前言

你有沒有想過(guò)，我們生活的地球到底有多“老”呢？如今拿起手機(jī)隨便一搜，你便可以得出結(jié)論——地球的年齡約45.4 億年（誤差 ± 5000 萬(wàn)年）。可是你知道嗎？這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，卻曾困擾了無(wú)數(shù)聰明的頭腦，神職人員、哲學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、物理學(xué)家……從宗教推測(cè)到科學(xué)探索，幾代人絞盡腦汁，才逐步推算出地球的真正年齡。

我們要去探索的這個(gè)問(wèn)題，不僅僅是單純的“計(jì)算”——它是一場(chǎng)跨越數(shù)世紀(jì)的科學(xué)冒險(xiǎn)。一次次錯(cuò)誤的推測(cè)、一次次驚人的發(fā)現(xiàn)、以及一場(chǎng)你意想不到的環(huán)保革命，都隱藏在尋找地球年齡的旅程之中。

現(xiàn)在，跟隨我們的腳步，一起穿越歷史長(zhǎng)河，看看科學(xué)家們?nèi)绾螐膸r石、元素，甚至地球“內(nèi)心”的秘密中，找出關(guān)于地球年齡的答案。在這趟旅程中，你將見證無(wú)數(shù)次假設(shè)與證偽的探索、科學(xué)觀念的顛覆，以及一場(chǎng)徹底改變世界的發(fā)現(xiàn)。究竟是誰(shuí)第一個(gè)知道地球的年齡？讓我們開啟這段激動(dòng)人心的探索之旅。

1

古代的推測(cè)和宗教信仰

在人類文明的早期，地球的起源和年齡一直籠罩著神秘的面紗。古人通常借助神話、宗教和傳統(tǒng)故事來(lái)解釋這些問(wèn)題。例如，中國(guó)神話中講述盤古開天辟地；印度教中提及梵天造宇宙；而古埃及傳說(shuō)則講太初之水孕育出諸神。

盤古開天辟地（《三五歷紀(jì)》記載：天地渾沌如雞子，盤古生其中。萬(wàn)八千歲，天地開辟，陽(yáng)清為天，陰濁為地。盤古在其中，一日九變，神于天，圣于地。天日高一丈，地日厚一丈，盤古日長(zhǎng)一丈，如此萬(wàn)八千歲。天數(shù)極高，地?cái)?shù)極深，盤古極長(zhǎng)，后乃有三皇。數(shù)起于一，立于三，成于五，盛于七，處于九，故天去地九萬(wàn)里）

在西方基督教文化中，《圣經(jīng)·創(chuàng)世記》描述了上帝用六天創(chuàng)造天地萬(wàn)物的過(guò)程。對(duì)當(dāng)時(shí)的人們來(lái)說(shuō)，地球是神圣而永恒的，因此“科學(xué)”地測(cè)定其年齡顯得匪夷所思。

17世紀(jì)，愛爾蘭大主教詹姆斯·烏雪（James Ussher）試圖通過(guò)圣經(jīng)文本為地球“定年”。他詳細(xì)考察了《舊約》中的人物世系和年限，以新巴比倫國(guó)第三任君主以未米羅達(dá)的登基為基準(zhǔn)（即公元前563年），再加上一些天文歷法的知識(shí)，統(tǒng)一了《圣經(jīng)》與正史的時(shí)間線得出了一個(gè)，他自認(rèn)為“精確無(wú)比”的結(jié)論-世界是在公元前4004年10月23日的夜晚被創(chuàng)造出來(lái)的。這一計(jì)算獲得了當(dāng)時(shí)許多神學(xué)家的支持，甚至一度成為歐洲主流的地球年齡觀，在教堂和學(xué)院中被當(dāng)作真實(shí)的歷史依據(jù)而普遍接受。

詹姆斯·烏雪（James Ussher）

然而，也有少數(shù)科學(xué)家開始對(duì)神學(xué)推算的地球年齡提出質(zhì)疑。1693年，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨在《原始地球》中提出，地球最初是熾熱的熔融體，逐漸冷卻形成如今的地殼。18世紀(jì)，法國(guó)博物學(xué)家布豐借鑒這一思想，并結(jié)合惠斯頓的宇宙模型，認(rèn)為地球由熾熱的熔巖冷卻而成。為驗(yàn)證這一推測(cè)，他在鑄鐵廠加熱不同大小的鐵球，測(cè)量其冷卻時(shí)間，并據(jù)此推算地球冷卻所需的時(shí)長(zhǎng)，最終得出至少7.5萬(wàn)年的結(jié)論（而在私人筆記中，他推測(cè)可能達(dá)到300 萬(wàn)年）。

