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19世紀,地質學家意識到地球比之前認為的要古老得多,然而,這一發現提出了一個更大的問題:宇宙呢?地球(像一些原教旨主義的創造論者過去和現在所認為的那樣)早於宇宙而存在嗎?是地球和宇宙同時創造的嗎?還是地球后來才出現的?
早期的地質學家不得不使用間接的方法來確定地球的年齡,例如沉積或侵蝕的速度、地層的厚度或生物群隨時間變化的速度。天文學家在這方面可用的資訊更少。
偉大的物理學家開爾文勳爵透過計算太陽(他認為是一個熾熱的熔融物質球體)冷卻和凝固所需的速度,估算了太陽系的年齡。開爾文認為太陽系和地球的年齡在2000萬到1億年之間。自然學家艾薩克·牛頓爵士使用類似的思維實驗來計算地球的年齡,由於地球是一個小得多的球體,地球只需要5萬年就可以冷卻下來並變得適宜居住。德國宇宙學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲 (1821-1894) 於1854年發表了他的研究。亥姆霍茲意識到,一個冷卻的熔融物質或燃燒的燃料只能為太陽提供5000-10000年的能量,因此他開發了一種替代機制,其中一顆緩慢坍縮的恆星將引力能轉化為熱和光。基於這一前提,他計算出太陽的年齡為2100萬年。1899年,T.J.J. See部分基於亥姆霍茲的理論,並考慮到太陽中物質密度的可變性,計算出了新的年齡,為3200萬年。
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使用恆星和行星的明顯有規律的運動作為宇宙日曆也很誘人。天文學家和數學家哈羅德·傑弗里斯 (1891-1989) 透過行星軌道週期性的變化,估計出了10億到100億年的年齡,以解釋我們太陽系中行星的現代位置。
蘇格蘭自學成才的數學家詹姆斯·克羅爾 (1821-1890) 使用地球的軌道引數來解釋冰河時代的週期性發生。根據克羅爾的計算,最後一個冰河時代結束於8萬年前。透過將已確定的冰川沉積物與從地球運動中推斷出的時間間隔相乘,就可以估算出地球的年齡。當時只識別出四個冰河時代,但克羅爾和其他數學家根據他們的計算,提出實際上在地球歷史上還有許多其他週期性的降溫事件有待發現。
圖1。特魯比地層露頭(義大利斯帕蒂文託角)。在最後一個冰河時代,地球軌道引數的微小變化影響了富含有機物和低有機物泥灰岩的沉積,在此處形成了一系列較深的條紋。現在可以將條紋的模式與計算出的曲線進行比較,從而推斷出這些沉積物的年齡。
美國天文學家哈洛·沙普利 (1885-1972) 採用了另一種使用統計學的數學方法,他認為宇宙中恆星的明顯均勻分佈只能用漫長的時間來解釋。恆星,一起形成於星雲雲中,慢慢漂移到太空中,假設有足夠的時間,它們就會分散成均勻的模式並填滿空隙。1920年發現星系也彼此遠離,基於假設的平均距離和假設的膨脹速度,計算出可觀測宇宙的年齡為18億至34億年。
然而,由於大多數地質學家已經使用30億年前的地球(當時發表了使用岩石放射性測年技術得出的第一個年齡),天文學家給出的較年輕的年齡似乎表明地球早於空間和時間本身!
美國地質學家托馬斯·C·張伯倫 (1843-1928) 和天體物理學家F.R. 莫爾頓,以及英國的宇宙學家詹姆斯·金斯 (1877-1946) 和地球物理學家哈羅德·傑弗里斯 (1891-1989) 找到了這個明顯矛盾的一個奇特的解決方案。他們提出,恆星幾乎是永恆的(金斯提出了10^13年的年齡),只有行星是隨著時間的推移形成的(因此地質學家可以使用任何年齡,而不會與天文學家發生爭論)。
必須有更好的方法來確定地球和地外物質的年齡……(未完待續)。
參考書目
BRUSH, S.G. (2001): 地球太老了嗎?地球年代學對宇宙學的影響,1929-1952。載於 LEWIS, C L. E. & KNELL, S. J. (編) 《地球的年齡:從公元前4004年到公元2002年》,倫敦地質學會,特刊,190:157-175
CAJORI, F. (1908): 太陽和地球的年齡。《大眾科學》增刊第1706號:174-175
HEDMAN, M. (2007): 《一切的年齡 - 科學如何探索過去》。芝加哥大學出版社,芝加哥:249
HILGEN, F.J. (2010): 19世紀的天文年代測定。地球科學評論 98: 65-80