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    宇宙为家:我们在哪里?
    [ 作者:shaolinpai    出自:金庸江湖论坛    时间:2010-10-24    点击数:

      古往今来一切科学与哲学乃至宗教(甚至我们不成体系的思考)都必然、最终肯定会涉及到如下终极问题:宇宙从何而来?我们为什么在此?人类的最终命运如何?只有当我们不停的追问这些终极问题之时,我们才能成为人类智者的一员,才能达到易经老庄佛学苏格拉底黑格尔尼采这些穷究宇宙和人类本源的大师所处的深邃的精神境界。下面,让我们用哲学和现代科学之眼,从宇宙的广角镜头开始,逐步拉近距离,一直到达人自身为止,来看清楚我们所处的具体位置。

      “宇宙”有广义和狭义之分,广义的宇宙是哲学意义上的,意指囊括一切时空、包罗一切事物在内的大全整体,如佛学所说的“法界”,象中国古人所说的“上下四方曰宇,往古来今曰宙”,而古希腊则认为从混沌中产生出秩序,所以“宇宙”的意义是“秩序”;狭义的宇宙是科学、物理学意义上的,意指人类观测所及的一切物质的总和,这个意义上的宇宙也可称为总星系,其典型空间尺度为150亿光年,年龄为100亿年量级,总质量达到10-56(10的56次方,下同)克量级。说得明确一些,我们今天所知道的宇宙范围,或者说大小,是一个以地球为中心,以150亿光年为半径的球形空间。在这个巨大的球形空间里,目前人们观测到的星系有上千亿个,每个星系又拥有几百亿到几万亿颗像太阳这样的恒星。当然,地球并不真是宇宙的中心,宇宙也未必是一个球体,只是限于我们目前的观测能力,我们只能了解到这一程度。美国天文学家根据宇宙模型,经过复杂的计算,发现总星系所在的这个宇宙超乎寻常的大,其长度至少为1560亿光年。

      当然,大宇宙中存在着无数个总星系或更高层次的结构,所以物理学家提出了平行宇宙的概念。什么是平行宇宙?假设你手里拿着一片树叶,全世界独一无二的一片树叶——当然,世界上没有两片完全相同的叶子么。能不能换种看法呢:你手里拿着无数片树叶,只不过它们全都一模一样,在时间空间上叠合在一起了,所以你只能看见一片树叶,也没错吧。甚至连你自己都有无限多个,只不过叠在一起了,在某种特定条件下没准会分一个出来呢。这大约就是平行宇宙的一个简单例子。实际上平行宇宙的概念相当复杂,而且有很多体系,它们之间都互不相同。最简单的平行宇宙理论大意是说,无限的大宇宙中存在着和我们的宇宙物理规律完全相同的很多宇宙,只是各个宇宙之间的初始条件不同,只要初始条件相同,那么就可以存在和我们的宇宙完全相同的宇宙,里面有和我们的宇宙完全相同的事物,包括你、我、他,大家互为影子或分身,而且无穷多。稍微复杂一点的量子平行宇宙论则指出,当我们掷出骰子时,其实我们在不同的宇宙中掷出了所有的状态,在一个宇宙掷出了1,在另一个宇宙掷出了2,等等,我们只看见了我们所在宇宙的那种状态,因为所有的宇宙都被希尔伯特空间分隔开了,所以我们根本意识不到还有另外的无穷多宇宙和无穷多自己,宇宙和每一个人都象佛经上说的那样,化身千万亿。终极平行宇宙理论则指出,无限的大宇宙中存在着不同层次的宇宙,其中的物理规律各不相同,时空结构亦大异其趣,不同的宇宙千奇百怪——事实上只要我们所在的宇宙的基本常数稍微调整一下就会出现一个全新的宇宙结构,不同的宇宙配方调配出了不同的宇宙。英国天文学家理斯出版了一本书,名为《仅仅六个数字》,认为我们的宇宙最基本的物理特性是由六个基本数字决定的,这六个数字是:ε,0.007,这是约束原子核的力,它决定了宇宙中所有原子的形成,这也是宇宙中所有恒星最通常的氢核聚变为氦核反应过程中质量亏损的比例,如果这一数字稍微小一点,则质子就不会与中子形成原子,宇宙只有一种元素——氢,不会有核反应和化学反应,当然也不会有生命存在,如果这个数再稍微大一点,那么核聚变的速度将太过于迅速,氢会在大爆炸中很快消耗殆尽;N,1036,这一数字表示把原子束缚在一起的力的强度;Ω,宇宙中物质的平均密度,它决定宇宙是压缩、无限膨胀还是循环;λ,仅比0高一点,控制宇宙膨胀的力量的强度,对小于10亿光年的小尺度影响不大,但对宇宙大尺度有决定性影响;μ,十万分之一,表示宇宙在整体上无规则变化的振动幅度,如果这一数字稍微小一点,宇宙就是毫无生气的冷气云,如果稍微大一点,宇宙就成为一个巨黑洞;D,3,我们宇宙空间的维数。理斯认为,我们的宇宙仅仅是多元宇宙中的一个,各个宇宙有各自不同的配方,推广开来,可以认为我们随便写一个方程组,这个方程组可能会对应一个宇宙或无限个宇宙。

