地学

多亏了陨石,困扰学术界近100年的超级难题终于得到了解决

王爽 发表于  2017-12-06 00:22

今年的中秋之夜,在云南香格里拉附近发生了一次壮观的火流星事件。一颗小行星在距离地面37公里的高度发生了空爆,很可能会有多颗公斤级陨石落到地面。这很可能会成为我国近年来最大的一次陨石事件。

图片来源:新浪微博

可能有读者会问:“所谓的陨石,不就是从天上掉下来的几块石头嘛?这有什么稀奇的呢?”事实上,陨石是一个非常有价值的研究对象,堪称太阳系的活化石。正是通过对陨石的研究,科学家才得以解决一个困扰了学术界将近100年的超级难题:地球有多大的年龄?

下面,我就来讲讲其中的故事。

开尔文勋爵:可以用热力学算

世界上第一个研究地球年龄的科学家是大名鼎鼎的开尔文勋爵。开尔文勋爵原名威廉·汤姆森,在68岁那年被英国皇室册封为贵族。他是19世纪最有名的科学家之一,一生中写了661篇论文,还发明了69项专利。他是热力学的创始人之一,与克劳修斯一道提出了著名的热力学第二定律,并发明了后来用他本人名字命名的绝对温标。此外,他还领导一家公司,铺设了世界上第一条跨越大西洋的海底电缆。

开尔文勋爵。图片来源:维基百科

开尔文勋爵摆过几次著名的乌龙。

最有名的一次乌龙发生在1900年。在那年的一次演讲中,他宣称物理学的大厦已经建成,剩下的只是一些修修补补的工作。虽然他提到在物理学的天空上还飘浮着两朵乌云,但他觉得这只是小问题,用不了多久就能彻底解决。事实证明他大错特错。那两朵乌云在20世纪变成了两座全新的物理学大厦—相对论和量子力学。这件糗事甚至被写进了初中课本,让开尔文勋爵在去世100年后还要受人嘲笑。

开尔文勋爵摆过的另一次乌龙就是他对地球年龄的估算。他假设地球最初是一个巨大的熔融火球,随后由外向内渐渐冷却成今天的样子;而这个冷却的时间,就是地球的年龄。在1862年,开尔文勋爵发表了一篇论文,利用热力学算出地球的年龄不超过4亿年。后来,这个数字一降再降。在1897年发表的最后一篇计算地球年龄的文章中,开尔文勋爵宣称地球年龄只有2400万年。

但很快,就有一群人跑出来打开尔文勋爵的脸了。他们是一群地质学家。

地质学家:应该用沉积岩算

这些地质学家是怎么计算地球年龄的呢?其实很简单。大家知道,有一种很重要的地表岩石类型,叫沉积岩。沉积岩的结构是一层层的,越下层的沉积岩,其年代就越久远。通过研究某层岩石的沉积速度,就能计算出形成该层岩石所花费的时间;再把各层岩石的形成时间都加起来,就可以估算出形成整个沉积岩地形所花费的时间。地质学家就把这个时间,近似看成是地球的年龄。

图片来源:维基百科

很多地质学家都用这种办法估算过地球的年龄,算出来的数字明显大于开尔文勋爵的结果。举两个例子,著名的达尔文就在第一版的《物种起源》中宣称,地球的年龄超过3亿年;此外,三一学院的地质学家塞缪尔•霍顿宣称,地球的年龄高达23亿年。

很长时间,双方都争执不下。直到19世纪末,这些地质学家才得到意想不到的帮助,而这个帮助又恰好来自物理学。

物理学家:放射性才是王道

1896年,法国物理学家安东尼•贝克勒尔首次发现了 “放射性”现象。所谓的放射性,是指一些不稳定的原子核会自发地衰变成一些稳定的原子核,同时放出某些射线的现象。贝克勒尔发现铀元素具有明显放射性。两年之后,皮埃尔·居里和玛丽·居里发现钋元素的放射性更强。这三人也因此共享了1903年的诺贝尔物理学奖。

