團塊形成了行星。第29節：二、太陽系形成(7)當微粒被吸引向中心團塊的時候，有一種斥力使下落運動發生偏轉，變成了繞團塊的運動，這樣中心團塊就變成一個巨大的旋轉的鐵餅。在這個鐵餅里，微粒在互相衝撞的運動中自然達到一個平衡狀態，這樣就造成了行星彼此同向平行的運動。而在形成行星的團塊繞太陽運轉時，跟在它後面的微粒受它吸引而加速，從團塊的外側落到它的上面，這樣就產生了一種推動力使它自轉，並且使行星的自轉和公轉方向一致。這種星雲的旋轉和離心力使得星雲變扁，這恰好說明了行星的共面性、近圓性、同向性是自然運動的結果。行星密度分布有一個顯著的特點，就是離太陽越遠的行星密度越小。這是因為離太陽越近，星雲的溫度就越高，這樣只有比較重的物質才能凝固起來，所以在這裡形成的行星密度大；而離太陽越遠，溫度越低，比較輕的物質才可以凝固，因而在這裡形成的行星密度小。所以太陽系行星從總體分布上呈現出密度從裡向外逐漸減小的特徵。行星物質起源 行星的物質起源是一個化學上的課題。我們知道中心太陽凝聚時，它的周圍有一個在太陽收縮期間從太陽里拋出來的塵氣圓盤，塵埃粒子在互相靠近和吸引積聚並形成行星以前，會朝黃道面分離開來。天文學上稱其為母塵氣雲，就是行星最開始的塵埃團體。完全有理由認為母塵氣雲混合得很好並且在化學上是同質的，即這些母塵氣雲在化學性質上應該是非常相似的。關於這種雲的化學組成的證據有好幾個來源，而且是相互一致的。這些證據包括目前太陽系中最原始而尚未變質的隕石（例如一些碳質球粒隕石，請記住這種可能代表行星最原始物質的隕石，它將為行星演化提供非常重要的證據）中的元素丰度（各種元素所佔的比重或者比例）的測定，以及以核合成過程和核素分類學等為依據的論據。為方便起見，把原始塵埃中的元素分成三大類："氣"、"冰"和"岩石"，這是這些元素在相當低的溫度下形成的。科學研究表明，"氣"（主要是氫和氨的成分）佔主要優勢。在類地行星形成期間，這些氣體幾乎全部丟失了，在外行星中間也丟失了很多。所以有理由相信，最初的行星星雲應該比現在存在的行星大許多倍。現在需要關注一下鐵在行星演化中的重要作用。我們知道，鐵在120℃以下如果暴露在氧氣環境下，會氧化形成氧化鐵和磁鐵，而如果高於這個溫度，則磁鐵會被還原成金屬鐵。一個簡單的實驗就可以證明這點，用火焰燒烤一塊磁鐵會很快使它失去磁性。在原始的太陽星雲里，由於所處的宇宙的低溫環境，所有的鐵最初都以氧化態存在。但是我們已經知道，地球、月球、隕石以及金星和水星全都含有金屬鐵，由此可得出結論：在塵埃吸積形成行星之前或是與此同時，氧化的鐵被部分地還原成了金屬鐵。現在回顧一下那些原始的碳質球粒隕石，也許同太陽星雲里的原始塵埃顆粒密切相關。科學研究發現，這種隕石里所有的鐵都是被氧化的。仔細的化學分析還表明，碳質球粒隕石在相當大的程度上保留了大多數元素的原始丰度，除了那些高度揮發性的元素以外。它們經歷了非常簡單的化學和熱的歷史，而且在被吸積進母體後，不曾被加熱到100℃以上。現在有相當多的證據支持對這些都是極其原始的物體的看法，它們為鑒定行星形成理論提供了重要的證據。碳質球粒隕石的明顯特點之一是它含有大量碳質物質，包括許多種複雜的有機化合物。許多星際分子同在這些隕石里找到的化合物是密切相關的。當主要由一氧化碳和氫所組成的混合氣體在有硅酸鹽氧化物作為催化劑的情況下冷卻時，不是生成了熱力學上穩定的甲烷，而是在這些條件下很容易產生大量亞穩態的複雜有機化合物，倘若非常快地冷下來，這些化合物也許就可以長久地保留下來。第30節：二、太陽系形成(8)天文學家們還研究了行星的平均密度，發現它們的變動範圍很大。這種變動一部分是由於在行星自己的重力場里由不同的自身壓縮所造成，但也可看出，即使消除了這些效應，在某一共同的平均壓力下，行星的密度仍將有很大的不同。密度的這些差別，意味著行星的化學成分也有相應的差別。天體化學的基本問題之一，就是試圖說明化學上形成這些差別的性質和原因。解決了這個問題，將有助於弄清楚行星形成的化學過程。天體化學家們首先考察的是外行星（類木行星）與內行星（類地行星）的比較，後者的密度大於前者。這是由於外行星主要由"氣體"和"冰"組成，而內行星則大部分由"岩石"成分組成的結果。一般說來，根據母星雲中的溫度分布就可以理解這一點。在類地行星區域里溫度相當高（在0℃以上），以致"冰"也不凝聚，因此，這些行星由非揮發性的"岩石"成分所組成。在外行星區域里溫度相當低，使冰能夠凝聚，被吸積形成相當於幾個地球質量的大的行星核。以木星和土星來說，這些行星核的重力場強大到足以吸進氣態的氫和氦，所以這些行星更接近於太陽的組成。天王星和海王星也被積聚成大行星，主要由冰組成，但不像木星和土星那樣吸進那麼多的氫和氦。就類地行星而言，當減到一個共同壓力時，密度還是有很大差別，這表明類地行星在化學組成上也有很大差別。這些行星是從星雲的相對不揮發的"岩石"成分所形成的，可是星雲一開始的時候在化學成分上是勻質的，後來這部分相對不揮發的物質是怎樣分化的呢？ 根據遠距離對各個行星的觀測結果，可以認為大多數行星都有的鐵、硅、鎂、鈣、鋁等金屬的相對丰度是相同的，太陽和原始球粒隕石里的這些元素的丰度也是一樣的。大多數類地行星之間密度差別的起因，不是相對的金屬丰度的變動，而是行星里氧的量的變動，也就是氧化還原狀態的變動。怎麼會造成氧化還原狀態的這些變動呢？在一個冷的太陽星雲里，塵埃顆粒在很多方面都像上面那個碳質球粒隕石的物質，這種隕石含有被氧化了的鐵和複雜的含碳化合物。吸積了這種物質的原始行星，在吸積期間發生了自動還原作用，就像高爐煉鐵那樣，碳同氧化鐵反應產生了金屬鐵，這樣就直接形成了行星。由於能源不同以及運動條件的制約，所有行星都不會以同等程度進行還原過程。氧化還原狀態的變動能夠造成行星間密度的差別，在這點上，處於完全氧化態的原始碳質球粒隕石物質，當氧化態的鎳和鐵被還原成金屬時，由於系統里失去了氧，密度就增大了；當鐵完全被還原時，行星密度將增高很多。進一步還原時，硅酸鹽分解成元素硅並與金屬鐵結合成為硅鐵；當硅酸鹽被還原時，密度增大得更快了；當原始行星里硅總量的40%被還原時，相當於20%的硅參與形成硅鐵。第31節：二、太陽系形成(9)有了上面這些理論的支持，就可以細緻地描述行星形成的過程。原始母星塵由於引力作用下落到生長中的行星核上時，主要以熱能形式釋放出引力勢能。對地球來說，在吸積期間耗散的引力勢能將越來越大。所以在行星吸積的早期階段里涉及的能量很小，吸積相當緩慢。溫度當然是低的，並被揮發物的汽化潛熱所緩衝。揮發物主要是在星塵碰撞行星核表面時所排放出的水和甲烷。在這個階段里，形成了一種冷的、氧化了的原始物質的核。當核的質量增大時，星塵下落的能量變得足以在碰撞時引起高溫，使氧化的鐵被碳所還原從而形成金屬鐵。伴隨發生的是排放氣體形成原始大氣，主要是一氧化碳和氫。隨著進一步生長，溫度和還原的強度都增加了，在高溫還原條件下比較容易揮發的金屬（如鈉、鉀、銣、鉛、鋅、汞、銦和鉈）揮發進入原始大氣。根據上面描述的過程來看，地球是"從裡到外"發育的。有一個含有某些揮發物的冷而氧化了的地核，越靠近地表面漸漸地越被還原，含的金屬越多。這是一種引力尚不穩定的狀態。在靠近地表面發生熔融時，金屬分離形成團塊，沉入下面，而且在地球內部流動進入地核。因此，地核形成過程是：不穩定的引力能的釋放產生熱，使地幔的有效"黏滯性"指數隨溫度升高而下降，從而相應地加快了各種純粹金屬（例如鐵）的分離和進入地核的速度。結果是地球平均溫度迅速升高到將近2000℃，使得各處都出現部分熔融和硅酸鹽，它們從地幔外層汽化進入大氣，在原來是冷的地核里氧化的鐵和揮發物在非平衡條件下滲入地下，以後被鐵下沉所驅動的對流作用搞得均勻了。這個過程的最終結果是產生一個大質量的、熱的原始大氣層，它的質量相當於地球質量的四分之一，主要由一氧化碳、氫氣和已揮發的硅酸鹽所組成。直到吸積結束後，這種大氣在漫長的時間內從地球那裡逸散一空。現在的大氣和水圈（包括岩石里捕獲了的揮發物），主要成分是水、二氧化碳和氮氣，這些都是在以後階段里從地球內部排放出來的。第32節：一、地球演義(1)第三章 地球演義一、地球演義地球的形成就像一部長篇歷史小說，我們不妨稱這部小說為《地球演義》。一部宏大的長篇小說需要分卷立冊，卷、冊之內又分章、回，使人讀起來章回有序，前後銜接。同樣，一部史書，也都要分朝劃代，人們讀後，人事清楚，前後貫通。那麼，漫長的地質歷史是不是也要分一分"章回"，劃一划"朝代"呢？當然需要。可是，古時候人們的地質知識有限，只知道從山裡挖出一些礦石和煤炭來冶銅煉鐵，至於這些東西是何時形成的則很少去考慮。有時候人們在石頭或煤層中發現一些古生物的化石，卻也只能做一些猜測。什麼地質歷史，那時很少有人去注意和研究它。1．地球斷代在人類開礦山、挖煤炭、修鐵路的過程中，一些地質勘察隊和地形測量隊等深入到深山老林里勘測。18世紀初，英國一位名叫史密斯的年輕人在測量隊里當"標杆工"，他每天扛著標杆在山上跑來跑去。這類工作確實單調無趣，可史密斯卻是一個很有心的人，一有空閑就琢磨山上各種各樣的石頭。不久，史密斯擔任了開挖運河的測量工作，使他有機會在新開運河的兩岸清楚地看到了上下相疊的地層，它們的顏色、厚度和成分大不相同。他聯想到倉庫里在存放貨物時，先搬進來的貨物總是放在下面，而後搬進來的必須壘在上面。同樣的道理，這些地層在形成過程中，底層的肯定先形成，年代要久遠，而上層的必然後形成，年代要近。這就是後來地質學稱為的"地層層序規律"。史密斯又根據自己的觀察提出了一個很重要的推論：在下邊古老的地層中，只能找到比較低等的古代生物化石，而上部較新的地層里，則含有比較高等的古代生物化石，並且每一地層都有它特有的化石。大多數情況下，依據這些化石就能夠確定不同地點的地層是不是在同期形成的。史密斯的這個發現便是地質學所稱的"化石層序律"。1799年，30歲的史密斯完成了世界上第一張最有系統的地層表-英國沉積地層表。2．地球斷代表只用史密斯的方法去給複雜而漫長的地史分朝劃代，研究早已逝去的"亘古世界"，顯然是不夠的。於是又有地質學家指出：今天是了解過去的鑰匙。如果概括為四個字的話，就叫"將今論古"。也就是說，從今天的已知去推論古代的未知。舉例來說，在今日的大海里生存著一些海生動物，而且每種海生動物對生活環境的要求，例如水深、溫度和光線等，是各不相同的。如果我們在太行山的某一地層內找到了與現代類同的海生生物化石，毫無疑問就可以斷定，在那久遠的過去，這裡必定是一片汪洋大海，並可以推斷出當時海洋的一些基本情況。另外，隨著古生物學的發展，人們認識到地質歷史的動植物不僅是由低級向高級逐漸演化的，而且這一過程既有階段同時又是不可逆的。一定種屬的生物群總是埋藏在一定時代的地層里。換句話說就是，在相同地質年代的地層中，必定保存有相同或近似種屬的古生物化石。這樣就有可能依據古生物化石來確定地層的相對地質年代，並相互對比了。除此之外，地質學家又依據岩層的上下接觸關係和構造變動等地質現象，把地質歷史分成了幾個大的階段。從地質年代上講，叫作"代"，而在這個"代"的時期所形成的各種地層，綜合起來叫"界"。一個代又分成幾個較小的階段，稱作"紀"（如你看過一部著名的影片《侏羅紀公園》，那麼這個"侏羅紀"就是這樣的一個紀，在那個紀里，恐龍的種族空前繁盛）。同樣，在一個"紀"的時期內所形成的地層稱為"系"，紀（系）又細分為"世"等等。第33節：一、地球演義(2)在如何劃分地質階段和各個階段的命名方面，起初地質學家們根據自己在某一個地區的研究起了許多各不相同的名稱，直到1881年，各國地質學會在波倫亞舉行第二次國際地質學會議時，才正式通過了目前通用的地層表的藍本。以後又經過不斷的修改和補充，才形成了我們今天通常使用的地質年代表。地球斷代表太古代（距今36億年～20億年）[細菌出現]元古代（距今20億年～6億年）早元古代（距今20億年～17億年）長城紀（距今17億年～14億年）薊縣紀（距今14億年～10億年）青白口紀（距今10億年～7億年）震旦紀（距今7億年～6億年）[無脊椎動物出現]古生代（距今6億年～2.25億年）寒武紀（距今6億年～5億年）奧陶紀（距今5億年～4.4億年）志留紀（距今4.4億年～4億年）泥盆紀（距今4億年～3.5億年）[魚類出現]石炭紀（距今3.5億年～2.7億年）二迭紀（距今2.7億年～2.25億年）中生代（距今2.25億年～7000萬年）三迭紀（距今2.25億年～1.8億年）[爬行動物出現]侏羅紀（距今1.8億年～1.35億年）[恐龍繁盛]白堊紀（距今1.35億年～7000萬年）新生代（7000萬年前～今）早第三紀（距今7000萬年～300萬年）[哺乳動物出現]晚第三紀（距今300萬年～200萬年）第四紀（200萬年前～今）[人類出現]3．地球時鐘人們在沒有找到一個可靠的方法去測定地球和地層的年齡以前，只知道下部的地層老，上部的地層新。就像只知道我國歷史上漢朝比唐朝早，而唐朝又比宋朝早一樣，到底它們距今多少年仍然是個謎。好在人類的社會歷史一般都有文字記載，所以過去朝代的年代，翻開史書一查便知。而地球和地殼以及構成地殼的地層，它們是什麼時候形成的呢？換句話說，它們有多大"歲數"？這成了地質學上一個令人頭疼的問題，因為並沒有誰會在遙遠的古代用文字為我們記錄地層的年代。長期以來，人們一直沒有找到一個滿意的辦法來解決它。在1715年，有人假設原來的海水不是鹹的，現在海洋中的鹽是江河從陸地上帶去的，那麼，用全世界河流每年注入海洋的鹽量去除現在海洋的總鹽量，不就是海洋的年齡嗎？但這個辦法既不科學，也不可靠。後來又有人根據沉積岩層以及河流一年一度的洪水淤積下來的土層層數去推算地球年齡，結果誤差太大，均以失敗告終。第34節：一、地球演義(3)能否找到一批準確記錄地層的"時鐘"呢？