為什麼有地球?

地球於何時形成
直到目前為止科學家發現地球上最古老的岩石的年齡是四十五到四十六億年，即是在四十五到四十六億年以前，當時在太空中的太空塵非常濃厚，由於這些太空塵的運動堆積於是形成太陽系和太陽系諸行星，地球便是在這樣的情況下生成的。 剛形成的地球和月球一樣，是由灰色的岩石所構成，不久內部的溫度越來越高，重量很重的鐵鎳等物質就下沉到中間，形成核心，地函和核心就是這樣分開的。而地函中較輕的部份則浮到地球表面形成地殼。宇宙起源於一場大爆炸，將宇宙由一個點炸開，釋放出存在的所有能量、物質及反物質。在大霹靂後第一個百萬年裡，物理學家溫博格（Steven Weinberg,1933-,一九七九年諾貝爾物理獎得主）估計，宇宙溫度以由最初的凱氏一千億度下降到三千度左右。在這個溫度下，單一電子及質子才能結合而產生宇宙中最簡單、也是最豐富的元素--氫氣。後來，氫氣在併發成超新星。所謂的超新星，氏在超過數十億年的時間中，宇宙氫氣密度發生變化而形成的巨大星雲。載重力的作用下，超新興的核心變得很熱，足以又發熱核反應，產生了我們今天所知道的宇宙所有較重元素。 新產生的元素散布到太空中成為星塵及氣體，構成了星雲。在星雲中，又誕生了許多星球及他們的行星、衛星。星辰及氣體則會再度因重力作用而彼此吸引在一起、經過墜落及聚集，直到產生核反應。 在第一個叫做地球的東西，於銀河外幣的太陽星雲形成之前的五十億年到一百五十億年間，宇宙早已發生了數十億計星球形成的合併事件了。 那些日後註定要變成地球氣體雲團的物質，包括了氫、氦、碳、氮、氧、鐵、鋁、金、鈾、硫、磷及矽等元素。太陽系的其他星球也以相同的氣體及塵粒團塊開始成形。若在當時，這些氣體及塵粒沒有被位居星雲中心的雛型太陽所吸引，就會像沒有目標的碎屑，冷卻並漂浮在毫無生機的太空中。 太陽的重力把逐漸堅硬的小物體拉進運行軌道中，並點火燃燒，成為長久持續的燃燒狀態。如此，太陽也把他的衛星永欲在連續發散的光、氣體及能量中。 早期地球形成時的猛烈大氣及高溫，使得地球在超古元（四十五億年前至三十九億年前）得最早歲月裡，沒有堅硬的地殼，也沒有海洋及湖泊，甚至可能連冬天的雪及冰都沒有。整個地球是一個熔融的熔岩火球。地殼放射性元素衰變所產生的熱，把整個地球都燃燒起來。地球的水以蒸氣噴泉方式自內部激射出來，由於溫度太熱，他們從未變成雨滴降到地面，只是成為為凝結的水蒸氣漂浮在大氣中。大氣層很厚，而且充斥著毒性極高的氰化物及甲醛。這時的大氣既沒有可供呼吸的氧氣，當然更沒有任何利用氧氣的有機生物產生。 地球上沒有任何岩石可以逃過這個地獄般的原始渾沌狀態。超古元的時間是由隕石及阿波羅號太空人自月球帶回來的岩石所測定的。當較小的月球在四十六億年前開始冷卻時，地球仍處於熔融狀態。大約直到三十九億年以前，地球表面才冷卻到足以形成一層薄薄的地殼，布平穩地蓋在地下仍是熔融的地函上頭。此時的地殼常被底下的熔岩穿鑿，或是被隕石從空中撞擊成大大小小的坑洞。火山自裂縫噴發出來，噴灑出熔熔的矽化物。隕石從天而降，劇烈地撞擊地球，他們有些大得像山，而且比美蘇兩個超級強國的核子彈頭，更具爆炸威力。這些隕石帶來大量太空物質，在渾沌大地上撞出一個坑洞，拋射出巨大塵粒雲柱。烏黑的塵雲被猛烈的巨風吹掃出來，繞著地球打轉數個月，直到最後整個沈降到地表上。此時，驚人的塵雲摩擦作用，造成廣泛分佈的雷鳴及閃電風暴。
原始生命露臉
然而，在三十九億年前，太古元時期開始了。他整整持續了十三億年。在這段期間可以看見生命由發生初始，慢慢擴展形成各式各樣柔軟的紫色和綠色的細菌軟墊，以及堅硬的細菌圓丘。而隨後的三十億年，巨量的岩石變成美洲、非洲及歐亞陸塊，以現今我們不熟悉的古老洲陸形狀漂浮在地球上。今天我們所認識的大陸分佈，則是在地球歷史最近十分之一的時間，才出現再現今的位置。

