1701070269
尽管现在太阳系已经有了八大行星和它们的卫星，仍然有相当多的物质没有被扫除干净或被行星消耗掉，可用以制造行星。在海王星和冥王星轨道之外很远的地方，有一个巨大的球面云层包围着我们的太阳系，叫作奥尔特云（以20世纪荷兰天文学家扬·奥尔特［Jan Oort］命名），那里满是小小的冰质天体。它的半径是日地距离的约5万倍、海王星轨道半径的近2000倍，也就是差不多1光年。奥尔特云是长周期彗星的家园，这类彗星每200年或更久才会探访一次内太阳系，它们轨道极长，速度极慢，现身于四面八方而不仅限于太阳系盘面，这暗示着它们来自极为遥远的球状冰质包围层。比奥尔特云更近的是柯伊伯带（以天文学家杰拉德·柯伊伯[Gerard Kuiper]命名，也是位20世纪的荷兰人），这是冰质彗星物质的另一个聚集带，位于海王星轨道外侧不远，离太阳约为日地距离的30～50倍。随着越来越多类似冥王星的天体被发现，2006年，冥王星从行星降级为柯伊伯带天体（尽管前面说过，冥王星接着又重新升级为矮行星了）。柯伊伯带是短周期彗星的家园，这类彗星不到两个世纪就重返内太阳系一次，比如哈雷彗星，每76年就在我们眼前出现。奥尔特云和柯伊伯带都存留了原本可以形成气态、液态行星或冰质卫星的物质。
1701070270
1701070271
最值得一提的物质储藏室是位于火星和木星轨道之间的小行星带，这里汇集了最多的本可形成类地行星的物质。其中的小行星，小的接近岩石、汽车，大点的有比如直径500千米左右奇形怪状的灶神星，更大的还有近乎完美球形的矮行星比如直径950千米的谷神星（灶神星和谷神星都是美国航天局“曙光号”空间探测器最近的任务对象）。整个小行星带有足够的原料建造一颗大个头的类地行星，但木星扼杀了所有的机会。小行星带与木星距离太近，任何天体刚长到足够大，就会被巨大木星的引力潮汐撕碎。实际上，木星的引力潮汐直到今天仍在影响小行星带，小行星带中每隔几圈就能在相同位置面对木星（即轨道共振）的一些天体，会被木星拉出轨道，于是在小行星带上就开辟出了一道道“柯克伍德空隙”。从柯克伍德空隙里飞出来的物质，被认为是来到地球的陨石的主力军。
1701070272
1701070273
小行星带以及来自此的所有陨石，是建造了内太阳系行星的砖石的最佳标本。前面说过，某些叫作球粒陨石的小行星（还有陨石）不曾经历过熔融或重大的变化，甚至元素构成都仍然与保存在太阳里的太阳系基本元素组成相一致，因此可以视作建造地球的最原始砖石的样品。地球是如何建造与演变的——从岩石内核到海洋、大气层（下一章细说）？要弄懂这一点，球粒陨石的成分扮演了重要角色。
1701070274
1701070275
最后，位于水星和火星之间的内太阳系（也包括地球），也有三种类型的小行星，尽管没有主小行星带那么密集。这三类小行星分别叫阿莫尔型、阿波罗型和阿登型，后两种有的还会穿过地球轨道。这样的越地小行星经常会撞到地球，比如6500万年前，就有一颗直径10千米左右、跟小城市一般尺寸的小行星击中了尤卡坦半岛，造成了恐龙的灭绝。人们认为行星撞地球十分罕见，但也不是完全不可能。这样的撞击可能性虽说很低，潜在的损毁和伤亡却极大；死于这样一场事故的机会不是微乎其微，而是跟死于一次空难的概率差不多。因此，政府部门如美国航天局，都在认真计算和追踪这种小行星，并努力制定减灾计划（要是发现得够早，最可能的办法是慢慢引开它）。小行星撞击对于人类和这个星球上其他生命而言标志着巨大的灾难，但同时也只是很简单地标志着地球的大扫除活动，扫除对象则是从太阳系诞生以来仍未派用场而留下的物质。
1701070276
1701070277
1701070278
1701070279
1701070280
1701070281
万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起
1701070282
1701070283
1701070284
1701070285
1701070286
