于鹏翔

亚里士多德《气象学》

古人眼中的地球

古人把关于地球的很多问题归结为“创世”问题，比如在印度教里一个轮回需要43.2亿年。现在，我们知道地球的年龄大约是45.5亿岁，很多人看到这两个数字十分接近，就认为古印度人一定获得了什么神秘力量。但其实这只是一种巧合而已。古印度人得出的“43.2亿”这个数字和玛雅人预测地球要在2012年后开始一个新的轮回是类似的，都是古人借由传说和对自然的观察得出的一些假想结论。虽然古人没有什么实质性证据来证明自己的假想，但很多古老的文明却对地球有一种普遍性的认知，即地球处在不断的变化之中。比如亚里士多德在《气象学》一书中就阐述了这一观点：“地球的相同部分并非总是潮湿或干燥的，而是随着河流的出现和干涸而发生变化。陆地和海洋之间的关系也会发生变化，一个地方并非总是陆地或海洋。以前是陆地的，现在可能变成了海洋，而现在是海洋的，有一天也可能变成陆地。” 简单来说，亚里士多德认为地球是在不停变化的，而且这种变化非常缓慢，变化的年限远远超过了人的寿命。

到了17世纪，爱尔兰的詹姆斯·乌舍尔根据《圣经》中的人物关系，再结合一点儿天文历法知识，算出了一个精确的创世时间，即世界诞生于公元前4004年10月22日星期六下午6点左右。若按乌舍尔所说，地球现在不过6000多岁。

海洋生物化石

测算地球年龄的科学之路

经历了文艺复兴和地理大发现之后，有不少人开始用理性和科学的方法重新思考地球的年龄问题。其中，一位杰出代表就是苏格兰的地质学家詹姆斯·赫顿。被誉为“地质学之父”的赫顿观察到了地球复杂的地层构造，他认为这些地层都是在地球“成长”的历史中一点点沉积下来的。而这个沉积的过程十分漫长，用他的话说就是“没有开始，也没有结束”。因此，他觉得地球的年龄要比6000岁大得多。

一位名叫查理斯·莱尔的人因受赫顿思想的启发，写出了一本叫作《地质学原理》的书。这本书中延续了赫顿的观点：地球处在缓慢的、不停歇的演变之中。而这本《地质学原理》后来又启发另一位伟大的科学家——查尔斯·达尔文写出了著名的《物种起源》。

赫顿虽然通过观察否定了关于地球诞生只有6000多年的观点，但他也没有算出地球具体的年龄。与此同时，人类挖掘出各种各样的古生物化石，证明在人类诞生之前，地球上就已经存在各种各样的生命了。

根据在内陆高山上发现的海贝化石，法国人德梅耶认为地球曾经被海水淹没，后来海水以大约每100年下降7.5厘米的速度退去。根据这个速度，德梅耶推算出地球大概有20亿岁。但是他不知道地壳可以通过隆起的方式把原来在海底的東西带到地表之上，而且海水退去的速度也并非他所估算的那样。虽然他的推算不够严谨，但他却成了从自然角度思考地球年龄的先行者。与他类似，还有人想通过计算地球表面的沉积速度来推算地球的年龄。而我们熟知的“哈雷彗星”的发现者爱德蒙·哈雷则提出通过海洋中的盐分来推算地球年龄的方法。100多年后，一位爱尔兰的科学家约翰·乔利在取得一些数据后，通过计算海洋中的盐分得出地球的年龄——9000万岁。

在大家用地理学知识计算地球年龄的时候，物理学家牛顿则想通过物理学的方法解开这道世纪难题。他找人做了一个小铁球，通过实验他获知这个小铁球从烧得通红的状态冷却至正常温度需要一个小时。由此他推算出地球从早期炙热状态冷却至正常温度用了大约5 万年。牛顿一生成就无数，但在推算地球年龄这件事上他却没能被载入史册。不过，虽然牛顿计算错误，但是他却开启了用实验的方法和热量计算的思路测算地球年龄的道路。沿着牛顿的思路，又有很多科学家测算过地球的年龄，但总是不够准确，直到威廉·汤姆森的出现。这位汤姆森先生还有另一个更加响亮的名字——开尔文。没错，就是那个用名字命名了热力学温度单位的“开尔文”。

