地球的年龄有多大？
点击上方蓝字关注“中国国家地理”
人类文明史已经有6千年
那么
地球的年龄有多大？
趣说地质学--地球的年龄有多大
作者：王清晨/中国科学院地质与地球物理研究所（已退休）
自创造出文字算起，人类文明史已经有6千年。自进化成早期猿人（能人）算起，人类演化史已经有250万年。
那么，自太阳系诞生算起，地球演化史有多少年？
或者问，地球的年龄有多大？
很久很久以前，这个问题的答案是从神话和神学得到的，欧洲文艺复兴之后，科学的答案才逐步浮出水面。
（一）从327.6万年到6000年
我们中国把盘古开天辟地作为世界的发端。
盘古开天地是在哪一年？
三国时，魏国有个语言学家，名叫张揖。他在魏明帝太和年间（227～232年）编写了一本百科词典《广雅》。其中第9卷“释天”中写道：“天地设辟，人皇以来至鲁哀公十有四年，积二百七十六万岁，分为十纪，每纪二十七万六千年。”
这是说，盘古开天辟地后，自人皇算起，到春秋鲁哀公十四年（公元前481年），共276万年。
计算依据呢？
没有。不过，有人说，这可能算少了！
唐代史学家司马贞（679～732年）认为，史记应该从盘古开天辟地起，记述到当代，但司马迁的《史记》中缺了天、地、人三皇。
于是，他为司马迁的《史记》补写了“三皇本纪”。书中在叙述了三皇之后写道，“故春秋纬称，自开辟至于获麟，凡三百二十七万六千岁”。
就是说，从盘古开天辟地到鲁哀公十四年（公元前481年）捕获麒麟，一共经历了327.6万年，比张揖的估算多了50多万年。
虽然司马贞补上了天、地、人三皇，但这个数字同样没有科学依据，他引用的“春秋纬”本来就是汉代儒术与神学相结合的作品。
唐代史学家司马贞（679～732年）
（图片来源：公共网络）
17世纪时，英国有个天主教会的大主教，名叫詹姆斯·乌雪（ James Ussher，1581～1656年）。
他从1625年一上任就想做件轰轰烈烈的大事。于是，他要计算一下地球的年龄。
詹姆斯·乌雪（James Ussher，1581～1626年）
（图片来源：公共网络）
《圣经》讲，上帝用6天创造了世界，并没有指明具体年份。
乌雪很博学，精通数学和历史。他找了一些《圣经》和史书中都明确记载的同一事件，这样，就能把《圣经》中提到的年份和历史文献的年份对上号。
例如，新巴比伦国以未·米罗达登基时是在主耶稣诞生前562年，也就是公元前562年；罗马凯撒大帝于公元前44年去世，那一年是儒略历第2年；等等。
经过多年考证，乌雪大主教终于在1654年得出了一个“无比精确”的结论：世界创造是在公元前4004年10月22日星期六下午6点完成的。
这就是说，地球的年龄差不多有6000年。
乌雪对他的推算结果十分得意，迫不及待地发表了《乌雪年表》。
他的推算结果刚一公布，立即得到了宗教界的广泛认可。
乌雪的推算被印进了英国1701年出版的《圣经》。从此，乌雪给出的“地球年龄是6000年”的结论就成了整个宗教界信奉的真理。
（二）从75000年到“无穷老”
地球内部是热的。
德国的数学家和哲学家莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646～1716年）于1693年发表《原始地球》的提纲。
按照笛卡尔的漩涡理论，他认为地球是太阳系中旋转的星体。
莱布尼茨还把对熔炉中化学反应过程的观察扩大到地球，提出地球表面曾是熔融的玻璃质，被矿渣似的黑子覆盖着，后来才逐渐冷却。
法国博物学家布丰（C. de Buffon，1707～1788年）接受了漩涡理论，并且采用英国宇宙学家惠斯顿（William Whiston，1667～1752年）观点，提出太阳系是太阳和彗星撞击形成的，炽热的熔岩冷却以后形成了地球。
1749年，布丰出版《自然史》，发表了他的观点。
《自然史》中还公布了他对地球年龄的测算结果。
布丰按照地球不断冷却的理论，着手去测定地球的年龄。
他在铸铁厂里准备了一套不同大小的铁球，把这些铁球加热到几乎融化的程度，然后放到地窖里去冷却，测量不同大小的铁球冷却到地窖的室温各用多少时间，从而，得到了不同大小铁球的冷却速率。
他发现，这些铁球的冷却速率和它们的直径具有明确的比例关系。
由此，他计算出了地球直径那样大的铁球冷却到地窖室温需要多长时间。
接着，布丰又用金属和非金属的混合物模仿地球的成分进行试验，并在计算中考虑到，地球在冷却过程中还会吸收太阳热。
