地球年龄测量的故事，从著名物理学家被“打脸”说起

关于地球年龄的测量，先说一个著名物理学家被打脸的故事。

在所有自然科学中，物理学无疑是最难也是最能揭示世界本质的。

换句话说，如果一个物理学家与其他学科的科学家就一个科学问题发生争执，通常是物理学家笑到最后但凡事总有例外物理学家也被其他学科的科学家狠狠地打脸英国著名物理学家开尔文勋爵就是被狠狠打脸的典型例子之一

开尔文勋爵，原名威廉·汤姆孙，1824年出生于英国一个知识分子家庭他是个神童，10岁考上格拉斯哥大学，22岁成为格拉斯哥大学教授在他的一生中，他发表了660多篇科学论文

更重要的是，他是热力学的开创者之一，为热力学第一定律和第二定律的建立做出了巨大贡献此外，他还发明了后来以他的名字命名的绝对温标这使他成为19世纪最著名的物理学家之一

开尔文勋爵

除了在学术界享有盛名，汤姆森还是一位非常成功的企业家他成立了一家专门生产和销售自己发明的导航罗盘的公司，很快，这家公司成为英国海军最大的供应商，让他赚得盆满钵满此外，他还成立了一家电力公司，因此，他的家成了格拉斯哥第一座有电灯的房子更重要的是，他领导一家公司，成功铺设了第一条横跨大西洋的海底电缆

由于他在学术界和工业界的杰出贡献，威廉·汤姆孙于1892年被英国王室授予第一个开尔文男爵的称号可是，人们更习惯于称他为开尔文勋爵

当然，没有黄金，人无完人开尔文勋爵也制定了两个乌龙球最著名的乌龙发生在世纪之交的1900年

在那年的一次演讲中，开尔文爵士公开宣称物理学的大厦已经建成，剩下的只是一些简单的修补虽然他提到物理学的天空中还飘着两朵乌云，但他认为这只是两个小问题，短时间内就可以完全解决事实证明他大错特错20世纪初，那两朵乌云成为物理学的两座崭新的大厦，分别是相对论和量子力学这一尴尬事件甚至被许多国家写进了初中课本，开尔文勋爵至今仍被世人耻笑

开尔文勋爵制造的另一个乌龙是他对地球年龄的错误估计他用热力学的方法估算了地球的年龄:假设地球最初是一个巨大的火球，伴随着时间的推移，这个火球从外到内逐渐冷却，从而变成了今天的样子，而这个冷却时间就是地球的年龄1862年，他发表了一篇论文，声称地球的年龄在2亿到4亿年之间1897年，他发表了另一篇论文，声称地球的年龄实际上约为2400万年

你可能会疑惑:为什么两篇论文的结果有天壤之别这是因为开尔文勋爵中途意识到，基于当时的物理理论，太阳最多只能燃烧几千万年于是他修改了自己的理论模型，从而大大降低了地球的年龄

可是，很快一群意想不到的人跑了出来，毫不留情地一拳打在开尔文勋爵的脸上。

美国著名电视剧《生活大爆炸》中的谢尔顿是一个相当自负的理论物理学家，喜欢贬低除理论物理之外的其他学科他特别鄙视地质学，甚至公开宣称地质学根本不是真正的科学显然，他对物理学史了解不多因为赶走开尔文勋爵的人是一群地质学家

你可能会问，这些地质学家是怎么计算地球年龄的答案是通过观察一些古老的沉积岩

沉积岩

在地球上，有一种非常重要的岩石类型叫做沉积岩沉积岩的结构是层状的，越往下的沉积岩越古老通过研究某一层岩石的沉积速率，我们可以计算出形成这一层岩石所需要的时间把每层岩石的形成时间加起来，我们就可以估算出形成整个沉积岩地形所用的时间那些地质学家认为这个时间大约是地球的年龄

许多地质学家用这种方法估算过地球的年龄，他们计算出的数字明显大于开尔文勋爵公布的结果举两个例子，查尔斯·达尔文在《物种起源》第一版中宣称，地球的年龄至少有3亿年，剑桥大学三一学院的地质学家塞缪尔·霍顿甚至声称，地球的年龄高达23亿年

这样，关于地球的年龄就出现了两种对立的观点开尔文勋爵认为地球的年龄只有2400万年左右地质学家认为地球的年龄至少有几亿年

双方一直说公平合理，婆婆说合理但是在1907年，一个男人的出现彻底打破了天平的平衡

为了说清楚，我先告诉你什么是放射性所谓放射性，是指一些不稳定的原子核自发发出一些射线，然后衰变为一些稳定的原子核的现象1896年，法国物理学家安东尼·贝克雷尔第一个发现铀具有放射性

两年后，皮埃尔·居里和玛丽·居里发现钋的放射性更强这三个人还分享了1903年的诺贝尔物理学奖

顺便说一句本来评委会只打算把这个奖颁给安东尼·贝克雷尔和皮埃尔·居里但皮埃尔·居里非常爱他的妻子，坚持要把居里夫人列为获奖者，否则他不会去瑞典领奖在咨询了贝克雷尔的意见后，评奖委员会作出如下决定:贝克雷尔独自获得1/2奖金，居里夫妇各获得1/4奖金

