where we come

关于宇宙的起源,自古至今一直是个百家争鸣的课题。当前最通行的理论是大爆炸(big bang)理论。说宇宙始于一个温度近乎无穷大、没有体积的质点。大约138亿年前(前后误差3700万年),发生了大爆炸,在紧接着极短的时间10的-44次方秒(大约一个普朗克)里,重力场开始形成,在大约10的8次方普朗克时间里,也就是10的-36次方秒的时间里,强力开始分离。这是宇宙温度大约是10的27次方摄氏度。在10的-12次方秒时,弱核力和电磁力开始产生,然后夸克和反夸克开始形成,这时宇宙的温度是10的13次方摄氏度。光子产生在大爆炸后的0.02秒,这些光子的能量比我们的太阳光要强得多,成对的高能光子,产生出成双的正电子和电子,几乎同时,大量的能量转化为质子和中子,但是他们很不稳定。到了0.11秒的时候,质子和中子开始大量存在,比例大约是2:1。在大约1秒的时候,宇宙中最初形成的中子因为不带电,最先冲出宇宙大火球,弥散到宇宙的四周,它们携带的能量形成了今天宇宙的背景辐射。在13秒左右的时间,形成由多个强子组成的原子核。随着宇宙的温度开始下降,质子和中子的运动速度逐渐慢下来,在强力作用下形成强子原子核,最先形成的多强子原子核是氦原子核。这时宇宙的密度还非常高,光子无法穿透宇宙,不断地撞在各种基本粒子上,被反射和散射掉了。随着宇宙温度的降低,其他一些比氦原子稍大的元素也开始出现。在宇宙的形成过程中,能量不断地转换成物质,宇宙的温度也不断的下降。大约经历了半个小时后,大爆炸直接产生氦和其他元素的过程停止了。但是,宇宙继续快速膨胀、继续降温,同时密度下降,这个降温和膨胀的过程大约持续了70万年。

当温度降低到几千度时,电子和原子核的运动变得不那么快了,它们之间的电磁力将它们结合成原子。虽然宇宙作为整体继续膨胀冷却,但是在局部地区,因为平均密度较高,就会由于万有引力而停止碰撞并开始坍缩。当它们坍缩时,在这些区域外密度不均匀的其他物质对它产生的引力将牵引这一团物质开始很慢的旋转,这就形成了原始的星云;当坍缩的区域变得更小时,星云会自转的更快,最终,当这团物质的区域变得足够小,其自转的速度就足以平衡引力,碟状的旋转星系就诞生了。

在大星云的内部,各处的密度也不是均等的,一些地方的密度相对较大,这些地方的氢原子和氦原子相互吸引,形成密度更高的区域。当这些区域的密度达到一定高度,原子的碰撞使得气体温度升高,直到最后,热得足以开始发生核聚变反应,它阻止了进一步坍缩,而且将能量以热和光的形式辐射出来,这就形成了早期的恒星。这时宇宙的体积已经足够大,密度足够稀疏,原始的恒星开始产生光子向宇宙黑暗的地方送去一缕缕光。至此,整个大星云最终变成了像我们银河系一样的星系,而宇宙中有亿万个这样的星系。

在第一代恒星中,只有氢和氦元素,因此他们的周围没有固态的行星。而这些第一代恒星中核聚变反应进行得极快,大约1亿年的时间,氢就用光了,这些恒星进一步缩小,进一步变热,开始将氦转变成像碳和氧这样更重的元素。但是这一过程并没有释放出太多的能量,以至于无法支撑恒星的体积,如是,恒星的核心区域会坍缩成一个非常紧致的状态,譬如中子星或黑洞,它的温度将会越来越高,最后导致超新星爆炸。恒星外部的一些重元素,像氧、碳和铁有时会在超新星大爆发中被吹出来,一些重元素集聚在一起形成一个个高密度的原子团,受到区域外的物质的引力,变得受力不平衡,就会一边收缩,一边开始慢慢的旋转。当星云的体积变得越来越小时,它会加速自旋,最后就转出一个个球状的原子团,慢慢就形成了像地球这样绕着太阳公转的固体星球。我们太阳系应该是第二代或者第三代的恒星系。而在我们自己的太阳内只有大约2%的元素是重元素,剩下的依然是氢气和氦气。在太阳形成的同时,少量重元素集聚在一起,形成了水星、金星、火星和地球等几个固态行星,一些气体聚在一起,形成了木星、土星、天王星这样的气态行星。

