超导体
将某一元素，如铌降温至-264摄氏度，它会变成零电阻超级电导体。在封闭的环内，电子能够永不停歇地循环。人们预测，有些中子星是超导体。
超流体
一种无黏度的液体，能够流过自身。搅动一下超流体，它就会永无止境地流动。超流体液氦还能够爬出容器，从分子大小的孔隙中逃出。和玻色-爱因斯坦凝聚体及超导体一样，超流体能够存在于中子星中。
天体物理学的圈子
当我们的太阳系在大约50亿年前开始凝聚时，这样的事并不是第一次发生。138亿年前，宇宙从一个微小、密实、炙热的点开始膨胀。与太阳系的凝聚相似，那似乎是个极为枯燥无味的过程，但并非完全如此。结果，宇宙中少许最不完美的部分开始拉扯自身，让自己脱离宇宙膨胀的基本状态。
气体
由能够自由移动、没有紧密相关性的单元组成的可压缩流体。气体的黏滞性较低，能够膨胀、填满可用空间。
等离子体
与气体有相同的特质，但由于组成部分是被离解电子的海洋包围着的带电离子，因而具有导电性。
关键：物质的基本组成
简并态物质（Degenerate matter）
在极端高压或低温情况下，物质的组成物（如电子）能够填充所有的可用量子能量级。在这一情况下，一种被称为“简并压”的反压力产生了。简并态能够出现在中子星的中子中，防止它们塌缩成黑洞。
夸克-胶子等离子体
在超过10 000亿开尔文下形成的类似液体的夸克和胶子浆。在宇宙早期及粒子加速器中，质子和中子能够融化，形成这样的液体。夸克-胶子等离子体是一种几乎无摩擦的液体，若温度更高，便可能成为一种气体。
这些不完美的部分是如何脱离宇宙膨胀的呢？通过引力。它们中的一部分，是那些物质密度比周围平均密度稍高一点的地方。给定一个足够高的密度，自引力（一片区域的重量）就能够阻止这一空间的膨胀。这样一种“自拉力”（质量扭曲自身周边时空的现象）足以克服基本的宇宙膨胀趋势，并使得暗物质和正常物质得以聚集。
但是物理总是难以捉摸的。如果气态的正常物质聚拢在一起，或者更准确地说，落在一起，形成的物质会将引力势能转化为热能。换句话说，它变热了。这使得引力聚集物质和热能压力分散物质两种运动间形成了竞争。在适当的环境下，如果物质冷却得足够快，引力就能够将之聚集成高密度的聚合物。
大爆炸后的1亿年内到底发生了什么，至今仍是个谜团，但似乎在这一时期，初代巨型恒星和初始星系结构开始形成。这些早期的恒星对于宇宙第一批重元素的形成来说很关键，并且在恒星随着年龄增长、膨胀及爆炸而被扔至星际空间的过程中发挥了重要作用。
宇宙中的第一批恒星。
就像是幼苗的优质肥料一般，少量的重元素开启了气体冷却的新篇章。这是释放热能的过程，同时也减缓了新的聚集物和结块的形成速度。造成的结果就是，之后的几代恒星在大小上有着很大差异。
某些结局凄惨的恒星，比如超新星，也触发了星际物质的快速崩塌，或者使星际物质在凝聚和分散的边缘摇摆不定。一颗爆炸的恒星会向星际空间持续不断地放射出气体和粒子冲击波，由此释放出的种种不稳定催生了新的聚集物。
这些早期的物质群开创了物质循环的先河，并一直延续至今：星际间的物质聚集到一起，某些物质聚集得足够紧密，从而形成了恒星（以及行星大小的星体）。恒星热核中的核聚变创造了越来越多的重元素，几百万年到几十亿年以后，那些恒星向虚空中放射出混合元素，通常只留下恒星残骸，这些残骸就是白矮星、中子星甚至黑洞。这些密度极高的凝聚体通常意味着终点，在这里，物质将会就此停留。
几十亿年间，几千亿颗恒星经历了许多次这样的循环，使星际空间被这些重元素缓慢地侵占，这种侵占柔和而微妙。即使到了现在，相比宇宙之初就存在的氢和氦那庞大的数量，这些新元素的数量也是微不足道的。碳、氧、氮、硅这类元素，以及我们周围的其他所有重原子元素，几乎只占据正常物质的1%～2%，而且它们大部分存在于星际空间或星系际空间的稀薄气体中。
宇宙中也存在少许尘埃。这种尘埃是微观的，由硅酸盐或富含碳的化合物组成，直径小于千万分之一米。这些尘埃是超新星爆炸时排出的残余物，由衰老恒星的大气层和星体内部经快速冷却而形成。
在银河系这类星系的轨道旋涡中，由恒星物质构成的最紧实的积聚物可在星云中看到：点缀着星际银盘的分子云。宇宙中有几千处星云区域。一部分体积最大的星云如今正赶在星系物质偏离轨道及其引力拉扯将星云中的污垢一扫而净之前，积极地制造新的恒星。
恒星爆炸。