      附:最彻底的理论——全息论对宇宙的基本描述:在我们所处的可见现实世界的更深层次,宇宙中的一切最终都是相互关连的,人脑中的一个碳原子中的一个电子连接着太阳表面的一个氢原子中的一个质子,而它们又连接到所有在水中游泳的鲑鱼,所有跳动的心脏,及天上所有星辰的次原子粒子,一切事物都交互贯穿一切事物,一切的终极本质是一个无破绽的巨网。在一个全息的宇宙中,连时间与空间都不再是不变的,因为在一个没有分离性的宇宙中,位置的观念会瓦解,时间与三度空间只是一种更深秩序的投影,这种更深的现实是一种超级的全息结构,过去、现在、未来都共同存在于其中。这种全息的结构是宇宙一切事物的终极根源和实际状态,它可被视为一种宇宙性的超级储藏库,它包括了过去、现在和未来所有存在的一切层次的事物和一切能量形式的所有可能组合,从雪花到夸克粒子,从蓝鲸到伽马射线,从佛祖、菩萨到动物、微生物,从伟人到疯子,从圣人到凡人,从天堂到地狱,从佛经到金庸武侠小说,从外星人到地球史前文明,一切的一切。每个人的心灵就是这个无限整体的一个全息元,这个整体以及每一个全息元,象一个无限巨大的迷宫,不仅连接过去、现在和未来的一切心灵,同时也连接一切原子、一切生物。荣格的“集体无意识”就很好的反映了人类心灵的全息性,“集体无意识”,“作为人类经验的贮存所,同时又是这一经验的先天条件,乃是万古世界的一个意象”,它是意识的终极体现,是人类心灵中仍旧活跃着的祖先的经验,可以认为是包含在每一个个体中更新的人类进化的整个精神遗产。人的集体无意识包含了从祖先遗传下来的生命和行为的全部模式。这种全息结构的现实层次只是显示给我们这个具体层次的那一部分,在它之上、之下还有无限多的层次对我们而言是不可见的——我们只通过极为狭窄的可见光波段即波长在390——770纳米之间的窗口去“看”世界,我们这种看待世界的方式,其效果仅仅相当于在一个几乎全黑的屋里,就靠着极为微小、几乎是零、类似于“一线天”的小孔去看世界,的确是“一孔之见”。如果说用从零到无限大波长的连续波谱之眼看世界看到的是整个世界的全貌的话,我们看到了多少?而且关键是,我们看到的这极少一部分也并不是真实的,也没看明白,我们不知道我们所见的所有事物的本质究竟是什么(因为我们没有从究竟的意义上看到过事物),也不知道我们所见的所有事物的来龙去脉以及它们之间的相互关系,虽然我们说要用普遍联系和永恒发展的观点来理解世界,但我们没有实际达到过“普遍”,我们只是在极微小、极个别的意义上找到了某些联系,也没有实际达到“永恒”,我们只是在极为有限的时间范围内知道了一些事物的发展变化而已。没有觉悟真实本性、没有实际进入如此境界的人基本上对宇宙的全貌一无所知,此为“天地无为密藏”。所谓顿悟本来,就是进入如实之境界,本性智慧如实观照,一切虚幻的、有限的、不真实的境界(古人称为“群阴”)皆遁形,心中直接朗现清静本体和如来密藏(此处“如来”不是指释迦牟尼的外在形象,而是本来实性),宇宙中的一切现象全部了了分明。整个宇宙以及每一个全息元个体都是一个无限圆满、完备具足的自性海洋,佛家云:性海无边,蕴无尽藏,也可以说是一本“天书”,里边蕴藏着一切自然和生命奥秘,古往今来,甚至自从天地诞生以降所对应的过去、现在和未来的一切存在信息都完备包容其中,并一直在不断更迭和转化,甚至天地本身(可以理解为总星系,因为无限的宇宙本性是无生无灭、永恒不变的)亦无限的产生、灭亡了无限多次。