万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 [:1701069955]
1701070287
万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 第四章 大陆与地球内部
1701070288
1701070289
在创建了太阳系和行星之后，现在我们可以将镜头拉近，看看我们的行星家园，并探讨一下我们身在其中的环境是如何产生的了。我们就跟其他一大堆有机体一样，也属于陆栖生物，因此在地球历史上的某个时候，我们的直系远祖需要有陆地（也就是大陆）来东爬西窜。大陆——尤其是我们独特的大陆地壳——对地球而言独一无二。但要了解大陆是怎么形成的，我们得先深入到地球内部去看看。
1701070290
1701070291
我们关于行星、恒星、星系乃至宇宙的诸多知识，都来自天文观测、粒子物理学，以及太空探测器对包括太阳系在内的天体的探测，还有陨石。但要了解地球内部（更不要说别的什么行星的内部）的任何事物，就意味着要穿透厚达6400千米的岩石和金属，真正“看见”这个行星的中心。这使得观测地球内部比观测其他星系还要难，因此了解我们这颗行星究竟如何形成也仍然是最大的科学挑战之一。
1701070292
1701070293
我们关于地球内部的绝大部分知识都来自地震学，也就是研究弹性波——比如声波——如何在地球内传播的学问。但是我们难得有在其他行星上进行地震观测的机会。目前为止只在月球上有少数几个活跃的地震仪，那是“阿波罗”任务留下的；接下来针对火星的数个任务中，有一个（“洞察号”，the InSight mission）会安置一些地震仪在那里，但也就这样了，并不算多。所以，地震学以外的观测很有必要。最基本的观测是对行星“称重”，这样可以得出行星质量。在地球上称重很简单，把质量已知的物体放到秤上就行了。物体的重量等于地球质量和物体质量相互间的引力作用，因此，称重不只是测量物体放在地球上的重量，也（可以这么说）是在测量地球放在物体上的重量。如果同时知道地球的周长和半径（由古希腊哲学家埃拉托斯特尼［Eratosthenes］第一个算出来），我们就能得出我们行星的质量和密度，并能对它的组成有极粗略的估计。地球的平均密度大约是每立方厘米5.5克（g/cm3），比较一下：水的密度是1g/cm3；随手可捡的石头密度是2～3g/cm3，绝大部分金属的密度在10g/cm3左右（铁的密度大约是8g/cm3，金大约是20g/cm3）。所以，地球比绝大部分岩石都重，但比绝大部分金属都轻，尽管我们也知道，地球物质被地球内部的超强压力压缩得比通常的密度要大很多。
1701070294
1701070295
对其他行星，通过观测路过它或环绕它的卫星运动如何受到重力的影响，也能得出重量。例如，知道了月球的环绕周期（就是1个“月运周期”）及轨道距离（需要进行一些天文测量，目前的具体手段就是激光测距），我们就能得出地球重量。还有，通过观察行星自转轴如何摆动着顶部像陀螺一样旋转（这种现象叫作岁差），可以得到关于行星内部的分层或结构稍稍详尽那么一点的信息。这样的信息披露出，行星是否在中心部位有一个密度更大的内核——对地球来说的确如此，同样的可能还有除了月球以外绝大部分的类地行星，上一章已经讲过了。更多卫星观测还能给出了更详细的数据，火山喷出的岩石也额外提供了地球内部某些区域的化学组成信息（下文详述）。
1701070296
1701070297
不过我得再次强调，关于地球内部的绝大部分信息来自地震学。在这种情况下，需要有声波的极大能量源（比如爆炸）来形成够强的地震波，进入行星内部，再从对面穿出来。根据板块构造理论（我们很快会详细介绍），频发的大地震提供了这种地震波资源。地震波在穿过越深的地层时，声波速度通常会越快，因此抵达全球各地的地震仪或地震台的声波有不同的平均速度，取决于这些仪器探测的地层有多深。不同台站检测到的这些地震波可以用来给地球创建最深层结构的图像，或者更贴切地说，给地球做个超声波扫描。
