從宇宙大爆炸到寒武紀大爆發（上）

錢邁平 馬 雪

宇宙誕生

約137億年前，宇宙誕生于一次大爆炸！

這是目前科學界最著名，也是最廣泛接受的宇宙演化模型，其依據來自長期的天文觀測和計算研究。主要證據：

（1）河外天體有系統性譜線紅移，紅移與距離成正比。也就是說，它們正以距離成正比的速度離開我們，距離越遠，視向速度越大，用多普勒效應解釋，這是宇宙膨脹的反映，也暗示了宇宙曾經被壓縮得很小。愛德溫·哈勃在1929年發現了這一現象，這就是天文學界稱為的哈勃定律。

（2）如果宇宙大爆炸的確發生過，那么爆炸的最初時刻一定非常非常熱，宇宙中應留有這種熱的殘余。1965年，美國射電天文學家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發現了一處272億5千凱氏度 （-454.765華氏度，-270.425攝氏度）的宇宙微波背景輻射彌漫在可觀測到的宇宙中，認為這就是科學家們一直在尋找的熱殘余。他倆因這一發現分享了1978年的諾貝爾物理學獎。

圖1，約137億年前，宇宙誕生于一次大爆炸。（seeker.com）

（3）在可觀測到的宇宙中，豐富的"輕元素"氫和氦隨處可見，也支持了大爆炸模型。

根據大爆炸模型的描述，約137億年前，物質和能量濃縮在一個極小的奇點，溫度極高，密度極大，瞬間發生快速膨脹（圖1）。于是，包含著物質、能量、時間和空間的宇宙就誕生了，并一直不斷膨脹，溫度相應下降，形成星系、恒星、行星乃至生命。

已知最古老的恒星

約136億年前，已知宇宙中最早的恒星形成。

2014年2月9日，澳大利亞天文學家斯特凡·科勒爾的研究團隊宣布，他們用賽丁泉天文臺的"天圖繪制者"望遠鏡，發現了已知宇宙中最古老的恒星，命名SMSSJ031300.36-670839.3，簡稱SM0313。這顆星形成于大爆炸后僅1億年左右，由更古老的恒星死亡時的超新星爆發釋放出的氣體云聚集形成，距離地球約6千光年，位于水蛇座（圖2）。

銀河系形成

約131億年前，銀河系形成。

目前多數天文學家認為，銀河系和所有其他星系一樣，誕生于大爆炸后產生的氣體坍縮。

起初，氣體和暗物質粒子一起被引力束縛形成一個近似球形的巨大團塊，其中的氣體原子因耗散性而迅速失去能量，向內坍縮。由于角動量總是守恒的，因此坍縮到質量團塊內部的氣體旋轉速度加快，形成一個轉動的氣體盤，這就是銀河系的胚胎（圖3）。很快氣體因輻射能量而冷卻下來，凝聚成更小尺度，最終觸發第一代恒星形成，銀河系從此被點亮。

圖2，約136億年前，已知宇宙中最早的恒星形成。它就是2014年發現的SM0313星，位于水蛇座，距離地球約6千光年。（Kel ler SCetal .,2014）

圖3，約131億年前，銀河系誕生于大爆炸后產生的氣體坍縮。（eso.org/public）

太陽系形成

約45億6600萬年前，太陽系形成。

目前多數天文學家相信，太陽系和所有其他恒星系一樣，誕生于星際云團的收縮聚集。他們推斷，在銀河系某處，一大片星際云團在引力作用下收縮聚集成一團。位于中心很小區域內的氣體，在重力擠壓下形成超高密度和溫度的球體，這就是太陽的胚胎。

圖4，約45億6600萬年前，太陽系誕生于星際云團的收縮聚集。（NASA/JL-ltech）

引力作用持續而強烈，氣體和塵埃被不斷吸入并相互加壓，產生越來越多熱量。太陽胚胎將變得更小、更亮、更熱，內核開始產生核聚變反應。巨大的能量向四周噴出，形成強大能量風，吹離了四周尚未來得及吸入的氣體和塵埃，太陽就這樣形成。

太陽形成后，周圍大量的星際氣體、巖石和冰塊，在太陽引力作用下圍繞太陽公轉（圖4）。在太空零重力狀態下，它們不會四散懸浮，而是會在引力作用下聚成一團，形成最初的行星。那時，有數以百計的新生行星圍繞太陽運行，擁擠而混亂，相互撞擊頻繁，有的彼此融合成更大的行星，有的粉身碎骨，有的被更大的行星俘獲成為它的衛星，最終形成太陽系。

