這些年我們是如何計算地球年齡的？科普貼請查收

“地球的年齡是多少？”在400年前的歐洲，愛爾蘭人詹姆斯·烏雪是這個問題的公認(rèn)權(quán)威。有趣的是，他并非是一位科學(xué)家，而是一名大主教。因為在科學(xué)革命之前，“地球的年齡”問題是與創(chuàng)世神話聯(lián)系在一起的，因此，“地球的年齡是多少？”最開始是一個神學(xué)問題而非科學(xué)問題。

詹姆斯·烏雪擔(dān)任過全愛爾蘭天主教會的大主教，但對科學(xué)充滿興趣。他采用圣經(jīng)年譜學(xué)的方法，把圣經(jīng)上記載的重大歷史事件按照時間順序依次排列出來，同時他還查閱了很多非基督教古代歷史文獻，將與圣經(jīng)上記載相同的事件一一標(biāo)記年份。經(jīng)過反復(fù)的比對和整理，烏雪在他1645年出版的著作《烏雪年表》中，根據(jù)當(dāng)時流行的儒略歷推算，認(rèn)為整個世界被上帝創(chuàng)造于公元前4004年10月22日下午6時。

在啟蒙運動之后，基督教的權(quán)威已經(jīng)搖搖欲墜了，后來的學(xué)者們紛紛采用更加科學(xué)的方法來推算地球的年齡。法國博物學(xué)家布豐收集到了很多史前古生物化石，根據(jù)這些化石的年份，布豐推測地球的年齡超過7萬5000年。英國地質(zhì)學(xué)家赫頓則提出了“均變論”，認(rèn)為地球演化是一個復(fù)雜漫長的過程，而我們只能解釋和分析每個地質(zhì)時期的具體變化，但是無法推測起點和終點。這種地質(zhì)漸變論的觀點后來被賴爾發(fā)揚光大，成為了當(dāng)時的主流觀點。同為博物學(xué)家的達爾文推測一些地質(zhì)變化的過程至少要經(jīng)過三億年，而地球的真實年齡說不定遠大于此。

當(dāng)博物學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家們束手無策的時候，解答這個問題的重?fù)?dān)落到了物理學(xué)家身上。19世紀(jì)50年代，由德國物理學(xué)家克勞修斯與英國物理學(xué)家開爾文勛爵分別提出的熱力學(xué)第二定律已經(jīng)成為了學(xué)界的共識。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，地球、太陽乃至整個宇宙都處在一種熱量耗散的過程中。按照這個理論，地球在誕生之初是一個高熱量的巖漿球，其溫度隨著時間不斷降低，直到將熱量完全耗散掉變得徹底冰冷死寂。這樣一來，只要我們知道了地球的初始溫度（也就是巖漿的溫度）、巖層的導(dǎo)熱系數(shù)以及地溫梯度，我們就能根據(jù)公式計算出地球的年齡。

開爾文在1862年發(fā)表了一篇名為《論地球的緩慢冷卻》的文章，他將巖漿的溫度設(shè)定為3870℃（實際上應(yīng)該是700℃—1200℃），然后估算了導(dǎo)熱系數(shù)與地溫梯度的平均值。開爾文最終計算結(jié)果是9800萬年，考慮到估算帶來的誤差，他提出地球的年齡大致在2000萬年到4億年之間。通過不斷精確參數(shù)，開爾文在之后的幾十年中不斷地修訂自己的計算結(jié)果，在1897年，他最終確定地球的年齡應(yīng)該是2400萬年。

按照當(dāng)時已知的物理學(xué)理論，開爾文的計算方法是不可動搖的。不但地質(zhì)學(xué)家們無法反駁開爾文的觀點，就連像達爾文這樣偉大的博物學(xué)家也一度懷疑自己提出的物種演化理論。但是，開爾文的計算方法是建立在兩個基本假設(shè)之上的。第一，地球內(nèi)部沒有其他熱量來源。第二，地球內(nèi)部是一個均質(zhì)的固體。只要這兩個假設(shè)是成立的，那么開爾文的計算方法就是無懈可擊的。

