星海中的地球，蒼藍(lán)色的微光

張雨晨

一、方? 舟

地球就是我們的方舟。

在小說《流浪地球》的故事中，為了避免被太陽的異常活動所毀滅，人類在地球表面建造了一萬多臺大如山巒的巨型離子發(fā)動機(jī)。通過它們磅礴的推力，人類硬是剎住了地球的自轉(zhuǎn)，還讓它逃出了原本的繞日軌道，成了奔向4光年外比鄰星的“流浪地球”。

現(xiàn)實(shí)中，人類的科學(xué)和技術(shù)水平，顯然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以來這樣一趟“說走就走的旅行”。雖然我們從地球上發(fā)射了不少載人宇宙飛船，甚至踏上了另一顆天體的表面，但這些進(jìn)入太空的智人，僅僅是他們70億同胞中的極少數(shù)，而他們在太空中停留的時(shí)間，也不過是其個(gè)體壽命的幾十分之一。

不過，我們往往忽略了一個(gè)因?yàn)檫^于顯眼而被無視的事實(shí)——我們身處的地球，就是一艘星海巨艦，其上繁衍生息的蕓蕓眾生，都是一輩子生活在浩渺宇宙中的航天員。到目前為止，地球依然是唯一能夠支持人類長期在太空中生活的方舟。

那么，就讓我們重新認(rèn)識一下這熟悉而又陌生的家園——地球。

二、地? “球”

“地球是圓的”對于我們來說，已經(jīng)是天經(jīng)地義的常識。但在大多數(shù)人類區(qū)域文明的大部分時(shí)間里，這個(gè)違反直覺的概念根本沒有存在的痕跡。

不過凡事總有可能出現(xiàn)例外。

早在古希臘時(shí)期，就已經(jīng)有先驅(qū)者提出了大地是球形的理論。他們或是發(fā)覺愛琴海上遠(yuǎn)遠(yuǎn)駛來的航船總是先露出細(xì)長的桅桿然后才會顯露船身，或是猜測月食發(fā)生時(shí)那個(gè)咬下月面的“天狗”就是大地在陽光下的投影。但不管通過何種途徑，這些先哲已經(jīng)隱約意識到了腳下的世界，絕非看上去那樣一馬平川。

“地理學(xué)之父”埃拉托色尼

在古希臘文明的后期，有著“地理學(xué)之父”美譽(yù)的埃拉托色尼（Eratosthenes）在前人的理論上更進(jìn)一步，完成了人類歷史上首次基于數(shù)學(xué)理論工具并有相對精確結(jié)果的地球周長測量工作。在他生活的時(shí)代，希臘文明的火光已經(jīng)隨著亞歷山大大帝的偉大遠(yuǎn)征在三個(gè)大洲上點(diǎn)燃。埃拉托色尼本人就長居于當(dāng)時(shí)高度希臘化的埃及，而他驚人的測地實(shí)驗(yàn)，也是在這片即便當(dāng)時(shí)也已有4000年文明歷史的古老土地上完成的。

埃拉托色尼在埃及測量地球周長的示意圖

在埃及南部的尼羅河上游，古城阿斯旺正好位于北回歸線附近，因此每到夏至日這一天的正午時(shí)分，太陽都會不偏不倚地位于天穹的正中，可以把陽光直接投射到豎直開鑿的水井底部。這一當(dāng)?shù)赜忻氖⒕埃蟠髥l(fā)了埃拉托色尼。于是，他在夏至日這一天測量了埃及北部亞歷山大里亞一座高塔在地面上的投影，根據(jù)投影與塔身各自的高度，算出了當(dāng)時(shí)陽光的角度。而亞歷山大里亞與阿斯旺之間的南北距離，則早就被精于土地測繪的古埃及人記錄在莎草紙上，保存在亞歷山大里亞宏偉龐大的圖書館中。于是，利用這些數(shù)據(jù)，外加現(xiàn)在中學(xué)就能學(xué)到的幾何學(xué)知識，埃拉托色尼算出了地球的周長——約252000希臘里，大致相當(dāng)于44000公里，這與現(xiàn)代精確測量的結(jié)果——40076公里比起來，僅僅多出了10%。

