地球年龄

刘安立

今天，我们已经知道，地球的历史长达45.4亿年（加减1%）。早在58年前，也就是1956年，科学家就首次确定了这个数字，从那时起到现在，这个数字的误差越来越小。为什么科学家花了这么长时间才得以确定地球的年龄？为什么他们能确信这个数字是准确的？要想回答诸如此类的问题，我们得把时钟回拨到300年前。

时间之球

17世纪，有个叫厄歇尔的人根据神学历法确定了“造物主创制地球的时间”——公元前4004年10月23日。这被认为是确定地球年龄的最早尝试之一。但随着地理知识的逐渐累积，科学家开始意识到地球的年龄肯定不会只有几千年。在这些科学家中，法国的乔治·路易·德·布封尤其相信地球及众行星同时起源于被撕裂自太阳的极端炙热材料。他试图通过实验，复制构成地球及众行星的炙热材料的冷却过程，以确定这发生在何时。

在11年的时间里，布封利用铁球和不同大小的岩石进行了广泛的实验，计量它们冷却下来所花的时间，然后按比例放大实验结果至地球大小。1775年，他发表了自己的估算结果——地球自形成以来降至目前温度所经历的时间大约是74852年。但私底下，布封认为地球的年龄比这要古老得多，有可能长达1000万年。

在下一个世纪里，由于相关线索从可以观察到的地质过程中开始浮现，地球的形成需要漫长地质过程这一点变得越来越明显。到了19世纪中期，两种计算地球年龄的“滴漏”方法开始流行。第一种“滴漏”方法旨在估计地球岩石的总厚度以及沉积物的沉积速率，由此给出沉积所有岩石所需的时间。但由于不同地方的沉积速度不一样，用这种方法算出的地球年龄范围很宽——从300万年到24亿年都有。第二种“滴漏”方法企图测量海盐的沉积速率。海水中包含溶解的盐，这些盐来自亘古以来岩石的分解。假设海水原本是纯净水，由此或许就能算出海盐累积到今天的数量所需的时间。但这种方法也困难重重，导致了很宽范围的地球年龄估计值。

到1862年，英国知名物理学家开尔文爵士在爱丁堡皇家学会的一次会议上发表演讲，猛烈抨击采用“滴漏”方法估算地球年龄的地质学家。与布封一样，开尔文认为地球原本处在熔融状态，如果能知道地球岩石的熔化温度以及它们的冷却速度，或许就能算出地壳固化所花的时间。考虑到这些条件都未知，开尔文当初估计的地球年龄范围也很宽——2000万年到4亿年之间。但仅过了几年，根据对岩石熔化温度进行的一些精确测量（其结果表明，这一温度比预计值低得多），开尔文把他对地球年龄的估值下调至2000万年到4000万年之间。当时，这在地质学界引发轩然大波。

19～20世纪之交的10年，是地质学界激动人心的10年。1895年发现X射线和1896年发现铀释放类似的“神秘射线”（居里夫人称之为“放射性”）所引起的兴奋，促发了全球各地实验室中的爆发式研究活动。1897年，英国科学家乔治·汤姆逊发现电子。1902年，英国物理学家欧内斯特·卢瑟福和弗雷德里克·索迪揭示了放射性衰变。他们宣布，在放射性衰变过程中，一种元素变成了另一种元素，铀衰变成了镭，镭接着又衰变成了氡。这一发现震惊世界。

过后没多久，索迪证明放射性衰变不仅产生了氡，而且产生了氦，并且氡也不稳定，它接着会衰减成其他元素。几个月后，就在居里夫妇于1903年获得诺贝尔奖之前，皮埃尔·居里检测发现，在放射性衰变过程中，随着原子爆发性释放电子，能量会以热量的形式释放。这意味着，尽管开尔文对地球冷却自熔融态的判断可能正确，他所不知道的却是，与此同时，地球内部的放射性元素一直在产生足够热量来推迟冷却，这意味着地球年龄可能比地质学家所推想的大很多。

岩石年龄

在辨识了氦是铀衰变的副产品之后，卢瑟福很快又意识到，如果能通过测量岩石中的铀和氦的数量来确定铀产生的速率，那么只需相对简单的计算就能表明氦的累积所需的时间，由此也就能确定岩石的年龄。一年后，卢瑟福成为通过放射性衰变测定岩石年龄的第一人。他由此测定的地球年龄为4000万年。