喬治·路易·勒克萊爾·布豐

盡管布豐的研究開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)探索地球歷史的先河，但在教會(huì)的權(quán)威下，神學(xué)推算依然占據(jù)主流。然而，他們的探索已然點(diǎn)燃了科學(xué)求真的火種，為后來(lái)的研究奠定了基礎(chǔ)。

2

從地質(zhì)現(xiàn)象到地球年齡的猜想

到了17世紀(jì)末和18世紀(jì)初，科學(xué)的發(fā)展使人們開始反思神學(xué)對(duì)地球年齡的推測(cè)。自然現(xiàn)象的長(zhǎng)期積累逐漸讓人們意識(shí)到，地球的歷史似乎比數(shù)千年要更為漫長(zhǎng)。

隨著地質(zhì)學(xué)的興起，一批科學(xué)家通過(guò)觀察自然界的地質(zhì)現(xiàn)象，試圖探究地球的真實(shí)年齡。這一時(shí)期的關(guān)鍵在于提出了新的觀察方法和思維方式：科學(xué)家們通過(guò)“解讀”地質(zhì)的證據(jù)來(lái)推測(cè)地球的演化歷程。

在這場(chǎng)科學(xué)探索的前沿，蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家詹姆斯·赫頓（James Hutton）做出了重要貢獻(xiàn)。赫頓提出了“適用于現(xiàn)在的法則和過(guò)程必然適用于過(guò)去”（均變論）的地質(zhì)學(xué)思想，即通過(guò)觀察現(xiàn)代地質(zhì)過(guò)程可以推測(cè)地球的歷史。赫頓觀察到了一些角度不整合的證據(jù)，在赫頓看來(lái)，河流不斷將泥沙搬運(yùn)到海洋中，形成沉積層，而這些沉積層在漫長(zhǎng)的時(shí)間中被抬升形成新的陸地和山脈，并遭受百萬(wàn)年的侵蝕。這一演化過(guò)程緩慢而均勻，難以覺察，且無(wú)比漫長(zhǎng)。因此赫頓在當(dāng)時(shí)提出了一個(gè)極其新穎的概念：地球可能有著遠(yuǎn)比人們想象中更為漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史。他在《地球的理論》中的原話是 No vestige of a beginning ，no prospect of and end即“沒有開始的痕跡，也沒有結(jié)束的征兆”。

“深時(shí)”的概念開始被接受。

赫頓

赫頓的思想對(duì)19世紀(jì)的地質(zhì)學(xué)家產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，其中最著名的莫過(guò)于查爾斯·萊爾（Charles Lyell）。萊爾在他的經(jīng)典著作《地質(zhì)學(xué)原理》（Principles of Geology）中進(jìn)一步發(fā)展了赫頓的“均變論”思想，強(qiáng)調(diào)地球上的地質(zhì)變化是漸進(jìn)的、持續(xù)的，而不是由大規(guī)模的災(zāi)變所主導(dǎo)。并明確了 “將今論古”（The present is the key to the past）的地質(zhì)學(xué)思想。這一思想對(duì)現(xiàn)在地球科學(xué)都仍然有深遠(yuǎn)的影響。萊爾通過(guò)細(xì)致的觀察和記錄，展示了現(xiàn)代地質(zhì)現(xiàn)象（如火山噴發(fā)、地震、侵蝕作用等）如何緩慢但堅(jiān)定地塑造著地表。他指出，如果這些變化持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，便可以解釋許多復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。赫頓和萊伊爾都認(rèn)為，地球上的地質(zhì)作用是極其緩慢的，自然法則始終如一。他們都強(qiáng)調(diào)地球年代的無(wú)限久遠(yuǎn)和地質(zhì)過(guò)程的無(wú)始無(wú)終。

