宗教、地质学、物理学和天文学之间的300年之争

自从17世纪以来，地球的年龄值一直是科学史上最有争议的问题之一，目前普遍接受的值——约45.5亿年——是科学上的一个基本数据。科学界对它有着浓厚的兴趣，然而，更有意义的东西存在于该数据与其他科学事实和科学理论的关系之中，比如地质时间周期、生物进化和宇宙学。绝大多数地球科学和天文学教材提到了45.5亿年这个数字，但是没有成功地解释这个年龄值是如何确定的，错过了宣传不同科学领域间相互联系的机会。

有时，对地球年龄的探索促进了其它领域的发展。比如，30多年前，科学家为了估算地球的年龄发明了超精确技术来测量微量的铅。C. 帕特森（Clair Patterson），这位建立了目前被普遍接受的地球年龄值的地质化学家，应用类似的方法研究我们周围环境中铅的分布。他研究的结果揭示了铅污染正在增加的危险，并呼吁汽车要使用不含铅的燃料。

另一个例子是，近200年前，科学家认为地球形成时是一个热的流体球，并试图寻找热传导的数学理论来计算地球冷却到目前温度状态所经历的时间。当时的物理学家J. 傅立叶（Joseph Fourier 1768~1830）首先提出一个理论，该理论的应用需要一个函数，和过去用的任何函数相比，该函数具有更多的不规则性——有一些尖锐的点或者说具有不连续性。这项工作启示一些人用集合重新定义函数，最终导致数学分析的重新建构。集合理论从此被作为“新数学”的一部分吸收到教材中。

但是，环境污染和不连续函数，对于最先试图发现地球形成与发展的合理时间表的科学家们来说，并不是重点关心的对象。大家知道，当时宗教认为世界仅创生于几千年以前，这些科学家的大部分精力实际上不得不花在与宗教教条势力的斗争上。

当法国比布丰（Buffon）更有名气的自然科学家乔冶 · 路易斯 · 勒克莱尔（Georges-Louis Leclerc 1707~1778），估算地球从原始状态冷却下来经历的时间时，他没有公布300万年这个更合理的值，而仅仅公布了75000年这个数字。但就连这个数字也被斥为异端邪说。当时，索尔本神学院（the theological faculty of the sorbonne）指派布丰攻击它。

到了19世纪中叶，地球年龄的问题不再成其为科学与宗教之间的矛盾（尽管许多20世纪的“神创论者”相信世界仅在数千年以前被创造出来，但是这一观点没有被任何主要的宗教学派接受，更详细的情况请参阅文后参考读物中的“发现地球的年龄”一文），对化石和地质形成的研究，以及恒星天文学提供的证据，使得即使是最虔诚的科学家也相信。地球存在的时间比《圣经》中的6，000年要长得多。从此以后，矛盾转移到科学与科学之间。

地质学家，特别是C. 莱伊尔（Charles Lyell 1797~1875）“均变论”教条的追随者们，对于地球具有有限年龄的证据视而不见。莱伊尔在《地质学原理》（Principles of Geology）中坚持认为，重构地球历史的唯一科学方法是借助于一些今天还可以观察到的现象或者说作用力一侵蚀、隆起、地震和火山爆发等。莱伊尔的均变论还假定这些相似的作用力过去并不比现在剧烈多少。

尤其是，莱伊尔坚持认为地球表面温度在整个地质历史时期内基本相同，而且地质历史时期并没有时间界限。莱伊尔和他的追随着假定，任何数量级的时间对他们都合适，不管是百万年还是10亿年。

后来，生物学家C. 达尔文（Charles Darwin 1809~1882）按照莱伊尔的方法，在《物种起源）》（1859）一书中对于通过自然选择而缓慢向前的进化过程，提出了3亿年这个数字，它可以从地质进程的速率估算出。