我们可以重现太阳系的大部分史前历史。这些线索来自对遥远的宇宙，以及毗邻家园的宇宙空间的观察。同时，我们通过窥探宇宙不平凡的过去所留下的微观残留物，发现了一些极为重要的事实：一些元素和放射性同位素深深嵌入了落在地球上的远古陨石中。
所有这些事物，为我们带来了睡前故事，也为所有这些睡前故事带来了终结。
从过去到现在
很久以前，在大约45亿年前，银河系中有一片富含物质的星云，其中一块大小和密度正合适的区域开始向内移动并凝聚。正如所有类似的情况那样，一颗临近的恒星爆炸所产生的力，使它跨过了自身的引力边界。在星云的其他部分，恒星的生死循环已持续了很长时间。在周围，有几颗刚形成或即将形成的恒星，还有更大质量的恒星短暂地存活，然后年纪轻轻就已灭亡，在与其核心可能发生的核聚变链进行了一番竞速之后，便作为超新星而爆炸。
不管这一区域中的气体压力造成了多少阻力，也不管星际磁场引起了多少太空压力，引力想方设法获得了胜利，并导致越来越多的星云物质聚集到一起。这种凝聚物的物理特性根植于引力、角动量、热力学这一类规则，但同时也容易产生棘手的、混沌的行为。
物质逐渐聚集到一起后，能够形成怎样的形状和几何结构就是关键了。气体和尘埃的混合物凝聚成一个逐渐增长的、中心为球形的核，同时向外飘溢，形成一个巨大的轨道形圆盘。这个圆盘复杂而动荡，其边沿不断扩大。通过圆盘的气体和尘埃在其内旋转，充斥着其核心。新鲜的星云物质也从一个巨大的双面漏斗的顶端和底端一起进入，充斥着这一圆盘，这个漏斗的两端到圆盘中心的距离比如今地球到太阳的距离还要大几百倍。
内核是一个由温暖气体组成的快速旋转的球。这个内核将会随着自身的增长，旋转得越来越快，直到毁灭。但在很多情况下，在短短几万年内，旋转涌入的混合物和不断增大的形如恒星的核会放射出炙热的、高速的物质激流，从中心球体新近形成的南、北两极喷射而出。
我们的星云温床，在几十亿年前宽约1017米。
天文学家称之为原恒星喷流（proto-stellar jet），这是一束跨度至少可达1光年的粒子激流。这些喷流全力冲入每一片挡在其前进路上的星云，引起冲击波，使热物质的正面发出光芒。这种流出物有助于调整内核，释放出一些角动量，否则原有的角动量会将内核撕碎，并使之收缩得越来越小。
如今的太阳。
1017米
太阳系这颗“蛋”的出身：一团气体与尘埃构成的紧实的结。
一直以来，大圆盘的周身物质自身经历着变化。在圆盘内部深处，在温度各异、化学成分不同的各个分层之下，由尘埃及分子组成的微尘形成了。起初在微观层面，它们被旋转的气体不断冲击着。随着它们一次又一次地扫荡周边环境，原先那些气体的冲击加速了它们的增长。这些不断增长的聚集体，有时就像尘团般，尺寸从几厘米增加到几米，甚至更大，有些就像是沿着山坡直滚而下的雪球。它们变得越大，就能扫荡越多的物质，这一过程能让它们轻易地在几万年的时间内把直径扩大到几百千米。我们将其称为微行星和原行星。
距离今天的太阳更近处的景象。
1016米
一颗原恒星喷射出的气体进入太空，经过长达1015米的距离。
然而随着时间的流转，膨胀的圆盘表面被紫外线摧毁。这些光线来自其他年轻的恒星以及炙热的中心原恒星核。它的作用是使物质衰减消失。
我们视野中的太阳。
1015米
清晰可见的原恒星盘，直径达1014米。
这种物质聚集又丢失的循环行为使得大圆盘从厚厚的、四处扩散的气体与尘埃，变成了松散的固体，并释放出原子和分子。在远离原恒星核心的地方，在那些更寒冷的区域中，有行星雪线（planetary snow line）存在，在这里，水冰（形成巨型物体的重要组成部分）开始形成。我们在此处找到了尚处在襁褓之中的木星、土星、天王星、海王星，以及晚些时候会在别处出现的其他大型行星胚胎。
太阳的星际（黄道）尘埃所形成的薄雾，前景是行星形成过程中的小行星残骸。
1014米
太阳系的诞生
当物质自行聚集并进行压缩时，恒星与行星在星际空间中聚合而成了。这并不是一个简单的过程，其中引力对抗着热能和电磁能。没有完全一致的两个系统。
同时，在内核的引力井深处，球形凝结物到达了收缩中的一个关键节点。这个物体的内部温度开始升至100万摄氏度以上。当温度达到1 000万摄氏度时，它就会变成一颗真正的恒星，同时其中心将闪耀出第一次核聚变的光芒。
