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科学史

来源:《科技日报》

“地球有多老？”400年前在欧洲，爱尔兰人詹姆斯·亚瑟被认为是这个问题的权威。有趣的是，他不是科学家，而是大主教。在科学创新之前，“地球时代”的问题与创造的神话联系在一起。因此，“地球有多老？”起初，这是一个神学问题，而不是科学问题。

詹姆斯·亚瑟曾担任爱尔兰天主教大主教，但对科学充满兴趣。他选择了《圣经》年表来按时间顺序排列《圣经》中记载的重大历史事件。他还一起查阅了许多非基督教的古代历史文献，并在《圣经》中逐一标注了相同的事件。经过反复比较和整理，吴学在他1645年的著作《吴学年表》中，根据当时流行的儒略历计算，认为整个世界是上帝在公元前4004年10月22日下午6: 00时发明的。

启蒙运动后，基督教的声望现在岌岌可危。后来的学者选择了越来越科学的方法来计算地球的年龄。法国博物学家布冯收集了许多史前化石。根据这些化石的年龄，布冯估计地球已经超过75000岁了。英国地质学家赫顿提出了“均衡”理论，认为地球的演化是一个杂乱而漫长的过程，我们只能解释和分析每个地质时期的详细变化，但我们无法估计起点和终点。地质灾害的概念后来由雷尔提出，并成为当时的主流概念。博物学家达尔文估计，一些地质变化的过程至少需要3亿年，而地球的实际年龄可能要老得多。

当自然学家和地质学家束手无策时，回答这个问题的重担就落到了物理学家身上。19世纪50年代，德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文勋爵分别提出的热力学第二定律，现已成为学术界的共识。根据热力学第二定律，地球、太阳甚至整个世界都处于散热过程中。根据这一理论，地球在诞生之初是一个高热岩浆球，它的温度随着时间不断下降，直到热量完全消散，变得完全寒冷和死亡。这样，只有我们知道地球的初始温度(即岩浆的温度)、岩石层的热导率和地热梯度，我们才能根据公式计算地球的年龄。

开尔文在1862年发表了一篇题为“地球缓慢冷却”的文章。他把岩浆的温度定在3870℃(实际上应该是700℃-1200℃)，然后估算了热导率和地热梯度的均匀值。开尔文的最终计算结果是9800万年。考虑到预算误差，他提出地球的年龄大约在2000万到4亿年之间。在不断精确的参数之后，开尔文在接下来的几十年里不断修正他的会计结果。1897年，他终于证实地球的年龄应该是2400万年。

根据当时已知的物理理论，开尔文的会计方法极其严格。不仅地质学家不能质疑开尔文的观点，就连像达尔文这样伟大的博物学家也曾经怀疑过他的物种进化理论。然而，开尔文的会计方法基于两个基本假设。第一，地球内部没有其他热源。第二，地球内部是一个均匀的固体。只要这两个假设成立，开尔文的会计方法就是无懈可击的。

科学史上的许多重大发现都来自意外事故。1896年，法国物理学家贝克雷尔意外地发现，铀盐可以使用厚黑纸包裹的底片感光，证明铀可以发出穿透光线。这是人类第一次观察到放射性。两年后，皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇从沥青铀矿中提取了两种新的放射性元素钋和镭，1903年，居里夫妇进一步发现镭在辐射过程中会不断产生热量。与此同时，进入20世纪后，科学家们发现地球内部不是同质的固体，而是共享地壳、地幔和地球中心。到目前为止，开尔文计算地球年龄的两个假设都被证伪了。

历史性的转变发生在1904年。80多岁的开尔文勋爵参加了由英国皇家学会举办的物理会议。他早已成为著名的物理学家。他受到一位年轻物理学家的挑战，他是开尔文晚年最满意的学生——当时33岁的卢瑟福。卢瑟福在会上就放射性变暖对地球估计年龄的影响发表了声明，认为地球内部放射性元素产生的热量可以平衡地球自身的冷却。这对师生代表了本世纪初爆发的两种范式之间的解释。卢瑟福的讨论从理论上推翻了开尔文的计算方法，为后来者开辟了一条新的途径，即通过测量放射性元素的衰变过程来确定地球的年龄。1907年，美国化学家博尔特伍德认为铅是铀放射性衰变的最终产物，并提出了“铀-铅测定法”。同位素被发现后，科学家进一步优化了这种方法。由于铀235和铀238将分别衰变为铅207和铅206，理论上，我们只能通过知道岩石中铅和铀的比例来计算岩石的年龄。

因此，解决这个问题的关键是找到与地球一起形成的岩石。地球表面的岩石经历了混乱的地质运动，陨石来自太阳中的小行星，它们与地球同时形成。在各种陨石中，陨石铁含有非常低的铀含量，这意味着铀衰变的铅非常少。因此，陨石中的铅和铀的比例与地球形成之初几乎相同。美国地球化学家克莱尔·帕特森最终将陨石中的铅和铀份额作为初始值，将地球岩石中的统一铅和铀份额作为最终值，并计算出地球的年龄在41亿至46亿年之间。帕特森对自己的测量结果仍不满意，他发现了另一颗与陨石铁性质几乎相反的石头陨石，即最初的铅含量极低，而陨石中的铅是由铀衰变而来的。总结两次测量，帕特森最终在1956年得出结论，地球的年龄是45.5亿年。

科学讨论终于结束了，但是故事还没有结束。当帕特森在讨论地球表面铅的分布时，他惊奇地发现，进入20世纪后，自然界铅浓度的增加速度突然增加，远远高于过去几十亿年的累积速度。人类工业污染，尤其是燃烧化石燃料，是这些铅的主要来源。意识到这一点，帕特森把他的前半生献给了环境保护。就整个世界而言，地球只是漂浮在世界上的一颗小行星，但就人类而言，地球是我们生活的家园。每年的4月22日是国际地球日，这是一个为保护环境而设立的节日。科学理论可以计算地球的年龄，但是作为我们的家乡，地球需要人类用爱和良知来关心。

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