天地悠悠，過客匆匆，潮起潮又生。今夕何夕，晨星昏星，月晦月復明。宇宙有137億年之久，地球亦經歷了46億年的滄桑。低頭沉思，想來此生之于宇宙，之于地球，不過長河中一礫。不過，何人知道地球的年齡呢？一個人僅見一世紀罷了，文字也僅承載了3000多年的記憶，怎么我們就相信地球會有46億年的歷史呢？
▲暗淡藍點 NASA/JPL
地球在這張從40億英里外（64億公里外）拍攝的照片中，只是在粒狀照片里的一個渺小“暗淡藍點”來，只占整張照片的兩三個像素。你能找到地球在哪嗎？
地球的誕生不僅是一個科學問題，它還關系到“創(chuàng)世”，關系到每個人的世界觀和歷史觀。所以地球的年齡很久以前就眾說紛紜，人類最早對地球年齡的思考無從可考，就從最早的最著名的神學觀點說開去。
1650年，愛爾蘭天主教大主教詹姆斯·厄舍（James Ussher）諳熟《圣經》，又把手邊所有的史料翻遍，發(fā)現(xiàn)圣經故事可以與正史中的事對應起來，比如大洪水、君主登基等，又經過詳細的考證，他自信地在《舊約編年史》中給出了一個無比精確的結論，地球誕生于公元前4004年10月23日中午。雖然遭到不少質疑，不過詹姆斯·厄舍是上帝的人，因此這一說法主宰了200年之久。再回首，他的結果被當作著名的錯誤，印在無數(shù)書籍上。究竟是哪里錯了，也許厄舍自己也想不明白，他用的也是我們常用的研究方法——查文獻。不過，《圣經》給了他勇氣去推斷地球的年齡，卻沒給他勇氣去懷疑《圣經》的準確與否。
▲西斯廷教堂米開朗琪羅壁畫《創(chuàng)世紀》大洪水部分 Wikimedia Commons
地球的歷史當然不僅僅記錄在《圣經》這些文獻中，就像人老珠黃、青絲成雪一樣，在地球外表也有光陰流逝的刻痕。尼古拉斯·斯坦諾（Nicolaus Steno）早期是解剖學家，1665年去了意大利的佛羅倫薩，被任命為托斯卡納大公斐迪南二世的醫(yī)生。期間，他跋山涉水，進行了廣泛的地質考察，并于1669年提出了著名的疊覆率。疊覆率指出，在任何沉積地層（包括火山熔巖）的層序中，最年輕的地層應當位于層序的頂部，而最老的地層則位于層序的底部，就像我們碼放墊子一樣，新來的總是在上面。后來，斯坦諾在1667年放棄了科學研究，轉信天主教，受大主教的觀點桎梏，斯坦諾將地質歷史的跨度束縛在6000年以內。
▲挪威斯瓦爾巴群島伊斯峽灣北岸的地層剖面。根據(jù)疊覆律原理，如果該地巖層沒有被倒轉，則較老的巖石在底部而較年輕的巖石位于頂部。 Wikipedia
埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）不僅知道彗星多久與地球相會一次，而且還想知道地球和彗星已經有多少次的邂逅。他想，如果我們知道全世界海洋里的鹽總量，再除以每年增加的量（河流到海洋），就可以得到海洋的年齡，從而大致知道地球的年齡，這體現(xiàn)了地球化學的思想。不過想法是好的，可是那時誰能知道海洋里到底有多少鹽，每年進入海洋里的鹽又有多少，沒有原始數(shù)據(jù)就無法得出地球的年齡。
▲哈雷彗星 NASA
第一次比較科學的嘗試是法國的布豐伯爵，喬治-路易·勒克萊爾（Georges-Louis Leclerc）進行的，1778年，他在《各個自然時代》中，探討了太陽系的起源，猜測行星是由太陽和彗星碰撞形成的。根據(jù)鐵的冷卻速率，他推斷地球年齡應為75000-168000年，雖然實際上大大低估了，但在當時還是一種很激進的見解。不過不像哥白尼或布魯諾那樣捍衛(wèi)自己的真理，布豐為自己缺乏考慮的邪說表示歉意。盡管如此，他受到天主教會的譴責，他的書籍也沒逃過焚燒之劫。
▲“人類所曾做到的最高貴的征服，就是征服了這豪邁而剽悍的動物——馬”，人教版七年級下冊布豐的《馬》，圖為徐悲鴻的《八駿圖》
前面我們看的確定地球年齡的人來自神學、物理學等領域，可以說地球年齡的測定基本上每一個學科都有參與，至于我們熟悉的地質學家為什么還沒登場？因為地質學還沒建立啊。
