拉蒙特-多爾蒂地球觀測站由十幾個小建築組成，它們坐落在曼哈頓以北15英里的帕利塞茲的松樹林中。在觀測站地球科學大樓的二樓，哥倫比亞大學古生物學家保羅·奧爾森迷宮般的辦公室裡，書架上堆滿了數百本關於恐龍的書籍：《恐龍資料書》、《終極恐龍》、《義大利的恐龍》。奧爾森從青少年時期就開始研究它們。他的第一個古生物學成就出現在他還在高中時。幾乎憑藉一己之力，奧爾森說服尼克松政府將一個發現恐龍足跡的地點指定為國家自然地標。
現在，作為一位頭髮花白、留著小鬍子的教授，當他思考如何解釋一個複雜觀點時，會下意識地撫摸著鬍子。奧爾森帶領我們穿過高聳的地質樣本架，來到一個巨大的步入式冰箱的角落。在這裡，研究生肖恩·金尼開啟細長的紙板箱，露出一組石制圓柱體，每個圓柱體大約三英尺長，四英寸直徑。它們被精細地分層：有些是學員灰，帶有白色條紋，而另一些則是焦糖色和赤褐色。這些是沉積岩芯。它們是從古代湖床中鑽取的，每個三英尺長的部分代表了大約五千年的地球歷史。它們與數百個類似的巖芯一起構成了“地質天體儀”。奧爾森喜歡說，地質學家研究岩石記錄來發現我們無法以其他方式瞭解的地球資訊。藉助天體儀，他使用沉積記錄來推算地球和其他行星在2億多年前的軌道位置。這種方法是前所未有的：與直覺相反，奧爾森向下挖掘是為了向上看。
奧爾森說：“就地球的歷史而言，你需要大量的觀察才能看到模式，然後才能得出假設。世界太複雜了，無法從一系列假設中得出假設，然後推斷出它必須是什麼。對於像太陽系這樣複雜的動力系統，你無法做到這一點。太陽系問題沒有解析解，這是肯定的。你需要經驗資訊。” 奧爾森於一月份在《美國國家科學院院刊》上發表了天體儀的初步結果——大約2400萬年的經驗資料。
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天體儀，就像啟蒙運動期間發明的許多科學儀器一樣，試圖在一個有序的模型中約束宇宙的動態角落——在這種情況下，是太陽系。天體儀用球體和鐘錶機制代表太陽和行星；第一個現代天體儀是為第四代奧瑞裡伯爵查爾斯·博伊爾於1704年建造的。奧爾森的地質天體儀避開了鐘錶機制。相反，它依賴於古代湖泊和河流中沉積物積累的速度。這些沉積層被鎖定在岩石記錄中，提供了有關地球氣候歷史的線索，進而證明了該行星數百萬年來的軌道變化。
數億年前行星的位置問題被包含在另一個問題中：行星的軌道是否穩定？十八世紀的天體儀假設它們是穩定的，即使艾薩克·牛頓意識到，在兩個以上軌道體的系統中，它們之間的引力相互作用會使它們彼此傾斜或撞擊在一起。就他而言，牛頓宣稱太陽系明顯的不變性證明了有一位神聖的創造者在調整行星的運動，就像給手錶上弦一樣。為了生活在一個將永遠平靜地繞太陽執行的行星上，天文學家在接下來的兩個世紀裡試圖找到一種分析證明，可以證明太陽系是穩定的。
但是，這種證明是無法獲得的：太陽系是混沌的。這種混沌發生在巨大的時間尺度上，是由行星之間輕微引力吸引力的積累造成的。木星牽引著水星；月球正在悄悄地與地球分離。PNAS研究的合著者、南安普頓大學的分子古生物學家傑西卡·懷特賽德說，行星的軌道“搖擺不定”。因此，天文學家只能準確估計大約6000萬年前的行星相對位置——超出此範圍的任何時間，都會積累太多的混亂，從而模糊了更深的過去。但是，隱藏在混亂中的也是找到行星曾經位置的解決方案。地球的軌道在幾個狀態之間變化——更圓或橢圓，具有或多或少的軸向傾斜和歲差——跨越數千年。圓形和橢圓形軌道之間的迴圈，稱為軌道偏心率，會在大約40萬年的時間內改變地球與太陽的距離。這會影響氣候，這種現象稱為米蘭科維奇週期（以首先提出該理論的天文學家命名）。氣候波動導致冰蓋侵蝕或消退，湖泊充盈或乾涸。這一事實是地質天體儀的關鍵。
