地球年龄的故事（3）——一槌定音！
地球的年龄到底是多少岁呢？这个问题，一直困扰着地球上的很多“杞人忧天”的人们。他们想知道自己赖以生存的地球到底从哪里来，最终又会到哪里去。
如果知道了地球的年龄，是不是就可以知道地球现在是处于生命的那个阶段？也可以知道地球还有多长时间的生命？总之，“杞人忧天”的人们对地球妈妈真实年龄的好奇心，从没有停止过。
那么，地球的年龄到底多少岁了呢？
地球年龄的故事（3）——一槌定音！
前两篇文章分别讲述了“热星冷却”、“海水咸化”和“沉积成岩”三种理论在地球年龄方面的尝试。
事实上，从1687年牛顿提出“热星冷却”假说，到1913年赫尔姆斯的“沉积岩理论”，经历了226年的时间。
期间，众多的物理学家，天文学家、化学家、生物学家都参与了大量的工作来推导地球的年龄。但始终没有哪一个结果能够压倒性的征服其它假说结论。
这足以说明，之前的研究，绝对没有找到最合理的证据或者方法。
上帝在关上一扇门的时候，可能真的会打开一扇窗。
就在众多科学家对地球年龄彷徨无奈、灵感枯寂之时，物理界传来了轰动世界的消息——“放射性”被发现了。
这一发现犹如平地一声惊雷，一出现就震惊了整个科学界，也成为开启现代科学大门的新钥匙。
等等，放射性真的这么厉害吗？能平息科学界对地球年龄的争端吗？
别急，我们先从放射性的发现讲起。
01
伦琴拉开了“放射性”世界的导火索
1895年，德国物理学家伦琴（W.Roentgen）发现了轰动世界的X射线（该技术最常见的应用就是“医学上用X光来投射人体形成影像”），由此拉开了现代科学的原子级思考序幕。
手掌的X光影像
受此启发，法国科学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）于1896年在铀盐中发现了类似X射线的辐射，但与伦琴射线不同，铀盐辐射与外界激发无关，而是铀盐自动散发出来的——这就是“放射性”现象。
随后，玛丽居里和皮埃尔居里研究出了测试原子放射性的方法。就此打开了放射性技术广泛应用的大门。
他们三位物理学家也因此共同分享了1903年的诺贝尔物理学奖。
放射性的出现，犹如打开了潘多拉魔盒。在随后的几十年里，很多科学家都投入到了放射性研究方面。
一方面，新的化学元素不断被发现，如居里夫人发现了钋和镭（ 由此也获得了1911年的诺贝尔化学奖）。另一方面，放射性的深入研究，也使得该理论和技术很快应用到医学、化学、军事、能源、摄影、地质、考古等行业。
02
探秘放射性密码
经过贝克勒尔等科学家的研究，已经知道放射性现象来自一些很重的化学元素。
那么，这些化学元素为什么会发生发射性呢？
1902年，一个名叫卢瑟福（E· Rutherferd）的英国物理学家和他的搭档发现了发射性的密码。
他们认为“放射性产生于不稳定的元素衰变为稳定元素的过程”。
也就是说，元素衰变的过程，就是原子核中质子脱离原子核的掌控、导致原子核解体的过程，逃逸的质子粒则形成不同的粒子流，也就是各种射线（X射线、γ射线等），这就是放射性过程。
而对放射性元素来说，质子逃逸的过程则是元素衰变的过程。
那么，元素中为什么会有能量逃逸现象呢？
我们知道，元素是由位于中心的原子核和围绕原子核旋转的电子组成的。而原子核是元素的本质特征，如果原子核发生变化，那么元素就会变成新的元素。
举个不恰单的例子吧。
如果把一种元素的原子核比作一个班集体，那么核内的质子就像是很多学生一样。有的学生学习特别好、能量很足，班里教的内容他早就学会了，导致班级内的学习任务没法束缚他，于是他就离开这个班跳级了，有的学生甚至从一年级直接跳到三年级、四年级。元素里面也一样，原子核里面的质子受到的排斥力大于束缚力时，质子就会脱离开原子核的束缚发生逃逸，逃逸的过程就像学生的跳级一样。
不同的是，学生跳级后，人数减少的班集体还是那个班集体，但是元素是按照核内质子数定义的，少了一个质子就会变成其它的元素。因此，放射性发生的过程，也是元素能量降低的过程，也称为衰变的过程，也是产生新元素的过程。
元素发生衰变后，母体元素原子核中质子数量就会减少，元素也就变成了一种新的元素——子元素。如铀元素（质子数是92）可以衰变为铅元素（质子数是82），铀就是母体元素，铅则是子元素，衰变的过程释放了10个质子。
弄明白放射性原理以后，我们就要开始讨论：放射性能在地球年龄方面发挥什么作用呢？
（1）找到了开尔文计算结果错误的根本原因
1902年，31岁的卢瑟福很快将放射性现象和地球年龄问题联系了起来，他发现放射性现象在释放出α离子的同时，还会释放出很多能量。因此，他很快将这些能量与地球的热量结合了起来，认为“镭的放射性会放出热量改变地球内部的热状态”，也就是说地球表面的热量并不是一直冷却的，这与之前“热星冷却”认为地球热量一直在减少的假设背道而驰。因此，自然也就证明了开尔文计算结果的局限性。
