中文版序言
本書是從全新的“礦物進化”的視角審視地球45億年的故事，這個視角的新穎之處在于它把地球整個地表如此多樣化的礦物看作是物理-化學-生物多重作用的結果。我們的團隊認為在最早的冥古宙（也稱隱生宙）地球上只有420種礦物，但到了距今30億年前就增加到1500種。接著，這一造礦過程繼續在24～22億年前的大氧化時期，以及5.4億年前的顯生宙時期制造新的礦物，這一時期創造的新礦物占今天5000種已知礦物的70%。
過去一年里見證了這一概念的迅速發展，包括對多樣性礦物之間關系的系統的統計學研究。為此，我們把礦物學視為一個復雜進化系統的范例，其進化過程是確定性與隨機性過程的綜合。當然，所有進化的系統都遵循物理和化學定律，但概率事件也起了重要作用，引發了系統中很多無法預測的和突發性的細節。
地球地表45億年的變遷表現出了和其他進化系統一樣的典型的復雜特征，趨同與分化，停滯與快進，甚至滅絕。在礦物進化的歷程中，造巖過程是最主要的方面。
太古地球，甚至是外星表面的礦物演化應該和今天的地球大同小異。尤其是氧、碳、鎂、硅、硫、鐵這些太陽系豐度最高的元素，也暗示了銀河系甚至河外宇宙中任何固體表面的星球，其殼層的地幔層都由相似的氧化物和硅酸鹽的成巖作用所主宰。不過隨機性也扮演著關鍵角色。為什么地球或月球上將近5000種礦物，有的相互伴生，有的則相對獨處？如果讓地球歷史重放一次，礦物會有多大不同？其他星球上又會有怎樣的進程（初始條件和偶然性到底起多大作用）？所以我們要探索礦物的“生態學”中的偶然性和必然性。
這些算不上是新問題，生命起源研究中偶然性與必然性經常引發爭論。例如碳是所有生物化學中不可或缺的關鍵的核心元素，所以幾種生命起源理論都建立在生物分子學的路徑之上，即所謂的TCA代謝循環。與之相反，有些分子生物學家將基因視為“凝固的偶然”，他們認為信使RNA上的密碼子與氨基酸的匹配很可能是地球歷史上一次偶然事件的結果。以后的分析和爭論仍然在考量基因以及蛋白質結構和功能的作用。
對于基因產生之后的生命演化，仍然可以看見一些權威學者主張偶然性扮演主角，例如寒武紀無脊椎動物的形態學研究。另有一些科學家則更強調動物進化中的必然性，例如對軟體動物的拓樸結構、蛋白質的結構以及諸如眼睛、四肢、翅膀、鰭、刺等結構的功能特點的研究。
我們最近的研究則主張偶然性與必然性在礦物進化過程中旗鼓相當，我們發現至少有4種因素影響著礦物的分化：①結晶化學上的特性，反映在礦物多樣性及其豐度之間的關系上；②礦物在多維復合空間中的穩定性，反映在熱化學數據上；③稀缺礦物產生的概率，反映在礦物種類的地理分布上；④星體的化學細分研究，反映在最近在搜尋太陽系外類地行星過程中獲得的其他星體的化學組成數據上。
或許最激動人心的發現是關于那些“失蹤”的礦物的。“分化-分布”這一關系模式可以使我們去估量地球上今天尚未發現的礦物的數量。我們預測約有四分之一的礦物，也就是約1500種礦物，我們知之未詳。甚至我們還可以根據缺失礦物的組成與分布的統計學數據來預測去哪里可以找到它們。因此在礦物—生物學的觀念下，生物學最終將不僅僅是一門尋找偶然性的觀察性科學，而是可以成為一門可以預測、預言的科學。
于是，每次礦物學的新發現，都使我們更清晰地看到地球的身世。
2015年6月于華盛頓特區
奇怪的月亮
（月亮最大的謎團就是來路不明，到底是地球分娩出來的一個孩子，還是地球從太空俘獲的路人，還是二者是從同一團星云中誕生的同胞？）
