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長期以來,地球年齡與宇宙年齡之間明顯的差異,給地質學家和天文學家都帶來了巨大的難題。
地質學家曾使用諸如侵蝕或沉積速率等方法計算出地球的年齡,從300萬年到150億年不等。物理學家和天文學家,主要基於恆星的運動和能量消耗,計算出宇宙的年齡從2000萬年到100億年不等——所以在許多宇宙模型中,地球似乎太年輕或太老,無法融入其中。
1893年8月,在美國科學促進會的一次會議上,地質學家查爾斯·D·沃爾科特(1850-1927)總結了這場辯論,如下所示:
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“在所有推測性地質學的主題中,很少有比地質時間更具吸引力或更不確定積極結果的主題。物理學家們已經越來越靠近地劃定了界限,直到地質學家被告知,他必須將他對地球年齡的估計限制在1000萬至3000萬年之內。地質學家積累了他的觀察結果,並回復說需要更多時間,並建議物理學家,他的資料或處理方法可能存在錯誤。”
1896年,法國物理學家亨利·貝克勒爾(1852-1908)基於康拉德·倫琴對人工誘導X射線的研究,發現天然元素(如鈾)也會發出射線,1897年,波蘭物理學家瑪麗·居里(1867-1934)創造了“放射性”一詞來描述這種未知來源的能量。
圖1.來自放射性衰變的高能射線,在較大的黑雲母晶體中形成圍繞礦物顆粒的蝕變暈圈,圖片來自J. 喬利(1909):放射性與地質學,放射效能量對地球歷史影響的描述。
她的丈夫皮埃爾·居里(1859-1906)意識到,來自地球岩石中發現的元素和礦物的放射性衰變產生的這種能量將顯著減緩整個地球的冷卻速度。由於許多物理學家計算地球年輕年齡的基礎是地球穩定冷卻的假設,但由於現在有了能量和熱源,地球的冷卻速度遠比想象的要慢,因此地球可能非常古老。放射性衰變或其他類似的持久且高能量的來源(核聚變是後來發現的)也可以解釋恆星如何能夠長時間產生光和熱,因此,認為恆星或太陽必須年輕(在大多數計算中比地球還年輕)的觀念也可以被駁斥。
但更棒的是——放射性的發現不僅提供了地球古老的間接證據,而且透過測量恆定的能量產生,還可以計算出礦物、岩石甚至地球的確切年齡——或許還可以計算出太陽系和宇宙的年齡,還可以對隕石形式的外星物質進行測年……(未完待續)。
參考文獻
LEWIS, C.L.E. (2002): 阿瑟·霍姆斯的統一理論:從放射性到大陸漂移。 在OLDROYD, D. R.(編)2002。 地球的內外:二十世紀地質學的一些重大貢獻。倫敦地質學會,特刊,192: 167-183