最后，布丰计算出，地球自熔融状态冷却下来，至少需要75000年，或许需要更长的时间，比如说，300万年。这就是地球的年龄。
不过，布丰在1749年只公布了他计算的最小值。
把烧红的铁球冷却到地窖室温
最小值？
布丰给出的75000年可比乌雪推算的6000年大多了！
这是对《圣经》的大不敬呀！
果然，布丰的观点立即受到天主教的谴责和反对。
1751年，巴黎大学神学院警告他，《自然史》中的这些观点必须收回。
压力山大，布丰只好公开表示放弃这些观点，但内心并不屈服。
他在后来的著作中继续宣传他的思想，在没来得及发表的一些手稿中，他明确指出，地球的年龄在300万年以上。
和法国相比，在当时的英国，地质学的研究受到宗教界更为严密的监控。英国甚至出现“圣经地质学（Scriptural Geology）”学派。
他们认为，地质学家应该在教会的允许下进行研究，并为神学服务。
19世纪初，牛津大学还没有地质学教授，但这所高等学府竟然认定，地质学教授的席位要由牧师担任。
果然，1819年，牛津大学聘任的第一任地质学教授W.巴克兰就是一位基督教教士会成员。
巴克兰努力要说明，地质学和英国国教神学如何能很好地协调一致。
这种拿《圣经》当令箭的做法，肯定会阻碍地质学的发展。
不过，“草根”地质学家们可是从来不服管。
英国的赫顿、莱伊尔等人根据自己的观察，提出了现实主义的均变论。
1785年，赫顿不顾宗教界的反对，在《地球的理论》中明确指出，自然规律是不变的，过去留下的地质现象可以用今天看得见的自然过程去解释，而这些作用过程一直在缓慢地进行着，看不到开始，也看不到结束。
1830～1833年，莱伊尔出版了三卷本《地质学原理》。他在书中指出，地壳岩石记录了亿万年的历史，可以客观地解释出来，而无需求助于《圣经》。
赫顿和莱伊尔都认为，地球上的地质作用是极其缓慢的，自然法则始终如一。
他们都强调地球年代的无限久远和地质过程的无始无终。
换句话说，他们都认为地球的年龄“无穷老”！
（三）“无穷老”，还是1亿年？
科学的进步是神学阻挡不住的。
科学的进步又是曲折的。
科学家们各人的知识结构不同，掌握的资料不同，看问题的角度不同，思考问题的方式不同，这些都会引起科学家们的争论。
当“地球年龄是6000年”成为笑谈之后，地质学家和物理学家对地球的年龄发生了争执。
莱伊尔的现实主义均变论对C.达尔文的影响很大。
在1859年出版的《物种起源》中，C.达尔文提出，生物的进化是极其缓慢的，地球的年龄极其古老。
他眺望着维尔德山谷进行估算，如果海水以每个世纪一英寸的速度侵蚀岩层，那么，维尔德山谷的形成至少需要3亿年时间。
有一位和C.达尔文同时代的物理学家，对这种估算很不以为然。这位物理学家就是热力学的开创者之一汤姆森（William Thomson，1824～1907年）。
由于对热力学的重大贡献，汤姆森被册封为开尔文勋爵（Lord Kelvin），他创建的绝对温度温标体系的单位就是以开尔文的字头“K”命名的，0 K = -273.15℃。
1862年，开尔文发表论文，说太阳在不断冷却，从太阳系诞生冷却到现在，大约用了1亿年至5亿年，这就是地球的年龄。
文中直言不讳地批判了C.达尔文提出的生物演化需要无限“时间支出”的论点。
汤姆森（William Thomson，Lord Kelvin ，1824～1907年）
（图片来源：公共网络）
1863、1864和1868年，开尔文连续发表论文，从热力学角度详细论证了地球从熔融状态到全部固结冷却所需要的时间。
他综合考虑了地球的地热梯度、地球的扁球形状、旋转速率以及潮汐的摩擦力等因素，最终估算出，地球冷却固结到今天所需要的时间是1亿年。
地质学家对物理学家的严谨论证非常尊重，不懂数学和热力学的C.达尔文更是无力向开尔文提出挑战。
地质学家们心中忐忑，却又不得不接受地球年龄是1亿年的观点。
（四）46亿年：地球的“绝对年龄”
19世纪最后几年至20世纪初是物理学大发展时期。
法国物理学家贝可勒尔（A. Becquerel，1852～1908年）、皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇（Pierre Curie，1859～1906年；Marie Curie，1867～1934年）于1903年被授予诺贝尔物理学奖，表彰他们对放射性现象研究的非凡成果。
贝可勒尔
（1852～1908年）
M.居里
（1867～1934年）
P.居里
（1859～1906年）
