前兩章的內容涵蓋了幾十億光年的廣大區域，其中包含著如海灘沙粒般無數顆恆星。在第2章結束的時候，我們將鏡頭推向了一個星系——銀河系。在本章中，我們將縮小到更小的範圍，亦即一顆恆星和它的行星。在這個極小的範圍裡，我們把自己的恆星設想為「太陽」——它似乎是我們宇宙的主宰者。因此，許多人間宗教把太陽視為至高無上的神靈也就不足為奇了。但是，地球是我們生活的地方，許多宗教認為地球是母親和養育者，希臘人稱她為「蓋婭」。
我們的地球與太陽系中的其他行星、衛星一樣，都是太陽誕生之際的副產品。在恆星形成的過程中，儘管引力並不是唯一活躍的作用力，卻在總體上支配著整個過程。20世紀60年代以來，通過人造衛星，我們間接地遊歷了太陽系的許多地方，使我們對於太陽系形成過程的理解發生了徹底的變革。
太陽系
太陽系中的行星，也包括我們的地球，都是在距今大約45.6億年前與太陽同時誕生的。它們的年齡大致是整個宇宙年齡的1/3。對太陽的成分和運動，以及太陽系中的行星、衛星和隕石，再加上新近觀察到的鄰近恆星的行星的研究，使我們對太陽系的形成的解釋有了極大的信心。但是，在一些細節方面仍有許多不明確之處。
年表3.1 地球、生物圈和「蓋婭」的尺度：45億年
太陽包含了太陽系中大約99.9%的物質。如今引起我們注意的是餘下的0.1%，因為正是從這些微小的殘餘物中誕生了包括我們地球在內的所有行星。我們已經知道，隨著物質雲的收縮，引力會使它們旋轉、變平，變成圓盤狀。太陽星雲，亦即形成我們太陽系的氣體和塵59埃也不例外。太陽的形成經歷了大約10萬年，巨大的引力把太陽星雲內的絕大部分物質拉到了中心。但是由於離心力的作用，一些塵埃和氣體在一定的距離上環繞太陽運行，就像大型氣態行星如土星、木星、天王星和海王星的行星環一樣。我們之所以能夠知道這些，完全有賴於天文學家於20世紀90年代末在銀河系恆星周圍首次設法觀察到了新形成的類似圓盤。太陽星雲幾乎全由氫元素和氦元素組成（約佔其質量的98%），剩餘的一小部分為其他元素。
隨著太陽的燃燒，太陽星雲的內圈要比外圈更熱。這些熱量使較不穩定的物質（氣體）遠離內部區域。但在更遠的區域，大概從即將形成的木星軌道開始，寒冷的溫度使這些氣體凝結為液體或固體。因此，在內層軌道上多為岩石物質，而大多數的不穩定物質則堆積在遠離太陽的外圈。這就合理地解釋了為何太陽系內側的行星多為岩石，而外側行星（自木星以外）大多是由氫和氦這些在地球上以氣態形式存在的物質所組成的。同時，這也是外側行星體積相對較大的原因：木星的質量是地球的300多倍（儘管它的體積只是太陽的1/1000），土星的質量幾乎是地球的100倍。（冥王星由於遠遠小於我們的月球，已經不再算作真正的行星，而被視為現存最大的小行星。）水（冰）是所有簡單化合物中最為普通的，由兩種最活躍的元素氫和氧構成。因此，遠處那些由固態水組成的行星，必定比水以氣態存在且很容易被驅散的行星體積要大得多。外側行星的巨大質量也使它能更方便地「捕獲」類似氫和氧那種即便在極端低溫下仍保持氣態的物質。時至今日，太陽系內的行星已被分為兩大類：內圈是體積較小、由岩石構成的行星，密度超過3克/立方厘米，而外圈是體積巨大的行星，其密度略低，小於2克/立方厘米。
儘管不同軌道上的溫度和物質各不相同，但每條軌道上的物質微粒都會相互碰撞，或者因引力而結合在一起。有時，它們由靜電力黏合在一起——這種力能使一根摩擦過的琥珀棒吸起許多紙屑。天文學家稱之為吸積（accretion）機制，由德國哲學家康德於1755年首先猜測到，在這種溫和的碰撞中形成了相對較軟的小岩石塊。這些小岩石塊就像滾雪球一般，逐漸變成如同隕石一樣的物質，然後變成小行星。小行星像碰碰車一樣無序運行，經常相互碰撞。隨著它們慢慢變大，碰撞也開始變得更為激烈。在10萬年中，曾經存在過許多較小的小行星，其中最大的直徑可達10千米。如像哈雷彗星這樣的彗星，很可能就是太陽系早期歷史階段的殘餘，因而它們有助於我們想像早期小行星的樣子。然而，殘留至今的彗星，部分受到正在形成中的超級行星木星引力的影響，不是在更加靠近中心的軌道，就是在更加偏遠的軌道上運行。因此，它們避免了與其他行星結合在一起。幾十億顆彗星仍在以海王星為界的外側行星之外的所謂的奧爾特雲（Oort cloud）中沿著各自的軌道運行，與地球的距離是太陽至地球距離的35倍多。這類天體通常很小，但也有些相對較大，如喀戎彗星（Chiron），其直徑約為200千米。