自星云物质的漂流入侵开始，时间已经过去了几亿年。而从原恒星还是一团气体时开始，所用的时间更少，大约过去了几万年。用宇宙的标准来说，恒星与行星的诞生不过是一夜之间的事。
目前还没有一个完整的故事能告诉我们，太阳系中的行星和地球自身是如何形成的。我们的行星和其他以岩石为内部结构的天体是在太阳系诞生过程的晚期才出现的。这些天体在原行星一次又一次的碰撞中受到了粗鲁的对待。
这是一个粗糙的、随机的过程，抛出了众多至今依然悬而未决的问题：我们的太阳系过去是否有一些行星位于水星轨道以内？地球上的水是从哪儿来的？为什么没有产生更多的水？火星为什么这么小？为什么地球的运行轨道几乎是个圆形？月球真的是因为一次大碰撞而形成的吗？在太阳系的最外缘，到底有着怎样的行星天体？
如果能够解决这些问题，那么人类不仅能更好地理解自己的起源，理解自己如何在宇宙中形成，还能搞清楚类似的故事如何在其他恒星系统中持续上演数亿年。而这就是关键，因为随着旅程的继续，我们马上就要面临一个最大的难题：该如何面对宇宙？
地球吸取原行星的碎片。
PART 2 1013～10-1米的15个宇宙：生命存在的现实世界
4 行星的生存家园
1013米，1012米，1011米，1010米，109米
从约9.3光时到100万千米
从当前地球——冥王星距离的2倍到地月距离的3倍左右
让我们在晴朗的夜晚走出房门，向着天空挥舞一下手电筒，接着回房间美美地睡上一觉吧。第二天早上，你向宇宙释放的光子已经奔袭了大约100亿千米的距离（1013米）。
只需要一个手电筒，只需要一晚9小时的安然睡眠，你就成了宇宙设计师，送出了光子消息，穿过了海王星的轨道。即使是并不明亮的冥王星，那个遥远的、由冰层与岩石组成的球体，与地球间的距离也比你释放的光束所行经的距离近20亿千米。
在这1013米范围之内，是太阳系中的主要行星所占据的轨道区域，所有这一切，已经被拥有毛茸茸小脑袋的灵长类动物默默关注了几千年。我们并不能用肉眼看到所有行星，因为海王星和天王星超出了人类视力所及范围，但木星、火星、金星和水星对地球上任何视力良好的生物（不论是昆虫还是狒狒）来说都是肉眼可见的。
仅凭太阳系的主要行星沿着一定范围的轨道运行这一事实，并不能推断出其他系统也建立在同样的尺度范围之上。然而纵观银河系，在考察类似的轨道分布时，我们能够找到各种星际同胞：双星、三星系统、四星系统、伴随着白矮星或者黑洞的恒星、多颗中子星相伴的系统，以及其他各种奇异的构成，甚至连宇宙中众奇点之王者——超大质量黑洞的事件视界，也拥有同样的尺度范围。
从阋神星（位于海王星之外）上看到的海王星轨道。
1013米
冥王星的天空及其卫星卡戎；太阳远在44亿千米以外，是一颗晦暗的恒星。
从海王星的卫星海卫一上看到的蓝色海王星。液氮间歇泉从低温冷冻的卫星表面喷发出来。
这样的尺度能够让我们深入观察宇宙用正常物质和能量所生产出的密度最高的凝结物。这是个奇怪的现象。我们已经知道，当生成恒星和行星的星际污垢蔓延至1013～1014米远，在这一时期，引力开始将物体聚集在一起，过剩的能量将向外传播，留下的是广阔无边、空荡荡的空间。
然而，填充这些空隙的是行星，是铁元素、岩石、水和气体。接下来，对生物来说，行星可能是宇宙中最多姿多彩、复杂多变的天体了。没有哪两颗行星是完全相同的：穿越太空的轨道不同，旋转方式和方向不同，大气、云层、雾气、地层、海洋或大陆、糊状熔融的内核也各有差异。所有这些特质始终是不一样的。
而现在，得益于20世纪晚期出现的一系列卓越技术和天文学进展，我们了解到，在太阳系甚至整个宇宙中，行星的数量至少与恒星一样多。事实上，行星数量或许还要多得多——宇宙中充满了系外行星。
系外行星
银河系中大部分恒星都被行星围绕。此处用图表描绘这些天体，便于我们将太阳系纳入宇宙环境中。
这是距离我们最近的系外行星吗？由于比邻星b的母恒星是一颗红矮星，所以它可能拥有一片布满极光的天空。
若要寻找与地球大小相似、化学和热学状态或许也颇为相似的地方，那么统计推断告诉我们，太阳系外大约有15%～40%的恒星能够产生这样的世界。这是个令人震惊的预测，它意味着纵观整个可见宇宙，我们轻轻松松就能找到几十亿兆颗利于生命栖息的岩石星球。
