地球年龄的故事

耿明

法国物理学家Antoine Henri Becquerel（1852—1908）和他的父亲Alexander Edmond Becquerel（1820—1891），都曾将许多晶体、矿物和岩石碎片在亮光下暴晒，然后再在暗房中检查看有没有辉光发出来研究磷光发光行为。在这其中他们收集的一些铀盐会在强光照射后自发发出磷光。1896年1月，Henri Becquerel在和法国数学家Henri Poincaré（1854—1912）讨论时德国物理学家Wilhelm R?ntgen（1845—1923）在上一年的十一月发现的X射线。R?ntgen用他的神秘的X射线在真空管中制造出了一种磷光。Becquerel冲回自己的实验室后，急忙就想看看自己的铀盐是不是有和X射线相似的性质，比如穿透纸张、衣服、皮肤甚至人体组织的能力。他将他父亲的铀盐放在了用纸包着的照相底片旁边，然后发现虽然印记模糊但是照相底片被感光了。但与X射线不同的是，他发现的射线会随电场和磁场偏转，这种射线就在1896年就被叫做了“贝克勒尔射线”。因为这一性质是所有铀盐都共有的，即使那些不发出磷光的铀盐也具有相同的性质，所以Becquerel就认为这是铀原子所特有的性质。

Becquerel发现了放射性之后，

Pierre Curie（1859—1906）和Marie Curie

（1867—1934）研究出了测试原子放射性的方法。居里夫妇通过他们和贝克勒尔的实验展示了镭盐的放射过程在不断地放热。他们的实验结果让大众和科学家们都感到十分兴奋。这样的能量是怎么创造出来的？1903年Becquerel和居里夫妇分享了当年的诺贝尔物理奖。诺贝尔奖夫妇的浪漫事迹极大地提高了刚刚建立不久的诺贝尔奖和放射性研究在公众中的威望。居里夫妇也成了20世纪第一对知名的科学夫妻。Marie Curie对如何将放射性运用于医学特别关注，并和他的女儿（Irene）一同致力于使用镭减轻在一战中受伤的士兵们的痛苦的研究。在战后，对镭的需求也随着经济大萧条急转直下。人们也越来越多地了解到过量辐射的危害。

20世纪对发射性的发现改变了人类的历史，这一发现直接导致了原子弹、核能以及对癌症的放疗化疗这些广为人知的例子。在地球科学研究的历史里，放射性现象的发现也带来了定年技术的发展，使得人们能够确定从岩石到骨头，甚至是最早的洋流的年龄。二战期间的核试验造成的放射性碳的尘埃在海底沉积物中留下了十分明显的印记，海洋学家就使用这一明显的标记来确定他们钻孔岩心样品中的20世纪50年代。

看到19世纪20世纪之交对原子性质的激动人心的揭示，美国地质学家Thomas C. Chamberlain（1843—1928）在1899年对当时流行的地球是由一个熔融的大火球慢慢冷却至今的假说提出了质疑。他认为地球是由冷增生开始形成的，地球内部的热量应该是由原子的放射性现象造成的。如果说原子有这么多的秘密还没有揭开，那行星和恒星一定也还有很多我们不知道的。

1902年，在加拿大蒙特利尔的麦

吉尔大学，英国化学家Ernest Rutherford

爵士（1871—1937）和Frederick Soddy（1877—1956）发现放射性现象是由于原子的分解的过程造成的。他们发现了从放射性原子中发射出来的α离子和大量的能量。Rutherford这个成长在新西兰的英国科学家将放射性现象和放出的热量联系了起来。他很快就开始考虑将这些发现应用于地质学中，他发现这一现象可以用来确定地球的年龄。在1904年春天，伦敦皇家学会请Rutherford作一个关于他的发现的报告。他在自己的回忆录中写道：

