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地球年龄是多少?这个答案背后隐藏着一名伟大的英雄

发布时间:2019-06-12 15:24 来源:未知 编辑:admin

  我们生活的世界存在了多久,现在看来或许只是一个有趣的科学问题。但是自古以来,“创世”这个概念关系到一个文化的哲学观和世界观,因此成为了各路牛鬼蛇神的必争之地,各种说法也是千奇百怪。

  万八千岁。天数极高。地数极深。盘古极长。故天去地九万里。后乃有三皇。”按照中华五千年文明史来算,盘古开天辟地距今 18000+18000+5000=41000 年。

  在欧洲,基于圣经的年代学一般认为上帝创造世界的六天大概发生在公元前 3000-4000 年。具体的年份并没有达成共识,直到十七世纪。

  主教最终给出了一个无比精确而且酷的结论,世界创造于公元前 4004 年 10 月 22 日星球六下午 6 点左右。

  乌雪主教对这个结果非常满意。他想要全世界都知道他的划时代的研究。于是这一套理论被非常地印在了圣经上(King James Version)。

  查尔斯·达尔文的男青年就抱着《地质学原理》第一册,登上了小猎犬号舰船开始环球旅行。这次旅行的经历,启发了达尔文在 29 年之后写下另一本巨作《物种起源》。当时的人们初次意识到,包括大陆的形成和生物的进化都缓慢的。所以,虽然今天看起来或许有些不可思议,但当时大家一致认为,地球的历史是超级超级长的,长到无法想象,长到没有意义,所以可以认为是无穷无尽的。

  这个观点现在看来其实未必没有道理。人天生对太大的数字没有直观概念,地球几十亿年的时间尺度足以让人类觉得永久。而且,在当时是一种进步思想。

  开尔文男爵(Lord Kelvin,原名 William Thomson)是一个勤于思考的人。他最广为人知的成就是公式化了热力学第一和第二定律,如果说还有一点的话,那就是他确定了绝对零度等于 -273.15 摄氏度。因为这些贡献,人们把他的名字做成了绝对温标的单位:K。

  男爵用了一个自以为绝妙的方法来估测地球的年龄,那就是利用地温梯度和导热方程。

  地温梯度指的是地面以下温度随深度升高的速度。工业革命时期的英国,在煤矿的开采过程中人们开始察觉到,地底下比较热。热力学家开尔文敏锐的意识到,这个梯度的存在说明地球在持续的向外输送热量。如果利用当时傅里叶推导出的热传导方程,就可以构建一个散热模型,计算出地球从早期高温冷却到现在需要花费多久。

  用这种方法开尔文爵士得到,地球年龄是 9 千 8 百万年。不过,他对各种数据的不靠谱程度有自知之明,所以又在论文最后加了一句:“我觉得我们至少有很大的概率可以说,这个时间不会短于 2 千万年,也不会长于 4 亿年之间。”

  开尔文对此非常满意。他还成功说服了他的物理学家朋友们。然而,也有些地质学家和博物学家不相信他的结果。他们觉得,区区几千万年对于地质和生物演化是远远不够的。

  开尔文假设地球里没有其他热量来源。实际上,放射性同位素衰变提供了大量能量。

  开尔文假设地球是均一的坚硬固体。实际上,地球内部的物质对流促进了热量的传导,也将一部分势能 / 相变潜能转化为热。

  当然,放射能产热在 1903 年才被发现,而地球内部结构也是二十世纪的知识。在开尔文发表这个观点的年代,没有人可以纠正这些问题。

  在之后的 1867 年,开尔文男爵和另一个苏格兰地质学家拉姆齐进行了亲切友好的交谈:

  1945 年 8 月,美国分别在日本广岛和长崎投下。第二次世界大战结束。和二战一起结束的,还有美国赫赫有名的“曼哈顿计划”(核武器研制计划)。

  裂变武器()制造至关重要的一环是要把铀 235 从铀 238 当中分离出来,因为只有铀 235 能发生裂变。然而自然界的铀 235 仅仅占铀总量的百分之 0.7,加上铀 235 和铀 238 的性质及其接近,因此提纯过程可以说是相当困难了(即“铀浓缩”)。在曼哈顿计划中,美国召集了大量科研人员到橡树岭研究铀的分离技术。

  铀 235 和铀 238 都会按照各自不同的概率发生一系列衰变,分别成为铅 207 和铅 206。所以,理论上说,只需要知道一个样品里有现在多少铅和铀,以及形成的时候有多少铅,就可以得到它的年龄。

  锆石是一种很坚硬的矿物,它的晶体结构对铅非常不友好,却不排斥铀。在岩浆冷却结晶形成锆石的时候,把绝大多数的铅原子都挤出去了,因此可以基本当作初始的铅含量为零。

  帕特森和他的同学就开始研究怎么把锆石里的铅和铀测量准确。但是没想到的是,这一个小任务耗费了帕特森五年的光阴。帕特森在测量铅的过程中发现,不管他多么小心,重复多少次,测量到的铅含量总是出乎意料的多。他绞尽脑汁用了各种办法还是不能保障样品的干净。这对于年轻的帕特森来说是相当沮丧的。尽管不顺利,帕特森也发表了一篇锆石定年方法的文章,并且从芝加哥大学博士毕业。