抛开这些种类丰富的星球不说，岩质小行星仅代表着众多可能存在的、彼此迥异的行星形式之一。一些行星体积过大，可被当作恒星；还有一些星球是其他行星的卫星；甚至有部分星球在引力的作用下，从环绕其母恒星的轨道中弹射出去，漫步在冰冷的、死水一般的星际空间中。理论上，这些“荒原狼”式的行星可能保有大量温暖的水。紧紧将水锁在其内部，使之与外界隔绝开来的，是一层厚厚的外冰层和氢气层。在外冰层及氢气层形成后，内部的绿洲将会在接下来的几十亿年内持续存在。
宇宙中有很多气态的巨型星球，其中一些星球在巨大的原始氢元素与氦元素“斗篷”的笼罩下，有着紧实的、由铁与岩石构成的内核。像这样的行星，其轨道距离母恒星几十亿千米，行星外围是寒冷的，内核却相当炙热。它们的内部压力能够使物质的状态与地球脆弱的地表截然不同。正如木星那般，气态巨行星的内部压力是如此之高，导致氢会呈现出金属般的状态。我们只能在实验室里制造出这种物质状态。而在我们的太阳系中，却存在木星这样一颗行星，它还是太阳系行星中质量最大的一颗。
行星分类
行星的构成元素与内部结构是多种多样的。对这些更大的星球而言，引力是造成其内部分离及分层的关键因素，而宇宙环境改变了其外观。从炙热行星到冰冷星球，行星“动物园”里充斥着不同的种类。
一颗类地行星围绕着一颗发光的恒星，其上极光闪耀。
整个星系中，也有一小部分大型行星的轨道离恒星很近，它们的大气趋于白热化，其中包含由钛氧化物或铁构成的云和雨、超音速射流层，有时会导致十分极端的天气出现。这些行星是如何演变成这样的，至今仍是一个谜。有着这种体积的行星，其质量是地球的几百倍，它们显然不可能在此刻（我们发现它们时）的位置上形成。换句话说，在这些行星的幼年时期，由于原行星盘的复杂引力作用，它们改变了所处的位置，经历了大范围的迁移，被迫来到离它们的母恒星更近之处。或者，它们参与了一场行星弹球游戏，在家族中其他行星的引力作用下被驱散到更靠近母恒星的轨道上。
在其他地方，也存在包含钢铁般的冰冻水分层和碳氢化合物混合大气层的冰态巨星。我们预测，某些行星所含的碳或水的总量多得不可思议。还有一些超级地球，其体积比地球大，但比海王星小，它们在太阳系中并没有对应的行星，却出现在其他大部分（约占全部恒星系统60%的比例）恒星系统中。某些超级地球似乎与我们所熟悉的岩石世界大相径庭，比如，包裹在巨大而又温暖的氢气“毯”之下的熔岩行星。
在将这些新发现的系外行星进行分类并探索太阳系的过程中，我们颠覆了之前先入为主地将地球视为“最重要的世界”的看法。任何所见之处，任何所到之地，我们都能看到活动的迹象，看到当地的复杂性。土星的卫星泰坦有着由厚厚的氮气和碳氢化合物构成的大气层。虽然它的表面极冷，平均温度约为–180摄氏度，但仍有季节之分。泰坦星不仅在不同半球有着夏季、冬季之分，还存在大规模的蒸发与冷凝循环。泰坦星上的甲烷湖能被蒸发殆尽，之后化为碳氢化合物之雨落回地面。而遥远的冥王星的寒冷表面有着丰富的地形，如山川、冰川及冰火山。
一条即将走完的路
我们研究的大部分行星都在其恒星的引力井之内，沿着爱因斯坦相对论宇宙中的弯曲时空路径运行。对人类这一物种来说，这些行星轨道是宇宙最具标志性的特质之一，然而事实上，它们只是我们想象中的产物。这些轨道不过是些推论和几何幻想，能够帮助我们了解自然的复杂性而已。
运行轨道实际上只是一种估算，是恒星或行星随着时间运动的一般情况。真正的轨道系统有着复杂的引力作用：恒星吸引恒星，行星吸引行星，行星支撑着卫星，卫星互相拉扯。任意一个瞬间，作用在天体上的力都是所有这些力的总和，是许多力作用在一个物体上所产生的综合表现。
因此，行星系统在本质上是混乱的。经过亿万年的演变，轨道蔓延（orbital creep）出现了，这是一种混沌扩散的现象。从根本上来说，这种蔓延的细节是不可预测的，但我们能够对蔓延的不同时间线做出预测。行星位置或速度的微小变化，即便只是几毫米的变化，都能导致它们几十亿年后的天差地别。甚至爱因斯坦相对论所带来的影响（虽然很难描述典型的行星速度和质量）也在某种程度上决定了我们对这些宇宙历史的认知，因为这些影响改变了运动世界的运行方式。
太阳系内部的岩石行星轨道，从外向内依次是火星、地球、金星、水星的轨道。
1012米
水星、金星、地球和火星的轨道（从左至右）。
1011米
火与冰：木星的卫星木卫一（左页）及木卫二（上图）都经历了引力潮汐。