當(dāng)然，古希臘的地理發(fā)現(xiàn)對于“面朝黃土背朝天”的古代農(nóng)業(yè)文明來說，還是太過于反直覺了。因此在古希臘文明影響范圍之外，包括中國在內(nèi)的大部分古文明，都不約而同地秉持著另一套大同小異的“世界設(shè)定”，也就是所謂的“天圓地方”。

埃拉托色尼繪制的已知世界地圖（后人修復(fù)版本）

不過，在繼承了古典時(shí)代知識遺產(chǎn)的歐洲和西亞地區(qū)，地球的概念還是頑強(qiáng)地?fù)蔚搅丝茖W(xué)曙光的降臨。生活在羅馬帝國五賢帝時(shí)代的托勒密，就是基于古希臘先驅(qū)者的學(xué)術(shù)財(cái)富，提出了那個(gè)總會在介紹哥白尼時(shí)被拉出來批判一番的“地心說”。但我們在嘲笑托勒密“地球中心論”時(shí)，卻往往忽略了“地球”這一概念本身在古代社會的超前性。

更為不幸的是，埃拉托色尼超越時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，在后世被不斷地錯(cuò)誤改寫。地球的面目，在人類眼中開始重新變得模糊不清。

在埃拉托色尼去世1600多年后才誕生的哥倫布，之所以“膽敢”向西去尋找日本、中國和印度，就是因?yàn)楦鐐惒蓟诤笫厘e(cuò)誤的資料，把地球的尺寸少算了整整三分之一。若非正好有美洲大陸穩(wěn)坐于大洋正中，這位人類史上第三次“發(fā)現(xiàn)”美洲的探險(xiǎn)家，恐怕就要在一望無際的浩瀚大洋正中葬身魚腹，為自己的計(jì)算錯(cuò)誤賠上小命了。

也正因如此，當(dāng)時(shí)已經(jīng)積累了豐富航海殖民經(jīng)驗(yàn)的葡萄牙，果斷地“槍斃”了哥倫布提出的項(xiàng)目申請，將這個(gè)漏洞百出的計(jì)劃甩手讓給了當(dāng)時(shí)剛通過政治聯(lián)姻統(tǒng)一起來不久的西班牙。

“大圓航線”的幾何原理

然而哥倫布本人，卻對自己的計(jì)劃有著近乎執(zhí)拗的篤信。這種信念支撐他挺過了艱苦兇險(xiǎn)的遠(yuǎn)洋探險(xiǎn)，熬到了幸運(yùn)降臨的時(shí)刻，但也讓他直到晚年都沒能正確認(rèn)識自己的發(fā)現(xiàn)，最終反而讓一位名叫阿美利哥（Américo）的航海探險(xiǎn)家拿下了美洲（America）的“署名權(quán)”。幸好，盡管哥倫布（Columbus）的發(fā)現(xiàn)有很多“誤打誤撞”的運(yùn)氣成分，但他作為近代第一個(gè)再次發(fā)現(xiàn)美洲的探險(xiǎn)家，還是被歷史所銘記——美洲各處的“哥倫比亞（Columbia）”，就是在紀(jì)念這位從人品到學(xué)識都不甚完美的偉大開拓者。

當(dāng)然，如果只從實(shí)際角度出發(fā)，對于沒有進(jìn)入大航海時(shí)代的其他農(nóng)業(yè)文明來說，“大地到底長什么樣”其實(shí)是個(gè)無關(guān)江山社稷的“玄學(xué)”問題。但到了科學(xué)與技術(shù)雙雙高速發(fā)展，全球貿(mào)易與資本交流開始成型的近代社會，人們就必須考慮腳下這個(gè)大球的影響了。

最為典型的影響，就是“大圓航線”的發(fā)現(xiàn)。

我們?nèi)羰且獜谋本┏霭l(fā)，坐飛機(jī)去往美國的舊金山旅行，飛哪條路線才最近呢？

如果只看地圖，我們往往會想當(dāng)然地認(rèn)為，從北京起飛后一路向東，飛越日本后向正東方向橫跨太平洋是最佳的選擇，畢竟兩點(diǎn)之間線段最短，可謂古往今來盡人皆知的幾何常識。