在太陽形成之後大約10萬年，新形成的太陽向內側軌道噴射殘留的氣體和塵埃，被稱為金牛座T型星風（T Tauri wind）。這種現象通常與年輕的恆星有關。也許，金牛座T型星風還將小行星表面年輕的大氣一掃而光，這些大氣最終形成了地球。留在內層軌道上的是一些固態小行星，它們的體積較大，故而沒有受到太陽風的影響。漸漸地，在所有軌道上，最大的小行星將其他略小一些的物體吸入它們的引力網，直到它們引力所及的範圍內所有物質都被吸收乾淨。這樣，也許在太陽形成後100萬年中，出現了差不多30顆體積與月球或火星相近的原行星；每一顆原行星都佔據著一條特定的軌道，在最初的太陽圓盤的平面上做圓周運行。億萬年之後，最終形成了我們今天所看到的行星系統。
近日行星（水星、金星、地球、火星和小行星）主要由硅酸鹽（硅和氧的化合物）、金屬和被引力所固定的氣體構成。例如地球，它由氧（近50%）和少量的鐵（19%）、硅（14%）、鎂（12.5%），以及其他多種化學元素組成的。在火星和木星之間的那些小行星，可能是受鄰近木星強大引力的影響而「失敗」的岩石行星的殘留物。最大的行星木星形成的速度比較快，大約比地球早誕生5000萬年，甚至更早。[1]龐大的體積足以使它的內部開始產生核反應。木星幾乎就是一顆小恆星，但還是屬於行星。如果木星再大那麼一點兒，那麼太陽系將會有兩顆恆星，太陽系的結構和歷史也將會改變。行星的運行將不那麼穩定，而且在任何一顆行星上都不可能出現生命。
在所有大型行星（特別是土星）周圍，存在著圓盤狀的物體，這表明它們都十分巨大，能夠形成自己的星雲，就像剛剛誕生的恆星一樣。事實上，木星的星雲和太陽的星雲非常相似，因此內層的衛星木衛一和木衛二是岩石，而外層衛星卻更接近於氣體，這很可能是因為該行星在早期將氣態元素排斥到外層去了。
我們的太陽系在宇宙中是獨一無二的呢，還是十分普通的呢？直到最近，哪怕是離我們最近的恆星，天文學家仍然沒有直接觀測其周圍行星的手段。種種跡象表明，太陽系可能是與眾不同的，甚至是唯一的。然而，1995年，天文學家通過精確測量恆星運行中微小的搖擺，找到了一顆圍繞另一顆恆星旋轉的行星。在接下來的6年中，又發現了將近70顆行星。1998年5月，哈勃太空望遠鏡似乎拍攝到了第一張行星照片。這顆行星非常巨大——體積為木星的3倍——似乎是被金牛星座的雙子星拋射出來的。[2]天文學家們還拍攝到了類似形成期太陽系的圓盤狀吸積。這些證據表明，太陽系可能是極其普通的，儘管它們相互之間的實際構造可能相去甚遠。如果真像最近的證據所表明的那樣，只要有10%的恆星有行星圍繞，那麼，僅在銀河系內部就會有數十億個類似太陽系的恆星系。這意味著我們生存其間的這個天文龕，在宇宙範圍內雖然與眾不同，但並非絕無僅有。僅在銀河系內，理論上存在生命的行星系統就可能數以百萬計。這是否意味著生命在宇宙中是很普通的呢？我們將在第4章討論這個問題，我們還將考察生命本身是如何在地球上出現的。
早期地球：熔融及冷卻
吸積是一個無序和劇烈的過程，小行星的體積越大、引力越強，便越是如此。在每一條軌道上，小行星之間的碰撞產生了巨大的熱量和能量。許多行星奇特的傾斜和自旋告訴我們，在某個階段這些行星就像檯球一樣遭到某種類型的另外一個大型天體的撞擊，這便證明了這些過程是多麼劇烈。只要觀察一下月球表面就可以看到關於這些過程的證據。由於月球沒有大氣層，其表面未被腐蝕，因此保留了早期歷史的痕跡。在月球表面，深深地烙下了數百萬顆流星撞擊的痕跡，在晴朗的夜晚，甚至可以用肉眼看到。在地球的早期，大約也經歷了10億年這樣劇烈的撞擊過程，直到地球將自己軌道中的其他物質全部清除乾淨。地球早期「冥古代」的暴烈情形說明了那一時期（參見附錄一，表A1）保留下來的證據為何如此之少的原因。大約10億年後，撞擊不再那麼頻繁。當然，有些小行星一直存在到今天。因此，撞擊仍會發生，有些甚至在地球歷史上扮演了重要角色。但是這樣的撞擊比起冥古代時代要少得多了。
