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Ent 發表於 2010-07-08

19世紀晚期，開爾文勳爵利用地熱梯度公式推斷，地球的年齡大約只有幾千萬年，而佩利的反駁則沒有引發注意。但是隨着20世紀的到來，物理學揭開了新篇章，地球年齡的探索又會走向何方呢？

五：物理時代（下）放射性與岩石年齡測定

歷史真是充滿諷刺。就在湯姆生（開爾文勳爵）1897年對地球年齡下最後論斷時，另一個也叫湯姆生的傢伙（J. J. Thomson）在同年4月份皇家學會上宣讀了一篇論文，宣告電子的正式發現。沒人能想到，叩開原子的大門之後，裡面是怎樣的珍寶。真可謂成也湯姆生，敗也湯姆生。

J. J. Thomson (1856-1940)。多正太的眼神啊……這傢伙雖然名氣不如開爾文勳爵，但也很牛啦，自己拿了諾貝爾獎不說，還有足足七個助手也先後拿了諾獎，甚至還把自己的兒子也培養成了諾獎得主…… 這麼好的老闆上哪找啊！後來他也封了爵，可惜只是最低級的“爵士”，不世襲。

原子的放射性是法國人貝克勒爾（Henri Becquerel）1896年1月在研究磷光時意外發現的。在當時很多人看來，物理學已經發展得幾乎盡善盡美，就要走到終點了；剩下的不過是一點小問題，或者用開爾文勳爵的話說，是“天邊的兩朵烏雲”。這個背景下，放射性這一全新現象的發現本來這應該立即成為焦點——不幸的是，就在上個月，倫琴發現了X射線。（好吧，其實貝克勒爾就是看了倫琴的實驗之後才受到啟發的。）X射線是高頻電磁波，仍然處在傳統物理學的解釋範圍之內，但是它表現出的穿透性很是神奇，把人們的注意力都搶光了，結果是大家都誤以為這個新的“放射性”和X射線差不多。實際上，就連貝克勒爾本人對此也很快失去了興趣。反倒是一位叫做瑪麗·斯可洛多夫斯卡的女士在尋找博士論文題目時看中了這個領域。她希望能在一個全新的領域裡工作，能夠在實驗室里自由發揮而不是整天泡圖書館的故紙堆，而她的物理學家丈夫也在自己任職的學校里為她開闢出一間實驗室，到後來他甚至放棄了自己的晶體學研究，加入了妻子的領域——不兜圈子了，我說的其實就是居里夫婦啦。

居里夫婦在實驗室那一張照片實在太常見了，咱換一張不常見的。想不到吧，他倆都是自行車的狂熱愛好者——當年自行車還算是個新鮮玩意。他們新婚第一天就是在騎自行車郊遊野餐中度過的~

早在十多年前，皮埃爾·居里和他的哥哥雅克就發現了壓電效應，就是說給石英晶體施加壓力讓它變形的話它會自動積累電荷，而如果給它通電的話它又會自動發生形狀改變。現在的石英鐘就是利用這個原理，不過他們當時只想到這一效應可以用來測靜電，由此發明了石英晶體壓電靜電計。而瑪麗·斯可洛多夫斯卡·居里注意到放射性能使空氣電離，那麼恰好可以借用丈夫的靜電計來間接衡量放射性的強度。由此她做出一項重大發現，放射性的強度只和其中的放射性原子數量和種類有關，和它的化學形式、所處的溫度壓力什麼的完全無關。這表明放射性是來自原子內部的。

她的發現很快引發了同行對放射性領域的關注，其中最著名的無疑是英國人盧瑟福（Ernest Rutherford）（諷刺的是，他本人根本不相信原子核的能量可以被提取出來利用）。他的實驗室發現，原子發出放射線之後自己也會衰變，並測量出衰變遵循一個固定的速度，但是不是每秒幾個原子，而是每秒百分之幾。換言之，每一刻每一個原子的衰變可能性都是相同的。這樣一來，衰變所需的時間就和初始量無關：每經過一個固定的時間（這個數被稱為半衰期），放射性原子就衰變一半。再經過同樣長的時間，再衰變一半，只剩四分之一。所謂“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，恰好可以用來描述衰變。

