地球幾歲了？

于鵬翔

亞里士多德《氣象學(xué)》

古人眼中的地球

古人把關(guān)于地球的很多問(wèn)題歸結(jié)為“創(chuàng)世”問(wèn)題，比如在印度教里一個(gè)輪回需要43.2億年。現(xiàn)在，我們知道地球的年齡大約是45.5億歲，很多人看到這兩個(gè)數(shù)字十分接近，就認(rèn)為古印度人一定獲得了什么神秘力量。但其實(shí)這只是一種巧合而已。古印度人得出的“43.2億”這個(gè)數(shù)字和瑪雅人預(yù)測(cè)地球要在2012年后開始一個(gè)新的輪回是類似的，都是古人借由傳說(shuō)和對(duì)自然的觀察得出的一些假想結(jié)論。雖然古人沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性證據(jù)來(lái)證明自己的假想，但很多古老的文明卻對(duì)地球有一種普遍性的認(rèn)知，即地球處在不斷的變化之中。比如亞里士多德在《氣象學(xué)》一書中就闡述了這一觀點(diǎn)：“地球的相同部分并非總是潮濕或干燥的，而是隨著河流的出現(xiàn)和干涸而發(fā)生變化。陸地和海洋之間的關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化，一個(gè)地方并非總是陸地或海洋。以前是陸地的，現(xiàn)在可能變成了海洋，而現(xiàn)在是海洋的，有一天也可能變成陸地。” 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，亞里士多德認(rèn)為地球是在不停變化的，而且這種變化非常緩慢，變化的年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人的壽命。

到了17世紀(jì)，愛(ài)爾蘭的詹姆斯·烏舍爾根據(jù)《圣經(jīng)》中的人物關(guān)系，再結(jié)合一點(diǎn)兒天文歷法知識(shí)，算出了一個(gè)精確的創(chuàng)世時(shí)間，即世界誕生于公元前4004年10月22日星期六下午6點(diǎn)左右。若按烏舍爾所說(shuō)，地球現(xiàn)在不過(guò)6000多歲。

海洋生物化石

測(cè)算地球年齡的科學(xué)之路

經(jīng)歷了文藝復(fù)興和地理大發(fā)現(xiàn)之后，有不少人開始用理性和科學(xué)的方法重新思考地球的年齡問(wèn)題。其中，一位杰出代表就是蘇格蘭的地質(zhì)學(xué)家詹姆斯·赫頓。被譽(yù)為“地質(zhì)學(xué)之父”的赫頓觀察到了地球復(fù)雜的地層構(gòu)造，他認(rèn)為這些地層都是在地球“成長(zhǎng)”的歷史中一點(diǎn)點(diǎn)沉積下來(lái)的。而這個(gè)沉積的過(guò)程十分漫長(zhǎng)，用他的話說(shuō)就是“沒(méi)有開始，也沒(méi)有結(jié)束”。因此，他覺(jué)得地球的年齡要比6000歲大得多。

一位名叫查理斯·萊爾的人因受赫頓思想的啟發(fā)，寫出了一本叫作《地質(zhì)學(xué)原理》的書。這本書中延續(xù)了赫頓的觀點(diǎn)：地球處在緩慢的、不停歇的演變之中。而這本《地質(zhì)學(xué)原理》后來(lái)又啟發(fā)另一位偉大的科學(xué)家——查爾斯·達(dá)爾文寫出了著名的《物種起源》。

赫頓雖然通過(guò)觀察否定了關(guān)于地球誕生只有6000多年的觀點(diǎn)，但他也沒(méi)有算出地球具體的年齡。與此同時(shí)，人類挖掘出各種各樣的古生物化石，證明在人類誕生之前，地球上就已經(jīng)存在各種各樣的生命了。

