纯科学”项目不会带来明确利益的情况下，还应该继续给物理学投入吗？......
2024-11-12 232
地球46亿岁啦！是谁解开了这亘古谜题？
来源：互联网
2024-11-12 23:29:53 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”这是我国古代浪漫主义诗人屈原对宇宙起源的发问。历史上关于宇宙起源的神话和传说不计其数，中国有盘古开天辟地的神话，西方亦有上帝7天创造世界的传说。然而这些传说，都没有告诉我们地球究竟是何时诞生的。古往今来的学者们都曾在不断探索地球年龄之谜。
屈原
最早的解释来自于中国古代神话。中国对天地创生有文献记载，按照《三五历记》中盘古开天辟地的描述：最初天地一片混沌，盘古在其中待了一万八千年，然后用利斧将天地劈开，后来又经历了一万八千年让天地极远地分开。盘古死后变化为山川日月草木，之后才有了三皇五帝，如此算来，地球诞生应该有四万年左右了。
西方的基督徒也从他们的圣经中寻找答案，基督教《圣经》记载了从亚当开始的人类的“家谱”。理论上，按照这些“家谱”，就可以推算出地球的年龄。17世纪爱尔兰首席主教詹姆斯·乌瑟发表了两部著作，推算上帝在公元前4004年10月22日傍晚创造世界。他的推算被人们普遍接受，1701年，世界诞生于公元前4004年10月22日傍晚，被印在了英国出版的《圣经》上。
显然这些都经不起推敲，但在现代科学尚未诞生之时，这些神话却让人深信不疑，甚至严重阻挠了人们对科学的探索。
随着科学不断发展，神话渐渐失去拥趸，哲学家们不再把文献或某部宗教著作当作依据，而是去研究自然现象，试图找到能用以测定地球年龄的方法。比如有人认为地球曾经完全被水淹没，之后海水缓慢退去，人们在高山上发现了贝壳就是证据，有人据此估算地球已经有20亿年之久了；又如暴露在阿尔卑斯山的沉积岩层非常深，而岩石沉积速度极其缓慢，这些都说明地球年龄远远不止几万年。
之后科学家们登场了。
牛顿在他著名的《自然哲学的数学原理》一书中提到，可以根据地球的冷却来估算地球的年龄。到了19世纪，热力学已经发展完善，物理学家开尔文基于这种模型，认为地球是从最初3870度熔融状态下逐渐冷却到现在的温度的，他计算出地球年龄为9800万年。开尔文是英国皇家学会的会长，又被封为爵士，还是上议院的议员，在当时绝对是学术界的权威，且当时的物理学家们通过其他模型计算，也都接近这一数值。因此地球年龄9800万年这一观点在此后数十年被人们视为权威。
沉积岩
不过也有反对的声音，其中一个就是提出了物种起源学说的达尔文，他认为虽然9800万年很古老了，但还不足以让生物进化得如此丰富。他认为地球的年龄应该更古老，至少要几十亿年，生物才有足够的时间进化。反对的还有地质学家们，他们通过观察地质现象来推算地球年龄。沉积岩是水中的物质沉积而成的，如果知道沉积的速度和一组沉积岩的厚度，就可以计算花了多长时间形成这组沉积岩。不过由于对沉积速度的不确定，他们只能做粗略的估算。他们推算的地球年龄也有几亿年。
表面上看，物理学家们根据物理定律做的计算要比达尔文和地质学家的估算更靠谱。可是现在我们已经知道地质学家和达尔文的答案更准确些。这一切都是因为物理学家们忽略了一个重要的因素——放射性。1896年放射性发现之后，物理学家们对其进行了深入研究，发现放射性元素衰变时会释放出能量，这是地球自身的热源，因此地球的冷却也就比开尔文计算的慢得多了。“放射性定年”推翻了物理学家之前的计算方法，成为测定地球年龄的全新方法。原来放射性是一种元素衰变成另外一种元素时释放的辐射。只要知道某种放射元素的衰变速率和衰变产物，测出衰变产物的量就可以计算出衰变经过的时间了。例如，每经过7亿年，就会有一半的铀235原子衰变成铅原子。1907年美国一位化学家利用这种方法检测了一组铀矿石，发现它们的年龄在4亿年到22亿年之久，这完全支持了达尔文的猜测。
铀矿石
地质学家们对物理学家们新的测量方法一直耿耿于怀，但是当他们发现岩石的沉积速率会不断变化的这一事实后，也不得不承认放射性方法是测定地球年龄最可靠的方法。1931年美国科学院测量地球年龄问题的委员会指出，只有通过放射性方法才能可靠地测定地球年龄。
不过这一工作还是得靠地质学家完成，因为放射性方法测年的对象正是他们熟悉的岩石。地球上的岩石越古老，就越接近地球的年龄。于是地质学家们在全球寻找古老的岩石，最终测定出最古老的岩石年龄大约是38～39亿年。
但是由于板块运动，地球的岩石始终处于变化之中，地球上最早形成的岩石早就不复存在，因此无法直接通过地球上岩石来测定地球的年龄。问题最终又交给了天文学家。天文学家的理论和观测结果都表明整个太阳系是由同一片星云形成的，太阳系的各个天体几乎是同时形成的，太阳系其他天体的年龄也基本等于地球的年龄。因此，有关地球年龄的最好证据不是来自地球，而是来自天外来客——陨石。陨石的母体是小行星，它们没有板块运动，保存了太阳系最初形成的岩石，因此这类陨石的年龄就和地球同样古老了。果然，对许多陨石年龄的测定结果，都在45亿年左右。目前测得最古老的陨石年龄是45.67亿年，现在这已经是人们公认的地球年龄了。
含有太阳系早期物质的宁强碳质球粒陨石 图源：紫金山天文台
至此，地球年龄这一谜题终于有了圆满的答案。从最早的中国神话、西方宗教和传说，到哲学家的质疑，再经过物理学家、地质学家、化学家、生物学家、天文学家们的共同努力探索，亘古谜题得到了完美的解答，科学的力量和魅力也终于绽放！
作者：江苏省天文学会会员 中国科学院紫金山天文台 王科超
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