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19世纪晚期,开尔文勋爵利用地热梯度公式推断,地球的年龄大约只有几千万年,而佩利的反驳则没有引发注意。但是随着20世纪的到来,物理学揭开了新篇章,地球年龄的探索又会走向何方呢?

五:物理时代(下)

历史真是充满讽刺。就在汤姆生(开尔文勋爵)1897年对地球年龄下最后论断时,另一个也叫汤姆生的家伙(J. J. Thomson)在同年4月份皇家学会上宣读了一篇论文,宣告电子的正式发现。没人能想到,叩开原子的大门之后,里面是怎样的珍宝。真可谓成也汤姆生,败也汤姆生。


【J. J. Thomson (1856-1940)。多正太的眼神啊……这家伙虽然名气不如开尔文勋爵,但也很牛啦,自己拿了诺贝尔奖不说,还有足足七个助手也先后拿了诺奖,甚至还把自己的儿子也培养成了诺奖得主…… 这么好的老板上哪找啊!后来他也封了爵,可惜只是最低级的“爵士”,不世袭。】

原子的放射性是法国人贝克勒尔(Henri Becquerel)1896年1月在研究磷光时意外发现的。在当时很多人看来,物理学已经发展得几乎尽善尽美,就要走到终点了;剩下的不过是一点小问题,或者用开尔文勋爵的话说,是“天边的两朵乌云”。这个背景下,放射性这一全新现象的发现本来这应该立即成为焦点——不幸的是,就在上个月,伦琴发现了X射线。(好吧,其实贝克勒尔就是看了伦琴的实验之后才受到启发的。)X射线是高频电磁波,仍然处在传统物理学的解释范围之内,但是它表现出的穿透性很是神奇,把人们的注意力都抢光了,结果是大家都误以为这个新的“放射性”和X射线差不多。实际上,就连贝克勒尔本人对此也很快失去了兴趣。反倒是一位叫做玛丽·斯可洛多夫斯卡的女士在寻找博士论文题目时看中了这个领域。她希望能在一个全新的领域里工作,能够在实验室里自由发挥而不是整天泡图书馆的故纸堆,而她的物理学家丈夫也在自己任职的学校里为她开辟出一间实验室,到后来他甚至放弃了自己的晶体学研究,加入了妻子的领域——不兜圈子了,我说的其实就是居里夫妇啦。

【居里夫妇在实验室那一张照片实在太常见了,咱换一张不常见的。想不到吧,他俩都是自行车的狂热爱好者——当年自行车还算是个新鲜玩意。他们新婚第一天就是在骑自行车郊游野餐中度过的~】

早在十多年前,皮埃尔·居里和他的哥哥雅克就发现了压电效应,就是说给石英晶体施加压力让它变形的话它会自动积累电荷,而如果给它通电的话它又会自动发生形状改变。现在的石英钟就是利用这个原理,不过他们当时只想到这一效应可以用来测静电,由此发明了石英晶体压电静电计。而玛丽·斯可洛多夫斯卡·居里注意到放射性能使空气电离,那么恰好可以借用丈夫的静电计来间接衡量放射性的强度。由此她做出一项重大发现,放射性的强度只和其中的放射性原子数量和种类有关,和它的化学形式、所处的温度压力什么的完全无关。这表明放射性是来自原子内部的。

她的发现很快引发了同行对放射性领域的关注,其中最著名的无疑是英国人卢瑟福(Ernest Rutherford)(讽刺的是,他本人根本不相信原子核的能量可以被提取出来利用)。他的实验室发现,原子发出放射线之后自己也会衰变,并测量出衰变遵循一个固定的速度,但是不是每秒几个原子,而是每秒百分之几。换言之,每一刻每一个原子的衰变可能性都是相同的。这样一来,衰变所需的时间就和初始量无关:每经过一个固定的时间(这个数被称为半衰期),放射性原子就衰变一半。再经过同样长的时间,再衰变一半,只剩四分之一。所谓“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,恰好可以用来描述衰变。


【大名鼎鼎的卢瑟福(1871-1937),原子物理之父,1908年诺贝尔化学奖得主(虽然他自己更想要物理奖)。我一直觉得他是那一辈人里最帅的一个,而且和我心目中的福尔摩斯同学非常像/_\\ 他后来也受封为男爵(1st Baron Rutherford of Nelson),但是因为没有儿子,所以这个爵位没传下来。右边是半衰期的图解。】

