穿越时空


前言
　　一个多世纪以来，皇家科学院每年都要邀请一些科学工作者在圣诞节 期间做一些内容为“少年儿童能接受”的科学讲座。实际上这种说法很模 糊，它意味着听众将是求知欲强而爱挑剔的人，内容要老少皆宜，适合从
8 岁到 80 岁不同年龄人的口味，知识面既要考虑到无知学童，又要考虑到 博学的自然科学教授和皇家协会的前辈同仁。他们都希望讲座中有使他们 感兴趣的东西。
　　本书的内容包括我有幸应邀在 1933～1934 年圣诞节期间做的一些讲 座，并在某些地方充实了一些在其他较为郑重的场合讲过的内容，包括在 皇家科学院和其他场合讲过的内容。
　　非常感谢各方给予的宝贵支持和帮助，并对此表示深深的谢意。我要 特别感谢 T.L.希思勋爵，感谢他授权从《希腊天文学》一书和其他著作中 引用大量材料。同时我要对许多研究所、出版社和个人表示谢意，感谢他 们借给我底片、照片、资料等，感谢他们允许我在书中加以引用——书中 专有详细清单，向插图的提供者鸣谢。最后更要感谢托马斯·希思勋爵和 我的妹妹杰拉尔德·金斯校阅本书，对剑桥大学出版社的工作人员在刊印 本书过程中一贯的认真负责精神表示敬意。
詹姆士·金斯 杜金鸡
1934 年 8 月

　　地球从一大团炽热的气体开始其一生，于 20 亿年前开始冷却 并收 缩，于是有了高山、河流。沧海桑田，它的表层藏匿着生命演变的全部历 史。

第一章地球
　　当今的人们爱活动，凡是能外出旅游的人都尽量出游。有些幸运者可 能已去过欧洲之外的地方旅游（甚至周游过世界），欣赏过各地风光美景。 好，现在我们则开始进行一次别开生面的、有史以来最漫长的旅游——在 空间遨游。我们漫游（或者假装漫游）太空时，我们的地球看上去就像太 阳光线中的一粒尘埃；整个宇宙的历史是如此久远，使我们感到人类的历 史简直发生在钟表的“滴答”之间。而一个人的一生，不过转瞬而已。
　　当我们穿越太空时，我们要设法描绘一幅现在宇宙的图画——浩瀚无 边，令人难以置信；空旷寂寥，使人颤栗。在那极端的沉寂中，我们难得 有机会碰上冰冷的、毫无生气的物质的微小颗粒；在更罕见的情况下，会 遇上熊熊燃烧的气态的球——我们称之为恒星，——只有这些景象聊以慰 藉我们感到孤独、荒凉的心灵。大多数恒星在太空中独来独往，但是我们 也会时而遇上个被行星家族环绕的恒星，它得用自己的光和热使那些行星 光明、温暖。然而，这些星体很少有像我们的地球这样，它们中的绝大多 数跟地球是截然不同的，我们无法描绘它们的景致，也无法想像它们的物 理条件。
　　当我们在时空漫游时，我们将把瞬间画面延伸，像电影胶片一样，不 仅展现宇宙的现在，而且还展现宇宙的过去和未来。我们将把天空看成是
100 万年前的、10 亿年前的，甚至是万亿年前的。我们将观看广袤的星空。 星星的数量之多就像沙滩上的沙粒，它们在那里诞生、成长直至死亡，就 像一场大戏里的一个微不足道的情节。我们将观察一颗不起眼的沙粒—— 太阳——在混沌初开之际的大动荡中破碎成小块，最后在其周围形成了一 家子行星。我们将观察这个家族中的较小者——地球。在开天辟地之初， 我们的地球是个高温的气态球，逐渐冷却，最后终于成为适于生命繁衍的 摇篮。我们将看到生命的诞生。人类出现后占据着空间一席之地，他们瞪 着惊恐的双眼，看着这个孕育其生命的陌生世界，繁衍生息；他们怀着莫 名其妙、或许是迫不及待的心情战战兢兢地注视着未来。
　　在我们动身作漫长的旅行之前，让我们先关注一下我们在这个空间的 家园——地球，从中我们能获得大量知识。这对我们的旅行将大有益处。 我们知道，地球是球形的，我们可通过周游世界时标出我们的足迹以了解 这一点，也可以通过观察船越过海平面时的情景了解这一点，还可以通过 观察月食时地球在月球上的影子的形状来判明这一点。听起来，做到这一 切似乎轻而易举。殊不知人类在这个地球上住了几十万年之后，才有了足 够的智慧懂得这些道理。时至今日，仍然有人在错误的思想影响下，认为
　　
大地是平的。古希腊人，包括荷马人，认为大地是平的，像个圆盘。那些 海洋绕着圆形大地流动。他们认为海洋都是些河流。天空是圆穹，像个盘 子盖在盘子上那样罩在大地上。公元前 570 年左右出生的毕达哥拉斯可能 是第一个认为大地是球形的人。
　　我们还知道地球在旋转。日复一日，夜复一夜，我们总看到太阳、月 亮和星星从东方升起，缓缓地漂过天空，在西方落下。自从人类有了智慧 曙光以后，想必已经注意到这一现象。只要人类认为大地是平的，那就很 容易把天空想像成一个大圆穹顶绕着大地转，而不会想像成大地在大圆穹 顶下面旋转。毕达哥拉斯虽然认为地球是球形的，并在宇宙中漂浮着，但 他也没有想到地球会在星空之下旋转。他认为地球是宇宙的中心，是静止 的，那些日月星辰都附在那个大天球上围绕着地球从东转到西。就我们所 知，邦徒司的赫拉克莱第斯（大约公元前 388—315）是明确指出地球在自 转的第一人。由于地球自转，使得星辰看上去好像在天空运动。
　　我们能毫无困难地证明我们自己在星辰下运动，而不是星辰在我们头 上运动。我们现在都开汽车，都熟悉物体有一种属性，我们把它叫做“惯 性”。大约在公元 100 年左右，普卢塔克曾这样描绘它：“一切物体在没 有外力干扰时都会保持自身运动”。1500 年后，艾萨克·牛顿又重新为物 质的这一特性下了定义。他说，任何物体在没有外力影响时，都保持其静 止状态或保持直线匀速运动。当汽车在快速行驶时，我们把发动机停下， 汽车并不立即停止运动，汽车的冲力还会使汽车跑一段距离。要想使车停 下来，我们就得踩车闸，或者让地面的摩擦力或风的阻力使汽车慢慢停下 来。不仅是一切物体，而且任何物体上所有部分似乎都有保持现有运动状 态的倾向。只有用力拉一下，强迫它改变，运动方式才能有变化。如果我 们转动汽车的方向盘，我们能使车的底部跟着前轮运动，但是车的上部似 乎要继续先前的运动路线。因此，如果我们猛转方向盘，我们知道是危险 的，汽车会倾翻。或者当路面积冰或泥泞时，汽车轮子就“抓”不住路面， 汽车的后部就会继续先前的运动方向。这样一来，汽车后部就会甩出。在 穿越时空的旅行中我们会常常遇上这个惯性问题。
　　这一点眼下对我们很重要，因为它给我提供了非常简单、最有说服力 的证据，证明地球在转动。如果我们在绳子的一端拴个球或其他重物，使 它像钟摆那样摆起来。这时我们会发现，不管绳的上端如何缠绕，重物始 终在空中沿着相同的方向摆动。就像不能通过缠绕绳子的顶端来控制重物 在空中的摆动方向一样，我们也无法用方向盘来控制冰面上的汽车轮子。 现在我们架设一个大摆锤，让它朝一个确定的目标摆动，例如朝向一 个教堂的塔尖。我们想让这个摆锤摆得时间长一些，我们就得把一个很重 的物体挂在高高的屋檐下。在做这个试验时，如果摆锤太轻，它很快会因 为空气的阻力而停摆。如果地球在空间是静止的，我们的摆钟自然会继续 朝教堂塔尖摆动，一直摆到空气阻力使它停下来。但是实际情况并非如此。
　　
我们发现摆锤偏离那教堂越来越远。摆锤原先摆动的实际方向是不会改变 的，因此我们可以得出结论：移动位置的只能是教堂。情况果真如此。地 球的转动使教堂与地球一块移动。
　　现在让我们开始旅行。先到北极去，并且带上我们的摆锤，到那里再 做一次试验。咱们不看陆地，只注视天空，让这个重锤朝着天空某一颗星 星摆动；如果我们选定大角星（牧夫座α星），那么摆锤就会一直朝着大 角星摆来摆去。这就证明大角星在天空的位置一直不变。如果此时我们低 头看地面，就会发现地球表面移动了，而我们摆锤的摆动方向却没有移动。 地球转动的速度是每 24 小时转 1 周，——说准确点，是 23 小时 56 分 4.1 秒转 1 周。在其他纬度做这个试验就没有这么容易了，而且既不好解释， 也不容易描述。
　　这个试验就是众所皆知的博科摆实验。在 1852 年，这位法国物理学家 当众做了这个试验。他把大摆锤悬挂在巴黎万神殿的大圆穹顶上，有数千 人现场观看。当他们看到大摆摆动的方向与殿内墙壁的位置相对变化时， 许多人惊叹他们能够感觉到他们脚下的大地在转动。
　　惯性原理还提供了第二个、但不那么直接的证据，证明地球在转动。 我们英国人已经习惯了我们天气的瞬息万变，殊不知在地球的其他地区有 的气候几乎不变。赤道附近的天气一向很炎热，当风刮过这一地区时，空 气受热上升，就像在一间热房间或烟囱里的热空气往上运动一样。同样， 当风刮过北极和南极地区时，空气受冷下降。
　　如果地球根本不转动，在赤道上受热的空气与在两极受冷的空气就会 使整个大气持续不断地进行南北流动。在两极地区空气受冷下降，紧随其 后的下降的空气造成的压力，使这股冷空气沿地球表面向赤道地区移动； 在赤道地区这股空气受热上升，在上空向两极地区移动。这种循环是确实 存在的，但是却被地球旋转所造成的更为复杂的现象给掩盖了。