地質學家吉姆·海斯、約翰·英布裡和尼古拉斯·沙克爾頓在1976年的一篇開創性的論文中證實了米蘭科維奇的理論，該論文宣稱這些週期是地球冰河時代的“起搏器”，奧爾森和其他地質學家著手努力更好地理解它們。奧爾森說：“到八十年代末，似乎如果你能獲得整個[沉積]巖芯記錄，這將是一個在最大尺度上觀察模式真正樣子的機會。”他與拉蒙特-多爾蒂和羅格斯大學的地質學家丹尼斯·肯特一起，開始在新澤西州北部的紐瓦克盆地鑽探沉積岩芯。該盆地形成於約2.2億年前的三疊紀晚期，當時岡瓦納超大陸開始分裂。（頗為方便的是，拉蒙特-多爾蒂天文臺位於盆地的北部末端。）1996年，奧爾森和肯特表明，米蘭科維奇週期在三疊紀晚期影響著岡瓦納的熱帶氣候。他們發現了幾種模式的證據：一個20000年的歲差週期和100000年、400000年和200萬年的軌道偏心率週期。一個想法的種子被種下：如果他們可以使用相同的方法來揭示古代行星動力學呢？
從紐瓦克和哈特福德裂谷盆地鑽取的沉積岩芯。圖片來源：保羅·E·奧爾森
在哥倫比亞大學參加一個天體生物學會議時，奧爾森匆匆地走過一條又一條的走廊，尋找通往頂層的樓梯。他遲到了。另一位科學家從他的辦公室裡向他喊話，他們興奮地互相問候，會議暫時被遺忘。“你知道這是誰嗎？”奧爾森說。“這是吉姆·阿普爾蓋特，他設計了數字天體儀！”兩人開始討論分點的歲差：顯然，行星科學家就是這樣趕上來的。
阿普爾蓋特是一位天體物理學家，他是傑拉爾德·傑伊·薩斯曼領導的科學家團隊的一員，該團隊在 1980 年代建造了一臺可以準確預測行星動力學的計算機。薩斯曼是一位出生於布魯克林的博學家，在麻省理工學院研究人工智慧已有半個世紀之久。1983年，他休假並“宣佈他打算當一年天文學家”，當時在加州理工學院擔任博士後的阿普爾蓋特說。“他想建造一臺專用計算機，將太陽系整合10億年。”那臺計算機成為數字天體儀。它為太陽和每個行星體配備了單獨的處理器。1988年，薩斯曼用它揭示了冥王星的軌道是不規則的。
第二年，PNAS論文的第二作者、法國天文學家雅克·拉斯卡爾在數值上確定地球的軌道也是混沌的。這具有重要的意義：假設您測量地球繞太陽執行的當前位置，並且您僅偏差了 15 米——或大約 0.0000012%。拉斯卡爾表明，即使是如此微小的誤差也無法預測地球在 1 億年後的位置。拉斯卡爾說：“我們使用了我們能製造的最精確的行星運動模型，考慮了所有行星、次行星、廣義相對論以及所有因素。但是，即使這樣做，我們也永遠無法計算出 6000 萬年以上的解決方案。” 太陽系問題沒有解析解：你需要經驗資訊。
當他繼續分析來自紐瓦克盆地的沉積岩芯時，“很明顯，存在一個 175 萬年的週期”，奧爾森說。這個週期是地球與火星緩慢引力華爾茲的結果。拉斯卡爾已經預測到了這一點，但之前沒有人能在岩石記錄中看到該週期的證據。到 1999 年，奧爾森和肯特能夠證明，地球-火星週期隨著時間的推移發生了變化，目前週期為 240 萬年。
奧爾森說：“我在這方面受到了很大的阻力。”他很熟悉批評。他的想法雄心勃勃，地質學家經常對岩石記錄的保真度存在分歧，他說，岩石記錄“充滿了不整合”。可能的不整合包括缺失的岩層或沉積物沉積速度的變化。烏得勒支大學的地球科學家弗裡茨·希爾根說，沉積速度的變化會扭曲時間在記錄中的表示，他沒有參與天體儀的研究。
這為地質天體儀帶來了潛在的陷阱。它依賴於完整的沉積記錄：如果其中存在不可見的間隙，它將不可避免地影響時間，並且整個嘗試可能會崩潰。此外，僅透過檢視任何一個地方的岩石記錄，就無法確定是否存在此類間隙。奧爾森知道他必須找到一種方法來證實紐瓦克盆地中關於天體儀的證據，才能使天體儀有成功的機會。“所以，我們決定透過另一個取芯實驗進行檢查，”他說。“那是科羅拉多高原。”
