地球上有哪些细思恐极之事？

风格飘逸风i

古今中外 不仅仅是国内 世界上有史以来所有的都可以

Besson

谨以此文，纪念元素周期表发布150周年。

地球，世界，和生活在这里的芸芸众生从何而来，这是每个人都曾有意无意思考过的问题。
科幻小说家道格拉斯·亚当斯给了一个无厘头的答案，42；宗教也给出了诸神创世的虚构场景；
最为恢弘的画面，则是由科学给出的，另一个意义上的生死轮回，一场属于元素的生死轮回。


我们的世界极其复杂，夜空中万亿颗恒星熊熊燃烧。
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02.沃尔夫·拉叶星，图片来源@ESA/Hubble & NASA

蓝天下，千万种不同的生灵，生机勃勃。
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03.泰国湾，鲸鱼和海鸟，图片来源@VCG

大地上，75亿人类，生生死死、来来往往。
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04.城市街道，摄影师@魏宏

然而我们的世界也极其简单，因为无论形态如何多样，组成物质世界的材料不外乎118种元素。它们创造于宇宙的洪荒时代，也见证了宇宙的繁荣扩张，它们是宇宙诸子。
<hr/>01、宇宙的创造

大约138亿年前，我们已知的宇宙在一场大爆炸中诞生。在1亿亿亿亿分之一秒内就增大了100亿亿亿亿亿亿倍，极速的膨胀导致跳崖式降温，纯粹的能量开始凝结组成物质的微观颗粒。



05.宇宙大爆炸以来的演化过程，图源：NASA

很快，在能量的海洋中浮现出来带有一个正电荷的质子、带有一个负电荷的电子和不带电荷的中子，它们构成了组成原子的单元。
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06.原子结构示意图，以碳原子为例，制图@赵榜/星球研究所

所有质子数量相同的原子被统称为一种元素，紧跟着质子的出现，仅拥有1个质子的第1号元素氢也诞生了。由于结构简单，它在宇宙中无处不在，直到今天仍占整个宇宙元素数量的92%。紧接着，在大爆炸产生的高温高压下，质子与中子相互结合，形成更重的原子核，重原子核进一步聚合形成新的元素。
这种因原子核聚合而发生的变化被称为核聚变
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07.氢原子核聚变为氦原子核的过程，制图@赵榜/星球研究所

当质子因核聚变而结合在一起，第2号元素氦便形成了，同时也释放出能量。此外，最初的核聚变还创造了极少量拥有3个质子的锂，和拥有4个质子的铍。
在创造了最初的几种元素后，由于温度和压力的降低，聚变难以为继，因此早期的宇宙中氢和氦占比高达99.9%，组成弥漫的原子云雾，此时的宇宙，黯淡、冰冷又无聊。
但很快有趣的情况发生了。大爆炸产生了微小的不对称，使得宇宙中某些地方的原子云雾比其它地方更浓稠一些。在引力的作用下，物质开始向这些地方聚集，组成巨大的云团。
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08.鹰状星云的冷氢气云，图片来源@NASA

云团内的物质越聚越多，核心温度升高至1500万℃，氢元素的聚变再次开启，光与热得到释放，一颗恒星诞生了。
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09.从星云到一颗恒星的形成过程示意，制图@赵榜/星球研究所

紧接着是另一颗、又一颗，数以亿计的恒星相继在黯淡的云团中绽放。
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10.在恒星形成区，来自恒星们的星风正在吹出一个巨型气体空腔，图片来源@Glenn Research Center

直到宇宙被璀璨星光点亮，仿佛一片光芒之海。
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11.NGC 4833球状星团，图片来源@NASA

它们聚集在一起，成为了星系。
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12.仙女座星系，图片来源@Adam Evans

星系聚集在一起，组成庞大的星系群，以及更加庞大的星系团。
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13.Abell370的星系团，其中包含数百个因引力相互吸引而结合在一起的星系，图片来源@NASA