1903年诺贝尔物理学奖授予贝克勒尔和居里夫妇。图片来源:诺奖官网

顺便多说一句。本来评奖委员会只打算把这届诺贝尔奖颁给安东尼•贝克勒尔和皮埃尔·居里两人。但皮埃尔非常爱他的妻子,坚持要求把他的妻子也列为最后的得奖人。这才让居里夫人没被历史埋没。

不久后,著名物理学家欧内斯特·卢瑟福注意到了放射性的巨大实用价值。他发现,无论是哪种放射性元素,其一半衰变成其他元素的时间(也就是所谓的半衰期)总是固定不变的。举例来说,100千克的铀衰变得只剩50千克,和50千克的铀衰变得只剩25千克,两者所花的时间完全相同。

卢瑟福。图片来源:维基百科

这样一来,就能把放射性元素的半衰期当成是一个时钟,来测量地球的年龄。卢瑟福研究了铀矿石的衰变情况,然后发现地球的年龄至少有7亿年。这对地质学家来说,是一个巨大的支持。

顺便说一句。开尔文勋爵一生都拒不承认放射性现象。一直到死,他都觉得自己对地球年龄的估算,是他一生中最大的贡献。

随后做出关键性突破的,是英国地质学家阿瑟·霍姆斯。霍姆斯注意到,铀元素的一种同位素 — 铀235 — 具有长达7亿年的半衰期;因此,它可以作为一个很理想的时钟来测量地球年龄。通过测定古老岩石中铀和铅的含量,霍姆斯在1946年发表了一篇文章,宣称地球至少存在了30亿年。

两年后,芝加哥大学的地质学教授哈里森·布朗也对地球年龄产生了浓厚的兴趣。但他意识到这个课题很可能是一个大坑,不想自己往里面跳,所以就把它交给了自己的博士研究生克莱尔·彼得森。为了让彼得森来跳这个坑,布朗忽悠他说这个工作“易如反掌”。彼得森就这么被忽悠了进来。

彼得森:最好的还是陨石

以前人们测地球年龄,都是去寻找一些特别古老的岩石。但问题在于,那些所谓的古老岩石,其实都是在地球诞生很久以后才形成的。换句话说,如果研究地球上的岩石,很可能会大幅度低估地球的年龄。

彼得森提出了一个非常大胆的猜想:从太空中落下来的那些陨石,其实是太阳系形成初期剩下来的建筑材料,它们的内部还保留着太阳系最原始的化学结构。换句话说,这些陨石其实和地球一样古老;只要用霍姆斯的办法,准确测出这些陨石到底存在了多少年,就能推算出地球的年龄

这些天外来客,就这样为解决地球年龄这个世纪难题带来了曙光。

不过彼得森还是遇到了一个很大的麻烦。他发现自己的陨石样品一旦接触空气,样品中铅的含量立刻会出现非常明显的上升。换言之,这些陨石样品很容易受到空气的污染。为了对付这个麻烦,彼得森在自己后来任职的加州理工学院建立了世界上第一个无菌实验室。他在无菌实验室里挑选古老陨石的样品,并仔细测定其中铅和铀的比例。

1955年,彼得森在一次学术会议上正式宣布,地球的确切年龄是45.5亿年。这个数字,一直到现在也没有发生大的改变

顺便多说几句。一夜成名后,彼得森的注意力转向了另一个问题:为什么大气中会含有这么铅。通过考察格陵兰岛上不同年代的积雪层,他发现在1923年以前,大气中几乎不含铅;而在此之后,铅的含量开始非常迅速地攀升。那1923年到底发生了什么事呢?那一年,美国的三家巨无霸企业,包括通用汽车公司 、杜邦公司和新泽西标准石油公司,成立了一个合资企业,名叫乙基汽油公司。正是在那一年,乙基汽油公司开始向全世界出售含铅汽油。

