物理学、地球年龄和古人类学

中国科学技术大学， 龚明

关于地球的年龄多长，地球是怎么产生的，以及地球的生物---尤其是人---是如何产生和演化的，一直是科学中的重要问题。2000多年前，古希腊的埃拉托色尼就利用代数方法估计了地球的直径（12742 km），和地球真实直径相近。这件事情可能开启了我们对脚底下这下这片土地的认识。无论是四大文明古国，还是后来的宗教，也都十分关心这个问题。比如，基督教教义认为地球产生于公元前4000多年。这个信条无法解释比这个年龄更加古老的地球化石。那么，如何利用科学手段证明这些想法呢？

从19世纪开始，考古学和古人类学也得到了很大发展。1856年，在德国杜塞尔多夫（Dusseldorf）尼安德（Neanderthal）峡谷的一个洞穴里发现了人类骸骨，开启了古人类学的大门。稍微早一点，从1831年开始，英国生物学家查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin，1809年—1882年）就随着贝格尔号军舰环球考察，收集各种动植物标本，并于1859年发表了《物种起源》。他从岩石的风化作用中估计地球的年龄可能在3亿年以上，并以此证明地球和生命的进化是一个非常漫长和缓慢的过程。与此同时，托马斯·亨利·赫胥黎（Thomas Henry Huxley，1825年—1895年）也在做类似的事情。他还发表过著名的《支持“物种起源“的学说》的演讲。1862年物理学威廉·汤姆逊（即后来的开尔文公爵）从简单的传热模型（冷却模型）估计地球的年龄为2000万年到4亿万年之间。后来他改进了这个估计，确定地球年龄在两千多万年。稍微早一点，1854年，他还从热力学的角度估算太阳的年龄小于5亿年。这个地球年龄难以解释达尔文的生命进化过程。所以，达尔文的进化理论，从发表开始，不仅受到来自宗教和世俗世界的压力和嘲讽（当时反达尔文主义者讽刺他为猴子的后代，并有相关的画像），也来自科学家的挑战。几乎在同一个时期，物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821年—1894年）（1856年）以及加拿大天文学家西门·纽康（Simon Newcomb， 1892年）也从不同角度对地球年龄做了估计，也得到了几千万的年龄。连达尔文的儿子乔治·达尔文（George Howard Darwin，1845-1912）也计算得到地球的年龄可能为5600万年左右。乔治·达尔文是查尔斯·达尔文的第二个儿子，他没有沉湎于父亲的巨大声望中，并选择父亲的方向，而是选择了天体物理方向。他是第一个用动力学分析方法研究天体演化问题和地质问题的科学家。后来，物理学家约翰·佩里（John Perry）在1895年指出开尔文爵士的模型太过简单，没有考虑对流和地球内部的非均匀性；他改进了这个模型，并得到了比开尔文估计的年龄长几十到一百倍的地球年龄。从此以后，确定地球的年龄似乎成了一个物理学或者地质学家的重要任务。这个问题可能直接和达尔文的进化理论的正确性有关。如果地球的年龄不是足够长，那么达尔文的进化理论就可能不正确了。

那么，如何测量地球的年龄呢？无论是几千万年还是几亿年，对于人类来讲，都是一个无法企及的长度。要找到一个可靠的度量方法非常困难。一个新的突破来自原子的衰变以及半衰期的研究。1895年 - 1905年迎接来了地质学最激动人心的十年---它几乎和量子力学同根同源。由于放射性以及放射性衰变的研究，卢瑟欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1st Baron Rutherford of Nelson，1871年－1937年）等人很快意识到可以通过测量铀的衰变产物氡的积累来确定岩石的年龄。他成了第一个测量岩石年龄的人，并由此推断出地球年龄为4000万年。但是，后来大家意识到，氡在岩石中会挥发，所以这个测量是不准确的，它最多给出这个年龄的下界。1907年化学家贝特伦·博尔特伍德发现和氡元素在一起的，还有大量的铅，并以此推测铅为铀衰变过程的最终产物。所以通过测量铅和铀的比例，可以用来确定地球的年龄。利用这个方法，亚瑟·霍姆斯在1910年确定地球的年龄为16.4亿年。二战以后，美国人克莱尔·卡梅伦·帕特森（Clair Cameron Patterson，1922年－1995年）和乔治·蒂尔顿合作，改进铀铅测年法，发明了铅-铅测年法。通过测定代亚布罗峡谷陨石中铅的同位素的含量，他们在1955年确定了地球的年龄为45.5±0.7亿年。这是目前公认为的最准确的地球和太阳年龄，并被广泛接收。通过对这些陨石的认识，他也确定了地球和这些陨石有相同的起源，或者产生于大约同一个时期。目前有很多方法可以确定地球的年龄，都在这个值附近。今天，同位素分析法已经成为地球物理和地球化学的最重要的研究手段。科学家通过对同位素分析，还可能确定地球的演化和地壳运动。此外，无论是卡尔文爵士的冷却模型还是佩里的对流模型，都不是很正确，地球内能依旧存在大量活跃的放射性元素衰变，并产生的巨大的能量。现在的高压物理实验（最强可以达到300多GPa，和地球核心压强相当），有助于我们对地球内部物质结构和性能等的了解。物理学的计算工具和实验方法在这个领域再次发挥作用。

