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月球的另一未解之谜是在人造卫星和着陆舱能够对月球内部做些探测之后才发现的。绝大部分类地天体都有个岩石覆盖层（地壳和地幔），以及相当大的地核，几乎全是铁，这大体上跟星子有自己的核是一个道理，前面我们讨论过，加热和熔化让铁析出并汇聚。但月球的核非常小，也就是说月球基本上不含铁，几乎完全由岩石组成。就类地天体来说，这实在是太奇怪了。
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地球为什么能把这么大、这么奇怪的卫星骗到手？这个有关我们行星形成的问题已经让人恼火了好几百年。我小时候（20世纪60年代）老师非常明确地教给我们，月球是从地球肚子上撕下来的一块，留在地球上的证据就是太平洋。这个“教科书”解读称作分裂理论，而今已给戳穿：要从行星肚子上撕下来卫星，那可太难了。醒醒吧。
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相反，地球与月球的快速自转，以及月球的多石少铁，才是搞清楚究竟哪个假说最可能的主要线索。在太阳系形成早期，行星跟现在差不多大小，但有大量更小的行星在周围倏忽来去。有一个火星那么大的天体，出于某些理由大家称它为忒伊亚（Theia，这大概就跟扔炸弹前得给炸弹取个名字是一个道理），并且认为它曾与原始地球猛烈相撞，不过不是正对靶心，而是有所偏离。这一记可能击入了原始地球的岩石覆盖层，让它大量脱落，同时忒伊亚自己的岩石层也脱落了。损失了太多动量后的忒伊亚，余下的内核就掉进了当时已经熔化的原始地球，地球于是有了两个金属核。在这场碰撞中，地球和忒伊亚岩石层脱落的碎片都汽化了，四下飞溅变成一团云绕着地球。这团云最后（也许花了几千年）凝结、合并，就成了月球，所以月球上才几乎全是石头而基本上没有铁核。又因为这次碰撞是从侧面扫过，所以也加快了原始地球的自转，最终地球又通过潮汐把转动（或者更为确切地说，角动量）传给了月球。这次相撞也就是所谓的大碰撞假说，20世纪70年代中期由行星科学家威廉·哈特曼（William Hartmann）首度提出，但直到80年代晚期、90年代乃至最近10年，先进的计算机模拟才让人们看到，这样的大碰撞及其后果确有可能。
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尽管有这些可能性，大碰撞假说和模拟也还是有些缺陷，它并没有解答月球的所有秘密。比如说，为什么月球详细的化学特征与地球如此接近（比如测量得到的氧同位素浓度比例）：如果忒伊亚是从太阳系其他地方飞奔而来，那月球的化学特征为什么跟地球没有更多区别？在很多科学领域，对月球起源问题的解答都有非凡进展，然而还远远谈不上完成。
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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。
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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。
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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。
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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。
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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起
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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
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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。
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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。
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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。
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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）。
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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。
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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。）
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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。）
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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。
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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。
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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。
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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。