早期地球沒有多少大氣層。在沒有達到一定體積之前，地球引力不足以阻止氣體被驅逐到太空中去，而太陽風早已把大部分的氣態物質從太陽系的內層軌道上吹走了。所以，我們必須將早期地球想像為岩石、金屬以及被吸引住的氣體的混合體，不斷受更小的行星的撞擊，沒有多少大氣層。早期地球對於人類而言實在是個地獄般的地方。
隨著地球達到它應有的體積，熱量開始增高，一方面是因為與其他小行星的撞擊，另一方面是因為隨著體積的增大其內部壓力也在增大。此外，早期太陽系中存在著大量放射性物質，它們在太陽誕生前不久的超新星爆炸中形成。早期地球的熱量大部分留存到了今天，不過，隨著時間的流逝，大量熱量從地核深處滲出地表。隨著地球溫度的升高，地球內部熔化。在熔融的內部，不同的元素由於密度不同，在一個被稱為分異（differentiation）的過程中被分離開。在太陽系形成4000萬年後，大部分偏重的金屬元素，比如鐵和鎳，像熾熱的淤泥一般陷入地心，這樣就形成了一個以鐵元素為主的地核。這個金屬的地核使地球產生特有的磁場。在我們這個行星的歷史上，磁場起到至關重要的作用：它可以使來自太空的高能粒子偏轉方向，以確保最終產生生命的精密化學反應順利進行。
較重的物質漸漸沉入地心，而輕一些的硅化物則浮出表面，這個過程就好似在今天煉鋼爐內發生的情況一樣。密度較高的硅化物形成了地核與地殼之間大約厚達3000千米的地幔。在彗星的撞擊下，地球表面傷痕纍纍，溫度升高，使得最輕的硅化物浮到了地表，在這裡它們要比地球內部的物質冷卻得更快。這些被稱為花崗岩的較輕物質，形成了大約35千米厚的大陸地殼。相對整個地球而言，這層地殼就像蛋殼一樣薄。海底地殼（大部分由火山岩構成）更薄，大約只有7千米厚。從地表到地球核心的距離大約為6400千米。這樣，即便是大陸地殼也僅僅是其到核心距離的1/200。大部分早期的大陸地殼保存至今。最古老的大陸地殼在加拿大、澳大利亞、南非和格陵蘭的部分地區還可以找到，距今大約有38億年的歷史。
最輕的物質，包括氫氣與氦氣，從地球內部冒向表面。因此我們可以認為早期地球的表面是一片火山岩的大地。我們通過分析火山口生成的氣體混合物，可以精確地判斷是哪些氣體冒到了地表。它們包括氫、氦、甲烷、水蒸氣、氮、氨氣和硫化氫。其他物質，包括大量的水蒸氣，是彗星撞擊所帶來的。大部分的氫和氦逃逸了，但當地球完全形成時，它還是大到足以用引力場保留住剩餘的氣體，從而形成地球第一個穩定的大氣層。大部分甲烷和硫化氫轉化成了二氧化碳（CO2），二氧化碳很快就在當時的大氣層中佔據了優勢。在一個充滿二氧化碳的大氣層裡，天空看上去是紅色的，而不是我們今天所看到的藍色。然而，隨著地球的冷卻，集聚在大氣中的水蒸氣轉化為一場持續幾百萬年的滂沱大雨。大雨造就了最早的海洋。最早的海洋在35億年前形成，因為我們知道那時已經有活的有機體存在；它們的出現說明地球表面溫度已經降到了100℃以下。海洋溶解了大氣中的二氧化碳，人們所看到的天空漸漸變成了藍色。
地表的液態水對我們而言具有十分重要的意義，這意味著地球的溫度已經適宜於構成最早生命形式的複雜而脆弱的分子的出現。地球溫度對於生命為何如此仁慈？原因至今不明。也許在所有恆星系中都存在這樣一個有限地帶——與恆星保持一定距離，而不至於使水沸騰，卻又比較接近恆星而獲得熱量，使生命得以出現。然而我們知道大氣並不是按照簡單、可預測的規則進化的。早期金星的大氣層可能和地球相同，但是厚厚的雲層和更多的太陽輻射形成了溫室效應，最終使金星表面溫度達到了水的沸點。金星因此成為不毛之地。火星由於體積較小、引力較弱，所以儘管過去可能擁有稠密的大氣層，如今卻也幾乎消失殆盡。也許就是因為各種環境條件的罕見結合才使得地球適合生命生長，這說明儘管宇宙有數十億顆行星，也只有極少的一部分有可能存在生命。[3]就像我們將要在第5章中看到的那樣，生命一旦形成，它們便把地球當成自己的家，改造大氣和地表，使之更適宜於生命的存在。
早期地球大氣中的許多成分（包括其中大部分的水），以及形成生命最初形式的有機化學物質，可能是地球歷史上第一個10億年中彗星撞擊所帶來的。[4]這種持續撞擊也可以解釋月球形成的過程，月球可能形成於太陽系誕生之後5000萬到1億年之間。對於月球岩石的研究表明，月球的密度要比地球小一些，鐵的含量也少得多。這種差異可以解釋為地球在「分異」過程完成之後，曾遭到一顆火星般大小的原行星的撞擊。撞擊對富含鐵質的地核影響不大，卻從早期地球的地幔和地殼中掘出了部分物質。這些碎片像土星圓環一樣圍繞著地球運行，逐漸增長，最終合併成一個整體，形成月球。