　　地球在旋转，同时也带动整个大气的循环体系一起旋转。但是循环中 的空气不能总跟上固体地球作同步旋转，有滞后现象。在挪威的某座山或 某一地区，围绕地轴旋转的速度大约每小时 500 英里，而赤道附近的某个 地方，每小时旋转速度大约 1000 英里。地球转动时，摩擦力使地球表面的 空气随地球运动，但是速度一般每小时在 500 英里至 1000 英里之间。与此 同时，空气又从挪威向赤道方向运动。地球上的山脉和地表面还不可能把 全部空气带起来随地球同时旋转，空气总要多多少少滞后一点，这就像汽 车上的离合器在没有咬合好、车轮的转速跟不上发动机的转速一样。当我 们感到空气滞后时，就会有东风出现。
　　季风，这种赤道两侧由东向西刮的风，就是这样产生的。如果地球不 转，就不会有这种季风。因此，季风也提供了地球旋转的证据。向西航行 比向东航行要容易，因为向西航行时，我们周围空气的阻力使我们没有完 全随地球同时运动。在往东航行时，我们要克服地球转动造成的更多的困
　　
难。
　　在赫拉克莱第斯解释了地球的旋转之后，亚历山大的埃拉托色尼用精 湛的技艺成功地测量了地球的大小。他和同时代的大多数人都认为与地球 的宽度相比，从地球到太阳的距离要大得多。那么，如果大地完全是平的， 太阳就应当同时处在所有地方的正上方。他发现实际上并非如此。当太阳 在西印（今埃及的阿斯旺）的正上方时，却不在亚历山大的正上方。亚历 山大在西印以北 5 000 斯塔德（1 英里=10.14 斯塔德）。因为太阳光在这 两个地方不能出自不同的方向，所以他认为“正上方”的说法肯定有区别。 事实上他发现这两地阳光方向的差距是圆周的 1/50，即 7.2 度。当太阳处 于西印的正上方时，在亚历山大，阳光却偏离正上方天顶 7.2 度。于是他 得出结论说两地间地面的弧度是 7.2 度。或者用我们今天的话来说是两地 间纬度相差 7.2 度（脚注①：实际上两地的纬度相差 7 度 7 分）。简单的计 算表明地球的准确周长想必是 5 000 斯塔德的 50 倍，即 25 万斯塔德。埃 拉托色尼把这个周长修正为 25.2 万斯塔德，大约相当于 24 662 英里。地 球的实际周长南北向测量为 24 819 英里，而赤道的周长为 24 902 英里。 我们看到埃拉托色尼的计算结果的误差小于 1/100。
　　咱们再举个例子来说明一下惯性原理——任何物体在不受外力作用 时，都保持直线运动。我们用一根绳拴个重物，然后抡起来。这时绳突然 断了，这个重物马上按切线方向飞出去。线断了，但是做圆周运动的重物 的惯性使重物沿直线方向继续运动。在绳断之前，肯定有什么东西拉着这 个重物使它保持圆周运动。当然，拉重物的是这根绳。
　　现在地球赤道上的物体所处的位置就像绳上的重物一样，地球带着它 们每 24 小时转 1 圈 24 902 英里，时速在 1000 英里以上。按惯性原理，假 如没有什么因素阻止这些物体，或拉住它们，它们本应当沿切线方向飞入 太空。
　　■ 图 1 埃拉托色尼发现当阳光垂直照在西印时，在亚历山大阳光却 偏离垂直方向 1/50，即 7.2 度。他得出结果：地球的圆周是西印到亚历山 大的 50 倍。
　　我们这里所说的那种因素叫做地球“引力”。这个引力拉住我们的身 体，使我们想跳也只能跳几英尺高。当然喽，这个力也同样拉住地球上的 所有其他物体。但是，这种引力也并不是万能的。物体作圆周运动时速度 越快，需要拉住它的力就越大——这就像我们用绳抡重物转圈一样，抡得 越快，我们感到绳的拉力也就越大。地球的引力能轻而易举地拉住时速在
1000 英里以下的运动物体。但是，如果物体运动的速度再快些，地球能控 制住物体的机会就少多了。如果地球突然加速，以 17 倍于目前的速度旋转




① “脚注”表示英文原版中此类注释采用的是页下注的形式。本书中则将大部分原有脚注改用文内夹注形
式，并加“脚注”二字。

——85 分钟转 1 周，地球对物体的控制将完全消失。到那时的景象将令人 目瞪口呆：赤道上和赤道附近地面上的物体将沿切线方向飞入空中；当然， 大气和海洋也将相伴相随，一起升空。地球上的万物就像沾在自行车轮子 上的水滴一样，轮子转得慢些，什么事也没有；一旦轮子飞转起来，轮子 上的水珠将飞离轮子，一去永不复返。
　　就实际情况看，赤道上的物体还远未到被甩入空中的程度，但是肯定 有这种倾向。例如赤道上的人不费太大的力气就能跳过 6 英尺，比在其他 地区要省劲得多。因为地球每小时 1000 英里的转速帮助他克服了一点地球 引力。正因为如此，在不同纬度创造的运动记录并不严格一致，因此靠近 赤道会对记录有影响。
　　我们可以看到证明这种倾向的进一步的证据。地球本身在赤道一带是 凸出来的。这就是为什么人们常说地球像个橘子一样，是扁平的。但事实 上地球的最长直径比最短的直径只长 27 英里，相差 1/300。——这样的橘 子看上去是相当圆的。尽管地球扁的程度微乎其微，但是我们很快就会看 到某些行星旋转得很快，一眼就能看出它们扁得很明显。再往后我们在旅 行中还会看到另一类天体，它们转得非常快，它们赤道上的物体实际上被 甩进太空了。
　　我们的地球不仅像个橘子有点扁，而且表面粗糙高低不平，有高山有 峡谷。但是这样描述容易夸大地球表面凹凸不平的程度。如果按正确比例 来画，地球上得有 50 英里高的山脉，画图时才能画出来。实际上地球上最 高的山峰珠穆朗玛峰也不到 5.5 英里高。在一个直径为 12 英寸的地球仪 上，重叠一层纸就代表大约 7 英里的高度，反映的高度比地球上实际出现 的高山还高。考虑到各种情况，地球确实是个很完美的球体，比橘子可圆 多了、光滑多了。把地球比成橘子，从第三方面来看也不恰当。地球上的 山脉的形成并不规则，不像橘子皮上的小疙瘩那样均匀；山脉实际上是不 规则的，像干瘪苹果上的褶，横七竖八的。说来巧了，这后一种比较还挺 真实，因为地球上的山脉实际上是地壳收缩褶皱形成的；它们的存在跟干 缩苹果皮上的褶如出一辙。关于这些问题，恐怕我们不能充分理解，我们 得在时空方面探索更多问题——上溯开天辟地，下入地球内部，探索地球 形成发展史，——此后我们才能对地球有个比较深刻的了解。
　　我们如何来探索地球内部呢？当然喽，我们可以挖个坑，就像开矿找 煤那样，或者可以像钻井探油那样。但是，这样的方法都不可能使我们进 入地球的中心。钻孔采油，只能到达地下 8 000 英尺深度，而挖煤却只到 一半——4 000 英尺。人类打的最深的洞只相当于在苹果皮上扎个小坑， 我们根本无法进入地心。
　　就是因为这个原因，直到最近，我们对离我们最远的星辰状态的了解 都要比我们对脚下数英里深的地球内部的知识要多。不要惊奇，事实确实 如此。然而新兴的地震科学却向我们展示了比现在的矿井要深上数千倍的
　　
地球内部——差不多就是地球中心的情形。 有种种迹象表明地球内部的压力永远在变化，地球的结构也永远在逐
渐地变化以适应这永远变化的压力。但是有时候地壳的这种逐渐的变化跟 不上或顶不住地下压力的剧变，地壳就突然崩开，地动山摇——发生地震。 当地震爆发时，震波从破裂处向地球的各个方向传播，就像向池塘水 中投一石子，波纹从石头在水面的撞击点向四面传播而传遍池塘一样。当 这种震波在地球表面出现时，它们带有大量关于震波从地球内部向地表传 播的长途中所遇到的地质状况的信息。因此，这些震波将由分布在世界各 地地面上数百个地震台或观察站记录下来，供科学家们研究。这些地震台
（站）每年都要记录下世界各地的数百次地震。幸运的是其中大多数的震 动轻微、对生命和财产都不会造成损失。这种地震要不是因为有灵敏的地 震仪，根本就观察不到。
　　图 2 显示了这种仪器的基本部分。它包括一个长臂或水平摆，它可以 在一个垂直的枢轴上自由摆动。这个立轴又以某种方式与地面上的岩石或 泥土地连起来。当地面震动时，震波就随之而来，使枢轴震动，也就使水 平摆开始摆动。在水平摆的远端有一枝笔，这枝笔在移动的纸上自动记录 下震动波形。需要有两台这种仪器同时工作，一个水平摆南北向，另一个 东西向。如果只有一台仪器，这个水平摆就不能记录它所指的那个方向上 传来的震波。
　　如果要使这种仪器更准确地测量，水平摆的悬吊必须非常精密、敏锐。 但是，这样一来地面上的一切震动都记下来了，不论是什么原因造成的。 例如，它能如实地记录下过往火车、公共汽车、卡车所引起的震动。如果 观测者不想被这些现象所迷惑，想排除干扰，他最好把地震仪安装在安静 的地方。但即使这样，观察者还会发现海浪拍击岸边会使整个海岛震动， 从而使地震仪震动。因此，远离海边的内陆观测者凭记录也可知道海上是 波涛汹涌还是风平浪静。在印度克拉巴地震台获得的记录图形的变化跟孟 加拉湾和阿拉伯海的情况有直接关系。1000 英里之外的暴风雨也能被记录 下来。因此，人们曾试图用地震仪来预测龙卷风和季风。
　　对于有经验的观测人员来说，区分上述种种情况造成的地表局部震动 与地震造成的整个地球的震动并不困难。图 3 显示了地震仪的部分记录。 第二行右边的大波形记录的是实际的地震，其余的小波线都是原因不明的 小震动造成的。
