一、诞生

我们人类从开始进行空间探测以来，造访最多的地外行星可能就是火星了。迄今为止，我们已经发射了数十颗探测器到火星，其原因之一当然是因为它的近，火星是离我们最近的行星了；而另外一个原因就是它与地球的相似性——火星昼夜与地球相似，火星有四季变迁，有水甚至还有生命。这种相似性，其实从火星诞生的那一刻就注定了的。

在行星科学领域，对于目前太阳系的起源，最主流的学说是“星云说”。星云说认为，50亿年前如今的太阳系附近被一团巨大的星云物质占据，这团星云物质在万有引力的作用下逐渐收缩，同时内部出现许多湍涡流，在湍涡流的影响下，巨大的星云物质逐渐碎裂形成许多小的星云，其中一团小星云就是太阳系的前身，我们可以称之为“太阳星云”。

由于是在一团湍涡流中形成，所以太阳星云在形成之初就不停旋转，并且由于万有引力的作用，太阳星云开始收缩并旋转的越来越快，因此它的形状也从原本球状的星云变得越来越扁平，最后形成了一个星云盘。

图/ESA

在扁平的星云盘中，由于引力的作用，星云物质不断收缩和聚集，大约99%以上的星云物质都聚集在了在星云的中心处，它们相互吸引、融合，在巨大的压力和温度作用下点燃了核聚变，形成了原始的太阳。而剩下的其他星云物质则继续围绕太阳运动，并在运动中开始降温形成固体小颗粒，小颗粒又相互碰撞长大，形成了一个个直径超过千米的“星子”，它们随后继续相互碰撞，大星子吃掉小星子，不断长大，形成了太阳系内八大行星以及其他的各种天体。

图/NASA

在此过程中，临近太阳的地方温度较高，那些耐受高温的硅酸盐物质和金属存留了下来，而气体和冰则无法存留；在远离太阳的地方因为温度较低，因此气体和冰就比较多。这就导致在太阳系内部的行星（水、金、地、火）都是岩石行星，而在太阳系外部的行星（木、土、天、海）都是气态行星。

由于地球与火星的轨道比较接近，因此形成地球和火星的星子成分其实也比较相似——换句话讲，地球和火星在物质成分上没什么很大的区别，如果非要说有的话，可能就是由于火星离太阳比较远，所以组成火星的物质中，金属成分少一点，气体、水等物质稍多一点。

但是比较不幸的是，火星离木星比较近，而木星由于其主要成分是气体，因此形成的速度比较快。这就带来一个作用——巨大的木星引力会跟火星抢形成的原材料。在木星的引力下，许多星子投入了木星轨道，从而让形成火星的原材料更少——这就导致了与地球相比，火星的个头小很多。这还没完，在木星与火星之间，存在着一个小行星带，科学家们估计这是一个未能成型的小行星，也是由于木星的引力扰动，让小行星带上的小行星们无法碰撞长大，从而保持在了它们幼年的模样，而这个模样很可能也就是地球和火星形成之前的模样。

左下角即是先形成的木星，由于它的扰动导致了火星偏小以及小行星带的形成 图/NASA

?二、成长

岩质行星在形成最初，如果体积大到一定程度以后，最开始基本上都是岩浆球的状态。这有多个方面的原因：

一方面是因为岩质行星形成于无数小行星的撞击，撞击的动能转化为热能，让岩质行星表面熔融，变成岩浆；

一方面是因为在岩质行星表面熔融后，液态岩浆因为受到重力的作用，重的元素下沉，轻的元素上升，重元素下沉时候重力势能也会转化为热能；

另一方面是小行星都含有微量放射性元素，放射性元素的衰变会释放热量，这些热量无法让单个的小行星熔融，但是当它们都汇聚在一颗较大的行星上之后，会在这颗行星内部源源不断地释放热量，维持行星的内部的高温；

所以，在形成之初，地球、火星（甚至金星和水星也一样），都是一个岩浆球（或者至少半熔融状态）。

岩石行星形成之初，大多因剧烈碰撞呈现出岩浆球状态 图/NASA

岩浆球状态的地球有很强的流动性，在热量的作用下，这些岩浆时不时就像开水一样不停地翻滚着，在岩浆状态下，地球内部的物质开始在重力的作用下产生分离：重的物质向下沉，轻的物质向上升，在地质学中把这种过程叫做重力分异。重力分异的结果就是密度大的岩浆全部沉到了地心深处，而密度小的岩浆就漂浮到了地球表面。

与重力分异过程一起出现的是地球的冷却过程，这个冷却过程是在热力学第二定律的主导下进行的。所谓的热力学第二定律，有一个很直观的解释：一杯开水放在常温下会自然降温，直到与室温相同为止。炽热的地球相对于冷寂的宇宙来说是一杯热的不能再热的开水，地球在宇宙背景下开始迅速降温。那些漂浮在地球表面的轻质岩浆迅速冷却凝结，形成最原始的地壳（当然，其中的过程非常复杂，在此并不展开）。

在重力与热力学第二定律的主导下，岩浆地球变成了我们如今见到的模样：地壳、地幔、地核三层结构。

岩质行星的内部结构都很相似 图/NASA

有些科学家现在认为，在星云形成的过程中，由于某种原因，导致有些星云物质含水量较高，这些水以化学键的形式存在于矿物中（氢根、氢氧根），或者是以结晶水的形式存在于矿物中（举个例子，初中化学学的五水硫酸铜，其中的水就是结晶水），或者是以其他更形式与矿物结合在一起。这些矿物相互聚合就形成了上文所说的大大小小的星子。

而在星子形成岩浆球后，各种化学反应使得矿物中的水分析出，在行星表面冷却形成固态岩石层以后以雨水的形式到达地面汇聚成海洋，这就是水的来源。那么根据这个理论，火星、地球或者是金星水星以及月球，其实原本都是含水的。只不过在火星和地球上，水一度汇聚形成了海洋，并且长久存在过，这些海洋改造了火星和地球地表，让它们在地貌形态上极度相似——这一点我们在后面的文章中会讲到。

长久存在的海洋甚至还可能诞生了生命，在地球上由于海洋从未消失，因此生命演化至今。而在火星上，后面由于海洋的消失，导致生命失去的演化的机会，但是它们可能依然还存在于火星上，这就是我们不断发射探测器探索的内容了。