科學家長期以來像大海撈針一樣，毫無結果。直到1896年法國物理學家貝克勒爾發現了鈾元素具有放射性的性質，這個問題才開始有可能解決。兩年之後，法籍波蘭物理學家居里夫人從礦渣中提煉出了天然的放射性元素鐳。人們逐漸知道了放射性元素有一個特殊的脾性-它一生從不間斷地把自己的原子一個接一個地轉變為另外穩定的新元素，這種現象叫作衰變。這種衰變是非常準確和可靠的，比如製造原子彈的鈾，每經過22.5億年便有恰好四分之一的鈾變成了鉛。再比如大氣中由於宇宙射線產生的放射性碳，它在生物身體內的含量是一定的。當動物死後，它在轉變為氮的過程中，經過5730年會毫釐不差地失去放射性碳原含量的一半。這樣，如果科學家用精密儀器測出岩石或某種化石中含有的放射性元素的殘留量以及所含的穩定元素含量，就很容易計算出這塊岩石或者化石的年齡。放射性元素的衰變成了天然記錄地球歷史的"時鐘"。使用上面的估計方法，科學家才能知道斷代表里那些紀元距今多少年。如果沒有這個"時鐘"，如何確定數十億年內某個時期的具體年代是一項可怕的工作。既然有了"時鐘"，那麼地球有多大歲數呢？關於地球的年齡有兩種：若從構成地球的物質開始凝聚至現在來計算，叫作地球的天文年齡；如果從原始地殼出現，並開始了侵蝕、沉積和構造變動等地質作用至今來計算，叫作地球的地質年齡。近些年來，人們測得"天外來客"-落到地球上的隕石（俗稱流星）-年齡為45億～47億歲。人類登上月球之後，又測得了月球的年齡是46億歲。現在一般認為太陽系行星大致是同時形成的。由此推斷，地球的地質年齡也有46億歲上下。如果計算地球的天文年齡，就是用地球的地質年齡加上地殼形成之前構成地球的物質開始凝聚的那段時間，那麼現在人們只能粗略估計地球的天文年齡大約為五六十億歲。幾十億歲的時間有多長呢？有位學者打了一個比喻：在一塊古老的陸地上聳立著一塊巨大的岩石，它有100千米高，100千米寬，如果每隔1000年便有一隻小鳥飛來在這塊岩石上刮磨它的尖嘴，那麼待到整塊岩石被小鳥啄磨蝕盡時，這幾十億年的時間才算剛剛度過。第35節：二、生命之前(1)二、生命之前地球最初也是由大大小小的太陽星雲團聚集而成的，構成地球的所有質量在距今約47億年前才基本確定了下來。那個時候地球還只是很多小行星的集合體，它們組成一個環狀圍繞太陽運行。這時的地球嚴格地說還不能稱為地球，因為它還沒有一個確定的核心（地核），所以稱它為原地球。原地球在萬有引力收縮條件下不斷變熱，當原地球內部溫度達到足以使鐵、鎳這樣帶磁性的元素熔融的時候，這些小行星互相靠近的速度就加快了。因為小行星繞行太陽的速度有快有慢，所以它們最終能結合在一起，包圍在同一個核心周圍，而不是兩個或更多。這些集中的物質很快就聚集在地心附近，形成地核。原始地核形成是地球歷史最重要的事件之一。形成地核之後，整個地球是一個熔融狀態的大液態球，要經過將近30億年的時光變遷，這個大球才慢慢冷卻。冷卻先是從外部開始的。和鍊鋼廠剛剛出爐的液態鋼水一樣，首先冷卻的是最靠外部的一層薄薄的殼，就像鋼水表面快速凝結的一層鋼殼一樣，地球表面首先形成的就是薄薄的地殼。這層地殼保護了內部熔融狀態的核心，所以內部的冷卻開始變慢了，直到今天，地球的內部仍然是熔融的液體狀態。跟月球和類地行星一樣，原始地殼也經過了大量隕石的撞擊和普通火山作用的改造階段。那時候的地殼就像現在的月球和火星表面一樣，也曾經布滿大大小小的環形山和撞擊地貌，但唯一不同的是地球表面開始有了兩樣關鍵的東西：大氣和水。初始大氣和水的來源有兩個：一個是火山作用產生的，另一個是隕石帶來的。無論是如何來的，大氣和水的出現使地球馬上處於一個非常特殊的地位，那就是這兩樣東西有很大可能帶來一個奇蹟-生命。1．50億年前-原地球時代在地核形成以後，地殼還沒硬結之前的地球還是一個混亂的世界，構成地球的各種物質元素仍處在分離過程中。地球如同一個出生不久的嬰兒，還沒有任何記憶力。一個氣態和液態的地球還不能以任何方式給現在的我們留下任何資料和可供推論的痕迹。對那時候地球的情況，我們現在知道得很少。這個大約50億年前地球發展的階段（又稱地球發展的天文階段），僅僅是地球歷史的"序章"，甚至還不是地球歷史的開頭。我們只能用現有的知識來推斷當時的情況，根據我們現在地球的狀態，我們可以想像當年地球的運動和現在相比改變得應該不太多。現在的地球正在側著身子一刻不停地圍著太陽繞圈子（天文學稱為公轉，公轉一圈是地球上的一年），所以童年的地球也一定在側著身子一刻不停地圍著太陽繞圈子，而且現在的地球還同時由西向東進行自身旋轉（天文學稱為自轉，自轉一圈是地球上的一天）。我們沒有理由認為地球在當年的某個時刻是向著相反方向--由東向西轉，所以童年的地球也一定是由西向東自轉著。但是，那時候的地球自轉速度比現在快得多。那麼它到底有多快呢？ 我們知道，宇宙間任何兩個天體之間都由於萬有引力的作用而互相吸引，地球和太陽之間、地球和月球之間都有一個相互吸引的力。太陽雖然比月球大得多，但月球距地球比太陽距地球近好多。因此，月球對地球的影響更大一些。我們知道，月球也在圍繞著地球轉動。所以任何時候，地球總有一面向著月球，而有一面背對著月球。別小看這點差異，月球對地球正面和背面的物質，特別是海水的引力是不同的，這種差別形成了引潮力。所以，地球上的海水隨著地球自轉出現了海面晝夜周期性的漲落現象，這就是潮汐的來源。如果你生活在海邊，你會知道每到一定時刻，例如黃昏，海水會漲潮。那麼漲潮的時候，你一定可以在天空中看到月亮，月亮吸引了海水，形成漲潮。第36節：二、生命之前(2)據地理學家研究，潮汐影響地球的自轉速度，使其逐漸減慢，使一晝夜的時間越來越長。天文學家計算，這個減慢速度大概是每12萬年增加1秒。按此推算，距今50億年前的童年地球自轉一周只需4小時，換句話說，那時候4小時便是一天。假如我們回到地球的童年時代，仍按現在的時鐘計時，早晨6點太陽從東方升起，上午8點正當我們計劃開始一天的生活時，太陽卻已經日落西山了，而10點時，太陽又再度升起。那時候，由於地球自轉速度較快，地球自轉所產生的離心力也必然較大，還不太堅固的地殼非常容易發生變動而破裂。從地球內部分離出來的各種氣體和岩漿在地球內部巨大的壓力下，順著地殼的裂縫噴射而出。我們可以想像當時的情景：煙霧騰空，氣流上下翻滾，狂風呼嘯，岩漿迸流。地殼在崩裂，大地在劇烈顫動。大氣層中由於氣流的劇烈變化而電閃雷鳴，到處是火光和隆隆的雷聲……大自然任意展示著它無比的力量。那是一個混亂狂暴的洪荒時期。2．40億年前-古大陸形成原地球時代的地球，無論內部多麼熾熱，外表總是趨向於冷卻，而熾熱的內部物質則時常要求衝破剛剛形成的硬殼。在這些劇烈的鬥爭中，原始的地殼開始慢慢地形成。地球深處通過火山噴發出來的氣體補充了原始的大氣層，噴發出來的岩漿遇到相對寒冷的外層大氣冷卻凝結後，加厚了早年的地殼。隨著這種反覆運動趨向於相對的寧靜，地殼越來越厚，火山慢慢被抑制在厚厚的地殼下面，於是相對穩定的大陸開始出現了。那時候的古大陸由於地殼的頻繁變動，遠沒有現在這樣遼闊。在中國，面積較大的一塊古大陸最先形成於華北地區。它西起內蒙古大青山山地，向東穿過山西陽高、北京密雲、河北遷西和遷安等地，又向東一直延伸到遼寧撫順地區。這條長達1000多公里的長條狀古大陸宛如一條巨龍橫亘在我國北部，而這塊古大陸的周圍，幾乎全是面積大小、深淺不一的海洋。在它周圍的海洋中，現在的山西五台山、山東泰山、河南嵩山以及遼東半島和山東半島上的一些山地先後露出了海面，變成了大海中的孤島。隨著大陸面積逐漸擴大，經過數10億年的變遷，這些巨大的島嶼才和古大陸慢慢連在一起，這才是真正的滄海桑田。也許你腳下的這片土地在遙遠的40億年前是一片廣闊的海洋。在古大陸剛剛形成時期，大氣層還遠沒有現在這麼厚。灼熱的陽光和強烈的紫外線可以暢通無阻地穿過原始稀薄的大氣層，無情地照射在光禿禿的大地上。當時無論成片的大陸還是孤島狀的小片陸地，都是沒有任何生命存在的死寂世界。所以，古大陸時期的地球就顯得格外空曠。你如果曾經看到過月球表面的照片，就可以想像當年的地球是個同樣死寂的世界。古大陸時期唯一留給我們的就是現在厚達萬米甚至幾萬米的地殼--人類和其他物種繁衍生息的基礎。第37節：二、生命之前(3)3．20億年前-造山運動在長達20億年的漫長歲月中形成了巨厚的地層，這並不奇怪。令人驚奇的是，如果地球當時是均勻地凝結地殼，我們現在擁有的地球表面應該是一馬平川，而事實上現在的地殼表面充滿了海洋、河流、高山、盆地。是什麼力量能撕裂上萬米厚的地殼，把它扭得面目全非了呢？ 宇宙間萬物都處在不停地運動中，地殼從形成的那一天起就一直在運動著。地球童年的地殼運動表露得特別明顯，如果我們來到河北阜平和遼寧鞍山等山地，就會發現上萬米厚的太古界地層好像一疊紙板被從兩邊推擠了一樣，變得七褶八皺。再仔細看，上下岩系的褶皺形狀明顯的不同，中間有個接觸面，把太古界地層（太古代時期形成的地層在地質學上稱為太古界地層）一分為二，下部地層為下太古界地層，上部則是上太古界地層。這個上、下太古界地層的接觸關係，地質學上稱為"不整合"接觸關係。這個有趣的地質現象清楚地告訴我們：在漫長的太古代時期，距今約24億～25億年，地殼發生了一次規模巨大的構造變動，把幾千米厚的下太古界地層擠壓得變形了。河北阜平、山東泰山等山地在這次構造運動中從海底升起，變成大陸的一部分，這就是我國地質史上人們所稱的"阜平造山運動"（簡稱阜平運動，或叫鞍山運動等）。此後，地殼經歷了幾億年的相對平靜的時期。到了距今20.5億年的太古代末期，又發生了第二次構造運動，把太古界地層擠壓得更加褶皺了。在這次構造運動中，我國的四大佛教聖地之一的五台山山地從海底升起，所以這次造山運動又稱"五台運動"。同樣道理，在早元古代末期，發生了第三次構造運動-"呂梁運動"。隨著現代地球物理學和地質學的發展，人們開始研究從哪裡來的驚人的力量推擠著上萬米厚的地層。16世紀末期，義大利天文學家布魯諾因為宣傳和捍衛哥白尼的"日心地動說"而觸犯了教會，在公元1600年2月17日被教會的僧侶們活活燒死。正是這位為真理而獻身的布魯諾，認為原始的地球比現在大得多，並且也比現在熱得多。後來，地球溫度降低，體積縮小，正像一個蘋果，放得時間長了，果肉乾縮，果皮便產生褶皺一樣。地殼在地球的收縮過程中也就發生了褶皺和斷裂。因此，地球表面的凸凹不平是因為地球收縮引起的。到了20世紀初，人們已經認識了一些放射性元素在衰變過程中可以放出大量的熱能之後，有人認為，原始地球內部由於放射性元素衰變放熱，使地球內部溫度不斷升高，因此，地球內部物質就有越來越大的可塑性。在重力作用下，重的物質向下沉，而輕的物質向上浮。由於地球內部物質的運動，使地殼也發生了運動，地球（包括地殼）內熱能的積累是產生地殼運動的主要動力。第38節：二、生命之前(4)另外人們又發現，當地球內部壓力增大和溫度增高到一定程度時，物質的結構、物理、化學特性和體積就會發生變化，這叫作"相變"。例如，地殼底部的玄武岩在壓力和溫度發生變化後，可以相變為上地幔的榴輝岩，使得岩石體積縮小、地殼變薄。相反，上地幔的榴輝岩又能轉化為體積更大的玄武岩，使得岩石體積膨脹、地殼增厚。如果產生大範圍的相變，必然引起地殼運動。對於造成地殼運動的原因，還有的科學家從地球自轉速度的變化上進行了探討。我們知道，地球自轉速度除長期減慢之外，還有短時期的時快時慢的突變。當地球自轉速度加快時，就像我們乘坐公共汽車時，汽車加速，乘客必然向後倒一樣，地幔上部液體狀的"軟流圈"馱載的地殼岩層也會向後滑動，從而產生東西方向的拉力或壓力。這時，地球自轉產生的離心力也會加大。因為赤道部分距地球旋轉軸的距離（地軸）比地球兩極大得多，雖然地球上離心力都增加，但是赤道部分增加得最大，由此產生了一個自兩極朝赤道方向的南北拉力或壓力。結果，地殼便產生了運動。地殼在運動中相互擠壓，原來水平的岩層就會褶皺成山或者斷裂成谷。關於地殼運動的原因還有其他看法，有的人認為由於地幔物質存在著對流而導致了地殼運動。不論哪種說法是正確的，或許這些說法都是造成地層劇變的原因之一，都證明它們的力量是很大的。上萬米厚的地層，就像翻卷一張烙餅一樣，被擠壓得七褶八皺。地殼正是在這種運動中，使得陸地面積逐漸擴大，在中國東部地區（主要是華北）形成了相對穩定的地質基礎-中國地台（地台是傳統的大地構造學說中所指的地殼相對穩定地區），又稱中國古陸，或者叫華夏古陸。4．3億年前-大陸漂移當你打開世界地圖仔細觀看時，就會發現南美洲的東海岸和非洲的西海岸的海岸線在外觀上表現出驚人的吻合，難道這兩塊大陸原先是連在一起的嗎？ 德國的阿爾弗德·魏格納是一個氣象學家，他生於1880年，青年時期從事大氣動力學的研究。為了探索極地氣團對氣候的影響，他26歲時參加了考察格陵蘭東北部的丹麥探險隊。兩年後回到德國，在齊馬爾堡物理學院任教。1910年的一天，他在看世界地圖時，發現大西洋兩側的海岸線那麼相似，但他以為這種情況不過是偶然的巧合罷了。直到1911年秋，他從一個古生物學報上得知：從古生物的觀點看，在巴西發現的古生物化石和在非洲發現的古生物化石十分相像。這一論點引起了魏格納的極大興趣，他決心進行一番研究。他從地質學、古生物學、古氣候學等方面入手來探討地球各大洲的成因問題，終於在20世紀30年代第一個提出了大陸漂移學說。第39節：二、生命之前(5)他觀察了海洋的潮汐作用和星球之間的擺動之後，認為在形成地球之初，地球的物質還處於熾熱的熔融狀態時，地球的自轉速度比現在快很多，自轉一周只需要三四個小時。由於旋轉得快，地球便成為在赤道方向膨脹，而在兩極方向收縮的扁平體，就像現在的木星那樣。隨著地球的繼續旋轉，變成了一個像雞蛋的樣子，而後又變成了一個梨形，最後突出的那一部分"梨頭"受到太陽引力的作用，從地球脫離而成為環繞地球旋轉的衛星-月球。