　　当地震仪记录到地震波时，不同的地震台都记下震波到达的时间。根 据各地震台间所记录的不同时间，可以算出震波在地球表面传播的速度。 如果地球内部的结构和组成成分是规则的、相同的，那么地震波的传 播速度就应当是一样的。实际上地震工作者发现地球深处的震波传播速度 比地表震波的传播速度要快得多。另一方面，在同一深度的地震波传播的 平均速度也是一样的。不论传播方向是南北向的、东西向的，还是其他方
　　
向的，无论是大陆地下传播还是在洋底传播，不管是在新大陆的地底下还 是在旧大陆的地底下，同一深度的震波传播速度都一样。这表明地球内部 在同一深度的构造、物质的构成大体相似；而深度不同，情况就可能不一 样。
　　在■图 2 地震仪的主要部分。地球内部垂直的震动波传到砖结构中， 使两个水平摆作小角度摆动。这种微弱的摆动经机械杠杆加以放大、记录。
■图 3 地震仪的部分记录。第二行右侧的大波纹记录的是一次相当强烈的 实际地震，其余的小波纹都由原因不明的震动所造成。
　　这样一来，我们可以认为地球内部就像个洋葱头一层一层相互包裹起 来成球形，或者我们可以想像地球像个裹了许多层的大圆包裹。
发生地震时，大多数观察到的、感觉到的震波可能造成损失。沿地表
（即地面）传播的震波被称为“面波”。除此之外，还有两种明显的震波 在地球深层传播。一种叫“P 波”或“初波”，这种波纵向运动；另一种 叫“SP”或叫“次波”，是一种横向运动的波。液体或气体都不能传播横 向震波，因此横向震波只能在固体中传播。实际上后一种震波在地球内部 到处传播，只有一部分区域，即地核部分除外。地核大约是个直径为 2 200 英里的圆球部分。这样，我们就可以有把握地说：整个地球除了地核部分 外，都是固体。地核不是液体就是气体，或者还有一种我们所不了解的物 质状态。看起来地核很可能是一种很重的液体，其密度是水的密度的 10
倍或 12 倍。这种液体的主要部分很可能是铁熔液，可能还混有镍。很可能 像地质学家们认为的那样，它的化学结构跟常常落在地球上的陨石类似。 事实上，这种陨石的密度通常并不一定是水密度的 10 倍或 12 倍。但是， 我们通常不可能在很高的压力下看到它们，而地心的压力肯定非常高，因 为它要支撑地球大部分重量。粗略的计算表明，地心每平方英寸的压力大 约在 7 500 吨左右，这相当于大气对地球表面的压力的 100 万倍。地心的 压力可能更高，达到每平方英寸 1 万吨。
　　我们可以把地核当成我们的包裹。这第一层大约有 1700 英里厚，通常 称之为“地心圈”。在这一圈，两类地震波都能传播，这表明它是固体， 比钢还硬。即使在地心圈内部，地震波传播的速度也不是均衡的。如果把 地球作为一个整体看，在地球深处地震波能快速传播，表明较深层的物质 比浅层的物质要硬。在地心圈内部，可能有这种现象存在：最深层的铁、 镍等重物质会逐渐变成像构成地表岩石那样的较轻物质。
　　地心圈延伸到距地球表面大约 50 英里处，因此剩下的这几层相对要薄 一些。科学家认为，这几层所含物质是岩石类的，因此被称为“岩石层”。 地震学家探测出有明显的三层，而地震波在这三层地质结构中传播的速度 和方式都不同，这至少为研究岩石层的结构提供了某种迹象。地质学家们 对最深层的情况没有取得一致意见，但是对中层和上层的结构取得某些共 识。一般认为中层可能含玄武岩，上层几乎肯定含花岗岩。
　　
　　图 4 是地球内部结构图，是按地震学资料描绘的。地球的核心部分及 我们上文描写的地心圈各层构成地球的基本的永久性部分。如果我们把地 球看成是个苹果，那么苹果核就是地核，果肉就是地心圈，果皮就是岩石 层。这样画出来的地球结构图不会太不合比例。除了这几层之外，外面可 能会偶然地、暂时出现性质多变的别种地层。我们不妨把这些比作苹果皮 外面的尘土、雨水。
　　首先看苹果皮上的“尘土”。这是地球表面被称为“沉积层”的地层。 沉积层可能有若干层，它们的整个厚度各地区相差很大，从数英里到零， 因为有些地区岩石层的花岗岩层几乎露出地表。
　　其次看苹果皮上的“雨水”。这是地球表面的海洋，其深度从最深 5 英里到零不等，因为大洋中也有露出水面的陆地。
　　最后看地球表面的外层——大气层。它包括两层，一层叫“对流层”， 另一层叫“平流层”或者“同温层”。我们将在第二章对此详细讨论。
　　■ 图 4 根据观察到的地震波形想像出的地球内部结构图。地球表面 最高的山峰，只相当于岩石层的 1/10，因此肯定比图中最外面的线要细。 最外面那条线可代表地球表面。
　　我们知道地表薄层有许多不同的物质。一般来说，深层所含物质比浅 层所含物质要重，就好像重物质沉到地球深层、而轻物质浮到上面似的。 但是，这种分离远不那么泾渭分明。一些已知的最重的物质，如铅、水银、 金等也能在最外层发现。
　　后面我们将看到在盘古开天地之时，地球如何从一个很可能是一大团 灼热的气体开始其一生的。地球是在一场大灾变中诞生的，当时很可能是 个天翻地覆的混沌世界，各种物质都搅混在一起，但有的并未完全化合。 后来平静下来了，大动荡停止了，较轻的物质开始逐渐往上浮，较重的物 质逐渐往下沉，有的沉到地核里。
　　在此期间，地球的温度一直在下降，直到液化，最后出现固体。当地 球某一部分成为固体后，这一部分内部的各种物质就不能再上升或下沉 了，于是就在一块固体物质内固定下来了，从此就永远固定在这个位置了。 从地壳上和地球内部轻重物质的分布情况来看，当初的分离进行得相当不 错。当然还没等彻底分离开，地球就已经固体化了。
　　地球最外面的几层因为已经没有保温层了，所以冷却得最快，因此是 最先固体化的。这样一来，地球就是由硬外壳包着内部较软、较热的气体 和液体，——就像个肉馅饼，骗人的较凉的外皮里裹着的馅仍然烫得无法 下嘴。就像把馅饼放在一边让它凉着一样，地球也有一段漫长的时间使内 部几层也慢慢冷却下来，同时也收缩。因为大多数物质，特别是气体，遇 冷都要收缩。
　　普通馅饼的皮完全可能承受住馅饼的重量，但是当馅有数百万吨重 时，那普通的硬皮就不行了。地球的外壳想必也有过类似的情况。内部的
　　
几层冷却收缩后便脱离开地壳表层，并且不再支撑地壳的重量，于是地壳 就塌陷到内部的层面上寻找支撑物。在这个过程中就出现这样一个问题： 在物体表面固化并停止收缩的情况下，如何才能进一步变小？解决的办法 只有一个：发生褶皱，就像一个苹果那样，时间一长，苹果柔软的果肉和 核就要收缩，于是苹果皮就起褶皱。图 5 显示的是地球表面几乎成垂直状 态的褶皱使得页岩和石灰岩破碎。那一层层破碎的原始岩石想必也是这种 地球运动的结果。
　　地球这种方式的运动形成了高山和峡谷。这个过程还没有完全停止， 地球表面仍在慢慢地变动，那里隆起，这里下陷，不断出现新的增高和新 的下降。有时会有地震造成的突然滑动，这在前文已经讨论过。有时正在 下陷的地壳和已经下陷的地壳会对地球内部的热的物质造成压力，迫使它 沿着裂缝上升，直至喷出地面，像火山、油井、温泉和间歇泉等。这种情 况在地球的早期历史中肯定进行得更为激烈，在目前地质状态中留下了当 年火山运动的痕迹。因为有很多山脉有证据证明它们是当年火山爆发时形 成的，虽然现在地球上的活火山不多了。
　　■图 5 这是凯立拉岛西南端的地质构造：一层层黑色页岩和石灰岩石 板褶皱及碎裂的情景。左侧一把地质锤提供一个参照比例。褶皱造成的破 碎，有的是地质锤的千倍大，有的只有它的千分之一。■图 6 图中显示的 火山岩，在巴兰特律以南的阿艾夏海岸。这些火山岩是岩浆流入大海经冷 却而形成的。
　　很早以前火山爆发时喷发出来的大量的岩浆和熔岩流，至今在地球表 面不少地区仍可见，在地质上称之为“火成岩”。图 6 显示的就是阿艾夏 海岸的巴兰特律的岩浆流。这股岩浆流想必是直接流入大海，立即冷却凝 固，形成了现在大片的“枕状岩”。这片岩石虽然可能经过了 4 亿年的风 吹浪打，却依然保留着当年的磅礴气势。北爱尔兰的安特雷姆著名的玄武 岩巨人岬提供了类似的例证：当年喷涌而出的熔岩，遇水后立即形成现在 这种六边形石柱。这些从火山口喷出的熔岩，为我们提供了地球内部物质 最真实可靠的样品。水和气体想必也是以类似的方式从地球内部喷出，成 为大气层和海洋的组成部分。
　　当地壳陷落，与其已经收缩的内部物质合成一体时，那些褶皱并不是 完全胡乱形成的。因为地壳在结构上并非绝对规则，很可能含有轻物质， 也含有重物质。一般来说，较轻的物质在上面，形成山岭，而较重的物质 则往往下沉到山体的下部，构成山谷和海底。因此，我们会自然而然地认 为每立方英尺的高山物质应比每立方英尺的海底物质轻。近来认真仔细的 测量证实了这一点。
　　科学家们并不试图从这座山上取一立方英尺的物质，再从一个海底取 一立方英尺的物质进行比较。这种方法对于高山来说太原始了，而对于海 底来说又是不可能的。从前，人们把一个很长的摆锤——就像非常古老的
　　
钟摆一样，但是制做得非常精密、科学——放在高山顶上，通过摆的摆动 来测高山的结构。最近几年，摆锤被更精密的仪器代替了，但是基本的工 作原理是一样的。