潮汐力也在行星的故事中扮演了一个重要角色。潮汐力是差动拉力（differential pull），使得同一星体的“近端”和“远端”受力不均，这是引力依赖于距离，也就是平方反比定律（the inverse-square law）所导致的结果。随着时间流逝，潮汐使得椭圆轨道变成了圆形轨道，释放出动能，并将之转化为行星内部的摩擦热能。
潮汐修饰了太阳系的很多细节。很多卫星进行的同步运动（即自转周期与公转周期一致）就是潮汐的产物。木卫一上的热火山，土卫二、海卫一和古老的冥王星上的冰火山，以及木卫二、木卫三、土卫六和很多天体上可能存在的内部黑色海洋，都是潮汐力作用的结果。
随着旅程的推进，我们来到了月球——这个黑暗的、满是尘埃的灰色星球，同时也是地球的同伴。我们发现它被困在地球身边，并因为潮汐力而形成了现在的结构，但月球轨道仍在不断演化，每年都会远离地球几厘米，而地球也逐渐放缓了自转速度。
地球轨道和月球轨道。
1010米
让我们纵观一下109米这一尺度：月球轨道环绕地球，而离地球更近的是地球同步轨道，例如人造卫星的轨道。
109米
月食时从月球上看到的地球。
这些变化能够追溯到很久以前。地球上海洋的潮汐运动，从6.2亿年前就被记录在沿海海滩的砂岩中，该记录显示，那时地球上1天约有22小时。结合对“月球如何形成”所做的最佳猜想（即月球是因早期版本的地球与一颗火星大小的原行星发生了一次大型碰撞而形成的），我们能够猜测，大约45亿年前，那个年轻的地球自转得更快，每天的时间更短。由于地球自转超前于月球公转，所以海洋潮汐形成了，并且规模非常巨大。多少亿年后，这些拍打土堆的水和被侵袭的岩石地幔仍然没能完全消除那种原始动荡系统的强劲势头。
这是件令人开心的事，因为这些潮汐是一些有形的链接，它们存在于我们的日常生活和我们在宇宙中的动态位置之间。正是因为你生活在一颗由这些力所塑造的行星上，所以你能用一个手电筒向宇宙中释放探测信号。地球今天的条件创造了让人类这种有机生物存在的机会，也正是这些条件提供了线索，让我们知道我们是如何到达这里的。
108米
5
我们称之为地球的世界
108米，107米，106米，105米，104米
从10万千米到10千米
从地月距离的26%到海底的夏威夷冒纳凯阿火山的高度
地球是什么？
这个问题的答案取决于你的提问对象是谁。对行星科学家或者地球物理学家来说，地球是这样一个球体：内核是铁，其上覆盖着炙热岩石，表面为薄薄的一层结晶矿物质。对天文学家来说，地球是少量恒星物质的凝聚体，其重元素来自很早以前就已死亡的前代恒星天体。对运算数字的统计学家来说，地球只是可观测宇宙内无数天体中的一个数据点而已。
这是一颗环境适中、外露层缓慢演化着的行星。对生物学家来说，地球是个温床，孕育了我们称之为生命的动态现象，而生命几乎代表了存在着的所有动态现象。在过去的漫长岁月里，这个世界的面孔一再改变，地球从可怕的岩浆海洋变成了有陆地的海洋星球，并反复经历从炙热到冰冷之间的所有气候。有时，它蜷曲的表面会产生活着的东西；有时，巨大的灭绝事件消灭了整个有机生物一族，使得地球表面贫瘠到几乎一无所有的程度。
地球既非常古老，又非常年轻。你能拿在手上的地球表面最古老的岩石可以追溯到约35亿年前。在火成岩（如花岗岩）中，你所能找到的密集的小锆石晶体可以追溯到约44亿年前，这着实令人震惊。抛开年龄，地球目前还很活跃：它仍然在制造新的火山岛，地球深处的动力驱动着强烈的偶极磁场（dipolar magnetic field），表面的生态位仍在进化出新的有机物种。从这些方面来看，没有哪个瞬间能真正代表地球的完整历史或全部未来。地球正是这样一颗星球。
但是对你和我而言，除了这些缤纷多彩的科学观点，最重要的一点在于：地球是我们不可磨灭的一部分。
地球唤醒了丰富的景象、声音、气味和味道：你通过双脚感受到坚硬的大地或者漂在水面的轻柔海浪；你在宁静的清晨雾气中看到太阳从海平面升起的景象；你在夏日暴雨后闻到泥土和植物的芬芳；当夜色逐渐笼罩大地，你看着夜空中亮起的星辰时，心中涌现出激动而震撼的感觉。同时，地球对我们而言，也是一个令人不安的，有时还颇为危险的家园：肆虐的狂风摧残着我们，而暴风雪、台风和大地本身的剧烈晃动会把我们掀翻在地，让人无处可逃。
地球的组成