地球則由於月球脫離產生的"翅痕"形成了一個窪地或者是缺口，後來這個窪地形成了今天的太平洋。他把太平洋叫作月球脫離時留下的創傷。這個假說繼續發展，進而推測月球從地球分離以後，地殼剩餘的部分向窪地方向"滑動"，就由東西兩個方向填補太平洋這個缺口，從而在地殼中產生巨大的張力。到了侏羅紀時，終於把這一塊地殼扯裂開，形成了各奔東西的兩塊大陸。東邊陸塊較大，西邊陸塊較小，前者是今天的歐亞大陸和非洲，後者是今天的南北美洲，當中的裂縫就是大西洋。1912年1月6日，在法蘭克福市的地質學會上，魏格納發表了《從地球物理學的基礎論地殼輪廓（大陸與海洋）的生成》的論文後，又發表了《大陸的水平移位》的講演。他認為，大約3億年前，地球上的陸地是彼此相接的，而且是一個巨大的大陸，稱為泛大陸。當時根本不存在大西洋、印度洋和北冰洋，海也只是圍繞泛大陸的一個巨大的海洋。後來由於地球不停地自西向東旋轉，美洲陸塊漸漸落後了，慢慢地中間的裂縫越來越大，終於形成了今天的大西洋。大陸漂移說公佈於世後，震動了整個地質學界。把人們從地殼是堅硬穩固、僅做緩慢升降運動的傳統概念中解脫出來，而當時的魏格納年僅32歲。1915年，魏格納出版了著名的《海陸的起源》一書。從世界地圖可以看到，大西洋東西兩岸的輪廓如此相互吻合，東邊凸出來的部分對著西邊的凹陷部分。在美洲大陸，山脈都集中在西海岸，似乎是大陸塊向太平洋的方向移動時，在邊緣部分受到阻力，從而受到擠壓發生了褶皺；在南美洲末端的阿根廷和智利，向東有了若干度的彎曲，正像陸地向西漂移時遇到了阻力的情形一樣。這種驚人的現象，就成了我們研究地殼及其運動方向、創立新概念的起點。魏格納認為，南美洲在千百萬年以前曾直接並列地和非洲毗連著，甚至是與非洲一起構成一個大塊，只是在白堊紀時才分裂為兩部分。這兩部分後來像冰塊漂浮在水上一樣，彼此越來越遠地分離開。與此類似的是，北美洲原來曾緊密地毗連於歐洲，至少由紐芬蘭和愛爾蘭往北的地方與格陵蘭連在一起，是一個廣大的陸塊。只是在第三紀末，而北方甚至是在第四紀才沿著格陵蘭附近的裂縫發生分裂，因此兩個部分就分開了。同時，陸塊上被淺海淹沒的地段（地質學上稱為陸棚），應當看作陸塊的組成部分。有時也看到不完全符合的情況，據魏格納的解釋，是由於分裂的許多地塊後來發生不均勻的縮小所致。至於南半球，他認為南極帶、澳洲和印度、巴基斯坦一帶，直到侏羅紀初期還是直接地相連於南部非洲，並且還與南部非洲和南美洲一起構成一個廣大的陸地區域，部分曾被淺海超沒。這個大陸區域在侏羅紀、白堊紀、第三紀中沿裂縫分裂為許多塊，後來這些塊向不同的方向蠕動散開。第40節：二、生命之前(6)根據魏格納的意見，地殼全部發展過程分為三個階段。最古老的原始階段：硅鋁層呈連續不斷的薄殼，薄殼的厚度只有30千米，幾乎全被一個統一的水殼覆蓋（後來地質學家計算，這水殼的深度為2.64千米）。中期階段：這一階段實際上差不多包括地球的全部歷史在內。硅鋁層破裂，聚集成一個密集的整體，即聚集成表面逐漸縮小、厚度愈來愈大的聯合古陸。在這種縮小過程中，有單獨的碎塊脫離聯合古陸而成為各個海洋盆地之間的陸島。最後階段：從侏羅紀開始，聯合古陸分裂成許多地塊，各個地塊在硅鋁層上蠕動散開，向西方移動和由兩極向赤道移動。以上所述就是大陸漂移學說在20世紀30年代的基本觀點。後來，隨著地質歷史學和其他科學的發展，不少科學家開始懷疑和排斥上述學說，認為太平洋的許多地區正在不斷地下沉，而另一些地區則正在產生造山運動；太平洋是一個原生的地殼區，它的上面從來沒有過大陸的存在。根據後來的計算，認為月球的質量並不符合太平洋這個缺口所失去的質量。如果把月球安放在太平洋裡邊，那麼月球將在太平洋里突出很多；還有不能解釋角動量的問題等等。大陸漂移說的反對者們認為魏格納的根據是憑空設想出來的，論據並不夠充分。他們舉出了義大利的地理輪廓像靴子這樣的例子來說明這個學說還不足以說明問題。然而，大陸確實因為某種原因發生漂移這種設想，雖然在當時的科學界似乎站不住腳，但卻繼續縈繞在地質學工作者的腦海中，令人難以拋棄。直到更先進的科技給出了更強有力的證據，大陸漂移學說才獲得了新生。關於這方面的研究，根據是地球磁場周期性倒轉的假說。這些令人信服的證據來自世界範圍的標準地震檢測站網路，這些網站最初是為監聽秘密的原子彈爆炸而於1960年建立的。雖然大陸漂移學說受到了很大的衝擊，但是後來，尤其是20世紀60年代以來更加活躍起來了。大陸漂移學說的理論根據是以各種大地測量、地質及地球物理資料為基礎的，根據美國、紐西蘭、日本及土耳其等地地震斷裂的研究證明，地殼確實存在水平位移，而且它在相當長的歷史時期內（1000萬年～l億年）其位移可達數百至數千公里，以此計算其運動形式大概是以每年10厘米～15厘米的速度做水平運動。而最新資料表明這個速度每年可達39厘米。德國地震學家堡德認為，太平洋所有邊緣地區都圍繞著太平洋內塌陷的地塊發生了某種扭轉現象。克里斯多弗維奇曾根據魏格納大陸漂移理論的思想基礎編製了著名的《地球上古生代古植物區示意圖》。沃爾甚至在《地球古植物史》中提到，如果沒有大陸漂移概念，是完全不能解釋植物界發展的主要特點的-被認為不能跨越深水的古植物和動物，分布在大西洋兩岸及其他被大西洋隔開的大陸上的一定地理區域內。它們的分布情況說明過去的陸地在歐洲和北美洲之間，南美洲、南極洲、澳洲、印度及非洲之間曾是有聯繫的。過去也有的學者曾經提出過陸橋假說，即從一個大陸到另一個大陸的暫時的陸地聯繫。對於這種陸橋是否真正存在和它們的位置，也從古生物學方面進行過熱烈的討論，自從大陸漂移的理論提出後，陸橋說就沒有必要研究了。第41節：二、生命之前(7)特別是近年來對古地磁學的研究，大大促進了大陸漂移理論的發展。一位日本學者把日本的白堊紀至早第三紀古地磁極移動的路線與北美及歐亞大陸所求得的結果相比較，提出了白堊紀至早第三紀日本島漂移假說。北美和歐亞大陸的磁極的平均移動路線與日本相比較有顯著不同，這種現象解釋為可能是日本列島處於亞洲大陸邊緣造山帶的島弧的結果，是歐亞和北美兩大陸對日本造成相對運動的結果。日本的平均移動速度大約是每年1厘米左右，顯然與各大陸平均的移動速度不相等，而據水澤緯度觀測站六十多年的觀測資料，認為這種速度是存在的。為了進一步證明大陸漂移理論，不少人提出用衛星反射激光束的辦法來驗證這一理論的可靠性。這種方法能夠確定地球上的某地的位移，精確度可達幾厘米。此外，利用這種方法還能幫助確定世界各地的海平面是否相同、地球形狀是否更像一個乾梅子，而不是曾經認為的梨形等等。利用這種方法，人們檢驗了現在的非洲正在以每年幾十厘米的速度遠離南美洲漂移，同時識別了不均勻的重力牽引和氫元素在地球內的不均勻分布導致的海洋中的凹陷和膨脹問題。更重要的是它證實了各大陸在經歷漫長的地質年代的過程中，各大陸塊若即若離，就像現在的南美洲正在慢慢地遠離歐洲和非洲。大陸漂移學說導致了板塊構造理論的形成。板塊構造的概念認為：地球岩石圈或地球表面的最外層，大致可以劃分為七塊厚度達100千米的大剛性球面形蓋體，稱為板塊。這些板塊漂浮在軟流圈（地幔熔化了的軟薄岩層）之上，大陸曾像木筏那樣在地球表面漂移了幾億年。除太平樣板塊和印度洋-澳大利亞板塊外，其他五大板塊中的每個板塊都是以各個大陸名稱而命名的，分別叫作北美洲板塊、南美洲板塊、歐亞板塊、非洲板塊和南極洲板塊等，另外有幾塊較小的亞板塊。總之，板塊構造學說是對包括大陸漂移學說和海底擴張說在內的幾種早期構造地質學理論的綜合。5．滄海桑田根據板塊構造理論，海洋和陸地的分布從古到今曾有過巨大的滄海桑田的變化。地質學家指出，早在寒武紀晚期已有跨赤道的六塊大陸。到了二迭紀時，在南極形成一大的陸塊-泛古陸，它沿地球的一面向北朝北美洲大陸和歐亞大陸延伸。當時，相當於今日北美洲東部的地區與歐洲和非洲相接，南美洲也和它們鄰接。二迭紀之後，泛古陸分離為若干新的大陸，這些大陸不是最初形成泛古陸的那些大陸，而是重新分界分離而成的。三迭紀晚期，亞洲和非洲開始分離。隨後，在侏羅紀早期，北美洲離開非洲和南美洲開始向西移動，但北邊仍然與歐洲相連。這時北美洲和歐亞大陸在北半球形成一塊大陸稱為勞亞大陸，而在南半球形成的一塊大陸稱為岡瓦納大陸。古中國陸塊與其他兩個陸塊融合成為一個單獨的曲大陸並且向北移動，一直到距勞亞大陸北側邊緣很近。不遲於侏羅紀早期，在北美洲和歐亞大陸之間形成了一個窄的海路，把北冰洋與古地中海連通，古地中海指那個把歐亞大陸與岡瓦納大陸隔開的寬廣的海路。在侏羅紀和白堊紀時，廣闊的海洋覆蓋了北美西部、加拿大和歐亞大陸中部的許多地方。第42節：二、生命之前(8)白堊紀中期，岡瓦納大陸已開始分成非洲、南美洲（但北部仍與非洲相接）和包括澳洲、南極洲和印度在內的一塊大陸。白堊紀晚期，印度已分出並開始向北移，直到最後與亞洲接觸；南美洲完全與非洲分離，但在南部仍稍與南極洲-澳洲陸塊連接；北美洲已向西移動得很遠，以至徹底地與歐洲西部分離，但與亞洲東北部相接而在阿拉斯加和西伯利亞地區形成白令陸橋。在白堊紀晚期有一次大規模的海退，使大塊陸地暴露出來。在三迭紀早期，大西洋比今天窄，美洲向西的移動仍在進行中。最後，在上新世晚期（"世"是比"紀"更進一步的時代劃分，上新世屬於晚第三紀晚期）巴拿馬地峽產生，北美洲與南美洲連接起來並將加勒比海的海洋生物區系與東太平洋的生物區系分開。在這段漫長的歷史中大部分時期，地球氣候較今天溫暖，緯度溫差較小。寒武紀晚期、石炭紀、二迭紀是發生過冰川作用的寒冷時期。最近一次氣溫趨冷始於三迭紀早期，到漸新世（屬於早第三紀晚期）時，北半球已變得比以往更冷、更乾燥，草原和落葉林分布更廣。到了更新世（約始於200萬年前），氣候劇烈改變，極地和近極地地區的溫和氣候變得很冷，極地冰蓋形成。在北半球大陸的冰川反覆地擴大和退縮，有許多小冰期，至少有四次大冰期，其中最近的一次大冰期稱為北美威斯康星冰川，約在1萬年前消退。在冰川時期，全世界海平面下降100米，下降程度與冰蓋中水被封閉的程度相當。熱帶和亞熱帶地區的氣候變得比較乾燥，僅兩個冰期之間的氣候較為溫暖和較為潮濕，而且海平面上升。第43節：一、生命解說(1)第四章 生命演義太陽系有很多類似地球的行星-火星、水星、金星。它們的構造和基本物質組成與地球非常類似，但是只有地球上的大氣和水產生了生命，這不能不說是個奇蹟。最早的生命從何而來？它是怎樣起源的？這是一個複雜的問題，歷來存在著意見分歧。有些不得不承認進化論的有神論者認為，最早的生命是造物主（上帝）創造的，創造出來以後，才有生命的進化。自然發生說則認為在地球目前的條件下，可以從非生命一下子產生出生命來。只有一個人不同意這些論點，他於1871年在給朋友的信中這樣寫道： "有人認為產生最早生物的條件一直跟現在的條件一樣。但是，如果（啊！這是多麼大的一個如果啊！）我們能夠設想某一個溫暖的小池子，那裡有氨、磷酸鹽、光、熱、電等等，通過化學方法形成了蛋白質，並進行進一步的變化，產生出生命；而現在這些物質一形成就會被其他生物吞吃或吸收，而不能成為生物……" 這個人就是進化論的奠基人-英國博物學家達爾文。一、生命解說1．生命命題美國生物學家威廉姆教授曾在斯坦福大學從教三十多年，他遇到的最多的問題就是"什麼是生命"？如何在探究學習過程中引導學生對"什麼是生命"的問題進行一番探究，威廉姆教授頗動了一番腦筋。說起生命，人們腦子裡跳出來的第一個想法就是"活的"。知道了什麼是活的，也就知道了什麼是"死的"，知道了活的和死的，也就能回答什麼是生命了。植物人是不是一個特例？以大腦判定死亡時，植物人應該算死了；以心臟停止跳動判定死亡時，植物人就應該是活的。主張大腦死亡即死亡的人認為植物人的器官可以捐出來醫救病人，但以心臟停止跳動判定死亡的人認為這樣做無異於在殺人。這實在是一個非常複雜的社會問題，涉及判定生命死活的標準，涉及宗教信仰，涉及倫理、道德、道義…… 社會學爭論的焦點只是如何理解死亡，而生物學的任務卻是要給出一個定義。在科學課堂上探究生命的起源，很難做到由一個單一的事件把問題一下說清楚，它有一個較長時間的演化過程。有一次在課堂上，又有學生提問關於生命的問題。威廉姆教授問大家"死"與"活"的標準是什麼？有的說，"活的東西會動，死的東西不會動。"威廉姆教授詭秘地一笑，"那汽車呢？帆船呢？它們會動，它們是活的嗎？死的東西不會動，樹不會走動，樹難道是死的嗎？"看來，用會動不會動判定死活，在科學意義上顯然是不夠嚴密的。而正是這個不嚴密，才使得學生必須繼續沿著這條思路往前走，進入前面"更茂密的叢林"去進行更深入的探究。顯然，威廉姆教授並不急於把答案告訴學生，他支上了幻燈機，學生們的好奇心頓時倍增，一張張臉上無一例外地掛著做學問的認真。學生們看到在一隻盛著透明液體的培養皿里有一個不透明的圓形小物體，一動不動地呆在那裡。在幻燈打出的屏幕上，這個圓形物體變成了一個小黑點。"這個小黑點，你們說是活的還是死的？是有生命的，還是無生命的？"憑著觀察和理解，學生們的回答幾乎是一致的：死的，無生命的。威廉姆教授的沉著顯然在慫恿他們的判斷。然後-讓我們還是等一會兒再"然後"，此時只見威廉姆不慌不忙，僅僅是在調焦距，讓畫面上的"小黑點"看上去更清楚。變得更清楚的畫面增加了學生們判斷的可信度，那的確是一個一動不動的小黑點兒。不少學生認為，但凡是一個活物，它就不可能在放大這麼多倍數之後還會不露一絲痕迹，紋絲不動! 死的，肯定不是一個生命體。威廉姆問一名學生："你有沒有過這樣的體驗，當你特別餓的時候，你一點都不想動，或是沒有一點力氣想動？""太有這方面經驗了，而且不止一次。人挨餓的時候，不是不想動，而是一點力氣都沒有了，實在動不了了。""那你們想過沒有，這小黑點，假如是個小生命，它會不會餓得一點力氣也沒有了呢？""也許不能排除這種可能性吧。" 學生們只是不想把話說絕。