1.3 人类如何测出地球的年龄？
图1.15 开尔文勋爵
关于地球年龄的测量，让我们从一个著名物理学家被打脸的故事说起。
在所有的自然科学中，最“硬”、最能揭示世界本质的，无疑是物理学。换言之，如果物理学家与其他学科的科学家就某个科学问题发生争执，一般都是物理学家笑到最后。但凡事总有例外。物理学家也曾被其他学科的科学家狠狠地打过脸。其中最典型的被狠狠打脸的例子，就是英国著名物理学家开尔文勋爵（图1.15）。
开尔文勋爵原名威廉·汤姆森，1824年出生在英国一个知识分子的家庭。他是一个神童，10岁就考上了格拉斯哥大学，22岁就当上格拉斯哥大学的教授。终其一生，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，对热力学第一定律和第二定律的建立作出了重大的贡献；此外，他还发明了后来以他自己名字命名的绝对温标。这让他成为19世纪最有名的物理学家之一。
除了在学术界享有盛名，汤姆森也是一个非常成功的企业家。他成立了一家公司，专门生产和销售自己发明的一种航海罗盘；很快地，这家公司就成为英国海军最大的供应商，让他赚了很多钱。此外，他还成立了一家电力公司；所以他的家，就成为整个格拉斯哥市第一栋装上电灯的房子。更有影响力的是，他领导着一家公司，成功地铺设了第一条跨越大西洋的海底电缆。
由于在学术界和工业界的杰出贡献，1892年威廉·汤姆森被英国皇室册封为第一代开尔文男爵（“开尔文”原本是一条流经格拉斯哥大学的河流的名字）。不过，人们更习惯称他开尔文勋爵。
当然，金无足赤，人无完人。开尔文勋爵也曾摆过两次乌龙。最有名的一次乌龙发生在世纪之交的1900年。在那年的一次演讲中，开尔文勋爵公然宣称物理学的大厦已经建成，剩下的只是一些修修补补的简单工作。虽然他提到在物理学的天空上还飘浮着两朵乌云，但是他认为那只是两个用不了多久就能彻底解决的小问题。事实证明他大错特错。在20世纪初，那两朵乌云变成了两座全新的物理学大厦，即相对论和量子力学。这件糗事甚至被写进了不少国家的初中课本，让开尔文勋爵至今还受世人的嘲笑。
开尔文勋爵摆过的另一次乌龙就是他对地球年龄的错误估算。他是用热力学的方法估算地球年龄的：假设地球最初是一个巨大的火球，随着时间的推移，这个火球就由外向内逐渐冷却，从而变成今天的样子；而这个冷却的时间，就是地球的年龄。1862年，他发表了一篇论文，宣称地球的年龄在2亿年到4亿年之间。而到了1897年，他又发表了一篇论文，宣称地球年龄其实是2400万年左右。
可能你会觉得奇怪：为什么两篇论文的结果会有天壤之别？这是因为开尔文勋爵中途意识到，基于当时的物理学理论，太阳最多只能燃烧几千万年。所以他就修改了自己的理论模型，从而大幅减小了地球的年龄。
不过，很快就有一群意想不到的人跑了出来，毫不留情地打了开尔文勋爵的脸。
著名美剧《生活大爆炸》的谢耳朵（谢尔顿，Sheldon），一位相当自负的理论物理学家，很喜欢贬损除理论物理以外的学科。他特别瞧不起地质学，甚至公然宣称地质学根本就不是一门真正的科学。很明显，他不太了解物理学史。因为跑出来怼开尔文勋爵的人，就是一群地质学家。
可能你要问了：“这群地质学家是怎么计算地球年龄的呢？”答案是：通过观察一些古老的沉积岩（图1.16）。
在地球上，有一种很重要的岩石类型，叫作沉积岩。沉积岩的结构是一层层的，越下层的沉积岩，年代就越久远。通过研究某层岩石的沉积速度，就能计算出形成该层岩石所花费的时间；再把各层岩石的形成时间都加起来，就可以估算出形成整个沉积岩地形所花费的时间。那些地质学家就把这个时间，近似看成是地球的年龄。
图1.16 沉积岩
