从宇宙大爆炸到寒武纪大爆发（上）

钱迈平 马 雪

宇宙诞生

约137亿年前，宇宙诞生于一次大爆炸！

这是目前科学界最著名，也是最广泛接受的宇宙演化模型，其依据来自长期的天文观测和计算研究。主要证据：

（1）河外天体有系统性谱线红移，红移与距离成正比。也就是说，它们正以距离成正比的速度离开我们，距离越远，视向速度越大，用多普勒效应解释，这是宇宙膨胀的反映，也暗示了宇宙曾经被压缩得很小。爱德温·哈勃在1929年发现了这一现象，这就是天文学界称为的哈勃定律。

（2）如果宇宙大爆炸的确发生过，那么爆炸的最初时刻一定非常非常热，宇宙中应留有这种热的残余。1965年，美国射电天文学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了一处272亿5千凯氏度 （-454.765华氏度，-270.425摄氏度）的宇宙微波背景辐射弥漫在可观测到的宇宙中，认为这就是科学家们一直在寻找的热残余。他俩因这一发现分享了1978年的诺贝尔物理学奖。

图1，约137亿年前，宇宙诞生于一次大爆炸。（seeker.com）

（3）在可观测到的宇宙中，丰富的"轻元素"氢和氦随处可见，也支持了大爆炸模型。

根据大爆炸模型的描述，约137亿年前，物质和能量浓缩在一个极小的奇点，温度极高，密度极大，瞬间发生快速膨胀（图1）。于是，包含着物质、能量、时间和空间的宇宙就诞生了，并一直不断膨胀，温度相应下降，形成星系、恒星、行星乃至生命。

已知最古老的恒星

约136亿年前，已知宇宙中最早的恒星形成。

2014年2月9日，澳大利亚天文学家斯特凡·科勒尔的研究团队宣布，他们用赛丁泉天文台的"天图绘制者"望远镜，发现了已知宇宙中最古老的恒星，命名SMSSJ031300.36-670839.3，简称SM0313。这颗星形成于大爆炸后仅1亿年左右，由更古老的恒星死亡时的超新星爆发释放出的气体云聚集形成，距离地球约6千光年，位于水蛇座（图2）。

银河系形成

约131亿年前，银河系形成。

目前多数天文学家认为，银河系和所有其他星系一样，诞生于大爆炸后产生的气体坍缩。

起初，气体和暗物质粒子一起被引力束缚形成一个近似球形的巨大团块，其中的气体原子因耗散性而迅速失去能量，向内坍缩。由于角动量总是守恒的，因此坍缩到质量团块内部的气体旋转速度加快，形成一个转动的气体盘，这就是银河系的胚胎（图3）。很快气体因辐射能量而冷却下来，凝聚成更小尺度，最终触发第一代恒星形成，银河系从此被点亮。

图2，约136亿年前，已知宇宙中最早的恒星形成。它就是2014年发现的SM0313星，位于水蛇座，距离地球约6千光年。（Kel ler SCetal .,2014）

图3，约131亿年前，银河系诞生于大爆炸后产生的气体坍缩。（eso.org/public）

太阳系形成

约45亿6600万年前，太阳系形成。

目前多数天文学家相信，太阳系和所有其他恒星系一样，诞生于星际云团的收缩聚集。他们推断，在银河系某处，一大片星际云团在引力作用下收缩聚集成一团。位于中心很小区域内的气体，在重力挤压下形成超高密度和温度的球体，这就是太阳的胚胎。

图4，约45亿6600万年前，太阳系诞生于星际云团的收缩聚集。（NASA/JL-ltech）

引力作用持续而强烈，气体和尘埃被不断吸入并相互加压，产生越来越多热量。太阳胚胎将变得更小、更亮、更热，内核开始产生核聚变反应。巨大的能量向四周喷出，形成强大能量风，吹离了四周尚未来得及吸入的气体和尘埃，太阳就这样形成。

太阳形成后，周围大量的星际气体、岩石和冰块，在太阳引力作用下围绕太阳公转（图4）。在太空零重力状态下，它们不会四散悬浮，而是会在引力作用下聚成一团，形成最初的行星。那时，有数以百计的新生行星围绕太阳运行，拥挤而混乱，相互撞击频繁，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获成为它的卫星，最终形成太阳系。