从那以后,彼得森就开始了一场漫长的斗争。他经常以激烈的言辞,抨击乙基汽油公司的含铅汽油对空气的污染。

乙基汽油公司的反扑相当凶猛。由于他的干预,彼得森在相当长的一段时间内都无法再获得任何研究基金。此外,他也经常向加州理工学院的董事会成员施加压力,想要把彼得森从加州理工学院赶出去。

这几乎是一个不可能的任务:一个普通人,要孤身对抗一个庞大的利益集团。但彼得森还是坚持了下来。随着环保意识在美国民众中的觉醒,他笑到了最后:美国政府于1970年提出了《洁净空气法》,并于1986年禁止销售一切含铅汽油。后来彼得森在环保界的地位,甚至比他在学术界的地位还要高。

来自天外的陨石已经帮助解决了地球年龄的世纪难题。未来,它们有可能在“生命起源”这样更重大的问题上,带给人类更大的惊喜。(编辑:婉珺)

热门评论

  • 2017-12-06 17:58 地球上的裸猿

    这几乎是一个不可能的任务:一个普通人,要孤身对抗一个庞大的利益集团。但彼得森还是坚持了下来。随着环保意识在美国民众中的觉醒,他笑到了最后:美国政府于1970年提出了《洁净空气法》,并于1986年禁止销售一切含铅汽油。后来彼得森在环保界的地位,甚至比他在学术界的地位还要高。

    ===========

    在知乎看过相关的报道。

    这几乎是一个不可能的任务:一个普通人,要孤身对抗一个庞大的利益集团。但彼得森还是坚持了下来。

    比如,有的人怼三星,有的人怼三鹿奶粉,有的人怼既得利益集团。


    [5] 评论

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全部评论(19)
  • 1楼
    2017-12-06 01:12 5美金

    空间和时间是永恒的吗,有半衰期吗。

    [1] 评论
  • 2楼
    2017-12-06 08:43 大头米少
    引用@5美金 的话:空间和时间是永恒的吗,有半衰期吗。

    我们所在的这个宇宙的时间和空间应该是有限的,最起码就目前的认知,这个宇宙的时间和空间都有一个起点


    [1] 评论
  • 3楼
    2017-12-06 10:24 骑天大圣
    引用文章内容:彼得森提出了一个非常大胆的猜想:从太空中落下来的那些陨石,其实是太阳系形成初期剩下来的建筑材料,它们的内部还保留着太阳系最原始的化学结构。

    凭猜想?

    [0] 评论
  • 4楼
    2017-12-06 11:40 水煮柠檬

    终于可以回复了,我是该哭呢还是该笑呢

    [1] 评论
  • 5楼
    2017-12-06 11:59 IkariGendou
    引用文章内容:但皮埃尔非常爱他的妻子,坚持要求把他的妻子也列为最后的得奖人


    这就是爱~~~~

    [0] 评论
  • 6楼
    2017-12-06 12:42 天降龙虾
    引用@5美金 的话:空间和时间是永恒的吗,有半衰期吗。

    反正质子可能是有半衰期的。。。

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  • 7楼
    2017-12-06 13:07 在雨夜
    引用文章内容:这件糗事甚至被写进了初中课本,让开尔文勋爵在去世100年后还要受人嘲笑。

    这很不公平。

    [0] 评论
  • 8楼
    2017-12-06 13:08 在雨夜
    引用@骑天大圣 的话:凭猜想?

    大胆假设,小心求证。关键是后面。

    [0] 评论
  • 9楼
    2017-12-06 17:58 地球上的裸猿

    这几乎是一个不可能的任务:一个普通人,要孤身对抗一个庞大的利益集团。但彼得森还是坚持了下来。随着环保意识在美国民众中的觉醒,他笑到了最后:美国政府于1970年提出了《洁净空气法》,并于1986年禁止销售一切含铅汽油。后来彼得森在环保界的地位,甚至比他在学术界的地位还要高。

