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《极简人类史:从宇宙大爆炸到21世纪》1 前传 开端之前

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在人类历史以外,还存在一个更大的范畴,即地球史甚至整个宇宙的历史。本章“前传”正是希望在这个更大的范畴之内,讲述人类过去的历史——这也正是“大历史”研究的范畴。正如我们需要用世界历史,来帮助我们理解特定区域的历史一样,我们也需要一个更大的背景,来帮助我们看清人类历史在地球史乃至宇宙史中的位置。如果我们要进行超越人类自身历史的思考,我们就需要“大历史”。

20世纪中叶以前,大多数天文学家认为宇宙没有历史,它始终存在着。但我们有理由对此假设持怀疑态度。20世纪20年代,美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)找出证据,发现大多数遥远的星系一直在离我们远去。这些证据表明宇宙可能一直在膨胀。如果宇宙在膨胀,则证明它过去一定小得多,而且在遥远过去的某一个时间点,它可能被压缩在一个极其微小的空间内——甚至比一个原子还要小。

20世纪中叶,大部分天文学家积累了足够的证据,证实上述猜测正是以前发生过的事实。我们发现,人类并非唯一拥有历史的创造物。地球有自己的历史,整个宇宙也有自己的历史。自20世纪中叶以来,我们开始能够讲述这段历史,并将人类历史视为一部更宏大、更科学的“创世史”的一部分。本章人类史“前传”希望以21世纪的知识视野,向大家提供这部大历史的概览。(几乎人类的每个社会都有一套自己的解释宇宙起源的故事,这些创世故事——对那些相信它的人来说并非“神话”——试图为所有生命赋予意义,这些意义通常反映了他们各自的文化来源。)

宇宙出现在大约138亿年前,源于宇宙学家所说的“大爆炸”。这是所有历史日期的开端,我们对大爆炸之前的世界一无所知:我们不知道在此之前是否存在时间、空间甚至虚无,我们缺少任何与此有关的信息或是理论;这也正是创世故事开始的时候。但是其实,从宇宙出现的那一刻开始,我们便能够讲述一个符合现代科学基本理念的创世故事——这个故事建立在大量且仍在不断增加的证据之上。

当宇宙刚刚出现时,它极其微小,很可能比一个原子都小。然而,在其内部蕴含着组成宇宙所需的所有物质和能量。此时的宇宙温度极高,(几乎无法用数字衡量!)以至于物质、能量、粒子、空间和时间全都混杂在一起。随后,在巨大能量的作用下,宇宙发生急剧膨胀,其速度可能比光速还要快。在暴胀过程中,宇宙逐渐冷却。正如蒸汽最终会凝结成水一样,宇宙在冷却过程中,也会经历一系列不同的“阶段变化”。从宇宙诞生的第一秒开始,各种截然不同的力量就出现了,包括引力(一种将万物拉拢聚合的力量)与电磁力(一种促使异性电荷相吸,同性电荷相斥的力量)。组成物质的基本粒子夸克此时也出现了。然而诞生初始的宇宙变化剧烈,大部分粒子一出现就消失,转化成宇宙中的纯能量。

下一秒,宇宙暴胀的速度慢了下来。此时的宇宙已经出现了我们今天熟知的各种物质,包括质子和电子(组成原子的基本成分)以及至少四种基本形式的能量。这时的宇宙仍比太阳中心还要炽热,充斥着“等离子体”,这是一种由能量和带电粒子组成的杂乱的混合。大约38万年后,宇宙开始经历另一个“阶段变化”。此时的宇宙温度继续下降,使得带正电的质子能够捕获带负电的电子,形成最早的原子。原子呈电中性,于是突然之间,物质不再与电磁辐射相互作用。在今天所谓的宇宙背景辐射中,我们仍可以探测到宇宙在这个历史节点上释放的能量。宇宙背景辐射可以对老式电视机产生静电干扰,它的存在是上述故事真实可靠的最有力证据之一。

