方舟子
留美学者，生物化学博士smfang@yahoo.com
　　到了19世纪，科学家已无需担心由于发表离经叛道的观点而受到宗教界的迫害。科学界实际上已无人相信地球如《圣经》所记载的只有几千年的历史。各种证据都表明地球的年龄必定非常古老。但是究竟老到什么程度，物理学家和地质学家（以及生物学家）却有不同的看法，发生了一场持续几十年的大争论。
　　物理学家延续牛顿、布封的传统，试图根据地球的冷却来估算地球的年龄。牛顿、布封的估算未免过于粗陋，要做较为精确的计算，需要用到热力学的方法。创建热力学的关键人物英国物理学家威廉·汤姆逊 （后来成为开尔文勋爵）（1824-1907）成了最佳人选。
　　汤姆逊在1852年写了一篇简短的论文，指出在能量转化过程中，总会有一部分能量变成热量耗散掉。这意味着地球、太阳系乃至整个宇宙也都在逐渐散热，持续冷却下去。当时已知的化学反应能够补充一些热量，但是远远不足以补偿散发的热量。换言之，地球在过去必定比现在热，曾经热得生命无法生存，在将来则会比现在冷，会冷得不适合人类居住。假定地球一开始是完全熔化的，之后热量从地球内部传导到地球表面耗散掉，地表逐渐冷却到现在的温度，那么如果知道了地球的初始温度、岩石的热导率和现在地表的温度梯度，就可以算出地球的年龄了。
　　汤姆逊在1862年的一篇论文中就是这么算的。但是他所需要的三个数据在当时都不确定，只能先做一番估计。汤姆逊把地球的初始温度设为3870摄氏度。他认为这是岩石熔化的温度，但是当时并没有这方面的实验，其实也就是瞎猜的。对岩石热导率，汤姆逊倒是自己做了测量，分别测了沙、沙岩和辉绿岩的热导率，把它们的平均值作为地球岩石的热导率。至于现在地表的温度梯度，有一些数据，但是彼此差别很大，汤姆逊挑了其中的一个。据此，汤姆逊计算出在9800万年前地球从熔化状态开始凝固下来。考虑到数据可能有错，汤姆逊给出一个比较大的估算范围，下限是2000万年前，上限是4亿年前。
　　尽管汤姆逊的估算所用的假设很成问题，数据也很不确定，但是在此后的几十年内却被认为非常权威。毕竟，汤姆逊是当时首屈一指的大物理学家，身上笼罩着无数的光环：连续6年当选王家学会会长，被授予爵士和男爵爵位，成为第一个入选英国上议院的科学家……不相信这样的权威还相信谁呢？
　　地质学家们却不以为然。一亿年的历史听上去已极为漫长，但是在地质学家看来却过于短暂，与他们观察到的地质现象不符。汤姆逊的估算也让达尔文深感苦恼。达尔文的自然选择学说认为，生物进化是一个逐渐改变的过程，需要无比漫长的时间才能进化出现在我们见到的如此众多、如此丰富多彩的生物物种。但是按照汤姆逊的估算，只有最近的2000-4000万年地球才冷却到能够让生命生存，这个时间框架显然远远少于达尔文所需要的时间。实际上，汤姆逊之所以选择在《物种起源》出版3年后挑起有关地球年龄的论战，就是针对达尔文的自然选择学说而来的。汤姆逊作为一位虔诚的基督徒，是广义的神创论者，虽然接受进化论，但是相信生物进化是在上帝的指导下进行的。
　　地质学家有自己的办法估算地球的年龄，例如根据岩层的厚度。当时的地质学家已经知道沉积岩是水中的物质沉积而成的。那么，如果知道沉积的速度和一组沉积岩的厚度，就可以计算花了多长时间形成这组沉积岩。如果知道了所有沉积岩的总厚度，就可以知道花了多长时间形成所有的沉积岩，那么就可以知道地球的年龄的下限。但是这样的估算很难做到精确，最主要的缺陷在于物质沉积的速度并不是均一的，根据情况变化很大。而且沉积岩的总厚度也难以知道，特别是寒武纪之前的岩层很不完全，而那段时期占了地球历史的大部分。