關于地球起源的這個故事，似乎干凈利落，除了一個令人震驚的細節：月球。它太大了，忽視不得；在過去的兩個世紀，要想解釋它的存在，卻是難得離譜。小月亮，容易理解。佛波斯和戴莫斯（Phobos and Deimos），兩塊城市大小的不規則石頭，圍著火星轉，顯然是被俘的小行星。幾十個大得多的衛星，繞著更遙遠的木星、土星、天王星和海王星轉動；與它們的行星主人相比，都是小家伙——遠遠不到它們主人質量的千分之一。那些衛星中最大的，是由原本構造行星剩下的塵埃和其他下腳料構成的，圍著那些氣體巨球轉，它們構成了宛如具體而微的太陽系。
地球的月亮，與此不同，與地球相比，它太大了：直徑超過地球的1/4，質量大約是地球的1/80。如此怪物，其來何自？
歷史性的科學，尤其是地球與行星科學，依賴于別出心裁的故事（雖然故事多少是符合事實的）。如果有不止一個故事符合觀察結果，那么地質學家常常采取一種謹慎的立場，此所謂“多重作用假說”——喜歡讀偵探小說的人，熟悉這個路數。
彪炳史冊的阿波羅登月開始于1969年之前，在發現太古的月亮巖石以及對月球內部進行仔細的地質物理學測量之前，三大疑問面對著“大月亮疑案”：第一個廣為接受的科學假說，是“分裂說”（“母子說”），由喬治·霍華德·達爾文（名聲大不如其博物學家的父親查爾斯·達爾文）在1878年提出。在喬治·達爾文的方案中，起初熔化狀態的地球，圍繞地軸旋轉，速度太快，對地球又扯又拉，終于把一團巖漿從地面甩到了軌道上（也稍微借助于太陽引力）。這種模型的月亮，是地球的一個骨朵，撇出去了，也自由了。在這個戲劇故事的一個變體中，太平洋海盆仍然是一個透露隱情的標志——地球母親生孩子時候留下的傷疤。
第二個打擂臺的想法，是“捕獲說”（“夫妻說”），認為月亮是獨自形成的，是較小的小行星；在正在涌現的太陽系中，月亮的郵政號碼和地球是一樣的。在某個時候，這兩個星體靠得太近，較大的地球就捕獲了較小的月亮，把它推進了一個環形軌道，這軌道也逐漸穩定下來。貪婪的引力機制，為火星的那些較小的巖石月亮服務得蠻好，那引力有什么理由不伺候地球呢？
第三個假說，“共生說”，設想月亮多多少少是在它目前所在的位置上形成的，材料是地球剩下的下腳料構成的一大團星云，仍然留在軌道上，繞著中間的行星地球轉，之后星云物質凝聚濃縮成月球，月球又清空了地球周圍其他的剩余物質。這個聽似有理的想法，活脫是我們所知道的太陽及其行星故事的翻版，活脫是我們知道的巨大的氣體行星及其衛星故事的重演。那是一個司空見慣的主題，在太陽系翻來覆去地演練：較小的物體，是從繞著較大物體的那些由氣體、塵埃和巖石構成的云團中逐漸積累起來的。
三個打擂臺的假說；哪個是對的？喜歡刨根問底的頭腦，得等著從月球巖石中來的資料——來自阿波羅登月的六個地點的840 多磅的標本。
觸摸月亮
（直到從月球上采集到了貨真價實的巖石和土壤，月球的前世今生才水落石出，就好比找了些生物細胞做了DNA鑒定）
阿波羅登月使命，在許多方面使行星科學脫胎換骨。確實，阿波羅登月是一個無與倫比的展窗，炫耀美國的技術業績和冒險精神。毫無疑問，登月為軍事工業中心提供了強大的推動力。阿波羅激發的無數發明，從小型計算機到聚合物，到果珍飲料，提供了經濟動力；由此而來的收益，可以為200 億美元的登月冒險買單若干次。國家驕傲與競爭“制高點”，才是既破費、又危險的早期月球項目的主因，而非月球科學，這就不叫人驚訝了。