1904年，卢瑟福在应邀去伦敦皇家学院发表演讲时，公开阐述了放射性对地球年龄科学研究的意义。
（2）发展了放射性测年技术
1907年，美国的化学家伯特拉姆·博尔特伍德（BertramBoltwood）发现，经过一系列的衰变过程，铀元素会最终衰变为稳定的铅元素。
从概率上说，虽然不知道放射性元素具体从什么时候开始发生衰变；但从统计学的角度看，一半质量的元素发生衰变所需要的时间是恒定的，也就是半衰期不变。
等等，啥子叫半衰期呢？呃，举个吃货的例子吧！
比如说你想吃腊八蒜了，而你手中只有新鲜的蒜瓣。你需要将新蒜腌制成腊八蒜，而新蒜完全腌制成腊八蒜的时间是10天，那么这个时间的一半（5天）就是半衰期。什么意思呢？就是新蒜的一半变成腊八蒜的时间。知道了这个规律，我们就可以根据腊八蒜和新蒜的比例计算出这罐蒜腌制的时间。
聪明的地质学家们就想：地球上有很多放射性元素，如果能找到一种放射性元素和衰变产物同时存在于一块岩石中，那不就是同时找到新蒜和腊八蒜的例子吗？
根据这个思路，Boltwood计算了北美、挪威、锡兰等10个地点的铀矿物，认为地球的年龄是22亿年，这说明地球的年龄至少应该比22岁要老。
这一结果远远大于之前各种原理计算出的地球年龄，令科学界大为振奋。同时，这也是地质年代测量的激动人心的突破。
由此，也奠定了“铀——铅时钟”的殊荣。
那么，这一结果是否正确呢?当时并不知道！
7年后的1914年，专心研究放射性的卢瑟福先生在卡文迪什实验室用质谱仪首次测出了同位素（同一元素的不同形态），1927年，阿斯顿发现了铅的三种同位素，铅205、铅206、铅207。那么，Boltwood的“铀——铅时钟”到底是衰变成了那种铅呢？
事实上，Boltwood当时并不知道铀有两种同位素，即铀238和铀235，二者均是放射性的；也不知道铅有四种同位素（铅204、铅205、铅206、铅207），而铀238仅仅衰变成铅206同位素，铀235最终衰变成铅207，并且铀235衰变比铀238运转快6.5倍。因此，实际上存在两个“铀——铅”时钟。但Boltwood把他们搅和在一起了，这也导致测定结果没有了参考的价值。
1929年，卢瑟福重新计算了星体中由热分子过程形成的铀被排出的时间，认为这个时间不超过34亿年。
1942年，俄罗斯地球化学家盖林(Galin)从铀同位素的半衰期知道了铅同位素组成变化的速率，他选择方铅矿作为地球内部的时钟。方铅矿矿石中的铅是以某种方式来自地球的最深层，彻底与其相关的铀分离，其铅同位素成分在铅矿形成时完全被凝结在其中。如果知道地球从太阳系星云收缩时地球初始铅同位素含量，那么就可以从方铅矿时钟上的读数中减去这个最初读数，地球形成和方铅矿形成的时间差就是地球年龄。
盖林选来自南格陵兰岛伊维赫图特的方铅矿进行分析。
他发现这一时期铅读数和现代矿石时钟读数的差值约为31.3亿年。
但是，当时第二次世界大战激战正酣，这一成果并没有引起科学界的注意。
二战结束后，英国地质学家的亚瑟·霍姆斯(ArthurHolmes)和德国物理学家弗里茨·豪特曼斯(FritzHoutermans)分别对格尔林同样的资料进行了分析。到1946年，已经基本明确地球的年龄至少有30亿年。
但是，方铅矿毫无疑问是在地球形成很久以后才形成的，其读数自然与初生的地球时钟不一致。为了使计算进一步精确，必须寻找更早的方铅矿与地球铀——铅最早的照片进行比较。
1947年,豪特曼斯和美国加州理工学院的化学家哈里森·布朗(H.Brown)指出：铁陨石实际上不含铀。因此，铁陨石所含的铅因陨石结晶而总是保持不变。
所以，如果铁陨石与地球在同时形成，并且俘获同样的同位素组成的铅，那么格尔林就缺了一张快照———地球形成时的铅同位素组成，即在地球年龄真正时间零点——铅时钟上地球年龄读数的那张快照。为了准确测定地球的年龄，你所要做的就是测定铁陨石中的铅的同位素组成(即时钟盘上的零点读数)，准确测定现代方铅矿中铅的同位素以及求两个时钟读数的差值。
1953年，美国地质化学家克雷尔帕特森（C.Betson)等人在diablocanyon的火山坑的铁陨石上发现了“铀——铅”时钟上的零点读数，即铅的原始同位素成分。之后，又来自海洋沉积岩的铅的同位素获得了现代时钟的读数，两者相减，得到地球的年龄为45.1亿年。
帕特森杰出的分析工作立即得到广泛承认，他测定的45亿年的地球年龄也被广泛接受。
那么，这个结论对不对呢？
地球的年龄终于有了一个比较确切的结论。如果人类对放射性的认识没偏差的话，这个结论应该是可信的。
但是从地球年龄的研究历史来看，每一次假说的提出，都能很好的突破当时的认识局限性，提现科学的先进性。
但后续的新技术和新理论，总能一针见血的指出原假设的弱点，推翻之前的结论。