在这个阶段,物质的存在形式都极其简单。大多数物质都由自由移动的氢原子和氦原子组成。氢原子由一个质子和一个电子组成,而氦原子由两个质子和两个电子组成。历经千百万年,早期宇宙就是由这种氢原子和氦原子构成的大片星云组成的。那时的宇宙没有星体,唯一将其点亮的是穿行其中的巨大能量。

▣ 思想实验

人类试图了解自己在宇宙中的位置,但不一定能达成共识。参考一下作家马克·吐温的看法,他写道,人类总是把自己视为宇宙的中心——或者至是整个历史的中心。1903年,在题为“世界是为人类而造的吗?”(“Was the World Made for Man?”)的文章中,马克·吐温写道,“如果埃菲尔铁塔代表宇宙的历史,那么它顶端的球形构造上,那层薄薄的油漆就代表着我们人类的历史,没有人会认为那层薄薄的油漆是建造埃菲尔铁塔的目的。但我想有人就是这么认为的。”想一想我们该如何回应马克·吐温的这篇文章。我们人类是否应当一直把自己视为宇宙的中心?或者我们可以换个角度思考?人类如何看待自己在宇宙中的位置,这一点重要吗?

随后,这个现代创世故事出现最神奇的转折之一,物质由此开始变得复杂起来。第一个出现的复杂物质是恒星,造就早期恒星的“工程师”当属引力。早在17世纪,艾萨克·牛顿就已经向我们展示了物体和物体之间存在引力,这解释了为什么我们能牢牢站立在地球上。阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期进一步证明,物质和能量其实是同一实质的不同形式,这解释了为什么能量也会产生引力。就这样,引力逐渐将飘浮在早期宇宙中的大片氢原子和氦原子云拉拢聚合。接下来,数以亿计的星云出现了,并在重力的作用下收缩。在收缩过程中,它们开始升温。随着温度上升,星云内部的原子运动得越来越快,相互间的碰撞也变得越来越激烈。最终,当星云中心的温度达到10℃左右,氢原子开始聚合,在此过程中,原子的一部分转化成纯能量。氢弹爆炸时,其内部氢原子的聚合也是如此。此时,由这些星云内部“超级氢弹”爆炸释放出的能量冲破引力的阻挡,向寒冷、空寂的星际空间倾泻而出。在宇宙出现的大约2亿年后,第一批恒星诞生了。它们中间的大多数,比如太阳,将持续燃烧几十亿年。

在引力的相互作用下,恒星开始聚合成为“星系”。每个星系都由数以亿计的恒星组成,比如我们所在的星系——银河系。接下来,星系还可以组合成星系团。从最高的层面来看,引力的拉拢力量实在太弱,不足以抵抗宇宙的扩张力。因此,尽管星系在引力的作用下聚合在一起,它们之间的距离还是随着宇宙的膨胀变得越来越远。

恒星能产生新的物质,使宇宙进一步变得复杂。最大的恒星产生最大的压力,通常也产生最高的温度。在恒星中心,聚合反应迅速发生,直至它诞生数百万年后,恒星逐渐耗尽自身的氢元素。此时,恒星的中心坍缩,产生更高的温度,直到氦原子开始聚合,产生更复杂的元素,比如碳。经历一系列这样的剧烈坍缩,新的元素不断诞生,直至出现原子核中拥有26个质子的铁元素。产生含有更多质子的元素需要更高的温度,没有恒星(无论其体积大小)能达到如此高的温度。当一颗体型巨大的恒星坍缩时,它会在巨大的爆炸中走向消亡,成为一颗“超新星”。正是在此过程中产生了各种重元素,直到最重的元素铀,其原子核中含有92个质子。至此,组成我们世界的化学元素大多在大体积恒星的死亡剧痛中产生了。超新星使得化学反应成为可能,没有它们,人类就不会存在,地球也不会存在。

从大爆炸到现在,宇宙进化经历了大约138亿年时间。科学家将宇宙进化划分为8个层次,分别为物理进化、化学进化、天体演化、地质演变、生物进化、社会进化、人工自然进化。人类历史只是宇宙进化过程中最后出现的简短片刻。

