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天地悠悠，过客匆匆，潮起潮又生。今夕何夕，晨星昏星，月晦月复明。宇宙有137亿年之久，地球亦经历了46亿年的沧桑。低头沉思，想来此生之于宇宙，之于地球，不过长河中一砾。不过，何人知道地球的年龄呢？一个人仅见一世纪罢了，文字也仅承载了3000多年的记忆，怎么我们就相信地球会有46亿年的历史呢？ ▲暗淡蓝点 NASA/JPL 地球在这张从40亿英里外（64亿公里外）拍摄的照片中，只是在粒状照片里的一个渺小“暗淡蓝点”来，只占整张照片的两三个像素。你能找到地球在哪吗？ 地球的诞生不仅是一个科学问题，它还关系到“创世”，关系到每个人的世界观和历史观。所以地球的年龄很久以前就众说纷纭，人类最早对地球年龄的思考无从可考，就从最早的最著名的神学观点说开去。 1650年，爱尔兰天主教大主教詹姆斯·厄舍（James Ussher）谙熟《圣经》，又把手边所有的史料翻遍，发现圣经故事可以与正史中的事对应起来，比如大洪水、君主登基等，又经过详细的考证，他自信地在《旧约编年史》中给出了一个无比精确的结论，地球诞生于公元前4004年10月23日中午。虽然遭到不少质疑，不过詹姆斯·厄舍是上帝的人，因此这一说法主宰了200年之久。再回首，他的结果被当作著名的错误，印在无数书籍上。究竟是哪里错了，也许厄舍自己也想不明白，他用的也是我们常用的研究方法——查文献。不过，《圣经》给了他勇气去推断地球的年龄，却没给他勇气去怀疑《圣经》的准确与否。 ▲西斯廷教堂米开朗琪罗壁画《创世纪》大洪水部分 Wikimedia Commons 地球的历史当然不仅仅记录在《圣经》这些文献中，就像人老珠黄、青丝成雪一样，在地球外表也有光阴流逝的刻痕。尼古拉斯·斯坦诺（Nicolaus Steno）早期是解剖学家，1665年去了意大利的佛罗伦萨，被任命为托斯卡纳大公斐迪南二世的医生。期间，他跋山涉水，进行了广泛的地质考察，并于1669年提出了著名的叠覆率。叠覆率指出，在任何沉积地层（包括火山熔岩）的层序中，最年轻的地层应当位于层序的顶部，而最老的地层则位于层序的底部，就像我们码放垫子一样，新来的总是在上面。后来，斯坦诺在1667年放弃了科学研究，转信天主教，受大主教的观点桎梏，斯坦诺将地质历史的跨度束缚在6000年以内。 ▲挪威斯瓦尔巴群岛伊斯峡湾北岸的地层剖面。根据叠覆律原理，如果该地岩层没有被倒转，则较老的岩石在底部而较年轻的岩石位于顶部。 Wikipedia 埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）不仅知道彗星多久与地球相会一次，而且还想知道地球和彗星已经有多少次的邂逅。他想，如果我们知道全世界海洋里的盐总量，再除以每年增加的量（河流到海洋），就可以得到海洋的年龄，从而大致知道地球的年龄，这体现了地球化学的思想。不过想法是好的，可是那时谁能知道海洋里到底有多少盐，每年进入海洋里的盐又有多少，没有原始数据就无法得出地球的年龄。 ▲哈雷彗星 NASA 第一次比较科学的尝试是法国的布丰伯爵，乔治-路易·勒克莱尔（Georges-Louis Leclerc）进行的，1778年，他在《各个自然时代》中，探讨了太阳系的起源，猜测行星是由太阳和彗星碰撞形成的。根据铁的冷却速率，他推断地球年龄应为75000-168000年，虽然实际上大大低估了，但在当时还是一种很激进的见解。不过不像哥白尼或布鲁诺那样捍卫自己的真理，布丰为自己缺乏考虑的邪说表示歉意。尽管如此，他受到天主教会的谴责，他的书籍也没逃过焚烧之劫。 ▲“人类所曾做到的最高贵的征服，就是征服了这豪迈而剽悍的动物——马”，人教版七年级下册布丰的《马》，图为徐悲鸿的《八骏图》 前面我们看的确定地球年龄的人来自神学、物理学等领域，可以说地球年龄的测定基本上每一个学科都有参与，至于我们熟悉的地质学家为什么还没登场？