　　山顶上比下面的平原离地心远一点，因此地球的引力相应的会小一 点。当一个钟摆被拉向一侧，让它摆起来，那么摆锤到达最低位置比在平 原上要慢一点，因此所需要的时间就比在平原上所需要的时间长。换句话 说，山顶上的钟表会越走越慢。如果山体是由地壳上的平均物质构成的， 我们就可以准确地计算出钟会慢多少时间。如果实际所慢的时间比计算出 来的时间稍微慢一点，说明构成山体的材料比地壳的平均质量要轻。如果 把钟放在潜艇上带到海底去，条件刚好相反，如海底是由地球上平均物质 组成的，这个钟就会比平原上走得快一定时间；如果钟走得比这个值还快， 说明海底是由重材料构成的。
　　最近（编者注：此指本书的写作年代而言）有个理论叫做“地壳均衡 论”，它使上述理论更加严密。这一理论认为：高山高耸于平原之上，就 像船高出水面一样，——它们都在漂动。这一理论还假定高山像船一样， 它的整个重量决定它在漂流时的高度。一条船，包括船身、船员和货物的 总重量是 3 万吨，它漂流时的高度是它排水 3 万吨时的高度。换句话说， 如果突然使这条船脱离水面，水面上就留下了大坑，需要 3 万吨水来填平。 这一说法正好跟 2 200 年前阿基米得原理相吻合。
　　地壳均衡论假定高山漂流的高度也是由上述理论决定的。当然喽，高 山不是真正在水上漂流或者在真正意义上的液体中漂流。我们都知道，普 通沥青看上去像固体，但是在长时间持续不断的压力下它会像液体一样变 形；而液体只要受到压力，马上就变形。沥青的弹性很强，可以变形达数 小时或几天；冰的变形要几个月或几年（如我们在冰川所见），而玻璃的 变形则需数十年甚至数百年。我们现在讨论的物质如果经过数百万年也能 变形的话，也就可以说明问题。多种方式的计算表明，我们必须深入到地
层 20 英里处才能找到富有弹性的层面。好了，我们现在的问题是个常识问 题：沥青或任何其他物质受热后更具可塑性，更容易变形。这个道理恐怕 对地壳也适用。所以 20 英里深的地球内部能够提供所需要的可塑度。地壳 均衡论认为，重达万亿吨的高山能漂起来（耸立起来），就是因为它取代 了山下地层深处可塑性地层里的万亿吨物质。最精确的测量表明这个理论 准确地解释了观察到的高山的高度。
　　说到这里，我得把我们的话题暂时放一下，向读者介绍一项更新的理 论。提出这个理论的是一位名叫韦格纳的德国科学家。这项理论很有意思， 尽管在科学家们当中并未受到广泛认同。这项理论认为各大陆和大岛屿都 在漂移，不仅像船一样漂动，而且像独立的船一样可以相互靠拢或彼此分 离。这一理论认为新旧两块大陆原本就是一艘巨大的船，后来发生海难破 碎成两块，然后就彼此远离，其中一块构成欧洲和非洲，另一块组成南北
　　
美洲；并且提出一项证据说：如果把新大陆往东北方拉 3 150 英里靠在非 洲的西南部，使巴西的伯南布哥对着非洲海岸的喀麦隆湾，会相当吻合。 虽然从地图上看并不十分吻合，但是我们不能认为这纯属巧合，因为这两 个地区在大西洋沿岸的地质构造非常相似。那里的山脉、岩石甚至化石都 相似。正是因为这些理由，地质学家们长期以来一直猜想这两个大陆当初 是连在一起的，共同组成一个大陆。而新理论解释了这两个大陆是如何分 离的。如果把北美再向东拉，将会与欧洲很吻合，北美的新英格兰将与我 们的旧英格兰靠在一起。韦格纳认为，现在漂在大洋上的所有陆地，在若 干亿年之前曾经是一整块大陆，约占地球表面的 1/3。
　　除了这些理论或假说之外，我们还知道，山脉，甚至包括大陆的高度， 并不是固定不变的。当我们爬山时，我们会不时地看到石头往下滚，但如 果你看到石头往上滚一定会大吃一惊。雨水、雪、冰甚至还有风，常年不 断地对岩石侵蚀和风化，使山坡上的岩石破裂、松动，最后终于有一天滚 落到山下。我们会看到山脚下那熟悉的景象：到处是巨大的砾石、成堆的 碎石岩屑等。图 7 显示的是在位于昆伯兰的瓦斯特韦特的东侧，一座不算 高的山脚下堆积的大量碎石岩屑。高山顶上的积雪变成冰川，慢慢滑进峡 谷，同时夹带大量大小不等的岩石。在丘陵地带，雨水、山洪冲刷山坡， 夹带大量泥沙流入大海。我们到处见到高山上的物质被冲到海底。这个过 程使高山的高度降低、海底增高。
■ 图 7 昆伯兰的瓦斯特韦特东侧堆积的碎石岩屑 地壳均衡论表明，总的高度至少能部分地互相弥补。因为当山上的土
石被冲下山来，山脉失去了重量，因而就漂得高一点，补充了一点失去的 高度；而海底接受了河流冲来的大量泥沙而变得重了，于是就会下降，从 而部分地抵消了因大量泥沙的沉积而增加了的高度。
　　这种在高度上连续不断的调整，加上其他原因，导致了地球表层的海 陆变迁：整块陆地降到海平面以下，海底隆起，形成新大陆或高山。公元
前 6 世纪希腊的色诺芬尼曾有记载：在内地，甚至在高山上发现贝壳，在 纽约的锡拉丘斯采石场还发现海藻和鱼类的化石。我们不必在这次时空旅 行中到古希腊去寻找海陆变迁的证据；在我们身边俯拾皆是，尤其在伦敦 的白垩山，那里有大量的海洋微生物的化石和贝壳。这表明，那里从前曾 经是相当深的海底，很像现在的大西洋中部的海底。在英国沿海，我们也 在海底发现森林和动物的尸体。
　　■ 图 8 朗古仑以北两英里处的艾格尔威赛格山上水平的条状石灰岩 泥土、沙石从山上冲下来，叫做“剥蚀”；泥沙等冲入大海、沉入海 底，称作“沉积”。沙石沉入海底形成沉积层，这我们在前文把它比作苹 果皮上的尘土。如果不是因为反复出现地球表面的升降变迁、反复调整高 度，那么海底的沉积层应当很均匀，一层层很平整，就像平桌子上的书本 一样。在地球上有很广大的地区——加拿大东部的广大地区，西伯利亚东
　　
部的广大地区，波罗的海沿岸、俄罗斯西部地区以及远古冈瓦纳大陆的残 存地区，包括南美洲东部的大部分地区、南部非洲、阿拉伯和印度——不 同的沉积层都一层层平整地排列着。在较小的范围里，如在铁路或公路和 路堑、海边的山崖、内陆的高山上常常能看到一层层沉积层，整齐的、层 次分明的岩石或沙土（如图 8 所示）。地质学家们把这种沉积层叫做“条 痕”。图 9 所显示的是美国科罗拉多河谷这种条痕地层的大面积下切。这 种切割不是人力在几天之内完成的，而是大自然在数百万年间鬼斧神工的 力作。
　　■ 图 9 科罗拉多河谷北侧。暴露出来的早期沉积岩一层层排列得平 整、均匀，很有规则。
　　科罗拉多河千百年、上万年在这块土地上流淌，慢慢下切，冲刷表面 松软的泥沙，将其带进大海。我们看到岩层一层又一层堆积起来，总厚度
达 5 000 多英尺；绝大多数层面粗略看上去都相当平整，但是有经验的地 质学家能发现有几处地层隆起和沉入海底的证据。
　　在其他地区可能不一定有普遍的地球表面的下沉和上升，但是局部地 区的地壳可能会裂开、断块错开，于是“条纹”就不再是连续的了。这就 是“断层”（见图 10）。
■ 图 10 在兰纳克的莫桑德·克莱的士代尔钢铁厂的条文状砂岩的断
层
如果有一条像科罗拉多河这样的河纵贯我们英国大地，我们就可能用
一张显示我们英国地下不同层次的地质图来代替图 9 的照片。可惜，我们 没有这样的河为我们提供这一景象。但是通过在各地挖洞钻孔所获得的地 质资料来分析研究地表构造，使地质学家有可能画出一幅英格兰斯诺顿到 威尔士的哈韦奇一线地表构造图。不管世界其他地区的地质层如何，我们 看到我们英国的地质层已经不再像书本那样平整有序了，而是倾斜、破碎、 断裂，这是由我们在前文讲过的地层高度升升降降重新调整造成的。很显 然，这里发生过地层的大面积偏斜，使西边翘起、东边下沉，而局部地区 发生显著的变异。东部地下发生的隆起现象，是把岩石层抬高到离地表只 有几英尺，而其他地方却在数千英尺之下。这种地质层的偏斜并没有引起 地面相应的倾斜。因为地表原本应当很高的地方已经被侵蚀、风化、冲刷 掉了，并填补了原来的低洼处。如果我们继续把地质层比作书本，我们就 该想到这本书现在不但搓皱得不成样子，而且有很大一部分被搓碎、扯掉 了。
　　图 11 显示的是伦敦从南到北 70 英里较短地段。在这里，无论在北面 还是在南面，我们都没有看出很明显的倾斜。最显眼之处是，从总体上看 这本书略有弯曲。我们看到伦敦处于黏土层上；再往下是断裂的白垩层， 厚度有 650 英尺。我们已经看出，这里曾经是海底，很容易重现当年发生 的变迁：首先是地下的地层隆起，使本来平坦的海底变成起伏不平的陆地；
　　
然后水从地势较高的黏土层向西流经白垩层；接着形成了比较宽阔的河 流，逐渐沉淀下白垩沉积层，部分地淤填了河床，却使较高的白垩山不受 影响。第二步是原始人开始在河边适宜的地区定居。最后，伦敦就出现在 黏土层上，白垩山环绕四周。白垩山在伦敦南侧，从丹佛那白色的悬崖到 吉尔德福德那连绵的群山，通到猪背岭往西，一直延续到汉雷的托马斯以 北，穿过奇尔特恩山，直到赫特福特夏的白垩城，最后到剑桥夏。即使在 这张地图上，地质层的变形仍然很广泛。但是，在只有几英尺宽的岩石标 本上，有时甚至在非常薄的显微切片上都能看到非常相似的地层变形。
　　■ 图 11 伦敦地质结构剖面图。北起乌本，南到苏塞克斯的韦尔德， 大体上是南北走向。
