這些年我們是如何計算地球年齡的? 科普貼請查收
2019年04月19日10:01
科學史話
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  來源:科技日報

  “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權威。有趣的是,他並非是一位科學家,而是一名大主教。因為在科學革命之前,“地球的年齡”問題是與創世神話聯繫在一起的,因此,“地球的年齡是多少?”最開始是一個神學問題而非科學問題。

  詹姆斯⋅烏雪擔任過全愛爾蘭天主教會的大主教,但對科學充滿興趣。他採用聖經年譜學的方法,把聖經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,將與聖經上記載相同的事件一一標記年份。經過反複的比對和整理,烏雪在他1645年出版的著作《烏雪年表》中,根據當時流行的儒略曆推算,認為整個世界被上帝創造於公元前4004年10月22日下午6時。

  在啟蒙運動之後,基督教的權威已經搖搖欲墜了,後來的學者們紛紛採用更加科學的方法來推算地球的年齡。法國博物學家布豐收集到了很多史前古生物化石,根據這些化石的年份,布豐推測地球的年齡超過7萬5000年。英國地質學家赫頓則提出了“均變論”,認為地球演化是一個複雜漫長的過程,而我們只能解釋和分析每個地質時期的具體變化,但是無法推測起點和終點。這種地質漸變論的觀點後來被賴爾發揚光大,成為了當時的主流觀點。同為博物學家的達爾文推測一些地質變化的過程至少要經過三億年,而地球的真實年齡說不定遠大於此。

  當博物學家和地質學家們束手無策的時候,解答這個問題的重擔落到了物理學家身上。19世紀50年代,由德國物理學家克勞修斯與英國物理學家開爾文勳爵分別提出的熱力學第二定律已經成為了學界的共識。根據熱力學第二定律,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岩漿球,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(也就是岩漿的溫度)、岩層的導熱係數以及地溫梯度,我們就能根據公式計算出地球的年齡。

  開爾文在1862年發表了一篇名為《論地球的緩慢冷卻》的文章,他將岩漿的溫度設定為3870℃(實際上應該是700℃—1200℃),然後估算了導熱係數與地溫梯度的平均值。開爾文最終計算結果是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,開爾文在之後的幾十年中不斷地修訂自己的計算結果,在1897年,他最終確定地球的年齡應該是2400萬年。

  按照當時已知的物理學理論,開爾文的計算方法是不可動搖的。不但地質學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之上的。第一,地球內部沒有其他熱量來源。第二,地球內部是一個均質的固體。只要這兩個假設是成立的,那麼開爾文的計算方法就是無懈可擊的。

  科學史上很多偉大的發現都來自於意外。1896年,法國物理學家貝克勒爾意外地發現鈾鹽能夠讓包在厚黑紙中的底片感光,證明鈾能發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象。在兩年之後,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生熱量。與此同時,進入20世紀之後,科學家們通過研究地震波折射現象發現了地球內部並非均質的固體,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全部被證偽了。

  歷史性的轉折發生在1904年。年逾八旬的開爾文勳爵參加了一場由英國皇家學會舉辦的物理學會議,早已成為物理學界權威的他受到了一位年輕物理學者的挑戰,而這位挑戰者正是開爾文晚年最得意的學生——當時年僅33歲的盧瑟福。盧瑟福在會議上作了關於放射性增溫對估算地球年齡影響的報告,認為地球內部的放射性元素所產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之初發生的兩種範式之間的交接,盧瑟福的研究從學理上推翻了開爾文的計算方法,為後來者們開闢了一種新的方法,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,美國化學家博爾特伍德認為鉛是鈾放射衰變的最終產物,提出了“鈾—鉛測定方法”。在同位素被發現之後,這種方法被科學家們進一步優化,因為鈾235和鈾238會分別衰變為鉛207和鉛206,所以在理論上,只要我們知道一塊岩石中鉛和鈾的比例,我們就可以計算出岩石的年齡。

  於是,解決問題的關鍵變成了尋找到和地球同時形成的岩石。地表上的岩石都經曆過複雜的地質運動,而隕石來自於太陽中的小行星,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。美國地球化學家克萊爾⋅帕特森最終通過將隕鐵中的鉛鈾比例設定為初始值,將地球岩石中平均的鉛鈾比例設定為最終值,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果仍舊不滿意,他又找來另一種和隕鐵性質近乎相反的石質隕石,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。

  科學研究終於告一段落,但故事並沒有結束。在帕特森研究地球表面鉛分佈的時候,他驚人地發現,進入20世紀之後的自然界中的鉛濃度增加速度陡然提升,遠遠高於過去幾十億年的積累速度。人類工業汙染,特別是化石燃料的燃燒是這些鉛的主要來源。意識到這點之後,帕特森將後半生的主要精力都投入到了環境保護事業中。對於整個宇宙來說,地球只是漂浮在宇宙中的一顆渺小行星,但是對於人類來說,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,這是一個為環境保護而設立的節日。科學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。

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