第一批超新星很可能是在大爆炸发生10亿年内消亡的。从那时起,超新星就一直将更复杂的化学元素抛撒到星际空间。尽管氢和氦仍是宇宙中占绝对优势的主导元素,但是其他元素的储量也有了显著的积累和提高。这些元素可以通过各种复杂的方式合成化合物,进而形成更加复杂的物质——包括我们人类本身。

行星是第一批由这些更加复杂的物质组成的天体。在像银河系一样的大星系中,星际空间中遍布这些新型化学元素。因此,当新恒星诞生时,形成它们的物质不仅来自氢、氦组成的星云,还来自于碳、氧、氮、金、银、铀等其他元素组成的星云。事实上,所有化学元素周期表中的元素都可以在这些星云中找到。我们的太阳正是45亿年前,由这些物质组成的星云构成的。这片“太阳星云”(人们这样为其命名)在重力的作用下坍缩,直至氢原子开始在中心发生聚合,形成我们称之为“太阳”的恒星。大部分的太阳星云被太阳本身吞噬了,只有极微量的物质继续在年轻太阳的外部空间沿轨道绕行。在每一条绕日轨道上,原子相互碰撞、挤压,最终慢慢形成大一点的物质,这有点儿像滚雪球。(事实上,一些彗星就类似巨大的雪球,是行星形成过程中的遗留物。)这些物质相互碰撞、挤压,逐渐形成较大的天体,如陨石或微小行星,我们将其统称为“小行星体”。随后,在每一条绕日轨道上,所有碎片相互碰撞、挤压,逐渐形成各种星体,我们将这些星体称作“星子”(Planetesimols)。太阳的热量将气态物质从星系中心驱散,这解释了为何内圈行星(水星、金星、地球和火星)呈固态,而外圈行星(木星、土星、天王星和海王星)呈气态。

早期地球是一个炎热、危险的地方。它被陨石和小行星轮番撞击,随着体积越来越大,压力使地球中心温度上升,而大量的放射性物质加快了热量积累。很快,早期地球由于温度过高开始熔化,在此过程中发生了我们称之为“重力分异”的现象。比较重的元素,如铁和镍,沉积到地球中心,形成了地核。金属构成的地核能够产生磁场,保护我们免受太阳的一些有害辐射。稍轻的物质组成了熔融态、瓜瓤状的中层,我们称之为“地幔”。更轻的物质则停留在了表层。这些物质迅速冷却,形成了蛋壳一般薄薄的一层,我们称之为“地壳”。地壳仅有几千米厚。而最轻的物质是气体,这些气体从地球表面的火山喷薄而出,形成了早期的大气层。

40多亿年前的地球历史被划分为“冥古宙”。那时的地球酷热难耐,不断遭受小行星的轮番撞击,大气层中也没有游离氧。此时还没有生物能够在地球生存。随后地球开始慢慢冷却,最终,水蒸气组成巨大的云团在地球上空循环,逐渐形成降雨,造就了早期的海洋。

我们几乎可以确认,正是在这些早期海洋中,一种新的复合体开始出现:这就是生命。液态水为化学反应提供了适宜的环境:在空气中,原子运动太快,无法配对;而在固体中,原子又几乎一动不动;水是最适宜的,化合物运动不快不慢,所以一旦它们相遇,便可配对形成更加复杂的化合物。在当时地球的某一个地方(很可能就是在早期海洋的深处),由于那里既有来自深海火山活动的能量,又有充足的化学物质,越来越多更加复杂的化合物开始形成。距今大约35亿年前,也就是地球诞生后的10亿年内,这些化合物中的一部分形成了地球上第一批生物。生物学家把这些微小、简单、单细胞的生物命名为“原核生物”。直至今天,原核生物仍是地球上最普遍的生物。像所有的原核生物一样,最早的这批生物太小,肉眼无法看见。但它们的一举一动都足以证明,它们是有生命的,全然不同于没有生命的物质。它们能通过生物学家称之为“新陈代谢”的化学反应,从周围的环境中汲取能量。它们还可以利用令人惊叹的庞大而复杂的分子(我们称之为“DNA”,脱氧核糖核酸的英文缩写)的特性进行自我复制。原核生物通过分裂成两个几乎一模一样的个体,或者“克隆”,进行自我繁殖。尽管如此,由于在生殖过程中总是会有微小差异,这就意味着个体之间总是会出现细微的差别。由于存在这些差别,一些个体在获取能量方面会优于其他个体,而且这些个体更容易存活,并能更有效地进行繁殖,将这些优点和特性遗传给自己的后代。通过这种方式,生物开始逐步改变、进化,顺应各种各样的环境,演化出千百万个不同的物种。这个过程,查尔斯·达尔文称之为“自然选择”。正是这种机制造就了今天我们看到的姹紫嫣红、万物生长的大千世界。随着越来越多的物种出现,地球表面被一层薄薄的生命体覆盖,我们称之为“生物圈”。迄今为止,地球是宇宙中已知唯一存在生命的行星。当然,将来我们也可能在宇宙的其他地方发现某种形式的生命存在,而且从理论的角度来说,这种可能性非常大。