      就总星系的整体结构来看,科学家将十亿光年范围以上的宇宙结构称为大尺度结构,以超星系团和宇宙巨洞为代表。1989年发现了星系长城,是由星系组成的长5亿光年、宽2亿光年、厚1500万光年的宏大宇宙结构,后来又进一步发现了超过10亿光年以上的宏大宇宙结构。与之相反,还有在观测上一无所有(仅仅意味着在光学波段上探测不到,并不意味着真的空无一物)的宇宙巨洞,象摩羯座空洞,估计直径是2.3亿光年,波江座超级空洞更是超乎想像的巨大,可能跨越了十亿光年的空间。古希腊先哲德谟克利特认为宇宙由原子和虚空构成,我们现在则可以说宇宙由超星系团和空洞构成。星系在大尺度上的分布呈网络、泡沫状,星系聚集在宇宙巨洞的壁上,呈现为纤维状或片状结构。

      可见,宇宙中的上千亿个星系并不是孤立地分散在宇宙之中,而是聚集起来形成一个个集团,这些集团大小不一,小的由十几个到几十个星系组成,而大的集团由成千上万个星系组成,这种由星系、气体和大量的暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统就是星系团。目前已发现上万个星系团,有时候也把成员数目较少(不超过100个)的星系团称为星系群。星系团的平均直径约为5百万秒差距,即1650万光年(太阳到地球的平均距离约1.5亿千米,此称为1天文单位,当1弧秒的角度对应的弧长度为1天文单位时,大圆的半径就是1秒差距,因为1弧度=57.3°=3438’=206265”,故1秒差距=206265天文单位,约3.3光年。1光年即光在1年中走过的距离,约9万4千600亿千米)。

      我们所在的星系群称为本星系群,由银河系、仙女星系和三角座星系等为主的约40个左右大小不等的星系组成。其中,仙女星系是本星系群中最大的星系,是肉眼所见的最遥远的、也是唯一一个银河系之外的天体,直径约为银河系的两倍,也是一个巨大的漩涡星系,距离我们200万光年,民间称此模糊的一团为“七姐妹星”。银河系周围围绕着一些矮星系,最大的大麦哲伦云直径21000光年,最小的天龙座矮星系、船底座矮星系等仅500光年,还有小麦哲伦云、小熊座矮星系等。整个银河系在宇宙中以大约每秒600千米的速度向长蛇座运动,如此,我们每年随银河在宇宙中运行190亿千米。同时本星系群中的另一个主要成员仙女座星系正以每秒300千米的速度向银河系靠近,30-40亿年后两大星系可能相撞,合并为一个更为巨大的椭圆星系。本星系群是室女座超星系团的一部分,室女座超星系团约包含100多个星系团和星系群,整体结构类似于薄饼,直径约2亿光年。

      星系是构成宇宙大尺度结构的基本单元,星系千姿百态,宇宙中没有两个星系是完全相同的,可以根据其结构特点进行基本分类。美国天文学家哈勃(20世纪最著名的天文学家,发现了河外星系,发现了关于宇宙膨胀的哈勃定律,为纪念他在天文学上的巨大贡献,美国把世界上第一个太空望远镜以哈勃的名字命名并在1990年由发现号航天飞机送入地球轨道)1925年提出的星系分类方法得到一致公认,其将星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三种基本类型,目前发现的所有星系中,旋涡星系占大多数(银河系就是一个旋涡星系),其次是椭圆星系,不规则星系最少,这些都属于正常星系。有些星系的中心有一个超大质量黑洞,活动极为剧烈,称为活动星系,象著名的类星体就属于活动星系。星系的大小差别很大,贫富不均,最大的巨型椭圆星系可达百万亿个太阳质量,最小的矮星系只有一亿个太阳质量。

      我们所在的星系称为银河系,约有2000多亿个恒星,但总质量在太阳的1万亿倍以上,这是暗物质存在的强有力证据。银河系的形状从侧面看像一个中心略鼓的大圆盘,整个圆盘的直径约为10万光年,鼓起处为银心,是恒星密集区,望去白茫茫一片,俯视则像一个巨大的漩涡,这个漩涡由四个旋臂组成,太阳系位于其中一个旋臂——猎户座旋臂上,距银河中心2.3万光年,逆时针旋转。至于其年龄,一般认为大约在140亿年左右,几乎与宇宙本身同样古老。

      恒星是构成星系的主体,也是我们仰望夜空之时所见到的主体,一般而言,正常人肉眼可见的恒星有6000颗左右,实际上总星系中的恒星数在百万亿亿颗以上。恒星世界极为丰富多彩,大小差别极大,最大的直径超过太阳的上千倍,最小的中子星仅几十千米,亮度差别更大,最亮的恒星光度可达太阳的几十万倍,最小的则只有太阳光度的几十万分之一,相差千亿倍。恒星可以以单星的方式在宇宙中独来独往,也可以以双星的方式相扶相依(天空最亮的恒星天狼星就是一个双星系统),还可以以聚星(3-10个)的方式结成群体(北斗七星中的开阳星即民间所谓武曲星(勺柄有三颗星,中间就是武曲星,文曲星就是北斗中间连接处那颗星,即天权,全真七子北斗七星阵中丘处机所占之位,民间传说包公乃文曲星下凡而北宋征伐西夏的狄青是武曲星下凡,道教将北斗七星称为七元解厄星君,佛学认为北斗七星乃东方七佛所化)就是由七颗星组成的聚星系统,视力很好的人凭肉眼就可分辨出实际上开阳星旁边有一颗暗星C,开阳星本身则是由A、B两颗星构成的双星,进一步观测,则发现A、C都是双星,B为三星),而如果超过几十颗甚至达到几百万颗,就成为星团。

