这些年我们是如何计算地球年龄的？ 科普贴请查收

科学史

“地球的年龄是多少？”400年前，在欧洲，爱尔兰人詹姆斯·亚瑟是这个问题上公认的权威。有趣的是，他不是科学家，而是大主教。因为在科学革命之前，“地球时代”的问题是与创世神话联系在一起的，因此，“地球的时代是什么？”起初，这是一个神学问题，而不是科学问题。

詹姆斯·亚瑟曾担任爱尔兰天主教大主教，但对科学感兴趣。他用《圣经》年表来按时间顺序排列《圣经》中记载的主要历史事件。与此同时，他还查阅了许多非基督教的古代历史文献，并将同一事件一个接一个地用年份做了标记。经过反复比较和整理，吴学在他1645年的著作《吴学年表》中，根据当时流行的儒略历计算，认为整个世界是上帝在公元前4004年10月22日下午6: 00创造的。

启蒙运动后，基督教的权威已经崩溃。后来的学者采用了更科学的方法来计算地球的年龄。法国博物学家布冯收集了许多史前化石。根据这些化石的年龄，布冯估计地球已经超过75000岁了。英国地质学家赫顿提出了“均衡”理论，认为地球的演化是一个复杂而漫长的过程，我们只能解释和分析每个地质时期的具体变化，而不能推测起点和终点。这种地质渐变的观点后来被雷尔发展，成为当时的主流观点。博物学家达尔文推测，一些地质变化的过程至少需要3亿年，地球的真实年龄可能比这大得多。

当自然学家和地质学家束手无策时，解决这个问题的重担就落到了物理学家身上。19世纪50年代，德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文勋爵分别提出的热力学第二定律成为学术界的共识。根据热力学第二定律，地球、太阳甚至整个宇宙都处于散热过程中。根据这一理论，地球在诞生之初是一个高热岩浆球，它的温度随着时间不断降低，直到热量完全消散，变得完全寒冷和死亡。这样，只要我们知道地球的初始温度(即岩浆的温度)、岩层的热导率和地热梯度，我们就可以根据公式计算地球的年龄。

开尔文在1862年发表了一篇题为“地球缓慢冷却”的文章。他把岩浆的温度设定在3870℃(实际上是700℃-1200℃)，然后估算了热导率和地热梯度的平均值。开尔文的最终计算结果是9800万年。考虑到估算带来的误差，他提出地球的年龄大约在2000万到4亿年之间。在接下来的几十年里，开尔文通过连续精确的参数不断修正他的计算结果。1897年，他最终确定地球的年龄应该是2400万年。

根据当时已知的物理理论，开尔文的计算方法是不可动摇的。不仅地质学家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曾怀疑过他的物种进化理论。然而，开尔文的计算方法基于两个基本假设。首先，地球内部没有其他热源。第二，地球内部是一个均匀的固体。只要这两个假设是正确的，开尔文的计算方法是无懈可击的。

科学史上的许多重大发现都来自意外事故。1896年，法国物理学家贝克雷尔意外地发现，铀盐可以使用厚黑纸包裹的底片感光，证明铀可以发出穿透光线。这是人类第一次观察到放射性。两年后，著名的皮埃尔·居里和玛丽·居里从沥青铀矿中提取了两种新的放射性元素钋和镭。1903年，居里夫妇进一步发现镭在辐射过程中会不断产生热量。与此同时，进入20世纪后，科学家们通过研究地震波的折射发现，地球内部不是一个均匀的固体，而是分成地壳、地幔和地球中心。到目前为止，开尔文计算地球年龄的两个假设都被证伪了。

历史转折点发生在1904年。80多岁的开尔文勋爵参加了由英国皇家学会组织的一次物理会议。他早已成为物理学的权威。他受到一位年轻物理学家的挑战，这位年轻物理学家是开尔文晚年最自豪的学生——当时33岁的卢瑟福。卢瑟福在会上做了一份关于放射性变暖对估计地球年龄的影响的报告，他认为地球内部放射性元素产生的热量可以平衡地球自身的冷却。这对教师和学生代表了本世纪初发生的两种范式之间的转变。卢瑟福的研究从理论上推翻了开尔文的计算方法，为后来者打开了一个新的方法，即通过测量放射性元素的衰变过程来确定地球的年龄。1907年，美国化学家博尔特伍德认为铅是铀放射性衰变的最终产物，并提出了“铀-铅测定法”。同位素被发现后，科学家们进一步优化了这种方法，因为铀235和238将分别衰变为铅207和铅206，所以从理论上讲，只要我们知道岩石中铅与铀的比例，我们就可以计算出岩石的年龄。

因此，解决这个问题的关键是找到与地球同时形成的岩石。地球表面的岩石经历了复杂的地质运动，陨石来自太阳中的小行星，它们与地球同时形成。在各种陨石中，陨石铁含有非常低的铀含量，这意味着铀衰变产生的铅非常少。因此，陨石铁中的铅和铀的比例几乎等于地球形成之初的比例。美国地球化学家克莱尔·帕特森(Clare Patterson)最终计算出地球的年龄在41亿至46亿年之间，将陨石中的铅铀比作为初始值，岩石中的平均铅铀比作为最终值。帕特森一直在进步，但他仍然对自己的测量结果不满意。他发现了另一个几乎与陨石铁性质相反的石头陨石，即最初的铅含量极低，所有的铅都来自铀衰变。结合这两项测量，帕特森最终在1956年得出结论，地球的年龄是45.5亿年。

科学研究终于结束了，但故事还没有结束。当帕特森研究地球表面铅的分布时，他惊奇地发现，进入20世纪后，自然界铅浓度的增加速度急剧上升，远远快于过去几十亿年的累积速度。工业污染，尤其是燃烧化石燃料，是这些铅的主要来源。意识到这一点，帕特森把余生都献给了环境保护。对整个宇宙来说，地球只是漂浮在宇宙中的一颗小行星，但对人类来说，地球是我们生活的家园。每年的4月22日是世界地球日，一个为保护环境而设立的节日。科学理论可以计算地球的年龄，但是地球作为我们的家园，需要人类用爱和良知来保护它。