由氢元素创造的恒星世界点亮了整个宇宙，而在恒星的内部，全新的创造正在酝酿之中。
这便是元素的创造。
<hr/>02、恒星的创造

在恒星的核心，引力造成恒星物质不断收缩，使氢源源不断地聚变为氦，稳定地生产着光和热，这是恒星的青年时代，我们的太阳如今正是处在这一时期。
但恒星核心的氢原料终将消耗殆尽，转而在内核发生氦的聚变。三个氦原子聚合在一起成为了一种崭新的元素，碳。此时，恒星的外层氢也开始聚变扩张，使其膨胀为一颗红巨星。
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14.搏动的红色巨星Chi Cygni，图片来源@Wikimedia Commons

成为红巨星后，恒星的生命也将迎来转折。当核心中的氦也逐渐消耗殆尽，温度提升至6亿℃，碳聚变开始，形成了氧。此时，质量小于8个太阳的小质量恒星生命就此完结，其外层烟消云散，只剩一个由碳和氧组成的内核。
这个内核温度极高，发出白热的光芒，这就是白矮星。
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15.白矮星LSPM J0207 + 3331，已知最古老、最冷的白矮星，图片来源@NASA

质量在8-10个太阳之间的中等质量恒星，可以生成比氧更重的元素氖，但依旧无法抵抗成为白矮星的命运。只有质量超过10个太阳的大质量恒星才能突破宿命。
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16.Wolf-Rayet star R136a1，已知质量最大的恒星，图中左下方的红色小点，是为了对比而加上去的太阳，面对这颗特超大质量恒星，太阳只是一粒微尘，图片来源@Wikimedia Commons

在它的核心，温度已达到惊人的20亿℃。高温高压之下，聚变的链条一发不可收拾，镁、硅、磷、硫氯、氩、钾、钙等元素相继出现，又轮番成为下一轮聚变的燃料。大质量恒星在生命的末期成为一颗超级红巨星，它用一生创造的所有元素层层将自己包裹，仿佛在做最后的告别。
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16.红巨星阶段后期的恒星，核聚变形成的新元素在内部层层堆叠，制图@赵榜/星球研究所

此时恒星核心的温度已高达30-50亿℃，硅元素开始聚变，生成了恒星聚变所能创造的最重的两种元素，26号元素铁和28号元素镍。
铁将“杀死”它的创造者，因为铁原子核具有极高的稳定性，恒星内部的高温高压也无法推动其聚变。当聚变停滞，万有引力就重新掌握了主动权，中心物质不断地被压紧、再压紧，直到电子被硬生生压进了原子核，恒星的核心瞬间坍塌，外层的物质高速坠落引发内爆，这就是超新星爆发。
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17.v838mon红巨星的亮度于2002年陡然提升，星球外层发生一定规模的爆发，从而一定程度上具备新星的特征。爆发的光芒照亮了恒星周围的物质，并在两年多的时间里，呈现出光芒逐渐向外扩散的景象。第一张照片拍摄于2002年5月，最后一张照片拍摄于2004年底。图片来源@NASA

爆发产生的巨大力量将原有的原子核打碎并重组，形成比铁更重的90多种元素：铜、锌、金、铂、铀、钍......超新星爆发将这些重元素抛向宇宙，形成一片绚丽的星云。
大质量恒星的一生就此结束，宇宙的一角重归寂寞。
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18.蟹状星云，这是一颗超新星爆发后留下的星云。图片来源@NASA


然而一切并非如看上去那般冷清。强烈爆炸释放出来的物质并不均匀，引力涟漪逐渐在星云之中弥漫开来，物质又重新开始聚集、骚动。
很快，新的恒星将从前代恒星的“尸骸”中诞生，“星云-恒星-超新星-星云”的轮回将再次上演。
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19.NGC 2070中的大恒星形成区，图片来源@NASA