換句話說(shuō)，他們認(rèn)為地球的過(guò)去無(wú)法用現(xiàn)有的方法追溯到確切的起點(diǎn)。

萊爾

查爾斯·達(dá)爾文正是在萊爾《地質(zhì)學(xué)原理》的啟發(fā)下，開始了對(duì)自然界“進(jìn)化”時(shí)間尺度的思考。達(dá)爾文意識(shí)到，生物的進(jìn)化需要數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間，而這需要一個(gè)足夠古老的地球來(lái)支撐。他在著名的加拉帕戈斯群島考察中，通過(guò)觀察不同島嶼上的動(dòng)植物物種差異，逐漸形成了自然選擇的進(jìn)化理論。達(dá)爾文的進(jìn)化論依賴于漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間，而地質(zhì)學(xué)的漸變觀為此提供了合理的時(shí)間尺度。這也標(biāo)志著科學(xué)界逐漸開始接受地球可能比傳統(tǒng)宗教認(rèn)為的要古老得多的觀念。

達(dá)爾文

盡管赫頓和萊爾的均變論確立了“地球古老”的理念，地質(zhì)學(xué)家們卻始終無(wú)法給出地球年齡的具體數(shù)值。那時(shí)的科學(xué)家們雖能意識(shí)到地質(zhì)變化的長(zhǎng)期性，但缺乏直接測(cè)量地球歷史的方法，地球年齡的問(wèn)題仍然懸而未決。那種“無(wú)限長(zhǎng)”的地質(zhì)時(shí)間概念似乎一點(diǎn)也不“科學(xué)”。正如《生活大爆炸》中天才謝爾頓中的那句玩笑話——“地質(zhì)不是科學(xué)！”

然而，均變論的提出改變了科學(xué)界的視角，讓人們認(rèn)識(shí)到，地球的歷史并不是一成不變的，而是充滿著緩慢而持久的變化。這種視角的變化，為后來(lái)的科學(xué)家探索地球的具體年齡奠定了基礎(chǔ)，也暗示了定量測(cè)定地球年齡的必要性。

3

威廉·湯姆森（開爾文）與地球冷卻時(shí)間的熱力學(xué)估算

19世紀(jì)中葉，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們開始嘗試用物理和數(shù)學(xué)方法量化地球的年齡。物理學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson），也就是后來(lái)的開爾文男爵（Lord Kelvin），通過(guò)熱力學(xué)方法為地球年齡的計(jì)算提供了一種全新的視角。開爾文認(rèn)為，地球在形成初期應(yīng)該是一個(gè)炙熱的熔融體，隨著時(shí)間推移逐漸冷卻。他設(shè)想，如果可以測(cè)量出地球當(dāng)前的溫度分布，便可以利用熱傳導(dǎo)的原理反向推算地球的冷卻時(shí)間，進(jìn)而估算其年齡。

開爾文

開爾文在19世紀(jì)50年代初開始了研究地球的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，他假設(shè)地球是一個(gè)沒有內(nèi)部熱源，并且均勻固態(tài)球體。基于這一假設(shè)，他提出地球的冷卻過(guò)程是由其內(nèi)部熱量向外部環(huán)境逐漸傳遞和散失的結(jié)果。開爾文推測(cè)，地球當(dāng)前的地溫梯度——即地殼溫度隨深度的升高速率——可以用于計(jì)算地球冷卻所需的時(shí)間。他應(yīng)用熱傳導(dǎo)方程，結(jié)合地球表層溫度和地殼的導(dǎo)熱系數(shù)，估算地球冷卻至現(xiàn)今溫度所需要的時(shí)間。

1862年，開爾文發(fā)表了一篇名為《論地球的緩慢冷卻》的文章，將其結(jié)果發(fā)表。開爾文的計(jì)算結(jié)果顯示，地球的年齡應(yīng)該是9800萬(wàn)年，考慮到估算帶來(lái)的誤差，他提出地球的年齡大致在2000萬(wàn)年到4億年之間。這一估算在當(dāng)時(shí)是一個(gè)重大的突破，因?yàn)樗状螢榈厍蚰挲g提供了一個(gè)基于熱力學(xué)分析的具體數(shù)值。而且由于開爾文的計(jì)算依賴于嚴(yán)格的物理原理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在當(dāng)時(shí)科學(xué)界引起了廣泛關(guān)注，并迅速成為討論地球年齡的重要參考。此后的35年，開爾文成為了地球年齡方面最具有發(fā)言權(quán)的科學(xué)家，他一次又一次的對(duì)地球年齡進(jìn)行了更細(xì)致的較正。直到1897年，他得出了自己認(rèn)為最科學(xué)的答案：2400萬(wàn)年。

