第三章 地球演化和地质时期气候

§3.1 对自然的基本认识

对自然的认识包括以什么样的世界观和用什么样的方法论来看待自然的发展史。我们这里仅从人们可以不借助精密仪器就能看得见的自然出发，阐述对自然的认识。

开始，人类对自然的认识是以自我为中心的，比如地心学说的提出，万物绕我分布而存在。地球是宇宙的中心，太阳也是围绕地球旋转的。随着认识的深入，这些提法被证明是错误的。这是伪科学吗？从历史的角度看，不是，而是人们认识世界的局限。正像传说中的不周山和女蜗。人是有意识的，人生存在这个世界上最需要的是安全感。有了4个柱子支撑住天，人们就可以安稳地入睡和生活了。有女蜗在补天，水灾便可以避免了。

那么，伪科学是什么？伪科学是那些明明知道不是科学，还要为某种目的的欺骗人的说教或制造的假象。制造伪科学的人，过去有，现在也有。虽然有很多的学说或假说，后来被证实是错误的，但提出者不是搞欺骗，而是为了人们的精神安宁。假说也不一定就是虚假的，假说也可以通过验证成为科学的真理。

什么是历史？历史是真假并存的过去痕迹或片段。所以，历史才需要研究。学习并运用历史规律是有价值的，特别是在治理国家上。现在的国际关系问题，不但要把握本国的历史，也要研究和学习外国的历史。本教材不是政治教材，但现代气候问题已提升为政治问题，如气候变化问题的国际谈判等。

规律、相似、方圆、对称都是简单的，是有规则的自然体现。由于自然的演变经历久远，其沉淀的现状很难分辨出这些简单的规律、相似等特征，而是充满着混乱。我们这里所说的相似是指不同层次上空间上具有相似的特征，对称是空间上的分布特征。

世界是物质的，物质是运动的。既然是运动的，就会满足确定的运动规律。物质存在于不同的层次中。我们这里给出人类能够感知的层次，如银河系、太阳系、地月系以及台风，都是降次的关系。构成它们的物质都在旋转，后一个层次隶属于前一个层次。后者可以看成为前者中的一个质点。很多的质点组成了前者，形成为一个系统。

这些旋转的系统是有生命的。有生命就有年龄段，就有年轻的时候，也有壮年和年老与衰亡的时候。

在分形几何中，人们提出了自相似的概念。自相似可以出现在时间序列中，如子波分析中气候时间序列在不同时间尺度上的相似性。空间上自相似的例子很多。一个人站在两面对照的平面镜中间，你可以看到这个人在任一个镜子中重复出现无数次。大气中，大涡旋中套着小涡旋，小涡旋里还有更小涡旋，更小的涡旋里还有微涡旋，没完没了。这样一种结构移动经过一个地点时，空间上的自相似结构转化成为时间变化的自相似结构。但是空间上的自相似结构比时间上的自相似结构更直观。

图3.1.1是银河系、土星光环和台风的结构图。这三个图形有相似的特征，如围绕一个中心体在旋转，旋转又处于不同的演变阶段。银河系的目前状态已不是如热带低压刚形成的阶段。银河系的未来趋势会像台风那样，物质不断向中心汇集，最终有一个时期就像现在的土星与土星光环一样。太阳系已经经历了现在银河系这样的阶段和土星与土星光环的阶段。自然界中可能还有比银河系更大的系统存在，我们还不知道它已经处于怎样一个演变状态。自然界中还有比湍流更小的多层次结构系统，这些层出不穷的层次既有相互联系又处于不同的演变阶段。层次的系统中间有时间演变的相似性和空间上的相似性。这些相似性为我们认识自然提供了方便。

人造的世界一般都是有规律的，或是对称的世界，如现代城市的规划和农村土地规划等。看自然的观点，有人认为世界是混乱的和随机的，但也有人认为世界的混乱中包含着规则性和对称性与随机性的共存。科学地认识世界应该是既要看到系统中的随机性和混沌特征，又要看到系统中存在的规则性和对称性。随机的东西是不可预测的，规则的和对称的是可以利用和预测的。

系统是人为划定的，所以是有边界的。宇宙是由物质组成的，它是没有边界的，即无穷大。那么，宇宙是收缩的呢，还是膨胀的，或不变化的？台风作为系统，其边界也是人为划定的。在台风发展的时候，低层辐合，高层辐散，但总体辐合大于辐散。大量的水汽向台风中心辐合，旋转速度加快。在台风成熟时，台风眼最强，中心气压最低，在海洋上台风可以稳定地维持，即在强度上变化不大。台风登陆后，其强度会减弱，范围会扩大。这反映了台风生命史中的三个阶段，即发展、成熟和消亡阶段。图3.1.1b是一个成熟的台风。螺旋雨带反映的是大量降水云的分布，它们以螺旋波的形式，既有经向运动的分量，又有向中心辐合的分量。台风在发展阶段的整体过程呈所谓的收缩（旋闭）的演变趋势，在减弱时呈现范围扩展（旋开）的趋势。

图3.1.1中的银河系，本质上是没有边界的。银河系由银河中心和其周围的若干条螺旋状星云旋臂构成。与台风相比，虽然尺度和生命长度不同，但它们的结构是相似的。这个结构好似银河系正处于收缩的过程中。图3.1.1a中框区所示为太阳系处在的相对位置。旋臂上的这些恒星是向银河系中心辐合的。有朝一日，旋臂上的大量恒星都辐合到银河系中心。太阳系也会辐合进入银河系中心。最终，有一个阶段，银河系中心体的形状像现在的土星，周围残存的物质如土星光环一样分布。

宇宙中像这样的银河系可能有若干，它们处于不同的发展阶段。正是它们的层次结构与不同的发展阶段和处于的空间位置，才构成了宇宙。看来，笼统地说宇宙是膨胀的，还是收缩的，是不科学的。

天文学中有几十个关于太阳系形成的学说，地质学上也有若干地球形成的学说。按理，用演化的观点，从一个天文学说能够推演到地质分布的现态。从一个地质学说也可以反推到当时太阳系是怎样形成的。不幸的是，还没有一个天文学的理论能够跟地质学的理论衔接上。本章试图用一种演化的观点来阐明从太阳系到行星地球的演化。