威廉·史密斯（Willian Smith），一個測量員，1793年到1796年，他在薩摩賽特煤運河工程中參與勘察。開鑿出的運河露出層層地層，而巖層中又有各種化石。在這個浩大的工程中多處觀察，威廉·史密斯發(fā)現(xiàn)每一層巖層都有屬于本巖層特有的化石。“含有相同化石的地層的時代相同，不同時代的地層所含的化石不同?！边@就是地質學的一條法則——生物層序率。
▲菊石化石 pixabay
“我們居住的世界不是由組成當時地球的直接前身的物質所構成的，而是從當今往前追溯，由我們認為是第三代的地球的物質所構成的，那個地球出現(xiàn)在陸地露出海面之前，而我們現(xiàn)今的陸地還在海水底下?！?/span>
這段晦澀難懂的文字，出自地質學之父的詹姆（James Hutton）的1795年的杰作《地球論以及證據(jù)與說明》。他不會以人人都能基本理解的形式寫下他的見解，被一位傳記作家吐槽到“幾乎完全不懂怎么使用語言”。不過，他了解地球神秘而漫長的形成過程，非常英明的開創(chuàng)了地質學，改變了我們對地球的認識。
▲詹姆斯·赫頓的地質循環(huán) Famous Scientists
當時有個問題困擾著那些鉆研的人，為什么山上會有貝殼等海洋生物的化石。赫頓就此提出了獨到精辟的見解。赫頓在農田邊思索，土壤由是巖石風化而來的，農田里的土壤又會被雨水、河水沖刷到別處，安靜地沉積下來?？墒侨绻厍驈恼Q生到滅亡一直只是這個過程，地球將會變得平坦光滑。然而，他被丘陵環(huán)繞，眾多高山也認為這是錯誤的。因此，赫頓認為肯定還有別的過程創(chuàng)造了新的丘陵和大山，如此往復。而山頂?shù)暮Ｑ笊锘请S大山本身一起隆起的。赫頓還體會到，形成地球的過程需要很長的時間，比任何人想象的還要長得多。
將近1000多頁的《地球論》前兩卷，是赫頓花了10年時間寫下的承載了他對地球深刻見解的著作。然而，就像前面所說的，他毫無文采的文字幾乎是速效安眠藥，《地球論》并不受歡迎。赫頓的去世，對赫頓來說是一個壞消息，但對科學界來說也許是一個好消息，因為赫頓的朋友約翰·普萊費爾問心無愧地可以改寫赫頓的作品，所幸赫頓的朋友知道赫頓想要表達的是什么。
查爾斯·萊爾（Charles Lyell）在赫頓去世的那一年呱呱墜地，并把畢生經歷獻給了地質學。在擔任地質學教授期間，他寫出了《地質學原理》。雖然萊爾從來沒有讀過赫頓作品的原文，但他研究過普萊費爾的改寫本，并在《地質學原理》中鞏固和闡述了赫頓的見解。在均變論和災變論之爭中，萊爾認為過去已經發(fā)生過的一切都可以用今天仍在發(fā)生的事情來解釋，因為地球按照一貫的步調、步驟變化著。雖然這種看法存在很多問題，比如不能解釋生命大爆發(fā)或者滅絕，雖然萊爾還有很多失誤，比如認為把冰期簡單地認為是“地球制冷”，但是，被稱為近代地質學之父的萊爾的影響是巨大的?！兜刭|學原理》在他身前出了12版；一些觀點直到20世紀還被奉為地質學界的圭臬。他的朋友達爾文也懷揣著《地質學原理》第一版，乘坐“獵犬”號開始了環(huán)球之旅。
▲《地質學原理》，左側是被侵蝕的塞拉皮斯神廟的三根柱子
在朋友的思想的陪伴下，查爾斯·羅伯特·達爾文（Charles Robert Darwin）跨過山和大海，仔細記錄了各種地理現(xiàn)象、收集了許多生物標本。在著名的《物種起源》中，達爾文指出英國南部一個地區(qū)的年齡是306，662，400年（達爾文喜歡精確的數(shù)字，現(xiàn)在定年一般也達不到百年的精度。）
▲獵犬號的旅程 Wikipedia
深入地核，高溫讓鐵都融化，而地球表面卻是舒適的。地表舒適的溫度，是散熱與吸熱的耦合。與達爾文同時期的開爾文男爵，威廉·湯姆森（William Thomson）根據(jù)熱傳導等1862年提出地球的年齡是9800萬年。后來認為這個數(shù)字最小可為2000萬年，最大可達4億年，而且最大值幾經修改，在1897年降到了僅僅2400萬年。
▲地溫梯度示意圖 Wikipedia