　　现在，这本倾斜扭曲的书本真正有趣之处在于它实际上是一本历史 书。不论这本书有多倾斜弯曲、多破碎，每一页都是在一个确定的时期沉 积下来的，都有一定的长度、宽度和厚度；或者至少是在一个确定的时代 期限内形成的，因此当时的全部历史就埋藏在其中。
　　为了真正弄明白这一点，我们把思路从托马斯转到尼罗河畔。尼罗河 每年都在下埃及的大地上泛滥，洪水退后，沉积物使埃及的高度升高 1 英 寸左右。如果我们在这沉积层上往下挖 1 英尺，我们就会发现 500 年前的 遗弃物。往下挖 4 英尺，我们就一定能找到公元前后的物品。实际上，埃 及的土壤成了埃及历史的分层记录。只要往下挖这土地，我们就可以翻阅 那些历史篇章。古币的铭文告诉我那些法老的特点和成就；普通的器具、 武器和工具向我们展示出人们当时的生活。
　　对于世界其他地区的地面，我们也可以用同样的方法处理，只是每一 英尺的沉积物并不一定总能代表 500 年历史，因为沉积物是在不同地区以 不同速度沉淀的。而且许多历史篇章并不一定像我们在挖掘时见到的那样 一页页有规则连续排列。在许多地方由于断层、地壳的升降破裂，以致把 整本书都搓乱了、书页撕破了。这也是幸运的事情。因为，假如地层不发 生升降变化，书页都那么整整齐齐地排列着，那么我们就得下挖 100 多英 里才能接触到最下层的篇章。而事情正好像自然发生的那样，我们常常钻 孔钻到比较浅的地方，有时甚至走过某一地区就能接触到暴露在外的较深 层的书页。
　　如果我们依次翻阅地球表层这一页页历史，或者凭智慧的目光观察所 走过的一片地区，实际上我们是在翻阅地球史（不仅仅是埃及的历史）， 翻阅它记录下来的不同的文明史。首先，我们看到的是文明程度很高的人 类遗留下来的钱币、石刻；然后看到原始人使用的器具、金属武器和火石， 有时伴有他们猎获的动物尸骨。在更深层，我们将看到更为古老的记载： 类人猿遗留下来的只有他们的遗骨。再往下，我们来到那蛮荒的史前时期， 这里只有鬼怪似的庞然大物的遗骨；再往地层深处看，就只有爬行动物、 鱼类和植物的化石；到最后一页，是没有生命的土壤、水和岩石。
　　
　　我们在地层中看到那遥远的过去所发生的那一桩桩改天换地的事件， 实在令人叹为观止，尽管我们还不能准确地说出各事件发生的具体年代， 我们当中的很多人连这一历史长河中最精彩的事件发生的年代都没记住。 这些情况在学校中未能广为人知的原因是我们希望能像记数学公式一样准 确地记住它们。有趣的是当我们读到大约 700 年前，英王约翰被迫签署大 宪章时，我们后代人却要劳神记住那个年代 1215 年，都觉得挺枯燥。
　　现在物理学家发现一种能够确定这部地球历史书各个篇章日期的方 法，这是最佳的可能的方法。探测到的日期很精确，令人十分感兴趣，这 种精确绝不会让你觉得无聊、枯燥。我们知道有些表的表针在暗处也能看 到，因为上面涂了一层镭涂料。表针在黑暗中发荧光，清晰可见。但是我 们用精密的仪器可以测出那种光并不像看上去那么稳定。它发光是由镭原 子无数次分别爆炸引起的，而每一次爆炸都导致一个镭原子的死亡，或者 应当说每一次爆炸都造成一次转换。因为，镭原子并未完全消失，而是留 下一个特殊类型的铅原子，作为先前存在的记录。这种由镭向铅的转换的 速度绝对是匀速的、规则的，完全可以在实验室中被测量出来。这样，如 果我们能测量出表针上有多少镭、多少铅，我们就能知道这个表针有多长 时间了，也就知道这块表有多少年了。
我们可以用类似的方法来测定地壳岩石的年龄。 在显微镜下观察像云母和电气石这类矿物的薄片时，人们会发现它们
有“彩晕”，显示出多个同心圆，如图 12 所示。在这些晕的中心总有一个 微小的、放射性物质的斑，像镭一样在进行规则有序的衰变，只是更慢一 点罢了。这种物质可能是铀，也可能是钍，也可能是二者的混合物。这些 多彩的环就是这种放射性物质在衰变过程中产生的。在试验室中，可以人 工造成类似的晕，所以很容易弄清楚它们的构成模式。人们还知道年代久 远会使晕的颜色变深。所以通过察看岩石中晕的总体颜色，人们就能估计 出岩石的年龄。
　　但是，含大量铀和钍的岩石并没有晕。在这种情况下，化学分析的方 法可以准确地告诉我们岩石分解到什么程度，据此我们也能估计出岩石的 年龄，就像我们凭夜光表针来估计表的年龄一样。例如，加拿大东部大量 的伟晶（花岗）岩就是用这种方法测定的，大家一致同意这种岩石是 12.3 亿年前形成的。有的岩石的年龄更久远，但不会久远得更多。一般说来， 得出的数字不会比上述数字更精确。
　　■图 12 云母片上放射性物质的微小斑痕产生的彩晕（放大 200 倍） 如此说来伟晶岩是我们这部地球史书中最古老的一页，成书的日期已 经明确下来了。在这一页上我们知道，在 12.3 亿年前地球就有了固体地 壳，上面有河流纵横流淌，把地面上的泥沙冲刷到大海里。再深层的地层 的形成年代没法确定，它显示的将是地球冷却、固化的全过程。我们目前 尚说不清楚这些早期过程延续了多久，但是肯定有好几百万年。因此，估
　　
计地球的年龄不会少于 15 亿年。 地球的年龄不会比这个数字大得太多，否则地球上的放射性物质早就
衰变完了，放射现象为何物，我们就无从知晓了，这就像有朝一日未来的 高级“生物”——如果那时有什么生物的话——不知道放射为何物一样。 不过，这将是万亿年之后的事。除非放射性物质能够再生，而现在我们对 此却毫无所知。更为详细的研究表明，地球的年龄不太可能大于 34 亿年， 很可能比这个数字小。有人估计地球的年龄应当在 15 亿年与 34 亿年之间， 比较可靠一点应当是 20 亿年左右——是人类历史的 10 万倍以上，是基督 教时代的 100 万倍以上。很难想像这个数字究竟意味着什么。我们最好把 “百万”这个数字想像成一本大厚书里的字母。比方说一本书有 500 页， 每页 330 个词，平均每个词 6 个字母。如果我们用这本书来代表地球的年 龄，那么有人类的历史用最后一个词就能代表，而基督教时代却连最后一 个字母都占不上。就在这最后一个字母的时空里，有罗马帝国的兴衰、基 督教在世界各地的传播、欧洲西部广大地区摆脱了凯撒的野蛮统治纷纷建 国成立了目前这些国家??60 代人在此期间生生息息。至于你我这一辈 子，在历史长河中仅是短短的一眨眼，在这部书中只是一个小点，就是字 母“i”上面的小点。
■图 13 已知的最早藻类。图片显示的是放大 190 倍的化石切片。■图
14 在寒武系岩石中发现的海绵、水母、海星、蚯蚓和珊瑚虫化石。这些都 是非常原始的生命形式，有的至今仍生活在世界上，形态没有多大变化。 如果我们读完这部百万言巨著的最后一个词之后还要继续看，我们的 历史书就是地壳及其内部的各层了（前面讲的是地壳上面的沉积层）。把 地球内部层层岩石和泥土做为书页，许多书页在漫长的岁月中也都褶皱、 破碎。但是，整个布局仍井然有序，而且有的层面也确定了形成日期。现 在我们假定把书页理平，开始翻看这部地球历史巨著的各个篇章，能看出
些什么东西呢？
　　我们从 20 亿年前开始，在数亿年的地质构造中，我们看到地球开始冷 却、安定下来，但没有任何生命迹象。翻过一页又一页，只见到地质活动 情况。直到后来翻到 12.3 亿年这一页，我们才看到含碳的地层。这为地质 学家们提供了假想的证据：海洋中开始存在某种最简单、最低级的生命形 式，生命已经来到了地球上。我们继续往下翻，看到的还是些地质变化—
—稳定的沉积层只是因为大地震、地壳升降才使地层发生一些形变。最后 终于翻到 10 亿至 5 亿年前，我们才看到生物残骸的化石——只不过是岩石 里夹杂的一些斑痕罢了（见图 13）。地质学家们认为，这些斑痕是生命的 遗骸，当然是生命的最原始形式。然后又过了很久，翻到 5 亿至 4 亿年这 一页，我们看到生命形式复杂多了，种类也丰富多了，发现有蚯蚓化石、 水母化石和其他一些器官不齐全的低级动物的化石，跟现在的同类动物没 有多大区别（见图 14）。

　　斗转星移，转眼翻过了数百万年，我们终于翻到了画面动人的一页， 这里的植物化石看上去很像是今天的植物。它们看上去像植物，实际上却 不是植物，因为它们生活在海底，更像海葵或海星（见图 15）。但是，此 后不久，生命开始进军陆地，我们看到第一批类似青草和蕨类的植物化石。 随着陆地植物繁衍增多，我们看到地球逐渐呈现出目前的面貌。草根把沙 土固定住，使之成为固定的土壤。与此同时，出现了以草为食的动物，以 及以这些草食动物为食的其他肉食动物。这个时期是大型爬行动物主宰世 界的初期。这个时期的代表性动物是巨型异齿龙（见图 16），它是一种巨 大的肉食性蜥蜴，据信在 2.5 亿年前生活在现在的北美地区。