  要想去除无处不在的铅污染依旧不简单,然而很幸运的是,帕特森是一个有洁癖的实验狂热者。他一手设计和搭建了一个史上最干净的实验室。在这个实验室里,人们头到脚包裹着严严实实,一切进出都要依靠一个类似于航天舱的多道门把控。这种超净室日后成为了几乎每一个金属同位素地球化学实验室的标配。除此之外,帕特森还近乎癫狂的用酸淋洗了所有设备,并且自行蒸馏了购买的化学试剂:

  图:帕特森在加州理工的实验室(1957 年)。帕特森不相信购买的化学试剂的纯度,所以自己再对他们进行蒸馏提纯。图片来源: Caltech E&S Magazine

  当然,事实证明,这些丧心病狂的操作都起到了效果。帕特森终于实现了纯净无污染的铅提取。

  要测量地球的年龄,就必须找到跟地球同时形成的物质。在地球表面,确实有一种岩石满足这个要求,那就是陨石。

  铁陨石是一种独特的陨石,也被叫做陨铁。顾名思义,陨铁的主要组成就是铁金属。如果你初一地理学得还不错的话,大概还会记得,我们地球的地核,便是主要由铁和镍的合金组成的。而这些从天而降铁块,是一些小行星的内核——在某次不幸的碰撞中被爆浆,并洒到了地球表面。

  陨铁有一个迷人的性质:它们铅含量高而铀含量低。这就意味着,铀衰变产生的铅在这里微不足道。因此,现在测量到的铅的同位素相对含量,近乎是地球形成之时的相对含量,也就是大家梦寐以求的铅初始值。

  五万年前,一颗三十吨重的铁陨石坠落在亚利桑那的恶魔峡谷。1953 年,帕特森从布朗那里要来了这个陨石的样品,在自己搭建的超净室中小心翼翼地提取出当中的铅,带到芝加哥附近的阿贡国家实验室里,准确地测量出了陨石中的铅。帕特森把陨铁的铅同位素比值作为初始值,再把地球的平均铅同位素比值当作现今值,计算得到了一个 41-46 亿年的不错的估计。

  这显然不能让已经在这个问题上花费了七年时光的帕特森满足。他再接再厉,又找来一个石质陨石的样品。和铁陨石不同的是,石质陨石拥有较多铀。也就是说,它会有很多的铅来自于铀的衰变。如果测量到这两个铅含量组成迥异的样品,就可以计算出地球的准确年龄

  帕特森 1956 年文章中所做的等时线 是铅的一种稳定同位素(不衰变),在同位素测量中被用作分母。

  漂亮,一锤定音。在此后直到今天的几十年里,这个结论被无数的其他独立方法证实。

  帕特森自己也没有想到,当初困扰自己七年的技术难题,背后竟是二十世纪最大的环境危机之一。这些铅的来源,是汽油里广泛添加的抗爆剂四乙基铅。这些铅随着尾气排放到大气里,从而影响到每一个角落,每一个个体。

  关于帕特森跟石油工业巨头和国会斗智斗勇的故事,在这里便不多赘述。相信很多人也曾经看到过另一个不错的回答:有人在不经意间或是在世界上绝大部分人都毫不知情的情况下拯救了世界吗? - 知乎

  都是来自于一个质朴的科学探索:如何得到地球年龄。这些成就本来可以给帕特森带来了巨大的名誉和利益,但他的人设是一个沉醉于科学的实验室狂魔。对于他来说,科学以外的一切骚动都不重要。他发明了超净室却没有申请专利;自己做的文章常常把学生的名字放在自己前面。他甚至拒绝学校一再给他的教授位置。他在 1973 年获得劳伦斯史密斯奖章,1980 年获得地球化学终生成就奖戈尔德施密特奖章,1987 年入选美国科学院院士。可直到 1989 年,在同事们的强烈哀求下,帕特森才勉为其难的接受了教授职位。

  :上个月从洛杉矶机场坐车返回学校的路上,司机是一位在郊区某天主教高中教化学的红脖子大叔。红脖子得知我专业地球化学之后,用很尖锐的口吻问我:“地球年龄是多少?是用什么方法测出来的?” 作为一个化学老师,红脖子对同位素测年有一定的涉猎:包括 Rb-Sr,K-Ar 等方法他都略知一二。但是他却不相信 45 亿年这个数字,因为这和他的信仰不兼容。他从各种角度质疑同位素定年的可靠性。到家之后,我萌生了写一篇历史杂文的想法;如果你能看到人类为了得到一个简单而正确的数字所经历的迂回曲折,或许会更加理解。

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