即便如此，在我這一代地球科學家中，對阿波羅登月以及由此得來的地球巖石寶貝帶來的沖擊力，無論怎么夸張都不過分。就全部人類歷史而言， 月亮似在咫尺之外，僅僅在25 萬英里之外。在晴朗的夏夜，泛紅的滿月冉冉升起，此刻你感覺它伸手可及。但是，我們沒有標本——沒有什么東西告訴我們月球是用什么造的，以及在何時、何處造的。有了第一批月亮標本， 在人類歷史上，我們就能貨真價實地第一次摸一下月亮（如今到“史密森學院” 去參觀的人就能）。
我第一次真正聽說月球標本，是在1969—1970 年冬，那時我是麻省理工學院的高年級學生。那是阿波羅11 號探險不到半年之后的事。戲臺在幾個月之前就搭好了；1969 年7 月24 日，當時第一次踏上月球的幾個人凱旋。在月球探險的頭幾天，擔心人類被外來微生物感染，宇航員和標本要遵守嚴格的免疫政策。因此，當登月艙在夏威夷附近的太平洋面上激起浪花之際， 美國軍艦“大黃蜂號”把它撈回來，阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、奧爾德林（Buzz Aldrin）和科林斯（Mike Collins）連同他們從空間帶回的45 磅無價的石頭與土壤，旋即密封在NASA 的“可移動免疫設備”里。從夏威夷， 他們被船運到休斯頓，進了那個暫新的“月球接待實驗室”。空間探險家們和他們的寶貴標本坐了將近三個星期的禁閉，免得某種討厭的東西陪著宇航員來到地球。
阿波羅登月的幾次任務，在此后的三年緊鑼密鼓地進行。阿波羅12 號登月艙“無畏者”及其宇航員小康拉德（Charles Conrad Jr.）和比恩（Alan Bean），在1969 年11 月19 日觸摸到了月球，一星期后返回，帶回來大約70 磅月球巖石和土壤，也一溜煙地送到休斯頓的免疫設備里。憑著好運氣，我的論文指導老師，才華橫溢的大衛·文斯（David Wones），是阿波羅12 號的“月球樣本初步調查小組”的成員之一。那一小組科學家，得到了光榮任務，審查第二批寶貴的月球標本，使用的是藝術般級別的分析武器。大衛的拿手好戲是火成巖石學——研究巖漿形成的那些巖石的起源。阿波羅11 號和12 號的全部月球巖石的起源都是火成的，因此他就進了地質學家的樂園。從某種意義上說，那是一個艱難的任務：一個月的大部分時間，他和另外幾位興致勃勃的科學家都給鎖了起來，在壓力之下，從人類搜集到的最昂貴而重要的一些巖石標本上，歸攏堅實的數據。但是，能作為頭一批操作另外一個世界的巖石和土壤的人員之一，也令人興奮得不可想象——來自太空的東西，將一勞永逸地告訴我們月球的起源。
我第一次湊近看月球，是在大衛從休斯頓返回麻省理工學院。我記得， 在“綠樓”12 樓，電梯門開了。大衛出來了，中等個，戴眼鏡。一邊一個聯邦特工：高大魁梧，穿制服，帶槍。特工保衛月球標本；在收藏市場上，那些標本值幾百萬啊。每一毫克都記錄在案。大衛看上去疲勞而緊張；他離校很長時間了，他一直受到監控，他還有一個工作要做。
月球標本這個課題提到了日程，此時大多數人立刻想到了月球巖石，那可能是某種厚實之物，你可以抓在手里。但是，月球材料的一個很大部分， 是月球土壤，或者叫風化層，也就是浮土。風化層的細小顆粒，是巖石變來的細塵，你用顯微鏡也看不清那么小的顆粒——此乃宇宙暴力摧殘的結果； 那些宇宙暴力，是從雷霆萬鈞的小行星轟擊，到持續不斷的太陽風。這種超級粉末有些奇怪的屬性，最可注意的是它碰到什么，就粘附什么，跟復印機里的色粉相似。大衛的任務是把一些這種粉末從一個大瓶子（大約2 號電池大小），轉移到三四個小瓶子里（大約7 號電池大小），以便分發給附近的幾個實驗室。