　　简单低级的生命形式，如蚯蚓、水母和海绵（见图 14）出现了，它们 的形态与今天的同类没有多大类别；但是较为复杂的生命形式势必经过许 多变化。随着我们继续翻阅这本书，就翻到被地质学家们称为“二叠纪” 和“三叠纪”及物理宇宙论者所说的大约 2 亿年以前的篇章。在这里我们 看到高高耸起的山脉完全改变了地球的面貌。在北半球，许多海洋，包括 现在的太平洋和印度洋，在那时却是一片陆地，只有大西洋那时才是一片 汪洋。在南半球，从海中升起了一片巨大的大陆，地质学家们称之为冈瓦 纳大陆，它西起现在的南美洲东部，直到现在的非洲、澳大利亚。地质学 家们向我们展示了岩石中的一个小凹坑中的鱼化石，那些鱼紧紧地挤在一 起，像罐头中的沙丁鱼。它们在死前的最后一刻挤在一块争抢那仅有的一 丁点水。由于海洋太小，蒸发出来的水分太少，因此雨量就自然而然地减 少，结果大陆的大部分成了沙漠，尤其是在现在北欧的位置上我们看到海 洋缩小成湖。由于干旱日益严重，盐湖的浓度越来越大，最后竟形成了盐 矿。我们在彻夏和斯坦福德夏都能发现这种盐矿。
　　■图 15 大约 4.5 亿年志留系的化石。这可能就是人们描绘的所谓海百 合时代。因为图中所示的植物生长在海底，非常茂盛，它们的遗体化石构 成厚厚的海底石灰岩层。海百合其实并不是植物，更像海星或者海葵。
　　■图 16 巨型异齿龙，大型笨重的肉食爬行动物，身长 9 英尺。据说栖 息在距今 2.5 亿年前现在的北美地区。
　　■图 17 单鳍巨头螈，为爬行动物的一种，2 亿年前的大旱时期栖于陆 地。
　　到后来大干旱时期过去了，但是前文提到许多生命形式却未能在后来 的历史篇章中再现。它们很可能都灭绝了，只有那些能很快适应新环境的 生物得以生存下来。在图 17 中就有个例子（巨头螈，丑陋的甲胄侍卫）， 是一种有魄力、不屈不挠的丑陋的爬行动物。在大干旱时期，海洋干涸后 它在陆地上活了下来。
　　这部地球巨著的下一页是侏罗纪，大约在 1.5 亿至 1 亿年前。这一页 告诉我们地球上出现了大规模的海陆变迁。海洋淹没了很多沙漠，世界又 变得潮湿起来，对各种生命形式要好客、温柔些。大干旱时期幸存下来的
　　
爬行动物得以迅速繁衍，从海洋到陆地，又从陆地进入天空。我们在这个 时期第一次看到长翅膀的爬行动物化石。这些动物是凶恶难看的鸟，有的 长牙齿，有的有喙而无齿。
　　生活在这个时期的许多动物（如恐龙）不能适应后来发生的巨大变化， 成了生存斗争的失败者，尽管它们都在地球上生活了很长一个时期，但最 终在残酷的环境出现后大批绝迹了。图 18、19、20 和 21 是 1 亿至 0.8 亿 年前生活在现在的北美地区的 4 种恐龙，它们后来都灭绝了。
　　■图 18 三角龙。 9 000 万年前生活在现在的北美，是一种草食动物。 它身长 25 英尺，颅骨与象的颅骨一样，但大脑只有小猫咪的大脑那么大。
　　■图 19 棘龙。 9 000 万年前生活在现在的加拿大。它用于进攻或自 卫的唯一的武器似乎是长满长长骨刺的尾巴。
　　图 18 是三角龙。三角龙是这一类拥有自卫构造的动物的典型代表。它 有三只角，每一只都有几英尺长。当它受到攻击时，它只能背靠屏障，立 起后腿，等着进攻者撞到它的角上。三角龙是个庞然大物，有 25 英尺长、
9 英尺高。它仍属爬行动物，雌性三角龙产出巨卵。
　　图 19 显示的是几乎是同一类的另一种动物，叫棘龙，是那种行动“最 迟缓、笨重的安全堡垒”爬行动物的成员。它对付进攻的办法很可能是平 躺在地面上猛摇猛甩它的尾巴，因为它的尾巴上长着许多骨质的刺，就像 十字军士兵使用的带长钉的狼牙棒。在这个时期，无论是进攻武器还是防 御武器都是比较原始简单的，那些动物谈不上有什么智力。三角龙的头颅
6 英尺长，但是其大脑只相当于小猫咪的大脑。
图 20 显示的是翼手龙。那是一种像巨大的鸟一样的爬行动物。翼展大
约 18 英尺。它是那种看起来什么都能干、可是哪一样也干不好的可怜虫之 一。它长着一对大翅膀，可是并不那么强劲有力，不能使笨重的身子升空， 因此不善飞翔；而它的腿也很弱小，也不能支撑笨重的身子在陆地上很好 地行走，说不定它根本就不能跑。它甚至在地上蹲着都不能，因为连着翅 膀的肘总是碍事。看来它只能匍匐在峭壁顶上、大岩石尖上。科学家们想 像，它只能没日没夜地奋力往悬崖峭壁上爬，然后纵身跃入气流中，就像 滑翔机一样在空中盘旋，然后扑向自己的猎物。随后又是一轮艰难跋涉。 或许我们对这种动物感到可怜，它的一生就像一个练习滑雪的运动员，在 没有缆索的滑雪场上无休止地攀登又攀登。
　　图 21 是梁龙，是迄今为止在地球上发现的最大的动物，大约有 30 英 尺高、90 英尺长；体重肯定抵得上大象的一家子——像爸爸、像妈妈加上 一窝孩子，可能还得加上几个叔叔、姑姑。体重肯定在 40 吨至 50 吨之间。 它的身体太庞大了，四肢几乎支撑不住。它很可能生活在沼泽地带，这样 它的长脖子就派上了用场。它确实需要水的浮力来帮助它支撑庞大的身 体，使它活得稍微轻松点。
■图 20 翼手龙。是一种长翅膀的爬行动物，大约生活在 9000 万年前，

翅膀展开有 18 英尺长，前臂和后臂之间有薄薄的皮膜相连。■图 21 梁龙。 这是生活在 9000 万年前的巨大的爬行动物，身长 90 英尺，但长颈和鞭子 似的长尾占去了大部分。
　　图 22 上显示的是另一种巨大的、更难看的爬行动物——妖龙，或者叫 做爬行鲸。它生活在我们的大西洋这一边，在我们英国的许多采石场上过 去和现在都经常发现它的头骨。它身长大约 60 英尺，就像它美洲的近亲梁 龙一样，生活在水中能减少体重给腿造成的压力，以便生活得轻松些。咱 们可不能讥笑这种可怜动物无能。假如我们到了木星和土星上，我们发现 自己也会处于这样难堪的处境，说不定也要采取谨慎措施，免得因自己的 身体过重而垮下来。
　　就像我们人类不能适应木星和土星的环境、在那里一刻也呆不下去一 样，上面提到的那些庞然大物在这长期残酷的生存斗争中，也不能适应地 球上环境的变化而败下阵来，让位给更为灵活小巧的竞争者——哺乳动物 以及人类——它们靠的是活动能力和智力，而不是靠全身盔甲或庞大的身 体和体重。这些巨大的或身披甲胄的爬行动物退出历史舞台，在生存斗争 中灭绝。中世纪的披坚执锐的士兵让位给现代不穿盔甲的士兵，城堡、战 船让位给坦克和鱼雷快艇，飞艇让位给飞机等等，原因都是一样的。
　　在大型爬行动物灭绝后，我们就看到了哺乳动物时代。这个时期的动 物大体上跟现在的动物差不多。图 23 显示的是重脚兽，在 2 500 万年前它 生活在现在的埃及一带。它的体型比前一个时代的庞然大物要小巧多了， 但是仍有普通的犀牛那么大或小象那么大。这使我想起了吉卜林先生的童 话故事《就应该这样》。故事说的是象的长鼻子是怎么得来的。小象对自 然的历史非常好奇，总爱问这问那，至少它的家庭成员都这么看。它们特 别不喜欢老爱问“鳄鱼吃什么”之类的问题。有一天，小象问正在沼泽中 晒太阳的鳄鱼。鳄鱼说：“你低下头来，我悄悄告诉你。”于是小象就低 头凑近鳄鱼，可是鳄鱼毫不留情地猛然咬住它的鼻子，说：“小象，今 天??”它死死地咬住不放，使劲拉呀，扯呀，结果把鼻子拉长了，就成 了今天每头象都有的那种长鼻子了。重脚兽看起来很像小象，想必处于往 象发展的过程中。其实它脸上突出来的部分并不是鼻子，而是两个尖锐的 骨质角，正好长在鼻子上方。它的眼睛上方各长两个突出物，看上去一定 很凶猛、很怪异。
　　■图 22 妖龙。又叫爬行鲸。它是图 21 中梁龙在英国的近亲，体长大 约 60 英尺，相当重。
　　■图 23 重脚兽。大约 2500 万年前生活在现在的埃及。外表乍看上去 像大象，可是在许多方面又像犀牛。
　　图 24 上显示的是体形更小、但更为凶猛的动物剑齿虎。大约在 1000 万年至 100 万年前它生活在现在的欧亚大陆。体型跟现在的狮子、老虎差 不多，但是长着两颗非常细长可怕的牙齿，前面的牙非常锐利，后面呈锯
　　
齿状。无论是闭嘴还是吃东西，这些牙肯定碍事。人们会纳闷：这种动物 为什么没饿死呢？
　　图 25 上是大地懒，大约在 100 万年前生活在现在的南美洲。我们可以 把它同图片中的人相比较，来判断它的大小。这个巨大的动物并不凶猛， 并很可能是人类捕获的对象，甚至是人类家养的动物，因为在一个山洞中 同时发现大地懒和人类的骨头化石。这种巨大的地懒在地球上已经灭绝 了，只有人类存活下来成为我们唯一的祖先。在这最后的 100 万年间的某 个时期，一种哺乳动物猿人进化成人类——也许是突然之间发生变化的结 果。一个人的一生与 100 万年的确不能同日而语，但是 100 万年对地球的 整个历史来说，也仅仅是弹指一挥间。图 26 画出了地球发展的各个时期的 时间比例。从出现了人类祖先至今的 100 万年，在这表中连最细的线的位 置都占不上。
　　但是，即使在这 100 万年里，人类大部分时期过着不开化的生活，跟 他们捕食的其他动物没有太大的区别。在人类发展的最后这几十万年中， 我们看到穴居野人像动物一样跟别的动物拼杀，像动物一样嗥叫。到最后
