地球年齡有多大(下)
留美學(xué)者,生物化學(xué)博士smfang@yahoo.com
放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅推翻了此前物理學(xué)家對(duì)地球年齡的低估,而且讓準(zhǔn)確測(cè)定地球年齡成為可能。
放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)純屬意外。1896年,法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾(1852-1908)在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí),驚訝地發(fā)現(xiàn)鈾鹽已讓包在厚黑紙里的底片感光,表明鈾鹽發(fā)射出能穿透黑紙的射線。兩年后,皮埃爾·居里 (1859-1906)和瑪麗·居里(1867-1934)夫婦發(fā)現(xiàn)釷元素也能發(fā)出類似的射線,把這種現(xiàn)象命名為“放射性”。之后,居里夫婦發(fā)現(xiàn)了兩種具有放射性的新元素——釙和鐳。
盧瑟福和索迪(1877-1956)一起為放射性年齡測(cè)定奠定了理論基礎(chǔ)。他們發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象是由于元素的自發(fā)衰變?cè)斐傻摹T谒プ冞^(guò)程中,一種元素變成了另一種較輕的元素,同時(shí)發(fā)射出射線。一種放射性元素的衰變速率是固定的。這樣,如果知道了某種放射性元素的衰變速率和衰變產(chǎn)物,就可以根據(jù)衰變產(chǎn)物的量計(jì)算出用了多長(zhǎng)的時(shí)間產(chǎn)生這些產(chǎn)物。
盧瑟福在1905年首先想到了可以用這種辦法來(lái)測(cè)定巖石的年齡。當(dāng)時(shí),他已經(jīng)知道鈾、鐳發(fā)射出的阿爾法射線其實(shí)就是氦,那么,通過(guò)測(cè)量巖石中鈾和氦的比例,以及鈾產(chǎn)生氦的速率,就可以知道巖石的年齡。用這個(gè)辦法,他測(cè)定兩塊巖石的年齡大約是5億年。盧瑟福謹(jǐn)慎地指出,這只是下限,因?yàn)橛幸徊糠趾た赡軓膸r石中逃逸了,導(dǎo)致測(cè)定的氦含量比實(shí)際的要少,測(cè)定的巖石年齡也就偏小。
在同一年,美國(guó)化學(xué)家波爾特伍德(1870-1927)注意到鉛總是出現(xiàn)在含鈾和釷的礦石中,推測(cè)鉛是鈾和釷衰變的最終產(chǎn)物。在盧瑟福的建議下,波爾特伍德開(kāi)始通過(guò)測(cè)量鈾礦石中的鉛含量來(lái)計(jì)算巖石的年齡。他測(cè)了26份巖石樣本,發(fā)現(xiàn)它們的年齡在4億到22億年之間。這表明地球的年齡至少是22億年。
波爾特伍德的結(jié)果于1907年發(fā)表在地質(zhì)學(xué)雜志上。盡管這個(gè)測(cè)定結(jié)果符合地質(zhì)學(xué)家的預(yù)想,他們卻對(duì)此沒(méi)有什么興趣。地質(zhì)學(xué)家對(duì)物理學(xué)家、化學(xué)家闖入他們的領(lǐng)域的舉動(dòng)仍保持戒心。波爾特伍德沒(méi)有做進(jìn)一步的研究,后來(lái)患了抑郁癥,自殺身亡。盧瑟福的興趣也轉(zhuǎn)移到其他方面。
在其他人都放棄的時(shí)候,只有英國(guó)地質(zhì)學(xué)家霍姆斯(1890-1965)堅(jiān)持了下來(lái)。早在1911年霍姆斯還是一名本科生時(shí),就開(kāi)始用鈾-鉛法測(cè)定巖石的年齡,并測(cè)出最古老巖石的年齡是16億年。此后,隨著對(duì)放射性現(xiàn)象、放射性同位素的研究的深入,霍姆斯一直在改進(jìn)其測(cè)量結(jié)果。但是直到進(jìn)入20年代,霍姆斯的工作才逐漸受到重視。此時(shí),地質(zhì)學(xué)家已發(fā)現(xiàn)地層的沉積速度并不是恒定的,因此想根據(jù)現(xiàn)在地質(zhì)變化的速率來(lái)精確地算出地球的年齡是不可能的,只能借助放射性方法。1931年,美國(guó)科學(xué)院指定一個(gè)委員會(huì)專門研究地球年齡的測(cè)定問(wèn)題,由霍姆斯執(zhí)筆的委員會(huì)報(bào)告認(rèn)定放射性年齡測(cè)定法是測(cè)定地球年齡的唯一可靠的方法。
有關(guān)放射性測(cè)定法的爭(zhēng)議消失了,接下來(lái)就是如何盡可能準(zhǔn)確地測(cè)定地球的年齡。巖石越古老,當(dāng)然就越接近地球的年齡。目前測(cè)定的最古老的巖石年齡大約是38億-39億年,其中有的是沉積巖,含有更古老的礦石晶體。已知最古老的礦石晶體是在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的鋯石小晶體,年齡至少為44億年。但是用地球巖石無(wú)法直接測(cè)定地球形成的年齡。這是因?yàn)榈厍蛴傻貧ぁ⒌蒯!⒌匦膸撞糠纸M成,由于板塊運(yùn)動(dòng),新的地殼持續(xù)地產(chǎn)生,然后又被循環(huán),巖石始終處于變化之中,其結(jié)果是,地球最早形成的巖石已不存在。