地球历史久远，从冥古宙（46亿年前）一直发展到显生宙（5.41亿年前至今）。
冥古宙，开始于46亿年前。
40亿年前：太古宙出现。
30亿年前：早期微生物生成了叠层石。
约24亿年前：全球冰川事件创造出一个“满是雪球的地球”。
1.5亿年前：恐龙生活在郁郁葱葱的侏罗纪。
对一座火山的洋中脊的探索：这是一座科学界的金矿，能够开采矿产资源，但它也是一个充满诱惑又令人担忧的地方。
我们用双手挖掘这个世界，用工具勘探这个世界。我们雕刻这个世界的物质，让它成为我们需要的形状，或者只是我们想要的形状。就像所有有生命的物体一样，我们持续不断地将一组化合物转化成另一组，转化成我们呼吸的空气、食用的食物、燃烧的燃料。几十亿岁的基层岩石成了我们的家园、学校或者雕塑的建造原料；自然压缩形成的金属层成了我们的桥梁、汽车、自行车、结婚戒指和电路；精炼的矿石成了核反应堆的燃料；艰难提取出的稀土元素指引着电脑和智能手机中的电子并增强其磁场。
我们变得非常精通这种改造，甚至在为自己谋利方面有点太过精通了。我们改变了地球的平衡，给如今的生物和环境施加了巨大的压力，而它们正是支持人类生存的重要系统。
当然，人类并非第一个把全球环境搞成一团乱的物种。大概在25亿年前，微生物物种开始将它们所产生的废物排泄到大气中去，这种废物便是氧气。这样的“化学污染”标志着星球上的化学、气候状态以及紧随其后的所有生命形式即将发生巨大变化。
那些早期进行光合作用的氧元素制造者在物质上并没有什么选择余地，它们只是简单地将自身进化所产生的代谢工具进行了相应的分配。我们人类则与它们截然不同，而且十分有趣，因为我们清楚地知道我们在做什么，并且通常对所采取行动的结果有一定意识。
以同样的评判标准来看，虽然地球是人类的诞生地及婴儿床，但它同样对我们毫不怜惜。地球为何“刚好适应”人类？并没有什么特别的原因。毕竟，人类来自这颗星球，而非其他地方。无论人类对地球做了什么，对这里的生命做了什么，这颗星球都会走下去，进化也会持续进行，而我们所处的这一时代，最终也会成为未来的沉积岩中薄薄的一层。
这是因为（和任何行星一样）地球是个强有力的热力、化学、放射性机器。许许多多现象被编排进这颗行星的表面和内部，也被编织进了时间。从气候到化石燃料，我们认为理所当然的特性，都是几十亿年以来的深度循环和偶然事件的结果。事实上，我们在地球上享有的所有事物都是更宏大故事的产物。
吸收、搅拌、辐射
这场宇宙之旅逐渐带我们来到熟悉的领域，行星上环环相扣的过程开始揭露出它们自身的秘密。随着我们逐渐接近42 000千米这一高度，也就是地球上方的同步卫星轨道高度，一个几乎完整的半球体出现在眼前。在这半面，我们能看到岩石行星的某些主要动力，这些力驱动着其表面的热动态和环境状态。
在地球处于白昼的这一边，太阳以每平方米1 300瓦的辐射量照耀在大气层之上。这几乎就是一个电水壶烧水所需的能量，看上去似乎并不多。
若是把地球整个半球的所有太阳辐射全部加起来，就会有总数约174皮瓦（1015瓦）的太阳能照射在大气层上。这当中有高达89皮瓦的能量被地球表面直接吸收，剩下的能量会被地球表面反射，或者被大气吸收，被雨云反射。
107米
地球大气的表层接收到了大量的太阳光子。
以人类的标准来看，这一能量的总量令人震惊。当前人类的能量消耗预估量为一年1.6×1011兆瓦时，意味着在一年的8 760小时中，我们使用能量的功率大约是0.018皮瓦。据估测，地球上所有生命（加上光合作用有机物、植物的水分蒸腾以及生命从化学和地球物理能量中所获取的）消耗能量的速率约为0.1～5皮瓦。换句话说，尽管地球上的生命留下了强有力的足印，但以宇宙尺度为衡量标准，我们几乎没怎么吸收和使用太阳光带来的福泽。
地球的本源热量来自它仍在熔融的内核，相较太阳能而言，这种热量也是最温和的。所有冲刷着地球表面的地热和地球化学能量总计约为0.047皮瓦。
因此，地球绚烂明亮的白昼一侧并不只是一道亮丽的风景线，它意味着地球正持续不断地吸收电磁辐射。地球反射光子，但同时也像一块巨大的光子海绵，否则这些光子将会衍射到宇宙的其余部分。我们的地球可能只是一颗小小的星球，但投下了长长的影子。