不同的是，这次有了丰富的重元素作为原料，一些特殊的天体即将形成。
它们是行星，一些不可思议的事情即将上演，承接起之前的那些神奇轮回。
<hr/>03、行星的创造

经过数次轮回，在银河系某个角落的混沌星云里，太阳诞生了。
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20.太阳，图片来源@NASA

它独占了星云中99.8%的质量，剩余的气体、尘埃和颗粒围绕它形成了一个圆盘，在引力的作用下相互碰撞并粘附在一起，逐渐从1毫米大小的微尘，长到直径超过1000千米的星子。
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21.恒星维加周围的小行星带，仅做示意，图片来源@NASA

星子不断碰撞聚集，一种新的天体，行星，形成了。
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22.太阳系行星形成过程示意，制图@赵榜/星球研究所

其中距太阳较远的星体，吸收了剩余的氢和氦形成气态巨行星：木星、土星、天王星、海王星。
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23.土星与地球的大小对比，图片来源@NASA

而距离太阳较近的地方，太阳风将气体吹散，留下仅占初始星云质量0.6%的较重元素，组成个头较小的固体岩石行星：水星、金星、地球、火星。
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24.地球，图片来源@NASA

地球，图片来源@NASA
但正是由于这0.6%的重元素，作为岩石行星之一的地球才如此与众不同。
地球形成之初是一个炽热的岩浆球，物质翻滚流动，铁、镍等较重的元素下沉到地球中心形成地核。地核创造了笼罩整个星球的磁场，像一个无形的保护层一样，使地球免受太阳风的伤害。
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25.极光是太阳风受地球磁场影响后，轰击极圈附近的地球大气层而形成，图片来源@NASA

而氧、硅、镁、铝等较轻的元素则上浮到外层，构成了地幔和地壳。
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26.地球圈层结构，制图@赵榜/星球研究所

随着地球的降温，地壳的外层冷却凝固，形成了坚硬的岩石。
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27.夏威夷火山国家公园，图片来源@VCG

地幔灼热的岩石则继续缓缓流动，拖着地壳分分合合，形成连绵的山脉和深邃的峡谷。
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28.从奋进号航天飞机上看到的安第斯山脉，图片来源@NASA

地球降温的过程中，岩浆溶解的大量气体也释放出来，氮气、二氧化碳和水等组成了大气层。
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29.美国东北部海岸线上的飓风，图片来源@NASA

温度降低，大气中的水迅速凝结，以暴雨的形式落回到地面，这场冥古宙的暴雨持续了数百万年之久，直到液态水覆盖了地表的低洼处形成海洋。
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30.加勒比海与大西洋，图片来源@NASA

可能是在海洋的深处，在地底热量的烘烤下，碳、氢、氧、氮、磷等元素相互作用，形成多种有机大分子。这些分子开始利用能量，开始复制自身，开始将自己与外界环境隔开，它们最终组成了第一个细胞。
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31.纤毛虫吞食硅藻，图片来源@Deuterostome

更多的细胞聚在一起共谋生路，它们分工合作，有的负责捕猎，有的负责消化，出现了原始的组织和器官。
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32.水母属于腔肠动物，是较早出现的多细胞动物的后代，图片来源@VCG

在外界环境的影响下，多细胞群体的样貌开始变得千差万别。它们有的占领海洋，
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33.南加利福尼亚海洋中的鱼群，图片来源@VCG

有的登上陆地，
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34.非洲纳米比亚艾托沙国家公园中的动物，图片来源@VCG

有的飞上天空，
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35.美国南部巴斯克阿帕契国家野生动物保护区内的鸟，图片来源@VCG

有的虽静默无言，却学会了利用太阳的能量，将大气中的二氧化碳转化为身体的一部分，同时释放出大量氧气，改变地球的大气层。
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36.毛里求斯的森林，图片来源@VCG