因此，在太陽系形成10億年後，地球有了一個溫度極高的鐵的地核、高溫半液態的地幔，還有薄而堅硬的地殼和廣闊的海洋，以及主要由氮氣、二氧化碳、水蒸氣所構成的大氣層，還形成了自己的衛星月球。對我們來說，這裡是一個炎熱的、危險的和令人討厭的地方，淹沒在持續的酸雨中，週期性地被彗星或小行星撞擊所形成的火山熔岩所覆蓋。但是地球擁有促使最早期的生命形式進化和繁榮的一切因素。最重要的是，地球擁有液態水，因為它的位置距離太陽不遠不近，既避免了水沸騰而變為蒸汽，又可以確保水不會凝結成冰。
早期地球的證據
我們怎麼知道這麼多關於早期地球的知識？當然，在我的敘述中包含有一些思辨的因素，但那也是以大量可靠的材料為基礎的。有兩類材料極為重要，需要更加詳細的探討。
我們只能鑽入地球很淺一層，要研究地球深處，就必須使用間接的方法。很幸運，探測地球內部的各種方法作為地震研究的副產品而獲得進展。地質學家用測震儀這種測量劇烈震動所引起地球突然震動的儀器來研究地震。在地表不同位置擺放測震儀，就可以精確地描繪這些震動，指出震源、震級和類型。當然，也可以描述這些震動波是如何在地球內部傳播的。這些研究證明，在不同類型的物質中，傳播方式是不同的；由此，可以描繪地球是由哪些地層所組成的。（參見圖3.1）
更為令人注目的是，我們能夠確定過去數百萬年甚至數十億年前的事件發生的準確時間。事實上，為在遙遠的過去所發生的事件——包括早期地球歷史中的事件——提供確切的時間，是當代最激動人心的創世神話之一（參見附錄一）。
圖3.1 地球內部的結構
我們還沒有能力深深穿透到地球內部，但可以利用震波，即地震產生的震動，來斷定那裡有什麼。有三種震波：主波、次波和表面波。每一種波都有不同的移動速度，在通過不同物質時受到的影響也不同。所以，通過分析不同震波到達地表的速度，可以知道大量有關地球內部結構的情況。該圖顯示測震儀所記錄的圖表上方的那次地震。改編自切薩雷·埃米利亞尼：《科學指南：通過事實、數字和公式探索宇宙物理世界》第2版（紐約：約翰·威利出版社，1995年），第174頁；亦改編自阿瑟·斯特拉赫勒（Arthur N. Strahler）：《地球科學》第2版（紐約：哈珀和羅出版社，1971年），第397頁，圖23.22；第395頁，圖23.17
以前，要推算遙遠的時間，只能手頭有什麼辦法就用什麼辦法。[5]家譜曾經是確定過去年代的一種最重要的方法。在17世紀的歐洲，神學家利用《舊約全書》中的家譜計算上帝何時創造了世界。18世紀末，地理學家學會了通過研究在不同地層發現的化石和岩石的類型，來確定遠古時代重大地理事件的相對年代。雖然相對年代無法告訴我們某一動物生存的準確時間，也無法說明某塊岩石形成的準確時間，但它卻能表明事物出現的先後順序。利用特定的化石精確地測定其相對年齡，古生物學家對此已十分在行。專家手上的某種特殊類型的三葉蟲或者被稱為筆石的古生物所留下的奇特的鋸齒狀痕跡，可以證明來自世界不同地方的岩石是否大致處於同一時代。這些技術被用來繪製最初的地理時間表，使我們知道各種岩層和不同生物出現的大致順序（參見附錄一，表A1）。到了19世紀，即使是這種粗陋的技術，也表明地球的歷史已遠遠超過了6000年。儘管如此，絕大多數科學家仍堅信地球存在的時間最多不超過幾億年。
相對斷代法越來越精確，而且仍是判斷岩石年代的有力手段。但20世紀出現的同位素年齡測定法，則堪稱斷代技術中最重要的革命。在很多情況下，這些技術能使我們以驚人的精確度斷定某一特定物體形成的確切年代。因此，利用這種方法，我們也可以測定許多在人類誕生前所存在事物的絕對和相對年代。關於同位素年齡測定法，在附錄一中有詳盡的說明。