      有关恒星的起源和演化,按照最流行的星云说观点,可以将恒星的整个生命历程划分为引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段。刚开始时,弥漫在宇宙中的星云物质,由于引力的作用开始收缩,收缩过程中由引力转化的能量一部分辐射出去,一部分使星云温度升高,当中心温度达到700万度时,氢聚变为氦的热核反应开始,当热核反应产生的能量与辐射出去的能量相等时,星云整体达到平衡态,恒星诞生并进入主序星阶段(达不到700万度的星胚逐步冷却,成为棕矮星)。主序星阶段是恒星生命过程中的主要阶段,其停留的时间取决于核反应的类型,质量小于1.5倍太阳质量的恒星,氢聚变为氦的热核反应以质子-质子反应为主,大于此质量的恒星以碳氮氧循环为主,所以质量大的恒星生命短,质量小的恒星生命长,15倍太阳质量的恒星只在主序星阶段停留1000万年,太阳可停留100亿年(已经停留约50亿年),0.2倍太阳质量的恒星则可停留10000亿年。随着聚变反应的不断进行,恒星核心的氢含量逐步减少,氦则逐步增多,核反应移到继续进行,但核心温度还没有达到进行氦聚变反应的高温水平,于是恒星核心部分进一步收缩,其间释放出来的引力能,一部分升高了温度(如果达到1亿度就引发氦聚变为碳的核反应,6亿度以上碳开始聚变,10亿度时聚变为镁,15亿度时氧开始聚变,30亿度时硅开始聚变,当达到一般恒星核反应的终点—铁时,已达60亿度),另一部分使的氢层膨胀,恒星体积增大但表面温度降低,于是成为巨大的红色恒星,进入红巨星阶段(如果太阳变成一颗红巨星,将会把地球包进去,超过4倍太阳质量的恒星将成为红超巨星,能包围整个太阳系)。红巨星可以进行进一步聚变为更重原子核的核反应,一直到生成铁核为止——恒星通常的温度、能量密度、压力等已经不能进行铁核聚变为更重原子核的核反应,更重的原子核需要在超新星爆发时极高温(高于100亿度,相当于宇宙大爆炸1秒时的温度,有些超新星会高达1000亿度以上,相当于宇宙大爆炸0.01秒时的温度)、极高压等极端条件下才能生成(所以注意,地球和类地行星上都有相当多比铁更重的元素,而太阳目前还没到演化到生成铁核的阶段,所以,地球和类地行星上的重元素只能是上一个超新星爆发之后的产物,地球和类地行星是上一个极为古老的恒星的残骸或遗迹,比太阳要古老的多)。红巨星之后,恒星步入风烛残年,可以有两种演化道路,一种渐进式,一种爆发式,渐进式形成为脉动变星,恒星不断地收缩-膨胀,进行垂死挣扎,爆发式则是恒星不甘于默默无闻的度过晚年,而是临死前来个最后的辉煌,这就是新星或超新星,新星可以在极短的时间内(最少仅10个小时)亮度增大上万倍,超新星则可以增大上百亿倍,超新星最亮的时候释放的能量相当于一个小型星系,也就是1秒钟释放的能量为太阳10亿年释放的能量总和,所以有科学家提出4.4亿年前地球附近超新星爆发引起的伽马射线风暴是导致地球生命奥陶纪大灭绝的罪魁祸首,甲骨文就有“新大星并火(心宿二,著名的红超巨星,“七月流火”之“火”即指心宿二,“七月流火”不是天气炎热的意思,而是七月之后,心宿二在天球上逐渐向下运行,“流者,下也”)”的记载,古人看到新星或超新星存在的时间很短,犹如宇宙中的匆匆过客,所以称之为“客星”。其实新星一点也不新,而是最老的恒星,相当于人的回光返照。之后恒星进入生命的最后阶段,根据其爆发后中心星体具有的不同质量,分别有三种归宿:小于1.44太阳质量者演化为白矮星(—褐矮星—黑矮星);1.44—3倍太阳质量者演化为中子星;更大者演化为黑洞。恒星的一生结束之后,还可以重新生成星云,进入宇宙演化的大循环之中。

      太阳系就是我们所在的恒星系统。它以太阳为中心,再加上所有受到太阳引力约束的天体组成,具体包括:八颗大行星,几百颗卫星和数以亿计的太阳系小天体,包括小行星、彗星和星际尘埃。

