劉安立

今天，我們已經(jīng)知道，地球的歷史長(zhǎng)達(dá)45.4億年（加減1%）。早在58年前，也就是1956年，科學(xué)家就首次確定了這個(gè)數(shù)字，從那時(shí)起到現(xiàn)在，這個(gè)數(shù)字的誤差越來(lái)越小。為什么科學(xué)家花了這么長(zhǎng)時(shí)間才得以確定地球的年齡？為什么他們能確信這個(gè)數(shù)字是準(zhǔn)確的？要想回答諸如此類(lèi)的問(wèn)題，我們得把時(shí)鐘回?fù)艿?00年前。

時(shí)間之球

17世紀(jì)，有個(gè)叫厄歇爾的人根據(jù)神學(xué)歷法確定了“造物主創(chuàng)制地球的時(shí)間”——公元前4004年10月23日。這被認(rèn)為是確定地球年齡的最早嘗試之一。但隨著地理知識(shí)的逐漸累積，科學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到地球的年齡肯定不會(huì)只有幾千年。在這些科學(xué)家中，法國(guó)的喬治·路易·德·布封尤其相信地球及眾行星同時(shí)起源于被撕裂自太陽(yáng)的極端炙熱材料。他試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)，復(fù)制構(gòu)成地球及眾行星的炙熱材料的冷卻過(guò)程，以確定這發(fā)生在何時(shí)。

在11年的時(shí)間里，布封利用鐵球和不同大小的巖石進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)，計(jì)量它們冷卻下來(lái)所花的時(shí)間，然后按比例放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果至地球大小。1775年，他發(fā)表了自己的估算結(jié)果——地球自形成以來(lái)降至目前溫度所經(jīng)歷的時(shí)間大約是74852年。但私底下，布封認(rèn)為地球的年齡比這要古老得多，有可能長(zhǎng)達(dá)1000萬(wàn)年。

在下一個(gè)世紀(jì)里，由于相關(guān)線索從可以觀察到的地質(zhì)過(guò)程中開(kāi)始浮現(xiàn)，地球的形成需要漫長(zhǎng)地質(zhì)過(guò)程這一點(diǎn)變得越來(lái)越明顯。到了19世紀(jì)中期，兩種計(jì)算地球年齡的“滴漏”方法開(kāi)始流行。第一種“滴漏”方法旨在估計(jì)地球巖石的總厚度以及沉積物的沉積速率，由此給出沉積所有巖石所需的時(shí)間。但由于不同地方的沉積速度不一樣，用這種方法算出的地球年齡范圍很寬——從300萬(wàn)年到24億年都有。第二種“滴漏”方法企圖測(cè)量海鹽的沉積速率。海水中包含溶解的鹽，這些鹽來(lái)自亙古以來(lái)巖石的分解。假設(shè)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(shù)量所需的時(shí)間。但這種方法也困難重重，導(dǎo)致了很寬范圍的地球年齡估計(jì)值。

到1862年，英國(guó)知名物理學(xué)家開(kāi)爾文爵士在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上發(fā)表演講，猛烈抨擊采用“滴漏”方法估算地球年齡的地質(zhì)學(xué)家。與布封一樣，開(kāi)爾文認(rèn)為地球原本處在熔融狀態(tài)，如果能知道地球巖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(shí)間?？紤]到這些條件都未知，開(kāi)爾文當(dāng)初估計(jì)的地球年齡范圍也很寬——2000萬(wàn)年到4億年之間。但僅過(guò)了幾年，根據(jù)對(duì)巖石熔化溫度進(jìn)行的一些精確測(cè)量（其結(jié)果表明，這一溫度比預(yù)計(jì)值低得多），開(kāi)爾文把他對(duì)地球年齡的估值下調(diào)至2000萬(wàn)年到4000萬(wàn)年之間。當(dāng)時(shí)，這在地質(zhì)學(xué)界引發(fā)軒然大波。

19～20世紀(jì)之交的10年，是地質(zhì)學(xué)界激動(dòng)人心的10年。1895年發(fā)現(xiàn)X射線和1896年發(fā)現(xiàn)鈾釋放類(lèi)似的“神秘射線”（居里夫人稱(chēng)之為“放射性”）所引起的興奮，促發(fā)了全球各地實(shí)驗(yàn)室中的爆發(fā)式研究活動(dòng)。1897年，英國(guó)科學(xué)家喬治·湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。1902年，英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)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(guò)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(fā)現(xiàn)震驚世界。

過(guò)后沒(méi)多久，索迪證明放射性衰變不僅產(chǎn)生了氡，而且產(chǎn)生了氦，并且氡也不穩(wěn)定，它接著會(huì)衰減成其他元素。幾個(gè)月后，就在居里夫婦于1903年獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前，皮埃爾·居里檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在放射性衰變過(guò)程中，隨著原子爆發(fā)性釋放電子，能量會(huì)以熱量的形式釋放。這意味著，盡管開(kāi)爾文對(duì)地球冷卻自熔融態(tài)的判斷可能正確，他所不知道的卻是，與此同時(shí)，地球內(nèi)部的放射性元素一直在產(chǎn)生足夠熱量來(lái)推遲冷卻，這意味著地球年齡可能比地質(zhì)學(xué)家所推想的大很多。

巖石年齡

在辨識(shí)了氦是鈾衰變的副產(chǎn)品之后，盧瑟福很快又意識(shí)到，如果能通過(guò)測(cè)量巖石中的鈾和氦的數(shù)量來(lái)確定鈾產(chǎn)生的速率，那么只需相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算就能表明氦的累積所需的時(shí)間，由此也就能確定巖石的年齡。一年后，盧瑟福成為通過(guò)放射性衰變測(cè)定巖石年齡的第一人。他由此測(cè)定的地球年齡為4000萬(wàn)年。