因为地质学还没建立啊。 威廉·史密斯（Willian Smith），一个测量员，1793年到1796年，他在萨摩赛特煤运河工程中参与勘察。开凿出的运河露出层层地层，而岩层中又有各种化石。在这个浩大的工程中多处观察，威廉·史密斯发现每一层岩层都有属于本岩层特有的化石。“含有相同化石的地层的时代相同，不同时代的地层所含的化石不同。”这就是地质学的一条法则——生物层序率。 ▲菊石化石 pixabay “我们居住的世界不是由组成当时地球的直接前身的物质所构成的，而是从当今往前追溯，由我们认为是第三代的地球的物质所构成的，那个地球出现在陆地露出海面之前，而我们现今的陆地还在海水底下。” 这段晦涩难懂的文字，出自地质学之父的詹姆（James Hutton）的1795年的杰作《地球论以及证据与说明》。他不会以人人都能基本理解的形式写下他的见解，被一位传记作家吐槽到“几乎完全不懂怎么使用语言”。不过，他了解地球神秘而漫长的形成过程，非常英明的开创了地质学，改变了我们对地球的认识。 ▲詹姆斯·赫顿的地质循环 Famous Scientists 当时有个问题困扰着那些钻研的人，为什么山上会有贝壳等海洋生物的化石。赫顿就此提出了独到精辟的见解。赫顿在农田边思索，土壤由是岩石风化而来的，农田里的土壤又会被雨水、河水冲刷到别处，安静地沉积下来。可是如果地球从诞生到灭亡一直只是这个过程，地球将会变得平坦光滑。然而，他被丘陵环绕，众多高山也认为这是错误的。因此，赫顿认为肯定还有别的过程创造了新的丘陵和大山，如此往复。而山顶的海洋生物化石是随大山本身一起隆起的。赫顿还体会到，形成地球的过程需要很长的时间，比任何人想象的还要长得多。 将近1000多页的《地球论》前两卷，是赫顿花了10年时间写下的承载了他对地球深刻见解的著作。然而，就像前面所说的，他毫无文采的文字几乎是速效安眠药，《地球论》并不受欢迎。赫顿的去世，对赫顿来说是一个坏消息，但对科学界来说也许是一个好消息，因为赫顿的朋友约翰·普莱费尔问心无愧地可以改写赫顿的作品，所幸赫顿的朋友知道赫顿想要表达的是什么。 查尔斯·莱尔（Charles Lyell）在赫顿去世的那一年呱呱坠地，并把毕生经历献给了地质学。在担任地质学教授期间，他写出了《地质学原理》。虽然莱尔从来没有读过赫顿作品的原文，但他研究过普莱费尔的改写本，并在《地质学原理》中巩固和阐述了赫顿的见解。在均变论和灾变论之争中，莱尔认为过去已经发生过的一切都可以用今天仍在发生的事情来解释，因为地球按照一贯的步调、步骤变化着。虽然这种看法存在很多问题，比如不能解释生命大爆发或者灭绝，虽然莱尔还有很多失误，比如认为把冰期简单地认为是“地球制冷”，但是，被称为近代地质学之父的莱尔的影响是巨大的。《地质学原理》在他身前出了12版；一些观点直到20世纪还被奉为地质学界的圭臬。他的朋友达尔文也怀揣着《地质学原理》第一版，乘坐“猎犬”号开始了环球之旅。 ▲《地质学原理》，左侧是被侵蚀的塞拉皮斯神庙的三根柱子 在朋友的思想的陪伴下，查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin）跨过山和大海，仔细记录了各种地理现象、收集了许多生物标本。在著名的《物种起源》中，达尔文指出英国南部一个地区的年龄是306，662，400年（达尔文喜欢精确的数字，现在定年一般也达不到百年的精度。） ▲猎犬号的旅程 Wikipedia 深入地核，高温让铁都融化，而地球表面却是舒适的。地表舒适的温度，是散热与吸热的耦合。与达尔文同时期的开尔文男爵，威廉·汤姆森（William Thomson）根据热传导等1862年提出地球的年龄是9800万年。后来认为这个数字最小可为2000万年，最大可达4亿年，而且最大值几经修改，在1897年降到了仅仅2400万年。 ▲地温梯度示意图 Wikipedia 19世纪的两个牛人意见相左，一个是代表地质学家的达尔文，一个是代表物理学家的开尔文。