地球是什么時(shí)候誕生的？它又有多少歲了？還能“存活”多久？

2023.04.08 云南

我們的家-地球大約是在45.4億年前誕生的，這是根據(jù)放射性定年法測(cè)量的結(jié)果。那個(gè)時(shí)候的地球是完全沒(méi)有生命的，也不允許有生命生存的必備條件。初生的地球表面是由巖漿組成的“海洋”，像烈火一般。本文將為您簡(jiǎn)述下地球的年齡。

地球的年齡是45.4±0.05億年（4.54×10的9次方歲±1%）。這個(gè)年齡可以代表地球吸積的年齡、地核形成的年齡或地球形成物質(zhì)的年齡。這種定年是基于隕石材料的輻射定年（放射性定年法）證據(jù)，并且與已知的最古老的陸地和月球樣品（月巖）的輻射定年相一致。

隨著20世紀(jì)初輻射定年（放射性定年法）技術(shù)的發(fā)展，對(duì)富鈾礦物中鉛（鈾鉛測(cè)年法）的測(cè)量表明，有些礦物的年齡已經(jīng)超過(guò)了10億年。迄今為止所分析的最古老的此類礦物為——來(lái)自西澳大利亞州杰克山崗的鋯石小晶體——至少已有44.04億年的歷史。在太陽(yáng)系內(nèi)形成的隕石中，已知最古老的固體成分為——富含鈣鋁的包裹體，已有45.67億年的歷史，為太陽(yáng)系的年齡提供了一個(gè)下限值。

據(jù)推測(cè)，地球吸積是在富含鈣鋁的包裹體和隕石形成后不久開(kāi)始的。由于這個(gè)吸積過(guò)程所花費(fèi)的精確時(shí)間還不清楚，而且來(lái)自不同吸積模型的預(yù)測(cè)范圍從幾百萬(wàn)年到大約1億年不等，所以很難確定地球的確切年齡。地球上暴露在表面的最古老的巖石的確切年齡也很難確定，因?yàn)樗鼈兛赡苁遣煌挲g的礦物集合體。

從阿波羅17號(hào)看到的地球，圖：NASA/Apollo 17 crew; taken by either Harrison Schmitt or Ron Evans

現(xiàn)代地質(zhì)概念的發(fā)展

對(duì)地層的研究，巖石和地球的分層，使自然主義者（博物學(xué)家）認(rèn)識(shí)到地球在其存在期間可能經(jīng)歷了許多變化。這些層通常包含未知生物的化石殘骸，從而就有了一些解釋，比如有機(jī)體從一個(gè)層到另一個(gè)層的生物發(fā)展。

圖解：對(duì)rRNA進(jìn)行分析所推測(cè)出的地球生命演化樹

17世紀(jì)的尼古拉斯·斯坦諾（Nicolas Steno）是最早認(rèn)識(shí)到化石遺跡與地層之間聯(lián)系的自然學(xué)家之一。在他的觀察之后需，他首先提出了重要的地層學(xué)概念(即“疊覆律”和“原始水平原理”)。18世紀(jì)90年代，威廉·史密斯（William Smith）假設(shè)如果兩層大不相同的巖石中含有相似的化石，那么這些化石層就很可能是同一年代的。威廉·史密斯的侄子和學(xué)生約翰·菲利普斯后來(lái)用這種方式計(jì)算出地球大約有9600萬(wàn)年的歷史。

圖解：威廉湯姆森（開(kāi)爾文勛爵）

在18世紀(jì)中葉，博物學(xué)家米哈伊爾·羅蒙諾索夫（Mikhail Lomonosov）認(rèn)為，地球是與幾十萬(wàn)年前宇宙的其余部分分開(kāi)創(chuàng)造的。羅蒙諾索夫的想法主要是推測(cè)性的。1779年，布馮孔德（Comte du Buffon）試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得地球年齡的有效值：他創(chuàng)造了一個(gè)類似地球的小型地球儀，然后測(cè)量其冷卻速度。然后他的估計(jì)是地球大約有75000年的歷史。

圖解：表示地球歷史各地質(zhì)年代相對(duì)時(shí)間的表盤形式。

其他博物學(xué)家也利用了這些假說(shuō)來(lái)建構(gòu)地球的歷史，盡管他們的時(shí)間線并不精確，因?yàn)樗麄儾恢冷佋O(shè)地層需要多長(zhǎng)時(shí)間。1830年，地質(zhì)學(xué)家查爾斯·萊爾（Charles Lyell）在詹姆斯·赫頓（James Hutton）的著作中發(fā)現(xiàn)了一些觀點(diǎn)，推廣了地球的特征在不斷變化、侵蝕和改造的概念，以及這種變化的速度大致是恒定的。這是對(duì)傳統(tǒng)觀點(diǎn)的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為地球歷史是靜態(tài)的，隨著間歇性災(zāi)難帶來(lái)的變化。