大名鼎鼎的盧瑟福(1871-1937)，原子物理之父，1908年諾貝爾化學獎得主（雖然他自己更想要物理獎）。我一直覺得他是那一輩人里最帥的一個，而且和我心目中的福爾摩斯同學非常像/_ 他後來也受封為男爵(1st Baron Rutherford of Nelson)，但是因為沒有兒子，所以這個爵位沒傳下來。右邊是半衰期的圖解。

一種現象，速度保持恆定、不受任何外界環境干擾，這儼然是完美的尺子啊。因此很多人都想到了利用放射性測年的可能性。最早提出這一猜想的似乎是John Joly，就是提出根據海水鹽度計算年齡的那一位。這時恰逢盧瑟福的合作者索迪（Frederick Soddy）等人測出了鈾衰變釋放α粒子的速度，盧瑟福於是假設氦核全部被周圍的岩石困住變成氦氣，那麼可以通過測量氦氣總量來計算年齡。當然測得的衰變速度其實並不精確，氦氣也不可能沒有逃逸，但畢竟是第一步嘛。結果出乎意料，隨手挑了一塊鈾礦石就測出了四千萬年的數值。開爾文勳爵1897年估計地球年齡的上限也才四千萬年而已啊，而且岩石的年齡肯定比地球要年輕不少。

這下可捅了馬蜂窩了。那時開爾文已年屆80，儼然是物理學界半神級的人物，之前說過，他的地位就跟晚年的愛因斯坦差不多，皮埃爾·居里曾拿到開爾文的一封推薦信，結果是35歲博士畢業（那時候博士制度沒現在這麼嚴謹，所以很多人拖得很久）立刻升為教授，年薪六千法郎。相比之下，瑪麗在巴黎求學期間僅靠每年折合兩百多法郎的波蘭獎學金就過得還可以了。（我們熟知的瑪麗·居里的艱苦生活是在她拿到這筆獎學金之前的兩年。）盧瑟福雖然也已算是名人，怎麼也不能和開爾文過不去啊。

還好，放射性還有其它的作用。皮埃爾·居里在1903年證實放射性會產生大量的熱，他發現鐳的放射性足以在一小時之內融化同等質量的一塊冰。物理學家立即反應過來，這一下使得之前所有基於熱量計算的地球年齡都需要重新校正。George Darwin和John Joly兩人首先指出這一點，部分原因可能是他倆的自己算法並不依賴於熱量~

因此就有了以下這段著名的描寫，盧瑟福自述他和開爾文勳爵的一次狹路相逢：

“我走進燈光昏暗的屋子，立即看到了聽眾席上的開爾文勳爵，意識到我有麻煩了——我的演講最後一部分關於地球年齡的部分和他的觀點相矛盾。還好他睡的正香，讓我大為欣慰。然而正當我講到關鍵部分時，這老鳥突然坐起來，張開一隻眼睛，向我投來一束兇惡的目光！恰在這時我靈機一動，說道：‘開爾文勳爵曾經限制過地球的年齡，前提是沒有發現新的熱源。這一充滿前瞻性眼光的預言，所指的正是我們今晚討論的物質，鐳！’瞧，那老頑童立刻轉怒為喜了。”

實際上，這大概只是盧瑟福用來哄開爾文他老人家開心的小把戲。後來較為嚴格的計算表明，放射性產熱雖然總熱量確實不小，但是由於熱源分散在整個地球內部，而開爾文的計算是基於地熱梯度，因此對原來的結論並不產生很大的影響；真正的錯誤還是如Perry所言，用錯了地球物理模型。不過Perry已經被遺忘，而盧瑟福的這個故事流傳太廣，放射性產熱看起來是那麼有說服力（畢竟開爾文自己都說過新熱源的可能性），而一項新發現既推翻了原有的假說又能找到新的方法替代，這一切看起來都太完美了。因此，很多人都誤以為是盧瑟福藉助放射性產熱推翻了開爾文的論證。達爾文的第三子，植物學家Francis Darwin說過，“科學中的榮耀歸於說服了世界的那個人，而非首先想到的那個人。”大概就可以描述這件事。不管怎麼說，最後計算出新的年齡這一功勞還是要歸給核物理學的。