      太阳在宇宙中是一个极为普通的恒星,但对人类却具有至为重要的意义,其直径为139万千米,体积是地球的130万倍,质量达地球的33万倍,表面温度6000k,核心温度可达1500万k,太阳内部的核反应释放出巨大的能量,相当于一个383亿亿亿瓦的大灯泡,地球在距离1.5亿千米处只接受了其总能量的二十亿分之一,即使如此,每分钟太阳给与地球的能量还是相当于燃烧了4亿吨煤。所以太阳一打喷嚏,整个太阳系全感冒,如色球层中一次持续几分钟的耀斑爆发可释放相当于上百亿枚百万吨级氢弹的能量。太阳的基本结构可分为核心区(从中心到四分之一半径处,为核反应区)、辐射区(四分之一到五分之四半径处,将核反应释放的能量以辐射的方式传播出去)、对流区(五分之四半径到一个半径,以对流的方式传播能量)、光球层(仅厚500千米,我们所看到的太阳其实就是光球层)、色球层(厚2000千米,通常肉眼不可见,但日全食时可见,玫瑰红色)、日冕层(一直延伸到几百万千米之外)。光球层、色球层以及日冕层统称太阳大气。

      依照至太阳的距离,行星序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,八颗行星中的六颗有天然卫星环绕,外侧的行星都有由尘埃和许多小颗粒构成的行星环环绕,除了地球之外,肉眼可见的五大行星,中国古代以五行为名,在西方则全都以希腊和罗马神话故事中的神仙为名,如水星公转速度最快,故以古希腊神话中行走如飞的信使墨丘利命名;最亮、最美的金星以美神维纳斯命名;红色的火星以战神阿瑞斯命名;最大的木星(体积为地球的1300多倍,质量比其余大行星总和还多2.5倍,苏联科学家认为30亿年后木星将成为第二个太阳)以众神之父朱庇特命名;第二大的土星以朱庇特的父亲萨杜恩命名;天王星以朱庇特的祖父乌拉诺斯命名;发出蔚蓝色光芒的海王星以海神尼普顿命名;原来的第九大行星冥王星最为遥远、最为幽暗,所以以冥王普路托来称呼。就结构来说,一般将整个太阳系分为内太阳系、中太阳系和外太阳系,内太阳系主要包括类地行星和小行星带区域,主要是由硅酸盐和金属组成的,这个区域挤在靠近太阳的范围内,半径比木星与土星之间的距离还短;太阳系的中部地区是气体巨星和它们如行星大小尺度的卫星(象土卫六半径达2900千米,木卫三半径2631千米,都比水星的2440千米还大),许多短周期彗星,包括半人马群也在这个区域内;在海王星之外的区域,通常称为外太阳系或外海王星区,仍然是未被探测的广大空间,这片区域是太阳系小天体的世界,主要由岩石和冰组成,又称作库伯带,其范围可以扩张到地球与太阳距离的一百倍远,天文学家认为库伯带是太阳系形成时的残留物,太阳系八大行星形成之后,剩下的残渣被重力扫到边缘,目前已知的库伯带有五万余个天体,直径都在100千米以上,其中最大的厄里斯星(名副其实的称呼,在古希腊神话中,厄里斯引起了众神的争端和特洛伊战争,而在天文学界,主要是由于厄里斯星的发现,使得冥王星的大行星资格受到怀疑,2006年国际天文学会通过决议,将冥王星降格,但仍有相当多天文学家反对这一决议并请国际天文学会撤消这一决定,尤其以冥王星的发现者克莱德-汤博出生地伊利诺伊州反应最强烈,2009年伊利诺伊州一些天文学家决定恢复冥王星的大行星资格,该州认为国际天文学联合会完全由一帮“傻瓜”组成)、第二大的冥王星(直径仅2300千米,比月亮还小,后者直径达3500千米,是太阳系第五大卫星;单从大小和质量来说,冥王星的确不像大行星,其运行轨道有时会窜入海王星的轨道之内,所以曾有人认为冥王星原来可能是海王星的卫星;冥王星和它的一颗大卫星卡戎(冥王的助手,负责度海上的亡灵)曾被认为是双星系统,因为卡戎大小是冥王星的一半,不过根据现在的定义,双星系统最关键的特征是其公共质心不在任何一颗星上,则卡戎显然是冥王星的卫星)再加上小行星带上最大的一颗谷神星等被称为矮行星。至于太阳系于何处结束,以及星际介质从何处开始没有明确的界限,这需要由太阳风和太阳引力两者来决定。太阳风能影响的距离大约是冥王星距离的四倍,但太阳引力所能及的范围,应该是这个距离的千倍以上。