然而實(shí)際上到底是不是這么一回事呢？

當(dāng)我們看到航空公司的航線圖時(shí)，會發(fā)現(xiàn)真實(shí)的航線與我們預(yù)期的大相徑庭。

為了盡量節(jié)約燃油與時(shí)間，各個(gè)航空公司的客機(jī)從首都國際機(jī)場起飛后，幾乎無一例外轉(zhuǎn)頭向著東北飛去，從黑龍江飛出國境后進(jìn)入俄羅斯領(lǐng)空。隨后，機(jī)長和飛行控制系統(tǒng)會將航向逐漸往東偏移，在廣袤的西伯利亞荒野上劃出一道優(yōu)美的弧線。當(dāng)飛機(jī)幾乎向著正東方向飛行時(shí)，它將會在白令海峽以南的阿留申群島上空穿過國際日期變更線，飛進(jìn)仍處于“昨日世界”的西半球。最后，客機(jī)將沿著北美大陸的西海岸繼續(xù)弧線南下，最終降落在舊金山國際機(jī)場。

為什么非要兜上這么大一圈呢？

不同的投影與展開模式下，地圖的樣貌大相徑庭

球面上的幾何學(xué)完全不同于平面

答案實(shí)際上非常簡單：因?yàn)榇蟮厥且粋€(gè)根本無法完美展開成平面的球面，所以我們看到的世界地圖，實(shí)際上都是經(jīng)過扭曲變形的“示意圖”;這條地圖上看似繞遠(yuǎn)的路線，恰恰是實(shí)際飛行中最短的捷徑。

從數(shù)學(xué)上看，球面上任意兩個(gè)給定的點(diǎn)都能連出一條可以視為軸線的弦，無數(shù)個(gè)截面圍繞著這條軸線，仿佛無數(shù)把西瓜刀，在球面上截出無數(shù)個(gè)經(jīng)過這兩點(diǎn)的圓形平面。當(dāng)我們把這些圓面單獨(dú)拿出來，就可以用簡單的平面幾何進(jìn)行分析。顯然，對于給定了弦長的情況，圓的半徑與周長越大，兩點(diǎn)間的劣弧就越“平”，距離自然也就越短。

而在球體上切出來的圓形截面中，經(jīng)過球心將球體均分兩半的“大圓”，周長最長。因此，對于球體上的任意兩點(diǎn)來說，它們之間沿球面的最短距離，就是它們與球心三點(diǎn)形成的大圓截面上的劣弧，也就是“大圓航線”。

而在電子科技高度發(fā)展的現(xiàn)代，地球的曲面則更有“存在感”。受制于地球的形態(tài)，任何架設(shè)在地面或者海面上的信號發(fā)射裝置，都會被拱起的大地“卡視野”，從而無法直接將無線電波發(fā)射到遠(yuǎn)處的低空或地面目標(biāo)上。

因此，預(yù)警機(jī)以及通訊衛(wèi)星就有了存在的必要——只有把雷達(dá)和通訊基站搬到天上去，才能最大限度地規(guī)避地球曲面帶來的通信阻礙，從而及早發(fā)現(xiàn)低空突防的敵人，或者順利傳輸精彩球賽的直播信號。

地球?qū)ξ覀兊挠绊懀瑥淖罨镜耐庥^就開始了。

通訊衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成了信息時(shí)代重要的通訊保障

三、深淵與蒼穹

我們對地球內(nèi)部的了解，還不如我們對太空的了解。

這也并不奇怪，致密堅(jiān)韌的厚重巖層，顯然遠(yuǎn)比空靈澄澈的黑暗真空更難看透。人類目前向腳下大地前進(jìn)的最深距離，也不過是蘇聯(lián)時(shí)代一次深“達(dá)”一萬兩千多米的科研鉆探。但這點(diǎn)兒距離相比于地球6378公里的半徑來說，連五百分之一都不到。

地球內(nèi)部分了好幾層，而我們連最外層的地殼都無法突破

面對這樣超出測量技術(shù)極限的任務(wù)，科學(xué)家們再次祭出了埃拉托色尼在兩千多年前就已使用的戰(zhàn)術(shù)，通過高度抽象的數(shù)學(xué)工具，從看似八竿子打不著的間接證據(jù)中，推測出真實(shí)自然的宏偉輪廓。