一种现象,速度保持恒定、不受任何外界环境干扰,这俨然是完美的尺子啊。因此很多人都想到了利用放射性测年的可能性。最早提出这一猜想的似乎是John Joly,就是提出根据海水盐度计算年龄的那一位。这时恰逢卢瑟福的合作者索迪(Frederick Soddy)等人测出了铀衰变释放α粒子的速度,卢瑟福于是假设氦核全部被周围的岩石困住变成氦气,那么可以通过测量氦气总量来计算年龄。当然测得的衰变速度其实并不精确,氦气也不可能没有逃逸,但毕竟是第一步嘛。结果出乎意料,随手挑了一块铀矿石就测出了四千万年的数值。开尔文勋爵1897年估计地球年龄的上限也才四千万年而已啊,而且岩石的年龄肯定比地球要年轻不少。

这下可捅了马蜂窝了。那时开尔文已年届80,俨然是物理学界半神级的人物,之前说过,他的地位就跟晚年的爱因斯坦差不多,皮埃尔·居里曾拿到开尔文的一封推荐信,结果是35岁博士毕业(那时候博士制度没现在这么严谨,所以很多人拖得很久)立刻升为教授,年薪六千法郎。相比之下,玛丽在巴黎求学期间仅靠每年折合两百多法郎的波兰奖学金就过得还可以了。(我们熟知的玛丽·居里的艰苦生活是在她拿到这笔奖学金之前的两年。)卢瑟福虽然也已算是名人,怎么也不能和开尔文过不去啊。

还好,放射性还有其它的作用。皮埃尔·居里在1903年证实放射性会产生大量的热,他发现镭的放射性足以在一小时之内融化同等质量的一块冰。物理学家立即反应过来,这一下使得之前所有基于热量计算的地球年龄都需要重新校正。George Darwin和John Joly两人首先指出这一点,部分原因可能是他俩的自己算法并不依赖于热量~

因此就有了以下这段著名的描写,卢瑟福自述他和开尔文勋爵的一次狭路相逢:

“我走进灯光昏暗的屋子,立即看到了听众席上的开尔文勋爵,意识到我有麻烦了——我的演讲最后一部分关于地球年龄的部分和他的观点相矛盾。还好他睡的正香,让我大为欣慰。然而正当我讲到关键部分时,这老鸟突然坐起来,张开一只眼睛,向我投来一束凶恶的目光!恰在这时我灵机一动,说道:‘开尔文勋爵曾经限制过地球的年龄,前提是没有发现新的热源。这一充满前瞻性眼光的预言,所指的正是我们今晚讨论的物质,镭!’瞧,那老顽童立刻转怒为喜了。”

实际上,这大概只是卢瑟福用来哄开尔文他老人家开心的小把戏。后来较为严格的计算表明,放射性产热虽然总热量确实不小,但是由于热源分散在整个地球内部,而开尔文的计算是基于地热梯度,因此对原来的结论并不产生很大的影响;真正的错误还是如Perry所言,用错了地球物理模型。不过Perry已经被遗忘,而卢瑟福的这个故事流传太广,放射性产热看起来是那么有说服力(毕竟开尔文自己都说过新热源的可能性),而一项新发现既推翻了原有的假说又能找到新的方法替代,这一切看起来都太完美了。因此,很多人都误以为是卢瑟福藉助放射性产热推翻了开尔文的论证。达尔文的第三子,植物学家Francis Darwin说过,“科学中的荣耀归于说服了世界的那个人,而非首先想到的那个人。”大概就可以描述这件事。不管怎么说,最后计算出新的年龄这一功劳还是要归给核物理学的。

氦气是不靠谱的,要找一种不会逃跑的元素才行。这时我们终于见到美国人出场了:耶鲁毕业的Bertram B. Boltwood。他自己先前已经做过一些放射性研究,在1904年听了卢瑟福的一场讲座之后更是激动万分。他发现镭衰变到铅就稳定下来不动了,进而注意到不同地层的岩石中镭/铅比例不同。越古老的岩石,铅越多,镭越少;而且衰变速率是可以测定的。这样一来根据两种元素的比例就可以计算出岩石年龄。他手头很多岩石测出上亿年的数据,远远超过开尔文勋爵的估计。只可惜他的论文发表在地质学刊物上,而当时的地质学家对于放射性这种新鲜玩意不太感冒(50年后历史重演——洛伦兹关于混沌的论文发表在大气物理的刊物上,同样无人问津)。后来Boltwood专心研究放射元素衰变序列,把测年法抛诸脑后;直到1927年因抑郁症发作而自杀。要我说他也是有点活该,这家伙居然对我们敬爱的居里夫人口出狂言,认为她不过是个女人而已,她的工作只是苦力活,没有创造性;可要是没有居里夫人的工作,他自己的整个领域是否存在都是问题呢……那个时期女科学家的境遇其实非常糟糕。啊,女科学家的事情以后再说,我们先回到正题。