威廉·汤姆森

当时，英国工业革命正如火如荼地进行着，大量的煤矿被开采。人们采煤的时候发现地球表面以下越深的地方温度越高。受此启发，开尔文用他最擅长的热力学的方法尝试计算地球的年龄，而他得到的结果是2400万年，而后又修改为2000万年至4亿年之间。

测算地球年龄的尺子

开尔文之所以计算错误的一个重要原因就是他不知道地球内部在不停冷却的同时，各种放射性元素还在给地球缓慢地加热。“放射性”这个词是居里夫人发明的，而真正对放射性元素进行科学解释的是英国科学家欧内斯特·卢瑟福。他发现放射性元素的衰变是有时间规律的。我们是不是可以通过放射性元素的衰变周期来测算地球的年龄呢？没错！但是什么元素能够有幸成为这把测算地球年龄的标尺呢？

在第二次世界大战期间，因为原子弹的研制，人们对一种放射性元素“铀（yóu）”有了深入的认识。人们发现铀会衰变成铅，而后人们又发现有一种铀变成铅的半衰期居然长达44.7亿年，这说明它极有资格充当测算地球年龄的标尺。但是，这把尺子在哪儿呢？想要用铀测出地球的年龄，必须要找到一块在地球形成之初就存在的岩石。这项工作看似简单，但地球从诞生到现在经历过无数次海陆变迁、岩浆喷发和地壳运动，在这种情况下寻找一块原始的石头，就相当于你从楼上撒下一把米，过了一百年之后再让你去找寻它们，可想而知难度有多大。

硅铅铀矿

幸运的是，科学家们通过各种方法找到了很多岩石样本，其中在澳大利亚发现的一块远古锆石晶体被测出已有43.74亿年的历史。这也是迄今为止人类在地球上发现的最古老的岩石。但是谁也不知道在未发现的岩石中是否还有比43.74亿年更久远的，所以我们只能说地球至少有43.74亿岁，而无法得出更准确的数字。

远古锆石晶体（显微图）

陨石撞击形成的巨大陨石坑

这时，天文学家提出了新的解题思路。他们推测太阳系中的各个天体应该是在同一时期形成的。既然在地球上很难找到形成初期的岩石，那么宇宙中的石头是不是能帮上忙呢？怎么找到宇宙中的石头呢？科学家们想到了陨石！ 1956年，美国的地球化学家克莱尔·帕特森根据一块在美国亚利桑那州恶魔谷发现的陨石，并结合“铀- 铅法”测定地球有45.5亿年的历史，正负误差为0.7亿年。到这里，放射性计年法终于帮我们找到了答案，人类对地球的了解又近了一步。

克莱尔·帕特森

拯救人类的帕特森

说到这位克莱尔·帕特森，他不但是一位杰出的科学家，更是一位拯救了世人的英雄。他在用“鈾- 铅法”测定地球年龄的过程中，发现样品中的铅含量总是不稳定。为此，他用了六年的时间辛苦建立起人类历史上第一个超级洁净室。同时，他还发现了一个惊人的事实：由于当时含铅汽油的广泛使用，人们生活环境中的铅含量激增。铅对于人类尤其是儿童的神经有着致命的影响。当帕特森发现这一事实后，毫不犹豫地向公众公布了此事。随后，他便受到来自石油界的攻击。那些石油企业利用广告、官员、科学家来反对甚至诬蔑帕特森，但是帕特森没有退却，他坚持自己的研究并不断向公众和政府展示含铅汽油对人类的危害。就这样，他苦苦坚持了20年，直到20世纪80年代，铅才终于在美国的消费品中被禁止使用。而后，含铅汽油在世界各地也相继被禁止。

帕特森在加州理工大学的实验室

这位测出了地球年龄的科学家用他的恒心、良心和决心拯救了饱受铅毒之苦的人们。关于帕特森的故事，纪录片《宇宙时空之旅》中就有详细的介绍，同学们有时间可以去看一看。

《宇宙时空之旅》

今天，我们很轻易就能说出地球的年龄，殊不知得出这一数字的背后还有那么曲折的历程！从传说、假想到通过自然地理测算，再到物理学家、天文学家齐出动，最后终于得出了“45.5亿”这个数字！通过这些故事，我们看到科学家除了用智慧推动人类的进步，还在用良知和勇气守护着人类的未来！希望大家在记住“45.5亿”这个数字之外，也能感受到科学家们不断求知、勇于求真的科学精神！