从化石遗迹来看,第一批原核生物出现在距今35亿年前。通过自然选择,它们中间的一部分已经学会进行光合作用。这是一种直接从阳光中汲取能量,并将其储存在体内的能力,今天所有的植物仍在使用这种方法。我们知道光合作用出现的时间很早,因为科学家发现了一种名为“叠层石”的古老化石,这是一种巨大的、类似珊瑚的物体,它们是由大量类似藻类的微生物遗骸组成的,这种生物能够进行光合作用。光合作用有一个明显的附加作用:这种化合反应需要从阳光中汲取能量,并且产生氧气这个附加产品。因此,随着进行光合作用的生物呈几何倍数增长,越来越多的氧气被释放到大气层中。对某些生物来说,这完全就是灾难,因为氧气极其活跃,可能变得极具破坏性。如果你怀疑这种说法,可以想想火——火就是氧气和其他元素发生的剧烈反应。事实上,地质学家能够追踪游离氧在地球上的逐渐积累,因为他们发现了赤铁带:赤铁就是铁与游离氧结合的产物,这是一种缓慢形式的燃烧,我们通常称之为“生锈”。

尽管如此,仍有一些物种成功地适应了含氧量日趋丰富的大气层。其中一些还开始利用氧原子的高能量驱动自身的新陈代谢。于是通过这种方式,在距今约20亿年前,真核生物出现了,它的出现标志着生物复杂性迈上了一个新台阶。这些早期真核生物与原核生物一样,是单细胞生物。真核生物大多比原核生物体积大,它们通常将脱氧核糖核酸(DNA,遗传信息载体)保护在一个细胞核中,这能够确保它们更加精准地繁殖。其中一些物种还可以在繁殖前替换部分遗传信息片段,这意味着它们的后代具有父本、母本的双重特点。这是一种新型繁殖方式的开始,我们称之为“有性繁殖”。有性繁殖可以产生更丰富的多样性,因为后代和亲本不可能完全相同,这样,自然选择的节奏就大大加快了。这就是为什么在地球历史最近的10亿年中,生物物种的多样性比以前提高得更快。

距今约6亿年前,第一批多细胞生物出现,这是生物圈历史上具有重大意义的变革之一(此外,还有“人类世”带来的变革,这将在最后一章讨论)。在震旦纪及随后的寒武纪岩层中,突然出现已经可以用肉眼直接看到的大体积化石。从那时起,尽管大多数生物仍属于单细胞的原核生物或真核生物,但是古生物学家已经追踪到多细胞生物日趋丰富的多样性。每一种这样的生物都含有数十亿的真核细胞,它们密切配合,共同构成一个生命个体。多细胞生物的出现,标志着生物复杂性的进一步提高。