两个人的推崇者据理力争，却谁都没说服谁。可惜的是，事实是两边都错了。可是事实是怎么来的？这就轮到结束地球年龄纷争的救世主出场了。 首先出场的是发现放射性衰变的三巨头，亨利·贝可勒尔（Henri Becquerel）、玛丽·居里（Maria Curie）、皮埃尔·居里（Pierre Curie）。1896年2月26日，贝可勒尔打算把打包好的铀和感光底片晒太阳，但巴黎多云，于是他把材料送回抽屉避光保存。3月1日他冲洗底片，发现底片曝光。1902年，居里夫妇在巨量的沥青铀矿中提取出十分之一克氯化镭。1903年，贝可勒尔和居里夫妇因发现放射性现象，一起获得诺贝尔物理学奖。
随后欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）提出了放射性半衰期的概念，即放射性元素发生半数衰变所需要的时间。核衰变是化学反应中的一级反应，只要测定放射性母子体的比例，就可以推算它的年龄，让我们以U来说明一下（可以跳过斜体部分）。238U慢慢会衰变为206Pb，半衰期约为45亿年。
母体的衰变满足：
我们用P0表示母体初始的量，则在t时刻，母体还有：
如果以D表示子体，t时刻子体的量就是初始子体的量加上母体衰变形成的：
如果初始时刻子体不存在的话，即D0=0，就可以变化得到年龄的计算公式：
对于我们感兴趣的铀铅体系，有：
铀铅定年常用的地质样品是锆石。锆石中含有U却很少含铅，而且具有非常强的稳定性，是一种岩石中常见的副矿物，所以受定年的青睐。 “这次铀的数据又很棒。”“铅的数据还是一如既往的差。”克莱尔·卡梅伦·帕特森（Clair Cameron Patterson）和同事测一批锆石样品的铀铅数据，他负责铅同位素部分，然而数据误差很大。“应该是受到了环境中铅的污染。”他这样想，把实验室彻彻底底地打扫了，又处理了样品再次测定......“简直快崩溃了，这都几年了，铅的同位素数据还没出来。这些环境中的铅怎么无孔不入、无处不在呢？”“无孔不入？不会是空气中的铅吧。”不断地思考，不断地尝试，然后帕特森跟随导师去了加州理工大学，并设计和建立了世界上的第一个超净实验室，用了当时新开发的质谱，终于得到了铅的同位素数据，在1953年他宣布地球的年龄约为45.5±0.7亿年。这个年龄值至今仍被认可，虽然误差范围已经缩小到正负2千万年。而因为发现空气中含铅，他的努力和呼吁在禁用四乙基铅和食品罐头铅焊料的运动中贡献巨大。
▲克莱尔·卡梅伦·帕特森（Clair Cameron Patterson, 1922－1995） 美国地质学家和地球化学家 也许当人类意识到时间的存在、土地的存在，就开始有人想问地球存在多久了，不过直到1953年我们才意识到地球存在了45.5亿年之久。在这将近46亿年的历史中，海陆变迁，生命爆发又灭绝，诞生了人类，诞生了文明。研究地球何时形成，时间既可以说长，又可以说短。从神学统治了思想，到意识到地球存在很久了的争论，到陨石同位素定年，地球年龄的测定几乎用了每一个学科。人类，真是无限渺小而又伟大。 参考资料： [1]. 地球化学与人生选择，杨蔚 [3]. Wikipedia 专栏·《科学历险记》连载 想要和更多志同道合的人一同讨论科普问题，获得墨子沙龙小秘书贴心服务，及时获取各类科普活动通知吗？扫码加墨子沙龙小秘书，拉你入墨子沙龙超大群。 墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办、上海浦东新区科学技术协会及中国科大新创校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣、热爱科普的普通民众，力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。 关于“墨子沙龙” |
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