10 万年前，原始的人类才有了说话的能力。他们开始不但能设想、设计， 而且还能跟同类交流思想、交换设想和打算。这就赋予他们战胜其他动物 的无与伦比的优势，从此人类开始了突飞猛进的发展。进步的程度再也不 是以百万年计了，而是以千年、进而以百年计。到现代社会更是日新月异 了。人类在最近这 50 年中的进步是爬行动物从侏罗纪到二叠纪这 5000 万 年间的变化所无法比拟的。
■图 24 剑齿虎。是现代猫科动物的远祖，但绝对不是老虎。
■图 25 大地懒。草食动物，当它坐在后腿上够树叶吃时 20 英尺长，
12 英尺高。
　　■图 26 地球历史的各主要时期和重大事件（事件和时间在很大程度上 是想像的）。
　　
　　地球上的色彩斑斓，生机勃勃，气象万千，宜于生命。这一切都得益 于它的大气层。没有大气，天空将一片漆黑，紫外光将无情地侵害地球?? 第二章大气
　　我们对地球已经探索得够深入的了。现在让我们离开地球，让我们的 思想、眼光转向空中，看看大气的情况。
　　大家都清楚将会看到什么东西：白天我们会看到明亮的太阳、蔚蓝的 天空，可能还有朵朵白云；而夜晚则会看到满天星斗，有时会看到一轮明 月或别的行星。我们之所以能看到这些天体，是因为它们的光透过地球大 气层传给我们；我们看得很清楚，那是因为大气层是透明的，没有任何东 西阻碍光线的传播。
　　也许是因为我们对这一切都习以为常了，因此认为这一切都是理所当 然的、就应该是这样的；也许我们认为空气这东西太稀薄、太微不足道、 太轻飘了，不可能阻挡光线的传播。不过我们知道地球上有多少空气，因 为普通的家用气压表早就给我们测定出来了。当我们看到气压表的指针指 向“30”时，表明我们头上的空气相当于 30 英寸厚的水银，同时也相当于
36 英寸厚的铅，因为相同体积的水银比铅要重，其重量比为 6∶5。为了使 这个重量有具体的视觉效应，我们不妨想像自己身上盖着 144 条铅毯子， 每一条都有 1/4 英寸厚。我们根本不可能看透 144 层铅毯子，因此我们感 到惊讶或者感到幸运的是我们能看透与其相当的大气。
　　我们在地球上做到这一点确实是幸运的，在其他行星上就没有这样幸 运。当我们从地球上观察其他行星时，我们发现它们中的大多数都被不透 明的大气所笼罩，使我们根本就看不到它们的表面。这就提醒我们，如果 我们在这些行星上旅行，就不可能透过其大气看到这些星球上空的星斗。 不过，我们可以详细地探讨一下光的透明与不透明问题。我们知道， 光是一种波，而波分长波和短波。例如，就海浪来说，有长达数百英尺宽 的浪头，能使最大的舰船颠簸摇晃；也有几英寸长的小浪花，对大船来说 毫无影响，只能摇动一叶轻舟，甚至对轻舟也不起什么作用，只不过使水 中的小物件轻轻晃动，使软木塞、海藻等物晃动。光波也是如此，有长波，
有短波。不同波长的光以不同的方式对物体发生作用。 太阳发出的光几乎含有各种波长，是一种混合光。当然喽，有些波长
的光的量很微小。我们的眼睛既看不到太阳发出的很少的那几种波长的 光，也看不到量很大的那几种波长的光。这是因为大气层使它们不能通过。 如果这些光有朝一日穿过大气层，大量地到达地球，就可能把地球烧毁， 把人类毁掉——我们就会被烤黄、烧焦变黑，马上就呜呼哀哉了。然而幸 运的是，我们的眼睛永远也看不到那些能致人类于死地的光。一般来说， 我们的眼睛只能看到大量到达地球的那种波长的光，就是形成白昼的那些 波长的光。
或许这不足为奇。我们是几百万代之前那些祖先的后代，他们的器官，

包括他们的眼睛，几亿年来已经逐渐适应了周围的环境。因此，我们无论 在动物还是人类身上，很少发现无用的器官。当某一器官用不着了，它就 没有用了，最后就逐渐消失了。否则，有那种器官的动物就会消失，就像 我们在第一章所讲到的那些身披甲胄的爬行动物那样绝迹。能看到根本不 能到达地球的光的那种眼睛，对动物、对人类都是个累赘。如果有哪种人 生有这样的眼睛，那么到现在当然已经灭绝了。
　　由于人类的身体已经过数百万年的进化，我们的肺和血液已经对大气 适应了，我们的皮肤对气候也适应了——黑色皮肤适合热带气候，白色皮 肤适合温带气候，如此等等。因此，我们的眼睛已经适应了白昼的光。我 们的眼睛正好适应了大量到达地球的那几种光并非偶然。当我们到达木星 时，我们不可能看透木星天空中的云。然而，如果人类在木星上生活了几 千代，人类的眼睛也可能适应某些透过木星云层的特殊波长的光，他们会 因为自己生活在木星上、为生活在清澈美丽的木星大气中感到庆幸，从而 怜悯那些生活在其他星球上、生活在地球上的居民，可怜他们被那里的不 透明大气所笼罩。
　　由于我们知道宇宙物质，尤其是光，都是通过辐射的方式来到地球的， 因此详细了解不同的光和不同的辐射的特性是很重要的。当我们在阳光下 观看彩虹和带着露水的青草时，会看见一道彩色的光。但是，当太阳落山 或被云朵遮住，那彩虹和露珠上的光彩也随之消失了。这就证明这种光首 先是来自太阳的。但是，这种光不是直接到达我们的眼睛，而是从相反的 方向折射过来的——是通过那些细小的水珠，如阵雨的雨滴反射过来的。 当光进入水珠、又从水珠中反射出来后，就分解成各种不同的颜色，就是 我们所看到的虹。当然，我们有更有效的方式来分解光，就是用精密的仪 器——光谱仪。
　　太阳光通过上述方式分解后变成一条彩带，红色在一端，紫色在另一 端。这条彩色的光带叫做“光谱”。在红、紫二色之间还有其他颜色。太 阳光的一条连续完整的彩带包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。如果我们 分解另一种光，就会得到另外一种光谱，但是，无论是什么光，光谱中的 颜色都毫无例外地同上述顺序一样。这是因为光的不同颜色是由光的不同 波长决定的，而光谱中颜色排列的顺序都是根据波长的顺序排列的。
　　如果我们用另一种仪器——衍射光栅来分解光，就能得到一个简单的 证据。这种仪器只不过是块金属板，用钻石或其他坚硬的尖锐物体在板上 刻划出数千道等距离的平行线条。当光照在金属板上时，那些小线条就能 分辨出不同长度的波，并向不同的方向反射，就像土豆筛子按土豆大小筛 选土豆一样。那连续的划痕之间的距离相当于筛子眼，我们可以根据波被 反射的方向计算出波的长度。当光被这种方式分解后，不同的波长又组成 一个光谱，颜色的顺序跟我们上文提到的顺序完全一样。至于颜色的顺序 究竟有什么含义，我们不必从头探索。现在可以一目了然，光的不同颜色
　　
是因为光有不同波长。在光谱中，颜色的顺序是按光的波长顺序排列的。 实际测量表明，红光的波长最长，每英寸有 3.3 万个波形。我们按橙、黄、 绿等颜色的顺序依次看下去，波长逐渐变短，最后看到紫光的波长是每英
寸 6.6 万个波形。 声音也有波，当然它与光波有很大区别。声波需要空气来传播，而且
波长要比光波长得多，是 100 多万倍。像不同波长的光造成不同颜色一样， 不同波长的声音有不同的音高。例如钢琴上的中音部 C 的波长是 4 英尺， 而最高音部的 C 的波长是 2 英尺。当一个声音的波长是另一个音的波长的 一半时，我们说这个音比另一个音高 8 度。因此，当紫光的波长是红光波 长的一半时，我们说紫光是红光的高 8 度光。事实上，当我们把光谱上的
7 种色光看成是 7 个音符亦未尝不可：红色——C 音，橙色——D 音，黄色
——E 音，绿色——F 音等等；我们已经看到，所有的可见光都出现在一个
8 度音程（1 个倍频程）内。我们的耳朵能听到 11 个 8 度音程的声音，但 是我们的眼睛却只能看到 1 个倍频程的光。
　　我们已经注意到，太阳发出的光远远超过我们的眼睛所能看到的 1 个 倍频程的光。在我们能看到的最深的紫色光之外，还有许多光我们看不到， 它们的波长更短，所以通常称之为“紫外辐射”，或者叫做“紫外光”、 “紫外线”。这种光我们的眼睛看不到，原因就像水中涟漪对舰船无影响 一样，它们的波太短。但是这种光对摄影底片的影响却非常大。如果我们 的瞳孔是用跟底片上的感光材料相类似的材料构成的，那么我们的眼睛也 能看到紫外线。
　　在光谱的红光一端以外，也有许多我们的眼睛看不到的光。这些光的 波长都比红光的波长还要长，通常被称为红外线。当一个固体——例如铁 匠炉火中的马蹄铁——被加热时它最先发出暗红色的光，然后随着温度的 提高它会依次发出明亮的红光、橙色光、黄色光等。加热使马蹄铁发光， 温度越高，发出的光的波长就越短。我们可以说，当一个物体被逐渐加热 后，它发出的光的波长在光谱上越来越短。一个物体直到它发出的光进入 了光谱中的可见光时，我们才能看到该物体自身的光，在此阶段之前，它 发出的光是光谱上红色之外的红外光。我们的皮肤（而不是眼睛）对这种 辐射更为敏感。如果我们把手挨近热的马蹄铁，不等我们看见它发光，就 会感觉到它在辐射、放热。这表明红外辐射的最根本的特点是发热，而不 是发出可见光。普通的摄影胶片既不受红外光的影响，也不受红光的影响， 因此我们在暗室中可以使用红光，感光胶片不会受到损害。如果构成我们 的瞳孔的材料跟胶片的材料类似，那么我们的眼睛就根本看不到红光，也 很难看到黄光或绿光，只能看到蓝光、紫光以及我们现在的眼睛所看不到 的紫外光。
