人文史地
地球的年齡，算錯了多少次？一場跨越三世紀的科學冒險
文／高 爽／李昫岱教授 審訂
這是一段人類追尋地球年齡的科學史：從幾千年的推算，到幾千萬年的計算，再到今日的四十五億年。每一次錯誤，都成為通往真理的階梯。讓我們一起走進這段探索，看科學如何在失敗中前進吧！
地球為何如此年輕？
威廉‧湯姆森WilliamThomson
英國物理學家、天文學家、第一代克耳文勳爵
1824—1907
地球幾歲了？
按照《聖經》中記載的歷代家譜的年代推算，可以得出上帝創造大地的起點。愛爾蘭大主教詹姆斯‧厄謝爾在十七世紀算出了結果。他在著作《厄謝爾年表》中列出了地球歷史上重大事件的時間點，其中地球誕生於西元前四千O四年十月。克卜勒和牛頓也認為地球誕生於西元前四千年左右。因為宗教信仰，以及當時的人類社會還不太容易理解極其漫長的時間演化概念，所以當時對地球年齡的大部分估算結果都非常短。
這些當然是不可靠的結論。即便我們信仰的力量不容否認，恐怕也不能照搬全部的字面意思解決自然問題。
在此之後，地球年齡的問題一直在科學界懸而未決。它不僅是一個關於地球身世的地質學問題，而且涉及太陽系誕生的天文學，還涉及生物進化的遺傳學。
達爾文考察過大洋彼岸的生物多樣性之後，寫出了《物種起源》。他明白，要讓動植物在物競天擇的法則下進化成今天的樣子，需要足夠長的時間。地球的年齡不可能只有幾千年。
達爾文的進化論要求非常長久的地球演化歷史，但在科學上要如何回答這個問題呢？
威廉‧湯姆森（即克耳文勳爵）的父親是皇家貝爾法斯特學院的數學和工程學老師。在威廉八歲的時候，父親受聘為格拉斯哥大學教授。老湯姆森對兒子的培養很用心，父子在歐洲各地輾轉，兒子跟著父親一起訪學多年，見識足夠豐富。
威廉‧湯姆森從九歲開始，先後入讀皇家貝爾法斯特學院和格拉斯哥大學。在那個年代，大學也為兒童提供基礎教育的課程，可以理解為我們今天所說的某某大學的附屬小學。受父親和學習環境的影響，威廉從小就表現出對科學的興趣。除了參加科學競賽，做科學實驗，寫作科學小論文，小威廉甚至用拉丁語寫出了讚美自然的科學詩歌。青年湯姆森進入劍橋大學，畢業時獲得了劍橋大學專門頒發給科學領域畢業生的最高榮譽—史密斯獎。畢業一年後，二十二歲的威廉‧湯姆森受聘為格拉斯哥大學教授，他的學生比自己小不了幾歲，而他幾年前剛剛作為大學新生在這裡學習。
湯姆森投身於當時最前端的熱力學研究，提出了熱力學上使用的絕對溫標。現在，絕對溫標的單位就是克耳文。他與擅長做實驗的焦耳合作，將熱力學的基本規律推動了一大步，直接奠定了熱力學第一定律和第二定律的基礎。他發表了六百五十多篇科學論文，申請了七十項專利。在基礎理論研究之外，湯姆森也探索了改善人類生活的應用科學，橫跨大西洋的海底電纜就是他的創舉。
一八五六年，湯姆斯入選大西洋電報公司董事會，成為團隊的科學顧問。團隊在一次鋪設海底電纜的工作中出現失誤，電纜斷裂，他當時正在電纜鋪設船上。隨後，他發表了海底電纜所涉及的力學知識的基礎理論。他還開發了一套完整的操作海底電報的信號系統，操作速度是每分鐘發送十七個字母。在大西洋電報公司鋪設海底電纜的工程中，經常發生海難。團隊領導層已經動搖了自己最初的信心，打算放棄，賣掉還沒有來得及鋪設的電纜，以求彌補一部分經濟損失。就在這個時候，湯姆森力排眾議，說服董事會堅持下去。他認為，技術問題一定可以有效解決，他們更需要的是信心。