均变方法研究地球历史受到物理学家W. 汤姆逊（William Thomson 1824~1907），即后来的开尔文（Lord Kelvin）的反对。开尔文利用傅立叶的热传导理论得出，在1亿年以前地球处于比任何岩石的熔点都要高的高温状态，所以在开尔文看来，达尔文的估计数据太高了，简直不可能。

上述19世纪末开尔文与达尔文的争论，常被描述为物理学与生物学之争。但是开尔文攻击的真正目标是莱伊尔，而不是达尔文。达尔文的自然选择理论并不需要特定的时间周期。

开尔文认为，均变说不仅为地质时间周期假定了不合理的过长的时间范围，而且违背热力学第二定律。这后面的一条提得正确。莱伊尔假定地球表面，尽管不断地向空间辐射能量，但可以无限制地通过地球内部热电能量守恒的循环而维持恒定的温度。开尔文对地球年龄值的批判并不反对进化论，但是客观上鼓励和加速了生物学家倾向于拉马克主义。

19世纪末，开尔文和其他物理学家把地球年龄的估算值减到只有2400万年，它符合亥姆霍兹（Hermann Von Helmholtz 1821~1894）和开尔文各自独立提出的一系列推理，科学家们还进一步推断。如果太阳能来自于引力作用，那么太阳的年龄差不多也是2000万年。

地质学的估算以类似这样的过程为基础，比如食盐随河道进及海洋，或者沉积物的沉积过程等。尽管这些估算陆续验证了9000万或1亿年的地球年龄，但大多数地质学家似乎不情愿向开尔文的假说提出挑战：物理学和地质学比起来，物理学是更可靠的知识源泉。物理学已成为最基础的科学；所有其他科学，开尔文认为，应该符合和最终简化为物理学。

这种“服从”态度的一个重要例外是地质学家张伯伦（Thomas Chrowder Chamberlin 1843~1928）。他反对地球生涯开始于一个融熔球体的假设。他建议，地球开始是冷的固态粒子的堆积，并称之为“星子”（Planetesimals）即“微星”[后来，他和天文学家穆尔顿（F. R. Moulton 1872~1952）一起，又假设当其他的恒星经过太阳附近时，潮汐力作用从太阳中拉出来一些气体，星子就是在这种气体中凝结而成的]。

如果地球不是一直在慢慢冷却，那么，开尔文时间界限就不再有应用价值，将会有充足的时间供地质和生物进化。

在玛丽 · 居里（Marie Curie 1867~1934）和彼埃尔 · 居里（Pierre Curie 1859~1906）于1902年分离出镭之后，大家普遍认为，开尔文对地球年龄的估算值太小了。居里夫妇的工作表明，单是地壳中的镭就能足够用来产生比辐射到空间中去的热还要多的热量。这样，地球在不断冷却着的任何理想证据不复存在了。

科学家很快认识到：如果建立起镭和其它元素的嬗变性质，放射本身可以提供一个测量岩石年龄的钟。比如，如果岩石中的氦由镭或铀以已知速率的放射衰变产生，由此可以确定岩石作为固体存在的年龄值。

在1904年的圣路易斯艺术与科学大会上，物理学家和当时放射领域的权威卢瑟福（Ernest Rutherford 1871~1937）声明：他已利用氦钟估算出褐钍铌岩石（fergusonite）样本的年龄值为4000万年＞不久，在丰富的实验数据基础上，他又把年龄值修订为1.4亿年，然后达到5亿年。1905年，物理学家斯查特（J. W. Strutt 1875~1947），即后来的瑞利勋爵四世撰文指出，利用氦钟对方钍石（thorianite）样本年龄的估算值24亿年，但他承认这个值不准确，因为样本中的氦可能部分来自于钍衰变。

