地球年齡

劉安立

今天，我們已經(jīng)知道，地球的歷史長達45.4億年（加減1%）。早在58年前，也就是1956年，科學家就首次確定了這個數(shù)字，從那時起到現(xiàn)在，這個數(shù)字的誤差越來越小。為什么科學家花了這么長時間才得以確定地球的年齡？為什么他們能確信這個數(shù)字是準確的？要想回答諸如此類的問題，我們得把時鐘回撥到300年前。

時間之球

17世紀，有個叫厄歇爾的人根據(jù)神學歷法確定了“造物主創(chuàng)制地球的時間”——公元前4004年10月23日。這被認為是確定地球年齡的最早嘗試之一。但隨著地理知識的逐漸累積，科學家開始意識到地球的年齡肯定不會只有幾千年。在這些科學家中，法國的喬治·路易·德·布封尤其相信地球及眾行星同時起源于被撕裂自太陽的極端炙熱材料。他試圖通過實驗，復(fù)制構(gòu)成地球及眾行星的炙熱材料的冷卻過程，以確定這發(fā)生在何時。

在11年的時間里，布封利用鐵球和不同大小的巖石進行了廣泛的實驗，計量它們冷卻下來所花的時間，然后按比例放大實驗結(jié)果至地球大小。1775年，他發(fā)表了自己的估算結(jié)果——地球自形成以來降至目前溫度所經(jīng)歷的時間大約是74852年。但私底下，布封認為地球的年齡比這要古老得多，有可能長達1000萬年。

在下一個世紀里，由于相關(guān)線索從可以觀察到的地質(zhì)過程中開始浮現(xiàn)，地球的形成需要漫長地質(zhì)過程這一點變得越來越明顯。到了19世紀中期，兩種計算地球年齡的“滴漏”方法開始流行。第一種“滴漏”方法旨在估計地球巖石的總厚度以及沉積物的沉積速率，由此給出沉積所有巖石所需的時間。但由于不同地方的沉積速度不一樣，用這種方法算出的地球年齡范圍很寬——從300萬年到24億年都有。第二種“滴漏”方法企圖測量海鹽的沉積速率。海水中包含溶解的鹽，這些鹽來自亙古以來巖石的分解。假設(shè)海水原本是純凈水，由此或許就能算出海鹽累積到今天的數(shù)量所需的時間。但這種方法也困難重重，導(dǎo)致了很寬范圍的地球年齡估計值。

到1862年，英國知名物理學家開爾文爵士在愛丁堡皇家學會的一次會議上發(fā)表演講，猛烈抨擊采用“滴漏”方法估算地球年齡的地質(zhì)學家。與布封一樣，開爾文認為地球原本處在熔融狀態(tài)，如果能知道地球巖石的熔化溫度以及它們的冷卻速度，或許就能算出地殼固化所花的時間?？紤]到這些條件都未知，開爾文當初估計的地球年齡范圍也很寬——2000萬年到4億年之間。但僅過了幾年，根據(jù)對巖石熔化溫度進行的一些精確測量（其結(jié)果表明，這一溫度比預(yù)計值低得多），開爾文把他對地球年齡的估值下調(diào)至2000萬年到4000萬年之間。當時，這在地質(zhì)學界引發(fā)軒然大波。

19～20世紀之交的10年，是地質(zhì)學界激動人心的10年。1895年發(fā)現(xiàn)X射線和1896年發(fā)現(xiàn)鈾釋放類似的“神秘射線”（居里夫人稱之為“放射性”）所引起的興奮，促發(fā)了全球各地實驗室中的爆發(fā)式研究活動。1897年，英國科學家喬治·湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。1902年，英國物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福和弗雷德里克·索迪揭示了放射性衰變。他們宣布，在放射性衰變過程中，一種元素變成了另一種元素，鈾衰變成了鐳，鐳接著又衰變成了氡。這一發(fā)現(xiàn)震驚世界。

過后沒多久，索迪證明放射性衰變不僅產(chǎn)生了氡，而且產(chǎn)生了氦，并且氡也不穩(wěn)定，它接著會衰減成其他元素。幾個月后，就在居里夫婦于1903年獲得諾貝爾獎之前，皮埃爾·居里檢測發(fā)現(xiàn)，在放射性衰變過程中，隨著原子爆發(fā)性釋放電子，能量會以熱量的形式釋放。這意味著，盡管開爾文對地球冷卻自熔融態(tài)的判斷可能正確，他所不知道的卻是，與此同時，地球內(nèi)部的放射性元素一直在產(chǎn)生足夠熱量來推遲冷卻，這意味著地球年齡可能比地質(zhì)學家所推想的大很多。

巖石年齡

在辨識了氦是鈾衰變的副產(chǎn)品之后，盧瑟福很快又意識到，如果能通過測量巖石中的鈾和氦的數(shù)量來確定鈾產(chǎn)生的速率，那么只需相對簡單的計算就能表明氦的累積所需的時間，由此也就能確定巖石的年齡。一年后，盧瑟福成為通過放射性衰變測定巖石年齡的第一人。他由此測定的地球年齡為4000萬年。

