地球年齡

今天，我們已經知道，地球的歷史長達45.4億年（加減1%）。早在58年前，也就是1956年，科學家就首次確定了這個數字，從那時起到現在，這個數字的誤差越來越小。為什麼科學家花了這麼長時間才得以確定地球的年齡？為什麼他們能確信這個數字是準確的？要想回答諸如此類的問題，我們得把時鐘回撥到300年前。

時間之球

17世紀，有個叫厄歇爾的人根據神學曆法確定了「造物主創製地球的時間」——公元前4004年10月23日。這被認為是確定地球年齡的最早嘗試之一。

但隨著地理知識的逐漸累積，科學家開始意識到地球的年齡肯定不會只有幾千年。在這些科學家中，法國的喬治·路易·德·布封尤其相信地球及眾行星同時起源於被撕裂自太陽的極端炙熱材料。他試圖通過實驗，複製構成地球及眾行星的炙熱材料的冷卻過程，以確定這發生在何時。

在11年的時間裡，布封利用鐵球和不同大小的岩石進行了廣泛的實驗，計量它們冷卻下來所花的時間，然後按比例放大實驗結果至地球大小。1775年，他發表了自己的估算結果——地球自形成以來降至目前溫度所經歷的時間大約是74852年。但私底下，布封認為地球的年齡比這要古老得多，有可能長達1000萬年。

在下一個世紀里，由於相關線索從可以觀察到的地質過程中開始浮現，地球的形成需要漫長地質過程這一點變得越來越明顯。到了19世紀中期，兩種計算地球年齡的「滴漏」方法開始流行。第一種「滴漏」方法旨在估計地球岩石的總厚度以及沉積物的沉積速率，由此給出沉積所有岩石所需的時間。但由於不同地方的沉積速度不一樣，用這種方法算出的地球年齡範圍很寬——從300萬年到24億年都有。第二種「滴漏」方法企圖測量海鹽的沉積速率。海水中包含溶解的鹽，這些鹽來自亘古以來岩石的分解。假設海水原本是純凈水，由此或許就能算出海鹽累積到今天的數量所需的時間。但這種方法也困難重重，導致了很寬範圍的地球年齡估計值。

到1862年，英國知名物理學家開爾文爵士在愛丁堡皇家學會的一次會議上發表演講，猛烈抨擊採用「滴漏」方法估算地球年齡的地質學家。

與布封一樣，開爾文認為地球原本處在熔融狀態，如果能知道地球岩石的熔化溫度以及它們的冷卻速度，或許就能算出地殼固化所花的時間。考慮到這些條件都未知，開爾文當初估計的地球年齡範圍也很寬——2000萬年到4億年之間。但僅過了幾年，根據對岩石熔化溫度進行的一些精確測量（其結果表明，這一溫度比預計值低得多），開爾文把他對地球年齡的估值下調至2000萬年到4000萬年之間。當時，這在地質學界引發軒然大波。

19～20世紀之交的10年，是地質學界激動人心的10年。1895年發現X射線和1896年發現鈾釋放類似的「神秘射線」（居里夫人稱之為「放射性」）所引起的興奮，促發了全球各地實驗室中的爆髮式研究活動。1897年，英國科學家喬治·湯姆遜發現電子。1902年，英國物理學家歐內斯特·盧瑟福和弗雷德里克·索迪揭示了放射性衰變。他們宣布，在放射性衰變過程中，一種元素變成了另一種元素，鈾衰變成了鐳，鐳接著又衰變成了氡。這一發現震驚世界。

過後沒多久，索迪證明放射性衰變不僅產生了氡，而且產生了氦，並且氡也不穩定，它接著會衰減成其他元素。幾個月後，就在居里夫婦於1903年獲得諾貝爾獎之前，皮埃爾·居里檢測發現，在放射性衰變過程中，隨著原子爆發性釋放電子，能量會以熱量的形式釋放。

這意味著，儘管開爾文對地球冷卻自熔融態的判斷可能正確，他所不知道的卻是，與此同時，地球內部的放射性元素一直在產生足夠熱量來推遲冷卻，這意味著地球年齡可能比地質學家所推想的大很多。

岩石年齡

在辨識了氦是鈾衰變的副產品之後，盧瑟福很快又意識到，如果能通過測量岩石中的鈾和氦的數量來確定鈾產生的速率，那麼只需相對簡單的計算就能表明氦的累積所需的時間，由此也就能確定岩石的年齡。