地球誕生

約45億4000萬年前，地球誕生。

天文學研究顯示，圍繞初生的太陽旋轉的原始星云，經不斷引力集聚、碰撞和擠壓，逐漸形成了內部灼熱的行星雛形，其中包括地球胚胎（圖5）。隨后，地殼開始形成（圖6）。

地球誕生后，其中的放射性物質衰變，使地球內部進一步升溫。當溫度升到鐵的熔點時，大量融化的鐵向地心沉降，并以熱的方式釋放重力能。大量的熱使地球內部廣泛融化并發生改變，逐步形成分層結構，其中心是致密的鐵核，熔點低的較輕物質則浮在表面，經冷卻形成地殼。地球的磁場或許也在這個時期形成。

圖5，約45億4000萬年前，地球誕生。(BBC)

圖6，隨后，地殼形成。 （Bu Magnet）

月球誕生

約44億年前，地球與一顆正在形成的行星迎頭相撞，產生了月球（圖7）。

據美國"阿波羅"飛船采集的月球巖石樣品，以及其他各項研究結果，多數科學家認為，地球形成1億多年時，曾遭到一顆比地球小的，名叫忒伊亞（Theia）的行星撞擊！飛濺起的熔融碎塊，有一部分被地球的引力捕獲進環繞地球運轉的軌道，最終聚集形成月球。

新生的月球距離地球比現在近得多，在那時的地球上仰望天空，可看到一個巨大的月亮，可能比現在看到的大10～20倍。因此，當時月球對地球的引力比現在大得多，導致早期地球表面的巖漿及隨后形成的海洋都有超強的潮汐作用。

冥古宙

地質學家將約45億4000萬年至40億前地球的初生時期稱為冥古宙，這個名字取自希臘神話的地獄之神冥王，以此形容當時地球表面環境像地獄一般--遍地熔融的巖漿，超高強度的宇宙輻射，還有隕石和小行星等太陽系其他天體的狂轟濫炸……（圖8）

圖7，約44億年前，地球與一顆正在形成中的行星迎頭相撞，產生了月球。（NASA/JPL-Caltech）

圖8，冥古宙早期的地球情景--昏黑的天空，巨大的月亮，遍地洶涌的巖漿，狂轟濫炸的隕石……（Ron Mil ler via International space artnetwork）

圖9，約44億前，已知最古老的地殼碎片。（John W.Val ley,2014）

約44億前，已知最古老的地殼碎片。

西澳大利亞杰克山冥古宙巖石中，發現的微小鋯石晶體碎屑（圖9），經放射性同位素測定和原子探針斷層攝影研究相互印證，確定其年齡約44億年。也就是說，地球形成1億多年后，表面已冷卻，地殼已形成。

研究還發現，這顆鋯石碎屑來源于花崗閃長巖或石英閃長巖，因這兩種巖石都富含水，所以推測當時的地表已存在液態水，或許原始的海洋已形成。

地球水圈和大氣圈形成

那時聚合在地球內部及彗星撞擊帶來的水，受熱氣化上升，冷卻成云降雨。大雨可能連續不斷地下了幾百萬年，其中夾雜著無數的閃電，不斷催化著巖石中的氮、氫等元素，形成氨基這樣的組成低級生命所必需的有機分子。隨著雨水不間斷侵入，地表逐漸冷卻，氨基酸等大分子形成，原始的海洋也隨之誕生。那時氣溫仍很高，甚至海水是沸騰的。

圖10，冥古宙晚期的地球情景--橙紅色的天空，月亮仍然很大，火山爆發頻繁，暴雨雷電不斷，（nature.com）

圖11，約41億年前形成的一顆鋯石包含的石墨斑點，碳同位素比值與光合作用產物的一致。（ izabeth A.Belletal .,2015）

地球相當大的質量，產生的引力足以捕獲一些氣體，組成最初的大氣圈。隨著地球大氣圈的形成，大量的隕石和小行星在進入大氣圈后，因超高速與大氣摩擦產生的高溫而燒蝕掉，天體轟炸逐漸減弱。當然，原始的大氣圈是缺氧的，主要是混有氫氣和水蒸氣的高密度二氧化碳。臭氧層還沒有形成，地球表面的宇宙輻射依然很強烈！