“我走进半灰暗的屋子，突然发现开尔文勋爵就在听众之中，随后便意识到我正处于一个麻烦的境地，因为我报告的最后一部分将会讲到地球年龄的部分，而我的观点与他有很大分歧。让我欣慰的是，开尔文很快就在会议中睡着了。但是，当我刚刚讲到这一重点部分的时候，我看到那只老鸟坐起来了，睁着眼睛恶狠狠地盯着我。此时我灵机一动，我说‘开尔文勋爵在没有新的热源被发现的情况下约束了地球的年龄，这一先贤的名言让我们注意到了我们今天晚上一直在讨论的镭。看，是这个老兄启发了我。”

被册封为拉各斯Kelvin男爵（Lord Kelvin）的苏格兰物理学家William Tho-

mson（1824—1907），他在Rutherford

的演讲之前的40年里一直统治着对地球年龄的讨论。他支持地球和太阳都是有大的熔融体形成，然后稳定的冷却至今的假说。根据当时矿井中的研究，地球表面温度每向地面下15米增高1℃。为了计算从熔融的地球到形成这样的表面地温梯度经历了多长时间，Kelvin需要计算岩石的热传导速率。1820年法国科学院终于发表了Joseph Fourier在1807年写出的计算热传导速率的数学方程。但是由于不知道地球内部的环境，Kelvin只好做了几个大的假设来求解Fourier的方程。他加热了不同类型的岩石来确定岩石传导热的能力，并推测出早期的熔融地球大概有4000℃。他一开始确定出地球大概有9亿8千万年的年龄，但是他的估算中存在很大的不确定度，他之后将自己的结果改到一个他认为可能的范围。他宣布地球大概是2千万年到4亿年前形成的。

大多Kelvin的批评者们对Kelvin计算地球年龄的计算方法表示赞同，但是认为Kelvin的计算结果出乎了所有人的意料。另外一些对Kelvin的挑战是认为他对地球冷却阶段中陨石撞击带来的热量的估算偏低。但是，仅仅陨石的因素并不能明显地影响Kelvin的计算结果，况且他的计算方法也统治着这个学术讨论领域。（Kelvin也确实曾为了与Darwin的进化论进行争论的时候提高了地球遭到陨石撞击所接受的热量。）

Rutherford错误地认为Kelvin勋爵会欣然接受自己的想法。然而Kelvin勋爵并没有很快地接受镭的放射性会放出热量改变地球内部的热状态，而且还发表了一篇短文来批评这一观点。他一直没有公开放弃他对地球年龄估算中的假设，只是在当年的一次在英国科学协会的会议上与一位同行的一次交谈中他才承认自己的估计可能有错。但是他并没有发表任何撤销原来估算的声明，所以他依然在计算地球年龄的领域里保持着自己的权威，并且很少有人挑战他。之后Rutherford的研究就转向了其他方向，而美国的Bertram Boltwood（1870—1927）和英格兰的Robert John Strutt（1875—1947）继续着这一方向的研究。

1906年，Strutt（第四任Rayleigh男爵）发现地壳中放射性的岩浆岩中的热量比Kelvin计算的地球散失的热量还要多。这是Kelvin的支持者们不能忽视的一个证据。地球确实有自己的热源，而且即使地球在降温，也可能没有降得如他们原先想的那么快。

经过多年的实验和通过与Ruth-

erford的信件交流，Blotwood知道了放射性元素的原子核会在放射现象过程中发生改变。比如铀元素或者钍元素会在一系列的衰变反应中分解成其他元素（子元素）。1907年，Boltwood发现经过这样一系列的衰变反应，铀元素会最终稳定的衰变成铅元素。

放射现象就是地球的原子钟，

Boltwood就是那个读出这个钟时间的人。铀元素转化为铅元素的速率十分稳定。通过测量铀转变为铅这一衰变的速率，Boltwood计算出了一些矿物的年龄是22亿年。这些矿物形成于前寒武纪，而地球的年龄至少应该比这些矿物还要老。（来源：科学网， 2012-11-26）endprint