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科学大争论——地球年龄有多大?

2018-01-30 方舟子 方舟子 方舟子

                             (上)


    45亿4千万年,误差1%,这是今天科学界测定的地球年龄。这个年龄漫长得超出人们的想像能力。“人生不满百,常怀千岁忧。”几千年的岁月已是人类能够想像的最漫长的历史时间。难怪直到今天,仍有许多所谓“年轻地球论者”无视科学证据,坚信地球的年龄只有几千年。


    对古希腊自然哲学家来说,这不是一个问题。他们普遍认为世界是极其古老的,或无始无终永恒存在着,处于循环往复的变化之中。亚里斯多德在《气象学》一书中,阐述了这一观点:


    “地球的相同部分并非总是潮湿或干燥的,而是随着河流的出现和干涸而发生变化。而且,陆地和海洋之间的关系也发生了变化,一个地方并非总是陆地或海洋,以前是陆地的,变成了海洋,而现在是海洋的,有一天将变成陆地。……但是地球的整个有机过程是逐渐发生的,与我们的寿命相比,其时间间隔是极其漫长的,因此这些变化没有被观察到,在能够对这个过程从头到尾加以纪录之前,所有的民族都已衰亡、毁灭了。”


    基督教在西方占据统治地位之后,这种世界观就成了异端。基督教《圣经》详细地记载了从亚当开始的人类的家谱。理论上,回溯这些家谱,即可以推算出神创造世界的时间。事实上,《圣经》对家谱的记载有的很含糊甚至自相矛盾,要推算出准确的日期是不可能的。因此在推算时还要参考其他资料,估计一代人的平均时间(通常按一个世纪三代计算)和君王平均在位的时间(通常按20~25年计算),当然还免不了臆想。


    最早这么做的是叙利亚安提俄克的主教西奥菲勒斯(约115~180)。169年,为了反击异教徒对基督教的批评,他通过研究《圣经》推算出世界是在公元前5529年创造出来的。他承认这个数据未必很精确,但是即使有50年甚至200年的误差,也足以反驳异教徒认为世界历史很漫长的观点。后来的神学家也如法炮制,虽然推算的结果各不相同,但是都认为世界历史只有几千年,不超过1万年。例如在基督教神学史上地位崇高的古罗马神学家奥古斯丁(354~430)曾推算出世界历史为6321年。


    这些推算中,以爱尔兰首席主教詹姆斯·乌瑟(1581~1656)的最为出名。他在1650和1654年发表两部著作,推算出上帝在罗马儒略历710年10月22日傍晚时创造天地,相当于公元前4004年10月22日傍晚。奇怪的是,乌瑟认为上帝创造世界的年份是儒略历710年而不是儒略历1年,那么在太阳被创造出来之前的710年没有太阳,怎么纪年呢?乌瑟和当时的人们都没有注意到这个矛盾,乌瑟的推算被普遍接受,自1701年起被印在了英国出版的《圣经》上。


    就在乌瑟发表其推算的时候,启蒙时代已经开始了。启蒙先驱们至少在私下里对《圣经》不以为然,不再相信地球是上帝直接创造出来的,而是自然形成的。在1644年出版的《哲学原理》一书中,法国哲学家笛卡儿(1596~1650)设想地球可能源自一颗炽热的恒星,这颗恒星冷却后,掉进了环绕太阳的以太“旋涡”中,变成了地球。另一个法国人德梅耶(1656~1738)进而试图根据自然现象来推算地球的年龄。推算的结果要比根据《圣经》推算出的古老得多。德梅耶深知这么做要冒着受到教会迫害的风险,因此他把这个观点写成了文学作品,虚构了一位法国传教士与一位印度哲学家的对话,由后者表述出来。这位印度哲学家显然是德梅耶的化身,他的名字特里梅德(Telliamed)是德梅耶特(de Maillet)的倒写。即便如此,德梅耶也不敢出版这部著作,只供朋友们传抄,在他死去10年后,《特里梅德》才出版。


