就目前所知，地球是唯一一個擁有生命的星球。在危機(jī)四伏、到處都是不毛之地的宇宙中，居然還存在一個如此美麗而生機(jī)勃勃、萬物競發(fā)的綠洲，實(shí)在是一個不折不扣的奇跡。
事實(shí)上，一個星球要想孕育出生命，是件極端困難的事情。不說其他因素，僅對這個星球本身而言，就必須同時滿足以下三個條件：第一，它必須有一個合適的質(zhì)量，不能太小也不能太大。如果質(zhì)量太小，它就無法靠自身引力阻止周圍氣體的逃逸，從而變成一顆沒有大氣層環(huán)繞的巖石星球；如果質(zhì)量太大（比如超過地球質(zhì)量的 10 倍），它就會吸引太多的氣體,從而變成一顆氣體行星。在這兩種情況下，生命都無法生存。第二，它必須處于一個合適的位置，與恒星離得不能太近也不能太遠(yuǎn)。如果離得太近，星球的表面溫度就會很高，讓所有的水都變成水蒸氣；如果離得太遠(yuǎn)，星球的表面溫度就會很低，讓所有的水都變成冰。換句話說，要想保證液態(tài)水的存在，這個星球必須位于一個狹小的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，這就是所謂的宜居帶。事實(shí)上，如果地球離太陽再遠(yuǎn) 5%，或者再近 15%，就會從這個宜居帶里掉出去。第三，它必須有一個合適的內(nèi)部活躍程度，不能太平靜也不能太劇烈。如果內(nèi)部活動太平靜，就不會產(chǎn)生地質(zhì)活動，也無法形成大氣和磁場；如果內(nèi)部活動太劇烈，地震和火山就會持續(xù)不斷地爆發(fā)，把這個星球變成一個活生生的地獄。在接著講地球?yàn)楹问巧G洲之前，我想先談一個比較理論、也比較前沿的話題。事實(shí)上，沒有任何一個科學(xué)理論能決定一個星球的初始狀態(tài)。換句話說，一個星球的質(zhì)量、位置和內(nèi)部活躍程度應(yīng)該是完全隨機(jī)的。既然如此，為什么地球能完美地滿足這三大條件呢？最早回答這個問題的人，是澳大利亞裔物理學(xué)家布蘭登·卡特。如果你以前看過霍金《時間簡史》，應(yīng)該會對這個名字有印象。事實(shí)上，卡特是英國物理學(xué)家霍金的同門師弟，并且與霍金一起提出了著名的黑洞無毛發(fā)定理。1973 年，卡特參加了一個紀(jì)念哥白尼 500 周年誕辰的學(xué)術(shù)研討會。在這次研討會上,他提出了一個影響深遠(yuǎn)的理論，那就是著名的人擇原理。人擇原理說的是，如果一個自然現(xiàn)象無法產(chǎn)生任何觀察者，那么這個現(xiàn)象就不可能被觀察到。這意味著，追問不可能被觀察到的現(xiàn)象為什么不存在，是一件沒有意義的事情。有了人擇原理，前面說的那個問題立刻就迎刃而解了。如果地球不滿足這三大條件，地球上就不可能出現(xiàn)生命，也就不會出現(xiàn)像我們這樣的智能生命來追問這個問題。換句話說，我們能追問這個問題，這本身就是這個問題的答案。（好家伙，這就是套娃嗎？手動狗頭）正是由于有合適的質(zhì)量、位置和內(nèi)部活躍程度，地球才得以長期擁有使她變成生命綠洲的三大要素，也就是海洋、大氣和磁場。讓我們從地球的海洋說起。就目前所知，地球是獨(dú)一無二的表面擁有液態(tài)水的星球。據(jù)科學(xué)家估算，地球擁有的總水量約為 13.76 億立方千米，其中海水總量約為 13.35 億立方千米，大概占地球總水量的 97%。一般來說，海水會吸收波長較長的紅光、橙光和黃光，而反射或散射波長較短的綠光和藍(lán)光，這會讓大?？