虽然我们的眼睛只能看到 1 个倍频程的光，但是科学家们发现了能观
察 64 个倍频程的光的方法。它们的发光范围就像一个有 64 个 8 度音的巨

大钢琴，在这个钢琴上我们只能听到可见光那个频程的音，而其余的音全 都听不到（见图 27）。这个音程上一个高音就是紫外光。摄影胶片能受到 这种光的影响，使我们知道了这种光的存在。这种光还能使某些化学物质 发出荧光。这表明，当这些物质受到紫外线照射时，它们发出可见光。—
—似乎这些物质获得了放射能，使可见光的范围又扩大了。然后在可见光 部分往上的 10 多个倍频程内出现了 x 射线。在 x 光下，密度较小的物质比 密度大的物质更加透明。所以，当用 x 射线照射一堆混合物质时，密度大 的物质就会在密度小的物质上留下较深的阴影。正是因为有这一特性，外 科医生用 x 光来观察骨折，还用来探测被现代画覆盖了的古画。
　　■图 27 发光范围的中部。每一个部分都代表光的一个倍频程，每一部 分的两端都是不可见光，只有中间的阴影部分是可见光。
　　再往上的特高音区出现了由镭放射出来的γ射线。最后，在可见光倍 频程以上第 32 倍频程出现了某些宇宙射线的成分。这种射线能穿透若干英 尺厚的铅。
　　在另一端的低音程区首先出现了我们前文已经描述过的红外光。大约 在第 3 个倍频程上，有一块热铁块发出的热，第 4 个倍频程上有沸腾的水 壶辐射出的热。现在特殊的感光胶片是由对红外线敏感的材料制成的，这 样就可以拍摄在这种光下的物体。可是这些东西我们肉眼看上去则是漆黑 一片。再往下，从可见光往下大约在第 30 倍频程，这里的光波波长是可见 光波长的 10 多亿倍。这种波很有趣，也很重要，它们就是用于广播的无线 电波。黄光的波长大约只有四万分之一英寸；但是，如果我们要接收无线 电广播的节目，就得把收音机调到 1500 米或 342.1 米的波长才行。除了把 波长扩大了几十亿倍之外，无线电波也具有光波的许多特性。例如一个发 射台上的平行的导线处理无线电波，就跟衍射光栅处理可见光波几乎完全 一样。如果我们让一种颜色的光照在衍射光栅上，我们会看到这种光只向 一个方向反射的光束。这个方向取决于光的波长。同样的道理，如果只有 一种波长的无线电波通过发射台的天线发射出去，它们就会以一束电波往 单一的方向发射，发射到印度、中国、日本，发射到任何我们想发射的地 区，就看我们用哪种波长了。
　　我们对辐射和光的基本特性作了初步研究之后再来研究一下传播它们 的媒体——大气层。我们当中的大多数人会以为大气只不过是天空中一层 透明的气体而已，但是科学研究表明，大气结构是非常复杂的。我们可以 通过下面的方法得出大气结构的非常清楚的概念：就像认识地球那样，我 们把大气层也看成若干层，一层裹一层，最里的一层裹着地球。
　　包裹着地球的第一层大气叫“对流层”。这多变的一层的厚度在不同 时间、不同地点各异，大约在 5 英里到 10 英里之间，平均厚度约 7 英里。 尽管这在整个大气层中只不过是很小的一部分，却含有空气的大约 90％。 这是因为越低层，大气的密度就越大，空气也越多，压力也越强。而高处
　　
则相反。对流层由于有风和风暴不停地翻动而得名。其外层则相反，叫做 “平流层”。这里几乎绝对平静，不刮风也没有风暴，因为它们达不到那 样的高度。
　　大气是多种气体的混合体，有的气体较轻，有的气体较重。如果有充 分的时间让大气静止下来，较轻的气体会逐渐向上移动，就像奶油逐渐漂 浮在牛奶表层那样。实际上，大气层从来就没有一次安静过几天以上。我 们已经知道，地球的自转造成季风、风暴以及其他形形色色的风。如此看 来，大气层更像是奶油搅拌器，而绝不是盆中静止的牛奶。这种永无休止 的搅动，使对流层中的空气充分混合，因此各地的空气成分都是一样的。 我们已经知道，对流层中的空气中氮气与氧气含量的比例是 4∶1，其他气 体的含量要小得多。其他气体中的主要成分是水蒸气。它具有特殊性能。 在对流层的各种气体中，只有水蒸气能凝结成水珠，然后就会以雨或雪的 形式落在地球上。我们对喷水很熟悉，但是从来没见过喷氧、喷氮或喷氦。 当空气被风搅起来上下翻滚时，水蒸气往往凝结成水滴，因此人们普遍认 为风头过后就有雨。如前所述，搅动使空气在对流层中均匀地混合起来， 但是水蒸气是一个例外，空气的翻滚反倒使它降到最低点，落在地球表面。 随后，降下的雨水又要蒸发，并储存在大气中。还不等水蒸气上升得很高， 另一场风就又把它吹下来，形成雨雪，降到地球上。人们发现水蒸气在空 气中并没有均匀地扩散开，而是局限在大气中最低的高度上。实际上，在 水平线附近，空气中水蒸气的含量有 1/80；但是在对流层的顶部，这个比 例要小得多，是 1/10 000。事实上，大气层中所有的水蒸气都集中在对流 层，将形成雨、雪或雾。普通的雨云（见图 29）通常出现在数百英尺到一 英里或更高一点的空中；而最高的云、好天气时高空的云，俗称卷云或卷 层云（见图 28）是在 5 英里到 6 英里高的高空形成的。在对流层以上，什 么云都没有。
　　大气层中空气不断地上下翻滚造成了非常有趣、非常重要的结果。当 我们向某种气体施加压力时，它不仅体积缩小，而且温度还上升（给空气 加压时其温度升高的现象可以在给轮胎打气时看到）。与此相反，给空气 减压则会使其降温。因此，从压缩气体罐中释放出来的气体总是凉的，有 的甚至会结冰，成为霜雪。这正是许多灭火器工作的原理。当空气被对流 层的风或风暴卷向高空时，它所受到的压力减少，温度降低，就像从气筒 里打出来的气一样。如果上面提到的那股空气又被风或风暴卷下来，它受 到的压力增加，温度也随之提高，就像打进轮胎里的空气那样。因此，在 对流层中，上层总比下层的温度低。如果我们登山或乘飞机升空，我们会 发现空气越来越凉；当我们进入煤矿的巷道或来到山谷的底部，温度就会 高一些。
　　■图 28 卷云。这是天空中最高的云，通常在 5 英里至 6 英里的高空， 是由细微的冰晶组成的。而其他云都是由小水珠组成的。
　　
　　■图 29 云与雾。这是罗恩山谷的云雾。山上方的是积云和层云，而后 者被说成是不接触地面的雾。山谷中充满了雾，同样可以说它是接触地面 的云。
　　如果大气只是一团混合的空气，我们会发现每升高 1 英里，气温就会 下降 29 华氏度。但是还有许多其他因素要考虑进去，例如地球温度、太阳 的光照和地球表面的不同高度。用气球作的实际观察表明，随着高度的上 升，温度的下降是相当有规律的：每上升 1 英里，温度就下降大约 17 华氏 度。当海平面的温度是 60 华氏度时，在 7 英里的高空，温度将是-60 华氏 度左右。这接近史料记载的地球表面最低温度-94 华氏度。这个温度是在 西伯利亚的沃克堆恩斯托克记录的。
　　早年的科学家们曾设想，任何人只要在空中升得更高一些，都会发现 空气越来越冷；直到最后，空气极为稀薄，此时很难说还有什么气温可言。
1898 年在巴黎附近放出了一系列气球以探测极高的空中的气温。这一试验 证明前面提到的那种设想是错误的。人们发现，升到 7 英里至 10 英里高度 后，温度几乎保持不变，有时甚至会略有上升。据我们现在的了解，原因 是有的气球已经升到翻腾的对流层之外，进入了平静的平流层，这里没有 风暴对空气加压并使温度上升，或将空气减压而使温度提高。
　　当我们设法探索平流层的高度时，所遇到的困难跟探索地球深度所遇 到的困难一样。探索地球的最轻而易举的方法就是打洞，要么是科学工作 者亲自下去采集标本，要么是用仪器在地下取得样品。但是，用这种方式 进入地下的深度终究有限，而要再往深处就只能借助于波了。同样的，要 探索平流层，要么我们乘坐气球升空采样，要么用气球采集。这两种方法 都是常用的，但是都不大可能升得很高。到目前为止（编者注：此指作者 写书的时期），人类升空还没有高出 13.7 英里。这是 1934 年 1 月从莫斯 科放飞的气球所达到的最高点，但是乘员却没能活着着陆。没有乘员的气 球所达到的最高高度是 23 英里，这是在帕多瓦放飞的气球所达到的高度。 在目前的情况下，要想达到比这个高度更高的高度只能用波。在探测地球 时，只能使用一种波——地震波；但是，在研究平流层时，有三种不同的 波可以利用，它们是光波、声波和无线电波。这三种波都能通过平流层， 并且可以使它们传递某些信息，就仿佛在气球上设置各种自控仪器一样。 通过平流层的光当然是太阳和其他恒星发出的光。这些光带到地球的 信息是：当它们通过大气层时某些光失去了。许多失去的光是光谱仪上属 于紫外线的那些波长的光，而且正是那些不能穿越臭氧层的紫外线。于是 人们自然会得出结论：臭氧层阻止了紫外线到达地球。臭氧是一种特别重 的氧气，一个分子中有三个氧原子，而不是通常的两个。人们一般认为臭 氧的最大作用是使海边的度假者精神勃勃，使苍白的面孔容光焕发，使人 显得健康等等。臭氧在科学上有什么价值，人们尚无所知。化学分析表明，
在海滨胜地、在海上和陆地上确有相当数量的臭氧。