    德梅耶认为地球曾经完全被水淹没,其证据就是在内陆高山上发现的海贝化石。之后,地球的水慢慢掉进了以太“旋涡”中,导致海平面逐渐下降。德梅耶指出,在迦太基、亚历山大城、艾可等地,有一些建筑原先是建在海平面的,现在都远离海平面了。根据这些建筑的位置和建造时间,可以算得海平面每100年大约下降3英寸。那么,从世界最高峰的海拔高度,可以推算出地球的年龄大约有20亿年。


    在今天看来,德梅耶的推算当然经不起推敲。地球从来没有完全被水覆盖。高山上的海贝化石不是由于海平面下降留下的,而是由于高山从海平面以下隆起带来的。他也忽视了,同样在地中海一带,还有很多地方的地面反而下陷到海平面底下,沉入了海底。德梅耶试图根据海平面下降来推算地球年龄,是站不住脚的。但是德梅耶第一个猜测到地球的年龄可能长达几十亿年,而不是只有几千年。世界要比《圣经》所记载的古老得多。更重要的是德梅耶采用的研究方法:不是把《圣经》或某部宗教著作当作依据,而是去研究自然现象,试图找到能用以测定地球年龄的规律。


    德梅耶的宇宙观深受笛卡儿的影响。但是这种旋涡宇宙观在当时已经过时。取而代之的是牛顿(1642~1727)的宇宙观。在1687年出版的《数学原理》一书中,牛顿提出物体散热的速率和物体的大小成反比。他认为,一个烧得通红的直径1英寸的铁球会在1小时后失去所有的热量,那么,一个和地球一样大的炽热铁球(直径大约4千万英尺。1英尺=12英寸),就要花上5万多年的时间才能冷却下来。


    牛顿并不是在计算地球的年龄,但是他为后人计算地球年龄指示了一个重要方向:通过计算地球从最初的炽热状态冷却到现在的温度所需要的时间,就可以知道地球的年龄。法国博物学家布封(1707~1788)是沿着牛顿指示的方向前进的众多学者中的第一个。他认为太阳系是一颗彗星撞击太阳形成的,在撞击下,太阳抛出的气体和液体形成了各个行星和卫星。其中的一个就是地球。接下来布封要计算地球从一个熔球到冷却到现在的温度所需要的时间。为此他首先需要知道熔球冷却的速度。他用10个直径相差半英寸的铁球做实验,把它们加热到通红,然后测量冷却到室温所需要的时间。他发现冷却时间和球的直径大致成正比,由此外推到地球大小,算出地球从熔球冷却到现在的温度需要96670年。


    但是地球毕竟不是铁球。布封重复实验,这回用的不是铁球,而是组成和地球的组成相近的球。根据实验结果算出地球的年龄是74832年。虽然这是布封印在书上的结果,但是他私下承认这可能大大低估了地球的年龄。他注意到,暴露在阿尔卑斯山的沉积岩层非常深,而岩石沉积的速度又极其缓慢,这些都说明地球年龄远远不只几万年。在一份没有发表的手稿中,布封对地球年龄重新做了几次估计,结果都比他发表出来的长得多。其中的一个估计是,地球有近30亿年的历史。


    布封不敢发表这些估算,显然是担心激怒宗教势力。说地球只有几万年的历史也许还能被教会容忍,说地球有几十亿年的历史,就会被认为是在和教会作对了。在布封小心翼翼的文字背后,隐藏着更具革命性的力量。他是第一个用实验方法研究地球年龄的,也是第一个认识到地球的面貌是在自然力量持续而均一的作用下形成的,今天我们所观察到的地质过程,与过去的相同——这种思想后来被称为均变论。因此通过观察地球漫长的历史过程中在自然力的作用下发生的缓慢变化,可以推算出地球的年龄。布封采用的具体推算方法是错误的,思想观念却是正确的。


                             (中)