在建構有關地球形成的現代故事中所使用的年代，主要是通過對至今仍在太陽系中漂移的物質所做的分析得來的。地球表面的物質，甚至地球深處的物質，彼此循環非常頻繁，根本不能告訴我們地球形成最初階段的情況。地球上最古老的、能夠確定年代的岩石（來自格陵蘭島）年齡大約在38億年，這是地球形成大約8億年之後。想知道地球和太陽系是何時形成的，我們必須利用那些從太陽系最初形成至今沒有絲毫改變的物質。隕石（特別是那些被稱為球粒狀隕石類型的隕石）十分適合我們的研究，因為它們似乎含有太陽星雲的殘骸，而太陽系正是誕生於這片星雲之中，而且它們形成後基本沒有發生改變。同位素年齡測定法通常測得隕石形成的年代大致是45.6億年前，這並不令人驚奇。最古老的月球岩石形成於相同的年代。這些年代值非常接近，並且太陽系裡找不到比這個年代更古老的物質，這說明太陽系本身也是於45.6億年前形成的。
現代地質學的起源
今天的地球有著蔚藍的天空、富氧的大氣層、高山、大陸和海洋，它是怎樣從酷熱的早期地球發展而來的呢？
20世紀60年代以前，地理學和地質學早已是非常成熟的研究領域，積累了大量關於地形和海洋構造方式的堅實證據。但它們缺乏一個核心的、系統的理論來解釋地球如何從早期惡劣的環境轉變為今天這個樣子的。60年代末，隨著板塊構造論的出現並被大眾所廣泛接受，地球科學獲得了如同天文學中大爆炸理論那樣強有力的核心觀念或範式。從此，我們第一次有可能連貫而科學地講述有關地球歷史的故事。
近代地質學傳統發源於歐洲，因此受到了上帝創世神話的巨大影響。但是，正如我們所看到的，地球是上帝於6000年前創造的這一信仰早在17世紀便受到了動搖。丹麥科學家尼古拉斯·斯泰諾（Nicholas Steno）首先指出，化石是曾經在地球上生活過的生物遺留下來的。他同時認為，山川是在一段漫長的時期裡，由類似火山活動的地質過程堆積而成的。這些觀點意義重大。例如，這說明了在阿爾卑斯山高處所發現的魚化石是上古時期魚的遺跡。對於這樣的事實，若摒棄奇跡的解釋，只能假設阿爾卑斯山是從水底抬升起來的。而且，想要將這個過程濃縮在6000年內，而不考慮在這期間是否發生過一系列巨大的災難，則是非常困難的。實際上，確有一些地質學家以《聖經》中的大洪水為模式，論證地球在歷史上發生了許多巨大的災難。至少在某些範圍內，這樣的學說便將《聖經》的編年史一直捍衛到了19世紀。
但是地質學家則變得越來越懷疑了。在18世紀，一些地質學家開始對不同的岩層進行系統勘察。19世紀的地質學家查爾斯·賴爾（Charles Lyell）首先清晰地闡述了日後被稱為均變論（uniformitarianism）的原理。斯泰諾早就提出過這一原理，認為地球並非經歷了一系列巨大的災難而形成的，而是在漫長的時期中形成的。其中包括抬高現有陸地高度的火山活動（volcanic activity），以及將物質從高地緩慢沖刷到窪地，最終流入海洋的侵蝕活動。賴爾認為，一種運動造就了山脈，另一種運動則傾向於將山脈削平，現今地球上絕大多數的地貌都可以解釋為這兩種運動相互對立的結果。在一本奠基性的論著《地質學原理》（1830年）中，賴爾將這一理論的言外之意講得很清楚：地球已經存在了數百萬年而非幾千年。
到了19世紀晚期，人們普遍認為地球已經存在了至少2000萬年甚至1億年。這些數據是威廉·湯普森〔William Thompson，即開爾文勳爵士（Lord Kelvin）〕推算出來的。他設想地球和太陽曾經是熔融的球體，溫度極高，隨後慢慢冷卻。照此而言，地球歷史的決定性因素乃是延續數百萬年的冷卻過程。隨著地球的冷卻，經過火山活動和侵蝕活動，便出現了如今滄海桑田的構造。直到20世紀初發現了射線活動，居里夫人發現放射性物質能夠產生熱量，人們才認識到太陽和地球自身就擁有熱量源。這意味著地球的冷卻速度遠比開爾文勳爵所估計的要慢，而且其年齡要比他所推算出的傳統說法要古老得多。
魏格納和現代板塊構造論
與此同時，17世紀一次離奇的觀察，促使思想家們開始用一種完全不同的方法來描繪地球的歷史。歐洲人開始航行美洲和太平洋後，製作出了第一批現代意義上的世界地圖。1620年，英國哲學家弗朗西斯·培根指出，從這些地圖上很容易看到，各個大陸就好像一幅拼圖玩具的碎塊。其中非洲西海岸與南美洲東海岸是如此吻合，實在讓人感到吃驚。只需發揮那麼一點點的想像，我們就可以假定在某一時期所有的大陸原為一個整體。那麼，怎樣解釋這一不同尋常之處呢？