1701070298
1701070299
地震学让我们看见地球内部的诸多地层，其中最清晰也最值得注意的有三层：相对较薄的地壳，由较轻的岩石组成（有些地方随着大陆生长已变得越来越厚，下面很快会详述）；极厚的地幔，厚度占地球半径1/2左右，由较重的岩石组成；更重的地核，占地球半径另1/2，绝大部分由铁组成。但由于地幔是包裹着地核的，因此地幔的体积比地核要大得多。实际上，地幔占了整个地球4/5以上的体积。（这一事实仅由几何学就可以推导出来：球体的体积与半径的立方成正比，因此如果地核半径是地球半径的1/2，它的体积就是地球的1/8，剩下的7/8就都是地幔了。）
1701070300
1701070301
为了测算这些地层的密度，地震学家用不同的弹性波穿过地球内部。速度最快的地震波是声波，由任何介质中的压缩和减压形成。第二快的波来自物质的弯曲和回弹，就像弦上的波，只能发生在固体介质中，因为液体就算被弯曲或被剪切也无法靠自身回弹。这两种波的速度可用来推断，物质在超强的压力下有多容易被压缩，由此出发也能计算出物质密度。（另外还有两种更慢的地震波，只在地球的表面传播，这两种波会使大地震动翻转，造成地震灾害。）
1701070302
1701070303
通过这些不同的波，地震学家也知道了地球厚重的地核主要是液态的，具有像铁那样的金属的密度。详细来说，地球发生地震时，释放出的纯“弯曲”波（上文说的第二种波）无法穿过地核，地核会在震源的地球对侧投下一个阴影；既然这些波不能穿过地核，地核就只能是液态。然而，更详尽的测算揭示出，在这个液态铁核的里面，还有一个固态内核，也是由铁组成，这就好像是地核在慢慢冷却和凝固一样（想象一个上下颠倒的冰湖）。实际上还有更细致的测算可以将地幔甚至地壳都分为更多层，但为了继续推进我们还是忘了那些吧。
1701070304
1701070305
地震学让我们了解不同地层的物理性质，比如密度甚至是地幔不同部位的冷热不均。但地震学没法给出地层的化学性质细节。化学组成主要是由化学测量推算出来，对象包括地表岩石、火山岩（从地球内部喷发而出）、陨石，乃至保留了整个太阳系基本化学组成特征的太阳。如果我们将所有地层都重新混在一起，变成一块均质的大岩石，我们就能发现地球的主体化学组成。目前认为这些组成来自类似小行星带里最原始的球粒陨石（我们前面说讲过），尽管究竟是哪种球粒陨石仍有争议。对最初的主体化学组成有了一些了解，再推断这块混合物是如何分离出不同的组分（这些组分根据各自密度或是上浮或是下沉），就能对地球主要地层的化学组成有一个合理的估算了。由此推算出，地核主要是铁，并有一些镍，以及更轻的元素比如硫，因为很容易溶解在熔融的铁中，就被带到了地核。地幔由矿物质组成，绝大部分都是镁、铁、硅和氧，你大概能想起来，这些都是在巨星内部的氦原子核聚变中制造出来的（α过程）。地壳也是由矿物质组成，包含了更多的硅和氧，以及除了镁和铁以外更多较轻金属元素的混合，包括钙、钾、铝、钠等等。（我不打算列举这些岩石和矿物的名称，因为我自己也记不住。）熔化使得这些组分从那团总混合物中分离，那就是另一个故事了。
1701070306
1701070307
很容易想象，经历了月球成形碰撞后，地球大部分都熔化了。很可能地球此前也曾熔化过，但在某些方面这还是个悬而未决的问题（除了一点，那就是假如确有先前的熔化，那么它可能影响到了大碰撞本身）。尽管地球上的地质作用已经把这熔化状态的存在证据抹得一干二净，但月球上还有证物，那就是早期岩浆洋的遗存——确确实实就是一片熔化岩石的海洋。地球自己有没有过岩浆洋尚无定论，但考虑到行星在碰撞与吸积物质方面的猛烈，一个岩浆的地球初始状态是很好的假设，这也为随后发生的一切给出了合理的起点。
1701070308
1701070309