    到了19世纪,科学家已无需担心由于发表离经叛道的观点而受到宗教界的迫害。科学界实际上已无人相信地球如《圣经》所记载的只有几千年的历史。各种证据都表明地球的年龄必定非常古老。但是究竟老到什么程度,物理学家和地质学家(以及生物学家)却有不同的看法,发生了一场持续几十年的大争论。


    物理学家延续牛顿、布封的传统,试图根据地球的冷却来估算地球的年龄。牛顿、布封的估算未免过于粗陋,要做较为精确的计算,需要用到热力学的方法。创建热力学的关键人物英国物理学家威廉·汤姆逊(后来成为开尔文勋爵)(1824~1907)成了最佳人选。


    汤姆逊在1852年写了一篇简短的论文,指出在能量转化过程中,总会有一部分能量变成热量耗散掉。这意味着地球、太阳系乃至整个宇宙也都在逐渐散热,持续冷却下去。当时已知的化学反应能够补充一些热量,但是远远不足以补偿散发的热量。换言之,地球在过去必定比现在热,曾经热得生命无法生存,在将来则会比现在冷,会冷得不适合人类居住。假定地球一开始是完全熔化的,之后热量从地球内部传导到地球表面耗散掉,地表逐渐冷却到现在的温度,那么如果知道了地球的初始温度、岩石的热导率和现在地表的温度梯度,就可以算出地球的年龄了。


    汤姆逊在1862年的一篇论文中就是这么算的。但是他所需要的三个数据在当时都不确定,只能先做一番估计。汤姆逊把地球的初始温度设为3870摄氏度。他认为这是岩石熔化的温度,但是当时并没有这方面的实验,其实也就是瞎猜的。对岩石热导率,汤姆逊倒是自己做了测量,分别测了沙、沙岩和辉绿岩的热导率,把它们的平均值做为地球岩石的热导率。至于现在地表的温度梯度,有一些数据,但是彼此差别很大,汤姆逊挑了其中的一个。据此,汤姆逊计算出在9千8百万年前地球从熔化状态开始凝固下来。考虑到数据可能有错,汤姆逊给出一个比较大的估算范围,下限是2千万年前,上限是4亿年前。


    尽管汤姆逊的估算所用的假设很成问题,数据也很不确定,但是在此后的几十年内却被认为非常权威。毕竟,汤姆逊是当时首屈一指的大物理学家,身上笼罩着无数的光环:连续6年当选王家学会会长,被授予爵士和男爵爵位,成为第一个入选英国上议院的科学家……不相信这样的权威还相信谁呢?


    地质学家们却不以为然。一亿年的历史听上去已极为漫长,但是在地质学家看来却过于短暂,与他们观察到的地质现象不符。汤姆逊的估算也让达尔文深感苦恼。达尔文的自然选择学说认为生物进化是一个逐渐改变的过程,需要无比漫长的时间才能进化出现在我们见到的如此众多、如此丰富多彩的生物物种。但是按照汤姆逊的估算,只有最近的2~4千万年地球才冷却到能够让生命生存,这个时间框架显然远远少于达尔文所需要的时间。实际上,汤姆逊之所以选择在《物种起源》出版3年后挑起有关地球年龄的论战,就是针对达尔文的自然选择学说而来的。汤姆逊做为一位虔诚的基督徒,是广义的神创论者,虽然接受进化论,但是相信生物进化是在上帝的指导下进行的。


    地质学家有自己的办法估算地球的年龄,例如根据岩层的厚度。当时的地质学家已经知道沉积岩是水中的物质沉积而成的。那么,如果知道沉积的速度和一组沉积岩的厚度,就可以计算花了多长时间形成这组沉积岩。如果知道了所有沉积岩的总厚度,就可以知道花了多长时间形成所有的沉积岩,那么就可以知道地球的年龄的下限。但是这样的估算很难做到精确,最主要的缺陷在于物质沉积的速度并不是均一的,根据情况变化很大。而且沉积岩的总厚度也难以知道,特别是寒武纪之前的岩层很不完全,而那段时期占了地球历史的大部分。