最后完善测年法的人是英国人Arthur Holmes,他后来因此而获得了渥拉斯顿奖章——记得吗?就是史密斯得过的那个地质学最高奖。还在读本科时,他正确地选择了铀铅测年的路线并给出了首个严格的测年(Boltwood的测定方法很不精确);不过同位素测年方法相当繁琐,刚开始很多人并不太认同,因此他1910年本科毕业之后没有专注于测年技术而是去莫桑比克探矿,结果得了疟疾差一点死掉,死亡通知书都寄到家了,他却居然又活转过来。返英拿到博士学位之后他在1920年又跑到缅甸给一家石油公司当首席地质学家,结果1924年公司破产让他身无分文地回到英国,而他的三岁儿子又在他临返程时因患痢疾而夭折——真是悲剧啊。

【Arthur Holmes(1890-1965)。不,你猜错了,他不是Arthur Conan Doyle 和Sherlock Holmes的合体…… 但是我们老师总是说,搞地质和当侦探差不多,都是从现有的蛛丝马迹推断过去的真相。上面的这本讲显生宙“尺子”的书就是题献给他的。】

不过,所谓大难不死必有后福,他回英之后很快就获得了一个教职,因为三年前放射性元素测年法在国际会议上已经得到了承认,顺带让开尔文勋爵的估算彻底破产——还好,开尔文1907年逝世了。物理学家普朗克说过一句很辛酸的话:一种新学说战胜其反对者,不是靠说服他们,而是等他们全死光。虽然大概不是指的这件事,但是单个人的保守思想可见一斑……由此更让我们意识到科学家只有作为一个不断更新的群体才能前进。

到现在,常用的测年放射性原子已经达到十几种,各自有其适用场合,过去的全部地质资料都得到了放射性测年的重新标定。我们熟悉的碳十四测年也是其中一种,只不过由于碳十四半衰期比较短,只能测定几百年到五万年的范围,超出去就不准确了,因此更多地用于考古领域。总之地质学家终于可以放心地说,这块岩石的绝对年龄是多少多少。

于是地球的年龄问题转了一圈又回到地质学家手里,只不过这一回,他们的任务变成了找到最古老的岩石。

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几多时光,雕刻地球系列

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13 Responses to “几多时光,雕刻地球之(五)”

  1. 祭小司说道:

    还有下篇吗?这个系列很好看。

    • Ent说道:

      应该会有的……但是毕业季太忙了啊,不知道啥时候能写出来T_T

  2. Abyssx说道:

    终于到5了,一共多少章呐……

  3. 美国优洛说道:

    这个系列很不错啊,通俗有趣

  4. panda说道:

    拜读,十分受益

  5. jerry说道:

    赞一个,这系列的文章写得真棒,不但把科学知识介绍得清清楚楚,情节也十分引人入胜,我都等不及看下篇了。我觉得,这篇文章可以和阿西莫夫的科普作品相比了。

  6. jerry说道:

    题外话:Ent是托尔金小说里的树人吧?中土大陆最古老的生物之一,雅凡娜所喜爱的,为守护树木、对抗矮人而诞生的物种,几乎与大地一样古老。放在这里,确实和古老的地球历史相符呢。

    • Ent说道:

      Yep~ 就是来自LOTR里面的~
      另,和阿老比那绝对不敢当……要说引人入胜那也是因为这帮科学家个个活宝,不是我的功劳……

    • Abyssx说道:

      你被骗了,其实是耳鼻喉科的缩写XD

  7. Forrest说道:

    精彩!收藏,并等候下一篇连载!

  8. 以后说道:

    很有科教意义

  9. yyy说道:

    坐等下一篇了

  10. 杨振伟说道:

    呵呵!为什么地质年龄测量最关键的人物!彼得森不见踪影?????

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