地球年齡的故事

耿明

法國(guó)物理學(xué)家Antoine Henri Becquerel（1852—1908）和他的父親Alexander Edmond Becquerel（1820—1891），都曾將許多晶體、礦物和巖石碎片在亮光下暴曬，然后再在暗房中檢查看有沒有輝光發(fā)出來研究磷光發(fā)光行為。在這其中他們收集的一些鈾鹽會(huì)在強(qiáng)光照射后自發(fā)發(fā)出磷光。1896年1月，Henri Becquerel在和法國(guó)數(shù)學(xué)家Henri Poincaré（1854—1912）討論時(shí)德國(guó)物理學(xué)家Wilhelm R?ntgen（1845—1923）在上一年的十一月發(fā)現(xiàn)的X射線。R?ntgen用他的神秘的X射線在真空管中制造出了一種磷光。Becquerel沖回自己的實(shí)驗(yàn)室后，急忙就想看看自己的鈾鹽是不是有和X射線相似的性質(zhì)，比如穿透紙張、衣服、皮膚甚至人體組織的能力。他將他父親的鈾鹽放在了用紙包著的照相底片旁邊，然后發(fā)現(xiàn)雖然印記模糊但是照相底片被感光了。但與X射線不同的是，他發(fā)現(xiàn)的射線會(huì)隨電場(chǎng)和磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，這種射線就在1896年就被叫做了“貝克勒爾射線”。因?yàn)檫@一性質(zhì)是所有鈾鹽都共有的，即使那些不發(fā)出磷光的鈾鹽也具有相同的性質(zhì)，所以Becquerel就認(rèn)為這是鈾原子所特有的性質(zhì)。

Becquerel發(fā)現(xiàn)了放射性之后，

Pierre Curie（1859—1906）和Marie Curie

（1867—1934）研究出了測(cè)試原子放射性的方法。居里夫婦通過他們和貝克勒爾的實(shí)驗(yàn)展示了鐳鹽的放射過程在不斷地放熱。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓大眾和科學(xué)家們都感到十分興奮。這樣的能量是怎么創(chuàng)造出來的？1903年Becquerel和居里夫婦分享了當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)夫婦的浪漫事跡極大地提高了剛剛建立不久的諾貝爾獎(jiǎng)和放射性研究在公眾中的威望。居里夫婦也成了20世紀(jì)第一對(duì)知名的科學(xué)夫妻。Marie Curie對(duì)如何將放射性運(yùn)用于醫(yī)學(xué)特別關(guān)注，并和他的女兒（Irene）一同致力于使用鐳減輕在一戰(zhàn)中受傷的士兵們的痛苦的研究。在戰(zhàn)后，對(duì)鐳的需求也隨著經(jīng)濟(jì)大蕭條急轉(zhuǎn)直下。人們也越來越多地了解到過量輻射的危害。

20世紀(jì)對(duì)發(fā)射性的發(fā)現(xiàn)改變了人類的歷史，這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了原子彈、核能以及對(duì)癌癥的放療化療這些廣為人知的例子。在地球科學(xué)研究的歷史里，放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也帶來了定年技術(shù)的發(fā)展，使得人們能夠確定從巖石到骨頭，甚至是最早的洋流的年齡。二戰(zhàn)期間的核試驗(yàn)造成的放射性碳的塵埃在海底沉積物中留下了十分明顯的印記，海洋學(xué)家就使用這一明顯的標(biāo)記來確定他們鉆孔巖心樣品中的20世紀(jì)50年代。

看到19世紀(jì)20世紀(jì)之交對(duì)原子性質(zhì)的激動(dòng)人心的揭示，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家Thomas C. Chamberlain（1843—1928）在1899年對(duì)當(dāng)時(shí)流行的地球是由一個(gè)熔融的大火球慢慢冷卻至今的假說提出了質(zhì)疑。他認(rèn)為地球是由冷增生開始形成的，地球內(nèi)部的熱量應(yīng)該是由原子的放射性現(xiàn)象造成的。如果說原子有這么多的秘密還沒有揭開，那行星和恒星一定也還有很多我們不知道的。

1902年，在加拿大蒙特利爾的麥

吉爾大學(xué)，英國(guó)化學(xué)家Ernest Rutherford

爵士（1871—1937）和Frederick Soddy（1877—1956）發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象是由于原子的分解的過程造成的。他們發(fā)現(xiàn)了從放射性原子中發(fā)射出來的α離子和大量的能量。Rutherford這個(gè)成長(zhǎng)在新西蘭的英國(guó)科學(xué)家將放射性現(xiàn)象和放出的熱量聯(lián)系了起來。他很快就開始考慮將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)中，他發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象可以用來確定地球的年齡。在1904年春天，倫敦皇家學(xué)會(huì)請(qǐng)Rutherford作一個(gè)關(guān)于他的發(fā)現(xiàn)的報(bào)告。他在自己的回憶錄中寫道：