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畫家筆下的原行星盤。
地球伴隨著太陽系誕生：太陽系誕生之初，是以巨大並不斷旋轉的由塵埃與氣體組成的雲團的形態存在。其由大爆炸所生成的氫與氦組成，同時亦有著由很久以前的星球所生成的較重的元素。然後在大約四十六億年前（以此條目的虛構時鐘來說，等於地球誕生前十五至三十分鐘），一個鄰近的恆星可能變成超新星。該次爆炸對太陽星雲傳送了一個震盪波，並使之收縮。因為雲團旋轉，重力與慣性將雲團壓為一個圓碟，與其旋轉軸成垂直。大部份質量集中在中央並開始加熱。與此同時，因為重力使得物質環繞塵埃粒子緊縮，使得圓碟剩餘部份開始分解為環狀物。細少的碎片互相碰撞並組成較大的碎片。[2] 而組成的地球物質並眾集在距中央約一億五千萬公里的地帶。當太陽收縮並被加熱，核融合開始，而因此形成的太陽風則清空了在圓碟內大部份沒有收縮並組成較大個體的物質。


[編輯] 月球


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表述泰雅在地球的L5點形成，並且被重力所擾亂，而撞向地球，從而形成月球的動畫（未按比例）。此動畫想將月球形成的過程假設成一年內，並假設地球不會移動，並以南極為視角。月球的起源仍然眾說紛紜，但以巨大撞擊假設的支持證據最多。地球可能並非惟一的在距離太陽1.5億公里處生成的行星。所以科學家們假設了另一顆原始行星在距離太陽與地球1.5億公里處，即第四個或第五個拉格朗日點處形成。此行星被命名為泰雅，並假設其較現在的地球為小，大約為火星的大小與質量。其運行軌道剛開始時應該較為穩定，但其後被不斷增加質量的地球所擾亂。泰雅開始迴轉並向地球靠攏，最後在大約四十五億三千三百萬年前[3]（大約為假設時鐘的上午12時5分），其以一個低斜的角度與地球發生碰撞。其低速與低角度並不足以毀滅地球，但足以使大部份地殼被噴出。構成泰雅的重金屬沉入地球的地核內，而剩餘的物質與噴出物則在數周內冷礙為一個獨立個體。在其自身的重力影響下，大約於一年內，其成為一個較為球狀的個體，即是月球。[4] 而人們亦相信這次撞擊使地球的自轉軸傾斜了23.5°，使地球出現四季。（一個簡單，完美的星體應是自轉軸沒有傾斜並沒有分明的季節。）其亦可能加速了地球的自轉速度並使地球出現了板塊構造。

我們的宇宙一開始是處於一種物質與光均無法單獨存在的高溫，高能量狀態。在距今約一百五十億年前，也許是因為能量過高而發生了大爆炸，也就是大霹靂，大爆炸使得宇宙急速膨脹，溫度快速地下降，據估計大爆炸後一百萬年間，宇宙的溫度由絕對溫度一千億度降至三千度左右，適合單一電子與質子結合成宇宙中含量最豐富的元素也就是氫。

再經過數十億年的時間，氫元素聚集合併成許多巨大雲層，這些雲層在宇宙中收縮，密度逐漸加大，終於形成一顆超新星。在重力的作用下，這顆超新星的核心溫度不斷提高，當超過一千萬度時，原子核間產生了核融合反應,目前所知宇宙中所有較重的元素，都在該反應中從氫原子及各種次原子中產生出來。

在大霹靂發生時，宇宙最初的溫度是1011K，充滿了由輻射與物質混合成無法辨別的漿，每一個粒子與其他粒子產生碰撞而散發出熱能，因此即使宇宙正迅速膨脹，但仍然維持在一個趨近於熱平衡的狀態，而此時含量最多的粒子是那些底限溫度（底限溫度是靜止能量除以波茲曼常數，在底限溫度以上時，粒子可由熱輻射中自由創生）小於1011K的粒子，也就是電子及正子，此外還有質量為零的光子，微中子和反微中子。

我想我們可以想像宇宙的最初幾分鐘的樣子。

首先我們假設呈現的景像是迅速膨脹後冷卻下來，其膨脹速率是依宇宙各部分以某一脫離速度離開宇宙中心的情形而定。因為此時宇宙的密度極大，所以脫離速度也非常大，此時宇宙的膨脹的本徵時間為0.02秒，本徵時間可定義為宇宙每增加百分之一大小所需時間的一百倍，且任一時間的本徵擴張時間就是當時哈伯常數的倒數。在那個時候，核粒子的數目很少，大約每十億個光子或電子微中子才出現一個質子或中子，而粒子間會相互碰撞，反微中子加質子產生正子與中子，微中子加中子產生電子與質子。（逆向亦成立）此時因質子中子產生的速率相等，所以這個時候宇宙中質子和中子的數目相等，而且這些粒子並未被束縛成原子核。