雌饋硎撬{(lán)色的。由于海洋面積大概占地球總表面積的 75%，所以人們經(jīng)常把地球稱為藍(lán)色星球。眾所周知，水是生命之源?，F(xiàn)在有很多生物，沒有氧氣和陽光也能生活下去；但沒有發(fā)現(xiàn)任何一種生物，能在沒有水的情況下生存。事實(shí)上，地球上最早的生命，就誕生在海水之中。原因很簡單。對于蛋白質(zhì)之類的有機(jī)大分子而言，水是最好的溶劑。正是在液態(tài)水的環(huán)境中，這些有機(jī)大分子才可以互相混合，進(jìn)而通過各種化學(xué)反應(yīng)來形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，最終演化成真正的生命體。此外，水也是生命的很多新陳代謝活動的基礎(chǔ)。舉個例子，如果沒有水，光合作用和呼吸作用就都無法再進(jìn)行下去。從這個意義上講，液態(tài)水是生命活動不可或缺的舞臺。所以，地球能擁有液態(tài)水的海洋，實(shí)在是地球生命的福音。但是，僅僅擁有海洋，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)樵谌魏螠囟认?，水都可以蒸發(fā)。舉個例子。你要是把一盆水放在地上，時間長了，你就會發(fā)現(xiàn)這盆水變得越來越少，最后甚至完全消失。這是因?yàn)橐簯B(tài)的水自發(fā)地變成了氣態(tài)的水蒸氣。同樣的道理，海洋里的水，也會自發(fā)地變成水蒸氣。如果沒有其他因素阻止，這些水蒸氣就會逃逸到太空中；久而久之，地球上的海洋全都會干涸。幸好，地球擁有阻止水蒸氣逃逸的機(jī)制，那就是地球的大氣。大氣的組成
眾所周知，地球擁有一個大氣層，也就是受地球引力吸引而環(huán)繞地球的一層混合氣體。據(jù)科學(xué)家估算，這層混合氣體的總質(zhì)量約為 5.15×1018千克，其中包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約78%的氮?dú)夂?1%的氧氣，此外還包括氬氣和二氧化碳在內(nèi)的少量其他氣體。事實(shí)上，正是這個大氣層阻止了水蒸氣的逃逸。由于大氣層的溫度較低，水蒸氣進(jìn)入大氣層以后，會遇冷而凝結(jié)成小水滴，然后再以降雨的形式返回地表。如果地球沒有大氣，這個水循環(huán)就會被打破；久而久之，地球表面的水就會蒸發(fā)殆盡。 事實(shí)上，地球大氣還有很多其他的重要功能。比如說，地球大氣中還含有一些溫室氣體，包括二氧化碳、水蒸氣、甲烷和臭氧。溫室氣體最大的特點(diǎn)是，對波長較短的電磁波幾乎沒什么影響，而對波長較長的電磁波有很強(qiáng)的吸收能力。太陽表面的溫度很高，輻射出來的電磁波能量高波長短，所以不會受到溫室氣體的阻礙，能順利到達(dá)地球表面。而地球表面的溫度較低，輻射出來的電磁波能量低波長長，所以會有很大一部分被溫室氣體攔截下來。因此，溫室氣體的存在能讓行星表面的溫度升高，這就是所謂的溫室效應(yīng)。據(jù)科學(xué)家估算，如果沒有溫室效應(yīng)，地球表面的平均溫度大概會下降 32℃。此外，地球大氣層中還有一個臭氧層，大致分布在與地球表面相距 20 ～ 30千米的環(huán)形區(qū)域。臭氧層能吸收掉太陽光中 97% 的紫外線。如果沒有這個臭氧層，這些高能的紫外線就會直接照射到地球表面，從而對地球生命造成嚴(yán)重的威脅。不是什么天體都能擁有大氣層。比如說，我們熟悉的月球就沒有。