很多地质学家都用这种办法估算过地球的年龄，而他们算出来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·达尔文曾在第一版的《物种起源》中宣称，地球的年龄至少在3亿年以上；而剑桥大学三一学院的地质学家塞缪尔·霍顿更是宣称，地球的年龄高达23亿年。
这样一来，关于地球的年龄，就有了势不两立的两派观点。开尔文勋爵认为，地球的年龄大概只有2400万年。而地质学家则认为，地球的年龄至少有好几亿年。双方一直公说公有理，婆说婆有理。但到了1907年，一个人的出现，彻底打破了天平的平衡。
为了说清楚其中的道理，我要先讲一讲什么是“放射性”。所谓的放射性，就是指一些不稳定的原子核会自发地放出某些射线，然后衰变成一些稳定的原子核的现象。1896年，法国物理学家安东尼·贝克勒尔率先发现铀元素具有放射性。两年之后，皮埃尔·居里和玛丽·居里发现钋元素的放射性更强。这三人也因此共享了1903年的诺贝尔物理学奖（图1.17）。
图1.17 1903年诺贝尔物理学奖得主
顺便多说一句。本来，评奖委员会只打算把这个奖颁发给安东尼·贝克勒尔和皮埃尔·居里两人。但皮埃尔·居里非常爱他的妻子，坚决要求把居里夫人也列为获奖者，否则他就不去瑞典领奖。在征求了贝克勒尔的意见以后，评奖委员会做出了以下的决定：贝克勒尔独得1/2的奖金，而居里夫妇各得1/4的奖金。幸好由于皮埃尔·居里的坚持，居里夫人才没有被历史埋没。
图1.18 欧内斯特·卢瑟福
到了1907年，打破天平平衡之人，终于登场了。他就是英国著名物理学家欧内斯特·卢瑟福（图1.18）。
在物理学界，卢瑟福以看不起其他学科而出名。他曾说过这样一句名言：“世界上所有的科学，不是物理学，就是集邮。”言下之意是，与物理学相比，其他自然科学都和集邮一个档次。这句话得罪了很多其他学科的科学家，其中反应最激烈的是化学家。事实上，他们甚至对卢瑟福进行了“报复”，给他发了一个诺贝尔化学奖。
在20世纪初，人们已经知道，对于含有放射性的元素，其部分的原子核会自发地衰变成其他元素的原子核，从而使放射性元素的质量减小。1907年，卢瑟福发现了一个非常奇妙的现象：对所有放射性元素而言，其原子核衰变到只剩一半时所花费的时间（科学上称为半衰期）是固定不变的。比如说，100千克的某种放射性元素衰变得只剩50千克，与50千克的同种放射性元素衰变得只剩25千克，两者所花的时间完全相同。
卢瑟福的发现有很大的实用价值。比如说，如果某件古董里含有一种放射性元素，我们就可以通过测量这种放射性元素与它最后衰变成的那种元素之间的比例，来确定古董的年代。换句话说，我们可以把放射性元素的半衰期当成一个标准的时钟，来测量古老物体的年龄。事实上，要是比测量精度，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，都比这种用放射性元素半衰期的方法差得远。
通过研究了一些古老矿石的衰变情况，卢瑟福发现地球的年龄至少有7亿年。这个结果宣告了地质学家的胜利。
更重要的是，卢瑟福的发现为地球年龄的测量指明了方向。只要能找到地球上最古老的岩石，然后再利用某种放射性元素的半衰期来计算它的年代，就可以估算出地球的年龄。当然，具体该用哪种放射性元素来测，还是一个悬而未决的问题。
下一个作出重要贡献的人是英国地质学家阿瑟·霍姆斯。霍姆斯主要关注铀元素的一种同位素铀235。大家对铀235应该并不陌生，因为它后来成了制造原子弹的主要原料。铀235具有放射性，可以自发地衰变成铅207；更关键的是，铀235的半衰期长达7亿年。所以它可以作为一个很理想的时钟来测量地球年龄。通过测定古老岩石中铀235和铅207的比例，霍姆斯在1927年发表了一篇文章，宣称地球的年龄介于16亿年到30亿年之间。而到了1946年，他又发表了一篇文章，宣称地球的年龄应该在30亿年以上。