大陸是漂移開來的。德國地質學家魏格納（Wegener）於1915年撰寫了《大陸和海洋的起源》一書，為這一觀念提供了充分的科學基礎。魏格納依據大量證據證明，所有的大陸曾經是聚合在一起的。他指出，如果用大陸架來替代各大陸的海岸線，那麼大陸之間的吻合程度更令人激動不已。此外，他還指出，許多現代的地質特徵，在一塊大陸與另一塊大陸之間具有連續性。例如，他描述了一系列岩石結構，它們被稱為岡底瓦納大陸序列（Gondwana sequence），它們顯然全部是由冰山活動造成的。這一序列首先從北非延伸出來，經過西非，到達南美，又經南極洲，最後進入澳大利亞。魏格納論證道，正是這些地區在漂移過南極的時候形成了這些地質特徵。換句話說，各個大陸並非一直位於它們現在的位置，而是在地球表面「漂移」著。因此，魏格納的理論被稱為大陸漂移說。
魏格納的證據給人留下了深刻的印象，但是他無法解釋諸如非洲、亞洲或者美洲這樣的大陸板塊是如何在地表移動的。因此，很有影響力的美國石油地質學家協會於1928年正式拒絕魏格納的理論。在此後的40年中，大多數地質學家把這一理論看作是一個有趣的假設，他們為魏格納發現的異常情況尋找比較常規的解釋。大陸為什麼能在地球表面移動？它們又是如何移動的？直到第二次世界大戰之後才可能對此進行解釋。一旦有了合理的解釋，魏格納的思想即重新贏得了大家的尊敬。實際上，只是略加補充了一些現代成果，它們現在就已成為當代地質學的核心理論——板塊構造論。
現代板塊構造論起源於第二次世界大戰期間發展起來的技術。新的戰爭形式推動了探測潛艇的聲吶技術的發展。運用聲吶技術可使海底勘測比過去任何時候都更為徹底。當海洋學家開始仔細勘查海底時，一些奇怪的地貌出現了。其中之一便是有一條海底山脈，穿越大西洋中央，也穿越了其他海洋。海嶺中央是火山鏈，噴湧而出的熔岩堆積在兩旁的海床上。
研究海嶺附近海床的磁場，揭示出了更加奇異的現象。靠近海嶺的岩石一般都有正常的磁性取向，而較遠地帶的極性則往往與如今地球的磁場相反，它們的北極正是地球的南極，反之亦然。在更遠的地帶極性又一次顛倒了過來，如此形成了一系列極性交替的地帶。地質學家終於認識到，地球的極性似乎每隔幾十萬年就會改變一次，這說明不同地帶是在不同時期產生的。此外，更精確的斷代技術被運用於海底勘測，顯然最年輕的海底接近於大洋中央海嶺，越往邊緣年齡越為古老。距離中央海嶺最遠的那些區域就是最古老的海底。它們的年齡最多只有2億年——這比距今大約40億年最古老的地殼要年輕得多。
20世紀60年代，以美國地質學家哈利·海斯（Harry Hess）的工作為出發點，這些奇異現象開始得到連貫有理的解釋。從各個大洋系統的裂縫中不斷滲出的熔岩一直在形成著新的海底。這些區域被稱為擴展邊緣（spreading margin）。新的海洋地殼形成之後，它聳立成玄武岩山脊，就像一個楔子那樣，將原先存在的海底頂開。結果，有些海洋，例如大西洋，在逐漸地擴張。衛星觀測顯示，大西洋正以每年3厘米的速度擴張，與我們手指甲的生長速度大致相同。這說明大西洋形成於大約1.5億年前，從那時起，今天屬於北美洲的部分區域開始脫離今天歐亞大陸的西端。
這些證據並不表示地球在膨脹，因為地質學家發現在南美洲西海岸等地區，海底正在被吸入地球內部。那些地區被稱為縮減邊緣（subduction margin）。在那裡，由於板塊間的碰撞，海底地殼受其他地區海底的擠壓而插入大陸地殼之下。構成海洋地殼的玄武岩，主要是由火山爆發而生成，比構成大陸地殼的花崗岩更重。因此，當海洋地殼與大陸地殼碰撞時，較輕的大陸地殼往往疊在海洋地殼之上。海洋地殼伸入大陸地殼之下，最終鑽入了地球內部。（這一持續循環的過程說明海洋地殼比大陸地殼年輕得多。）下沉的海洋地殼與它上面的大陸板塊和下面的物質擠壓摩擦，產生巨大的熱量和壓力。在南美洲，這些熱量與海洋和大陸的地殼活動所構成的一系列火山運動，最終造就了安第斯山脈。
在某些被稱為碰撞邊緣（collision margin）的特定區域內，大陸地殼擠壓在了一起。最驚人的例子位於印度北部，在那裡，印度次大陸板塊被推向亞洲板塊，兩大板塊受到擠壓而形成了巨大的山系（即喜馬拉雅山脈）。最後，還有一些地區，例如加利福尼亞的聖安德列斯山脈，那裡的板塊似乎是在相互滑動。大多數板塊運動都會造成地震，由於板塊與其下面物質之間的摩擦力，使得板塊運動不可能是平靜的：通常在壓力積累了較長時間之後會突然發生滑脫。因此，從理論上說，那些地震活動最為劇烈的地區正是各大構造板塊的邊緣。