与此同时，科学家也可以把元素的衰变当作一把尺子来度量古代化石的年龄，并在很大程度上改变了古人类学或者考古学的研究手段。比如14C的半衰期大约为5730年（其它碳原子没有放射性）。一旦碳被吸收进入样品中，衰变的14C就不会再得到补充，所以通过测量14C和12C的比值，就可以确定样品的年龄。这个方法已经用来测量古埃及人、尼安德特人的器物的年代。通过对它们的同位素的测量，我们还可以确定在尼安德特人欧洲曾经兴盛了几十万年，直到4万年前才灭绝。通过选择合适的同位素原子，科学家还可以确定几百万或者更久的地球上的冰川的年代。目前科学家可以测量单个放射性原子来确定它们的年代。

可见，科学的发展从来不是独立的。笔者在阅读资料的时候，非常惊讶于开尔文、亥姆霍兹、卢瑟福等大物理学家对科学的广泛兴趣以及他们对地质学的贡献。遗憾的是，这些贡献在《原子物理》中都不会讨论，在一般的科学史中也不会讨论。我希望老师们在介绍《原子物理》发展的时候，能讲述这个故事。类似的事情在科学史上非常多，很多人都跨界在别的领域做出了重要贡献。科学的发展，就是这样相互哺育，相互促进。我们这里主要讨论物理对其它学科的发展，但是在科学史中，这些学科也在很大程度上反过来促进了物理学的发展。比如在19世纪地质学研究基础上产生的晶体学，以及从对称群的角度对晶体的分类和描述，后来成了研究固体物理中的重要研究手段。而物理学的X射线衍射技术，也为确定这些结构提供了重要的实验工具。此外，X射线衍射也为确定遗传基因DNA发挥了关键性作用。

写完这篇文章的时候，欧洲刚颁布的2022年诺贝尔生理学或医学奖授予瑞典科学家斯万特·佩博(Svante Paabo)，以表彰他利用DNA技术测量了已灭绝人种的基因组（主要是尼安德特人）和人类进化的发现。2014年，佩博和同事完成了丹尼索瓦洞手指骨的基因测序。他们发现丹尼索瓦洞手指骨的DNA序列和尼安德特人和现代人类的所有已知基因组序都不一样，这是一个新的人类，他们被命名为丹尼索瓦人。他的工作开创了一个新的领域。斯万特·佩博的父亲苏恩·伯格斯特龙曾是1982年诺贝尔生理学与医学奖得主，他选择了和父亲相同的领域，但是走了另外一条完全不同的路。遗憾的是，确定地球年龄的帕特森等人，却没有获得这份运气和荣誉。但是从影响上来讲，帕特森在地质上的贡献和影响可能更大。佩博确定了人类几万年的历史，但是帕特森等人确定了地球几十亿年的历史。佩博主要的贡献，可能还是对DNA方法的应用，这个领域已经非常成熟。但帕特森为地质学提供了一个全新的测量手段，60多年过去了，它依旧被广泛使用。

无论是开尔文、亥姆霍兹、达尔文、卢瑟福、帕特森还是佩博等人，他们给人的启发都是多重的，即科学研究，要努力进入陌生的领域。比如，开尔文研究范围广泛，在热学（绝对温标、热力学第二定律、焦耳－汤姆孙效应）、电磁学、流体力学、光学、地球物理（本文的内容）、数学、工程应用（铺设海底电缆、电工仪表的研制）等方面都做出了杰出贡献。他发表了600多篇论文，申请了70多项专利。他对科学有深刻的思考，19世纪末的“两朵乌云”学说，更是开启了物理学的新篇章。亥姆霍兹也是一个百科全书式的人物。可以这样讲，广泛的兴趣、扎实的数理基础、开阔的视野、活跃的思维、以及不受传统知识的束缚，可能是他们在这条路上能够走得很远的关键。没有任何一门科学的发展是单线的，直线的，而是互相影响、互相促进的。

注：本文的结论，我思考了很久。最近，我的一个学生去日本留学，他告诉我，他导师每隔几年就要换一个方向。现在50多岁了，但是对几乎所有科学问题都有兴趣，并努力尝试新的方向。相比之下，国内的科研环境，似乎更崇尚专一、深耕，一辈子只做一件事情。

刊正：第一版本的地球寿命，不正确，现纠正为地球年龄。科学家估计地球总的寿命为96亿，所以现在地球正值壮年。50亿年后，太阳进入红巨星阶段, 体积膨胀, 最终吞噬地球和其它星球。

参考文献：

1. C. Patterson, G. Tilton and M. Inghram, Age of the earth, 1955.

2. Age of the earth, Wikipedia.

3. John Joly and his determinations of the age of the earth, Patrick N. Wyse Jackson.

4. 地球年龄，刘安立，《地球》.

5. Kelvin, Perry and the age of the earth, P. C. England, P. Molnar and F. M. Richter, American Scientist.

6. Willian Thomson, On the secular cooling of the earth, 1862.

7. Why was Kelvin's estimate of the earth's age wrong?  Ian Lovatt and M. Qasim Syed, 2014.