因为长时间内渗出岩石的氦的数量不知道，专家们很快同意氦分析不能够给出可靠的年龄值。化学家B. 玻尔特伍德（Bertram Boltwood 1870~1927）发明了一种更准确的推算年龄的方法，该方法通过测量铅含量估算岩石的年龄，基础假设为铅是由铀衰变产生的（以镭为中间态）。1907年，玻尔特伍德报告了锡兰方社石（Ceylonese thorianite）样本22亿年的年龄值（后来发现，一部分铅来自于钍，这部分铅必须在估算中除去）。

1913年，同位素被发现了，相应地分化出了放射性衰变链，对钍产生的那部分铅的修正成为可能（见图）。到1920年，地质学家A. 雷姆斯（Art-hur Lolmes 1890~1965）和其他人一道估算出最古老矿石的年龄至少为16亿年；他还单独估算出地壳的年龄可能约有20亿年。

图 衰变链，α衰变释放一个α粒子（即氦核），β衰变释放一个电子。

更进一步的探索得出了更大更精确的年龄值。到1936年，人们已经知道铅的两种同位素——²⁰⁶Pb和²⁰⁷Pb——是两个放射衰变链的稳定产物，这两个衰变链分别从²³³U和²³⁵U开始发生衰变。另一种同位素²⁰⁸Pb由钍同位素产生，第四种稳定同位素¹⁰⁴Pb不能由任何放射性衰变过程产生，所以称之为“非放射性产物”。利用质谱仪，物理学家A. 尼尔（Alfred Nier）发现，这些同位素在不同岩石中以不同的比例存在，即便是四种同位素的平均原子量对不同的岩石来说基本上是相同的。

所以，如果知道某个开始时间各种同位素的丰度——“原始丰度”，那么，就可以比较经过某段时间t后铀衰变产生的各种同位素的量。既然铀同位素的原始含量不同，实际上要比较的是放射产生的铅同位素（铅同位素的当前值减去原始值）与铀同位素的原始丰度的比值。

不同岩石中²⁰⁶Pb和²⁰⁷Pb的丰度不同，如何解释这一观测事实呢？尼尔假设不同岩石含有不同数量的原始铅和放射产生的铅。在岩石开始形成的时候，岩石含有一定量的铅和一定量的铀和钍，以后铀和钍衰变产生铅的同位素。

如果岩石中原始丰度是已知的，目前四种铅同位素的丰度值又可以测量出来，那么就可以估算出岩石从开始形成到现在所经历的时间（这种方法假定有关的衰减率或者半衰期都是已知的，而且都是常数）。现在问题简化为如何估算岩石中开始时铅同位素的丰度值。

尼尔和他的同事们假设铅原始含量的最精确的近似值应该是这样一种岩石中的铅同位素含量：在已发现的岩石中，该岩石的²⁰⁴Pb的含量最高。作这样假设的原因²⁰⁴Pb是不能由衰变产生。从丹麦格陵兰的伊微脱村（Ivigtut）拮取的方铅石符合这一要求。在方铅石中，铅同位素204、206、207和208的比为1：14.54：14.60：34.45，利用这一比值对当时已知的最古老岩石样品——Huran Claim独居石（monazite）进行估算，尼尔得出25.7亿年的年龄值。

1946年，霍姆斯（Holmes）和物理学家豪持曼（Friendrich G. Houtermans 1903~1966）各自独立地指出，尼尔的方法可以推广，不但可以用来估算个别岩石的年龄，而且可以估算地球本身的年龄。他们认为地壳在形成之前，可能处于流体状态，各种元素的含量都很小，而且元素间比例，比如铀和铅的比例，易于以各种很难预料的方式变动。因而靠铀－铅比值估算年龄的方法不适于这种前地质时代。但是重元素同位素间的比例受物理－化学过程的影响不大，其变化主要由衰变元素同位素间不同的衰减率决定。