然而这些能量去了哪儿？就像任何实物一样，地球的趋势也是不断地丢失多余的能量，这样便能和周围的宇宙达到平衡。不过有个例外：地球表面覆盖的大气和海洋减缓了能量的损失。行星逐渐升温，促使红外光子射入太空，以恢复平衡。但多数能量在逃逸到太空之前会转变为其他形式并经历过渡。这使得大气、海洋及它们的化学成分发生了波动，使这颗星球变成了一个新奇的引擎。
我们能够轻易地观测到这些能量再制造机器的运作。纵观地球，我们能够看到大气的流动，看到大洋横跨几千千米的距离。这颗自转的星球将这些流动的物质拉至自己周围，形成了一层气体、一层液体。但是太阳的能量会对这一切施以大规模的干扰。举个例子，温暖潮湿的气体从赤道等热带地区蒸腾上升，在移动到南边和北边前，上升到10～15千米的高度，最后这些气体在中纬度地区沉降下来，导致了全球范围的南北大气气流循环。极地地区也存在类似的气流，只是机制不同而已。
由于地球自转，赤道地区的空气移动得最快，这些无法和其他地区同步流动的空气会从赤道处被转移走。结果，大气层在这里经历了柯氏效应，使得空气朝着相对地球表面而言偏东的方向移动。
这样的偏移导致被称为喷射气流（包括亚热带和极地）的高速大气气流在距地表大约10千米处形成，并环绕着地球。如果你曾在北美和欧洲搭乘飞机，你可能体验过喷射气流，它会使你由西向东的旅程加快，使你由东向西的返程因逆风而变慢。
喷射气流同样有助于区分地球的大气，将冷、热空气分隔开来。但是如果高纬度的喷射气流变得微弱或者发生了曲折，冷空气就会降到较低的纬度，并给这块地方的人带来麻烦。
然而，对一个充斥着行星的宇宙来说，地球呈现的不过是这些现象中最温和的情况。太阳系的其他星球中，巨大的气体行星木星每10小时自转一圈，有着多种多样的大气喷射，规模极其巨大，如同环绕木星的巨大彩色条纹。土星看上去平静又典雅，但实际上，在其南、北两端有着大型的极地大气涡旋，而赤道高空风速可达每小时1 800千米。
受太阳操控的地球大气的狂暴行为还孕生了另一个产物：天气。最壮观的天气是在低气压区域产生的，在这里，大量温暖潮湿的空气上升到天空中，形成了热带风暴，或者称飓风、龙卷风或台风。它们呼啸着席卷地球。
这些旋转的野兽让我们得以一窥冲击地球的纯粹力量。水从海洋中蒸发，又在形成飓风的区域重新凝聚，释放出大量的热能。根据估算，一次大型飓风一天之内所包含的能量是地球上所有发电量总和的200倍。
太阳能并不只是简单地使地球变热，或给地球带来麻烦；地球的化学成分也因其发生了变化。在过去45亿年里，来自太阳的紫外光帮助包括水和氧气在内的平流层分子分离，促进了地球大气层蓬勃的光化学反应。太阳光也持续地照射在地球表面的矿物质上，引起了化学和结构变化。当然，通过对生命的催化过程，尤其是光合作用，太阳能显著影响了化学蚀变（chemical alteration）。某些变化只需简单的一天，比如一簇藻类在浅海环境中的生长；另外一些变化可能会持续几个世纪，比如树根腐烂，或是微生物留下的酸性物质改变了地球表面的岩石和矿物质。
非洲，包括东非大裂谷上方。
106米
地球的机制
就像任何天体一样，地球会吸收并散逸能量，以保持其周身的热力学平衡。但能量的流转导致了复杂的、遍及整个行星的现象。
暴风眼之中：气象飞机在飓风眼壁中探险。
朝恒星前进
地面上方万米高空的一片区域，是一个有结构、有活力、受能量驱使的多样世界。这颗行星是人类与宇宙之间最具意义的联系。然而，自现代人类崛起后，我们之中的大部分可能一生都囿于方寸之间，不会远行。这是真的，但也有一些特殊的例外。
自20世纪60年代起，超过530个人类在外太空待过，或者曾进入亚轨道飞行，或者在地球同步轨道上穿梭。我们进行长途穿梭，9次往返于地月之间，其中6次踏上月球。这些经历不但展现了我们的技术力量，也让我们对自身所处的世界有了相当不同的认知，比之前几十亿现代人类所提供的知识都要丰富。
这些幸运的宇航员、太空人以及航天员发现，当他们目睹眼前的一切时，心中满是敬畏。以下是他们心目中的地球：
我认为我们所经历的最激动人心的时刻发生在我们在月球上看到地球升起时……这使我们意识到我们所有人都只存在于一颗小小的星球上。从370 000千米之外看它，它真的就是一颗小小的行星。
——弗兰克·博尔曼（Frank Borman），《阿波罗8号》，1969年1月10日
地球小小的，透着明亮的蓝光，如此的孤独。这是我们的家园，我们必须像保护神迹一般保卫它。地球绝对是圆的。我发誓我从来没意识到“圆的”这个词的含义，直到我从太空中看到了地球。
