關(guān)于地球年齡的測量,，讓我們從一個著名物理學(xué)家被打臉的故事說起,。
在所有的自然科學(xué)中，最“硬”,、最能揭示世界本質(zhì)的,，無疑是物理學(xué)。換言之,，如果物理學(xué)家與其他學(xué)科的科學(xué)家就某個科學(xué)問題發(fā)生爭執(zhí),，一般都是物理學(xué)家笑到最后。但凡事總有例外,。物理學(xué)家也曾被其他學(xué)科的科學(xué)家狠狠地打過臉,。其中最典型的被狠狠打臉的例子，就是英國著名物理學(xué)家開爾文勛爵,。
開爾文勛爵原名威廉·湯姆森,，1824 年出生在英國一個知識分子的家庭。他是一個神童,，10 歲就考上了格拉斯哥大學(xué),，22歲就當上格拉斯哥大學(xué)的教授。終其一生,，他發(fā)表了 660 多篇科學(xué)論文,。更重要的是，他是熱力學(xué)的開創(chuàng)者之一,，對熱力學(xué)第一定律和第二定律的建立作出了重大的貢獻,；此外，他還發(fā)明了后來以他自己名字命名的絕對溫標,。這讓他成為 19世紀最有名的物理學(xué)家之一,。除了在學(xué)術(shù)界享有盛名，湯姆森也是一個非常成功的企業(yè)家,。他成立了一家公司,，專門生產(chǎn)和銷售自己發(fā)明的一種航海羅盤；很快地,，這家公司就成為英國海軍最大的供應(yīng)商,，讓他賺了很多錢。此外,，他還成立了一家電力公司,；所以他的家，就成為整個格拉斯哥市第一棟裝上電燈的房子,。更有影響力的是,，他領(lǐng)導(dǎo)著一家公司,，成功地鋪設(shè)了第一條跨越大西洋的海底電纜。由于在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的杰出貢獻,，1892 年威廉·湯姆森被英國皇室冊封為了第一代開爾文男爵,。不過，人們更習(xí)慣稱他開爾文勛爵,。當然,，金無足赤，人無完人,。開爾文勛爵也曾擺過兩次烏龍,。最有名的一次烏龍發(fā)生在世紀之交的 1900 年。在那年的一次演講中,，開爾文勛爵公然宣稱物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成,，剩下的只是一些修修補補的簡單工作。雖然他提到在物理學(xué)的天空上還飄浮著兩朵烏云,，但是他認為那只是兩個用不了多久就能徹底解決的小問題,。事實證明他大錯特錯。在 20 世紀初,，那兩朵烏云變成了兩座全新的物理學(xué)大廈,， 即相對論和量子力學(xué)。這件糗事甚至被寫進了不少國家的初中課本,，讓開爾文勛爵至今還受世人的嘲笑,。開爾文勛爵擺過的另一次烏龍就是他對地球年齡的錯誤估算。他是用熱力學(xué)的方法估算地球年齡的：假設(shè)地球最初是一個巨大的火球,，隨著時間的推移,，這個火球就由外向內(nèi)逐漸冷卻，從而變成今天的樣子,；而這個冷卻的時間,，就是地球的年齡。1862 年,，他發(fā)表了一篇論文,，宣稱地球的年齡在 2 億年到 4 億年之間。而到了 1897 年,，他又發(fā)表了一篇論文,，宣稱地球年齡其實是 2400 萬年左右。可能你會覺得奇怪：為什么兩篇論文的結(jié)果會有天壤之別,？這是因為開爾文勛爵中途意識到,，基于當時的物理學(xué)理論，太陽最多只能燃燒幾千萬年。所以他就修改了自己的理論模型,，從而大幅減小了地球的年齡,。不過，很快就有一群意想不到的人跑了出來,，毫不留情地打了開爾文勛爵的臉,。著名美劇《生活大爆炸》的謝耳朵（謝爾頓,，Sheldon）,，一位相當自負的理論物理學(xué)家，很喜歡貶損除理論物理以外的學(xué)科,。他特別瞧不起地質(zhì)學(xué),，甚至公然宣稱地質(zhì)學(xué)根本就不是一門真正的科學(xué)。很明顯,，他不太了解物理學(xué)史,。因為跑出來懟開爾文勛爵的人，就是一群地質(zhì)學(xué)家,。可能你要問了：“這群地質(zhì)學(xué)家是怎么計算地球年齡的呢,？”答案是通過觀察一些古老的沉積巖。
