这些年我们是如何计算地球年龄的

2019-04-20 16:17:58 来源: 科技日报

“地球的年龄是多少?”在400年前的欧洲,爱尔兰人詹姆斯·乌雪是这个问题的公认权威。有趣的是,他并非是一位科学家,而是一名大主教。因为在科学革命之前,“地球的年龄”问题是与创世神话联系在一起的,因此,“地球的年龄是多少?”最开始是一个神学问题而非科学问题。

詹姆斯·乌雪担任过全爱尔兰天主教会的大主教,但对科学充满兴趣。他采用圣经年谱学的方法,把圣经上记载的重大历史事件按照时间顺序依次排列出来,同时他还查阅了很多非基督教古代历史文献,将与圣经上记载相同的事件一一标记年份。经过反复的比对和整理,乌雪在他1645年出版的著作《乌雪年表》中,根据当时流行的儒略历推算,认为整个世界被上帝创造于公元前4004年10月22日下午6时。

在启蒙运动之后,基督教的权威已经摇摇欲坠了,后来的学者们纷纷采用更加科学的方法来推算地球的年龄。法国博物学家布丰收集到了很多史前古生物化石,根据这些化石的年份,布丰推测地球的年龄超过7万5000年。英国地质学家赫顿则提出了“均变论”,认为地球演化是一个复杂漫长的过程,而我们只能解释和分析每个地质时期的具体变化,但是无法推测起点和终点。这种地质渐变论的观点后来被赖尔发扬光大,成为了当时的主流观点。同为博物学家的达尔文推测一些地质变化的过程至少要经过三亿年,而地球的真实年龄说不定远大于此。

当博物学家和地质学家们束手无策的时候,解答这个问题的重担落到了物理学家身上。19世纪50年代,由德国物理学家克劳修斯与英国物理学家开尔文勋爵分别提出的热力学第二定律已经成为了学界的共识。根据热力学第二定律,地球、太阳乃至整个宇宙都处在一种热量耗散的过程中。按照这个理论,地球在诞生之初是一个高热量的岩浆球,其温度随着时间不断降低,直到将热量完全耗散掉变得彻底冰冷死寂。这样一来,只要我们知道了地球的初始温度(也就是岩浆的温度)、岩层的导热系数以及地温梯度,我们就能根据公式计算出地球的年龄。

开尔文在1862年发表了一篇名为《论地球的缓慢冷却》的文章,他将岩浆的温度设定为3870℃(实际上应该是700℃—1200℃),然后估算了导热系数与地温梯度的平均值。开尔文最终计算结果是9800万年,考虑到估算带来的误差,他提出地球的年龄大致在2000万年到4亿年之间。通过不断精确参数,开尔文在之后的几十年中不断地修订自己的计算结果,在1897年,他最终确定地球的年龄应该是2400万年。

按照当时已知的物理学理论,开尔文的计算方法是不可动摇的。不但地质学家们无法反驳开尔文的观点,就连像达尔文这样伟大的博物学家也一度怀疑自己提出的物种演化理论。但是,开尔文的计算方法是建立在两个基本假设之上的。第一,地球内部没有其他热量来源。第二,地球内部是一个均质的固体。只要这两个假设是成立的,那么开尔文的计算方法就是无懈可击的。

科学史上很多伟大的发现都来自于意外。1896年,法国物理学家贝克勒尔意外地发现铀盐能够让包在厚黑纸中的底片感光,证明铀能发射出一种有穿透性的射线,这是人类第一次观测到了放射性现象。在两年之后,著名的皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇从沥青铀矿提炼出了两种新的放射性的元素钋和镭,而在1903年,居里夫妇进一步检测到了镭元素在放射过程中会不断产生热量。与此同时,进入20世纪之后,科学家们通过研究地震波折射现象发现了地球内部并非均质的固体,而是分成地壳、地幔和地心。至此,开尔文计算地球年龄的两个假设全部被证伪了。

历史性的转折发生在1904年。年逾八旬的开尔文勋爵参加了一场由英国皇家学会举办的物理学会议,早已成为物理学界权威的他受到了一位年轻物理学者的挑战,而这位挑战者正是开尔文晚年最得意的学生——当时年仅33岁的卢瑟福。卢瑟福在会议上作了关于放射性增温对估算地球年龄影响的报告,认为地球内部的放射性元素所产生的热量能够平衡地球自身的冷却。这一对师生代表了世纪之初发生的两种范式之间的交接,卢瑟福的研究从学理上推翻了开尔文的计算方法,为后来者们开辟了一种新的方法,即通过测定放射性元素的衰变过程来确定地球的年龄。在1907年,美国化学家博尔特伍德认为铅是铀放射衰变的最终产物,提出了“铀—铅测定方法”。在同位素被发现之后,这种方法被科学家们进一步优化,因为铀235和铀238会分别衰变为铅207和铅206,所以在理论上,只要我们知道一块岩石中铅和铀的比例,我们就可以计算出岩石的年龄。

于是,解决问题的关键变成了寻找到和地球同时形成的岩石。地表上的岩石都经历过复杂的地质运动,而陨石来自于太阳中的小行星,这些小行星是和地球在同一时间形成的。在各种各样的陨石之中,陨铁的含铀量极低,这就意味着,铀衰变产生的铅微乎其微。因而,陨铁中的铅铀比例就与地球形成之初的比例近乎相等。美国地球化学家克莱尔·帕特森最终通过将陨铁中的铅铀比例设定为初始值,将地球岩石中平均的铅铀比例设定为最终值,计算得出地球的年龄在41亿—46亿年之间。精益求精的帕特森对自己的测量结果仍旧不满意,他又找来另一种和陨铁性质近乎相反的石质陨石,即初始含铅量极低,其中的铅都是由铀衰变而来。综合两个测定结果,帕特森在1956年最终得出地球的年龄为45.5±0.7亿年。

科学研究终于告一段落,但故事并没有结束。在帕特森研究地球表面铅分布的时候,他惊人地发现,进入20世纪之后的自然界中的铅浓度增加速度陡然提升,远远高于过去几十亿年的积累速度。人类工业污染,特别是化石燃料的燃烧是这些铅的主要来源。意识到这点之后,帕特森将后半生的主要精力都投入到了环境保护事业中。对于整个宇宙来说,地球只是漂浮在宇宙中的一颗渺小行星,但是对于人类来说,地球是我们赖以为生的家园。每年的4月22日是世界地球日,这是一个为环境保护而设立的节日。科学理论能够计算地球这颗行星的年龄,但是作为我们家园的地球需要人类用爱和良知来守护。(姚 禹)

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