简介
本系列图书涵盖8大未来更具前景的重要领域：天体物理、人工智能、太空探索、粒子物理、生命进化、人类起源、脑科学、地球地质、数学之美，通览各学科知识内核，一本书奠定一门学科的基础架构，短时间即可快速打通一个领域。
作者介绍
《新科学家》，创刊于1956年，是一个国际化的科学杂志，内容聚焦最新的科技发展。因其独特的视角和新颖的切入点，被科学家和普通民众广为传阅，在全世界有500万忠实读者，是英国高校的必订刊物。
部分摘录：
宇宙中唯一的家 有时候，常规事件会产生异常结果。这是46亿年前在一个不起眼的旋涡星系中发生的事情。
体积庞大的一团气体和尘埃开始坍缩成一团稠密的物质。随着重力吸引了越来越多的物质，它核心的温度和压力增加，直到引发核聚变。它释放了大量的能量，这标志着一颗恒星的诞生。
究竟是什么力量开启了这一过程，我们并不清楚，但它之前已经出现过无数次了，而这颗恒星本身也没什么特别的。
当这颗新生恒星开始自转时，较小的天体在围绕它的轨道上逐渐合并。气体分子和尘埃粒子融合形成岩石大小的物体，碰撞形成巨石，然后形成“星子”。它们不断增加的引力吸引了更多的物质，于是就形成了一系列炽热、熔融的行星。
八颗行星形成了，在第三颗行星上发生了一件非常了不起的事情，适当的条件使生命得以出现并繁荣，最终，进化出了智慧生命。作为智慧生命，我们人类会思考这颗星球是如何形成的，以及它是如何孕育生命的。我们把这里的星系称为太阳系，称呼那颗恒星为“太阳”，称呼我们的行星为“地球”。
神秘的开始 至少大概的过程是这样的。人们一般认为太阳系诞生的时间零点是45.67亿年前，而到了45.5亿年前，地球约65％的部分已经组装完毕。
早期的太阳系是一个充满活力的地方。在最初的几亿年里，碰撞很常见，地球很受伤。大约45.3亿年前，就在幼年的地球乳臭未干时，灾难降临了。它被一个火星大小的物体扫了一脚。撞击将碎片抛入轨道形成了月球，碰撞产生的能量熔融了地球的表层，抹去了以前所有的地质记录。那些没有到达月球的汽化硅凝结为熔岩雨，沉积形成熔岩海。地球最终熔融到地核，形成固体表面的过程再次开始。
正如你稍后将看到的那样，这并不是月球诞生过程的唯一版本。然而，似乎可以肯定的是，暴力事件仍在继续，直到41亿至38亿年前的一次持续猛击才结束，也就是今天所说的“晚期重轰炸”。至于这一阶段究竟有多么激烈，持续了多长时间，目前仍在争论之中。
这些绝对暴力的事件是我们对地球最初5亿年的认识存在偏差的原因之一，这是一个被称为冥古宙（Hadean）的地质时代，该名称源自古希腊神话中的冥王哈得斯（Hades）。科学家编造的故事最符合他们所掌握的证据，证据来自我们的物理和化学知识、动手实验的结果、对其他天体的观测以及计算机模拟。
目前科学家正在进行研究，并不断获得新的发现，建立新的模型，以回答我们的许多问题。那些被我们自以为已经掌握的理论在不断受到新证据的挑战，所以科学家的故事也在变化。
在我们尚未回答的问题中，有一个是关于地球上的水来自哪里。地球离太阳很近，在形成之初，它可能太热了，使得水很难从气云中简单地凝结出来。无论如何，在形成月球的大碰撞过程中，地球收集到的水很可能会蒸发掉。一种可能的解释是，水是后来才获得的，在后期重轰炸期，来自太阳系外的冰冷彗星和小行星将水送到了地球上。
还有一个问题是地壳是什么时候形成的。今天的地壳几乎全部由不超过38亿年的岩石组成，所以在地面上，冥古宙遗留下的痕迹很少。现存的古老岩石，绝大部分都被热和压力改变了。值得庆幸的是，有一种可能已经非常古老，被称为锆石的微小晶体，正在向我们传递重要信息。再加上不断改进的微量分析方法，这些发现可能会改写早期地球的故事。
还有一种方法可以让我们更多地了解冥古宙，在月球和火星上进行矿产勘探也可以揭示地球在大碰撞之前的样子。与地球不同的是，这些星球没有经历重新熔融，因此在它们的表面上找到真正古老岩石的机会要大得多。我们甚至会有如同中大奖一样的幸运，找到一块冥古宙时期被小行星撞击而进入太空，随后又降落在月球或火星上的碎片。
有了这些关于对地球诞生之初的知识基础，接下来让我们深入探讨那些让地球科学家、天体物理学家和古生物学家夜不能寐的问题。
我们神秘的月亮 对月球起源的解释一直是个问题。它太大了。我们太阳系中其他行星的卫星都没有这么大：它超过了地球直径的1/4。人们通常认为，其他行星已经俘获了它们较小的卫星，而月球这样的天体是不可能在运行过程中被捕获的。1879年，查尔斯·达尔文之子、天文学家乔治·达尔文提出了一个不同的想法。他认为早期的地球旋转得太快了，以至于土崩瓦解，把自己的一块碎片溅射入太空。