聽起來容易。把粉末從大瓶子倒在一張3 平方英寸的粉紙上，粉紙表明光潔。小心翼翼地用小勺把少量裝入小瓶子里。與此相似的操作，大衛做過幾百遍，耗時不該超過一分鐘。但是，此處的貨色值錢得多。缺乏幽默感的保安，分立兩側；一小撮學生也在觀望。因此，在傾倒大瓶子的時候，大衛的手開始有點顫了。粘性的粉末粘在瓶壁上，不想出來。他用食指敲打瓶子。不管用。再敲。
接著，突然之間，全部的這些月球塵土——其實不過圓錐巧克力大小的那么一小堆，但在這種情勢下，它好像很不少——呼啦一下都出來了，然后噗！塵埃飛起來，濺在大衛手指上，撒出了粉紙的邊緣，撒到了桌子上。我們大家都必定吸進了一些彌漫在空氣里的月球顆粒。無人說話。
這不是一個真正的災難，因為沒有丟失什么，那些粉末最終也到了小瓶子里，聯邦調查局的保安最終離開，把幾份樣本送到其他實驗室。回想起來，我們都認為事情頗為滑稽。幾天之后，在試驗臺上，粉末分份兒就在這里完成，我們為那片3 平方英寸的粉紙裝了框子；在月亮塵埃之間，是大衛·文斯左手食指的一個幾乎完美的指印。
另外四次阿波羅登月緊隨其后，在1972年12月達到高潮：阿波羅17號往返帶回取自月球的“金牛座-利特羅山谷”（Taurus-Littrow Valley）的275磅樣本。那個地區可能有月球的地震活動。四十年了，無人再返回月球。然而，月球巖石，小心翼翼地保存在無菌的地下室里，地點是NASA在休斯頓的“約翰遜空間中心”的“月球樣本大樓”（德克薩斯州圣安東尼的“布魯克斯空軍基地”也有一個重兵把守的藏品庫）。那些樣本繼續為研究者提供大量奇妙的探索機會。
最后一次阿波羅任務幾年之后，那些樣本為我提供了第一份真正的工作。作為“卡內基學會”的地球物理學實驗室的博士后，我的任務是檢查阿波羅12號、阿波羅17號和月神20號（此乃蘇聯三次無人探索中的一次，帶回的大約三分之一磅的月球樣本）的幾堆“細物”。把月球土壤細塵散開，是很多淤泥和沙子大小的顆粒，我的任務是花幾小時，用顯微鏡細審那些顆粒，一點一點的、紅紅綠綠的漂亮小晶體，以及微小的彩色玻璃體的小金球——那是幾十億年的隕星暴烈轟擊下的巖石殘留物。
一旦我分離了幾十個看來有意思的小顆粒，我就對每一個非同一般的顆粒進行三種分析：首先是單晶的X光衍射，這是要知道我們對付的是哪類晶體。我的大多數研究集中于普通的礦物橄欖石、輝石和尖晶石。如果我發現了一個很好的晶體，我就仔細地擺正它的方向，測量其吸收光譜——晶體吸收不同波長的光。綠色的橄欖石晶體，比方說，一般是吸收紅色；與此不同，紅色的尖晶石晶體吸收更多的綠色。我還測量那些不一般的玻璃顆粒的光譜，時時注意吸收光譜上的那些能夠說明問題的凹凸和扭曲，那表示稀有元素——比方說，鉻和鈦。我發現了一個625納米的小顆粒，稍微吸收橘紅光，此乃鉻元素的特點；它是在月球上產生的，跟地球上的鉻頗不相同。這個發現是一個難忘的“我可找到了”（eureka）的時刻。
最后，在X光和光學工作做好之后，我用一種昂貴的分析儀，名為電子微探針，來確定我樣本中各元素的精確比例。我一再地確認了別人已經發現了的事情：月球表面的礦物，雖然與地球上的主要元素是相似的，但在細節上與我們在地球表面發現的東西大不相同。月球礦物含有更多的鈦；鉻也不一樣。
