多虧了隕石，困擾學術界近100年的超級難題終於得到了解決

科技 10-07

作者：王爽中山大學物理與天文學院研究員

編輯：婉珺

中秋之夜，在雲南香格里拉附近發生了一次壯觀的火流星事件。一顆小行星在距離地面37公里的高度發生了空爆，很可能會有多顆公斤級隕石落到地面。這很可能會成為我國近年來最大的一次隕石事件。

圖片來源：新浪微博

可能有讀者會問：「所謂的隕石，不就是從天上掉下來的幾塊石頭嘛？這有什麼稀奇的呢？」事實上，隕石是一個非常有價值的研究對象，堪稱太陽系的活化石。正是通過對隕石的研究，科學家才得以解決一個困擾了學術界將近100年的超級難題：地球有多大的年齡？

下面，我就來講講其中的故事。

開爾文勛爵：可以用熱力學算

世界上第一個研究地球年齡的科學家是大名鼎鼎的開爾文勛爵。開爾文勛爵原名威廉·湯姆森，在68歲那年被英國皇室冊封為貴族。他是19世紀最有名的科學家之一，一生中寫了661篇論文，還發明了69項專利。他是熱力學的創始人之一，與克勞修斯一道提出了著名的熱力學第二定律，並發明了後來用他本人名字命名的絕對溫標。此外，他還領導一家公司，鋪設了世界上第一條跨越大西洋的海底電纜。

開爾文勛爵。圖片來源：維基百科

開爾文勛爵擺過幾次著名的烏龍。

最有名的一次烏龍發生在1900年。在那年的一次演講中，他宣稱物理學的大廈已經建成，剩下的只是一些修修補補的工作。雖然他提到在物理學的天空上還飄浮著兩朵烏雲，但他覺得這只是小問題，用不了多久就能徹底解決。事實證明他大錯特錯。那兩朵烏雲在20世紀變成了兩座全新的物理學大廈—相對論和量子力學。這件糗事甚至被寫進了初中課本，讓開爾文勛爵在去世100年後還要受人嘲笑。

開爾文勛爵擺過的另一次烏龍就是他對地球年齡的估算。他假設地球最初是一個巨大的熔融火球，隨後由外向內漸漸冷卻成今天的樣子；而這個冷卻的時間，就是地球的年齡。在1862年，開爾文勛爵發表了一篇論文，利用熱力學算出地球的年齡不超過4億年。後來，這個數字一降再降。在1897年發表的最後一篇計算地球年齡的文章中，開爾文勛爵宣稱地球年齡只有2400萬年。

但很快，就有一群人跑出來打開爾文勛爵的臉了。他們是一群地質學家。

地質學家：應該用沉積岩算

這些地質學家是怎麼計算地球年齡的呢？其實很簡單。大家知道，有一種很重要的地表岩石類型，叫沉積岩。沉積岩的結構是一層層的，越下層的沉積岩，其年代就越久遠。通過研究某層岩石的沉積速度，就能計算出形成該層岩石所花費的時間；再把各層岩石的形成時間都加起來，就可以估算出形成整個沉積岩地形所花費的時間。地質學家就把這個時間，近似看成是地球的年齡。

圖片來源：維基百科

很多地質學家都用這種辦法估算過地球的年齡，算出來的數字明顯大於開爾文勛爵的結果。舉兩個例子，著名的達爾文就在第一版的《物種起源》中宣稱，地球的年齡超過3億年；此外，三一學院的地質學家塞繆爾?霍頓宣稱，地球的年齡高達23億年。

很長時間，雙方都爭執不下。直到19世紀末，這些地質學家才得到意想不到的幫助，而這個幫助又恰好來自物理學。

物理學家：放射性才是王道

1896年，法國物理學家安東尼?貝克勒爾首次發現了「放射性」現象。所謂的放射性，是指一些不穩定的原子核會自發地衰變成一些穩定的原子核，同時放出某些射線的現象。貝克勒爾發現鈾元素具有明顯放射性。兩年之後，皮埃爾·居里和瑪麗·居里發現釙元素的放射性更強。這三人也因此共享了1903年的諾貝爾物理學獎。

1903年諾貝爾物理學獎授予貝克勒爾和居里夫婦。圖片來源：諾獎官網

順便多說一句。本來評獎委員會只打算把這屆諾貝爾獎頒給安東尼?貝克勒爾和皮埃爾·居里兩人。但皮埃爾非常愛他的妻子，堅持要求把他的妻子也列為最後的得獎人。這才讓居里夫人沒被歷史埋沒。