早期計(jì)算

1862年，物理學(xué)家第一代開(kāi)爾文男爵威廉·湯姆森（William Thomson, 1st Baron Kelvin）發(fā)表了一項(xiàng)計(jì)算，將地球年齡定在2000萬(wàn)至4億年之間。他假設(shè)地球已經(jīng)形成為一個(gè)完全熔融的物體，并確定了近地表冷卻到目前溫度所需的時(shí)間。他的計(jì)算并未考慮放射性衰變產(chǎn)生的熱量（科學(xué)界未知的過(guò)程），或更重要的是，地球內(nèi)部的對(duì)流，這使得更多的熱量從內(nèi)部逃逸到地表附近的溫暖巖石中。更受限制的是開(kāi)爾文對(duì)太陽(yáng)年齡的估計(jì)，它基于對(duì)太陽(yáng)熱輸出的估計(jì)和太陽(yáng)從引力坍縮中獲得能量的理論；開(kāi)爾文估計(jì)太陽(yáng)大約有2000萬(wàn)年的歷史。

圖解：歐內(nèi)斯特盧瑟福在1908年的肖像。

像查爾斯萊爾這樣的地質(zhì)學(xué)家是很難接受地球有這么短的年齡的。對(duì)于生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，即使是1億年也似乎太短暫了，所以這樣的年齡是不合理的。在達(dá)爾文的進(jìn)化論中，隨機(jī)遺傳變異與累積選擇的過(guò)程需要很長(zhǎng)的時(shí)間。（根據(jù)現(xiàn)代生物學(xué)，從生命開(kāi)始到今天的總體進(jìn)化歷史發(fā)生在自35至38億年前，即自地質(zhì)年代所示的所有生物體的最后一個(gè)普遍祖先以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

圖解：亞利桑那州巴里格火山口，在那里發(fā)現(xiàn)了峽谷暗黑破壞神隕石。

在1869年的一次演講中，達(dá)爾文的偉大倡導(dǎo)者托馬斯·亨利·赫胥黎（Thomas H. Huxley）抨擊了湯姆森的計(jì)算，他認(rèn)為這些計(jì)算本身似乎很精確，但是都是基于了錯(cuò)誤的假設(shè)。物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）（1856年）和天文學(xué)家西蒙·紐康（Simon Newcomb）（1892年）分別用他們自己的2200萬(wàn)年和1800萬(wàn)年的計(jì)算對(duì)這場(chǎng)爭(zhēng)論作出了貢獻(xiàn)：他們獨(dú)立地計(jì)算了太陽(yáng)從其誕生的氣體和塵埃星云凝聚到其當(dāng)前直徑和亮度所需的時(shí)間。他們的標(biāo)準(zhǔn)估值與湯姆森的計(jì)算一致。然而，他們認(rèn)為太陽(yáng)只是從其引力收縮的熱量中發(fā)光。太陽(yáng)核聚變的過(guò)程還不為科學(xué)所知。

圖解：峽谷暗黑破壞神鐵隕石的碎片。

1895年，約翰·佩里（John Perry）根據(jù)開(kāi)爾文的電導(dǎo)率假設(shè)，對(duì)開(kāi)爾文的數(shù)字提出質(zhì)疑。其他科學(xué)家支持湯姆森的數(shù)據(jù)。查爾斯·達(dá)爾文的兒子，天文學(xué)家喬治·達(dá)爾文（George H. Darwin）提出，地球和月球在它們?nèi)诨脑缙诰鸵呀?jīng)開(kāi)始分裂了。他計(jì)算了潮汐摩擦為地球提供當(dāng)前24小時(shí)所需的時(shí)間。他的故值為5600萬(wàn)年，這增加了更多有力的證據(jù)表明湯姆森是正確的。

湯姆森在1897年給出的最后估計(jì)是：“它已經(jīng)有2000多萬(wàn)年的歷史了，單還不到4000萬(wàn)年，可能更接近于2000多萬(wàn)年。”在1899年和1900年，約翰·喬利（John Joly）計(jì)算了海洋在侵蝕過(guò)程中積累鹽的速率，并確定海洋大約有8千萬(wàn)到1億年的歷史。

鉛同位素等時(shí)線圖顯示了帕特森用于確定1956年地球年齡的數(shù)據(jù)。圖：Jmpalin