这个想法一度很流行，但在20世纪初却与行星动力学家的理论相悖，行星动力学家认为并不存在简单的加和关系。要使地球向外的离心力超过朝内的向心力，并使之分裂，地球必须以一种令人难以置信的速度旋转，大约每两小时旋转一次。
达尔文的想法已经被大碰撞假说或“大冲撞”所取代——一颗如同火星大小的物体以一定的倾斜角度撞击地球（见图1.1）。在早期太阳系混乱的碰撞物体中，人们完全有理由相信这期间可能产生巨大撞击。
图1.1 大碰撞创造了月球吗？
然而，我们通过对阿波罗宇航员带回的月球岩石的分析，可能对大碰撞的观点产生怀疑。根据大碰撞假说，阿波罗号采集的月岩本应来自撞击地球的物体，但分析表明，它们的氧、铬、钾和硅同位素与地球的没有区别。此外，还有些被认为来自月球地壳的样品中含有水。但根据大碰撞理论，碰撞之后产生的热量熔融了岩石，把水蒸发掉了。
不过，对这个问题我们并非已经无能为力了。我们先不去管地球内部的一个天然核反应堆爆炸并将地球的一部分射向太空这种推测性的想法，进一步的模型显示，又有一些碰撞假说对此提出了质疑。
加利福尼亚州芒廷维尤市地外文明搜索研究所的马蒂亚·库克和加利福尼亚大学戴维斯分校的萨拉·斯图尔特研究发现，如果地球旋转的速度比过去想象的更快，那么它喷射出月球所需的撞击力就会减少。不需要像火星那么大的撞击物，一个只有火星一半质量的撞击物以更陡的角度撞击地球就足矣，然后把自己埋在我们的地下深处。库克和斯图尔特的计算机模拟结果显示，这样的事件能够提供足够的能量，将一大块地球岩石溅射到旋转轨道上，从而使月球上的化学元素与地球的没有区别。
科罗拉多州博尔德市西南研究院的行星科学家罗宾·肯纳普提出了另一种“大碰撞假说”。她设想有两颗行星，每颗的质量大约为地球的一半，缓慢相撞。在接下来融合的过程中孕育了我们的地球，而月球只不过由剩下的残余物形成，从而确保月球和地球是用相同的原料造出来的。
真的是地狱吗？ 早期太阳系的混乱无疑会使天体四处奔袭。我们通过观察月球表面的陨石坑就能想象到一些撞击的规模。我们在地球上几乎看不到这种破坏，因为它已经被风、雨和植被所侵蚀。
阿波罗号宇航员带回地球的月岩表明，最猛烈的撞击发生在后期重轰炸期。在这次撞击之前和期间，人们普遍认为我们的星球是一个熔岩地狱，极热、极干燥，对生命充满敌意。直到在太古宙时期（见第2章 ）结束了轰击，条件才有了大幅改善，生命才有了立足之地。
然而，近年来，后期重轰炸期开始在几个方面受到质疑。最激进的是，一些科学家认为，关于月球撞击可能只是阿波罗在证据收集过程中的人为想象而已。
阿波罗号采集的样本来自月球上不同的地点。即便如此，研究人员指出，它们可能都来自单一事件的影响——一次或者多次撞击形成了雨海盆地，这是月球上的一个大而暗的斑块。这次事件中的岩石碎片可能污染了月球表面不同的部分，这意味着最初看起来像是一系列同时发生的撞击可能只是少数。如果撞击的痕迹被抹得更匀，早期地球就不会像最初想象的那么可怕。
还有一些其他关于冥古宙的证据，包括最微小的“证人”。锆石是硅酸锆的坚硬晶体，通常长约1毫米或更短，是地球上最古老的矿物之一。它们能在1600℃的高温烘烤下幸存下来，而且在河里被冲刷也能保持不碎。对地质学家而言，最重要的是，它们可以在数吨沉积物下幸存，而不像其他物质那样经历变形或熔融。
锆石在地球上随处可见，在几乎所有的花岗岩中都能被发现，它们形成于花岗岩上升和冷却之前在地球内部重新熔融之时。当花岗岩凝固时，岩浆中的锆会吸收硅酸盐并结晶成锆石。一旦侵蚀作用把它们从原始花岗岩中释放出来，它们在沉积岩中也就会变得很常见。
这些质疑冥古宙的锆石来自澳大利亚西部杰克山的岩石，这些岩石本身可以追溯到37亿年前。通过比较铀和它的放射性衰变产物的比例（见第2章 ）来确定年代之后，研究人员发现这里的锆石更加古老。其中有一块锆石形成于44亿年前，也就是说，仅仅在地球诞生2亿年之后，这种固体物质就已经存在于地球表面了。
此外，研究人员还发现了“包裹体”——锆石中夹有石英、云母和长石的痕迹。这表明锆石是由熔融、发生了变质作用的沉积物形成的，这些沉积物最初可能与泥巴或黏土相似。分析还发现，古锆石的同位素氧-18的含量很高。在潮湿、低温条件下形成的岩石往往会比其他岩石吸收更多的氧-18。