在地球吸积物质的时期撞击地球的很多大块头星子，可能已经有了自己的铁核，所以那时很可能已经存在大量游离的铁，沉甸甸地像大团液滴一样插入地球，沉入地心。于是，地球很早就形成了原始地核，甚至早在巨大的月球成形碰撞将地球熔化（又一次）从而为地核贡献更多的铁之前。
1701070310
1701070311
地球最终形成的岩浆洋，可能曾在地球的整个体积中占了相当大一部分。随着岩浆洋的冷却和凝固，地球的不同组分不断从岩浆洋中析出，这是因为熔化了的岩石混合物（就统称为“熔融物”好了）当中不同成分有不同的凝结温度，于是在依次结晶时通常就会下沉分离出来；仍溶解在岩浆中的任何富余的铁，会一直留在熔融物中（就像星子形成的过程那样）；最终到富含铁的熔融物够沉了才会停下来，为地核贡献出最后的铁质残渣。保持凝固的岩石层绝大部分变成了地幔，而较轻的组分则上浮，最终浮到地表变成了早期很薄的地壳。岩浆洋在凝固时可能已经上下一分为二，较轻的熔融物留在靠近顶部的地方，较重的熔融物则在岩浆洋的底部被压缩至更高密度，下沉到地幔的基部。“基部岩浆洋”的证据至今犹存，表现为仍留在地幔底部、可以用地震学手段探测到的熔融物仓（pockets of melt）。
1701070312
1701070313
岩浆洋要是存在过，它的凝固必定很迅速（至少没有下沉到地幔底部的那部分是这样），只花了几千万到一亿年，按地质学标准这就是很快了。也正是从这以后，才有了严格意义上的地质记录，保留在现存的岩石中。尽管太阳系的年龄是46亿年左右，这年份却是从陨石中得到证据，而非从地球上的岩石。地球上最古老的完整岩石只有40亿年左右的年龄，据推测它们是岩浆洋完全凝固之后留下来的。（地球上也有极小的矿石比这还早几亿年，叫作锆石，在少数几个地方可以见到，但嵌有锆石的岩石却没有这么老。）现存这样的岩石非常非常少，因为在岩浆洋阶段上浮的地壳会被继之而来的地质作用侵蚀并重新消化掉，或者也可能被一直持续到约40亿年前的更多小行星撞击给摧毁。于是，40亿年前一个叫作太古宙（Archean）的严格意义上的地质学纪元开始了，现存的岩石就产生于太古宙，它在地质学年代表中占据了极大的篇幅（在总共46亿年中大概占20亿年）。太古宙之前的纪元，也就是可能存在岩浆洋的年代叫作冥古宙（Hadean），以希腊神话的冥王哈得斯（Hades）命名。
1701070314
1701070315
在岩浆洋凝固之后，地球继续演化，并在寒冷的宇宙真空中冷却，尽管冷却速度要慢得多了。从那时起到现在，地球的演化一直主要受地幔支配。地幔如此巨大，行动迟缓，它决定的不只是整个行星如何在太空中冷却，还有如何在地质上演化的方式。早期阶段的地幔仍然极为炽热（岩浆洋凝固之后），现在则除了少数几块很小但很重要的区域之外几乎全是固态了。地幔同时也被不稳定放射性元素衰变时释放的热量加热，这样的元素包括铀、钍，早期还有钾的一种不稳定同位素（这种同位素衰变很快，并伴随有热量爆发，它的衰变产物实际上就是氩，是地球今天大气层的一种重要组分，地球上的目前绝大部分的氩都来自这一衰变）。回想一下，更重的放射性元素（像是铀和钍）产生于红超巨星演化期间的中子捕获过程。这一过程在恒星内部进行得很慢，但到超新星爆发时就快得很了。无论如何，炽热地幔的热量散入太空，其中有一多半是从地球形成和岩浆洋状态留下来的，其余则出自放射性元素的加热。
1701070316
1701070317
然而地幔并不是像炽热的大石头那样静静冷却，而实际上是在很缓慢地移动。地幔中接近较冷地表的岩石会变冷、变重于是下沉，而在地幔底部的岩石由于靠近炽热的地核，更热也更轻，于是会上浮。热物质上升、冷物质下降的过程叫作热对流（有时候也叫自由对流），在自然界随处可见，从地幔到海洋到行星和恒星的大气层，比比皆是，就连你茶杯里都有。对流驱动了飓风、雷暴、洋流，还使太阳上出现了太阳米粒组织。对流确实要求有流动性，来让热物质或冷物质能够在重力作用下移动（重力让热物质更轻而冷物质更重）。因此尽管地幔是固体而非液体，但在极长的时间尺度内还是会表现得像流体，好比固体的冰川也会缓慢地流动，除非它融化后涌动着分崩离析。
1701070318