      地球就是太阳系中一颗极其普通但又极其不平凡的行星。说地球极其普通,是因为就天文意义说,地球在太阳系中没有什么突出之处;说地球极其不平凡,当然是因为地球是目前唯一发现生命的行星,是我们伟大的母亲。

      我们来认识一下现在地球的基本结构:可以将地球分成不同的圈层。地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层,即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可进一步划分为三个基本圈层,即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150千米处,**、火山喷发等都发生在此圈层中。这样,整个地球总共包括八个圈层,其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。

      我们所处的这个星球大约50亿年前与太阳系的其他星体共同诞生在银河系的一片火海之中,那时的地球如地狱般炽热,温度高达5千度以上,所以我们将地球形成的第一个阶段称为“冥古宙”,源于希腊语的“地狱”一词。地球如此燃烧了100万年之后逐步冷却,密度高的元素如铁、镍等慢慢沉降,轻的元素则逐渐上升,其中最轻的元素则形成地球的原始大气层,就如古人所说的“清气上升,浊气下降”,混沌初开。这一“天地”分开的过程大约持续了4千万年。之后地球内部又分化出地核、地幔和地壳,形成为原始地球,此为地球演化的第一阶段,由于此时变化太过于剧烈,所以没有岩层记录,称为天文时期。大约从40亿年前开始,地球进入第二阶段,地质时期。

      根据最流行的板块构造理论,我们可以大致勾画地球海陆演化的历史。古生代大陆漂移的基本过程如下:距今7亿年的前寒武纪,地球上存在一块泛大陆,其周围是泛大洋。距今5.7亿年的寒武纪,泛大陆分裂为古北美、欧、亚和冈瓦纳四块古陆,其间为前海西海、前加里东海、前乌拉尔海和古地中海相隔。距今3.9亿年的泥盆纪,古北美与古欧陆块相撞,两块古陆合为一体,前加里东海消失,形成三陆(古欧-北美、亚、冈瓦纳)和三海(前海西海、前乌拉尔海、古地中海)的格局。距今3亿年的上石炭纪,冈瓦纳古陆与古欧-北美陆块相撞,前海西海消失,三陆三海的格局演变为二陆(冈瓦纳-古欧-北美、古亚大陆)和二海(前乌拉尔海,古地中海)的格局。距今2.25亿年的上二叠纪,古亚大陆与冈瓦纳-古欧-北美两陆块相撞,前乌拉尔海消失;在古亚大陆内,古中国和古西伯利亚陆块合为一体,至此地球上陆地又合为一块泛大陆,陆间海只剩下古地中海,范围大为缩小,实际为泛大洋的一个海湾。

      从中生代开始,海陆演化进入一个新周期。距今2亿年的中生代早期,泛大陆再次分裂为南北两大古陆,南为冈瓦纳古陆(含南美、非洲、南极洲、澳大利亚、印度等);北为劳亚古陆(含北美大陆和亚欧大陆),中间为古地中海,泛大洋即古太平洋伸入古陆之间,形成了几个大海湾,其中,亚欧大陆和北美大陆之间的伯雷利斯湾即北冰洋的前身。三叠纪末,伊朗、土耳其、西藏、印支等地块从冈瓦纳古陆北缘裂离,劳亚古陆与冈瓦纳古陆进一步分开,中间有一个大海湾,是大西洋的前身。冈瓦纳古陆逐渐分裂为南美-非和南极洲-澳大利亚-印度两陆块,到侏罗纪末,印度与南极-澳大利亚陆块脱离并向北漂移,其间形成印度洋前身。印支、西藏等地块先后与亚洲大陆碰撞,并发生印支和燕山运动。距今7000万年上白垩纪,南美-非陆块也一分为二,分别向西、北漂移,南大西洋和印度洋逐渐形成,古地中海缩小;北美与亚欧大陆分离,向西、北漂移,北大西洋和北冰洋逐渐形成。到了新生代,印度已向北漂移到亚欧大陆南缘,两者发生碰撞,青藏高原隆起,造成宏大的喜马拉雅山系,古地中海东部完全消失。非洲继继向北推进,古地中海西部逐渐缩小到现在的规模,欧洲南部被挤压成阿尔卑斯山系。南、北美在向西漂移过程中,它们的前缘受到太平洋地壳的挤压,隆起为科迪勒拉-安第斯山系。澳大利亚大陆脱离南极洲,向东北漂移到现在的位置。于是,当今海陆的基本轮廓基本形成。