通過對不同地殼相接觸區域的詳細測繪，顯示了地球的最表層（岩石圈）是由一些堅硬板塊構成的，就像破碎的雞蛋殼。總共有八塊大板塊和七塊小板塊，還包括一些更小的物質裂塊。這些板塊在大約100—200千米厚的柔軟巖流圈（asthenosphere）之上移動。板塊受到巖流圈內部運動以及物質由地球深處板塊之間斷裂處（有時甚至是板塊內部）湧出的壓力推動，就像一鍋正在慢慢燉煮的湯，表面浮著一層渣沫。由於柔軟、炎熱而又有延展性的物質不斷從下方湧出，堅硬的板塊因此而彎曲、開裂和移動。換句話說，正是地球內部的熱量，為板塊的移動提供了所需的能量。熱量產生於地球內部的放射性物質，而這些物質又形成於太陽系誕生之前的超新星大爆炸。這就是魏格納未能發現的地質原動力：他無法預見到的是46億年前超新星爆炸所殘餘的能量推動著各大陸在地球上四處漂移。這就讓我們再一次回到了引力，因為正是引力構成並摧毀了那顆在那次超新星爆炸中死亡的恆星。
板塊構造理論為地質學的各個方面提供了統一的思想。它能解釋造山運動、火山運動，也能解釋魏格納等地質學家所觀測到的許多地質學異常情況。而且它表明，構建地表的歷史在理論上是可行的，也可以展示不同歷史時期地球表面的不同面貌。同時，更精確的測繪技術，例如全球定位系統（GPS），使我們能夠準確測量各構造板塊之間的移動。
地球和大氣層的簡史
板塊構造理論以及我們關於地球形成的知識，意味著如今我們能夠擁有一部合理而連貫的地球史。
地球歷史上的冥古宙從45.6億年前地球形成之際開始，延續了6億年左右。[6]在這個時期，地表溫度很高、火山活動頻繁，極不穩定，同時它還不得不忍受彗星以及其他當時還倖存的小行星的持續撞擊。
大約38億年前，地質學家稱之為太古宙的時期開始了，我們知道，此時大陸已在地球表面形成，因為一些古老的地殼保存至今。這時海洋也可能已經存在。當時的地球大氣層主要由二氧化碳、氮氣和主要由彗星帶來的硫化氫組成。幾乎沒有氧氣，因為氧非常容易與其他元素發生反應而形成化合物。大陸地殼的最初位置可能已經移動，我們無法確定構造板塊的運作方式是否與今天完全相同。由於大氣層和充足的水，侵蝕過程與地表變化或許和今天同樣迅速。快速的侵蝕和彗星的持續撞擊，解釋了早期地表面貌曾多次改變卻幾乎沒留下什麼痕跡的原因。關於地球最早時期的歷史，我們的知識仍是十分粗淺的。
大陸地殼最早的碎片可能形成了存在時間非常短暫的微大陸。它們被一片有著許多小火山島和地下火山的海洋所包圍。大約30億年前，這些微大陸的一部分已經融合成了較大的板塊，因為在大陸的核心，包括非洲、北美洲以及澳大利亞的一部分地區，至今還能找到如此古老的板塊。不過我們能夠準確重現其組合方式的，只有最近5億年內地球表面的板塊。
當代地質學描繪了一幅在過去幾億年裡構造運動漸趨複雜的圖景。
這些運動的發現，很大程度上得益於對那些已知年齡的現代岩石磁性取向的研究。由此可以大致估計這些岩石在最初形成時的位置。這樣的研究表明，似乎存在一個分裂與聚合的簡單模式。大約2.5億年前，大多數的大陸板塊聚合成一塊被魏格納命名為「泛古陸」的超級大陸。它被名為「泛古洋」的浩瀚大海所圍繞。大約2億年前，泛古陸分裂為兩大塊陸地。北面是勞亞古大陸（Laurasia），包括今天亞洲、歐洲和北美洲的大部分地區；南面為岡底瓦納大陸（Gondwanaland），包括今天南美洲、南極洲、非洲、澳大利亞和印度的大部分地區。隨後，勞亞古大陸和岡底瓦納大陸各自開始分裂。而現在，我們則可能正處於一個大陸再次聚集的階段：非洲和印度漸漸向北移動，往歐亞大陸靠攏。最新發現的證據證明，在泛古陸存在之前大約5億年，地球上曾有一塊更為古老的羅迪尼亞（Rodinia）超級大陸。[7]到目前為止，這是現代板塊構造過程中我們所能追溯的歷史最為久遠的大陸（參見地圖3.1）。
這是當代創世神話中至關重要的一段歷史。因為，正如我們將在第5章看到的，在地球歷史上的不同時期，正是由於大陸和海洋的構造形式剛好如此，生命形式才得以演化，大氣層和氣候才得以運轉，這是至關重要的。通過這樣或那樣的方式，地球的歷史塑造了生物體的進化。在接下來的兩章裡，我們將要探究生物體是如何使不斷變化的地球成為它們的生存之所，以及在被薄薄的生物圈所覆蓋後，地球自身又是如何變化的。