经过40亿年的演化，一个复杂的生物圈形成，一个特殊的物种即将登场。
这是整个地球，乃至迄今为止的这个宇宙中，极其神奇的一种造物——人类。
<hr/>04、人的创造

与无数生命一样，他们由碳、氢、氧、氮、磷等元素组成。但人类的特殊之处，在于他们学会了利用元素，并在此基础上一次又一次改变着世界的面貌。
当人类的祖先还处在茹毛饮血的阶段时，就已经发现硅与其它元素结合形成的岩石质地脆而坚硬，他们将其打造成捕猎的工具，人类由此进入石器时代。
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37.美洲石器时代的克洛维斯矛尖，图片来源@Wikimedia Commons

当岩石风化，其中的一些元素改变了组合方式，成为了黏土，与水混合后可塑性极强，经过火烧后又变得坚硬且隔水，这就是陶器。
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38.山东，大汶口文化晚期的陶器，图片来源@Wikimedia Commons

山东，大汶口文化晚期的陶器，图片来源@Wikimedia Commons
人类对火的掌握也逐渐演变出新的用途，熔炼金属。铜的性质稳定，熔点较低，因此成了最早被冶炼的金属。后人在铜里加入锡，使其成为强度更高的青铜。青铜被用于祭祀、战争，这就是人类的青铜时代。
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39.三星堆青铜器，图片来源@VCG

很快，青铜又被另一种强度和韧性更高的金属取代，这就是铁。从武器、礼器、交通工具到农具和日常用品，无不有铁的身影，人类进入了铁器时代。
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40.日本18世纪的护甲，由铁、皮革、镀金铜、丝绸等材料制成，图片来源@Wikimedia Commons

随着冶铁技术的提升，人们发现降低生铁中的碳元素含量，会让成品更加坚韧，这就是钢。
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41.大连特殊钢公司第一炼钢厂工人们正在热火朝天忙生产，图片来源@VCG

来自远古植物的碳元素，经过数十至数百万年的埋藏转变为煤，沉睡在地下无数个岁月。在18-19世纪，欧亚大陆西端的人类开始大规模挖掘煤，将其作为一种重要的燃料，点亮了工业革命的曙光。
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42.红山煤矿及运煤车，摄影师@张波

煤燃烧的熊熊烈火将水烧成蒸汽，推动着钢铁制造的机器巨兽彻底改变了人们的生产方式，人类进入了工业时代。
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43.辽宁沈阳调兵山矿区铁路上的蒸汽机车，摄影师@房星州

但地层中的碳元素，还有另一种存在形式，石油。如今，它流淌在几乎每一台发动机中，成为工业的黑色血液。
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44.哈萨克斯坦北布扎奇油田，采出的原油被装入油罐列车运往海港，图片来源@VCG

石油的作用还不止于此，它含有丰富而多样的有机分子长链。这些分子被分解成短链小分子后，再添加一些其他元素，合成成为了塑料。这种可塑性和多样性极高的材料，被人类使用到极致。
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45.上海，德国艺术家兼摄影师迈克尔·沃尔夫的名为《真实的玩具故事》的装置艺术里，玩具工厂工人的头像几乎淹没于2万个儿童玩具的海洋，图片来源@VCG

除此之外，富集在大气中的氮元素被大批量地用于制作化肥，彻底改变了人类延续千年的农业传统。
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46.江西省吉安市泰和县水槎乡畲族村，畲族村民正在田间施肥劳作，图片来源@VCG

地壳中含量第二位的元素硅，凭借硅单质独特的导电性能成为了芯片的基础。以此发展起来的计算机将人类带入了信息时代。
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47.这个被沙特阿拉伯授予了国籍的机器人，能通过脸部和颈部的62个肌肉结构来表达自我，它使用的AI技术会分析正在进行的对话，推断信息，图片来源@VCG

而从宇宙大爆炸之初就开始产生的微量元素锂，被制成了轻便可靠的锂电池，创造了一个移动电子设备的世界。
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48.浙江省长兴县，一家公司自主研发生产的一辆辆纯电动汽车，图片来源@VCG