但經驗告訴他們這種可能微乎其微。"那咱們給它喂點食物，也許它太餓了。"說著，威廉姆教授用鑷子夾起一點"食物"，小心地放在小黑點兒的身邊。食物很快在水中溶化，水變成一片橘黃色。當溶化的食物接觸到小黑點後，奇蹟發生了，小黑點變得活躍起來，整個身體逐漸開始蠕動，像變形蟲似的，還不時用它的偽足把食物攏到身下，有時小黑點還把自己分開，分成兩部分，分開後，全部變成了可以活動的獨立的小黑點。再仔細觀察，小黑點身體表面居然生出了毛茸茸的外層……5分鐘後，"吃飽"了食物的小黑點終於安靜下來。有學生說，吃飽了休息一會兒也是常情。這期間，威廉姆教授開始啟發學生思考若干相關的問題，諸如食物進入了小生命的肌體了嗎？進入小生命的肌體後納入了一個什麼樣的機制？有沒有新陳代謝的過程？食物轉換成小生命的能量經歷了怎樣一個變化？小生命體外毛茸茸的柔軟層是否是經過新陳代謝後的排泄物？小生命是否會自我繁殖？能否靠基因系統產生下一代？這個基因系統可不可以特別地調控小生命的生長和新陳代謝？它的基因系統是否可以產生出多個不同的種？這些新種能否更好地適應環境的變化？小生命停止活動後是休息？是睡眠？還是死了呢？……儘管所有的答案都還是推測的，但這個過程讓每個學生都驗證了一回事先列出的有關生命的各種特徵。總括這一切，大家得出一個一致的結論：那個最初浸在水裡的小物體，後來在幻燈屏幕上出現的小黑點，再後來見到食物後表現出"興奮"狀態的是個小生命，是"活的"。當這個探究過程終於結束之後，威廉姆教授宣布說："現在，我要告訴你們真相了。""什麼真相？難道我們觀察到的這一切還不是真相？" 學生們發出了疑問。"是的，"威廉姆教授說，"液體是2% 的硝酸溶解液，"食物"是鉀鉻酸鹽的結晶體，而"小生命"自己是一滴汞。"聽到這裡，學生們無不愕然。一個純凈的化學反應過程在視覺里居然變成了一個非常生物的現象。第44節：一、生命解說(2)這個有趣的小故事說明，生命不是用眼睛看和用腦子想就能確定的，必須有科學的方法和概念來描述它。2．生物學標準定義現代生物科學認為：生物種類非常多，數量非常巨大，生命現象十分錯綜複雜，但是錯綜複雜的生命現象一定存在某些共同的規律。比如從元素成分看，至少地球上的生物都是由碳、氫、氧、氮等元素構成的；而從分子成分來看，生命體中有蛋白質、核酸、脂肪、糖類、維生素等多種有機分子。其中蛋白質都是由20種氨基酸組成；核酸主要由4種核苷酸組成；ATP（三磷酸腺苷）為貯能分子。再比如已知大部分生物的基本單位是細胞，細胞內的各結構單元（細胞器）都有特定的結構和功能，而整個生物界是一個多層次的有序結構。在細胞這一層次之上還有組織、器官、系統、個體、種群、群落、生態系統等層次。每一個層次中的各個結構單元，如各系統中的各器官、各器官中的各種組織，都有它們各自特定的功能和結構，它們的協調活動構成了複雜的生命體系。各種生物編製基因程序的遺傳密碼是統一的。生物體不斷地吸收外界的物質，這些物質在生物體內發生一系列變化，最後產生代謝過程的最終產物而被排出體外。所有的生物體都能通過新陳代謝作用而不斷地生長、發育。生物體還能不斷地繁殖下一代，使生命得以延續。生物的遺傳是由基因決定的，生物的某些性狀會發生變異；沒有可遺傳的變異，生物就不可能進化。那麼，按照生物學的標準說法，概括起來，具有如下特徵的現象，應該就是生命：（1）應激性 應激性是指生物個體對外界刺激發生反應的特性。我們的手觸到熱源會縮回，昆蟲晚上會向光源聚集，都是對刺激的反應，即生物具有應激性。（2）新陳代謝 新陳代謝是指生物體與其周圍環境之間進行物質和能量交換以及生物體內物質和能量的轉變過程。生物個體的新陳代謝包括相互聯繫的兩個方面：同化作用與異化作用。同化作用是指生物從外界攝入物質（如我們吃食物、喝水），經過一系列的轉化過程，將外來物質轉化為自身的物質（如構建我們的糖、脂肪和蛋白質），並把能量儲存在自身的物質內的過程；異化作用是指生物個體內的物質分解成較簡單的物質，並釋放出能量，以供活動所需的過程。生物個體正是通過新陳代謝-同化作用與異化作用的過程維持生命。個體的新陳代謝停止，生命即告終。非生物也能與外界進行物質交換，但交換的結果是導致自身的消亡，而不是自身的建設。例如，蠟燭藉助於空氣中的氧，燃燒後變成二氧化碳和水蒸氣，岩石風化變成土壤。第45節：一、生命解說(3)因此，外界環境是生物個體生存的條件，是非生物個體消亡的原因，這就是生物個體與非生物個體在與環境相互作用過程中的本質區別。（3）生長與繁殖 生物的生長，是指生物把生命所需要的物質吸收到體內，經過一系列轉化後成為其自身的物質，而使生物個體長大的過程。非生物的"生長"只是相同物質的增加。在寒冷季節，把水澆在冰塊上，冰塊會增大；把若干小溪的水注入一條河時，河水會增加。但冰塊的增大部分和河水的增加部分仍然是水，而不是別的物質。所以生物的生長與非生物的生長有著本質的區別，前者有質和量的變化，後者只有量的變化。生物生長到一定程度後具有產生後代的能力，即具有繁殖能力。由於任何一個生物個體有朝一日總要死亡，因此生物的繁殖保證了種族和生命的延續。（4）遺傳、變異和進化 生物進行繁殖時，具有"類生類"現象，如狗生狗、貓生貓。這種親代與子代相似的現象稱為遺傳，它保證了各個物種的相對穩定性。但是，親代與子代之間，以及子代各個個體之間總會有差異，這種現象稱為變異。生物有了變異，通過自然選擇把有利的變異在群體中固定下來而成為新類型，使生物得以進化。生物通過遺傳、變異和自然選擇，不僅使得生物界的各個物種具有相對的穩定性，而且使得生物界產生由低等到高等、由簡單到複雜、由水生到陸上的逐漸進化。3．生命的哲學解釋生命是生物體所顯現的種種現象的總的抽象概念。從古至今隨著人們對這些現象的逐步理解，生命的概念也在不斷地改變。上文中我們提到的現代常用的定義，即生命是生物體所表現的自身繁殖、生長發育、新陳代謝（與環境進行物質和能量交換）、遺傳變異以及對刺激的反應等的複合現象。但這些複合現象中任何一個單一現象都不是生物所特有的。拿"新陳代謝"來說，非生命的火焰不斷把燃料變成其他物質，進行著劇烈的物質和能量交換，但人們並不認為它有生命；相反在適當條件下保存著的種子（如古蓮子）在長時間內可以沒有物質和能量交換，但仍然具有生命，因為環境適宜它就會萌發。"生長"也是一樣，無機的晶體在形成的時候（如水結冰），就有一個生長的過程；相反，有些生命體並不總在生長，有的一旦形成，大小就不變了。"繁殖"也不是生命體獨具的特徵，凡是有自催化過程的反應系統都有繁殖現象，如一些核反應；而有些生命體由於生殖系統的先天缺陷也不能繁殖（如騾子）。至於說到外界刺激會引起反應這一點，自從有了機器，特別是計算機以後，那也就不能認為是生命所特有的性質了。第46節：一、生命解說(4)既然生物學上的概念不能涵蓋生命的定義，我們就必須從更廣泛的領域中尋找答案。古希臘的哲學家傾向於把一切尚不了解的產生運動的原因稱之為"力"。以後的學者們就借用了這個"力"的概念，研究了各種運動，如物理學中的"引力"、"電磁力"，化學中的"親和力"等。他們的研究取得了很多成果，但是至今還沒有弄清楚古希臘哲學家很早就提出的所謂"活力"或"生命力"是什麼。中國古代的哲學家傾向於把尚不了解的產生運動的原因歸之為"氣"，生命被看作是"氣"的活動。例如："人之生也，氣之聚也，聚則為生，散則為死……故曰通天下一氣耳。""氣"也是不明確的概念，不同的學者有很不同的解釋。其他與現代科學比較接近、有唯物主義傾向的觀點如："人之生，其猶冰也，水凝而為冰，氣積而為人。"這裡把生命的形成比作水結冰的過程，這種觀點與現代科學的近似之處在於它強調了生命的有序性。也有把生命比作火的，如："人含氣而生，精盡而死，滅也。譬如光焉，薪盡而火滅，則無光矣。故滅火之餘，無遺炎矣；人死之後，無遺魂矣。"這種觀點則強調生命是一個物質代謝過程。由此可知，中國古代哲學家把生命看作一個物質運動過程，常把生與死聯繫起來討論，這也是中國哲學思想的特點。4．分子生物學觀點分子生物學產生後，人們開始從生命物質微觀構成的共性來概括生命定義。根據分子生物學的研究，人們對構成生命活動的基本物質有了比較詳細的了解。生命體的形狀、大小和結構可以千差萬別，但它們都是由脫氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）和蛋白質等大分子為骨架構成的。DNA是由4種不同的叫作脫氧核苷酸的小分子（單體）按一定的排列次序組成的一條非常長的分子鏈，例如大腸桿菌的 DNA就是由約兩千萬個脫氧核苷酸分子組成的長鏈。在各種不同形式的生命體中，DNA相當於同樣字母寫出的長短不同、排列次序不同，因而意義也不同的書。RNA也是由4種不同的叫作核苷酸的單體連接而成的分子鏈。其情況與DNA相似，但鏈較短。各種不同形式的生命體中有著各式各樣長短不一的 RNA。蛋白質是由20種不同的氨基酸單體按照一定次序連接起來的長鏈分子。各種不同形式的生命體中具有各式各樣的單體排列次序的長短不同的蛋白質鏈，鏈的摺疊、捲曲形狀也各不相同。總之，各種生物的DNA、RNA和蛋白質都分別由4種脫氧核苷酸、4種核苷酸和20種氨基酸單體組成，也就是說它們都是由通用的"元件"組成的，這些核酸、蛋白質在各種生物的生命活動中所起的作用也基本相同。第47節：一、生命解說(5)由於DNA可以自身複製，因而使生命物質具有繁殖和遺傳的能力；由於DNA能通過轉錄和翻譯決定RNA及蛋白質的結構，從而控制了生物的形態結構和生理功能；而複製、轉錄及翻譯這些過程又都需要蛋白質、酶及 RNA參與。這樣，就有了一個分子生物學的生命定義：生命是由核酸和蛋白質特別是酶的相互作用產生的、可以不斷繁殖的物質反饋循環系統。分子生物學上對生命的這種說法是對生命物質的微觀結構及其運動過程的描述。它概括了分子生物學的一些重要的理論突破，但仍然有一些界限不清楚的地方。自然界有一類東西稱為病毒，病毒是由核酸鏈和蛋白質外殼構成的，單獨存在時，好像是一種純粹的化學物質，並可結晶，但一旦進入了活的特定的宿主細胞中，就可利用宿主細胞內的單體和能量的供應以及複製、轉錄和翻譯的"機器"自我繁殖。近來又發現一些被稱為質粒的物質，它更為簡單，只是一些裸露的環狀核酸，但可進出於活細胞之間，利用活細胞內的複製"機器"自我繁殖。此外，類病毒也有類似的情況。這些物質是否具有生命，目前還有爭論。有人認為，只要能夠控制自身繁殖和遺傳變異並對進化力量獨立做出反應的都應稱之為生命。如果這樣講，那麼病毒、噬菌體、質粒和類病毒之類的東西就都可劃為生命物質。也有人認為，生命體必須能夠獨立自主地複製、轉錄、翻譯和提供單體及所需的能源，而病毒、類病毒和質粒之類的東西是一種不完整的生命形態，它們都是寄生的，不能獨立存在。但後一種觀點也不能成為明確的生命定義的劃分界限，因為生命體從來就不是一個孤立的存在物，它與周圍環境以及與其他生命都有著不可分割的聯繫，這就使得什麼是獨立生活、什麼是寄生生活失去了明確的意義，因此還需要從宏觀的角度、也就是從生態學去研究生命觀。5．生態學的生命觀就已知的事實看，在太陽系內，生命活動只見於地球的生物圈內─由高約離地表20公里的大氣層（當然不包括航天器中的生命），直至地下離地表十幾公里的深處，這一相對說來不厚的空間構成。在生物圈內有的生命體具有葉綠素，可進行光合作用，稱為自養生物，大部分植物、藍藻和部分細菌都屬於這類生命體；還有一些生物沒有葉綠素，不進行光合作用，必須依靠攝取自養生物或其他生物為食而生存，稱為異養生物，真菌、動物（包括人在內），以及大部分細菌屬於這類生命體。生物圈中的無機物質，通過自養生物的光合作用進入生物體，以後部分通過自養生物自身的代謝活動而回到無機世界，部分為異養生物所攝取，通過代謝活動（包括呼吸、排泄等）又回到無機世界；而大部分植物秸稈和動物屍體最後都經腐生生物（異養生物）的降解作用而返回無機世界。這樣就形成了生物圈內的物質運動循環。這種循環運動都是單方向進行，不可逆轉。在這個循環運動中少了哪一環或哪一環不通暢，都會影響到整個生物界。沒有自養生物或自養生物不足，異養生物當然難以生存；但只有自養生物，沒有異養生物，大量有機物質積累後不能降解，也會阻塞自養生物繼續生存的道路。第48節：一、生命解說(6)從物質的簡單形式來看，例如在大氣中的以二氧化碳形式存在的碳元素，經過自養生物的光合作用，與水化合成糖類進入生命體內，部分經過自養生物自身的呼吸作用，重新成為二氧化碳回到大氣中；其他部分又被各種異養生物所利用，通過它們的呼吸作用，回到無機世界。這樣就形成了一個碳元素的循環。這個碳元素循環在生命體中還必須與其他很多元素（如氫、氧、氮、磷、硫等）的循環通過化學反應耦合起來，同時也推動了這些元素在空間進行循環運動。在生物圈內，元素的循環運動網路中，有很多交點，這些交點所代表的生物個體的總和就是生物量。這種周而復始的循環運動，不僅在宏觀的生物圈中存在，同時在生物體的微觀運動中也是存在的。生態學把生命看作是上述生物圈中種種不可逆物質循環過程的中心環節，但它僅描述了生命的外部條件及其所處的地位，卻未指明生命本身的質的特點。6．生物物理學的生命觀生物物理學出現後，對生命的詮釋開始著重從物質運動的一般規律上指明生命特徵。我們知道，物質和能量是守恆的，地球與外界沒有物質交換隻有從太陽輻射得到能量，而又反射和輻射到太空之中。太陽輻射到地球上的能量與地球反射和輻射到太空中的能量相等。儘管地球的物質和能量都沒有顯著變化，但地球上各種元素由於與太陽輻射發生不同反應就可產生不同程度和不同方式的運動，即產生了上述的各種循環運動，這些運動導致了地球上物質的不均勻分布。因太陽輻射所造成的能量流動對地球的影響在一個長時期內是穩定的、有節奏的和有規律的，所以，地球上物質分布的不均勻性也是有節奏的和有規律的，這就產生了地球上物質分布和運動的有序狀態。