    因此达尔文无法具体地估算地球的历史究竟有多长,但是他有理由相信它必定是非常古老的。例如,当时英国地区沉积岩的已知总厚度是77584英尺,美国密西西比河的泥沙沉积速度据估计是10万年600英尺,即每166.67年沉积一尺。按这个沉积速度,英国沉积岩花了1千2百万年才形成,而实际的沉积速度可能比那慢得多,因此所用的时间也就长得多。在另一个例子中,达尔文估计要用大约3亿年的时间才能把一个高度为500英尺的悬崖侵蚀成现在的韦尔德平原(假定侵蚀速度是每百年1英寸)。


    但是物理学家用别的方法估算出的地球年龄却都比较接近汤姆逊的估算。当时的物理学家认为,太阳最初从星云凝聚,达到现在的大小和亮度,只用了大约2千万年的时间,地球的年龄当然不可能比这老。当时太阳核聚变还未被发现,他们计算的时候,错误地假定了太阳能够发光是引力收缩释放出的能量导致的。物理学家采用的另一种估算方法是海洋中盐分的累积。海洋中的盐来自水土的流失,据此估算出海洋的年龄大约是8千万到1亿年。就连达尔文的二儿子、剑桥大学的天文学家乔治·达尔文也独立地验证了汤姆逊的估算。乔治·达尔文假定地球和月球是在熔化状态下分离形成的。在月球引力作用下,地球的海洋出现潮汐。潮汐摩擦会让地球自转速度变慢。乔治·达尔文估算出自月球从地球分离出去,到潮汐摩擦让地球自转减慢到现在的速度,大约用了5千6百万年的时间,与汤姆逊的估算相当。


    这些根据物理定律所做的计算,看上去要比达尔文本人的估算准确得多。在地球年龄的问题上,物理学家似乎更有发言权。达尔文无法反击,只能说“我确信有一天世界将被发现比汤姆逊所计算而得的还要古老”。“达尔文的斗犬”托马斯·赫胥黎则抨击说,汤姆逊的计算貌似精确,其实是基于错误的假设。达尔文相信地球的年龄至少有几十亿年老,生物才有足够的进化时间。我们今天知道达尔文、赫胥黎是对的,而物理学家们算错了。在地球年龄问题上生物学家比物理学家更靠谱,这很有讽刺意味,不过,后来证明物理学家算错的,也是物理学家。


    1895年,汤姆逊以前的助手约翰·佩利(1850~1920)发现了汤姆逊估算的一个漏洞。汤姆逊把地球当成了固体。但是如果地球内部是液体,地球内部的导热率就要比汤姆逊估计的高得多,地球的年龄相应地要比汤姆逊计算的大得多(地球内部导热率高使得地表温度增高,冷却时间变长)。佩利算出地球的年龄大约有20~30亿年。但是佩利的观点在当时没有造成什么影响。


    放射性现象被发现以后,汤姆逊计算的另一个大缺陷也暴露了出来。汤姆逊假定地球内部没有热源,地球形成以后就一直在冷却。1903年,法国物理学家居里(1859~1906)发现放射性同位素镭能够释放出热量,乔治·达尔文和几个物理学家几乎同时指出,这表明汤姆逊的假定是错的,地球内部放射性同位素产生的热量足以平衡汤姆逊假设的冷却效应。1904年,核物理之父卢瑟福(1871~1937)在汤姆逊出席的一次报告会上,指出了这一点。卢瑟福以后也将由于他的物理学上的重大贡献被授予爵士、男爵,获得诺贝尔奖,学术地位不亚于汤姆逊。不过在当时,他还只是个崭露头角的年轻物理学家,要当面挑战德高望重的权威,不免战战兢兢。卢瑟福在回忆录中生动地描述了这一幕:


    “我进了昏暗的房间,很快发现开尔文勋爵就在观众中,并意识到我有麻烦了,我的报告的最后部分是关于地球年龄的,而我的观点和他的观点相抵触。开尔文很快睡着了,这让我松了一口气,但是在我讲到关键部分时,我看到老家伙坐直了,张开眼睛,恶狠狠地盯着我!我突然灵机一动,说:‘开尔文勋爵已限定了地球的年龄,条件是没有发现新的热源。这个高瞻远瞩的观点指的就是我们今晚讨论的东西,镭!’瞧!老家伙对我发出了微笑。”


                                (下)


    放射性现象的发现不仅推翻了此前物理学家对地球年龄的低估,而且让准确测定地球年龄成为可能。


    放射性现象的发现纯属意外。1896年,法国物理学家贝克勒尔(1852~1908)在准备实验时,惊讶地发现铀盐已让包在厚黑纸里的底片感光,表明铀盐发射出能穿透黑纸的射线。两年后,皮埃尔·居里(1859~1906)和玛丽·居里(1867~1934)夫妇发现钍元素也能发出类似的射线,把这种现象命名为“放射性”。之后,居里夫妇发现了两种具有放射性的新元素——钋和镭。


    卢瑟福和索迪(1877~1956)一起为放射性年龄测定奠定了理论基础。他们发现放射性现象是由于元素的自发衰变造成的。在衰变过程中,一种元素变成了另一种较轻的元素,同时发射出射线。一种放射性元素的衰变速率是固定的。这样,如果知道了某种放射性元素的衰变速率和衰变产物,就可以根据衰变产物的量计算出用了多长的时间产生这些产物。


    卢瑟福在1905年首先想到了可以用这种办法来测定岩石的年龄。当时,他已经知道铀、镭发射出的阿尔法射线其实就是氦,那么,通过测量岩石中铀和氦的比例,以及铀产生氦的速率,就可以知道岩石的年龄。用这个办法,他测定两块岩石的年龄大约是5亿年。卢瑟福谨慎地指出,这只是下限,因为有一部分氦可能从岩石中逃逸了,导致测定的氦含量比实际的要少,测定的岩石年龄也就偏小。


    在同一年,美国化学家波尔特伍德(1870~1927)注意到铅总是出现在含铀和钍的矿石中,推测铅是铀和钍衰变的最终产物。在卢瑟福的建议下,波尔特伍德开始通过测量铀矿石中的铅含量来计算岩石的年龄。他测了26份岩石样本,发现它们的年龄在4亿到22亿年之间。这表明地球的年龄至少是22亿年。


    波尔特伍德的结果于1907年发表在地质学杂志上。尽管这个测定结果符合地质学家的预想,他们却对此没有什么兴趣。地质学家对物理学家、化学家闯入他们的领域的举动仍保持戒心。波尔特伍德没有做进一步的研究,后来患了抑郁症,自杀身亡。卢瑟福的兴趣也转移到其他方面。


    在其他人都放弃的时候,只有英国地质学家霍姆斯(1890~1965)坚持了下来。早在1911年霍姆斯还是一名本科生时,就开始用铀-铅法测定岩石的年龄,并测出最古老岩石的年龄是16亿年。此后,随着对放射性现象、放射性同位素的研究的深入,霍姆斯一直在改进其测量结果。但是直到进入20年代,霍姆斯的工作才逐渐受到重视。此时,地质学家已发现地层的沉积速度并不是恒定的,因此想根据现在地质变化的速率来精确地算出地球的年龄是不可能的,只能借助放射性方法。1931年,美国科学院指定一个委员会专门研究地球年龄的测定问题,由霍姆斯执笔的委员会报告认定放射性年龄测定法是测定地球年龄的唯一可靠的方法。