科羅拉多高原是一片廣闊的沙漠，縱橫交錯著峽谷，點綴著山脈，2.5億年前，大陸板塊褶皺隆起形成。它橫跨美國西南部的四角地區，蘊藏著無數的地質奇觀。奧爾森和肯特在2013年提取的沉積岩芯是在亞利桑那州鑽取的。肯特是古地磁學領域的專家，古地磁學是地球物理學的一個分支，研究地球的古代磁場。他說那裡的沉積物有可能證實紐瓦克盆地的岩石記錄。數百萬年前，大規模的火山轟擊著周圍的地形。在這片景觀中，微量的磁性赤鐵礦顆粒為奧爾森和肯特提供了關鍵的佐證線索。肯特解釋說，地球的磁場會零星地翻轉，而這些反轉會記錄在沉積物中的磁性顆粒中。“它們幾乎就像一個條形碼，”他說，“當我們有良好的時間記錄時，這個序列非常獨特。”如果地質學家能夠將這種模式與廣泛分散地區的沉積記錄相匹配，他們就可以確認岩石的年齡相同，並且更重要的是，確定一個地點（例如，在紐瓦克）的記錄是否有任何缺失。當奧爾森和肯特將科羅拉多高原巖芯與紐瓦克盆地巖芯進行比較時，它們匹配了。
奧爾森說，在2018年休假期間，他表面上是為了寫一本關於恐龍足跡的書，但他開始對改進巖芯資料感興趣，他意識到他可以將10萬年的週期與更長的週期進行比對。“它變得非常細緻，”他說，但還是解釋道：每個行星都會像陀螺一樣在它的軸上擺動，這種現象被稱為近日點進動。每個行星的進動略有不同——這裡2萬年，那裡25700年——但是，這些週期可以用來與奧爾森在沉積岩芯中發現的週期進行比對。當他比較天體擺動週期和地質週期時，它們幾乎完全匹配。奧爾森停頓了一下，品味著他即將揭曉的精彩之處。“通常我過去會做的是，我會宣佈勝利！”他說。
但是奧爾森意識到，他可以更進一步，將10萬年的米蘭科維奇週期與更長的週期進行比對，比如地火週期。他這樣做了，它們匹配了。奧爾森說，“這基本上是不可能的，除非這些資料是週期準確的體現。”奧爾森將結果發給了拉斯卡。“那太可怕了，”他說。在拉斯卡閱讀後，他們進行了交談。奧爾森說，拉斯卡認為這些資料“太好了”。他懷疑奧爾森可能使用拉斯卡的天體預測來調整了他的資料，但是在拉斯卡自己檢查了資料後，他得到了相同的結果。2萬年的天體週期有效地嵌入在10萬年的米蘭科維奇週期中，而後者又嵌入在地火週期中。天體儀奏效了。
保羅·奧爾森站在亞利桑那州石化林國家公園的巖芯鑽探地點附近。圖片來源：凱文·克拉季克，拉蒙特-多爾蒂地球觀測站
地質天體儀目前是一種概念驗證：它揭示了地球1.99億到2.23億年前的氣候歷史，奧爾森說，並從這些資料中推匯出行星動力學。“這是地球歷史上第一次出現一個確鑿的里程碑，在此時，原本無法確定的天文引數是已知的，”懷特塞德說。除了行星動力學，天體儀還可以幫助揭示大規模滅絕等事件的時間，或追蹤二氧化碳濃度隨時間的變化，並顯示它們如何與米蘭科維奇週期相互作用以影響氣候。而且，天體儀才剛剛開始探測可用的沉積記錄。“令人驚訝的是，地質學為我們提供了沉積記錄中30億年的古氣候變化記錄，”喬治梅森大學的古氣候學家琳達·希諾夫說，她沒有參與這項研究。她說，這些資料可以提供天文引數，以便更好地預測當前氣候的走向。
奧爾森說，他認為天體儀不是數十年工作的頂峰，而是地球物理學新篇章的開始。“我或多或少地將其視為一個過程的延續，”他說。“我認為一個人可以並且應該始終向前展望。”他強調最後幾個字，提高了聲音以強調它們的重要性。PNAS論文的結尾提出了一個雄心勃勃的計劃，即追溯到更久遠的過去，超越過去的3億年。這將需要更多的鑽探，而且該專案的規模最終可能會超過奧爾森在觀測站的工作時間。在地質時間裡，他的職業生涯——就像任何人類的生命一樣——只是眨眼一瞬。面對這種短暫性，要理解數億年來混亂的行星動力學似乎令人生畏。對奧爾森來說，這令人興奮。
奧爾森說：“最令人興奮的是，你無法用現代天文學或數學來告訴你數億年前行星的運動實際上是什麼樣的。”但是沉積記錄就在那裡，等待著揭示它們的秘密。
*編者注（2019年4月10日）：此段在釋出後進行了編輯。它最初指的是膨潤土和鋯石晶體提供的證據，以及在鋯石晶體中記錄的磁場反轉。