熱力學第二定律用一個叫作"熵"的函數來衡量一個系統的均勻程度。一個孤立系統，即與外界沒有物質和能量交換的系統，運動總使熵增加。當熵達到極大值時，宏觀的物質運動就會停止，稱為熱力學平衡。此時系統處於均勻的、無序狀態。地球不是一個孤立系統，而是一個閉系，即與外界只有能量交換而無物質交換的系統，它接受太陽輻射的能量，同時它又向太空反射和輻射能量。太陽輻射出來的能量使太陽表面呈高溫狀態（約5800℃），根據熵的定義，它處於相對的低熵形式。而地球向太空輻射的能量，由於地球表面溫度遠低於太陽，故處於相對的高熵形式。活的生命體是個開放系統，它與外界不僅有能量變換，而且有物質交換。所以，站在生物物理學的角度上來看，生命體實際上是從環境中取得以食物形式存在的低熵狀態的物質和能量，把它們轉化為高熵狀態並把廢物排出體外，從而保持自身的熵處於比環境更低的水平，也就是維持著自身的有序狀態。第49節：一、生命解說(7)生命體的有序性從分子水平看就很明顯。它們的大分子如核酸、蛋白質在各種細胞中都有一定的排列順序，以至一個生態系統都有一定的空間結構。有序性不但表現在空間的分布上，也表現在生命體活動的規律上。它們都有一定的特性：生長、發育、生殖、衰老、死亡以及對外界刺激做出有規律的反應等。因此，用有序性來詮釋生命的概念，似乎是比較完全的了。但是，我們仍然有一個地方沒有弄清楚。從熱力學的觀點來看，生命的有序性現象都出自太陽輻射的推動，但是太陽輻射僅僅是生命現象出現的外部條件，因為太陽系還有其他行星，它們都具備這個條件，但卻只有地球上有生命活動，生命的出現必然還有它自身的因素。7．對稱性破缺導致的生命現象根據近三十年來物理學、數學以及其他領域的研究進展結果，人們發現過去以牛頓力學為哲學背景建立起來的自然科學的思想基礎（包括量子力學在內）都是有一定局限性的，都是以線性疊加原理成立為前題的，但是自然界的各種現象中很多都是非線性的，可以統稱為非線性問題。簡單地講就是，一個系統的性質不同於它的組成部分性質的線性疊加，這個系統就是一個非線性系統。在過去，不論從數學還是物理學上都認為這類非線性問題很困難，無法解決。由於近年來計算技術的發展和數學、物理上的突破，出現了一大批研究非線性問題的理論和方法，如"突變論"、"耗散結構"、"協同論"、"分岔理論"以及"混沌現象"等等，這些理論雖然提法和解決問題的方法都不相同，但是它們都是針對動力系統的非線性問題而產生的。當一個系統的變化屬於非線性問題時，它的控制參數超過了某個臨界值，就會出現"對稱性的破缺"，一個均勻的、對稱的系統就變為不均勻的和不對稱的系統。物質在空間中出現了不均勻的分布也就意味著出現了結構。這種結構的形成和維持要依靠系統中各個組分及其與外界相互作用的非線性的性質才能實現。一旦各組分及其與外界的相互作用發生變化，它們就可能解體、消失，有人稱之為"耗散結構"，因為它們的相互作用不斷地耗散能量和物質。生命現象是一個典型的非線性動力系統，因此動力系統非線性問題的研究對生命的理解將有重要的貢獻。生命現象是一個不斷地對稱性破缺的過程。從分子水平上看，所有的核苷酸、絕大部分的氨基酸以及很多脂肪酸和其他分子都是"光學活性"分子，即只有手性分子的鏡像的一面，它的鏡像異構分子在生物體中卻不存在。這個特性，從百多年前被巴斯德發現一直到現在，是唯一的有無生命活動的經驗判據。這也可能是宇宙不守恆的對稱性破缺的結果。這些分子的相互作用構成了一系列的對稱性破缺，從而生成了有複製能力的對稱性破缺的反應系統，從而導致生命現象的出現。第50節：二、生命演化(1)二、生命演化1．100億年前-生命物質以前，人們認為地球在古生代才開始有生命存在，但是現在已經發現遠在30億年前，當地球還在幼年時期，表面受隕石撞擊和火山運動而變得溝壑縱橫時，地球上就已經有了生命物質。關於地球上生命誕生的條件問題，我們可以從其他類地行星上不具備什麼條件來得到反證。第一，距離太陽的遠近決定著行星表面的溫度，例如水星向陽面的溫度可以使鉛熔化，而天王星表面溫度卻是零下200℃。無論溫度太高還是太低都不能產生生命。看起來地球的位置得天獨厚，距離太陽的位置恰好不遠不近，這構成了產生生命的第一個條件-溫度。第二，水和大氣的存在是必不可少的。大氣層的存在抵擋和緩解了外來隕石的撞擊能量，我們經常能看到的流星就是隕石在大氣層中摩擦發熱、發光的產物。如果沒有大氣層，地球就是30億年前大氣層尚未形成時的狀態-隕石坑遍布。大氣層保護了地球，為脆弱的生命誕生創造了理想的環境。另外，地球大氣層特殊的化學構成也為生命演化提供了物質基礎。地球上的生命形式大部分是由碳、氫、氧這幾種元素構成的，早期大氣層恰好含有豐富的這類元素，這提供了產生生命的第二個條件-生命元素。生命是一套複雜的系統，要構成生命，首先要能形成巨大的有機分子，這些巨大的分子再在某種條件下形成生命物質最重要的基本結構-氨基酸。這些氨基酸再進一步結合，形成構成生命的基本單元-蛋白質。能夠形成蛋白質已經是一項了不起的成就，可是，最簡單的生命也比蛋白質複雜得多。我們不妨設想一下生命基本物質出現時的情形：很多證據表明，最初的地球大氣含有豐富的甲烷和氨，由於水的出現，甲烷和氨在水溶液中結合，形成簡單的有機分子。這些有機分子在原始海洋的某些部位聚集，並且在原始地球劇變的環境中互相集合，成為越來越複雜的有機大分子。這個時候的地球就像一個巨大的化學實驗室，各種各樣的化學物質進行著各種各樣的化學反應。那些結構穩定的大分子長期存在下來，並且逐漸形成一定的穩定的共生系統，和其他集團獨立起來，再經過長期而緩慢的組合，最終形成生命最初的物質。2．46億年前-原始大氣自然發生說認為在地球現有的條件下，非生命物質可以在適宜的環境中短時間內一下子出現低等生物，例如水螅、蠕蟲之類。而化學進化說講的是在早期地球沒有任何生物的特殊條件下的物質逐漸複雜化，並由此產生最原始的生命，這些生命類型都比現在所知道的任何低級生物簡單得多。第51節：二、生命演化(2)早期地球的特殊條件至少包括以下的內容：（1）陸地上和海洋里都還沒有生命。（2）大氣含有特殊的化學成分。（3）地球表面有適宜的溫度。（4）海水裡含有多種化學成分，很適宜於物質的複雜化。很顯然，化學進化說雖然跟自然發生說有些相似，但是區別是明顯的。第一是條件不同，化學進化是發生在還沒有任何生命的時期；第二是所需時間不同，化學進化要求很長很長的時間。不管地球以什麼方式形成，也不管早期地球是低溫還是高溫，有一點可以相信：當時的地球上沒有任何生物。指出早期地球沒有生命，不僅是目前大家所能承認的事實，而且為生命起源提供了必要的前提。如果一開始有地球就有生命，那麼這生命從何而來，還是一個問題。另一個問題，正如達爾文所說，早期地球的條件跟現在很不相同，不適宜任何生物的生存。原始大氣的成分跟現在的很不相同。當時，氫氣是主要的成分，基本上沒有氧氣。因此，當時的大氣是還原性的（在古老大氣中你把一塊鐵鏽變成鐵是很容易的事情，就像現在你使一塊鐵生鏽一樣容易），跟現在氧化性的大氣很有區別。除了氫氣以外，當時的大氣還含有氦氣、甲烷、氨、二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、硫化氫等，這些是由有關的元素化合而來的。瑞士化學家米勒和美國化學家尤里曾經設計了一個簡易的裝置模仿原始地球的條件。他們在儀器里放有水、甲烷、氨和氫氣，對這些混合物加熱，使它沸騰，跑出氣體。讓混合的氣體在儀器里流動，沿著一定路線循環不息。在儀器的一處裝上電極，並且放電使其經常出現電火花，以此作為能源，以促進化學反應。這樣連續處理一個星期，他們取出液體分析，得到一些意想不到的結果。他們在那些液體里發現幾種氨基酸和其他一些化合物，這表明化學進化在試管里進行了。這就有理由推測相似的化學過程會在早期的地球上發生。一些無機物或比較簡單的化合物會在適宜的條件下彼此化合產生出生命所必需的一些化合物，如氨基酸之類。這說明物質在一定條件下可以由簡單向複雜方向發展，物質的複雜化是生命起源的物質基礎。適宜的溫度是生命起源的另一種必需條件。像金星現在的溫度達到800℃，顯然不適於生命的起源或生命的存在，除非另有一些特殊的生物類型適於在那樣的高溫下生活。鑒於某些星球，例如冥王星上的極端低溫條件，也不適於生命的起源和活動。生命適宜的溫度一般在0℃以上，60℃以下。海洋的出現對地球上溫度的調節起了關鍵性的作用。水在100℃以上會成為水蒸氣，在0℃以下會結成冰。海洋的出現意味著水的溫度不會太高，也不會太低。在早期的地球，有很長時期海洋的溫度不太高也不太低，這適於貯存大量的有機物。高溫一般會把有機物分解掉。第52節：二、生命演化(3)海洋是生命的搖籃，這是因為海洋能夠提供生命起源和發展的若干重要條件。海洋能夠使地球的溫度不會趨於極端，這有利於生命物質的形成。很顯然，沒有海洋，生命的起源是不可思議的事。當然，最早的生命不一定在廣闊的海洋里出現，也可能是在陸地上的某些適宜的沼澤里，像達爾文所猜測的那樣。但是無論如何，海洋的存在是必需的條件，陸地上某地方的積水由於雨水沖刷會彙集于海洋。地球的溫度變化比較小，火星的溫度變化很大。據觀測，火星晚上的低溫達到零下120℃，而白天的高溫達到800℃。這是夏季的記錄，這樣的溫度顯然不適於生命的活動。儘管有不少人認為火星上有生物，甚至有人類，但現在看來，這不可能。地球上不尋常的條件不僅在於溫和的氣候條件，而且還在於巨大的海洋面積。海洋佔地球表面的71％，這樣龐大的水面有許多好處。溫和的氣候跟巨大的海洋有密切的關係，這是因為水有特殊的性質，能夠貯存較多的能量而溫度變化不大。這些條件非常有利於生命的起源和發展。3．30億年前-化學演化原始的早期地球從非生命物質逐步發展到具有生命過程的原始細胞，大抵要經歷以下幾個可能的基本步驟，這就是早期的化學演化。（1）形成了行星，出現了地球。這大約在46億年前，當時地球的周圍有許多氣體，其中已有由某些元素合成的簡單化合物。這些元素和化合物是進一步合成比較複雜化合物的材料，到一定時期（大約在39億年前），出現了海洋。現在有資料表明，地球上最早的火成岩出現在39億年以前。（2）利用原始地球的條件合成出比生命基本物質小的單體分子，例如氨基酸、糖類和有機鹼。從無機物合成有機物，特別是合成氨基酸和有機鹼，需要能源。在原始地球可以利用的能源大概有閃電或電火花。這在剎那間會提供大量的能源，引起化學演化。上面談到的米勒實驗，他們用經常發生的電火花作為能源，把一些結構比較簡單的分子合成為氨基酸和其他有機物，包括甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸、蟻酸、醋酸和其他一些碳源分子。其他學者應用相似的能源和增加某些其他成分例如乙烷等，得到了更多的氨基酸。早期地球由於沒有氧氣，大氣的上層沒有臭氧層，所以當時紫外線可以大量地到達地面。有些科學工作者應用紫外線作為能源，照射一些簡單的化合物，由此得到另外一些氨基酸，例如天冬氨酸、絲氨酸和苯丙氨酸。而另一些科學工作者發現不超過100℃的熱量和電離射線也可能在化學演化中發生作用，把氰化氫、氨和其他一些分子放在一起加熱，不僅產生出一些氨基酸，也產生出一些嘌呤，如腺嘌呤。第53節：二、生命演化(4)嘧啶（在生物學中，嘌呤和嘧啶屬於脫氧核苷酸）也可以由類似的方法產生出來，所用的原料當然有所不同。於是在原始海洋里，或者在某些池塘里，就逐漸累積下多種有機物，特別是各種氨基酸和核苷酸。由此出現了大量的蛋白質和核酸。這些都發生在達爾文所說的"熱湯"里。這就是生命起源的海洋，不是現在所知道的一般海洋。在這特殊的海洋里，物質複雜化的過程又有新的創造。（3）在"熱湯"里由於某種化學作用，有些物質聚合在一起，形成許多小顆粒。這些小顆粒具有自己所特有的成分，這在生物學上稱為"團聚體"或"微球"。這是從物質引導出具有一些內部結構體的一個重要步驟。從電子顯微鏡中觀察這些"微球"，可以看到一些初步結構的情況，但是這當然還不是細胞，雖然它們可能已有吞食的現象。活細胞之所以能夠正常工作，一是在於它所含有的大分子有相當高的濃度，二是在於大分子之間、大分子與其他分子之間能夠發生相互聯繫和相互制約。一句話，這是物質世界中一種新的體系的出現。這又是一個質變。這樣的環境中細胞是怎樣起源的還是一個謎，但是團聚體、微球等的形成和結構可以幫助我們了解細胞的起源。在人造的"熱湯"里，核酸跟某些氨基酸如組氨酸在一起，會形成小顆粒，如團聚體一類的東西。它能吸取周圍相類似的物質而增大體積，又能進行一些氧化還原作用，這跟呼吸作用相類似。用各種氨基酸與高濃度的天冬氨酸和谷氨酸形成一種蛋白質性質的混合物，把這些混合物放入水中，就出現了微球。它們表現出一些代謝作用，例如它們能把一些有機物分解，它們具有膜一類的結構，能夠進行類似芽生的"生殖作用"。當然，團聚體也好，微球也好，都是短命的。它們都稱不上細胞，它們的內部還沒有什麼可利用的穩定結構，周圍也沒有一個哪怕是很原始的半透性膜。現在要問，在還沒有細胞的時期，有沒有其他類型的生物？如果有，可能是什麼樣子的呢？我們來進行一些臆測。現在所知道的生命過程都離不開細胞，但是細胞，即便是原核生物的細胞，例如最簡單的細菌，內部的結構也很精緻、很複雜。看來生命一開始不會以細胞的形式存在，原則上應該有一個非細胞形態的生物，換句話說，就是前細胞形態的生物。病毒如果算是生物，那麼因為它沒有細胞結構，它就是一類非細胞形態的生物。它是不是前細胞形態的生物呢？那是另一個問題。病毒不能在細胞外進行複製，換句話說，在細胞外，病毒並沒有代謝作用，也不能複製自己，不能產生後代。因此，病毒是否是生物，一直是一個爭論的問題，還有理由認為病毒是退化的細菌或者是離開細胞的基因。