      根据板块构造海陆演化模式,可以展望全球地表形态的未来。随着大西洋和印度洋的继续扩张,太平洋将进一步缩小。印度和非洲继续向北推移。印度的北移在一定时期内将使喜马拉雅山、青藏高原等继续抬升。非洲的北移将使地中海完全消失,非洲与欧洲连接,其间升起高大山系。东非大裂谷最终完全裂开,形成新的大洋,非洲大陆解体。澳大利亚将继续向北漂移,最后可能与亚洲相遇。南北美将逐步向亚洲靠近。最后,各大陆将在太平洋的位置上相遇汇聚,太平洋完全闭合,亚洲与美洲大陆连接,巨大的山系将在其间崛起,一个新的泛大陆将告诞生,中国将会成为真正的中央之国。

      附一、简单介绍一下有关地质运动的理论:大致经历了三个阶段。最早的理论形态是大陆漂移学说,其设想最早在19世纪初出现,提出的原因是为了解释大西洋两岸明显的对应性。1915年,德国气象学家魏格纳的《大陆和海洋的形成》问世,大陆漂移学说作为一个科学假说受到广泛重视。魏格纳首次提出大陆漂移观点时,许多证据来自他对古气候的研究。他注意到,各大陆上存在某一地质时期形成的岩石类型出现在现代条件下不该出现的地区:如在极地分布有古珊瑚礁和热带植物化石;而在赤道地区发现有古代的冰层。其基本思想认为,中生代地球表面存在一个泛大陆,这个超级大陆后来分裂,经过二亿多年的漂移形成现在的海洋和陆地。布拉德等人借助计算机证明,各大陆可以通过复原形成一个超级大陆,即魏格纳所命名的“泛大陆”。泛大陆是由冈瓦纳大陆(南方各大陆加上印度)和劳亚大陆(北美和欧亚)组成的复合古大陆。由于受对地球内部构造和动力学的知识局限,大陆漂移的动力学机制得不到物理学上的支持。魏格纳的学说成了超越时代的理论。直到魏格纳去世30年后,板块构造学说席卷全球,人们才终于承认了大陆漂移学说的正确性。二十世纪五十年代之后,随着海底科学的发展,人们利用放射性同位素测定海底岩石年龄,发现海底岩石的年龄很轻,一般不超过2亿年,相当于中生代侏罗纪,而且离海岭(又叫大洋中脊)愈近,岩石年龄愈轻;离海岭愈远,岩石年龄愈老,而且在海岭两侧呈对称分布。为解释这种现象,1962年,赫斯教授发表了他的著名的论文——《大洋盆地的历史》,这篇论文被人们称为“地球的诗篇”,奠定了海底扩张说的理论基础,并触发了地球科学的一场革命。“海底扩张”说恰好可以解释当年魏格纳无法解释的大陆漂移的动力问题。我们知道,地球是由地核、地幔、地壳组成的。地幔的厚度达2900千米,由硅镁物质组成,因为地幔温度很高,压力大,像沸腾的钢水,不断翻滚,产生对流,形成强大的动能,地壳则被动的在地幔对流体上移动,地幔大规模对流运动的上升流涌向地表,形成洋中脊,下降流在大洋的边缘造成巨大的海沟。洋壳在洋中脊处生成之后,向其两侧产生对称漂离,然后在海沟处消亡。形象地说,大洋底部像一条在地幔中不断循环的传送带,陆地由海底传送带拖运着,因其密度较小,而不会潜入地幔,所以,陆地将永远停留在地球表面,构成了“不沉的地球史存储器”。按照海底扩张说,海岭是新的大洋地壳诞生处。地幔物质从海岭顶部的巨大开裂处涌出,凝固后形成新的大洋地壳,以后继续上升的岩浆又把原先形成的大洋地壳以每年几厘米的速度推向两边,使海底不断更新和扩张。当扩张着的大洋地壳遇到大陆地壳时,便俯冲到大陆地壳之下的地幔中,逐渐熔化而消亡。这一过程实际上是洋壳“新陈代谢”过程,其所历时间约需2亿年。从20世纪60年代开始,随着对地球结构和运行规律的进一步认识,在大陆漂移和海底扩张学说的基础上,诞生了板块构造理论。该理论揭示出:我们这个行星的表面,是由厚度大约为100-150 千米的巨大板块构成,全球岩石圈可分成六大板块,即太平洋板块、印度洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块,其中只有太平洋板块几乎完全在海洋,其余板块均包括大陆和海洋,板块与板块之间的分界线是海岭、海沟、大的褶皱山脉和大断裂带。随着研究的深入,有人在这些大板块中又分出一些较小的板块,例如,把美洲板块分为北美洲板块和南美洲板块;从太平洋板块中分出东太平洋板块;从亚欧板块中分出以中国大陆为主体的东亚板块等等。这些板块就像冰山在海洋中一样飘浮在玄武岩质基底上,进行非常缓慢的移动。大部分陆地或者全部大陆都在板块之上,所以当板块运动的时候,各个大陆之间就表现出了相对运动状况,我们称此为大陆漂移。大陆板块具有三种可能的运动形式:第一是新板块的形成。在板块交界处或者边缘,由于熔岩涌出和冷却产生新板块,这类边缘板块一般都沉积在海底,但如果这些板块上面有陆地,那么陆地就会随之而相对运动,这种边缘可能由一块大陆中间的断裂开始,东非大峡谷就是两个板块分离初期阶段的例子,当这两部分大陆彻底分开之后,海水就会淹没断层部分,进而形成一个新大陆。一旦大陆被分割成不同的陆块,互相之间就被浩瀚的大海所孤立,同时每块大陆上的动植物也被隔离,各自独立进化的结果导致彼此不同的生物地理格局。第二种板块运动形式是板块相对趋近运动,如果一个或者两个板块边缘都是很薄的海洋岩壳,那么,一个板块就可能滑向另一个,当两个板块运动到一起时,它们之间的摩擦造成戳穿和剧烈运动,因而产生**带。海洋下沉岩壳向更深层地壳运动,在接近热核深层时融化,然后融化的岩浆喷出地表,形成火山喷发现象。如果这两个板块携带着大陆,那么,它们将相互接近。大陆壳比海洋岩壳密度小,所以,如果一个大陆接近一个下沉板块边缘的时候,就不会滑向另一块岩壳的下面,所以,就会防止它下面的板块继续下沉。如果两块板块各具有一片陆地,相互碰撞时都不会塌陷退让,撞击的结果形成长长的山脉。喜马拉雅山是世界上最高的山脉,就是由于印度板块和亚洲板块相撞形成的,现在仍然在缓慢上升。第三种是板块边缘相互碰撞滑开,如加利福尼亚地区的断层就显示了向北滑动的太平洋板块和向南滑动的北美板块。