一年後，盧瑟福成為通過放射性衰變測定岩石年齡的第一人。他由此測定的地球年齡為4000萬年。

不幸的是，他的測量方法有一個重要缺陷。倫敦皇家科技大學物理學家羅伯特·斯特拉特認識到：氦是一種氣體，它會從岩石中逃逸，這意味著來自放射性衰變的氦中只有很小一部分會被測量到，由此獲得的年齡測定值只可能是最小值。斯特拉特鼓勵他的學生之一、20歲的亞瑟·霍姆斯尋找一種更好的測量方法。

1907年，美國化學家貝特倫·博爾特伍德檢測了包含鈾的岩石並注意到，與氦一起，還有大量鉛存在。他推測，鉛可能是鈾放射性衰變鏈的最終產物。霍姆斯意識到，如果博爾特伍德的這一推斷無誤，那麼就可能通過測量岩石中的鉛而非氦的數量來獲得岩石的年齡。1910年冬季，他檢測了17種礦物質的鈾和鉛的含量。

上述檢測結果讓霍姆斯作出結論：鉛的確是鈾的最終衰變產物。自此，一種確定岩石年齡的可靠技術被找到，並一直被採用。霍姆斯測定的地球最大年齡是16.4億年，他還證明了地球年齡不可能低於這個數值。然而，他的測量結果嚇壞了恪守開爾文時間框架的絕大多數地質學家。

此後，這方面進展緩慢，而1913年索迪對同位素的發現讓事情變得大大複雜化。當時，區分兩種同位素的唯一辦法就是測量原子重量，而全球能進行這種測量的實驗室寥寥無幾。霍姆斯還指出，一些鉛很可能自從地球開始形成時就存在。他把這些鉛稱為「原始鉛」。

不過，如果他無法辨別鈾的放射性衰變所產生的鉛和原始鉛，他的測量結果就不準確。

反覆嘗試

1924年，霍姆斯被指定為杜倫大學地質學教授。在那裡，他繼續致力於優化地質時鐘技術，並試圖確定地球年齡。這一時期，他也嘗試尋找新的測量技術。雖然每一種技術剛開始看起來都蠻有希望，但在他花了大量時間反覆嘗試後，這些方法被證明都行不通。

1938年，年輕的美國物理學家阿爾弗雷德·涅爾在哈佛大學運用一台新型質譜儀工作期間，嘗試辨別已知的所有鉛同位素。不出所料，他很快就發現了三種已知的鉛同位素——鉛206、鉛207和鉛208。但在光譜末端，他看見了一個小小的尖峰信號——原始鉛的微型光譜終於現形，被識別為鉛204。鈾-鉛「拼圖」中缺失的一塊至此終於被找到。

儘管身為物理學家，涅爾卻醉心於測量地質時間。就在第二次世界大戰爆發之前，他對25塊地質年齡各不相同的岩石進行了一系列非常精確的年齡測定。其中一塊來自於加拿大馬尼托巴省的結晶花崗岩的年齡被測定為24.8億年。霍姆斯對涅爾的這一測量結果很感興趣，他在1945年5月致信涅爾說：「這（指涅爾的測量結果）最令人興味盎然，不僅是因為你測量的岩石看來是能找到的最古老岩石，而且是由於你的測量數據顯示有關宇宙膨脹的現有理論需要修正。」美國物理學家埃德溫·哈勃當時確定宇宙才剛滿18億歲，而涅爾的測量結果證明這一宇宙年齡估值一定不對，因為宇宙不可能比地球年輕。

在購買了一台早期計算機來幫助完成複雜計算後，霍姆斯在1946年2月16日再度致信涅爾：「運用不同的方案，地球年齡被算定為大約30億年，最佳值為30.15億年，但我們可以不計這0.15。」到20世紀50年代初，運用鈾-鉛同位素測量岩石年齡的方法看來是行得通的，無奈霍姆斯此時身體不佳，他不得不讓位給下一代科學家，以繼續他的追索。

隨著技術進展，另一個美國人克萊爾·帕特森成功確定了鐵隕石中幾乎為零的極微量鉛的數量。選擇鐵隕石的優勢是，它們包含的鈾的數量可忽略不計，因此它們所包含的任何數量的原始鉛都不可能被放射產生的鉛污染。帕特森接著意識到，如果正如天文學家所暗示的那樣——地球與太陽系形成於同一時期，他就可能運用測定自隕石中的年齡值來推算地球的年齡。

接下來，帕特森花了三年時間來嘗試證明這兩者的關係。1956年，他證明了地球、行星和隕石有著共同的祖先。他分析了5塊隕石中的鉛含量，證明了它們的同位素比例怎樣產生等時線，由此確定的地球年齡為45.5±0.7億年。

此外，來自地球（後來也來自月球）的樣本也落在相同的等時線上。這就證明了地球和隕石在大約45億年前的同一時間形成自相同的太陽系材料。此時距離厄歇爾之死剛好300年，地球的年齡被最終確定。

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