圖12，太古宙時期的地球，一部分地殼尚未完全冷卻，陸地上大大小小、密密麻麻的隕石坑歷歷在目，但生命已開始萌發。（Mar ioProtIV）

圖13，始太古代，約37億年前，在今天格林蘭西南端沿海的伊阿蘇島，構成疊層石的基本單元--微生物席已經出現，這是目前可用肉眼直接看到的最古老生命記錄。（Allen P.Nutman et.al.,2016）

還是在杰克山冥古宙巖石中，又發現了一粒微小的鋯石，包含有幾個石墨斑點（圖11），測定其碳12/碳13的比值，居然與光合作用產物的一致，而測定這顆鋯石的年齡是41億年！因石墨是在鋯石結晶時包裹進去的，應該比鋯石更古老，顯示那時已經有生物在進行光合作用。

太古宙

圖14，西澳大利亞的皮爾巴拉地區，約34億8000萬年前，古太古代淡水熱泉沉積硅質巖中保存的層柱狀疊層石化石，是已知最古老的陸地生命記錄。（aca.unsw.edu.au）

圖16，西澳大利亞的皮爾巴拉地區，約34億3000萬年前，古太古代沉積的斯特雷利湖組巖石中的層錐狀疊層石化石。（bgc-jena.mpg.de）

圖17，把這種34億3000萬年的疊層石打磨拋光后，呈現出美妙絕倫的花紋，那是為光合作用而向上趨光生長微生物席的紋層化石。（crystalworldsales.com）

圖18，西澳大利亞比斯利河地區，約27億年的新太古代巨型穹狀疊層石化石。（Sanjoy M.Sometal .,2016）

地質學家將約40億年至25億年前的地球歷史時期稱為太古宙（Archean Eon）。以地殼形成和地球上出現最古老的巖石為起點。名字取自古希臘字"開始"的意思，并根據地球演化特點進一步劃分為始太古代 （40億至36億年前）、古太古代（36億至32億年前）、中太古代（32億至28億年前）和新太古代（28億至25億年前）。那時的地殼已冷卻到足以形成大陸和海洋，而且隨著大氣圈屏障的完善，天體的狂轟濫炸也大大緩解，生命開始形成。那時的地球表面布滿大大小小隕石和小行星撞擊坑，一些陸地上仍有巖漿在涌動，但大部分已被原始的海洋覆蓋（圖 12）。

始太古代，約37億年前，在今天格林蘭西南端沿海的伊阿蘇島（Iasuisland），微生物席及早期疊層石已經出現，這是目前可用肉眼直接看到的最古老生命記錄（圖13）。

此后，疊層石陸續在世界各地生長發育。

如，西澳大利亞的皮爾巴拉（Pilbara）地區，古太古代約34億8000萬年的德萊塞組（Dresser Formation）淡水熱泉沉積硅質巖中保存的層柱狀疊層石化石，是已知最古老的陸地生命記錄（圖 14、圖 15）；34億 3000萬年的斯特雷利湖組（Strelley Pool Formation）巖石中的層錐狀疊層石化石（圖 16、圖 17）。

如，西澳大利亞比斯利河（Beasley River）地區，新太古代約27億年的穹狀疊層石化石。測定同地點同時期熔巖流進海里快速冷卻時捕獲的氣泡，結果顯示當時的大氣壓不足今天的一半，說明那時的大氣圈還很薄，宇宙射線對地表的照射還非常強！但并不影響疊層石的茁壯生長（圖 18）。

元古宙

約25億年前至5億4200萬年前，地球歷史進入元古宙（Proterozoic Eon），其命名源自古希臘字，意思是"較早期的生命"。分為古元古代（25億至16億年前）、中元古代（16億至10億年前）和新元古代（10億至5億4200萬年前）。這一時期首次出現了一些穩定的大陸塊，并開始相互拼接。有大量的細菌和藻類化石記錄，其最重大的演化事件之一是有氧大氣圈的形成。

古元古代，大量的藍細菌等微生物形成一些大型-巨型的疊層石，并構成規模宏大的生物礁。如，南非北部德蘭斯瓦超群（Transvaal Supergroup） 瑪爾瑪尼白云巖（Malmani Dolomite）地層的巨型穹狀疊層石化石生物礁（圖 19）。

圖19，南非北部，約25億年的古元古代巨型穹狀疊層石化石生物礁。（all-geo.org）