19世紀的兩個牛人意見相左，一個是代表地質學家的達爾文，一個是代表物理學家的開爾文。兩個人的推崇者據(jù)理力爭，卻誰都沒說服誰?？上У氖?，事實是兩邊都錯了。可是事實是怎么來的？這就輪到結束地球年齡紛爭的救世主出場了。
首先出場的是發(fā)現(xiàn)放射性衰變的三巨頭，亨利·貝可勒爾（Henri Becquerel）、瑪麗·居里（Maria Curie）、皮埃爾·居里（Pierre Curie）。1896年2月26日，貝可勒爾打算把打包好的鈾和感光底片曬太陽，但巴黎多云，于是他把材料送回抽屜避光保存。3月1日他沖洗底片，發(fā)現(xiàn)底片曝光。1902年，居里夫婦在巨量的瀝青鈾礦中提取出十分之一克氯化鐳。1903年，貝可勒爾和居里夫婦因發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象，一起獲得諾貝爾物理學獎。
隨后歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）提出了放射性半衰期的概念，即放射性元素發(fā)生半數(shù)衰變所需要的時間。核衰變是化學反應中的一級反應，只要測定放射性母子體的比例，就可以推算它的年齡，讓我們以U來說明一下（可以跳過斜體部分）。238U慢慢會衰變?yōu)?06Pb，半衰期約為45億年。
母體的衰變滿足：
我們用P0表示母體初始的量，則在t時刻，母體還有：
如果以D表示子體，t時刻子體的量就是初始子體的量加上母體衰變形成的：
如果初始時刻子體不存在的話，即D0=0，就可以變化得到年齡的計算公式：
對于我們感興趣的鈾鉛體系，有：
鈾鉛定年常用的地質樣品是鋯石。鋯石中含有U卻很少含鉛，而且具有非常強的穩(wěn)定性，是一種巖石中常見的副礦物，所以受定年的青睞。
“這次鈾的數(shù)據(jù)又很棒?！薄般U的數(shù)據(jù)還是一如既往的差。”克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson）和同事測一批鋯石樣品的鈾鉛數(shù)據(jù)，他負責鉛同位素部分，然而數(shù)據(jù)誤差很大?！皯撌鞘艿搅谁h(huán)境中鉛的污染?！彼@樣想，把實驗室徹徹底底地打掃了，又處理了樣品再次測定......“簡直快崩潰了，這都幾年了，鉛的同位素數(shù)據(jù)還沒出來。這些環(huán)境中的鉛怎么無孔不入、無處不在呢？”“無孔不入？不會是空氣中的鉛吧?！辈粩嗟厮伎迹粩嗟貒L試，然后帕特森跟隨導師去了加州理工大學，并設計和建立了世界上的第一個超凈實驗室，用了當時新開發(fā)的質譜，終于得到了鉛的同位素數(shù)據(jù)，在1953年他宣布地球的年齡約為45.5±0.7億年。這個年齡值至今仍被認可，雖然誤差范圍已經縮小到正負2千萬年。而因為發(fā)現(xiàn)空氣中含鉛，他的努力和呼吁在禁用四乙基鉛和食品罐頭鉛焊料的運動中貢獻巨大。
▲克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson, 1922－1995）
美國地質學家和地球化學家
也許當人類意識到時間的存在、土地的存在，就開始有人想問地球存在多久了，不過直到1953年我們才意識到地球存在了45.5億年之久。在這將近46億年的歷史中，海陸變遷，生命爆發(fā)又滅絕，誕生了人類，誕生了文明。研究地球何時形成，時間既可以說長，又可以說短。從神學統(tǒng)治了思想，到意識到地球存在很久了的爭論，到隕石同位素定年，地球年齡的測定幾乎用了每一個學科。人類，真是無限渺小而又偉大。
參考資料：
[1]. 地球化學與人生選擇，楊蔚
[2]. 萬物史略：看見你我的無限偉大與渺小，比爾·布萊森
[3]. Wikipedia
專欄·《科學歷險記》連載
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