科學(xué)史上很多偉大的發(fā)現(xiàn)都來自于意外。1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾意外地發(fā)現(xiàn)鈾鹽能夠讓包在厚黑紙中的底片感光，證明鈾能發(fā)射出一種有穿透性的射線，這是人類第一次觀測到了放射性現(xiàn)象。在兩年之后，著名的皮埃爾·居里和瑪麗·居里夫婦從瀝青鈾礦提煉出了兩種新的放射性的元素釙和鐳，而在1903年，居里夫婦進一步檢測到了鐳元素在放射過程中會不斷產(chǎn)生熱量。與此同時，進入20世紀(jì)之后，科學(xué)家們通過研究地震波折射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)部并非均質(zhì)的固體，而是分成地殼、地幔和地心。至此，開爾文計算地球年齡的兩個假設(shè)全部被證偽了。

歷史性的轉(zhuǎn)折發(fā)生在1904年。年逾八旬的開爾文勛爵參加了一場由英國皇家學(xué)會舉辦的物理學(xué)會議，早已成為物理學(xué)界權(quán)威的他受到了一位年輕物理學(xué)者的挑戰(zhàn)，而這位挑戰(zhàn)者正是開爾文晚年最得意的學(xué)生——當(dāng)時年僅33歲的盧瑟福。盧瑟福在會議上作了關(guān)于放射性增溫對估算地球年齡影響的報告，認(rèn)為地球內(nèi)部的放射性元素所產(chǎn)生的熱量能夠平衡地球自身的冷卻。這一對師生代表了世紀(jì)之初發(fā)生的兩種范式之間的交接，盧瑟福的研究從學(xué)理上推翻了開爾文的計算方法，為后來者們開辟了一種新的方法，即通過測定放射性元素的衰變過程來確定地球的年齡。在1907年，美國化學(xué)家博爾特伍德認(rèn)為鉛是鈾放射衰變的最終產(chǎn)物，提出了“鈾—鉛測定方法”。在同位素被發(fā)現(xiàn)之后，這種方法被科學(xué)家們進一步優(yōu)化，因為鈾235和鈾238會分別衰變?yōu)殂U207和鉛206，所以在理論上，只要我們知道一塊巖石中鉛和鈾的比例，我們就可以計算出巖石的年齡。

于是，解決問題的關(guān)鍵變成了尋找到和地球同時形成的巖石。地表上的巖石都經(jīng)歷過復(fù)雜的地質(zhì)運動，而隕石來自于太陽中的小行星，這些小行星是和地球在同一時間形成的。在各種各樣的隕石之中，隕鐵的含鈾量極低，這就意味著，鈾衰變產(chǎn)生的鉛微乎其微。因而，隕鐵中的鉛鈾比例就與地球形成之初的比例近乎相等。美國地球化學(xué)家克萊爾·帕特森最終通過將隕鐵中的鉛鈾比例設(shè)定為初始值，將地球巖石中平均的鉛鈾比例設(shè)定為最終值，計算得出地球的年齡在41億—46億年之間。精益求精的帕特森對自己的測量結(jié)果仍舊不滿意，他又找來另一種和隕鐵性質(zhì)近乎相反的石質(zhì)隕石，即初始含鉛量極低，其中的鉛都是由鈾衰變而來。綜合兩個測定結(jié)果，帕特森在1956年最終得出地球的年齡為45.5±0.7億年。

科學(xué)研究終于告一段落，但故事并沒有結(jié)束。在帕特森研究地球表面鉛分布的時候，他驚人地發(fā)現(xiàn)，進入20世紀(jì)之后的自然界中的鉛濃度增加速度陡然提升，遠遠高于過去幾十億年的積累速度。人類工業(yè)污染，特別是化石燃料的燃燒是這些鉛的主要來源。意識到這點之后，帕特森將后半生的主要精力都投入到了環(huán)境保護事業(yè)中。對于整個宇宙來說，地球只是漂浮在宇宙中的一顆渺小行星，但是對于人類來說，地球是我們賴以為生的家園。每年的4月22日是世界地球日，這是一個為環(huán)境保護而設(shè)立的節(jié)日?？茖W(xué)理論能夠計算地球這顆行星的年齡，但是作為我們家園的地球需要人類用愛和良知來守護。