一组从同一时刻开始固化的岩石样本，由于不同岩石中原始铅同位素的比例和放射产生的铅同位素的比例的不同，导致²⁰⁶Pb和²⁰⁷Pb相对于²⁰⁴Pb的丰度是不一样的。但是，以²⁰⁷Pb和²⁰⁶Pb的含量值为纵横坐标的几何点却组成一条直线，豪特曼（Houtermans）称之为“等时线”（isochrone），它反映了同时形成的但铀和钍原始含量不同的岩石中铅同位素成分的变化。从这条直线的斜率和截距以及对铅同位素原始丰度的假设出发，豪特曼和霍姆斯认为他们可以估算出地球形成的时间。

1946年，霍姆斯宣称地球的年龄为29亿年，豪特曼几乎同时得出相同的值，霍姆斯1947年又修订地球的年龄值为33.5亿年。

面对放射估算年龄技术的迅速发展，当时的地质学家显得有点畏缩不前了。他们在摆脱开尔文太小地球年龄假设的包袱之后不久，接着又发现很难使自己的思维顺应新物理学对地球年龄这么大值的估算。如果接受放射性对年龄的估算，这意味着在关于地球历史知识方面地质学依然服从于物理学。实际上，地质学家的确接受了新物理学的结果，不过他们把地球的年龄重新定义为一个天文学数据，而不再是地质学数据。现在一般把最古老岩石的形成作为地质时代的开端——至少是在40亿年以前。

物理学和地质学的矛盾解决了，但是物理学和天文学间的矛盾又出现了，更准确地说是通过放射方法对地球年龄的估算值与从宇宙膨胀率得出的宇宙年龄值之间的矛盾。

1929年，天文学家哈勒（Edwin P. Hubble 1889~1953）根据谱线红移，在星体间的距离和星体远离我们的速率之间建立一种线性关系。速度——距离图线的斜率给出了一个时间值T，大小在18亿和20亿年之间。如果膨胀过程过去一直在以恒定速率进行着，那么，所有星体或许是宇宙内的所有物质在T年以前，一定拥挤在一个相对来说很小的空间内。

在20世纪30年代，天文学家仍在相信张伯伦等人的理论：太阳系的形成开始于恒星的相遇一一这种相遇的发生相当频繁，如果所有恒星在膨胀开始不久还挤在一起的话。这样的话，地球和宇宙差不多同龄似乎是很合理的。

但是，20世纪40年代，放射性对地球年龄值的估算变得更准确，超过了30亿年。同时，宇宙膨胀对宇宙年龄的估算值却仍然没有超出20亿年。一定出了问顾，两个学科——物理学和天文学——哪一个将取胜呢？

开始，天文学好像略胜一筹。当尼尔和他的同事于1941年利用放射性获得某一岩石样本的25.7亿年的年龄值时，他们注意到：该值比20亿年要大（20亿年这个值“通常被认作地球的开端”，因为地球不能先于宇宙而存在）。所以他们只谨慎地得出唯一的结论：地球的年龄“看来最接近于20亿年。”

接下来，天文学踌躇不前了，哈勃在1942年的两篇论文中说，他不敢肯定红移真的暗示着星体后退的速率。而且他还指出其他困难，其中之一是，膨胀宇宙的年龄在经过一些对为使数据自恰而引入的“模糊因素”（dimming factors）的修正之后，其值要远小于18亿年，很有可能比10亿年还要小。宇宙的这个年龄值比从放射性得出的地球年龄值还要小得多，由此哈勃肯定10亿年是“不可接受的”。哈勃很不情愿对红移作任何其他解释，但是他对当时被大家接受的地球年龄值又未提出任何疑问。

矛盾在20世纪50年代以一种简单的方式得到解决。天文学家根据新数据简单地修正了距离标度，并且在很大程度上相应扩大了时间标度：得出哈勃时间T猛然增大2倍，在随后的几十年内还有所增大。目前宇宙年龄的估算值在100亿年和2卯亿年之间，远远超过了地球年龄的最高估算值。

