于鵬翔

亞里士多德《氣象學(xué)》

古人眼中的地球

古人把關(guān)于地球的很多問題歸結(jié)為“創(chuàng)世”問題，比如在印度教里一個輪回需要43.2億年?，F(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。但其實這只是一種巧合而已。古印度人得出的“43.2億”這個數(shù)字和瑪雅人預(yù)測地球要在2012年后開始一個新的輪回是類似的，都是古人借由傳說和對自然的觀察得出的一些假想結(jié)論。雖然古人沒有什么實質(zhì)性證據(jù)來證明自己的假想，但很多古老的文明卻對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：“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)系也會發(fā)生變化，一個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。” 簡單來說，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)超過了人的壽命。

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

海洋生物化石

測算地球年齡的科學(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”的歷史中一點點沉積下來的。而這個沉積的過程十分漫長，用他的話說就是“沒有開始，也沒有結(jié)束”。因此，他覺得地球的年齡要比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：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》。

赫頓雖然通過觀察否定了關(guān)于地球誕生只有6000多年的觀點，但他也沒有算出地球具體的年齡。與此同時，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，法國人德梅耶認(rèn)為地球曾經(jīng)被海水淹沒，后來海水以大約每100年下降7.5厘米的速度退去。根據(jù)這個速度，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隆起的方式把原來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，還有人想通過計算地球表面的沉積速度來推算地球的年齡。而我們熟知的“哈雷彗星”的發(fā)現(xiàn)者愛德蒙·哈雷則提出通過海洋中的鹽分來推算地球年齡的方法。100多年后，一位愛爾蘭的科學(xué)家約翰·喬利在取得一些數(shù)據(jù)后，通過計算海洋中的鹽分得出地球的年齡——9000萬歲。

在大家用地理學(xué)知識計算地球年齡的時候，物理學(xué)家牛頓則想通過物理學(xué)的方法解開這道世紀(jì)難題。他找人做了一個小鐵球，通過實驗他獲知這個小鐵球從燒得通紅的狀態(tài)冷卻至正常溫度需要一個小時。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 萬年。牛頓一生成就無數(shù)，但在推算地球年齡這件事上他卻沒能被載入史冊。不過，雖然牛頓計算錯誤，但是他卻開啟了用實驗的方法和熱量計算的思路測算地球年齡的道路。沿著牛頓的思路，又有很多科學(xué)家測算過地球的年齡，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更加響亮的名字——開爾文。沒錯，就是那個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，英國工業(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)，開爾文用他最擅長的熱力學(xué)的方法嘗試計算地球的年齡，而他得到的結(jié)果是2400萬年，而后又修改為2000萬年至4億年之間。

測算地球年齡的尺子

開爾文之所以計算錯誤的一個重要原因就是他不知道地球內(nèi)部在不停冷卻的同時，各種放射性元素還在給地球緩慢地加熱?！胺派湫浴边@個詞是居里夫人發(fā)明的，而真正對放射性元素進(jìn)行科學(xué)解釋的是英國科學(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間規(guī)律的。我們是不是可以通過放射性元素的衰變周期來測算地球的年齡呢？沒錯！但是什么元素能夠有幸成為這把測算地球年齡的標(biāo)尺呢？

在第二次世界大戰(zhàn)期間，因為原子彈的研制，人們對一種放射性元素“鈾（yóu）”有了深入的認(rèn)識。人們發(fā)現(xiàn)鈾會衰變成鉛，而后人們又發(fā)現(xiàn)有一種鈾變成鉛的半衰期居然長達(dá)44.7億年，這說明它極有資格充當(dāng)測算地球年齡的標(biāo)尺。但是，這把尺子在哪兒呢？想要用鈾測出地球的年齡，必須要找到一塊在地球形成之初就存在的巖石。這項工作看似簡單，但地球從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷過無數(shù)次海陸變遷、巖漿噴發(fā)和地殼運動，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

幸運的是，科學(xué)家們通過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，所以我們只能說地球至少有43.74億歲，而無法得出更準(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，天文學(xué)家提出了新的解題思路。他們推測太陽系中的各個天體應(yīng)該是在同一時期形成的。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，美國的地球化學(xué)家克萊爾·帕特森根據(jù)一塊在美國亞利桑那州惡魔谷發(fā)現(xiàn)的隕石，并結(jié)合“鈾- 鉛法”測定地球有45.5億年的歷史，正負(fù)誤差為0.7億年。到這里，放射性計年法終于幫我們找到了答案，人類對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”測定地球年齡的過程中，發(fā)現(xiàn)樣品中的鉛含量總是不穩(wěn)定。為此，他用了六年的時間辛苦建立起人類歷史上第一個超級潔凈室。同時，他還發(fā)現(xiàn)了一個驚人的事實：由于當(dāng)時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)這一事實后，毫不猶豫地向公眾公布了此事。隨后，他便受到來自石油界的攻擊。那些石油企業(yè)利用廣告、官員、科學(xué)家來反對甚至誣蔑帕特森，但是帕特森沒有退卻，他堅持自己的研究并不斷向公眾和政府展示含鉛汽油對人類的危害。就這樣，他苦苦堅持了20年，直到20世紀(jì)80年代，鉛才終于在美國的消費品中被禁止使用。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)的實驗室

這位測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《宇宙時空之旅》中就有詳細(xì)的介紹，同學(xué)們有時間可以去看一看。

《宇宙時空之旅》

今天，我們很輕易就能說出地球的年齡，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、假想到通過自然地理測算，再到物理學(xué)家、天文學(xué)家齊出動，最后終于得出了“45.5億”這個數(shù)字！通過這些故事，我們看到科學(xué)家除了用智慧推動人類的進(jìn)步，還在用良知和勇氣守護(hù)著人類的未來！希望大家在記住“45.5億”這個數(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！