所以長期以來沒有把病毒看做是前細胞生物。第54節：二、生命演化(5)現在看來，至少可以從病毒的簡單結構推測前細胞的生物類型。我們知道，病毒的基本成分就是遺傳物質（DNA或RNA）加上由蛋白質組成的外膜，這樣的結構在早期地球的"熱湯"里可能有條件進行代謝作用和複製自己。最簡單的病毒只含有三個基因，一個基因產生出複製酶，一個基因產生出自己所特有的蛋白質，一個基因產生出另一種蛋白質，用於附著在宿主細胞上。類病毒是比病毒更簡單的結構，它只是一條RNA，沒有蛋白質，但是它一旦進入適宜的細胞（主要是高等植物例如土豆的細胞），就能複製自己並引起宿主出現特有的病症。生命是否可以由類病毒的形式出現呢？這也是一種可能性。在現代生命系統中，DNA是至高無上的統治者，它是地球上絕大多數生物的遺傳物質，即使不含DNA的少數病毒，也是以與DNA有關的RNA作為遺傳物質的。因此，在生命物質準備向細胞演化之前，無論它是結構多麼簡單的前細胞形態，一定不能缺少DNA。DNA的重要性不僅在於作為遺傳物質而傳遞本身，而且更主要的是在於DNA所具有的各種功能。首先，細胞內的DNA含有生物正常發育、生長和繁殖所需的全部信息，它好比是一套詳細、完整的"生物建築藍圖"，決定生物長成什麼樣子，長到多大，什麼時候開始繁殖下一代，甚至什麼時候開始衰老，什麼時候死亡。其次，DNA在很大程度上決定了生物的習性。據近年的研究成果，錯綜迷離的動物行為的根源是可以追溯到遺傳物質DNA本身的。第三，DNA還決定了生物與環境的關係，決定了一種生物能在什麼樣的環境範圍內生存，決定了生物對環境因子變化的反應。第四，DNA通過"半保留式的複製"，可以精確地把其所含的遺傳信息從1份變為2份，再變為多份，使得一個細胞可以分裂為多個含有相同DNA的細胞，使得一個小小的受精卵可以長成一個成熟的生物體，使得遺傳物質可以精確地從上一代傳給下一代，從而才有"種瓜得瓜，種豆得豆"，使生命得以延續。第五，DNA通過RNA的中介和一整套的遺傳密碼，編碼了生物所需的所有蛋白質，決定了蛋白質鏈中的氨基酸種類及其排列順序。離開了DNA的指引，細胞內將是混亂一團。第六，生物能夠進化，也完全是由於DNA的存在。DNA在精確複製的同時，還可表現出一定的變異性。可以說，細胞內DNA的變異，特別是DNA整體結構的變異，是生物進化的基礎，所有生物進化最終都要歸結於DNA的變異。因此，概括地說，生物細胞內的DNA好比是發號施令的總司令、細胞王國的國王，擁有至高無上的地位和權力、任何重大的指令都是從DNA發出，任何進化都與DNA有關。第55節：二、生命演化(6)化學進化所佔的時期有多長呢？如果地球的年齡是46億年，原核生物在36億年前出現，那麼在細胞生物出現前的l0億年都主要是化學進化的時間。這裡有一點值得指出：化學進化的時間應該很長，在地球形成以前就有化學進化，在生命出現以後還有化學進化。但是細胞生物出現以後，化學進化至少在地球上已經不再是很重要的事了，這是因為任何有機物的出現，都會被微生物所利用。而達爾文早就清楚地認識到了這一點。4．20億年前-菌類和原核細胞出現現代生命的物質基礎都是細胞。細胞有這樣的特性：它把遺傳物質和其他與生命密切相關的物質集中在小範圍里，保證這些物質在那裡有比較高的濃度，使新陳代謝過程得以正常進行。在這裡，細胞膜起了特殊的作用。另一方面，細胞有兩個基本的功能：一，它能進行特有的新陳代謝；二，它能進行生殖作用。缺少任何一個功能，生命都會停止。非細胞形態的生物出現在早期地球上可能不止一次，因為這樣的生命形態很不穩定，不可能一試就成功。細胞結構有這樣的優點：第一，它有細胞膜，可以控制物質的交換，可以保證細胞內的大分子經常處於高濃度的狀態。如果沒有這可貴的膜，細胞物質就會被水沖淡變稀，大分子之間的相互作用就不可能建立了。第二，它有蛋白質和酶，可以催化細胞內的物質代謝，由此得到能源和碳源，並釋放出一些能量供代謝的需要。第三，它有完整的遺傳系統，這包括遺傳物質DNA、三類RNA和核糖體以及細胞分裂的機制，由此可以進行DNA的複製，可以產生出RNA和蛋白質（包括酶在內），可以產生出子細胞。有人認為像病毒那樣的非細胞形態的結構，如果在早期地球中，由於基因突變和自然選擇可能逐漸發展成原核細胞，一個可能的步驟如下：首先，由於基因突變和自然選擇，病毒的體積得到了增大，蛋白質的外膜發展成為原始的細胞膜；其次，也是由於基因突變和自然選擇的過程，在原始的細胞膜內，遺傳系統逐漸得到完善化；最後，還是由於基因突變和自然選擇的過程，在原始的細胞膜內產生出較多種類的酶，於是細胞內的代謝作用逐漸地提高了效率。可以設想，在早期的地球中，各種類型的非細胞生命都在進行大實驗、在彼此"競爭"，於是，在長期的自然選擇中才出現了原核細胞。在原始海洋的某個地區或者其他適宜的地方，一旦出現了原始的原核細胞，它就有了相當強的競爭能力，於是它可以逐漸分布到海洋的其他地區去。首先出現的是不能進行光合作用的細菌，理由是某些細菌類型的細胞比較簡單，能夠進行的工作比較有限。第56節：二、生命演化(7)細菌類型的原始生物怎樣解決自己的食物問題呢？有理由相信當時海洋里有豐富的有機物，這"熱湯"可以源源不斷地對原始細菌提供能源和碳源。那時地球上的生態系比較單純，主要成分是原始細菌和"熱湯"，還有充足的陽光和適宜的溫度。最早的細菌類型的呼吸方式是無氧呼吸-發酵作用。當時的地球沒有氧氣，另外，如果細胞里要進行有氧呼吸，則需要一套機制，需要一系列的酶和細胞色素，不然就不能利用氧氣。按照由簡到繁的進化原理，先出現的應該是結構比較簡單的細胞類型和呼吸方式。可以想像，在養分豐富的環境里，溫度又適宜，原始細菌會迅速地生長，得到大量的繁殖。經過一個時期，海洋里到處都有了它，於是出現了許多厭氧類型的細菌。經過許多萬年，"熱湯"的濃度逐漸變稀了，一句話，海洋里現成的有機物逐漸減少了。這樣，必然出現了食物問題。在海洋里的有機物還沒有被消耗完以前，原核細胞通過突變和自然選擇會產生出新的細胞類型，它能夠把簡單的物質合成為可以利用的有機物。由此，可能出現這樣的細胞：它能夠把二氧化碳跟氫化合，產生出有機物，這就提供了一些食物。接著，也可能出現這樣的細胞：它能夠固定氮氣，把氮氣轉化成硝酸鹽和氮的有機物，這樣，食物的種類就得到了增加。在這樣的生化功能的基礎上，一些原始細胞可能合成出卟啉和有關的一些其他化合物。卟啉是合成葉綠素等的基本化合物，這就為葉綠素和細胞色素的產生打下了基礎。有了葉綠素就可以出現光合作用了，有了細胞色素就可能發展出有氧呼吸的機制了。這意味著光合作用類型的原核細胞要登上生命的舞台了。光合作用的出現是進化的一件大事，從此，食物有了新的更大量的來源，於是"熱湯"的逐漸消失並不能阻礙生命的繼續發展。同樣重要的是，由光合作用所產生出來的氧氣是一種很活潑的氣體，它的出現要逐漸從根本上改變地球的環境，比如說，還原性的大氣要逐漸變成氧化性的大氣。環境的這種轉化要給許多細菌之類的原核生物帶來災難，這是因為氧氣對厭氧細菌是有毒的，會把它們殺死。於是原始的細菌在進化中有兩條路可走：一是避開有氧氣的環境，生活在缺氧的地方；二是逐漸產生出一些能夠處理氧氣的酶，這就成為好氧細菌。從與氧氣的關係講，現在基本上有三類細菌：厭氧的、好氧的、無所謂的（即在有氧無氧的條件下都能生存的）。有些細菌具有細胞色素和複雜的酶，利用氧氣進行呼吸作用，跟我們人類基本上一樣。第57節：二、生命演化(8)環境影響生物的進化，這是一方面。另一方面，新生物類型的出現會改變環境。例如，光合作用的出現至少從兩方面改變了環境：使大氣有了氧氣；使食物有了新的來源。於是海洋里的生態系較為複雜了。5．10億年前-真核細胞出現真核細胞跟原核細胞有若干重大的差異：真核細胞有細胞核膜，染色體大多有若干條，染色體由DNA和組蛋白所組成；而原核細胞只有核區，沒有核膜，它的染色體只是一條環狀的DNA分子，沒有組蛋白。真核細胞的細胞質里有若干細胞器，例如線粒體、葉綠體、中心粒、內織網等；原核細胞沒有細胞器。這就是說真核細胞和原核細胞之間有明顯的鴻溝，界限分明。那麼它們在進化中的關係如何呢？ 在生物史中，從化石材料知道，先出現原核細胞，以後才有真核細胞。現在要問真核細胞是怎樣來的，是不是起源於原核細胞呢？答案是肯定的。問題是怎樣起源的呢？ 由於缺乏若干中間類型，大部分論點是根據已知的生物學知識推論出來的。現在比較流行的一個理論是內共生說。按照這個假說，在原始原核生物的進化中，產生出多種類型的原始生物。跟這個假說有關的是以下四種生物：（1）藍藻類的單細胞，它所含有的葉綠素分布在細胞內一層層的膜上。這是葉綠體類型的生物。（2）好氧型細菌類的單細胞，細胞里有片層結構能進行呼吸作用。這是線粒體類型的生物。（3）具有鞭毛的細菌類的單細胞，能活潑游泳。這是代表中心粒類型的游泳生物。（4）一種細胞較大的生物類型，它具有原始的細胞核，能進行有絲分裂。這可以看作是一種"前原生動物"。結構複雜的真核細胞由以下的步驟發展而來： 那些個體較大的前原生動物被其他原始生物所侵入，或者它吞下其他原始生物。假定是好氧細菌進入了較大細胞的前原生動物里，於是前原生動物可能受害而死亡，也可能把它消化掉，也可能偶而由於突變而能與入侵者"和平共處"，於是逐漸發生了共生作用。共生對兩種生物都有利，前原生動物形成了有效的呼吸結構--線粒體，而共生的好氧細菌得到安生處所。以後又發生了類似的過程，具有鞭毛的小細胞併入上述的具有線粒體的前原生動物，並發生了共生作用，於是它獲得了游泳工具和中心粒子，它的活動能力增強了，結構更加複雜了。這是動物細胞的起源，可以看作是鞭毛蟲之類的原始動物。而葉綠體生物（即上述的一類藍藻）或寄生在上述的鞭毛蟲上或被吞吃，於是，經過漫長的過程，在那裡也發生了共生作用，這就產生出真核細胞的植物。這大概是一類原始的綠藻。第58節：二、生命演化(9)有若干事實支持內共生說。例如葉綠體和線粒體都能複製自己，它們具有相對的自主性；它們都有自己的DNA和有關的遺傳系統；它們的DNA都是環狀的，其遺傳系統都跟細菌的遺傳系統很相似；它們遺傳系統中的核糖體跟真核細胞的核糖體有所區別，跟細菌的核糖體比較相似。現代單細胞生物之中也有一些共生的例子。如一種草履蟲跟一種小球藻發生共生作用，一般情況下共生得很好，但是也遇到這種情況：小球藻繁殖過盛，一隻草履蟲內就含有數以百計的小球藻，數量過大，會影響草履蟲的生存。這樣的共生關係還需改進。甲藻的染色體並不含有組蛋白，眼蟲的細胞分裂並不出現紡錘體等等，可以看作是細胞核進化的一些中間類型。真核細胞的出現使生物類型更加多樣化，使生態系增加了新的內容，於是有了性的起源和多細胞生物的起源。從此，進化的速度大大地加快了。6．4億年前-魚類出現魚和脊椎動物 當我們拿起饅頭送到嘴邊的時候，嘴自然就會張開，這是因為我們的上下頜上附有肌肉，肌肉包著舌頭，控制嘴張開的骨骼叫上頜骨和下頜骨，在吃東西時都是利用下頜骨-下巴的活動來咀嚼食物。蛇的嘴可以張得很大，一口吞下一隻鳥或一隻青蛙，它們的下頜骨是由七塊骨頭組成，吞食時骨縫可以鬆開。哺乳動物中的馬、牛、駱駝、羊、大象和老虎雖然有的吃食物慢條斯理，有的吃東西狼吞虎咽，但也都是用下巴一合一開地吃，只是速度不同罷了。脊椎動物的下頜骨是經歷了從無到有，逐步完善的漫長過程的。在脊椎動物中，最早出現的是魚形脊椎動物。這些動物的口部還沒有形成可以自由開閉、能夠隨意咬捕食物或抵禦敵害的上下頜骨，被動的生活方式說明它很古老。從奧陶紀開始，就已經發現了無頜類脊椎動物的生活跡象。化石無頜類魚絕大多數身體前部都由骨質的甲胄覆蓋，所以也把它們叫作甲胄魚。沒有頜骨的脊椎動物吃東西時，只能靠流動的水將細小的生物帶入它的嘴內，所以它們只能在海底坐等良機或過寄生生活。這種寄生的日子使沒有下頜的脊椎動物在發展上受到了限制。魚類開始有了上下頜的分化時，就可以自由自在、隨心所欲地捕捉所需的可口食物，同時也促進了身體神經系統、運動器官的發展，為脊椎動物向更廣闊的領域發展鋪平了道路。在脊椎動物的進化史上，從無頜到有頜，從只有背鰭和尾鰭發展到偶鰭，從取食的進步到運動的靈活，這種種變化帶來了魚類的鼎盛時期。廣闊的水域里，出現了具有原始上下頜和偶鰭、身披"盔甲"的真正魚類，給剛剛開始的泥盆紀帶來了無限生機。第59節：二、生命演化(10)眾所周知，魚類是脊椎動物中最大的"家族"，現今世界上有25000多種魚，而魚類的歷史，毫不誇張地說，要比人類的歷史悠久得多。在距今約4億年前的泥盆紀早期，魚類已經開始成為水域的主宰。古老的魚類身上具有骨甲，因而把這些來源不同的魚類都叫作盾皮魚類。它不同於甲胄魚，甲胄魚是把身體套在一個骨質的硬殼裡，不分塊的骨甲束縛了它的行動，而盾皮魚的硬殼外衣包裹在身體的前部，又是分成幾塊的，這樣，盾皮魚在行動上就更加靈活了，游泳速度加快了，有利於它的發展。盾皮魚種類繁多，其中有10米長的恐魚，它不但體長，而且是真正的肉食類魚，是當時海洋中的"侵略者"。它屬於當時最繁盛的兩種魚類之一的節甲類。節甲類魚的頭和身體部有堅固的骨片包著，但各不相干，只有一對關節相連，吃食物時和大部分脊椎動物相反，下頜不動，上頜向上抬起，然後向下切割，像鍘刀鍘草一樣。我國四川省江油縣發現過和恐魚相似的頭骨的甲片化石，定名為"江油魚"。同時，盾皮魚中還有一種朋甲魚也較為繁盛。我國發現的朋甲魚化石比較多，它生活在泥盆紀中晚期，是體型較小的原始有頜類。它的頭部、軀幹部和胸腔由多塊甲片組成的骨甲覆蓋，尤其軀幹部的甲片最發達。我國雲南省還曾發現了盾皮魚中屬於胸甲類的武定魚、雲南魚和滇魚等化石。盾皮魚比無頜的甲胄魚前進了一步，但笨重的"盔甲"是它致命的弱點。