图1.19 克莱尔·彼得森
1948年，芝加哥大学地质学教授哈里森·布朗也对地球的年龄产生了浓厚的兴趣。但他意识到这是一个大坑，不想自己傻乎乎地往里跳。因此，布朗就把测定地球年龄的课题交给了自己的博士研究生克莱尔·彼得森（图1.19）。为了让彼得森来跳这个坑，布朗忽悠他说这个课题“易如反掌”。结果，彼得森就这么被忽悠了进来。
这个世纪难题的终结者，就此登上了历史的舞台。
以前人们测量地球的年龄，都是去寻找一些特别古老的岩石。但问题在于，那些所谓的古老岩石，其实都是在地球诞生很久之后才形成的。换句话说，如果只是研究地球上的岩石，可能会大幅低估地球的年龄。
彼得森另辟蹊径，提出了一个非常大胆的猜想：从太空中掉下来的那些陨石，其实是太阳系形成初期剩下来的建筑材料，它们的内部还保留着太阳系最原始的化学组分。换句话说，这些陨石其实和地球一样古老。这样一来，只要用霍姆斯的办法，准确测出这些陨石到底存在了多少年，就能推算出地球的年龄。这个宛如天外飞仙般的奇思妙想，为解决地球年龄这个世纪难题带来了真正的曙光。
当然，通往成功的道路往往都不平坦。在实际测量过程中，彼得森遇到了一个很大的麻烦：陨石样品只要一接触到空气，样品中铅的含量立刻会显著上升；换言之，这些样品很容易受到空气中铅的污染。为了对付这个麻烦，彼得森在自己工作的加州理工学院建立了世界上第一个无菌实验室。他在无菌实验室里仔细挑选古老陨石的样品，并精确测定其中铀和铅的比例。他的努力，终于在7年之后获得了回报。
1955年，彼得森在一次学术会议上正式宣布，地球的确切年龄是45.5亿年。这个结果，一直到现在也没有发生大的改变。在经过近百年的努力之后，人类终于测出了地球的年龄。
关于彼得森，不妨再多说几句。因为测出了地球的年龄，并不是彼得森人生的顶点。
成名之后，彼得森开始关心另一个问题：为什么大气中会含有这么多的铅？通过研究格陵兰岛上不同年代的积雪层，他发现大气中铅的含量是在1923年突然暴增的。而那一年，美国的三家巨无霸公司（通用汽车公司、杜邦公司和新泽西标准石油公司）成立了一个叫作乙基汽油公司的合资企业，并开始向全世界出售含铅汽油。
从那以后，彼得森就开始了一场致力于保护环境的漫长斗争。他经常公开抨击乙基汽油公司，并呼吁政府尽快立法，以禁止含铅汽油的销售。
乙基汽油公司的反扑非常凶猛。它动用各种关系，让彼得森无法再获得任何科研经费。此外，它还向加州理工学院的董事会不断施压，想让彼得森丢掉饭碗。
这几乎是一个不可能完成的任务：一个普通人，要孤身对抗一个庞大的利益集团。幸好，彼得森没有放弃。在他的不断呼吁下，环保意识逐渐在美国民众的心中觉醒。1970年，美国国会提出了《洁净空气法》；1986年，美国政府禁止了一切含铅汽油的销售。在经历了几十年艰难的抗争，彼得森终于笑到了最后。
我们来做个总结。在19世纪末，基于热力学的研究，开尔文勋爵宣称地球的年龄应该是2400万年。但很快地，他就被一群地质学家打了脸；他们通过观察一些古老的沉积岩，算出地球的年龄至少有好几亿年。到了1907年，卢瑟福发现所有放射性元素的半衰期都固定不变；这个发现宣告了地质学家的胜利，同时也为地球年龄的测量指明了方向。20世纪20年代，霍姆斯指出铀235的半衰期可以用来测量地球的年龄。而到了1955年，彼得森通过测量古老陨石中铀和铅的比例，发现地球的确切年龄应该是45.5亿年。在经过近百年的努力之后，人类终于测出了地球的年龄。
我已经讲完了地球的形状、大小、质量和年龄。下一节，我会聊聊地球到底具备哪些特殊的条件，从而变成了生命的绿洲。