地震波就這樣成了科學(xué)家們研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的敲門磚。

每一次地震，都仿佛一顆投入池塘的石子，所釋放的地震波將會在整個(gè)地球內(nèi)部輻射擴(kuò)散。但就像射入水面的陽光一樣，地震波同樣也會在不同介質(zhì)的交界面上形成反射與折射，而這些介質(zhì)本身，也會影響地震波的信號特征。于是，通過監(jiān)聽每次地震在大地深處的一次次回響，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，科學(xué)家們就可以描繪出地球內(nèi)部那些從未被人類親眼所見的壯美奇觀。

在地球的最外側(cè)，是厚度“僅”有幾十公里的巖石地殼。目前人類所有的挖掘與鉆探活動，全都只是在這一層相當(dāng)于地球“果皮”的外殼里折騰。鉆石、石油、化石等所有人類目前可以觸及的地下寶藏，全都來自這薄薄的一層。

在這層對于人類來說已然深不見底的巖石外殼之下，就是厚達(dá)2800多公里的地幔。目前的研究結(jié)果表明，地幔的大部分成分都是處于熔融狀態(tài)的巖石。這些熾熱的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，占據(jù)了地球主要的“果肉”成分，它們偶爾沖破地殼來到地表，就會形成恐怖卻又壯麗的火山爆發(fā)。

穿過地幔之后，地震波會出現(xiàn)一個(gè)明顯的反彈，仿佛灑落在湖面上的陽光。這片位于地球深處的“湖”，就是液態(tài)的外地核。從它的密度看，外地核的主要成分可能是在高溫高壓下化為液態(tài)的鐵與鎳，隨著地球的自轉(zhuǎn)，圍繞著地心快速流動。

而在這片“鐵湖”之下，就是地球真正的核心——內(nèi)地核了。這里的溫度足有6000℃，壓力更是達(dá)到了360GPa，是高壓鍋工作壓力的百萬倍。人類若想親自踏足這里，也只能依靠大劉的著名科幻小說《帶上她的眼睛》中的黑科技“深潛船”了。

對于地球內(nèi)部的環(huán)境來說，東西堆得多了，自然會“壓力山大”，但熾熱的高溫又是怎么來的呢？

地球內(nèi)部的熱量，其中一小部分來自于地球自星云中誕生時(shí)物質(zhì)大量堆砌擠壓所產(chǎn)生的余熱;而其余的大部分熱能，都來自于地球內(nèi)部放射性物質(zhì)（比如鈾-238）的衰變。這些放射性同位素，會不斷地為自己“減肥”，將多余的粒子拋出，并釋放能量。因此，它們往往會在沒有外部條件影響的情況下自發(fā)地“發(fā)光發(fā)熱”，甚至可能會把自己燒得通紅。地球內(nèi)部的“熔火之心”，就是這樣煉成的。

至于人類發(fā)射的不少太空探測器，也同樣效仿地球這艘“母船”，搭載著內(nèi)含一塊塊紅熱放射性物質(zhì)的核電池，用以在黑暗深空的漫漫航行中為機(jī)體提供源源不斷的電力。

而對于地球上的所有生命來說，地心的熱量更是必不可少的生存前提。

正是由于高溫下維持著液態(tài)的外地核，地球才能在內(nèi)部形成一個(gè)至今原理尚不完全為人類所明了的超級磁場。在這個(gè)我們熟知的“地磁場”中，無數(shù)的磁感線在太空中散開，為地球打造了一面足以偏轉(zhuǎn)太陽風(fēng)的電磁護(hù)盾。只有在電磁南北兩極附近，來自天外的高能粒子才會肆意地撞擊地球大氣，從而形成縹緲炫目的美麗極光。

為生命抵擋著太陽風(fēng)的地磁場

若是沒有這張電磁護(hù)盾，那么地球的命運(yùn)就可能就要向火星看齊了。

我們的這顆紅色鄰居，曾經(jīng)也有一顆“火熱的內(nèi)心”，但如今卻早已冷卻。因此，火星的磁場強(qiáng)度，大約只相當(dāng)于地球的千分之一。如此一來，火星原本的大氣與水，就不得不直面太陽風(fēng)的持續(xù)轟炸，最終大量逸散，使得火星成了如今荒涼的模樣。