整個(gè)太陽(yáng)系是由同一片星云形成的,形成太陽(yáng)系各個(gè)天體的過(guò)程所花的時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較短,可能不到1億年。太陽(yáng)系其他天體的年齡也就基本等于地球的年齡。因此,有關(guān)地球年齡的最好證據(jù)反而不是來(lái)自地球,而是來(lái)自月球和降落到地球上的天外來(lái)客——隕石。月球上不存在板塊運(yùn)動(dòng),可以在上面找到月球剛形成時(shí)就有的巖石。對(duì)阿波羅號(hào)帶回來(lái)的月球巖石的測(cè)定結(jié)果表明,最古老的月球巖石大約是44-45億年。對(duì)許多隕石的測(cè)定結(jié)果,年齡也都在45億年左右。現(xiàn)在被普遍接受的地球年齡45.4億年(1%誤差),根據(jù)的是美國(guó)地質(zhì)化學(xué)家帕特森(1922-1995)在1956年發(fā)表的測(cè)定結(jié)果,測(cè)的是一塊在美國(guó)亞利桑那州惡魔谷發(fā)現(xiàn)的隕石。
地球年齡大約45億年,科學(xué)界對(duì)此已異議,它作為一個(gè)科學(xué)事實(shí)已有50多年的歷史。但是在科學(xué)界之外,仍然有許多人不能接受這一事實(shí)。這主要是基督教原教旨主義者,他們堅(jiān)信地球的年齡只有大約1萬(wàn)年。這些“年輕地球論者”的依據(jù)是基督教《圣經(jīng)》,但是卻給自己披上科學(xué)的外衣,試圖動(dòng)搖放射性測(cè)定法的科學(xué)基礎(chǔ)。
簡(jiǎn)單的放射性測(cè)定法有兩個(gè)假設(shè):一、在巖石剛剛形成時(shí),只有母元素(例如鈾),子元素(例如鉛)都是后來(lái)由母元素衰變形成的。二、自巖石形成以后,沒(méi)有母元素、子元素逃逸出去,也沒(méi)有母元素、子元素從外界滲透進(jìn)來(lái)。顯然,這兩條假設(shè)如果有一條不成立,就會(huì)影響到測(cè)定結(jié)果,因此就受到了“年輕地球論”的質(zhì)疑。
但是存在這兩個(gè)假設(shè)并不會(huì)讓放射性測(cè)定法變得毫無(wú)價(jià)值。在許多情形下,有足夠的依據(jù)可以認(rèn)定這樣的假設(shè)是完全合理的,而且也可以通過(guò)對(duì)同一個(gè)樣本用不同的同位素、不同的測(cè)定方法進(jìn)行核對(duì)。實(shí)際上,現(xiàn)代放射性測(cè)定法普遍采用的是等時(shí)線法,通過(guò)測(cè)量同一種元素的不同同位素的量,以及通過(guò)測(cè)量在同一時(shí)間形成的不同物體 (例如巖石中的不同礦石晶體),取消了這兩個(gè)假設(shè)。因此,“年輕地球論者”對(duì)此的質(zhì)疑是沒(méi)有道理的。
放射性測(cè)定法還有一個(gè)基本假設(shè),某種放射性元素的衰變速率是恒定不變的。如果這個(gè)假設(shè)不成立,測(cè)定的結(jié)果當(dāng)然就靠不住。因此“年輕地球論者”最喜歡攻擊這一假設(shè)。但是這一假設(shè)有充分的量子力學(xué)理論依據(jù),攻擊它也就是在攻擊量子力學(xué)。這個(gè)假設(shè)也被實(shí)驗(yàn)所證實(shí):物理學(xué)家做了很多試圖改變衰變率的實(shí)驗(yàn),對(duì)放射性同位素施加不同的溫度(高達(dá)2000攝氏度,低達(dá)零下186攝氏度),不同的氣壓(從真空到幾千個(gè)大氣壓),不同的引力場(chǎng)和磁場(chǎng),都未能顯著改變衰變率。
而且放射性測(cè)定法的結(jié)果已被別的方法所獨(dú)立驗(yàn)證,例如日震年齡測(cè)定法。上個(gè)世紀(jì)60年代,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)表面在有規(guī)律地振蕩,稱為日震。日震波的傳播與太陽(yáng)的組成,特別是太陽(yáng)中心的氦和氫的相對(duì)含量有關(guān)。自太陽(yáng)誕生以來(lái),其內(nèi)部就一直在進(jìn)行著把氫聚合成氦的核聚變。因此,通過(guò)日震測(cè)定太陽(yáng)中心氦的含量,就可以計(jì)算出太陽(yáng)的年齡。用這個(gè)方法測(cè)出的太陽(yáng)年齡大約為45.7億年,與用放射性測(cè)定法測(cè)出的吻合得很好。
當(dāng)代“年輕地球論者”對(duì)地球年齡的質(zhì)疑沒(méi)有任何科學(xué)含量,不能算是科學(xué)爭(zhēng)論,也無(wú)法通過(guò)學(xué)術(shù)爭(zhēng)論獲得解決。這是宗教與科學(xué)的沖突,這些偏執(zhí)的信徒還生活在17世紀(jì)烏瑟主教的時(shí)代。
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