不久後，著名物理學家歐內斯特·盧瑟福注意到了放射性的巨大實用價值。他發現，無論是哪种放射性元素，其一半衰變成其他元素的時間（也就是所謂的半衰期）總是固定不變的。舉例來說，100千克的鈾衰變得只剩50千克，和50千克的鈾衰變得只剩25千克，兩者所花的時間完全相同。

盧瑟福。圖片來源：維基百科

這樣一來，就能把放射性元素的半衰期當成是一個時鐘，來測量地球的年齡。盧瑟福研究了鈾礦石的衰變情況，然後發現地球的年齡至少有7億年。這對地質學家來說，是一個巨大的支持。

順便說一句。開爾文勛爵一生都拒不承認放射性現象。一直到死，他都覺得自己對地球年齡的估算，是他一生中最大的貢獻。

隨後做出關鍵性突破的，是英國地質學家阿瑟·霍姆斯。霍姆斯注意到，鈾元素的一種同位素 — 鈾235 — 具有長達7億年的半衰期；因此，它可以作為一個很理想的時鐘來測量地球年齡。通過測定古老岩石中鈾和鉛的含量，霍姆斯在1946年發表了一篇文章，宣稱地球至少存在了30億年。

兩年後，芝加哥大學的地質學教授哈里森·布朗也對地球年齡產生了濃厚的興趣。但他意識到這個課題很可能是一個大坑，不想自己往裡面跳，所以就把它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，布朗忽悠他說這個工作「易如反掌」。彼得森就這麼被忽悠了進來。

彼得森：最好的還是隕石

以前人們測地球年齡，都是去尋找一些特別古老的岩石。但問題在於，那些所謂的古老岩石，其實都是在地球誕生很久以後才形成的。換句話說，如果研究地球上的岩石，很可能會大幅度低估地球的年齡。

彼得森提出了一個非常大膽的猜想：從太空中落下來的那些隕石，其實是太陽系形成初期剩下來的建築材料，它們的內部還保留著太陽系最原始的化學結構。換句話說，這些隕石其實和地球一樣古老；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。

這些天外來客，就這樣為解決地球年齡這個世紀難題帶來了曙光。

不過彼得森還是遇到了一個很大的麻煩。他發現自己的隕石樣品一旦接觸空氣，樣品中鉛的含量立刻會出現非常明顯的上升。換言之，這些隕石樣品很容易受到空氣的污染。為了對付這個麻煩，彼得森在自己後來任職的加州理工學院建立了世界上第一個無菌實驗室。他在無菌實驗室里挑選古老隕石的樣品，並仔細測定其中鉛和鈾的比例。

1955年，彼得森在一次學術會議上正式宣布，地球的確切年齡是45.5億年。這個數字，一直到現在也沒有發生大的改變。

順便多說幾句。一夜成名後，彼得森的注意力轉向了另一個問題：為什麼大氣中會含有這麼鉛。通過考察格陵蘭島上不同年代的積雪層，他發現在1923年以前，大氣中幾乎不含鉛；而在此之後，鉛的含量開始非常迅速地攀升。那1923年到底發生了什麼事呢？那一年，美國的三家巨無霸企業，包括通用汽車公司、杜邦公司和新澤西標準石油公司，成立了一個合資企業，名叫乙基汽油公司。正是在那一年，乙基汽油公司開始向全世界出售含鉛汽油。

從那以後，彼得森就開始了一場漫長的鬥爭。他經常以激烈的言辭，抨擊乙基汽油公司的含鉛汽油對空氣的污染。

乙基汽油公司的反撲相當兇猛。由於他的干預，彼得森在相當長的一段時間內都無法再獲得任何研究基金。此外，他也經常向加州理工學院的董事會成員施加壓力，想要把彼得森從加州理工學院趕出去。

這幾乎是一個不可能的任務：一個普通人，要孤身對抗一個龐大的利益集團。但彼得森還是堅持了下來。隨著環保意識在美國民眾中的覺醒，他笑到了最後：美國政府於1970年提出了《潔凈空氣法》，並於1986年禁止銷售一切含鉛汽油。後來彼得森在環保界的地位，甚至比他在學術界的地位還要高。

來自天外的隕石已經幫助解決了地球年齡的世紀難題。未來，它們有可能在「生命起源」這樣更重大的問題上，帶給人類更大的驚喜。