阿波羅巖石提供的這些以及其他的新線索，為月球起源的諸多理論提供了嚴格的檢驗。首先，事實證明月亮迥異于地球。這意思是：月球的密度是低太多的；月球沒有一個巨大而致密的鐵核。地核質量占地球全部質量的將近三分之一，但月球的小核僅占其質量不到3%。其次，月亮巖石里幾乎沒有最易變的那些元素的痕跡——那些元素，每當東西變熱，就蒸發掉，如氮、碳、硫和氫，在地表都是尋常之物，在月球塵土中卻不見蹤影。這種缺乏意味著月球不像地球，地球覆蓋著液體水，地球土壤含有豐富的富水礦物，如黏土和云母；阿波羅登月帶回的任何東西，都沒有含水的礦物。必有某種事情對月球連炒帶烤，把易變元素撇除了，因為月球如今是一個絕對干燥的地方。
阿波羅登月的第三個關鍵發現，基于氧元素；說得更具體些，是基于氧的同位素分布。每一種化學元素，都由原子核中帶正電荷的質子數來確定。“氧”僅僅是“有8個質子的那種原子”的一個綽號。原子核里還有第二類粒子，是不帶電的中子。宇宙中超過99.7%的氧原子，有8個中子（8個質子加8個中子，就得到所謂同位素氧-16），而比較稀有的同位素有9個或10個中子（分別是氧-17或氧-18），只占不到1%。
氧-16、氧-17和氧-18，就其化學行為而言，其實是相同的——把它們任意混合起來，呼吸之，你不會感覺異樣——但是，它們的質量確實是不同的。氧-18比氧-16重一些。因此，每當含氧化合物從固態變為液態，或者從液態變為氣態，較輕的氧-16是比較容易變化的。在騷亂的原始太陽系中，三態變化司空見慣，導致氧的各種同位素在數量上變來變去。事實證明：氧-16與氧-18的比例，隨著行星的不同而不同，對行星在形成之際與太陽之間的距離很敏感。阿波羅巖石表明月球氧的同位素比例，與地球的其實相同。換言之，地球和月球在形成之際，離太陽的距離必定大體是一樣的。
如此一來，這些發現把那三種打擂臺的月球形成理論置于何地呢？“共生說”一開始就陷入了麻煩。假如月球是用地球的下腳料制造的，那么月球的平均構成成分就應該和地球相似。確實，月球和地球在氧的同位素方面是相符的，但鐵和易變元素大大不同就不可解釋了。月球的主要構成成分太不相同了，不可能和地球在大體相同的地方由相同的材料構成。
構成成分上的不一致，也為“捕獲說”制造了不可逾越的問題。行星運動的理論模型表明：任何被俘的小行星，必定是在太陽系星云中形成的，它們與地球離太陽的距離是一樣的，因此其構成成分也應該與地球大體一樣。事實卻不是這樣。當然，月球大小的物體或許是在太陽系星云的其他區域形成的，因為走了一條與地球軌道交叉的軌道；但是，軌道動力學的計算機模型，要求如此這般的一個月亮，速度要比地球更高，這使得捕獲的情節全然不可能發生。
還剩下喬治·霍華德·達爾文的“分裂說”；這個理論能成功地解釋相似的氧的同位素構成（地球和月球是一個系統），也能解釋鐵的不同（地核早已形成，因此形成月球的那一團東西，是早被地球分化出來的那種東西，也就是含鐵很少的地幔。）這個理論完美地符合如下事實：月亮總是面對地球：地球的自轉與月球的軌道，遵從相同的旋轉運動，都圍繞著地軸——相同的運動步調。但是，還有一個大問題：月球上如今不存在的那些丟失了的易變元素，哪兒去了？
物理學定律也擋了“分裂說”的路。大約在阿波羅登月那年代，關于行星形成的計算機模型取得了進步，結果理論家能十拿九穩地研究一個飛旋的、地球大小的巖漿球的動力學表現。簡而言之，分裂說行不通。地球引力非常強大，不允許一團熔化的巖漿甩到軌道上。實際上，地球若想甩出月亮大小的一團巖漿，那么稀里咣當的地球必須以難以置信的速度繞地軸飛轉，大約一小時自轉一圈。要發生這種事情，地球和月亮系統根本沒有足夠的角動量。
簡而言之，在阿波羅登月之后，關于月球形成，之前的這三種主要理論都不符合數據。那必定存在另外一種解釋。
新書資訊