    有关放射性测定法的争议消失了,接下来就是如何尽可能准确地测定地球的年龄。岩石越古老,当然就越接近地球的年龄。目前测定的最古老的岩石年龄大约是38~39亿年,其中有的是沉积岩,含有更古老的矿物晶体。已知最古老的矿物晶体是在澳大利亚发现的锆石小晶体,年龄至少为44亿年。但是用地球岩石无法直接测定地球形成的年龄。这是因为地球由地壳、地幔、地心几部分组成,由于板块运动,新的地壳持续地产生,然后又被循环,岩石始终处于变化之中,其结果是,地球最早形成的岩石已不存在。


    整个太阳系是由同一片星云形成的,形成太阳系各个天体的过程所花的时间相对来说比较短,可能不到1亿年。太阳系其他天体的年龄也就基本等于地球的年龄。因此,有关地球年龄的最好证据反而不是来自地球,而是来自月球和降落到地球上的天外来客——陨石。月球上不存在板块运动,可以在上面找到月球刚形成时就有的岩石。对阿波罗号带回来的月球岩石的测定结果表明,最古老的月球岩石大约是44~45亿年。对许多陨石的测定结果,年龄也都在45亿年左右。现在被普遍接受的地球年龄45.4亿年(1%误差),根据的是美国地球化学家帕特森(1922~1995)在1956年发表的测定结果,测的是一块在美国亚利桑那州恶魔谷发现的陨石。


    地球年龄大约45亿年,科学界对此已无疑义,它做为一个科学事实已有50多年的历史。但是在科学界之外,仍然有许多人不能接受这一事实。这主要是基督教原教旨主义者,他们坚信地球的年龄只有大约1万年。这些“年轻地球论者”的依据是基督教《圣经》,但是却给自己披上科学的外衣,试图动摇放射性测定法的科学基础。


    简单的放射性测定法有两个假设:一、在岩石刚刚形成时,只有母元素(例如铀),子元素(例如铅)都是后来由母元素衰变形成的。二、自岩石形成以后,没有母元素、子元素逃逸出去,也没有母元素、子元素从外界渗透进来。显然,这两条假设如果有一条不成立,就会影响到测定结果,因此就受到了“年轻地球论”的质疑。


    但是存在这两个假设并不会让放射性测定法变得毫无价值。在许多情形下,有足够的依据可以认定这样的假设是完全合理的,而且也可以通过对同一个样本用不同的同位素、不同的测定方法进行核对。实际上,现代放射性测定法普遍采用的是等时线法,通过测量同一种元素的不同同位素的量,以及通过测量在同一时间形成的不同物体(例如岩石中的不同矿石晶体),取消了这两个假设。因此“年轻地球论者”对此的质疑是没有道理的。


    放射性测定法还有一个基本假设,某种放射性元素的衰变速率是恒定不变的。如果这个假设不成立,测定的结果当然就靠不住。因此“年轻地球论者”最喜欢攻击这一假设。但是这一假设有充分的量子力学理论依据,攻击它也就是在攻击量子力学。这个假设也被实验所证实:物理学家做了很多试图改变衰变率的实验,对放射性同位素施加不同的温度(高达2000摄氏度,低达零下186摄氏度),不同的气压(从真空到几千个大气压),不同的引力场和磁场,都未能显著改变衰变率。


    而且放射性测定法的结果已被别的方法所独立验证,例如日震年龄测定法。上个世纪60年代,天文学家发现太阳表面在有规律地振荡,称为日震。日震波的传播与太阳的组成,特别是太阳中心的氦和氢的相对含量有关。自太阳诞生以来,其内部就一直在进行着把氢聚合成氦的核聚变。因此,通过日震测定太阳中心氦的含量,就可以计算出太阳的年龄。用这个方法测出的太阳年龄大约为45.7亿年,与用放射性测定法测出的吻合得很好。


    当代“年轻地球论者”对地球年龄的质疑没有任何科学含量,不能算是科学争论,也无法通过学术争论获得解决。这是宗教与科学的冲突,这些偏执的信徒还生活在17世纪乌瑟主教的时代。


2009.12.23.

2010.1.6.

2010.1.13.


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