在地球上,，有一種很重要的巖石類型,，叫作沉積巖。沉積巖的結(jié)構(gòu)是一層層的,，越下層的沉積巖,，年代就越久遠。通過研究某層巖石的沉積速度,，就能計算出形成該層巖石所花費的時間,；再把各層巖石的形成時間都加起來，就可以估算出形成整個沉積巖地形所花費的時間,。那些地質(zhì)學(xué)家就把這個時間,，近似看成是地球的年齡。很多地質(zhì)學(xué)家都用這種辦法估算過地球的年齡,，而他們算出來的數(shù)字明顯大于開爾文勛爵公布的結(jié)果,。舉兩個例子，查爾斯·達爾文曾在第一版的《物種起源》中宣稱,，地球的年齡至少在 3 億年以上,；而劍橋大學(xué)三一學(xué)院的地質(zhì)學(xué)家塞繆爾·霍頓更是宣稱，地球的年齡高達 23 億年,。這樣一來,，關(guān)于地球的年齡，就有了勢不兩立的兩派觀點,。開爾文勛爵認為,，地球的年齡大概只有2400 萬年,。而地質(zhì)學(xué)家則認為，地球的年齡至少有好幾億年,。雙方一直公說公有理,，婆說婆有理。但到了 1907 年,，一個人的出現(xiàn),，徹底打破了天平的平衡。為了說清楚其中的道理,，我要先給你講一講什么是“放射性”,。所謂的放射性，就是指一些不穩(wěn)定的原子核會自發(fā)地放出某些射線,，然后衰變成一些穩(wěn)定的原子核的現(xiàn)象,。1896 年，法國物理學(xué)家安東尼·貝克勒爾率先發(fā)現(xiàn)鈾元素具有放射性,。兩年之后,，皮埃爾·居里和瑪麗·居里發(fā)現(xiàn)釙元素的放射性更強。這三人也因此共享了 1903 年的諾貝爾物理學(xué)獎,。順便多說一句,。本來，評獎委員會只打算把這個獎頒發(fā)給安東尼·貝克勒爾和皮埃爾·居里兩人,。但皮埃爾·居里非常愛他的妻子,，堅決要求把居里夫人也列為獲獎?wù)撸駝t他就不去瑞典領(lǐng)獎,。在征求了貝克勒爾的意見以后,，評獎委員會做出了以下的決定：貝克勒爾獨得 1/2 的獎金，而居里夫婦各得 1/4 的獎金,。
幸好由于皮埃爾·居里的堅持,，居里夫人才沒有被歷史埋沒。到了 1907 年,，打破天平平衡之人,，終于登場了。他就是英國著名物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福,。在物理學(xué)界,，盧瑟福以看不起其他學(xué)科而出名。他曾說過這樣一句名言：“世界上所有的科學(xué),，不是物理學(xué),，就是集郵。”言下之意是，與物理學(xué)相比,，其他的自然科學(xué)都和集郵一個檔次,。這句話得罪了很多其他學(xué)科的科學(xué)家，其中反應(yīng)最激烈的是化學(xué)家,。事實上,，他們甚至對盧瑟福進行了“報復(fù)”，給他發(fā)了一個諾貝爾化學(xué)獎,。在 20 世紀初,，人們已經(jīng)知道，對于含有放射性的元素,，其部分的原子核會自發(fā)地衰變成其他元素的原子核,，從而使放射性元素的質(zhì)量減小。1907 年,，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了一個非常奇妙的現(xiàn)象：對所有放射性元素而言，其原子核衰變到只剩一半時所花費的時間（科學(xué)上稱為半衰期）是固定不變的,。比如說,，100 千克的某種放射性元素衰變得只剩 50 千克，與 50 千克的同種放射性元素衰變得只剩25 千克,，兩者所花的時間完全相同,。
盧瑟福的發(fā)現(xiàn)有很大的實用價值。比如說,，如果某件古董里含有一種放射性元素,，我們就可以通過測量這種放射性元素與它最后衰變成的那種元素之間的比例，來確定古董的年代,。換句話說,，我們可以把放射性元素的半衰期當成一個標準的時鐘，來測量古老物體的年齡,。事實上,，要是比測量精度，無論是開爾文勛爵的熱力學(xué)方法,，還是地質(zhì)學(xué)家的沉積巖方法,，都比這種用放射性元素半衰期的方法差得遠。通過研究了一些古老礦石的衰變情況,，盧瑟福發(fā)現(xiàn)地球的年齡至少有 7 億年,。這個結(jié)果宣告了地質(zhì)學(xué)家的勝利。更重要的是,，盧瑟福的發(fā)現(xiàn)為地球年齡的測量指明了方向,。只要能找到地球上最古老的巖石，然后再利用某種放射性元素的半衰期來計算它的年代，就可以估算出地球的年齡,。當然,，具體該用哪種放射性元素來測，還是一個懸而未決的問題,。下一個作出重要貢獻的人是英國地質(zhì)學(xué)家阿瑟·霍姆斯,。霍姆斯主要關(guān)注鈾元素的一種同位素鈾 235。大家對鈾 235 應(yīng)該并不陌生,，因為它后來成了制造原子彈的主要原料,。鈾 235 具有放射性，可以自發(fā)地衰變成鉛 207 ,；更關(guān)鍵的是,，鈾 235 的半衰期長達 7 億年。所以它可以作為一個很理想的時鐘來測量地球年齡,。