那到底什么樣的天體能擁有自己的大氣層呢？這取決于它的質(zhì)量和它與太陽之間的距離。一方面，大氣會受到這個天體引力的吸引，從而被束縛在此天體的周圍。引力束縛的強(qiáng)弱取決于天體的質(zhì)量：質(zhì)量越大，引力的束縛就越強(qiáng)。另一方面，大氣又會從太陽那里獲得熱量，從而產(chǎn)生逃跑的動力。逃跑動力的大小取決于天體與太陽之間的距離：離得越近，大氣逃跑的動力就越強(qiáng)。這兩股力量一直在彼此斗爭。如果引力的束縛占了上峰，行星就能擁有自己的大氣層；如果逃跑的動力占了上峰，行星就會變成光禿禿的樣子。我們的地球能擁有大氣層，就是地球引力占上峰的結(jié)果。不過，只是引力占上峰，還不足以讓一個天體一直保有大氣層。地球之所以能一直保有大氣層，是因?yàn)樗€有一個強(qiáng)大的磁場。 地球磁場其實(shí)是一個從地球內(nèi)部一直延伸到太空中的巨大磁場。中國古代四大發(fā)明之一的指南針之所以能夠辨別方向，就是由于這個地球磁場的存在。不過，地球磁場的磁軸與地球的自轉(zhuǎn)軸并不重合，兩者之間還存在著一個 11 度的夾角。此外，地球磁場的南北極其實(shí)與地理上的南北極相反。地球的磁場
地球磁場最主要的作用是抵御太陽風(fēng)。太陽風(fēng)是太陽發(fā)出的高能帶電粒子流，主要由處于電離狀態(tài)的氫和氦（也就是去掉外層電子的氫原子核和氦原子核）構(gòu)成。由于這些帶電粒子流具有很高的能量，地球的大氣層無法阻止太陽風(fēng)的長驅(qū)直入。所以，要是沒有別的東西來阻止它，太陽風(fēng)就會一直刮到地表，對地球生命造成嚴(yán)重威脅。幸好，地球有強(qiáng)大的磁場。眾所周知，在磁場中，帶電粒子的運(yùn)動軌道會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，地球磁場能迫使太陽風(fēng)中的高能帶電粒子朝地球兩極的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。到了兩極地區(qū)，這些帶電粒子會與位于高層的大氣分子發(fā)生碰撞，從而形成美麗的極光。極光
更重要的是，地球磁場阻止了太陽風(fēng)剝離地球大氣。如果太陽風(fēng)能直接轟擊到地球大氣層，這些高能帶電粒子就會把自身的能量傳遞給地球的大氣分子，從而讓它們可以掙脫地球引力并逃逸到太空中。久而久之，地球的大氣層就會被太陽風(fēng)逐漸剝離。幸好，地球磁場構(gòu)筑了一個天然的屏障，有效地阻止了太陽風(fēng)與地球大氣的直接接觸。這樣一來，地球引力就可以牢牢地束縛住大氣分子，從而讓地球一直保有自己的大氣層。
我們來做個總結(jié)。目前所知，地球是唯一一個擁有生命的星球。由于有合適的質(zhì)量、位置和內(nèi)部活躍程度，地球得以長期擁有海洋、大氣和磁場。海洋為生命的誕生提供了舞臺，大氣阻止了海洋的蒸發(fā)，而磁場保證了大氣不會被太陽風(fēng)剝離。正是由于這三大要素，地球才成為了一個美麗的生命綠洲。所以擁有生命的地球是一個奇跡，而地球上又誕生出了擁有智慧的人類，更是奇跡中的奇跡，而人類中每個獨(dú)一無二的你當(dāng)然也是宇宙中獨(dú)一無二的奇跡！作者：王爽-中山大學(xué)物理與天文學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師
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