环顾四周，我们已被自己的创造包围。
人类利用100多种元素，创造出一个物质的世界，另一方面我们也掌握了元素中蕴含的毁灭力量。在超新星爆发中诞生的重元素铀和钚，拥有极其不稳定的大原子核。它们会自发地分裂成较小的新原子，同时释放出强大的能量，这一过程被称为核裂变。而当裂变的过程如雪崩一般连续不断地发生时，其释放的巨大能量就成了毁灭世界的武器原子弹。
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49.原子弹爆炸过程，图片来源@Wikimedia Commons

而如果将氢原子聚合在一起，模拟恒星的聚变过程，释放出的能量将更为惊人，这就是氢弹。
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50.氢弹爆炸过程，图片来源@United States Department of Energy

所幸，对核能的利用逐渐走上正轨，这些蕴藏毁灭力量的元素正成为日常电力的来源之一。
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51.中国西部首座核电站——广西防城港核电2号机组首炉核燃料装载完成，图片来源@VCG

除了利用已有的元素，人类还通过更极端的手段将原子核打碎重组，探究物质结构的终极秘密，产生地球上不存在的新元素。
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52.美国费米加速器国家实验室的粒子加速器，图片来源@Department of Energy from United States

这些元素构筑了这个庞杂的世界，而这一切的一切，都源于138亿年前的那场宇宙大爆炸。
从这个意义上来说，发生在这颗地球上最细思恐极的事，莫过于我们和这个星球本身都来自星尘。
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53.一件退役的俄罗斯太空服，被人类“故意”从国际空间站抛出，成为一颗独特的人造卫星，被称为“Suitsat 1号”，图片来源@NASA

我们拥有的一切，都来自这漫天繁星，星辰以这样毫不张扬的方式，一直与我们同在。
组成我们躯体的氢来自宇宙大爆炸；
随血液流淌的铁曾是某颗恒星的核心；
携带着遗传信息的氮和磷，也曾在原始的大气与海洋中游荡。
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54.人体元素组成，比例按照各元素原子数量计算，制图@赵榜/星球研究所

当宇宙视角被开启，从更高的维度去观察这个世界时，我们才清晰地认识到人类在宇宙中所处的位置，才能以全新的视角去看待自我。
认识宇宙，也就是认识人类自己，反之亦然。
我们的肉体终将消逝，还有所有的生命形式，所有的山川与湖海，地球、太阳、整个星系都将化为尘埃，但这一切并不是终点。
新的轮回，将会在我们及身边一切事物的齑粉中悄然展开，构成你我的这些元素，也将以另一种形式继续存在，直到宇宙的尽头。
它们就是元素，生生不息的宇宙诸子。



55.从超新星爆发到元素周期表。1869年，门捷列夫第一次发布元素周期表时，只有63种元素，如今这一数量已经增加到118种。图源：NASA

全文完，感谢阅读。
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本文创作团队

• 撰稿：张照
  
• 编辑：李张子薇
  
• 图片：任炳旭
  
• 设计：赵榜
  
• 审校： <a class="member_mention" href="http://www.zhihu.com/people/c39f4121c89698006dd97f020769c19b" data-hash="c39f4121c89698006dd97f020769c19b" data-hovercard="p$b$c39f4121c89698006dd97f020769c19b">@云舞空城，马超，朝澈
  
• 文首图片：星系NGC 3783中心的超大质量黑洞，来源@ESO
  

本文主要参考文献：

• 柴之芳. 从宇宙大爆炸谈起[M]. 湖南教育出版社, 2012.
  
• 尼尔·泰森. 140亿年宇宙演化全史[M]. 北京联合出版公司, 2019.
  
• 唐晓东等. 宇宙中元素的起源[J]. 物理, 2019.
  