不幸的是，他的測量方法有一個重要缺陷。倫敦皇家科技大學物理學家羅伯特·斯特拉特認識到：氦是一種氣體，它會從巖石中逃逸，這意味著來自放射性衰變的氦中只有很小一部分會被測量到，由此獲得的年齡測定值只可能是最小值。斯特拉特鼓勵他的學生之一、20歲的亞瑟·霍姆斯尋找一種更好的測量方法。

1907年，美國化學家貝特倫·博爾特伍德檢測了包含鈾的巖石并注意到，與氦一起，還有大量鉛存在。他推測，鉛可能是鈾放射性衰變鏈的最終產(chǎn)物?；裟匪挂庾R到，如果博爾特伍德的這一推斷無誤，那么就可能通過測量巖石中的鉛而非氦的數(shù)量來獲得巖石的年齡。1910年冬季，他檢測了17種礦物質(zhì)的鈾和鉛的含量（請參見相關(guān)鏈接《關(guān)鍵性實驗》）。

上述檢測結(jié)果讓霍姆斯作出結(jié)論：鉛的確是鈾的最終衰變產(chǎn)物。自此，一種確定巖石年齡的可靠技術(shù)被找到，并一直被采用?；裟匪箿y定的地球最大年齡是16.4億年，他還證明了地球年齡不可能低于這個數(shù)值。然而，他的測量結(jié)果嚇壞了恪守開爾文時間框架的絕大多數(shù)地質(zhì)學家。

此后，這方面進展緩慢，而1913年索迪對同位素的發(fā)現(xiàn)讓事情變得大大復(fù)雜化。當時，區(qū)分兩種同位素的唯一辦法就是測量原子重量，而全球能進行這種測量的實驗室寥寥無幾?；裟匪惯€指出，一些鉛很可能自從地球開始形成時就存在。他把這些鉛稱為“原始鉛”。不過，如果他無法辨別鈾的放射性衰變所產(chǎn)生的鉛和原始鉛，他的測量結(jié)果就不準確。

反復(fù)嘗試

1924年，霍姆斯被指定為杜倫大學地質(zhì)學教授。在那里，他繼續(xù)致力于優(yōu)化地質(zhì)時鐘技術(shù)，并試圖確定地球年齡。這一時期，他也嘗試尋找新的測量技術(shù)。雖然每一種技術(shù)剛開始看起來都蠻有希望，但在他花了大量時間反復(fù)嘗試后，這些方法被證明都行不通。

1938年，年輕的美國物理學家阿爾弗雷德·涅爾在哈佛大學運用一臺新型質(zhì)譜儀工作期間，嘗試辨別已知的所有鉛同位素。不出所料，他很快就發(fā)現(xiàn)了三種已知的鉛同位素——鉛206、鉛207和鉛208。但在光譜末端，他看見了一個小小的尖峰信號——原始鉛的微型光譜終于現(xiàn)形，被識別為鉛204。鈾-鉛“拼圖”中缺失的一塊至此終于被找到。

盡管身為物理學家，涅爾卻醉心于測量地質(zhì)時間。就在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前，他對25塊地質(zhì)年齡各不相同的巖石進行了一系列非常精確的年齡測定。其中一塊來自于加拿大馬尼托巴省的結(jié)晶花崗巖的年齡被測定為24.8億年?；裟匪箤δ鶢柕倪@一測量結(jié)果很感興趣，他在1945年5月致信涅爾說：“這（指涅爾的測量結(jié)果）最令人興味盎然，不僅是因為你測量的巖石看來是能找到的最古老巖石，而且是由于你的測量數(shù)據(jù)顯示有關(guān)宇宙膨脹的現(xiàn)有理論需要修正?！泵绹锢韺W家埃德溫·哈勃當時確定宇宙才剛滿18億歲，而涅爾的測量結(jié)果證明這一宇宙年齡估值一定不對，因為宇宙不可能比地球年輕。

在購買了一臺早期計算機來幫助完成復(fù)雜計算后，霍姆斯在1946年2月16日再度致信涅爾：“運用不同的方案，地球年齡被算定為大約30億年，最佳值為30.15億年，但我們可以不計這0.15?！钡?0世紀50年代初，運用鈾-鉛同位素測量巖石年齡的方法看來是行得通的，無奈霍姆斯此時身體不佳，他不得不讓位給下一代科學家，以繼續(xù)他的追索。

隨著技術(shù)進展，另一個美國人克萊爾·帕特森成功確定了鐵隕石中幾乎為零的極微量鉛的數(shù)量。選擇鐵隕石的優(yōu)勢是，它們包含的鈾的數(shù)量可忽略不計，因此它們所包含的任何數(shù)量的原始鉛都不可能被放射產(chǎn)生的鉛污染。帕特森接著意識到，如果正如天文學家所暗示的那樣——地球與太陽系形成于同一時期，他就可能運用測定自隕石中的年齡值來推算地球的年齡。

接下來，帕特森花了三年時間來嘗試證明這兩者的關(guān)系。1956年，他證明了地球、行星和隕石有著共同的祖先。他分析了5塊隕石中的鉛含量，證明了它們的同位素比例怎樣產(chǎn)生等時線，由此確定的地球年齡為45.5±0.7億年。

此外，來自地球（后來也來自月球）的樣本也落在相同的等時線上。這就證明了地球和隕石在大約45億年前的同一時間形成自相同的太陽系材料。此時距離厄歇爾之死剛好300年，地球的年齡被最終確定。