    ===========

    在知乎看过相关的报道。

    这几乎是一个不可能的任务:一个普通人,要孤身对抗一个庞大的利益集团。但彼得森还是坚持了下来。

    比如,有的人怼三星,有的人怼三鹿奶粉,有的人怼既得利益集团。


    [5] 评论
  • 10楼
    2017-12-06 18:06 地球上的裸猿

    来自天外的陨石已经帮助解决了地球年龄的世纪难题。未来,它们有可能在“生命起源”这样更重大的问题上,带给人类更大的惊喜。

    ======

    如果“生命起源”与陨石相关,或许生命在宇宙中并不是想象中的那么罕见。

    [0] 评论
  • 11楼
    2017-12-07 14:43 season_37000

    彼得森怼乙基汽油的故事,再一次证明,别乱动理工科的实验样品,后果很严重

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  • 12楼
    2017-12-07 22:18 xyfd
    引用@水煮柠檬 的话:终于可以回复了,我是该哭呢还是该笑呢

    科学人一直都可以回复

    [0] 评论
  • 13楼
    2017-12-08 00:55 给我一支火因
    引用@大头米少 的话:我们所在的这个宇宙的时间和空间应该是有限的,最起码就目前的认知,这个宇宙的时间和空间都有一个起点

    时间是一个度量事物变化的单位,本身并不具备任何属性,没有长短,没有始终,所以不存在起点。比如这个宇宙如果是空无一物的,那时间就没任何意义,或者这个宇宙所有的事物都是绝对静止的,那时间也没有任何意义,不管它是存在或不存在。只有当事物产生变化时,时间才具备了意义,但并不代表事物没变化时时间就不存在。

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-12-08 08:20 大头米少
    引用@给我一支火因 的话:时间是一个度量事物变化的单位,本身并不具备任何属性,没有长短,没有始终,所以不存在起点。比如这个宇宙如果是空无一物的,那时间就没任何意义,或者这个宇宙所有的事物都是绝对静止的,那时间也没有任何意义,不...

    这差异在于对“时间”的概念。其实你所说的时间与我所说的不完全对等,我所说的时间与1楼所认知的也不完全对等。事实上一般吃瓜群众所认知的时间与物理学家所说的时间也不是一回事了。


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  • 15楼
    2017-12-08 10:50 黏液君 果树学博士生
    引用文章内容:乙基汽油公司的反扑相当凶猛。由于他的干预,彼得森在相当长的一段时间内都无法再获得任何研究基金。

    这里是不是应该用“它”

    [0] 评论
  • 16楼
    2017-12-08 11:29 名字起的不好


    引用文章内容:彼得森在自己后来任职的加州理工学院建立了世界上第一个无菌实验室。

    难道不应该是世界上第一个无铅实验室吗?

    [0] 评论
  • 17楼
    2017-12-09 16:42 咪姆
    引用@地球上的裸猿 的话: 这几乎是一个不可能的任务:一个普通人,要孤身对抗一个庞大的利益集团。但彼得森还是坚持了下来。

    比如,有的人怼三星,有的人怼三鹿奶粉,有的人怼既得利益集团。

    继续比如说,有人怼中医,有人怼中药,有人怼蒙牛,有人怼基因保健品,有人怼绿色食品,有人对崔永元,有人怼韩寒。。。。。。哪一个不是响当当的巨无霸,但是毕竟得有人去怼啊,赞一下这些敢怼的勇士。

    [0] 评论
  • 18楼
    2017-12-11 07:50 nj_008
    那两朵乌云在20世纪变成了两座全新的物理学大厦—相对论和量子力学。这件糗事甚至被写进了初中课本,让开尔文勋爵在去世100年后还要受人嘲笑

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    那个表述非常著名,并且不是一种嘲笑,而成为一种“程式化”的描述,任何讲量子力学史的书,都要讲这两朵“乌云”

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  • 19楼
    2017-12-11 09:44 瓜猪

    其实这个学说是建立在“陨石与地球同岁”这个假说的基础上的,至于陨石是不是与地球同时期形成,怎么证明呢

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王爽
王爽 中国科学技术大学理学博士,中山大学物理与天文学院研究员,科普作家。与李淼教授合著畅销科普书《给孩子讲宇宙》和英文学术专著Dark Energy。

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