富有戏剧性的是，在宇宙年龄的估算值猛增的时候，科学家对地球年龄的估算值却固定没变。1953年，一组科学家报道，某些陨石中放射产生的铅同位素的丰度在相当大程度上低于早先假定的“原始”值，4种铅同位素的比例是1：9.4：10.3：29.2，而且铀与铅的比例也相当低。这意味着，目前陨石中²⁰⁶Pb和²⁰⁷Pb的含量只是很小部分地来自于从陨石形成开始以来的铀衰变，好像应该假设这些陨石和地壳中发现的矿石比起来，受化学分异过程的影响相当小，从而科学家得出结论：这些陨石中铅同位素的含量最准确地反映了地球形成时铅同位素的原始丰度。

1953年9月，小组成员之一物理学像帕特逊（Clair Patterson）宣称，如果假定地壳中铅同位素的原始丰度与陨石中的丰度值相同，那么地球至少已存在45亿年了。

在随后的3年内，科学家对铅同位素的数据作了更多的分析，而且利用另外两种放射估算年龄技术对陨石年龄作了独立的估算，都验证了45亿年的地球年龄值。这两种估算陨石年龄值的方法之一是钾－氩方法，其产生应归于天文学家魏茨泽克（C. F. Von Wtizsasker）的预言：1937年他指出，钾同位素⁴⁰K可能会通过俘获一个轨道电子到核内而衰变成⁴⁰Ar。

魏茨泽克的这一预言后来为实验所证实，而且实验中发现在含钾的矿石中，⁴⁰Ar与³⁶Ar的比值与通过其它方法估算的矿石年龄值有关。由于含钾矿石存在的广泛性，钾－氩方法在确定岩石年龄方面有很大用途；又因为氩几乎全部留在矿石内而不渗出，钾－氩方法估算的年龄值要比依据矿石中所含的由铀α衰变产生的氦的量估算的值可靠得多。

另一种方法是利用铷衰变成锶，该技术由地质学家戈尔德施米特（V. M. Goldschmidt 1888~1947）于1937年建议，后经哈恩（Otto Hahn）、沃森（Walling）和阿伦斯（L. H. Ahrens）发展 。⁸⁷Rb释放一个电子衰变为⁸⁷Sr，半衰期约为500亿年。这一数字远比岩石年龄大，可见岩石中铷的含量基本上是稳定的，岩石的年龄正比于放射产生的锶的多少。

到1956年，帕特逊认为已经有足够的数据可用来给围绕45亿年这一数据的争论作一定论。在对陨石年龄的估算中，科学家发现无论用三种放射方法的哪一种，得出的年龄值在各种方法的已知精度范围内都是相同的。其中最精确的方法是利用²⁰⁷Pb和²⁰⁶Pb的比值，给出的年龄值是45.5±0.7亿年。另外，地球上许多矿石中铅同位素的等时线与陨石中的等时线一样，都给出45.5亿年的年龄值。帕特逊从而得出结论，地球与陨石同龄。

这到里为止，依然存在几个疑问。但是20世纪70年代，几乎所有的地球科学家都接受帕特逊的结论，特别是在科学家通过对月岩的分析得出月球的年龄约为46亿年的结论之后。

地球年龄的估算值经过2，400万年到20亿年的跃变，然后又增到45.5亿年之后突然停止不动了。1980年，物理学家F. 特拉（Fovad Tera）考查了10个估算值，其中大部分是用铅－铀方法得出的，估算值分布在44.3到45.9亿年的范围内。从中他得出结论：地球年龄的最佳估算值在45.3到45.6亿年之间。

在帕特逊宣布他的结果之后20年间，伴随着板块构造论（Plate tectonics）的出现，地球科学发生了一场伟大的革命，变革了在这以前我们对地球历史的许多认识。然而很明显，有一个最基本的参数没有发生变化，那就是地球的年龄值——在误差范围内，目前为大家普遍接受的地球年龄值30多年前就已经给出了。

[The Science Teacher，1987年12月]