太阳系的形成至今将近46亿年,目前它正处在其中年期。和万物一样,太阳和地球也会有终结的一天,根据目前太阳核聚变的速度推算,这大约是60亿年后的事。

地球大约形成于45.4亿年前。与地球同时形成的,除了太阳系的几大行星外,还有一个火星大小、和地球非常接近的行星,天文学家给他起名为提亚。距今45.3亿年时,提亚与地球靠得太近了,终于撞上了地球。这次撞击的动能非常大,使得原本温度就很高的两个星球融为一体,形成最终的地球;同时有一大块(或者两大块)被抛了出去,形成的天体温度也很高,处于岩浆状态,成为一个围绕地球旋转的球状天体,这就是月亮。地球形成之初非常热,一些较重的元素(比如铁)下沉,形成了内核,相对较轻的气体上浮,形成了早期的大气,主要成分是水蒸气、甲烷、氨气和二氧化碳,同时还有很多有毒气体、比如硫化氢。然而,这样的气体却可能产生原始的有机物。

经过一亿年的冷却,大气中的水汽冷凝成了液态水,分布在地球的表面。那时地球表面的温度可能超过100摄氏度,不过地表气压也很大,因此高压下水可能呈现为液态,而空气中也大量弥漫着水蒸气。几亿年后(距今约38-42亿年),大量液态水逐步汇聚,形成海洋。不过最初的海洋里,海水不是咸的,而是酸的。地表的水分不断蒸发,形成降雨后又回到地面,把陆地和海底岩石中的盐分溶解掉,不断汇集到海水中。经过亿万年的积累融合,才变成大体均匀的咸水。最初的地球只有一个大洋,当时陆地也都连为一体。

在原始的大气中,雷电不断,这些条件让一些分子偶然结合,形成了叫做超分子的结构,并且在海洋中发展。这种超分子的结构可将海洋中的其他分子聚集成类似的结构,这样它们就能复制自己了。当然,每一次复制都可能产生细微的变化。这些变化大多数时候使得新的宏观大分子无法复制下去,并最终消亡了。然而,有很少的变化会产生更稳定、更容易复制的超分子。这些新的超分子因为自身的优势,会取代原先的超分子,这是一个进化的过程。进化导致了越来越复杂、可自我复制的组织的出现,这边是最早原始的生命。至于这些超分子是什么,今天主流的观点是RNA(核糖核酸),RNA出现于距今40亿年前。

地球早期的大气中没有氧气,也没有臭氧层,紫外线直达地面,因此生命只能出现在海洋,靠海水保护,不过缺氧的环境也使哪些超分子不容易被氧化而迅速死亡。又过了两亿年,地球上出现了最早的单细胞生物古菌,这种微生物介于细菌和真菌之间,它通过化合作用获得能量生存。再过两亿年,出现了能够进行光合作用的单细胞微生物,这时距今36亿年之遥。古菌等原始生命的出现慢慢消化了大气中包括硫化氢在内的各种有害物质,并且通过光合作用释放出氧气。大约经历了10亿年,逐渐形成了类似今天这样的大气成分,适合各种浮游生物、鱼类、爬行动物和包括人类在内的哺乳动物生存。

又经过了大约7亿年,地球上才出现第一个结构复杂的微生物,即有细胞核的单细胞原生物。这时距今约18亿年。又经过8亿年,地球上才出现多细胞生物,这时距今只有10亿年。在大约距今6亿年前的古生代,海洋里出现了海藻的植物和海绵这样的多细胞动物。大量海藻的出现以及它们在阳关下进行光合作用,为地球的大气层提供了大量的氧气,直到这时,地球上富氧的大气才形成。地球上的氧气,是从原生生物开始,经过了几十亿年的积累才形成。约5.4-5.9亿年前,地球进入了寒武纪(这个词是日本人根据英语cambria这个英国地名翻译过来的),虽然名字里有个寒字,但是其实气候并不冷,反而很暖和,在这个时期地球上的物种开始出现多样性,很多新的物种诞生了(被称为寒武纪大爆发),而地球的海洋才开始称得上是丰富多彩。