——列昂洛夫（Aleksei Leonov）
我的第一眼满是环礁和云朵：明亮的深蓝色海洋全景，间杂绿色、灰色和白色的阴影。靠近窗户的我看到太平洋的运动由于地球的巨大弧度仿若镶上了边框。它有着薄薄的蓝色光晕，除此以外就是黑色太空。我屏住了呼吸，怅然若失。我感到了莫名的失落。这是一场伟大的视觉奇观，然而却寂寞无声。此刻没有大型的音乐剧伴奏；没有奏鸣曲或交响乐来庆祝胜利。我们当中的每一个人都只能谱写自己的音乐篇章。
——查尔斯·沃克（Charles Walker）
地球富于变化的色调：从地球上空看到的图尔卡纳湖，位于肯尼亚和埃塞俄比亚北部。
105米
我们对月球已经了解了很多，但我们真正了解的是地球。事实上，月球到地球的距离如此遥远，以至于你竖起你的拇指，便能将地球藏在拇指后面。你曾经知道的一切，你的所爱，你的事业，地球本身的问题……所有一切都在你的拇指之后。我们是多么微不足道，而我们又是多么幸运，能够拥有这具身躯，能够享受此处的生活，享有地球本身如此绚烂的景致。
——吉姆·洛威尔（Jim Lovell），阿波罗8号和13号的宇航员，
在2007年电影《月之阴影》中接受采访。
中国有个故事，说有些人被派去伤害一个年轻的姑娘，而看到她的美貌后，这些人变成了她的保护者而非侵扰者。这就是我第一次看到地球时的感受。我情不自禁地想要敬爱她，珍惜她。
——王赣骏（Taylor Wang）
肯尼亚上空：人类存在的第一个小小迹象。
104米
随着我们的靠近，复杂生命的讯号开始在地球环境中显现。
103米
6
生命的法则，未曾停止的探索
103米，102米，10米，1米，10-1米
从1千米到10厘米
从一圈短暂散步的距离到近乎你手掌的大小
此前，我们已经从整个星系如同闪闪发光的微粒尘埃时的尺度比例，推进到整个行星不过是几个固化了的矿物这一尺度。现在我们所来到的尺度中，人类就像分散在世界各地的微粒一般。从开始直到这一步，我们大概跨越了24个数量级。
我们花费了一生的时间，从大部分都是水的多细胞微粒中，透过细胞膜去看，去听，去闻，去感受。不知为何，我们总是通过这些感官来构筑意义。人类有一种奇特的属性，被称为意识，人类也有一种奇特的能力，被称为智力。
也许宇宙中的其他复杂生物也是以同样的方式被创建的，只是我们目前还不知道这是不是事实。很可能，我们的生物学并非唯一一种创造生命的方法。我们也不知道人类的智力是否能够体现宇宙中任何地方的智力的运作方式，或者智力究竟代表了什么。它可能只是一种破解迷宫或者打开罐头的能力；它也可能拥有更好的衡量方法，比如推演数学证明的能力，以及推导宇宙性质和起源的能力。
意识让这些难题更加令人迷惑。几千年以来，意识让哲学家、科学家、诗人和艺术家们感到疯狂，他们苦苦摸索意识究竟是什么。很多现代神经科学家可能会说：意识是人类大脑整合信息的方法，是通过感觉来组建一个连续的平滑的世界模型的方法。但这也意味着意识比大脑其他各个部分的总和还要重要。意识可能是一种崭新的、无法简化的状态，由黏在大脑上的电化学造就。
随着我们的视线逐渐靠近，地球上的各种景观开始遍布复杂生命的痕迹。
总之，人类的情况有点滑稽。我们所处的位置非常不适合了解关于世界之性质的客观真理：我们处在一个奇异的、有自我意识的、有血有肉的微粒之内，而这一“肉身”还在缓慢地穿行于时空之中。然而，正是我们的天性使我们提出了这些棘手的问题。我们很容易找出理由，证明人类需要对自省这一行为本身进行反省。
这一点很让人不悦，就像是试图编写一段能够诠释和调试它自身的计算机代码，或者让一位艺术家画一幅看上去像是在画一幅画的画。对我们穿越存在物的所有物理尺度的旅程而言，这也是一个挑战。我们真正能做的，就是在一颗小小的岩石行星上安家，围绕着可见宇宙中一颗普通的恒星转动，并交叉手指进行祈祷，以此帮助我们弄清楚生命的现象。
几千万年前，从地球上的一个小水坑向外注视着宇宙的水坑。
更糟糕的是，生命的基本形式充满了欺骗性。几乎没有哪种生命能永远保持它第一次出现在我们眼前时的样子。比如说，章鱼并不仅仅是章鱼，它还与其他的有机物密切相关，并嵌入史诗般的生物进化网中，就连它的身体也是一处景致，在此，亿亿万万的小实体参与了一场“达尔文战役”。