最初,所有多细胞生物都生活在海洋。但从距今约5亿年前开始,部分生物(极有可能是早期形态的植物或昆虫)开始探索陆地。这绝非易事,因为它们是在水中进化的,需要水维持其新陈代谢并进行繁殖。因此,像今天所有的陆地生物一样,它们必须进化出特殊的皮肤,以保护身体内部进行的各种化学反应,它们甚至为自己的后代进化出了精密复杂的保护机制,如蛋壳。从那时起,千百万种大型生物先后在地球上出现,它们繁荣兴旺,随后又消亡灭绝,包括最早的两栖类动物、爬行动物(如恐龙)和第一批哺乳动物。我们还知道,地球历史上还多次出现剧变时期,在此期间,数以百万计的生物在短时间内消失殆尽。有时,这些“灭绝事件”是由于地球和某些小行星碰撞引起的,而这些小行星直至今天仍环绕着太阳运行。这些碰撞掀起的尘烟犹如巨大的帷幕,遮天蔽日长达数月甚至数年,就像核战争一样。此外,它们还可以引发破坏力巨大的海啸。距今约6 500万年前,很可能就是由于一颗小行星撞击地球,导致绝大部分种类的恐龙灭绝殆尽。最早的哺乳动物极有可能是体型较小的穴居动物,类似于今天的鼩鼱。它们的袖珍体型和昼伏夜出的生活习性,使其比体型巨大的恐龙更有优势,在小行星撞地球的灾难中逃过一劫。

最早的生命原核生物诞生于太古宙(38亿年至25亿年前),紧随其后的是真核生物。距今约6亿年前的震旦纪(也称埃迪卡拉纪),地球上出现了多细胞的“埃迪卡拉生物群”。地球进入古生代之后,进化速度大大加快。最早的两栖动物、爬行动物和哺乳动物都在这一时期出现。距今2.5亿年前,地球进入中生代,这一时期的生物圈几乎被恐龙主宰。恐龙灭绝之后,地球进入新生代,现代生物开始出现,包括最晚进化出来的人类。

摆脱了恐龙这块绊脚石,哺乳动物开始适应曾经被恐龙独霸的多样的自然环境。很快,我们发现,大量新型的哺乳动物出现在地球上。其中一种为灵长类动物,它们大多数时间生活在树上。为了适应树间生活,灵长类动物需要具备适于抓握的手,可以观察立体图像的眼睛和能够处理大量视觉信息的大脑。从距今约2 000万年前起,一部分灵长类动物(早期形态的猿)开始花更多时间生活在地面上。到了约700万年前,在非洲某个地方,一些猿类开始用双脚站立。这是第一批“类人猿”,这种两足直立的猿是我们人类的直接祖先。

我们最有名的类人祖先或许就是“露西”了。她属于名为“南方古猿”的类人族群,居住在距今约300万年前的非洲埃塞俄比亚一带。我们可以从露西脊柱和颅骨的连接方式得知,她是用两足直立行走的。人类古生物学的先驱之一玛丽·利基(Mary Leakey)也发现了两个南方古猿的化石足迹,这是当初他们走过火山爆发散落的灰烬时留下的。露西比现代人个头稍小,大脑和现代黑猩猩差不多大小,所以,即使我们遇见她,我们很可能也会把她当成一个黑猩猩。200万年前,非洲东部出现了另一个类人物种,我们称之为“能人”。这个物种的特别之处就在于它的成员可以制作简单的石质工具。约50万年前,地球上又出现了一个类人物种,名为“直立人”(Homo erectus,古生物学家至今仍在争论该物种的确切命名)。该物种的成员和现代人类个头相当,其脑容量也和我们相差无几。他们制作的石质工具比能人更加精细复杂。随后,这个物种的部分成员离开非洲,迁移到其他地区,历经许多代,最远的到达了今天的中国境内。

我们人类,即现代智人,出现在约25万年前的东非。随着人类的出现,我们进入了人类历史时期。正如我们即将看到的,人类的出现标志着生物复杂性迈上了一个更高的台阶,这也是为何人类历史和其他物种的历史截然不同的原因。

原始人种分类图

傍人(约270万年前)

南方古猿阿尔法种(约400万年至100万年前)

海德堡人(约70万年至20万年前)

格鲁吉亚人(约180万年至160万年前)

能人(约250万年至150万年前)

直立人(约180万年至20万年前)

早期智人:尼安德特人(约15万年至10万年前)

晚期智人:现代智人(约5万年至1万年前)