氦氣是不靠譜的，要找一種不會逃跑的元素才行。這時我們終於見到美國人出場了：耶魯畢業的Bertram B. Boltwood。他自己先前已經做過一些放射性研究，在1904年聽了盧瑟福的一場講座之後更是激動萬分。他發現鐳衰變到鉛就穩定下來不動了，進而注意到不同地層的岩石中鐳/鉛比例不同。越古老的岩石，鉛越多，鐳越少；而且衰變速率是可以測定的。這樣一來根據兩種元素的比例就可以計算出岩石年齡。他手頭很多岩石測出上億年的數據，遠遠超過開爾文勳爵的估計。只可惜他的論文發表在地質學刊物上，而當時的地質學家對於放射性這種新鮮玩意不太感冒（50年後歷史重演——洛倫茲關於混沌的論文發表在大氣物理的刊物上，同樣無人問津）。後來Boltwood專心研究放射元素衰變序列，把測年法拋諸腦後；直到1927年因抑鬱症發作而自殺。要我說他也是有點活該，這傢伙居然對我們敬愛的居里夫人口出狂言，認為她不過是個女人而已，她的工作只是苦力活，沒有創造性；可要是沒有居里夫人的工作，他自己的整個領域是否存在都是問題呢……那個時期女科學家的境遇其實非常糟糕。啊，女科學家的事情以後再說，我們先回到正題。

最後完善測年法的人是英國人Arthur Holmes，他後來因此而獲得了渥拉斯頓獎章——記得嗎？就是史密斯得過的那個地質學最高獎。還在讀本科時，他正確地選擇了鈾鉛測年的路線並給出了首個嚴格的測年（Boltwood的測定方法很不精確）；不過同位素測年方法相當繁瑣，剛開始很多人並不太認同，因此他1910年本科畢業之後沒有專注於測年技術而是去莫桑比克探礦，結果得了瘧疾差一點死掉，死亡通知書都寄到家了，他卻居然又活轉過來。返英拿到博士學位之後他在1920年又跑到緬甸給一家石油公司當首席地質學家，結果1924年公司破產讓他身無分文地回到英國，而他的三歲兒子又在他臨返程時因患痢疾而夭折——真是悲劇啊。

Arthur Holmes(1890-1965)。不，你猜錯了，他不是Arthur Conan Doyle 和Sherlock Holmes的合體…… 但是我們老師總是說，搞地質和當偵探差不多，都是從現有的蛛絲馬跡推斷過去的真相。上面的這本講顯生宙“尺子”的書就是題獻給他的。

不過，所謂大難不死必有後福，他回英之後很快就獲得了一個教職，因為三年前放射性元素測年法在國際會議上已經得到了承認，順帶讓開爾文勳爵的估算徹底破產——還好，開爾文1907年逝世了。物理學家普朗克說過一句很辛酸的話：一種新學說戰勝其反對者，不是靠說服他們，而是等他們全死光。雖然大概不是指的這件事，但是單個人的保守思想可見一斑……由此更讓我們意識到科學家只有作為一個不斷更新的群體才能前進。

到現在，常用的測年放射性原子已經達到十幾種，各自有其適用場合，過去的全部地質資料都得到了放射性測年的重新標定。我們熟悉的碳十四測年也是其中一種，只不過由於碳十四半衰期比較短，只能測定幾百年到五萬年的範圍，超出去就不準確了，因此更多地用於考古領域。總之地質學家終於可以放心地說，這塊岩石的絕對年齡是多少多少。

於是地球的年齡問題轉了一圈又回到地質學家手裡，只不過這一回，他們的任務變成了找到最古老的岩石。