通過測定古老巖石中鈾 235 和鉛 207 的比例,，霍姆斯在 1927 年發(fā)表了一篇文章，宣稱地球的年齡介于 16 億年到 30 億年之間,。而到了 1946 年,，他又發(fā)表了一篇文章，宣稱地球的年齡應(yīng)該在 30 億年以上,。1948 年,，芝加哥大學(xué)地質(zhì)學(xué)教授哈里森·布朗也對地球的年齡產(chǎn)生了濃厚的興趣。但他意識到這是一個大坑,，不想自己傻乎乎地往里跳,。因此，布朗就把測定地球年齡的課題交給了自己的博士研究生克萊爾·彼得森,。為了讓彼得森來跳這個坑,，布朗忽悠他說這個課題“易如反掌”。結(jié)果,，彼得森就這么被忽悠了進來,。
這個世紀難題的終結(jié)者，就此登上了歷史的舞臺,。以前人們測量地球的年齡,，都是去尋找一些特別古老的巖石。但問題在于,，那些所謂的古老巖石,，其實都是在地球誕生很久之后才形成的。換句話說,，如果只是研究地球上的巖石,，可能會大幅度低估地球的年齡,。
彼得森另辟蹊徑，提出了一個非常大膽的猜想：從太空中掉下來的那些隕石,，其實是太陽系形成初期剩下來的建筑材料,，它們的內(nèi)部還保留著太陽系最原始的化學(xué)組分。換句話說,，這些隕石其實和地球一樣古老,。這樣一來，只要用霍姆斯的辦法,，準確測出這些隕石到底存在了多少年,，就能推算出地球的年齡。這個宛如天外飛仙般的奇思妙想,，為解決地球年齡這個世紀難題帶來了真正的曙光,。當然，通往成功的道路往往都不平坦,。在實際測量過程中,，彼得森遇到了一個很大的麻煩：隕石樣品只要一接觸到空氣，樣品中鉛的含量立刻會顯著升,；換言之,，這些樣品很容易受到空氣中鉛的污染。為了對付這個麻煩,，彼得森在自己工作的加州理工學(xué)院建立了世界上第一個無菌實驗室。他在無菌實驗室里仔細挑選古老隕石的樣品,，并精確測定其中鈾和鉛的比例,。他的努力，終于在 7 年之后獲得了回報,。
1955 年,，彼得森在一次學(xué)術(shù)會議上正式宣布，地球的確切年齡是 45.5 億年,。這個結(jié)果,，一直到現(xiàn)在也沒有發(fā)生大的改變。在經(jīng)過近百年的努力之后,，人類終于測出了地球的年齡,。關(guān)于彼得森，不妨再多說幾句,。因為測出了地球的年齡,，并不是彼得森人生的頂點。成名之后,，彼得森開始關(guān)心另一個問題：為什么大氣中會含有這么多的鉛,？通過研究格陵蘭島上不同年代的積雪層,，他發(fā)現(xiàn)大氣中鉛的含量是在 1923 年突然暴增的。而那一年,，美國的三家巨無霸公司（通用汽車公司 ,、杜邦公司和新澤西標準石油公司）成立了一個叫作乙基汽油公司的合資企業(yè)，并開始向全世界出售含鉛汽油,。從那以后,，彼得森就開始了一場致力于保護環(huán)境的漫長斗爭。他經(jīng)常公開抨擊乙基汽油公司,，并呼吁政府盡快立法,，以禁止含鉛汽油的銷售。乙基汽油公司的反撲非常兇猛,。它動用各種關(guān)系,，讓彼得森無法再獲得任何科研經(jīng)費。此外,，它還向加州理工學(xué)院的董事會不斷施壓,，想讓彼得森丟掉飯碗。這幾乎是一個不可能完成的任務(wù)：一個普通人,，要孤身對抗一個龐大的利益集團,。幸好，彼得森沒有放棄,。在他的不斷呼吁下,，環(huán)保意識逐漸在美國民眾的心中覺醒。1970 年,，美國國會提出了《潔凈空氣法》,；1986 年，美國政府禁止了一切含鉛汽油的銷售,。在經(jīng)歷了幾十年艱難的抗爭,，彼得森終于笑到了最后。
在 19 世紀末,，基于熱力學(xué)的研究，開爾文勛爵宣稱地球的年齡應(yīng)該是 2400 萬年,。但很快地,，他就被一群地質(zhì)學(xué)家打了臉；他們通過觀察一些古老的沉積巖,，算出地球的年齡至少有好幾億年,。到了 1907 年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)所有放射性元素的半衰期都固定不變,；這個發(fā)現(xiàn)宣告了地質(zhì)學(xué)家的勝利,，同時也為地球年齡的測量指明了方向,。20 世紀 20 年代，霍姆斯指出鈾 235 的半衰期可以用來測量地球的年齡,。而到了 1955 年,，彼得森通過測量古老隕石中鈾和鉛的比例，發(fā)現(xiàn)地球的確切年齡應(yīng)該是 45.5 億年,。在經(jīng)過近百年的努力之后,，人類終于測出了地球的年齡。
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