根據(jù)在內(nèi)陸高山上發(fā)現(xiàn)的海貝化石，法國(guó)人德梅耶認(rèn)為地球曾經(jīng)被海水淹沒(méi)，后來(lái)海水以大約每100年下降7.5厘米的速度退去。根據(jù)這個(gè)速度，德梅耶推算出地球大概有20億歲。但是他不知道地殼可以通過(guò)隆起的方式把原來(lái)在海底的東西帶到地表之上，而且海水退去的速度也并非他所估算的那樣。雖然他的推算不夠嚴(yán)謹(jǐn)，但他卻成了從自然角度思考地球年齡的先行者。與他類似，還有人想通過(guò)計(jì)算地球表面的沉積速度來(lái)推算地球的年齡。而我們熟知的“哈雷彗星”的發(fā)現(xiàn)者愛(ài)德蒙·哈雷則提出通過(guò)海洋中的鹽分來(lái)推算地球年齡的方法。100多年后，一位愛(ài)爾蘭的科學(xué)家約翰·喬利在取得一些數(shù)據(jù)后，通過(guò)計(jì)算海洋中的鹽分得出地球的年齡——9000萬(wàn)歲。

在大家用地理學(xué)知識(shí)計(jì)算地球年齡的時(shí)候，物理學(xué)家牛頓則想通過(guò)物理學(xué)的方法解開這道世紀(jì)難題。他找人做了一個(gè)小鐵球，通過(guò)實(shí)驗(yàn)他獲知這個(gè)小鐵球從燒得通紅的狀態(tài)冷卻至正常溫度需要一個(gè)小時(shí)。由此他推算出地球從早期炙熱狀態(tài)冷卻至正常溫度用了大約5 萬(wàn)年。牛頓一生成就無(wú)數(shù)，但在推算地球年齡這件事上他卻沒(méi)能被載入史冊(cè)。不過(guò)，雖然牛頓計(jì)算錯(cuò)誤，但是他卻開啟了用實(shí)驗(yàn)的方法和熱量計(jì)算的思路測(cè)算地球年齡的道路。沿著牛頓的思路，又有很多科學(xué)家測(cè)算過(guò)地球的年齡，但總是不夠準(zhǔn)確，直到威廉·湯姆森的出現(xiàn)。這位湯姆森先生還有另一個(gè)更加響亮的名字——開爾文。沒(méi)錯(cuò)，就是那個(gè)用名字命名了熱力學(xué)溫度單位的“開爾文”。

威廉·湯姆森

當(dāng)時(shí)，英國(guó)工業(yè)革命正如火如荼地進(jìn)行著，大量的煤礦被開采。人們采煤的時(shí)候發(fā)現(xiàn)地球表面以下越深的地方溫度越高。受此啟發(fā)，開爾文用他最擅長(zhǎng)的熱力學(xué)的方法嘗試計(jì)算地球的年齡，而他得到的結(jié)果是2400萬(wàn)年，而后又修改為2000萬(wàn)年至4億年之間。

測(cè)算地球年齡的尺子

開爾文之所以計(jì)算錯(cuò)誤的一個(gè)重要原因就是他不知道地球內(nèi)部在不停冷卻的同時(shí)，各種放射性元素還在給地球緩慢地加熱。“放射性”這個(gè)詞是居里夫人發(fā)明的，而真正對(duì)放射性元素進(jìn)行科學(xué)解釋的是英國(guó)科學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福。他發(fā)現(xiàn)放射性元素的衰變是有時(shí)間規(guī)律的。我們是不是可以通過(guò)放射性元素的衰變周期來(lái)測(cè)算地球的年齡呢？沒(méi)錯(cuò)！但是什么元素能夠有幸成為這把測(cè)算地球年齡的標(biāo)尺呢？

在第二次世界大戰(zhàn)期間，因?yàn)樵訌椀难兄疲藗儗?duì)一種放射性元素“鈾（yóu）”有了深入的認(rèn)識(shí)。人們發(fā)現(xiàn)鈾會(huì)衰變成鉛，而后人們又發(fā)現(xiàn)有一種鈾變成鉛的半衰期居然長(zhǎng)達(dá)44.7億年，這說(shuō)明它極有資格充當(dāng)測(cè)算地球年齡的標(biāo)尺。但是，這把尺子在哪兒呢？想要用鈾測(cè)出地球的年齡，必須要找到一塊在地球形成之初就存在的巖石。這項(xiàng)工作看似簡(jiǎn)單，但地球從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷過(guò)無(wú)數(shù)次海陸變遷、巖漿噴發(fā)和地殼運(yùn)動(dòng)，在這種情況下尋找一塊原始的石頭，就相當(dāng)于你從樓上撒下一把米，過(guò)了一百年之后再讓你去找尋它們，可想而知難度有多大。