“我走進(jìn)半灰暗的屋子，突然發(fā)現(xiàn)開爾文勛爵就在聽眾之中，隨后便意識(shí)到我正處于一個(gè)麻煩的境地，因?yàn)槲覉?bào)告的最后一部分將會(huì)講到地球年齡的部分，而我的觀點(diǎn)與他有很大分歧。讓我欣慰的是，開爾文很快就在會(huì)議中睡著了。但是，當(dāng)我剛剛講到這一重點(diǎn)部分的時(shí)候，我看到那只老鳥坐起來了，睜著眼睛惡狠狠地盯著我。此時(shí)我靈機(jī)一動(dòng)，我說‘開爾文勛爵在沒有新的熱源被發(fā)現(xiàn)的情況下約束了地球的年齡，這一先賢的名言讓我們注意到了我們今天晚上一直在討論的鐳?？矗沁@個(gè)老兄啟發(fā)了我。”

被冊(cè)封為拉各斯Kelvin男爵（Lord Kelvin）的蘇格蘭物理學(xué)家William Tho-

mson（1824—1907），他在Rutherford

的演講之前的40年里一直統(tǒng)治著對(duì)地球年齡的討論。他支持地球和太陽都是有大的熔融體形成，然后穩(wěn)定的冷卻至今的假說。根據(jù)當(dāng)時(shí)礦井中的研究，地球表面溫度每向地面下15米增高1℃。為了計(jì)算從熔融的地球到形成這樣的表面地溫梯度經(jīng)歷了多長(zhǎng)時(shí)間，Kelvin需要計(jì)算巖石的熱傳導(dǎo)速率。1820年法國(guó)科學(xué)院終于發(fā)表了Joseph Fourier在1807年寫出的計(jì)算熱傳導(dǎo)速率的數(shù)學(xué)方程。但是由于不知道地球內(nèi)部的環(huán)境，Kelvin只好做了幾個(gè)大的假設(shè)來求解Fourier的方程。他加熱了不同類型的巖石來確定巖石傳導(dǎo)熱的能力，并推測(cè)出早期的熔融地球大概有4000℃。他一開始確定出地球大概有9億8千萬年的年齡，但是他的估算中存在很大的不確定度，他之后將自己的結(jié)果改到一個(gè)他認(rèn)為可能的范圍。他宣布地球大概是2千萬年到4億年前形成的。

大多Kelvin的批評(píng)者們對(duì)Kelvin計(jì)算地球年齡的計(jì)算方法表示贊同，但是認(rèn)為Kelvin的計(jì)算結(jié)果出乎了所有人的意料。另外一些對(duì)Kelvin的挑戰(zhàn)是認(rèn)為他對(duì)地球冷卻階段中隕石撞擊帶來的熱量的估算偏低。但是，僅僅隕石的因素并不能明顯地影響Kelvin的計(jì)算結(jié)果，況且他的計(jì)算方法也統(tǒng)治著這個(gè)學(xué)術(shù)討論領(lǐng)域。（Kelvin也確實(shí)曾為了與Darwin的進(jìn)化論進(jìn)行爭(zhēng)論的時(shí)候提高了地球遭到隕石撞擊所接受的熱量。）

Rutherford錯(cuò)誤地認(rèn)為Kelvin勛爵會(huì)欣然接受自己的想法。然而Kelvin勛爵并沒有很快地接受鐳的放射性會(huì)放出熱量改變地球內(nèi)部的熱狀態(tài)，而且還發(fā)表了一篇短文來批評(píng)這一觀點(diǎn)。他一直沒有公開放棄他對(duì)地球年齡估算中的假設(shè)，只是在當(dāng)年的一次在英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議上與一位同行的一次交談中他才承認(rèn)自己的估計(jì)可能有錯(cuò)。但是他并沒有發(fā)表任何撤銷原來估算的聲明，所以他依然在計(jì)算地球年齡的領(lǐng)域里保持著自己的權(quán)威，并且很少有人挑戰(zhàn)他。之后Rutherford的研究就轉(zhuǎn)向了其他方向，而美國(guó)的Bertram Boltwood（1870—1927）和英格蘭的Robert John Strutt（1875—1947）繼續(xù)著這一方向的研究。

1906年，Strutt（第四任Rayleigh男爵）發(fā)現(xiàn)地殼中放射性的巖漿巖中的熱量比Kelvin計(jì)算的地球散失的熱量還要多。這是Kelvin的支持者們不能忽視的一個(gè)證據(jù)。地球確實(shí)有自己的熱源，而且即使地球在降溫，也可能沒有降得如他們?cè)认氲哪敲纯臁?/p>

經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)和通過與Ruth-

erford的信件交流，Blotwood知道了放射性元素的原子核會(huì)在放射現(xiàn)象過程中發(fā)生改變。比如鈾元素或者釷元素會(huì)在一系列的衰變反應(yīng)中分解成其他元素（子元素）。1907年，Boltwood發(fā)現(xiàn)經(jīng)過這樣一系列的衰變反應(yīng)，鈾元素會(huì)最終穩(wěn)定的衰變成鉛元素。

放射現(xiàn)象就是地球的原子鐘，

Boltwood就是那個(gè)讀出這個(gè)鐘時(shí)間的人。鈾元素轉(zhuǎn)化為鉛元素的速率十分穩(wěn)定。通過測(cè)量鈾轉(zhuǎn)變?yōu)殂U這一衰變的速率，Boltwood計(jì)算出了一些礦物的年齡是22億年。這些礦物形成于前寒武紀(jì)，而地球的年齡至少應(yīng)該比這些礦物還要老。（來源：科學(xué)網(wǎng)， 2012-11-26）endprint