我們的星球，確實(shí)是太陽系中唯一能讓我們安心生存的“應(yīng)許之地”。但我們這些“住戶”，也同樣改變著自己的家園。

四、淡藍(lán)的方舟

“大自然真的自然嗎？”

正如《三體》中所提到的，地球孕育了生命，但生命也反過來塑造著地球。在生命對地球的諸多改變中，影響最大的一次，就是發(fā)生在新元古代的“大氧化”。

24億年前的地球與如今的生命樂園大相徑庭——大氣中充斥著氫氣與甲烷，卻沒有抵擋紫外線的臭氧層;海水雖然已經(jīng)擁有了原始的生命，但堆滿了鐵離子和硫化物。

直到一類名為藍(lán)藻的原始生命，經(jīng)過一連串的演化巧合，獲得了進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用的能力之后，整個(gè)地球生態(tài)環(huán)境才迎來了一次徹底的大洗牌。

對于當(dāng)時(shí)占絕大多數(shù)的厭氧生命來說，氧氣是一種十足的毒藥。于是，藍(lán)藻家族迅速統(tǒng)治了當(dāng)時(shí)的海洋，當(dāng)了一把名副其實(shí)的“舊日支配者”。此時(shí)的其他生命，絕大多數(shù)都在氧氣的狂潮席卷下，迎來了徹底的毀滅，而僅存的孑遺，要么逃入深海熱泉附近茍延殘喘，要么勉強(qiáng)發(fā)展出一套適應(yīng)高氧環(huán)境——甚至利用氧氣進(jìn)行呼吸的系統(tǒng)，成了日后包括人類在內(nèi)的幾乎所有大型生物的直系祖先。

但被氧氣徹底改寫的，不僅僅是生命的演化道路，還有整個(gè)地球的生態(tài)環(huán)境。

海洋中的鐵離子被氧氣毫不客氣地綁架，成了沉淀在海底的赤紅礦石——“大氧化”這個(gè)名字，就來自于這些在地層中時(shí)常得見的赤鐵礦。而更深層的影響，則發(fā)生在大氣層中。大量涌入的氧氣，迅速將大氣中的甲烷氧化為二氧化碳，大大減弱了原本的溫室效應(yīng)，引發(fā)了地球形成以來的第一次冰期——休倫冰期。在這場持續(xù)了三億年的漫長寒冬中，厚達(dá)百米的蒼白冰蓋，從兩極一直延伸到赤道，將整個(gè)地球籠罩在白色的死寂之中，也為地球上的生命，帶來了一場可怕的大滅絕。

近乎與世隔絕的深海熱泉成了很多上古孑遺生物的庇護(hù)所

“阿波羅17 號”飛船拍攝的地球

不過也正是因?yàn)檠鯕猓钟贤饩€的臭氧層才得以形成，從而保護(hù)了古老地球脆弱的原始大氣與珍貴的水資源，使其免于被紫外線轟擊分解后逸散到太空。從此以后，地球才逐漸披上了我們現(xiàn)在近乎熟視無睹的蔚藍(lán)色光暈。

我們所熟悉的地球，是從“大氧化”以后才一步一步形成。而一切的原因，僅僅是一群肉眼都看不到的微生物發(fā)生了一組恰到好處的基因突變。

這就是生命的力量！

如今，另一場恰到好處的基因突變已經(jīng)發(fā)生，讓一批源自非洲草原的靈長目動物產(chǎn)生了演化史上從未出現(xiàn)過的高度智慧，賦予了他們像藍(lán)藻那樣對地球生態(tài)進(jìn)行“洗牌”甚至“掀桌”的能力。

然而，對于地球來說，這些風(fēng)雨變遷，都不過是億萬年間的過眼云煙，至于這種力量將會帶來怎樣的未來，大概也只有那些裸猿自己才需要在意了。

畢竟對于宇宙來說，就連整個(gè)地球，都不過是一點(diǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)瞬即逝的蒼藍(lán)微光。

【責(zé)任編輯：劉維佳】