　　因此达尔文无法具体地估算地球的历史究竟有多长，但是他有理由相信它必定是非常古老的。例如，当时英国地区沉积岩的已知总厚度是77584英尺，美国密西西比河的泥沙沉积速度据估计是10万年600英尺，即每166.67年沉积一尺。按这个沉积速度，英国沉积岩花了1200万年才形成，而实际的沉积速度可能比那慢得多，因此所用的时间也就长得多。在另一个例子中，达尔文估计要用大约3亿年的时间才能把一个高度为500英尺的悬崖侵蚀成现在的韦尔德平原 （假定侵蚀速度是每百年1英寸）。
　　但是物理学家用别的方法估算出的地球年龄却都比较接近汤姆逊的估算。当时的物理学家认为，太阳最初从星云凝聚，达到现在的大小和亮度，只用了大约2000万年的时间，地球的年龄当然不可能比这老。当时太阳核聚变还未被发现，他们计算的时候，错误地假定了太阳能够发光是引力收缩释放出的能量导致的。物理学家采用的另一种估算方法是海洋中盐分的累积。海洋中的盐来自水土的流失，据此估算出海洋的年龄大约是8000万到1亿年。就连达尔文的二儿子、剑桥大学的天文学家乔治·达尔文也独立地验证了汤姆逊的估算。乔治·达尔文假定地球和月球是在熔化状态下分离形成的。在月球引力作用下，地球的海洋出现潮汐。潮汐摩擦会让地球自转速度变慢。乔治·达尔文估算出自月球从地球分离出去，到潮汐摩擦让地球自转减慢到现在的速度，大约用了5600万年的时间，与汤姆逊的估算相当。
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　　这些根据物理定律所做的计算，看上去要比达尔文本人的估算准确得多。在地球年龄的问题上，物理学家似乎更有发言权。达尔文无法反击，只能说“我确信有一天世界将被发现比汤姆逊所计算而得的还要古老”。“达尔文的斗犬”托马斯·赫胥黎则抨击说，汤姆逊的计算貌似精确，其实是基于错误的假设。达尔文相信地球的年龄至少有几十亿年老，生物才有足够的进化时间。我们今天知道达尔文、赫胥黎是对的，而物理学家们算错了。在地球年龄问题上生物学家比物理学家更靠谱，这很有讽刺意味，不过，后来证明物理学家算错的，也是物理学家。
　　1895年，汤姆逊以前的助手约翰·佩利（1850～1920）发现了汤姆逊估算的一个漏洞。汤姆逊把地球当成了固体。但是如果地球内部是液体，地球的导热率就要比汤姆逊估计的高得多，地球的年龄相应地要比汤姆逊计算的大得多。佩利算出地球的年龄大约有20亿～30亿年。但是佩利的观点在当时没有造成什么影响。
　　放射性现象被发现以后，汤姆逊计算的另一个大缺陷也暴露了出来。汤姆逊假定地球内部没有热源，地球形成以后就一直在冷却。1903年，法国物理学家居里（1859～1906）发现放射性同位素镭能够释放出热量，乔治·达尔文和几个物理学家几乎同时指出，这表明汤姆逊的假定是错的，地球内部放射性同位素产生的热量足以平衡汤姆逊假设的冷却效应。1904年，核物理之父卢瑟福（1871～1937）在汤姆逊出席的一次报告会上，指出了这一点。卢瑟福以后也将由于他的物理学上的重大贡献被授予爵士、男爵，获得诺贝尔奖，学术地位不亚于汤姆逊。不过在当时，他还只是个崭露头角的年轻物理学家，要当面挑战德高望重的权威，不免战战兢兢。卢瑟福在回忆录中生动地描述了这一幕：
　　“我进了昏暗的房间，很快发现卡尔文勋爵就在观众中，并意识到我有麻烦了，我的报告的最后部分是关于地球年龄的，而我的观点和他的观点相抵触。卡尔文很快睡着了，这让我松了一口气，但是在我讲到关键部分时，我看到老家伙坐直了，张开眼睛，恶狠狠地盯着我！我突然灵机一动，说：‘卡尔文勋爵已限定了地球的年龄，条件是没有发现新的热源。这个高瞻远瞩的观点指的就是我们今晚讨论的东西，镭！’瞧！老家伙对我发出了微笑。”