硅鉛鈾礦

幸運(yùn)的是，科學(xué)家們通過(guò)各種方法找到了很多巖石樣本，其中在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的一塊遠(yuǎn)古鋯石晶體被測(cè)出已有43.74億年的歷史。這也是迄今為止人類在地球上發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石。但是誰(shuí)也不知道在未發(fā)現(xiàn)的巖石中是否還有比43.74億年更久遠(yuǎn)的，所以我們只能說(shuō)地球至少有43.74億歲，而無(wú)法得出更準(zhǔn)確的數(shù)字。

遠(yuǎn)古鋯石晶體（顯微圖）

隕石撞擊形成的巨大隕石坑

這時(shí)，天文學(xué)家提出了新的解題思路。他們推測(cè)太陽(yáng)系中的各個(gè)天體應(yīng)該是在同一時(shí)期形成的。既然在地球上很難找到形成初期的巖石，那么宇宙中的石頭是不是能幫上忙呢？怎么找到宇宙中的石頭呢？科學(xué)家們想到了隕石！ 1956年，美國(guó)的地球化學(xué)家克萊爾·帕特森根據(jù)一塊在美國(guó)亞利桑那州惡魔谷發(fā)現(xiàn)的隕石，并結(jié)合“鈾- 鉛法”測(cè)定地球有45.5億年的歷史，正負(fù)誤差為0.7億年。到這里，放射性計(jì)年法終于幫我們找到了答案，人類對(duì)地球的了解又近了一步。

克萊爾·帕特森

拯救人類的帕特森

說(shuō)到這位克萊爾·帕特森，他不但是一位杰出的科學(xué)家，更是一位拯救了世人的英雄。他在用“鈾- 鉛法”測(cè)定地球年齡的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)樣品中的鉛含量總是不穩(wěn)定。為此，他用了六年的時(shí)間辛苦建立起人類歷史上第一個(gè)超級(jí)潔凈室。同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的事實(shí)：由于當(dāng)時(shí)含鉛汽油的廣泛使用，人們生活環(huán)境中的鉛含量激增。鉛對(duì)于人類尤其是兒童的神經(jīng)有著致命的影響。當(dāng)帕特森發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)后，毫不猶豫地向公眾公布了此事。隨后，他便受到來(lái)自石油界的攻擊。那些石油企業(yè)利用廣告、官員、科學(xué)家來(lái)反對(duì)甚至誣蔑帕特森，但是帕特森沒(méi)有退卻，他堅(jiān)持自己的研究并不斷向公眾和政府展示含鉛汽油對(duì)人類的危害。就這樣，他苦苦堅(jiān)持了20年，直到20世紀(jì)80年代，鉛才終于在美國(guó)的消費(fèi)品中被禁止使用。而后，含鉛汽油在世界各地也相繼被禁止。

帕特森在加州理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室

這位測(cè)出了地球年齡的科學(xué)家用他的恒心、良心和決心拯救了飽受鉛毒之苦的人們。關(guān)于帕特森的故事，紀(jì)錄片《宇宙時(shí)空之旅》中就有詳細(xì)的介紹，同學(xué)們有時(shí)間可以去看一看。

《宇宙時(shí)空之旅》

今天，我們很輕易就能說(shuō)出地球的年齡，殊不知得出這一數(shù)字的背后還有那么曲折的歷程！從傳說(shuō)、假想到通過(guò)自然地理測(cè)算，再到物理學(xué)家、天文學(xué)家齊出動(dòng)，最后終于得出了“45.5億”這個(gè)數(shù)字！通過(guò)這些故事，我們看到科學(xué)家除了用智慧推動(dòng)人類的進(jìn)步，還在用良知和勇氣守護(hù)著人類的未來(lái)！希望大家在記住“45.5億”這個(gè)數(shù)字之外，也能感受到科學(xué)家們不斷求知、勇于求真的科學(xué)精神！