地球年龄之谜

卡尔·齐默（Carl Zimmer）

科普作家，著有《病毒星球》（A Planet of Viruses）。

约在45.67亿年前，一片巨大的尘云向内塌陷。在尘云中心，太阳开始燃烧，而外围的尘埃颗粒开始聚集，并绕着新的恒星运转。在100万年内，这些尘埃块演变成为原行星。在5 000万年内，地球长到了目前一半大小左右。由于越来越多的原行星撞向地球，它不断地扩大增长。正如我们所知，大概又用了5 000万年的时间，地球长成了目前的大小，这期间一颗火星大小的行星撞向了地球，并留下了到此一游的记号，那就是月亮。

地球的形成激发出了人类最大的想象力，也许最初地球就如此宏伟壮丽。但我不会用“优雅”来形容我刚描绘的理论。科学家们无法从基本原理获得这样的理论。这其中并无类似E＝mc²这样，能够预测早期太阳系的复杂剧烈运动是如何产生一颗行星的，和这颗行星被水覆盖且能孕育生命的公式。事实上，我们对地球是如何形成的这个问题已经知道很多了，其原因在于地质学家摆脱了一个有着150年历史的、具有致命诱惑的优雅理论。然而这个理论，一方面有着毋庸置疑般的美丽，另一方面也包含着令人瞠目结舌的错误。

这个理论是由19世纪最伟大的物理学家之一，威廉·汤姆森（WilliamThomson，亦称为开尔文勋爵）提出的。开尔文的造诣，覆盖了从具体到抽象，从解决如何把电报电缆从欧洲敷设到美洲，到热力学第一和第二定律的范围。开尔文毕其一生写下方程式，以此来计算出物体从热变凉的速度。他意识到，可以运用这些方程式来估算出地球的年龄。开尔文在1862年公布答案时宣称：“其实这些用来估算的数学理论都非常简单。”

在当时，科学家们普遍认同，地球起始是一团熔化的岩石，此后不断冷却。如此这般的起源说或许可以解释，为什么矿井的底部岩石是炙热的：地球的表层先冷却，随后内部的余热不断流入外部空间。开尔文推断，随着时间的推移，行星会稳固地冷却下来。他用自己的方程式，根据对热流效率的观测，计算出一块熔化的岩石需要多长时间可以冷却到地球当前的温度。他的结论是短暂的9 800万年。

地质学家咆哮般地予以抗议。他们不知道地球的年龄，但认为至少有几十亿年，而不是几千万年。达尔文最初是一名地质学家，后来成为一名生物学家，他估算出，英格兰的一处山谷侵蚀到目前的形状，大约需要3亿年的光景。对地球的年龄而言，达尔文认为，应该更为久远。在达尔文出版他的进化论时，他想当然地认为地球的年龄毋庸置疑足够老了；岁月缓慢而悠长，不知不觉间为进化提供了充裕的空间。

开尔文并不介意那些抗议。他的理论如此优雅、如此美妙、如此至简，肯定是正确无误的。对其他忽略热力学的科学家而言，开尔文的理论所引起的麻烦无关紧要。事实上，当开尔文再回顾自己的方程式时，这带给了地理学家更多的困惑。开尔文认为第一次的估算过于宽松，地球的年龄应该只有1 000万年左右。

事实证明，开尔文错了，但并非因为他的方程式有漏洞。这些方程式完美无瑕，问题出在开尔文用来推演方程式的地球模型。

在随后的几年里，反驳开尔文的故事演变得有些凌乱。许多人（包括我本人在内）都错误地宣称，开尔文的错误源自对放射物质的忽略。直到20世纪初，物理学家对量子物理学有所了解时，放射物质才得以被发现。物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）认为，放射性原子在地球内核进行分裂，然后释放热量，从而造成地球比没有这些放射性原子时的温度高。因此，火热的地球说明不了它是个青春洋溢的少年地球。

放射物质的确会散发热量，但地球内核并没有充足的放射性物质，使其制造能够流出的热量。相反，开尔文真正的错误是他假设地球只是一个实心岩石。实际上，岩石流如同糖浆一般，其热量将它抬升至地壳，待冷却后再次下沉返回到深处。地球的这种“搅拌”是引发地震的成因，带动着旧的地壳下沉到地球深处，并在海脊处制造出新的地壳。这种对地壳的加热速度，比开尔文想象得要快得多。

这并非说放射物质在证明开尔文的错误方面没有发挥作用。物理学家认识到，放射性衰变定年可用于估算极为精准的岩石年龄。因此，我们现在可以断言，地球的年龄可以精确为45.67亿年。

优雅无疑在科学进步中发挥了重要作用。量子物理学中数学的至简性让人爱不释手。但在地质学家的手里，量子物理学掀开了地球那既辉煌，又凌乱，且极为不雅的历史幕布。