編者注：本節選自保羅·S·布拉特曼的《從恆星到石筍：萬物如何關聯》的第一章。在本書的前面章節，作者討論了19世紀地質學家中的觀點，即侵蝕等物理過程一直以相同的速率發生，地球的特徵是靜態的，這導致他們得出結論，認為地球沒有開始，也不會有結束。在這裡，他寫到了物理學家威廉·湯姆森的思想如何最終顛覆了這些理論，為我們當前對地球早期歷史和年齡的理解鋪平了道路。
然而，其他發展正在逐漸削弱這種觀點。我已經提到了蒸汽機和鐵路。19世紀中期的科學主要關注與功和能量有關的問題，以及熱機的效率。這一時期見證了一個新學科——熱力學——的發展，該學科專門研究此類問題。熱力學最基本的成果之一（第一定律）是能量守恆。另一個成果（第二定律）是，由於能量傾向於隨著時間的推移不可逆地擴散和退化，因此不可能存在永動機。任何實際過程，當然也包括地球的隆起和侵蝕過程，都是在克服摩擦力的情況下執行的，能量總體上不可逆地退化為熱量，這種情況不可能無限期地自行持續下去。然而，在赫頓和萊伊爾看來，地球似乎就是這樣一臺機器，經歷著隆起和侵蝕的迴圈，但沒有可見的能量來源來驅動這一過程。熱力學家和地質學家之間的衝突是不可避免的。
威廉·湯姆森，即開爾文勳爵，絕對溫標以他的名字命名，是19世紀晚期最傑出的科學家之一。他的工作跨越了純粹研究和應用研究之間的界限。除其他外，他在建立熱、功和電之間的關係方面發揮了重要作用，計算出了第一條海底電纜可以傳輸多少資訊（正如我們現在所說的那樣），並改進了指南針的形式和導航方法。他在22歲時被任命為格拉斯哥大學的自然哲學（即物理學）教授，並擔任該職位超過50年。
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開爾文從很早的階段就對地球的年齡感興趣，並將其視為物理學中的一個問題。它曾是他本科論文的獲獎主題，也是他在格拉斯哥大學就職演說的內容，可惜現在已經遺失了。他還是一位對當時正在發展的地質學科學持尖銳批評態度的評論家。他（正確地）認為，極端均變論與物理定律不相容。在過去的某個時候，事物一定非常不同，未來也會再次不同。地球正在失去熱量，並且一定曾經是一個熔融球。太陽正在釋放能量，不可能永遠存在，並且最終會耗盡能量，使地球陷入徹底的寒冷和黑暗。
在一系列冗長的出版物中，開爾文試圖量化這些一般性的反對意見。他開發了一種方法，透過冷卻論證來估計地球固體地殼的年齡。礦井深處很熱，而且越深越熱。如果能下到足夠深的地方，在幾英里深的地方，你就會到達地幔，那裡的岩石實際上是熔融的。因此，如果我們上層的岩石較冷，下層的岩石較熱，那麼熱量一定是從中心向外流經岩石的。開爾文知道溫度隨著深度的增加而增加的速度，以及地殼岩石傳導熱量的有效程度，計算出了地球失去熱量的速度。這些熱量來自哪裡？開爾文認為他找到了答案。他（正確地）假設地球最初是熔融的，並且熱量一定是隨著地球岩石從最初的熔融狀態凝固而消散的（與冰吸收熱量融化的過程相反）。根據對固體岩層（地殼）厚度的估計，以及對融化一定量岩石需要多少熱量的測量，他能夠估算出這一凝固過程釋放出的熱量。然後，透過將模型倒推回時間，他計算出地球固體地殼的厚度對應於1億年。根據他的論證，在現在之前的一億年，現在地表上的所有岩石都將是熔融的，因此，這是地球固體地殼年齡的絕對上限。
在整個19世紀，地質學家們沒有意識到這場即將到來的危機，一直在努力建立我們熟悉的地質柱狀圖。他們研究出了地層的順序，即哪些地層位於其他地層之上，後來又根據地層中包含的化石的複雜程度，並根據儲存最完好的沉積物的厚度，估算出了每個地質時期的持續時間。他們沒有意識到他們只掌握了沉積記錄中非常不完整的一部分，因此得出的估計年齡約為1億年或以上，與開爾文的估計基本一致。
太陽的年齡提出了一個更為嚴重的問題。我們知道太陽有多大，離我們有多遠，以及有多少太陽能到達我們這裡。由此，相對容易計算出它的總能量輸出。這些能量來自哪裡？不是來自任何化學過程，因為沒有任何化學過程的能量足夠大。因此，開爾文在亥姆霍茲和其他人的建議基礎上，提出，更 有用的來源可能是太陽形成過程中釋放的引力能。開爾文知道太陽的總質量，並利用牛頓的萬有引力定律，可以計算出這個過程必須釋放出多少能量。這些能量首先會轉化為下落物質的動能，然後動能會透過眾所周知的物理過程轉化為熱量，最終轉化為光，所有這些都嚴格遵守熱力學定律。將可用能量除以輸出速率，你就得到了太陽總生產壽命的可能上限，即1億年。這也暗示著，我們所知的地球年齡的上限。“至於未來，我們可以同樣肯定地說，除非我們現在未知的來源在偉大的造物倉庫中準備好，否則地球上的居民不可能再享受數百萬年對他們的生命至關重要的光和熱。”開爾文在1862年寫下這些話，並在一家大眾雜誌（麥克米倫雜誌）上發表。
在隨後對這一計算的改進中，他會增加 進一步的論據，例如基於潮汐摩擦和地月系統動力學的論據，並根據關於岩石熱特性的新資訊，將範圍縮小到20-40百萬年，“並且可能更接近20而不是40。”
影響是轟動性的。因為到那時，正如開爾文非常清楚的那樣，很多東西都處於危險之中。《物種起源》在《麥克米倫雜誌》文章發表前三年剛剛出版。這徹底改變了我們對世界的看法。它首次以完全清晰的方式闡述了現代觀點，即物種不是單獨創造的，而是透過自然選擇對個體之間變異的運作，從更簡單的共同祖先進化而來的。這些變異的起源（我們現在稱之為突變）完全未知，但很明顯，從共同祖先的後代一定是一個極其緩慢的過程，需要達爾文自己所描述的“難以理解的漫長……時間”，而2000萬至4000萬年對於所有這些透過自然選擇發生來說太少了。當開爾文根據關於岩石熔點的新證據，大幅下調他對地球年齡1億年的估計時，情況並沒有好轉。事實上，查爾斯·達爾文將開爾文稱為“可憎的幽靈”和他最痛苦的煩惱之一，他的兒子喬治是地質學家中最關心試圖找出開爾文推理缺陷的人之一。
轉載自《從恆星到石筍：萬物如何關聯》，作者保羅·S·布拉特曼，經世界科學出版公司（英國）有限公司許可。版權所有©保羅·S·布拉特曼，2012年。