• 陈丰等. 太阳系行星系统的形成和演化[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2010.
  
• 汪品先等. 地球系统与演变[M]. 科学出版社, 2018.
  

↑一群国家地理控，专注于探索极致世界

你时决提

其实地球上曾经最多的垃圾是木质素，这种东西从一开始产生就一直堆积着，没有办法被降解，甚至一直到现在还有残留物──煤炭。植物光合作用固定二氧化碳产生的木质素没办法再次回到循环中，直接导致温室效应降低气候变冷。一直到几亿年后才出现一种能够降解木质素的微生物。所以说现在的白色污染温室效应相对于之前植物出现的时候就是个渣渣，人家能坚持几百万年，塑料也就几百年。
不过相比于产生氧气的蓝绿藻来说这些都是渣。当出现叶绿素之后，在海洋中的原始细菌开始能够产生氧气，这个过程进行了几亿年，大气层中的氧气含量直接飙升。不过对我们有益的氧气，对于当时地球上的生物来说无疑是毒气。
做个类比我们人类从高原氧气稀薄的环境下来，到平原正常的氧气我们都会醉氧，让身体适应。这么高的氧气浓度直接干掉了当时地球上99%的物种。同时也把地表的面貌变成了现在的样子，所有的裸露的矿物都被氧化。基本还原性在银以上的金属都没有单质存在了。
相比于人家动不动就彻底改变地球外表，干掉99.9%的物种，改变物种进化方向，我们还差点火候。

杨小宝1

前面有人说了钻井，反映的是地球在空间上的尺度（scale），其实在时间上也有类似的『细思极恐』的尺度问题。比如有个梗：
电影《侏罗纪公园2》里既有剑龙也有霸王龙。然而现实中的情况是，从剑龙灭绝到霸王龙出现之间间隔的时间，比从霸王龙灭绝到今天间隔的时间，还要长。



剑龙生活在侏罗纪晚期，大约是1亿5500万年前到1亿5000万年前。霸王龙生活在白垩纪晚期，大约是6800万年前到6500万年前。剑龙和霸王龙之间隔了大约9000万年，霸王龙和人类之间隔了大概6500万年。
霸王龙差不多是最晚出现最晚灭绝的恐龙了（这里指传统意义上的恐龙，不算鸟）。而最早的恐龙在三叠纪中期出现，时间大概是2亿3000万年前，所以恐龙一共在地球上存在了大约1.6亿年，够长的。恐龙时代占整个地球历史的多少呢？也就差不多1/30吧。
人类呢？从能人算起，人类存在了大概200万年，是恐龙时代的1/80。从直立人算起（包括中国的北京人和元谋人等），人类存在了大概150万年，是恐龙时代的1/107。从尼安德特人算起，人类存在了25万年，是恐龙时代的1/640。从文明时代算起...算了，太短了，不算了。
换个说法，如果地球历史是一整天，那么生命出现大约是早上4点，三叶虫出现在晚上9点，恐龙是夜里10点50分以后才出现的，人类基本上是一天的最后一分钟才冒出来的，而金字塔基本上是在最后五秒钟建的。
所以，Time Scale深究起来和Spatial Scale一样惊人，大家也不要多想类似『要是板块移动让xx国和xx国撞在一起了会怎么样』之类的问题了，这种问题认真你就输了。。。。不管你是总统还是难民，不管你是深蓝还是深红，不管你是大V还是小透明，不管你支持钢人还是爱国者，不管你喜欢Pink Floyd 还是TFBoys，不管你是世界上最富有的8个人还是加起来没有这8个人有钱的后30多亿人，在时间面前，我们神马都不是。。。

必须更多木

目前人类所能探索到地球最深的地方是"世界最深的地质钻孔是俄罗斯在库页岛的Odoptu OP-11油井，深12,345米。"而地球赤道半径是6378千米。我们将这两个数相除。
得到的是我们探索地球内部的一个比例:
0.193556%