本章小結
太陽和太陽系是在大約45.6億年前一片雲狀物質的引力坍縮過程中形成的。太陽形成於這片雲的中央，並吸收了它的絕大部分物質。而散落在太陽以外的物質，圍繞著新出生的太陽，在一個扁盤狀的平面運行。在軌道內，由於碰撞和萬有引力的作用，物質聚結成塊狀，最後每條軌道只留存了唯一的一顆行星體。由於太陽風將不穩定的物質驅出了太陽系的中心區域，近日行星就傾向於巖態，而遠日行星則多呈氣態。
地圖3.1 地球的變化：5.4億年間的板塊運動
引自切薩雷·埃米利亞尼：《科學指南：通過事實、數字和公式探索宇宙物理世界》第2版（紐約：約翰·威利出版社，1995年），第82頁；引自埃米利亞尼：《物理科學詞典：術語、公式和材料》（牛津：牛津大學出版社，1987年），第48頁，牛津大學出版社惠允使用
早期地球在形成後不久即呈熔融狀，質量較重的物質沉到核心，而輕一些的物質浮到地表。大約40億年前，地球的內部結構已經與今天相似。然而，地球表面及大氣層卻經歷了一個極其漫長的變化過程，才成為我們今天所看到的模樣。自從20世紀60年代板塊構造學說出現之後，我們這才明確認識到大陸板塊在地表緩慢移動，逐漸改變著大陸和海洋的構造。
延伸閱讀
關於地球的歷史，現在已經出版了許多很好的專著，其中包括彼得·卡特莫爾（Peter Cattermole）和帕特裡克·摩爾（Patrick Moore）所著的《地球的歷史》（1986年），以及J. D.麥克杜格爾（J. D. Macdougall）所著的《地球簡史》（1996年）。普雷斯頓·克勞德（Preston Cloud）的著作《宇宙、地球和人類》（1978年）、《空間的綠洲》（1988年）都是第一流的，儘管其中的一些細節現在需要更新。阿曼德·德爾塞默所著的《我們宇宙的起源》（1998年）和切薩雷·埃米利亞尼所著的《科學指南》（1995年第2版）總結了關於地球歷史的更多技術性細節，而史蒂文·斯坦利（Steven Stanley）所著的《時間歷程中的地球和生命》（1986年）指出，地球的歷史與生命的歷史之間有著十分密切的關係。詹姆斯·勒弗洛克（James Lovelock）關於蓋婭假說（Gaia hypothesis）的幾本著作同樣描述了地球的歷史和生命的歷史是緊密聯繫在一起的。艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的論文可讀性很強，儘管其中有些內容已經過時了。偶然事件如何使每顆行星變得與眾不同？羅斯·泰勒（Ross Taylor）的短文《太陽系：適合生命的環境？》（2000年發表）對此做了很好的說明。
[1] 羅斯·泰勒（Ross Taylor）：《太陽系：適合生命的環境？》，載馬爾科姆·沃爾特編：《超越火星：探索生命的起源》（堪培拉：澳大利亞國家博物館，2002年），第59—60頁。
[2] 尼格爾·霍克斯（Nigel Hawkes）：《第一次看到我們太陽系之外的行星》，載《泰晤士報》（倫敦），1985年5月29日，第5版。
[3] 當前，對於在不久的將來遭遇其他生命的可能性的估計，參見伊安·克勞福德（Ian Crawford）：《他們在哪裡？》，載《美國科學》，2000年7月號，第38—43頁。
[4] 阿曼德·德爾塞默：《我們宇宙的起源：從大爆炸到生命和智慧的出現》（劍橋：劍橋大學出版社，1998年），第116—121頁，文中對彗星所扮演的重要角色進行了爭論。
[5] 關於年代測定技術的回顧，可參見附錄一，也可參見德爾塞默：《我們宇宙的起源》，第285頁；尼爾·羅伯茨（Neil Roberts）：《全新世環境史》第2版（牛津：布萊克韋爾出版社，1998年），第2章；以及尼格爾·考爾德：《時間範圍：第四維的地圖》（倫敦：恰圖和溫都斯出版社，1983年）。
[6] 林恩·馬古利斯和多里昂·薩根：《生命是什麼？》（伯克利：加利福尼亞大學出版社，1995年），第64—80頁。書中有一張很好的地球歷史年表。
[7] 伊安·達爾齊爾（Ian W. D. Dalziel）：《泛古陸之前的地球》，載《美國科學》，1995年1月，第38—43頁。