当地球大气中的氧气越来越丰富时,就形成了臭氧层,它可以保护地球上的陆地免受紫外线的直接照射。此时,生物才能开始在陆地上生成。到了4亿年前的志留纪,最古老的陆地子午裸蕨类和苔藓才出现于潮湿的陆地。虽然生物的物种丰富多彩,但是大都固定在浅海的海底。有过了几千万年,也就是到了地质学家说的泥盆纪(距今4.2-3.7亿年),地球上出现了昆虫和早期的鱼类,同时陆地上出现了大量的蕨类和早期的裸子植物。在接下来的几千万年里,出现了松树这类高大的裸子树木,鱼类成了海洋的主人,青蛙这样的两栖类动物开始登陆。

距今2.5亿年的二叠纪末期和三叠纪初期,一场大灾难降临地球,95%以上的生物都灭绝了,其中原因至今不详。不过在这之后,很多新的物种诞生了,包括现代的鱼类、早期的爬行类动物。在接下来的侏罗纪,也就是距今2亿年到1.5亿年,恐龙和其他爬行动物成为了地球的主人,这时哺乳动物的祖先也出现了。在植物界,被子植物也就是今天我们所说的大部分花草树木出现了,地球上第一次出现鲜花,因为花是被子植物所特有的。

恐龙统治地球长达1.6亿年,不仅比我们人类,也比哺乳动物统治地球的时间要长得多。但是到了白垩纪的末期,距今6500万年前,灾难再次降临。这次可能是一个小行星撞到了今天的墨西哥湾的位置,大量的尘埃抛向天空,形成遮天蔽日的尘雾,气候骤冷,植物光合作用也暂时变缓,茂密的蕨类植物森林消失了,作为不能恒温的冷血动物、又没了食物,恐龙可以说是饥寒交迫,终于灭绝了。不过,恐龙的一些近亲(比如鸟类)和更远的亲戚(比如鳄鱼)却存活了下来。而可以保持身体恒温且体积较小的哺乳动物,则开始成为地球的主宰。

也就是在这个时期,灵长类动物出现了,这些动物早期只有老鼠大小,外观和今天的猴子颇为相像。随后又经过了4000万年,人类的祖先古猿才出现,这时距今1500万年。然后再过800万年,灵长类人属的古猿才和黑猩猩分开,这时距今700万年。又过了350万年,真正被称为“人”的动物---肯尼亚平脸人出现了。在接下来的几百万年里,和人类祖先竞争的还有几种人类,包括能人、直立人等,他们遍布地球的亚欧非大陆。这些猿人开始使用石质的工具,捕杀大动物,也学会了用火。随着时间的推移,这些人类的近亲在竞争中逐渐消失,取代他们的是一批更智慧的猿人,包括印尼发现的弗洛瑞斯人,在欧亚非发现的海德堡人、现代人等,但在竞争中我们的祖先现代人最终胜出。在距今25万年前,我们的祖先现代人在东非诞生了,现代人的祖先应该是早期智人,再往前是直立人。现代人产生和进化的初期,并没有仁慈,只有为了生存而展开竞争乃至杀戮。大约在10万多年前,开始从东非向四周迁徙。走出非洲,也不是一年两年或者一两个世纪就能完成的壮举,而是一个非常漫长的过程。走出非洲的现代人少得可怜,可能只有150-1000人。他们大约在5.5万-9万年前跨过红海,走到了阿拉伯半岛。人类的祖先在大约5万年前到达南亚,4万年前到达澳大利亚、中国和欧洲,3万年前到达美洲。

不过,现代人的迁徙和活动对其他物种,包括对其他人类来讲是个灾难。研究表明,多种大型动物的灭绝,与现代人走出非洲后的迁徙路线和时间相吻合。不仅如此,现代人每到一处,那里的人类近亲就渐渐灭绝了。大约3万年前开始,现代的人类成为了地球的主人,随后人类的文明进程从古埃及文明、美索不达米亚文明、中国的农业文明开始一直到今天。

 以上摘自 吴军《文明之光》

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