（图片来源：公共网络）
1903年，皮埃尔·居里代表居里夫人在获得诺贝尔奖后发表了关于镭的演说。
他说，“镭这种放射性物质是一个持续不断的能源。”
他在和拉博德（A. Laborde）的合作研究中发现，1克镭在1小时内能放出100卡的热量，卢瑟福等人也曾测量过镭释放的热量。
皮埃尔·居里的演说甚至提到，“放射性现象对地质学也有意想不到的重大意义。
…某些元素是在一定时间内由其他元素产生的，这个时间可能就是地质年代的标志。
这是一个新的观点，地质学家们将会加以考虑。”
听到这个演说，乔治·达尔文（George Darwin，1845～1912年）异常兴奋。
乔治·达尔文是C.达尔文的儿子，是一位杰出的天文学家和地球物理学家。
他曾经很为父亲他们这些地质学家打抱不平，但又找不出开尔文论证中的问题。
就连他自己都曾经估算过，地球的年龄只有5600万年。
现在好了，放射性拯救了地质学家！
乔治·达尔文于1903年指出，开尔文的模型错了，地球不只是向太空散热，放射性元素衰变产生的热会给地球带来持续的热量补充。
是颠覆开尔文结论的时候了！
1903年，卢瑟福发表论文指出：
对每一种放射性同位素来说，任一时刻放射性母体同位素的衰变速率都和当时的母体剩余量成正比，这个比例系数是恒定的，称为“衰变常数”；每种同位素衰变到最初总量只剩一半时所用的时间也是恒定的，称为这种同位素的“半衰期”。
根据这一原理，卢瑟福提出，可以用含铀矿物中累积的氦的数量来测定铀矿物的年龄。
1904年，卢瑟福用这种方法实际测定了几块铀矿物，得到的年龄都在5亿年以上。
他在一次学术会上报告了初步成果，开尔文勋爵去听了，就坐在听众席的前排。
当卢瑟福讲到关键点时，看到了开尔文勋爵“怒视的目光”。
卢瑟福忽然灵机一动，他说，
“开尔文勋爵已经给出了地球的年龄，条件是没有发现新的热源。他预见中的新热源就是我们今天讲的放射性矿物！”
开尔文勋爵苦涩地笑了，他的方法和结论都被颠覆了。
回想起1881年的地质年代划分方案（参见文末《地质学中的“圈地运动”》），只有寒武纪、侏罗纪，…等这些时间代名词，只能表示岩石地层相对年龄的新老。
现在不同了，岩石有了确定的同位素年龄数值，与“寒武纪”等那些相对年龄相比，这无疑称得上是“绝对年龄”。
C.帕特森（1922～1995年）
（图片来源：公共网络）
很可惜的是，卢瑟福又去继续他的核物理研究了，没想去测算地球的年龄。
历史把这个任务交给了C.帕特森（Clair C. Patterson，1922～1995年）。
C.帕特森在读研究生期间就参加了美国政府制定的“曼哈顿”核研究计划，在那里学会了使用质谱仪。
1948年，他在导师H.布朗（Harrison Brown）指导下，在芝加哥大学做关于陨石中铅同位素含量测定和计算的博士论文。
方法是布朗新开发的，帕特森的任务是收集陨石样本和测定计算。
他们假设陨石是太阳系中没能形成较大天体而散落在太空的遗留物，这就意味着，这些陨石是地球的孪生兄弟。
只要测出陨石的年龄，就差不多知道地球的年龄了。
1952年，获得博士学位的帕特森去加州理工学院任教，但一直还在想着测算地球的年龄。
1953年，他拿到了来自亚利桑那州巴林杰陨石的样本，立即带到设在芝加哥大学的阿贡国家实验室，那里曾是“曼哈顿计划”的实验基地，有世界上最先进的质谱仪。
实测结果很快出来了：45.5±0.7亿年。这就是地球的精确年龄值。
1956年，成果发表了，帕特森成为地球上第一个测算出地球“绝对年龄”的人。
亚利桑那州巴林杰陨石坑（2017年拍摄）
巴林杰陨石坑展览馆中陈列的铁陨石（2017年拍摄）
帕特森测定出地球的年龄值是45.5亿年
（图片来源：公共网络）
（五）结语
帕特森对地球年龄的测算不是根据地球本身的岩石，是借助于陨石。
月球是离地球最近的太阳系成员。
人类实现登月以后，对月球表面的岩石和粉尘进行了取样和测定，结果表明，月岩的年龄为45.2～46.0亿年，粉尘的年龄也达到46亿年。
因此，包括地球在内的太阳系行星体的形成时间最可能是在45.5～46亿年间。
当然，这些测定都依赖于同一个假设：太阳系所有行星体都是同时形成的。
最新的研究成果证明，太阳系行星体的起源存在着时间差别。
因此，要获得地球更精确的年龄值仍有待于进一步的深入研究。
本文转载自：中科院地质地球所
作者：王清晨
美编：杜欣雨
校对：张 崧
往期美图
别错过
长按识别二维码关注
（微信号：dili360）