地球诞生

约45亿4000万年前，地球诞生。

天文学研究显示，围绕初生的太阳旋转的原始星云，经不断引力集聚、碰撞和挤压，逐渐形成了内部灼热的行星雏形，其中包括地球胚胎（图5）。随后，地壳开始形成（图6）。

地球诞生后，其中的放射性物质衰变，使地球内部进一步升温。当温度升到铁的熔点时，大量融化的铁向地心沉降，并以热的方式释放重力能。大量的热使地球内部广泛融化并发生改变，逐步形成分层结构，其中心是致密的铁核，熔点低的较轻物质则浮在表面，经冷却形成地壳。地球的磁场或许也在这个时期形成。

图5，约45亿4000万年前，地球诞生。(BBC)

图6，随后，地壳形成。 （Bu Magnet）

月球诞生

约44亿年前，地球与一颗正在形成的行星迎头相撞，产生了月球（图7）。

据美国"阿波罗"飞船采集的月球岩石样品，以及其他各项研究结果，多数科学家认为，地球形成1亿多年时，曾遭到一颗比地球小的，名叫忒伊亚（Theia）的行星撞击！飞溅起的熔融碎块，有一部分被地球的引力捕获进环绕地球运转的轨道，最终聚集形成月球。

新生的月球距离地球比现在近得多，在那时的地球上仰望天空，可看到一个巨大的月亮，可能比现在看到的大10～20倍。因此，当时月球对地球的引力比现在大得多，导致早期地球表面的岩浆及随后形成的海洋都有超强的潮汐作用。

冥古宙

地质学家将约45亿4000万年至40亿前地球的初生时期称为冥古宙，这个名字取自希腊神话的地狱之神冥王，以此形容当时地球表面环境像地狱一般--遍地熔融的岩浆，超高强度的宇宙辐射，还有陨石和小行星等太阳系其他天体的狂轰滥炸……（图8）

图7，约44亿年前，地球与一颗正在形成中的行星迎头相撞，产生了月球。（NASA/JPL-Caltech）

图8，冥古宙早期的地球情景--昏黑的天空，巨大的月亮，遍地汹涌的岩浆，狂轰滥炸的陨石……（Ron Mil ler via International space artnetwork）

图9，约44亿前，已知最古老的地壳碎片。（John W.Val ley,2014）

约44亿前，已知最古老的地壳碎片。

西澳大利亚杰克山冥古宙岩石中，发现的微小锆石晶体碎屑（图9），经放射性同位素测定和原子探针断层摄影研究相互印证，确定其年龄约44亿年。也就是说，地球形成1亿多年后，表面已冷却，地壳已形成。

研究还发现，这颗锆石碎屑来源于花岗闪长岩或石英闪长岩，因这两种岩石都富含水，所以推测当时的地表已存在液态水，或许原始的海洋已形成。

地球水圈和大气圈形成

那时聚合在地球内部及彗星撞击带来的水，受热气化上升，冷却成云降雨。大雨可能连续不断地下了几百万年，其中夹杂着无数的闪电，不断催化着岩石中的氮、氢等元素，形成氨基这样的组成低级生命所必需的有机分子。随着雨水不间断侵入，地表逐渐冷却，氨基酸等大分子形成，原始的海洋也随之诞生。那时气温仍很高，甚至海水是沸腾的。

图10，冥古宙晚期的地球情景--橙红色的天空，月亮仍然很大，火山爆发频繁，暴雨雷电不断，（nature.com）

图11，约41亿年前形成的一颗锆石包含的石墨斑点，碳同位素比值与光合作用产物的一致。（ izabeth A.Belletal .,2015）

地球相当大的质量，产生的引力足以捕获一些气体，组成最初的大气圈。随着地球大气圈的形成，大量的陨石和小行星在进入大气圈后，因超高速与大气摩擦产生的高温而烧蚀掉，天体轰炸逐渐减弱。当然，原始的大气圈是缺氧的，主要是混有氢气和水蒸气的高密度二氧化碳。臭氧层还没有形成，地球表面的宇宙辐射依然很强烈！