它雖然有了不太發達的偶鰭，取食不必等待水的流動，張嘴捕食可以隨心所欲，但行動還是受到極大的限制，依然沒有擺脫枷鎖的束縛，它還是不能自如地在水中行動，只能過底棲生活（生活在水底）。盾皮魚經歷了一段全盛的發展時期，但在激烈的生存競爭中還是落伍了，它由志留紀晚期生活到泥盆紀，也有少數延續到石炭紀早期，最終全部退出了生命的舞台。在漫長的生物發展的歷史長河中，魚類中有的類群全部滅絕了，生存下來的是進步類型的軟骨魚和硬骨魚。這兩大類魚的總和比現代其他脊椎動物還多。魚類登陸 1938年12月22日是一個激動人心的日子。在非洲東海岸的倫敦港附近，當地的漁民正在捕魚，在靠近一條小河口的海中捕撈到一大網魚，其中有一條魚和別的魚不一樣。這條魚是深藍色的，魚鱗閃閃發光，魚的體重足有58公斤，身長15米。當地圖書館的女管理員有豐富的魚類知識，她發現這條魚很特殊，於是就通知了附近的一位大學教授。這位教授是個魚類學家，他一看到這條魚就驚呆了。經過他的研究，認為這條魚是古生代總鰭魚的後代，這個發現否定了總鰭魚和恐龍是同時滅絕的說法。為了紀念這一重大發現，他們用圖書館女管理員的名字"拉蒂邁"為這條魚命了名。第60節：二、生命演化(11)這條拉蒂邁魚的發現曾在動物界轟動一時。拉蒂邁魚也叫矛尾魚，是硬骨魚中的"珍品"。科學家對這種"活化石"非常感興趣，可當時天氣太熱，這條魚只活了3個小時便開始腐爛，只保存下來魚皮，後來被製作成標本，它的內臟、肌肉和骨骼都被扔掉了。為了繼續捕撈這種魚，當地博物館做了大量報道和宣傳，還畫了宣傳畫，以便引起漁民的注意。科學家開始到海上大肆搜捕拉蒂邁魚。拉蒂邁魚（即矛尾魚）的發現究竟對我們有什麼啟示呢？在距今4億年前的泥盆紀，地面的植物出現了，為生物征服陸地取得了第一步勝利。當時在淡水湖泊及河流中生活著總鰭魚的一支，它向陸地上發展，成了脊椎動物登陸成功的先驅。總鰭魚類中有一種叫真掌鰭魚的登上了陸地，但並不是輕而易舉、一朝一夕的事。在4億年前的泥盆紀剛開始的時候，地殼運動十分激烈，陸地抬高升起，海底大面積升起露出海面，變成高山和平原。大大小小的低洼地在丘陵地帶和海濱出現了，接著水生生物向陸地遷移。其中水生植物不用長途跋涉，水一退去就"自動到達"陸地，不用挪動，只是改變了環境--由泡在水裡到站在陸地上。而水生動物也開始了征服陸地的歷程，其中一些飛向天空，演變為昆蟲，休息時在陸地上有了落腳的地方；其他節肢動物等無脊椎動物，順理成章地登陸成功。當時水中最高等的動物就是魚類了，開始人們把登上陸地的英雄的"桂冠"戴在了肺魚的頭上。他們認為現代依然生活在非洲、大洋洲和南美洲的肺魚，在乾旱時可以用肺呼吸，並能夠用肉質的偶鰭支撐身體在陸地上爬行。魚類學家進一步研究了肺魚的特點後，發現肺魚的身體形態和內部結構並不適合陸地生活，是一種特化的類型。於是摘掉了肺魚作為脊椎動物登陸先驅的桂冠，開始把眼睛盯在了與肺魚同時出現的總鰭魚身上。在泥盆紀晚期，陸地的氣候起了變化，出現了季節性的乾旱。水邊生活著剛剛露出水面的植物，植物的枝和葉落入水中後慢慢腐爛，使得水裡的氧氣越來越少，許許多多的魚因缺氧而艱難地呼吸，致使很多魚窒息死亡。我們今天看到的現生魚類有兩個外鼻孔，一個進水，一個出水，它們和口腔沒有通道。而總鰭魚類中的真掌鰭魚已經有了內鼻孔，這個內鼻孔和外鼻孔相通，有了氣體的通道，說明空氣中的氧氣已經能從外鼻孔經過鼻道進入口腔，隨後通往肺里。肺是軟組織，沒有硬體部分，不可能形成化石，但內鼻孔的存在，證明了總鰭魚類已經有了肺。一般魚有鰓，適合在水中呼吸，總鰭魚類既有鰓又有肺，兩種器官的同時存在，說明總鰭魚類在水陸兩處都可以呼吸。脊椎動物上陸後，光會呼吸還不夠，緊迫解決的關鍵問題是如何支撐體重在陸地上爬行。水中魚類的鰭是柔軟的游泳器官，要支撐身體在陸地上爬行比登天還難。而真掌鰭魚的鰭與其他魚類有明顯的不同，它的胸鰭和腹鰭中存在堅硬的骨塊，而骨塊的排列方式和原始兩棲動物的四肢非常相似，很適合在陸地上爬行和支撐自己的身體。還有十分重要的一點就是，真掌鰭魚頭骨里的骨片排列的方式，以及它的牙齒和脊椎骨的構造也和陸生脊椎動物有很多相似之處。因此，許多生物學家確信：總鰭魚類中的真掌鰭魚具備了向陸生脊椎動物過渡的條件，因而只有它們才能成功地發展成為陸生的脊椎動物。第61節：二、生命演化(12)7．2億年前-中生代1822年的一天，英國古生物學者基德思·曼特爾博士的夫人像往常一樣到蘇塞克斯州的採石場採集化石，她從白堊紀時期（約1億年前）的地層中找到了幾顆某種奇怪動物的牙齒。曼特爾博士的夫人在幫助丈夫進行研究的過程當中，對於化石的研究有了一定的造詣，但是，這些奇妙的牙齒究竟是什麼動物的呢？她一點也看不出來。於是她跑回家去拿給曼特爾博士看，但是博士也完全看不明白，因為當時誰也不知道恐龍。實際上，在那個時代連恐龍這一名稱都還沒有產生。一籌莫展的曼特爾博士把這些奇怪的牙齒送給了自己的朋友-地質學家萊爾勛爵。萊爾勛爵是當時英國有名的學者，可是他也看不出門道來。於是，萊爾勛爵轉請法國著名的解剖學家居維葉男爵對標本作鑒定。居維葉仔細地檢查了這些牙齒，在給曼特爾的回信中說這可能是犀牛的牙齒化石，但是曼特爾對於這一回答並不感到滿意，原因是曼特爾本身就十分熟悉動物的牙齒，認為這根本不是犀牛類的牙齒。曼特爾覺得無論如何必須先找到更多的化石，這樣才會得出正確的答案。於是，他來到妻子以前發現牙齒化石的採石場，積極地尋找起化石。曼特爾在現場又找到了幾塊化石，他將新採集到的化石又寄到法國的居維葉處。根據居維葉的推測，這些化石可能是河馬的。曼特爾對於這一回答也不滿意，他終於意識到，除了依靠自己深入研究外，別無他法。自此以後，曼特爾就專心致志地將這些標本與其他標本作比較來進行研究。最後，由曼特爾自己得出的結論是：這種動物屬於一種新類型的大型爬行類，具有與現今蜥蜴的牙相類似的牙齒。因此，給這個動物取名叫禽龍。這就是世界上首次對恐龍化石正式給予學術上的命名的經過。"恐龍"這一名稱是在1842年由英國學者理查德·歐文勛爵命名的，它是用來說明在中生代的地層中發現的陸棲的大型爬行類動物，希臘語的意思是"恐怖的蜥蜴"。恐龍生活在距今約2.25億年（三迭紀的初期）到約7000萬年（白堊紀的末期）的中生代。恐龍從大的分類上來看有兩種，分別是蜥臀類和鳥臀類。蜥臀類的意思是"具有爬行類腰的一類"，鳥臀類的意思是"具有鳥類腰的一類"。在蜥臀類的腰骨上，骨盆下部的坐骨與前部的恥骨相對，構成一個角度；鳥臀類的腰骨的形狀是坐骨長，而且與恥骨相平行。所有的恐龍不外乎這兩大類別。肉食性且強壯有力的獸腳龍類和身軀極其龐大而又沉重的雷龍類部屬於蜥臀類，鳥腳龍、劍龍、甲龍和角龍這些吃植物的恐龍部屬於鳥臀類。不論是蜥臀類還是鳥臀類，原來都是從叫作槽齒龍（三迭紀的爬行類）的祖先分化出來的。而且，恐龍棲居在地球的各種環境里，為了適應生活，演變成多種多樣的形狀而達到繁盛。恐龍是霸佔地球最久的生物，讓我們依照時間先後的順序翻看一下恐龍的族譜，看看這些龐然大物是如何進化的。第62節：二、生命演化(13)獸腳龍類獸腳龍是最早的恐龍。它們大部分都是肉食性和兩足行走的。小鳥龍 小鳥龍是一種身長不到2米的小恐龍，生活在侏羅紀，尾巴很長，越往後越細，起到保持身體平衡的槓桿作用。小鳥龍是身體輕巧而柔軟的恐龍。因此，小鳥龍在巨大的肉食龍靠近時，能夠飛快地逃走。小鳥龍生有像鳥類那樣強壯的後肢，它們一般在熱帶密林的綠蔭深處搜尋獵物，輕巧而有力地在樹林里跳進跳出。像其他的獸腳龍一樣，小鳥龍的前肢很小，但是卻長著能攫取食物和握緊東西的長長的手指。又輕又小的頭骨有足夠的深度，尖銳的牙齒似乎適合於吞吃或嚼碎東西。小鳥龍小巧的軀體本身對於擒拿侏羅紀的小動物是非常有效的。小鳥龍是靠追捕躲藏在岩石縫的背陰處或爬到羊齒植物莖上的小動物維持生活的。小鳥龍雖然長得不大，但是在侏羅紀當時的環境里卻活得很好。躍龍 同樣是侏羅紀的獸腳龍類的躍龍卻是一種龐大的肉食龍，與小鳥龍恰好形成鮮明的對比。躍龍長度達10米左右。霸王龍 白堊紀的巨大獸腳龍類的發展到了霸王龍時，似乎已經達到了頂峰。這是至今出現在地面上的最大最強的肉食性動物。霸王龍用它那強勁有力的後肢站立起來時，頭的高度距地面5～6米，全長約有15米左右，重量大約有7噸。鴕鳥龍 鴕鳥龍是一種在白堊紀與現代鴕鳥相似的恐龍，它和一般獸腳龍不同，它是食素的。鴕鳥龍體格中等，用兩隻腳走路，有一條長尾巴，是獸腳龍中的怪物。這種恐龍具有和小鳥龍有幾分相似的適於抓東西的爪子和長長的指頭。雷龍類 可能是因為陸地地質變遷的原因，恐龍的身體越來越大，於是就發展成了雷龍。如果僅以活在陸地上的動物而論，那麼遠自幾億年前的古代以至現在，遍及古今中外，還沒有比雷龍更大的巨型身軀。若說比它大的東西，那只有生活在海里的鯨類。板龍 雷龍在進化初期也只是中等大小的恐龍。在歐洲和亞洲發現的三迭紀的板龍就是最早的雷龍的一個例子。板龍長度約6米，特徵是頭比較小。板龍的骨盆具有蜥臀類的特徵，它只能用兩隻腳行走。板龍的牙齒不像肉食獸腳龍類的代表那樣有鋒利的刃，而是為了適應於採食和嚼碎枝葉茂密的植物，牙齒的前端是扁鈍的。雷龍 最有名的雷龍類的代表就是雷龍。這是一種身體長得無法形容的四隻腳的恐龍，根據化石測量雷龍，從頭頂到尾巴的長度約有20～25米。雷龍生活在窪地中，在沼澤密布的地方以及沿著河流和湖泊的岸邊棲息。這些動物大部分時間是在水中度過的，並且在植物叢生的濕地靠吞食植物生活。第63節：二、生命演化(14)梁龍 梁龍是北美洲產的一種極富盛名的雷龍，體重約10.5噸。雖然沒有雷龍那樣大，但也不算小。梁龍比雷龍的身體細長，頭骨小，牙齒是細樁形的，牙的直徑還不如一支鉛筆的直徑大。它一生的大部分時間是在水中度過的，從化石里也可以看到這一特點。腕龍 在雷龍類當中，體重最重的是腕龍。在北美和東非出現了它們的化石。腕龍雖然沒有雷龍和梁龍那樣長，但是體積非常大，重量在70～80噸。腕龍與其他的雷龍類成員不同，身體的前半部分出奇的長和大，具有前腿比後腿粗大的特徵，而且脖子特別長。因此，它像長頸鹿一樣，脊背由前向後傾斜著。腕龍頭頂部突起，形成一個峰，鼻孔就長在那裡。鳥腳龍類翼龍 鳥類不是第一種征服天空的動物，在脊椎動物中，首先打破空中沉悶氣氛的是飛翔的恐龍-翼龍。翼龍既像鳥又像蝙蝠，它的身體結構輕巧，翅膀碩大無朋，展開兩翼最長可達7米。它的頭又低又平，兩側各有5個孔，使頭的重量減輕，減少空氣阻力。彎龍 彎龍是鳥腳龍類的一種，生活在侏羅紀。這種恐龍既可以像獸腳龍那樣雙足行走，又可以像雷龍類那樣完全用四足行走。它能夠根據情況採取任何一種姿勢。彎龍的脖子較長，有著鳥一樣的尖嘴，嘴的後部里側長著扁平的牙齒，它的嘴用作切割東西的工具。禽龍 禽龍是和彎龍關係密切的一種鳥腳龍，是由英國的曼特爾博士夫婦首次發現的。隨後，在比利時的煤井裡也發現了類似的化石。鴨嘴龍 在鳥腳龍類中，特別興旺的應是白堊紀的鴨嘴獸形恐龍。它的代表就是名為鴨嘴龍的大型恐龍。在日本曾經從長崎縣高島煤礦的礦井裡找到了鴨嘴龍一類的肩關節和腕的部分。看來，鴨嘴龍有時用四條腿爬行，有時則用兩條腿站立起來。腫頭龍 在鳥腳龍中，還有叫作腫頭龍的非常奇特的一個類群。腫頭龍生活在白堊紀後期，是硬腦殼冠軍。它的名稱的原意就是"厚實的頭的爬行類"。這是小型或中等大小的恐龍，從外貌來看，身體和其他鳥腳龍非常相似，只是頭部大不相同。這種腫頭龍身長不足2米，但是卻有一個很值得誇耀的硬腦袋，頭部極端腫厚。它的頭骨竟然有22厘米厚，而且在鼻子上和後腦勺還長著許多疙瘩、瘤和刺一類的東西。因此，在腦的上方有很厚的頭骨形成上頂。雖然裡面裝的腦子極其貧乏，可是為什麼要用這樣厚的骨頭來保護呢？令人百思不得其解。拉齒龍 拉齒龍是一種會爬樹的恐龍。這種恐龍腳的構造適合抓東西，通常是用來抓住樹枝的。而且拉齒龍的身體較小，所以也可以在樹上生活。第64節：二、生命演化(15)劍龍類劍龍 劍龍是劍龍類的代表。劍龍生活在侏羅紀，為了保護自身，它們全身披掛著堅固的盔甲。在從脊背的正中最高處稍微向下一點的位置上，長著一連串的直立的三角形骨板，平行且交錯地排列成兩行。在尾巴的末梢伸出四根大尖刺，這種骨刺多半是驅逐其他恐龍用的，以免它們靠得太近。劍龍是完全用四足行走的大型恐龍，前肢比後肢小很多。它的腦袋和彎龍相似，但它脊背的形狀卻很特殊，從小小的腦袋起到高聳的臀部，沿陡峭的曲線形成拱橋形，然後又下降到尾巴的末端。巨大的身軀由極強壯的腿支撐著。甲龍類 甲龍 甲龍是白堊紀武裝恐龍的代表，但是它的外貌卻沒有侏羅紀的劍龍那樣威武壯觀。用來保護身體的脊背上的鞘甲和尾巴的骨錘從效果上來看，在甲龍類中可以說是最發達的。這類恐龍說起來也就是古代的穿山甲，當遭受到肉食恐龍攻擊的威脅時，就將身體蜷縮成一個球形，或者在地上將身體伸展，總之，在敵人停止攻擊之前，一動不動地爭取早些脫險。但是有的時候這類恐龍也不光是致力於防禦，它們大多在尾巴的末端長有長錘或大棒，這是用來擊退敵人進攻的唯一武器。角龍類 在白堊紀期間先後出現了各種類型的角龍。鶴鵝嘴龍 鶴鵝嘴龍是在蒙古高原的晚期白堊紀地層中發現的，是一種小型的兩足式恐龍，它是近似於角龍始祖的動物。這種小動物的頭骨已經很發達，而且明顯地具有角龍特有的嘴巴。腳的形狀也和角龍相符合。原角龍 在蒙古高原的後期白堊紀地層中，發現了名為原角龍的小型的四足式恐龍化石。這就是脖子周圍有褶皺的角龍類的最早的一批。原角龍的身長只有1.5米左右，最多也不超過2米。三角龍 三角龍是最有名的角龍類。這種恐龍長約6～9米，用四足行走，臀高2.5米。三角龍的腿很強壯，並將肚子抬高離開地面。三角龍的頭長占身體全長的1/3，長約2米的頭邊有一個大褶皺，褶皺延伸到脖子和肩上。額頭變窄，形成鉤狀的像鵝嘴似的尖嘴，和任何一種角龍一樣，三角龍的眼睛上襯著一雙特別尖而且硬的角，另外在鼻子上也具有一隻粗角。白堊紀末期，各種各樣的角龍繁榮興盛。