这些年我们是怎么核算地球年纪的?

科学史话

“地球的年纪是多少?”在400年前的欧洲,爱尔兰人詹姆斯·乌雪是这个问题的公认权威。风趣的是,他并不是是一位科学家,而是一名大主教。因为在科学革命之前,“地球的年纪”问题是与创世神话联络在一同的,因此,“地球的年纪是多少?”最开始是一个神学问题而非科学问题。

詹姆斯·乌雪担任过全爱尔兰天主教会的大主教,但对科学充满爱好。他选用圣经年谱学的方法,把圣经上记载的重大前史工作依照时间顺序顺次摆放出来,同时他还查阅了很多非基督教古代前史文献,将与圣经上记载相同的工作逐个标记年份。通过重复的比对和整理,乌雪在他1645年出版的著作《乌雪年表》中,依据当时盛行的儒略历推算,认为整个世界被天主发明于公元前4004年10月22日下战书6时。

在启蒙运动之后,基督教的权威现已摇摇欲坠了,后来的学者们纷繁选用更加科学的方法来推算地球的年纪。法国博物学家布丰收集到了很多史前古生物化石,依据这些化石的年份,布丰推测地球的年纪超过7万5000年。英国地质学家赫顿则提出了“均变论”,认为地球演化是一个杂乱漫长的过程,而我们只能解释和分析每一个地质时期的详细变化,可是无法推测出发点和终点。这种地质突变论的观念后来被赖尔发扬光大,成为了当时的干流观念。同为博物学家的达尔文推测一些地质变化的过程至少要通过三亿年,而地球的真实年纪说不定远大于此。

当博物学家和地质学家们束手无策的时分,解答这个问题的重担落到了物理学家身上。19世纪50时代,由德国物理学家克劳修斯与英国物理学家开尔文勋爵分别提出的热力学第二定律现已成为了学界的共识。依据热力学第二定律,地球、太阳乃至整个宇宙都处在一种热量耗散的过程中。依照这个理论,地球在诞生之初是一个高热量的岩浆球,其温度跟着时间不断下降,直到将热量完全耗散掉变得完全严寒死寂。这样一来,只需我们知道了地球的初始温度(也就是岩浆的温度)、岩层的导热系数以及地温梯度,我们就可以依据公式核算出地球的年纪。

开尔文在1862年宣布了一篇名为《论地球的缓慢冷却》的文章,他将岩浆的温度设定为3870℃(实践上应该是700℃—1200℃),然后预算了导热系数与地温梯度的均匀值。开尔文最终核算成果是9800万年,考虑到预算带来的差错,他提出地球的年纪大致在2000万年到4亿年之间。通过不断准确参数,开尔文在之后的几十年中不断地修订自己的核算成果,在1897年,他最终确定地球的年纪应该是2400万年。

依照当时已知的物理学理论,开尔文的核算方法是不可动摇的。不光地质学家们无法辩驳开尔文的观念,就连像达尔文这样伟大的博物学家也一度怀疑自己提出的物种演化理论。可是,开尔文的核算方法是建立在两个根本假设之上的。第一,地球内部没有其他热量来历。第二,地球内部是一个均质的固体。只需这两个假设是建立的,那么开尔文的核算方法就是无懈可击的。