      二、沧海已不是那沧海,桑田也不是那桑田:地球上大洋的发展与大陆的分合是相辅相成的。洋壳一面在大洋中脊裂谷增生新的,一面在海沟处消亡旧的,大约两亿年就更新一次,所以洋壳是年轻的。在地幔对流推动海底扩张和板块相互水平推移的过程中,大洋从无到有、从小到大,或从大到小、从小到无;大陆同时分而又合,合而又分。我们的地球表面,就是由若干变动着(张开和闭合)的洋盆和漂移着的大陆组成的。

      大洋的发展可分为胚胎期、幼年期、成年期、衰退期、终了期、遗痕等阶段。大陆裂谷如东非大裂谷、莱茵裂谷、贝加尔裂谷等被视为大洋发展的胚胎期,它们正处于产生新地壳、两侧陆块将要外移的前夕。当大陆岩石圈完全断开,大洋地壳在其间涌出,并成为两侧岩石圈板块之间的离散型边界,灌进了海水,这就进入了大洋发展的幼年期,如红海、亚丁湾,它们的洋壳年龄不超过二、三千万年,最年轻的具有标准洋壳的洋盆是加利福尼亚湾,它的年龄不过几百万年。幼年洋进一步扩张,两侧大陆愈漂愈远,其间逐渐形成开阔的深海平原和宏伟的大洋中脊,大洋的发展遂进入成年期,如大西洋、印度洋和北冰洋,其中大西洋已经历了下古生代张开、上古生代闭合的历史过程,中生代初再度张开,目前还在向两边扩展。太平洋在各大洋中年龄最大,为过去泛大洋的收缩,估计面积已减少了1/3,这是大西洋和印度洋产生并扩展的必然结果,说明太平洋已处于大洋发展的衰退期。地中海则被认为是大洋发展到终了期的典型,它是昔日辽阔的古地中海(特提斯洋)经过长期变化、逐渐闭合的残留部分。在两个板块相撞、合为一体的地缝合线上,便是大洋发展的遗痕阶段。

      最后简单探讨一下地球系统运行与变化的驱动因子:驱动地球系统运行和变化的原始因子有两个,被称为地球的两台发动机,一个是地球内部发动机,主要是地核,地核拥有丰富的热量储藏,其液态部分的垂直上涌和沉降产生的热对流和热传导,将热量释放到地幔底部,激励地幔底部产生热对流,而地幔的对流是大陆漂移的动力;地核对地幔的影响以及两者的相互作用使地球自转速度和地球转轴在空间的位置发生变化,影响地球表面的气候变迁,同时地核也是地球磁场形成的根本原因;一个是地球外部发动机,即太阳,太阳是地球上光和热的主要来源,驱动了地球物理气候系统和地球生物化学循环,为地球表面所有过程如风化作用、流水作用、冰川作用等提供了原始能量来源,也为生命形成和进化提供了可能。当然,地球偶尔也会受到外来天体如小行星、彗星等的影响。自从人类诞生以来,人类在地球系统中的作用越来越大,因此“国际地圈生物圈计划”将人类活动作为影响全球变化的第三驱动力。



     
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