這些恐龍的角和褶皺的發達情形，根據種類各有不同。名叫隙龍的角龍只有很小的角。獨角龍在眼睛的上方各有一隻小角（眉角），在鼻子上方有一隻大角（鼻角）。對於朗龍來說，眼睛上邊的角小，但鼻子上邊的角大，而且在褶皺的四周具有好多個前端尖利的枝狀物。在恐龍類中，角龍最後登場，充分繁榮了這一時期，接著和其他恐龍一起從地面上消失了。第65節：二、生命演化(16)8．500萬年前--人類起源起源分析人類的由來是物種起源問題的一個具體例子。它在生物進化中有一般性，又有明顯的特殊性。這是因為人類在動物界的出現導致更高一級的進化--社會進化。人類由來問題一向是一個禁區。在達爾文時代和以前的長時期中，特別在歐美的社會中，只允許宗教的說法，即"上帝造人"的說法，凡持有異議的，會被視為異教徒而遭受迫害。達爾文在發表著名的《物種起源》時沒有討論這個問題。他只是在結束部分輕描淡寫地提了一句，說人類的起源和歷史會由此有所闡明。相信進化論的人們會自然地由此考慮到人類在自然界里的位置，會探討人類跟其他動物的親緣關係。1871年，達爾文把多年搜集的有關人類起源的材料整理髮表，書名是《人類由來及選擇與性別的關係》，簡稱《人類由來》。當時，關於人類化石的材料發現得很少，他主要從人和動物的解剖學和胚胎學等研究中得出人和猿同祖的理論。跟人比較相似的動物有猴子和類人猿即猿，這些動物都屬於靈長類。長著尾巴的猴子主要產於熱帶和亞熱帶，新大陸（美洲）和舊世界（指非洲和歐亞大陸等地）都有多種猴子。據古生物學家研究，類人猿跟舊世界的猴子與人的親緣關係比較相近，類人猿主要有長臂猿、猩猩、黑猩猩和大猩猩，前兩種產於亞洲，後兩種產於非洲，它們基本上都是森林動物。猴子、猿和人三類動物彼此的親緣關係如何呢？捍衛進化論的赫胥黎在達爾文《人類由來》一書發表以前就指出，人和猿的相異遠比猿和猴的相異為少。達爾文支持這個論點。現代動物學的研究證明：猴、猿和人在進化中的關係非常接近。長臂猿是較低級的猿類，它個體較小，腦子較不發達，它跟人的親緣關係較遠。猩猩的個體相當大，它跟人很相似。生活在加里曼丹島上的人們會抓捕猩猩的幼獸加以馴化，以幫助人們做工作。黑猩猩和大猩猩跟人更加相似，它們智力最高。據古生物學家研究，它們與人的親緣關係最近。根據形態學和某些化石材料看，人和猿分開進化遠在一兩千萬年以前就發生了，可是根據分子生物學的最新研究，有了一個完全不同的答案。按照這個假說，人和猿的分支進化不但不是很久以前發生的，而且也不是從拉獁古猿開始的，是從人和黑猩猩或大猩猩的分化開始的。比較有說服力的材料來自蛋白質的分析和核酸DNA分子的雜交實驗。根據這方面的材料可以知道，人和黑猩猩或大猩猩的蛋白質差異（基因差異）只有l％～2％。人和黑猩猩DNA分子的雜交實驗也得到相似結論。這種相似之深遠遠超過狗屬、貓屬和馬屬中的屬內物種的相似。第66節：二、生命演化(17)人和黑猩猩如此相似，暗示著這兩類動物分開進化的時間不會太久遠。據估計，分開進化的時間大概在400萬～500萬年前。從非洲南部發現的南方古猿有利於這個新論點。於是出現了一個問題：是什麼機制使1%～2％的差異造成人與猿的根本不同呢？在人類的系統發育中，從身體結構和文化方面考慮，大抵經歷了以下的階段： 南猿即南方古猿，主要分布在非洲南部和東部，其最早的化石是在非洲南部發現的。這是能直立行走的動物，它們已經有了自由的手，可能就是猿人（直立人）的祖先。它們包括幾個物種，生活年代距今約500萬年到100萬年。南猿中至少有一個物種已經能製造粗糙的工具，它的腦子也稍微大一些，大約有500立方厘米。這應是人類的開始，是早期的猿人或早期的直立人。以後的發展就是在爪哇和我國發現的直立人。中國直立人首先是在北京附近的周口店山上發現的，當時被命名為猿人，現在這類人都叫作直立人。現在已知直立人有幾個亞種，除印尼和我國以外，非洲也有一個亞種。我國發現的中國直立人化石及其文化遺址在所發現的同類化石和文化遺址中是最豐富的。他有洞穴為家；他的腦量已接近1000立方厘米；他能製造和使用工具，進行勞動；他的文化屬於舊石器時代。進一步的發展就是真人或智人。在我國發現的有河套人和山頂洞人等，在歐洲發現的有尼安德特人和克魯馬棄人等。他們的身體結構跟現代人已經沒有什麼區別；他們的腦量也已達到現代人的水平；他們所製造的勞動工具更多，但是仍屬於舊石器時代的文化；他們集體生活的方式有所發展，他們會集合在一起去圍捕馬群或其他動物。真人已懂得欣賞藝術，這從真人遺留下來的壁畫中可以知道。從大猩猩、直立人和真人的頭骨比較，可以看出在人的起源中，前額逐漸升起，下頜逐漸退縮，臉面逐漸出現。在從猿過渡到人的進化過程中，也像其他生物的進化一樣，都是按照客觀規律進行的，在哪裡也不是直線發展的。例如就南猿講，大概有幾支的進化系統，其中只有一支是直立人的祖先。人類進化的步驟在人類的起源中，有若干進化步驟很重要。這包括：直立行走、工具的製造、生活方式的改變、腦子特別是大腦的發達、語言的出現和發展、社會的出現和發展等。用兩腳直立行走是人類起源中關鍵性的一個步驟。比較直立人、現代人和黑猩猩頭骨的腹面，可以看到脊髓進入腦子的通道的位置很不相同。從黑猩猩的腦子與脊髓相連的位置可以清楚地看出，它還不能真正直立行走，而直立人和現代人則能真正直立行走。達爾文在討論人類起源中，很強調直立行走，他指出"只有人成為用兩腳行走的動物"，直立行走意味著手足分工。古生物學家認為，人類的動物祖先即某種古猿是樹棲的，它是森林動物。在那時，像現在所看到的黑猩猩那樣，它的前後肢已經有了一些分工，前肢更多用於握物。這就是說，它已有了萌芽狀態的手。第67節：二、生命演化(18)人類的動物祖先可能由於某些原因而不得不發展進化。例如氣候變化使得雨量減少，而雨量不足不利於森林的存在，但是草原卻可以逐漸得到發展。在草原和森林的長期鬥爭中，草原逐漸佔優勢，森林把地盤讓給了草原。在此過程中，森林動物由於生態系的變化不能不有所變化。在森林逐漸消失的過程中，古猿或者遷移到有森林的地方去，或者改變為在地面上生活的習性。有些證據表明，在印度發現的拉獁古猿已經是地面上的動物，但它是不是人類的遠古祖先現在還沒有統一的意見。南猿從骨骼結構來看，已經肯定是直立行走的動物。雖然對於南猿是人還是猩猩一類的猿有不同的意見，但至少它們當中有一個物種已經能製造石器。這種南猿應是人的開始，是從猿到人的中間類型之一。南猿能夠直立行走，這意味著它的手已經從行走中得到了解放。在科學上有個爭論的問題：是手先出現還是腦子先發達？大家知道，在人類生活中手和腦都很重要，手的動作是受腦的指揮的，所以有人主張腦先發達，然後才有手，是腦的發達使動物轉化成人。但是達爾文主張在人類起源中是先有手的。現在有些化石資料支持達爾文的觀點，主要是南猿的資料。南猿這類猿人能夠直立行走，這表明它有了兩手，但南猿的腦子卻很不發達，比大猩猩的腦子只大了一點點。這就是說猿人的直立行走比腦的發達至少提前了200萬年。到了距今大約150萬年前，或更遲些，才出現了直立人，他的腦部已比較發達。生活於50萬年前的中國直立人不僅已經學會了用火，而且學會了工具的使用和製造。在發現南猿的地區並沒有看到粗糙石器這類勞動工具，當然，這並不是說它不會使用任何天然的工具。從現在所看到的黑猩猩的行為來說，黑猩猩不僅會使用樹枝去取食，而且還會對天然工具進行一些加工，使它能夠更好地滿足自己生活上的需要。比如說它會折下一根樹枝，會把樹枝上的小枝和葉子去掉，便於插入一個白蟻巢里去尋找白蟻作為食物。這樣的工具南猿大概也會使用，並進行一些加工。之所以證據比較少，主要原因是這類工具不容易留下化石一類的證據。根據推測，人的祖先-南猿最初大概用手去採集食物，並把食物抱回"家"來，供"家庭"食用。它可能已經有了原始的家庭。後來，它才逐漸發展出新的本領-使用和製造粗糙的石器。石塊比木頭堅硬，原始人可以更好地用它來割下獸肉，剝製獸皮，豐富自己的生活。於是使用和製造工具的勞動成為人類祖先生活的依據了。地球上除了人類以外，沒有其他動物專門依靠這樣的勞動來生活。第68節：二、生命演化(19)勞動一出現，它就會發展。因為勞動的發展對生存有利，便會得到自然選擇的支持，所以用標槍圍捕野馬的事出現了。於是，手愈來愈靈巧了。手是勞動器官，它創造了勞動，勞動也創造了手，使原始的手發展成為現代人的手。這是手和勞動在歷史過程中相互促進的辯證法。從南猿到現代人的過程中，腦部也逐漸發達起來了。腦的發達有重大的意義，它使高級的思維成為可能，在此基礎上逐漸出現了語言。語言是思維的工具，也是傳遞信息的載體。有了語言，原始社會的進化就更有條件了。語言的出現和發展使文化的進步成為可能，而文化的進步又豐富了人類的生活，增強了人類征服自然的力量。於是，原始的壁畫出現了。腦是怎樣發展起來的呢？這跟使用和創造工具有關，跟勞動有關。勞動是手和腦合作的產物，沒有靈活的手和發達的腦，勞動總是低級的，這是因為勞動是體力勞動和腦力勞動的綜合。那麼，勞動對於腦和手有什麼要求呢？能不能對腦和手的進化發生作用呢？回答是肯定的。但是過去對這一問題有兩種回答：一是拉馬克學說的論點，一是自然選擇學說。拉馬克學說認為，器官由於使用而發達，發達的器官能夠遺傳，稱為獲得性遺傳。我們現在已經充分知道，獲得性是不能直接遺傳的，因此拉馬克觀點是不成立的。自然選擇怎樣說明問題呢？在人的種群中，由於遺傳的原因，腦的發達程度是有些差異的，手的靈活性也如此。稍微發達一點的腦和靈活一點的手對學習和勞動是有所幫助的，有利於種群的發展，因此，它會受到自然選擇的照顧。代代如此選擇，腦和手就會逐漸得到發展。這就是說，腦和手的活動能力及其差異都有遺傳基礎。遺傳的差異是會受選擇的作用的，在從猿過渡到人的過程中尤其如此。所以勞動在這裡是一種選擇力量。人類與其他動物相比，至少在腦部進化方面具有速度上的優勢，這是美國芝加哥大學霍華德·休斯醫學研究中心的最新研究結果。"到了人類這一階段，腦部進化的速度就不再像蝸牛般爬行了，取而代之的是火箭般的速度，我們的微觀實驗表明，大量的基因突變是在很短時間內完成的。" 人類擁有大而複雜的大腦，即使是與獼猴和其他非人類靈長類動物相比也是如此。人類大腦比獼猴大腦要大好幾倍-即使考慮到身體大小，"就大腦結構而言，人類大腦也要複雜得多。" 通過研究發現與大腦相關的基因在人類和獼猴身上的進化速度要比在家鼠和老鼠身上的進化速度快得多。此外，這些基因在人類的世系中與在獼猴的世系中相比，其進化速度快得多。這顯然是受到強大選擇過程的驅動。在人類祖先時代，擁有面積更大、更複雜的大腦會比其他哺乳動物享有更多的益處。這讓那些擁有"更聰明大腦"的個體可以留下更多的後代，使產生面積更大、更複雜大腦的突變基因可以在人口中迅速蔓延。其結果是最終導致控制大腦大小和複雜性的基因的進化速度"極快"。第69節：二、生命演化(20)除了揭示與大腦相關的基因（尤其是那些與腦發育相關的基因）在人類世系中進化速度顯著的總趨勢外，研究者還發現了對人類大腦進化做出重要貢獻的24個"外層"基因。這些"外層"基因在人類世系中變化的速度特別快，比在研究過程中分析的其他基因都要快得多。令人感到驚訝的是，多數"外層"基因要麼涉及控制大腦的總面積，要麼涉及控制大腦的行為能力-大腦的這兩個方面是人類進化過程中變化最大的。這表明人類世系的選擇力對面積更大、更複雜的大腦"十分關照"。對DNA序列在人類、短尾猿、家鼠和老鼠等四個物種上隨時間進化的變化過程進行分析，表明人類與短尾猿在2000萬年至2500萬年前同屬一個祖先，而家鼠和老鼠在1600萬年至2300萬年的進化過程中逐漸分化，但在8000萬年前，所有這四個種類同屬一個祖先。在世系進化成人類的2000萬年至2500萬年的過程中，如此眾多的基因發生如此大程度的突變，這種狀況簡直可以稱為壯觀。這說明人類在進化過程中，對智力更發達的大腦的選擇比其他哺乳動物在進化過程中對大腦的選擇激烈得多。這也意味著選擇是一項特別辛苦的"工作"。在人類進化過程中，發生的距現今最近的幾次重大事件可能反映了強大的選擇力的活動，其中包括大約200萬年前人屬的出現、大約50萬年前大腦面積開始增加以及大約15萬年前解剖學意義上的現代人類的出現。顯然，人類進化並不是剎那間發生的。在從猿過渡到人的過程中，體部的改造幾乎是全面的，這是因為直立行走和手的勞動（特別是直立行走）要引起身體的一系列的變化。骨盆的增大跟直立行走相聯繫；脊柱的形狀也由於直立行走發生了某些改變；前額發達，這跟腦的發達密切相關；下齶形成，齒部特別是犬齒縮小，而臼齒則發達，這情形跟猿恰好相反。當然，這也得付出一些代價，例如直立的姿勢使嬰兒的難產率有所增多。總之，在從猿到人的過渡中，手和腦相互促進的發展也改造了其他器官的構造，於是出現了"真人"。為什麼人類世系在選擇更聰明的大腦的過程中會經歷如此一個強化的過程，而其他物種卻未經歷呢？這個問題目前還沒有答案。這個答案可能不僅僅來自生物科學方面，也許是人類祖先所獨有的複雜社會結構和文化行為才推動了大腦的進化速度。顯然，人還是一種動物，生物學規律，包括達爾文選擇學說在內，甚至到現在還是要對人發生作用的。可以進一步推測，選擇更聰明更複雜的大腦的進化，也許還在現代人類中進行著。但是由於人創造出社會，人已是社會的成員，所以在承認生物學規律作用的同時，還要承認社會規律的作用。從人的生活方式和進化途徑來講，支配人進化方向的主要是社會規律，而生物學規律已退居到很次要的位置了。還應注意，社會規律不是生物學者發現的，而是社會學家發現的。註：本文摘自百度文庫 該文原創作者為林為民先生「突破路上」——突破技術研發中心版權所有 2009浙ICP備09048503號站點地圖|友情鏈接

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