地球的年齡是如何計算出來的?兩個令科學家恐懼的物理量

2020-12-05 科普文章社

目前公認的地球年齡是45.5億年,那麼長的時間跨度是怎麼計算出來的?如果想準確計算出地球的年齡則需要一個速率恆定、量程極大的物理量,兩者缺一不可。在人類歷史上,地球年齡的計算曆程也是一波三折。

兩個刁鑽的物理量

起初,人們想到的是利用海洋鹽度起源作為特殊的物理量進行計算,不過在研究中發現海水深度與鹽度的垂直變化受外界的影響程度很大,它不滿足「速率恆定」這個條件。很遺憾,在這個方向的研究進程理論出現塌陷。

不久,有學者提出利用熱力學知識計算地球從炙熱的狀態變為冷卻的時間,而這個時間跨度就大致是地球的年齡。這個大膽地想法乍一聽很有道理,不過在後來對地殼的研究中發現從地心到地面的熱力逐漸遞減,地球內部溫度並不是統一的,這個物理量依舊沒能滿足「速率恆定」的條件。

那麼什麼物體的變化是「速率恆定」呢?「量程極大」這個條件很多物體都能滿足,比如地殼中巖石的形成、遠古細菌的風華過程等,但「速率恆定」的條件使許多科學家為之痛苦不堪。看來計算地球年齡的計劃陷入了僵局,就連計算的基礎都沒能奠定何來計算之談?

鈾的衰變

隨著化學元素的研究,化學家發現了有趣的現象:一般多核子結構的原子內部非常不穩定,而為了達到一定的穩定狀態,整個原子核開始持續減少核子,並且這個過程的速率是恆定的,不受溫度、壓強、溼度等所有因素的影響。

這個大致描述的過程被稱為「衰變」,是放射性核素的特徵量。

鈾的原子序數為92,擁有大量核子,內部結構非常不穩定且是一种放射性元素。鈾經過衰變會成為無放射性的鉛元素。

如果知道「一個樣品目前的鉛鈾轉換比例」和「形成時多少鉛」就可以代入公式計算出這個過程的年齡。

曙光的出現

1947年芝加哥大學教授哈裡森布朗首次提出用隕石作為樣本進行計算,他將這個任務交給了自己的學生克萊爾帕特森。為什麼選擇隕石作為樣本呢?第一個原因就是隕石是星體的一部分,在星體經受重創解體時就是隕石。

隕鐵是隕石中的一種,它是星體內核剝落形成的。其次,太陽系中大部分隕石和星體的形成的時間跨度基本相差不大。基於這兩點原因,隕石作為樣本是絕佳的選擇。

克萊爾怕特森選擇了隕鐵作為最終樣本,隕鐵是隕石的一種,目前隕鐵的鈾含量極低,鉛含量極高。這就意味隕鐵中的鈾在超長時間的跨度裡面衰變成了鉛。這個計算過程並不是想像中的那麼簡單,克萊爾帕特森費了七年的時間計算出這個時間跨度是45.5±0.7億年,至此人類首次計算出了地球大致的年齡。

最後的定論

科學家在對大陸板塊的研究的過程中受到了啟發,利用格林蘭島、南非、南澳大利亞三塊古老的板塊進行計算地球的年齡,得出的結果是約42億年。結合克萊爾帕特森的計算結果,最終把地球的年齡定位在45.5億年。

目前任何一項看似非常平常的問題可能經歷了數年的研究才得出結過,人類或許不是宇宙中的最完美的文明,但是人類對未知的探索精神值得敬畏。

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