1903年诺贝尔物理学奖获得者

多亏了皮埃尔·居里的坚持，居里夫人才没有被历史埋没1907年，打破平衡的人终于出现了他就是欧内斯特·卢瑟福，英国著名的物理学家

在物理领域，卢瑟福是出了名的看不起其他学科他曾经说过这样一句名言:世界上所有的科学不是物理就是集邮言下之意，和物理学相比，其他自然科学和集邮是一个层次的这句话得罪了很多其他学科的科学家，其中化学家反应最为激烈事实上，他们甚至通过授予卢瑟福诺贝尔化学奖来报复他

20世纪初，人们知道放射性元素的一些原子核会自发衰变为其他元素的原子核，从而减少放射性元素的质量。

1907年，卢瑟福发现了一个非常奇妙的现象:对于所有的放射性元素来说，它们的原子核衰变到只有一半的时间是固定的比如100公斤的一种放射性元素衰变到只有50公斤，50公斤同样的放射性元素衰变到只有25公斤，用的时间完全一样

欧内斯特·卢瑟福

卢瑟福的发现有很大的实用价值例如，如果一件古董含有放射性元素，我们可以通过测量这种放射性元素与最终衰变的元素之间的比率来确定古董的年龄

换句话说，我们可以用放射性元素的半衰期作为标准时钟来衡量古代物体的年龄事实上，无论是开尔文勋爵的热力学方法，还是地质学家的沉积岩方法，与这种利用放射性元素半衰期的方法相比，其测量精度都要差得多

通过研究一些古老矿物的衰变，卢瑟福发现地球至少有7亿年的历史这个结果宣告了地质学家的胜利

更重要的是，卢瑟福的发现为测量地球年龄指明了方向只要能找到地球上最古老的岩石，然后利用一种放射性元素的半衰期计算出它的年龄，就可以估算出地球的年龄当然，应该用哪种放射性元素来测量，还是一个悬而未决的问题

下一个做出重要贡献的人是英国地质学家阿瑟·霍姆斯霍姆斯主要关注铀235，这是铀的一种同位素大家应该对铀235很熟悉，因为它后来成为制造原子弹的主要原料铀235具有放射性，可以自发衰变为铅207，更重要的是，铀235的半衰期长达7亿年所以可以作为测量地球年龄的理想时钟

通过测量古代岩石中铀235和铅207的比例，霍姆斯在1927年发表了一篇文章，声称地球的年龄在16亿到30亿年之间1946年，他又发表了一篇文章，声称地球的年龄应该在30亿年以上

1948年，芝加哥大学的地质学教授哈里森·布朗也对地球的年龄产生了兴趣但他意识到这是一个大洞，不想愚蠢地跳进去因此，布朗把确定地球年龄的任务交给了他的博士生克莱尔·彼得森为了让彼得森跳进这个坑，布朗骗他说这个课题小菜一碟结果彼得森被骗进来了

克莱尔·彼得森

本世纪难题的终结者登上了历史舞台。

人们过去通过测量地球的年龄来寻找一些特别古老的岩石但问题是，那些所谓的古老岩石，其实是在地球诞生后很久才形成的换句话说，如果我们只研究地球上的岩石，我们可能会大大低估地球的年龄

彼得森另辟蹊径，提出了一个非常大胆的猜想:那些从太空坠落的陨石，其实是太阳系形成初期遗留下来的建筑材料，太阳系最原始的化学成分仍然残留在其中换句话说，这些陨石实际上和地球一样古老

这样，只要用霍姆斯的方法精确测量这些陨石存在了多少年，就可以计算出地球的年龄这个异想天开的想法，像天上飞来的仙女，为解决地球时代的世纪难题带来了真正的曙光

当然，成功之路往往并不平坦在实际测量过程中，彼得森遇到了一个大麻烦:陨石样本一接触空气，样本中的铅含量就会立即显著上升，换句话说，这些样品很容易被空气中的铅污染为了解决这个问题，彼得森在他工作的加州理工学院建立了世界上第一个无菌实验室他在无菌的实验室里精心挑选了古代陨石的样本，并精确测定了其中铀和铅的比例七年后，他的努力终于有了回报

1955年，彼得森在一次学术会议上正式宣布，地球的确切年龄为45.5亿年结果到现在也没有大的变化经过近百年的努力，人类终于测出了地球的年龄

再说几句彼得森吧因为测量地球年龄并不是彼得森一生的顶点

成名后，彼得森开始关心另一个问题:为什么大气中有这么多铅通过研究不同年代格陵兰岛的雪层，他发现大气中的铅含量在1923年突然急剧增加那一年，美国的三家巨无霸公司成立了一家合资企业，名为乙基汽油公司，开始在世界各地销售含铅汽油

从那时起，彼得森开始了保护环境的长期斗争他经常公开抨击乙基汽油公司，呼吁政府尽快立法禁止销售含铅汽油

乙基汽油公司的反击非常激烈它利用各种关系阻止彼得森获得更多的研究经费此外，它还不断向加州理工学院董事会施压，要求彼得森丢掉工作

这几乎是一个不可能完成的任务:一个普通人要独自对抗一个庞大的利益集团幸运的是，彼得森没有放弃在他的不断呼吁下，环保意识在美国民众心中逐渐觉醒1970年，美国国会提出了清洁空气法案1986年，美国政府禁止所有含铅汽油的销售经过几十年的艰苦奋斗，彼得森终于笑到了最后