而下一個瞬間宇宙的溫度到達3×1010K，大概是跟大霹靂相差了0.11秒，宇宙整體並沒有很大的改變，組成物還是以電子、正子、微中子、反微中子和光子為主，也達到熱平衡，溫度仍高於各粒子的底限值。因此能量密度只以溫度的四次方降低，此時的能量約為水的靜止質量所含能量密度的三千萬倍。膨脹速率依溫度的平方下降，此時的本徵擴張時間增為0.2秒，含量少的核粒子還沒有被束縛成原子核，不過因為溫度下降，質量較重的中子轉成較輕的質子比逆向反應較易發生，所以核粒子的平衡改變為中子佔38%而質子佔62%。

離宇宙誕生1.09秒後這個時候的溫度為1010K，此時因密度和溫度的降低，促使微中子和反微中子的平均自由時間顯著增加，所以行為趨近於自由粒子，而不再與電子、正子或光子達成熱平衡。微中子脫離熱平衡後宇宙並沒有顯著變化，但此時的總能量密度比之前低，其能量大小之比還是溫度比值的四次方，所以其質量當量約為水的三十八萬倍，宇宙膨脹的本徵時間也同時增加到二秒鐘，此時溫度只有電子及正子底限溫度的兩倍，它自消失的速率開始比由輻射生成的速率大，不過溫度還是很高，質子和中子還是無法形成原子核，此外因溫度的下降，此時的中子質子比為24%的中子與76%的質子。

一開始到現在已過了13.82秒，此時宇宙的溫度是3×109K，因溫度已降到電子和正子底限溫度以下，因此電子和正子正快速消失，不過在消失過程中所產生的能量會減慢宇宙冷卻的速度，在此之後的溫度都是指光子的溫度，而且因電子正子的消失，此時的能量密度比之前所說的隨溫度的四次方降低時還的能量還要低。如果溫度夠低，就會形成像氦等的穩定核粒子，但不是馬上發生，因為宇宙還在快速膨脹，所以原子核必須經快速的雙粒子反應才會產生。此時普通的氦原子是緊束的，但氚和三價的氦原子核的束縛力不及普通的氦原子子核，尤其氘原子核更鬆散。這個時候的溫度使氘原子核分裂速率和生成相等，故較重的原子核完全沒有產生的機會，此時中子仍不停地轉成質子，只是已經遠較以前慢，此時的平衡情形是17%的中子加83%的質子。

過了三分零二秒，宇宙的溫度已下降到109K ，只比太陽中心高約七十倍。大部份的電子和中子已消失，在這個時候的物質只剩下光子、微中子和反微中子。而電子正子消失所放出的能量全給了光子。在這個時候宇宙溫度已夠低而可以形成氚原子核、三價氦原子核和普通的氦原子核，不過有所謂的「氘瓶頸」，意思是氘原子核不能長時間地束縛在一起，這使得較重的原子核不能生成，粒子間的碰撞已停止，但自由中子則開始衰變為質子，而中子質子的平衡情形是14 %的中子和86%的質子。再過一會，等到溫度下降到氘原子核可穩定形成，渡過了「氘瓶頸」後較重的粒子便快速產生，不過其他更重的原子核的生成數並不多，這是因為還有其他的瓶頸存在。對每一個核粒子對十億光子的情形而言，核合成開始於三分四十六秒，中子的衰變改變質子中子比，在核合成之前的平衡成為13%的中子和87%的質子。如果核粒子的密度再更高一點，核合成的時間會發生的較早。

此時大霹靂已經經過了三十四分四十秒溫度是3×108K，除了少數電子用來平衡質子電荷以外，其他的電子和正子都已消失且能量都已釋出，這個時候的宇宙能量密度是水質量當量的9.9%，而其中有31%是以微中子及反微中子存在，69%是以光子存在。因能量密度減小使得本徵擴張時間降為一又四分之一小時。這個時候核子反應已經停止並且以氦原子核和自由質子的方式存在，氦原子核所佔的質量比約為百分之二十二到二十八。不過宇宙溫度還是太高而無法形成穩定的原子。

在此之後的宇宙仍然繼續膨脹並且慢慢地冷卻，之後的七十萬年溫度繼續下降使電子和原子核開始能夠形成穩定的原子，接下來因為粒子的碰撞合成，許多的物質就開始形成星體和星系，太陽系、銀河系和恒星、行星，也包括了我們現在生活的太陽系和地球，進而才漸漸演進形成了我們今日所存在的宇宙。

接下來我們要討論的就是宇宙未來可能的走向。