不幸的是，他的測(cè)量方法有一個(gè)重要缺陷。倫敦皇家科技大學(xué)物理學(xué)家羅伯特·斯特拉特認(rèn)識(shí)到：氦是一種氣體，它會(huì)從巖石中逃逸，這意味著來(lái)自放射性衰變的氦中只有很小一部分會(huì)被測(cè)量到，由此獲得的年齡測(cè)定值只可能是最小值。斯特拉特鼓勵(lì)他的學(xué)生之一、20歲的亞瑟·霍姆斯尋找一種更好的測(cè)量方法。

1907年，美國(guó)化學(xué)家貝特倫·博爾特伍德檢測(cè)了包含鈾的巖石并注意到，與氦一起，還有大量鉛存在。他推測(cè)，鉛可能是鈾放射性衰變鏈的最終產(chǎn)物?；裟匪挂庾R(shí)到，如果博爾特伍德的這一推斷無(wú)誤，那么就可能通過(guò)測(cè)量巖石中的鉛而非氦的數(shù)量來(lái)獲得巖石的年齡。1910年冬季，他檢測(cè)了17種礦物質(zhì)的鈾和鉛的含量（請(qǐng)參見(jiàn)相關(guān)鏈接《關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)》）。

上述檢測(cè)結(jié)果讓霍姆斯作出結(jié)論：鉛的確是鈾的最終衰變產(chǎn)物。自此，一種確定巖石年齡的可靠技術(shù)被找到，并一直被采用。霍姆斯測(cè)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于這個(gè)數(shù)值。然而，他的測(cè)量結(jié)果嚇壞了恪守開(kāi)爾文時(shí)間框架的絕大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家。

此后，這方面進(jìn)展緩慢，而1913年索迪對(duì)同位素的發(fā)現(xiàn)讓事情變得大大復(fù)雜化。當(dāng)時(shí)，區(qū)分兩種同位素的唯一辦法就是測(cè)量原子重量，而全球能進(jìn)行這種測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室寥寥無(wú)幾?；裟匪惯€指出，一些鉛很可能自從地球開(kāi)始形成時(shí)就存在。他把這些鉛稱(chēng)為“原始鉛”。不過(guò)，如果他無(wú)法辨別鈾的放射性衰變所產(chǎn)生的鉛和原始鉛，他的測(cè)量結(jié)果就不準(zhǔn)確。

反復(fù)嘗試

1924年，霍姆斯被指定為杜倫大學(xué)地質(zhì)學(xué)教授。在那里，他繼續(xù)致力于優(yōu)化地質(zhì)時(shí)鐘技術(shù)，并試圖確定地球年齡。這一時(shí)期，他也嘗試尋找新的測(cè)量技術(shù)。雖然每一種技術(shù)剛開(kāi)始看起來(lái)都蠻有希望，但在他花了大量時(shí)間反復(fù)嘗試后，這些方法被證明都行不通。

1938年，年輕的美國(guó)物理學(xué)家阿爾弗雷德·涅爾在哈佛大學(xué)運(yùn)用一臺(tái)新型質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(jiàn)了一個(gè)小小的尖峰信號(hào)——原始鉛的微型光譜終于現(xiàn)形，被識(shí)別為鉛204。鈾-鉛“拼圖”中缺失的一塊至此終于被找到。

盡管身為物理學(xué)家，涅爾卻醉心于測(cè)量地質(zhì)時(shí)間。就在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前，他對(duì)25塊地質(zhì)年齡各不相同的巖石進(jìn)行了一系列非常精確的年齡測(cè)定。其中一塊來(lái)自于加拿大馬尼托巴省的結(jié)晶花崗巖的年齡被測(cè)定為24.8億年。霍姆斯對(duì)涅爾的這一測(cè)量結(jié)果很感興趣，他在1945年5月致信涅爾說(shuō)：“這（指涅爾的測(cè)量結(jié)果）最令人興味盎然，不僅是因?yàn)槟銣y(cè)量的巖石看來(lái)是能找到的最古老巖石，而且是由于你的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示有關(guān)宇宙膨脹的現(xiàn)有理論需要修正。”美國(guó)物理學(xué)家埃德溫·哈勃當(dāng)時(shí)確定宇宙才剛滿18億歲，而涅爾的測(cè)量結(jié)果證明這一宇宙年齡估值一定不對(duì)，因?yàn)橛钪娌豢赡鼙鹊厍蚰贻p。

在購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)早期計(jì)算機(jī)來(lái)幫助完成復(fù)雜計(jì)算后，霍姆斯在1946年2月16日再度致信涅爾：“運(yùn)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(jì)這0.15?！钡?0世紀(jì)50年代初，運(yùn)用鈾-鉛同位素測(cè)量巖石年齡的方法看來(lái)是行得通的，無(wú)奈霍姆斯此時(shí)身體不佳，他不得不讓位給下一代科學(xué)家，以繼續(xù)他的追索。

隨著技術(shù)進(jìn)展，另一個(gè)美國(guó)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(shù)量。選擇鐵隕石的優(yōu)勢(shì)是，它們包含的鈾的數(shù)量可忽略不計(jì)，因此它們所包含的任何數(shù)量的原始鉛都不可能被放射產(chǎn)生的鉛污染。帕特森接著意識(shí)到，如果正如天文學(xué)家所暗示的那樣——地球與太陽(yáng)系形成于同一時(shí)期，他就可能運(yùn)用測(cè)定自隕石中的年齡值來(lái)推算地球的年齡。

接下來(lái)，帕特森花了三年時(shí)間來(lái)嘗試證明這兩者的關(guān)系。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(chǎn)生等時(shí)線，由此確定的地球年齡為45.5±0.7億年。

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