图12，太古宙时期的地球，一部分地壳尚未完全冷却，陆地上大大小小、密密麻麻的陨石坑历历在目，但生命已开始萌发。（Mar ioProtIV）

图13，始太古代，约37亿年前，在今天格林兰西南端沿海的伊阿苏岛，构成叠层石的基本单元--微生物席已经出现，这是目前可用肉眼直接看到的最古老生命记录。（Allen P.Nutman et.al.,2016）

还是在杰克山冥古宙岩石中，又发现了一粒微小的锆石，包含有几个石墨斑点（图11），测定其碳12/碳13的比值，居然与光合作用产物的一致，而测定这颗锆石的年龄是41亿年！因石墨是在锆石结晶时包裹进去的，应该比锆石更古老，显示那时已经有生物在进行光合作用。

太古宙

图14，西澳大利亚的皮尔巴拉地区，约34亿8000万年前，古太古代淡水热泉沉积硅质岩中保存的层柱状叠层石化石，是已知最古老的陆地生命记录。（aca.unsw.edu.au）

图16，西澳大利亚的皮尔巴拉地区，约34亿3000万年前，古太古代沉积的斯特雷利湖组岩石中的层锥状叠层石化石。（bgc-jena.mpg.de）

图17，把这种34亿3000万年的叠层石打磨抛光后，呈现出美妙绝伦的花纹，那是为光合作用而向上趋光生长微生物席的纹层化石。（crystalworldsales.com）

图18，西澳大利亚比斯利河地区，约27亿年的新太古代巨型穹状叠层石化石。（Sanjoy M.Sometal .,2016）

地质学家将约40亿年至25亿年前的地球历史时期称为太古宙（Archean Eon）。以地壳形成和地球上出现最古老的岩石为起点。名字取自古希腊字"开始"的意思，并根据地球演化特点进一步划分为始太古代 （40亿至36亿年前）、古太古代（36亿至32亿年前）、中太古代（32亿至28亿年前）和新太古代（28亿至25亿年前）。那时的地壳已冷却到足以形成大陆和海洋，而且随着大气圈屏障的完善，天体的狂轰滥炸也大大缓解，生命开始形成。那时的地球表面布满大大小小陨石和小行星撞击坑，一些陆地上仍有岩浆在涌动，但大部分已被原始的海洋覆盖（图 12）。

始太古代，约37亿年前，在今天格林兰西南端沿海的伊阿苏岛（Iasuisland），微生物席及早期叠层石已经出现，这是目前可用肉眼直接看到的最古老生命记录（图13）。

此后，叠层石陆续在世界各地生长发育。

如，西澳大利亚的皮尔巴拉（Pilbara）地区，古太古代约34亿8000万年的德莱塞组（Dresser Formation）淡水热泉沉积硅质岩中保存的层柱状叠层石化石，是已知最古老的陆地生命记录（图 14、图 15）；34亿 3000万年的斯特雷利湖组（Strelley Pool Formation）岩石中的层锥状叠层石化石（图 16、图 17）。

如，西澳大利亚比斯利河（Beasley River）地区，新太古代约27亿年的穹状叠层石化石。测定同地点同时期熔岩流进海里快速冷却时捕获的气泡，结果显示当时的大气压不足今天的一半，说明那时的大气圈还很薄，宇宙射线对地表的照射还非常强！但并不影响叠层石的茁壮生长（图 18）。

元古宙

约25亿年前至5亿4200万年前，地球历史进入元古宙（Proterozoic Eon），其命名源自古希腊字，意思是"较早期的生命"。分为古元古代（25亿至16亿年前）、中元古代（16亿至10亿年前）和新元古代（10亿至5亿4200万年前）。这一时期首次出现了一些稳定的大陆块，并开始相互拼接。有大量的细菌和藻类化石记录，其最重大的演化事件之一是有氧大气圈的形成。

古元古代，大量的蓝细菌等微生物形成一些大型-巨型的叠层石，并构成规模宏大的生物礁。如，南非北部德兰斯瓦超群（Transvaal Supergroup） 玛尔玛尼白云岩（Malmani Dolomite）地层的巨型穹状叠层石化石生物礁（图 19）。

图19，南非北部，约25亿年的古元古代巨型穹状叠层石化石生物礁。（all-geo.org）