按照當(dāng)時(shí)已知的物理學(xué)理論，開爾文的計(jì)算方法是不可動(dòng)搖的。不但地質(zhì)學(xué)家們無(wú)法反駁開爾文的觀點(diǎn)，就連像達(dá)爾文這樣偉大的博物學(xué)家也一度懷疑自己提出的物種演化理論。

那么開爾文的結(jié)論又是否真的正確呢？2400萬(wàn)年就真的是地球的年齡嗎？

4

放射性元素揭示地球的真實(shí)年齡

20世紀(jì)初，科學(xué)界迎來(lái)了一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)——放射性衰變。1896年，法國(guó)物理學(xué)家亨利·貝克勒爾在一次偶然的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鈾鹽可以讓包裹在厚黑紙中的底片感光。這一現(xiàn)象證明，鈾能夠釋放出一種具有穿透性的射線，這是人類首次觀測(cè)到放射性現(xiàn)象。

亨利·貝克勒爾

兩年后，皮埃爾·居里和瑪麗·居里夫婦通過(guò)研究瀝青鈾礦，成功提煉出了兩種新的放射性元素——釙和鐳。1903年，居里夫婦進(jìn)一步揭示，鐳元素在放射過(guò)程中會(huì)釋放出大量的熱量。這一發(fā)現(xiàn)為科學(xué)界帶來(lái)了一個(gè)重大啟示：地球內(nèi)部的熱量可能并非完全源自殘余熱，而是部分來(lái)自放射性元素的衰變過(guò)程。

與此同時(shí)，地球科學(xué)領(lǐng)域也有了新的突破。通過(guò)地震波折射現(xiàn)象的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部并非開爾文假設(shè)的均質(zhì)固體，而是分為地殼、地幔和地核。至此，開爾文的兩個(gè)關(guān)鍵假設(shè)——地球無(wú)內(nèi)生熱源及其均質(zhì)固體結(jié)構(gòu)——都被徹底證偽。

地球的結(jié)構(gòu)

真正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在1904年。那一年，年逾八旬的開爾文勛爵出席了一場(chǎng)由英國(guó)皇家學(xué)會(huì)舉辦的物理學(xué)會(huì)議。在這次會(huì)議上，他的晚年學(xué)生、年僅33歲的年輕物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福向他的導(dǎo)師發(fā)起了挑戰(zhàn)。盧瑟福在報(bào)告中提出，地球內(nèi)部的放射性元素會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的熱量，這一熱量能夠部分抵消地球冷卻過(guò)程中的熱損失。這項(xiàng)研究從理論上顛覆了開爾文的地球冷卻模型，并為地球年齡的估算提供了新的科學(xué)方法。

在1907年，美國(guó)化學(xué)家博爾特伍德進(jìn)一步推動(dòng)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。他提出，鉛是鈾放射性衰變的最終產(chǎn)物，這一發(fā)現(xiàn)為地球年齡的測(cè)定提供了全新的工具。博爾特伍德提出了“鈾—鉛測(cè)定法”：通過(guò)測(cè)量巖石中鈾與鉛的比例，可以推算巖石的形成時(shí)間。隨著同位素的發(fā)現(xiàn)，這一方法得到了進(jìn)一步優(yōu)化。科學(xué)家們確認(rèn)，鈾235和鈾238分別衰變?yōu)殂U207和鉛206。只要知道放射性同位素的衰變速率（即半衰期）以及巖石中鈾與鉛的相對(duì)含量，就可以精確計(jì)算巖石的年齡。

然而，找到最古老的巖石并非易事。放射性同位素測(cè)定法揭示的并非“地球整體”的年齡，而是測(cè)定了巖石形成時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。要解答“地球究竟多古老”，科學(xué)家們必須將這一方法應(yīng)用于地球形成之初便存在的巖石。這個(gè)探索的最終結(jié)果，又會(huì)指向怎樣的答案呢？

來(lái)源：石頭科普工作室

編輯：yhc

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)

如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原公眾號(hào)