不幸的是，他的测量方法有一个重要缺陷。伦敦皇家科技大学物理学家罗伯特·斯特拉特认识到：氦是一种气体，它会从岩石中逃逸，这意味着来自放射性衰变的氦中只有很小一部分会被测量到，由此获得的年龄测定值只可能是最小值。斯特拉特鼓励他的学生之一、20岁的亚瑟·霍姆斯寻找一种更好的测量方法。

1907年，美国化学家贝特伦·博尔特伍德检测了包含铀的岩石并注意到，与氦一起，还有大量铅存在。他推测，铅可能是铀放射性衰变链的最终产物。霍姆斯意识到，如果博尔特伍德的这一推断无误，那么就可能通过测量岩石中的铅而非氦的数量来获得岩石的年龄。1910年冬季，他检测了17种矿物质的铀和铅的含量（请参见相关链接《关键性实验》）。

上述检测结果让霍姆斯作出结论：铅的确是铀的最终衰变产物。自此，一种确定岩石年龄的可靠技术被找到，并一直被采用。霍姆斯测定的地球最大年龄是16.4亿年，他还证明了地球年龄不可能低于这个数值。然而，他的测量结果吓坏了恪守开尔文时间框架的绝大多数地质学家。

此后，这方面进展缓慢，而1913年索迪对同位素的发现让事情变得大大复杂化。当时，区分两种同位素的唯一办法就是测量原子重量，而全球能进行这种测量的实验室寥寥无几。霍姆斯还指出，一些铅很可能自从地球开始形成时就存在。他把这些铅称为“原始铅”。不过，如果他无法辨别铀的放射性衰变所产生的铅和原始铅，他的测量结果就不准确。

反复尝试

1924年，霍姆斯被指定为杜伦大学地质学教授。在那里，他继续致力于优化地质时钟技术，并试图确定地球年龄。这一时期，他也尝试寻找新的测量技术。虽然每一种技术刚开始看起来都蛮有希望，但在他花了大量时间反复尝试后，这些方法被证明都行不通。

1938年，年轻的美国物理学家阿尔弗雷德·涅尔在哈佛大学运用一台新型质谱仪工作期间，尝试辨别已知的所有铅同位素。不出所料，他很快就发现了三种已知的铅同位素——铅206、铅207和铅208。但在光谱末端，他看见了一个小小的尖峰信号——原始铅的微型光谱终于现形，被识别为铅204。铀-铅“拼图”中缺失的一块至此终于被找到。

尽管身为物理学家，涅尔却醉心于测量地质时间。就在第二次世界大战爆发之前，他对25块地质年龄各不相同的岩石进行了一系列非常精确的年龄测定。其中一块来自于加拿大马尼托巴省的结晶花岗岩的年龄被测定为24.8亿年。霍姆斯对涅尔的这一测量结果很感兴趣，他在1945年5月致信涅尔说：“这（指涅尔的测量结果）最令人兴味盎然，不仅是因为你测量的岩石看来是能找到的最古老岩石，而且是由于你的测量数据显示有关宇宙膨胀的现有理论需要修正。”美国物理学家埃德温·哈勃当时确定宇宙才刚满18亿岁，而涅尔的测量结果证明这一宇宙年龄估值一定不对，因为宇宙不可能比地球年轻。

在购买了一台早期计算机来帮助完成复杂计算后，霍姆斯在1946年2月16日再度致信涅尔：“运用不同的方案，地球年龄被算定为大约30亿年，最佳值为30.15亿年，但我们可以不计这0.15。”到20世纪50年代初，运用铀-铅同位素测量岩石年龄的方法看来是行得通的，无奈霍姆斯此时身体不佳，他不得不让位给下一代科学家，以继续他的追索。

随着技术进展，另一个美国人克莱尔·帕特森成功确定了铁陨石中几乎为零的极微量铅的数量。选择铁陨石的优势是，它们包含的铀的数量可忽略不计，因此它们所包含的任何数量的原始铅都不可能被放射产生的铅污染。帕特森接着意识到，如果正如天文学家所暗示的那样——地球与太阳系形成于同一时期，他就可能运用测定自陨石中的年龄值来推算地球的年龄。

接下来，帕特森花了三年时间来尝试证明这两者的关系。1956年，他证明了地球、行星和陨石有着共同的祖先。他分析了5块陨石中的铅含量，证明了它们的同位素比例怎样产生等时线，由此确定的地球年龄为45.5±0.7亿年。

此外，来自地球（后来也来自月球）的样本也落在相同的等时线上。这就证明了地球和陨石在大约45亿年前的同一时间形成自相同的太阳系材料。此时距离厄歇尔之死刚好300年，地球的年龄被最终确定。