就在董事會同意繼續貫通電纜之後，又出現了更嚴重的技術問題。由於原來對電纜工藝的考慮不夠周全，電纜無法實現原計劃的信號傳輸效率。湯姆森臨危受命，重新制定電纜製作標準。科學家成了工程師，親自登船重新鋪設整套新的橫跨大西洋的海底電纜。
終於，大西洋海底電纜工程勝利完工。一八六六年，湯姆森因此被維多利亞女王封為勳爵。克耳文這個封號來自他工作的格拉斯哥大學附近的克耳文河。所以，在科學史上，威廉‧湯姆森又被稱為克耳文勳爵。
克耳文勳爵漸漸成為英國科學界的領袖人物，研究工作涉及數學、力學、電磁學、熱力學、地質學、天文學和海洋科學等多個領域。
他設想，地球誕生的時候就像一個熾熱的火球，在太空裡逐漸冷卻到了今天的溫度，按照岩石傳導熱量和冷卻的規律就能計算出地球所經歷的時間。熱力學是他最擅長的領域，經過計算，他得到的結果是地球年齡在兩千萬到四億年。時間跨度之所以這麼大，是因為當時對岩石散熱的研究還不夠精確。多年之後，他根據更新的資料修訂自己的結果，即最終的地球年齡在兩千萬到四千萬年。他堅信自己的結果，因為這是根據物理學中最基礎的熱力學定律直接計算得來的，從方法到邏輯都不可能存在瑕疵。他自信地說：「除非地球內部還存在著不為人知的加熱方式。」
兩千萬年這個時間已經比根據《聖經》字面意思推算的結果強了太多，但還是沒到達爾文要求的生命進化的時間。
根據地球岩石同位素測定、月球岩石的參考、太陽系隕石的資訊輔助，地球年齡的現代最新結果是四十五點五億年左右，遠遠大於克耳文勳爵的兩千萬年。他錯得太離譜了。
兩千萬年這個結果，雖有不少反對者，但也有很多支持者。
達爾文的追隨者赫胥黎就公開攻擊了克耳文勳爵的計算。赫胥黎說，這些計算本身很精確，但它們的前提假設是錯誤的。赫胥黎沒有進一步指出錯誤到底在哪。當時德國最著名的物理學家亥姆霍茲獨立完成計算，得出了兩千兩百萬年左右的結論，支持了克耳文勳爵。美國天文學家、哈佛大學天文臺臺長和美國數學學會主席西蒙‧紐科姆計算了太陽誕生時的氣體收縮到現在的大小所需要的時間，大約是一千八百萬年，作為地球年齡的限制，這與克耳文勳爵的結果非常接近。
就連達爾文的兒子喬治‧達爾文，也反對自己父親期待的更老的地球年齡，而是站在了克耳文勳爵一邊。小達爾文是地質學家，他在研究地球和月亮關係的時候提出，月亮可能來源於早期熔融狀態的地球，它們曾經是一個互相連接的整體。利用地球和月亮之間的潮汐作用和地球現在的自轉速度，小達爾文計算出的地球年齡是五千六百萬年左右。這似乎也意味著克耳文勳爵算出的幾千萬年的結果很有道理。
克耳文勳爵不知道的是，他口中的「不為人知的加熱方式」真的存在。
一八九六年，也就是他計算出地球年齡兩年之後，法國物理學家貝克勒耳發現磷光材料在太陽下吸收了陽光之後，會在黑暗中自然發光。貝克勒進一步研究發現，有些特定的物質不需要額外的陽光，自身也能發光。
很快，居禮夫婦從瀝青中分離了微量的特殊物質，符合貝克勒所說的自然發光特徵。居禮夫人給這種特殊現象起名叫「放射性」。鈾、釙和鐳等一系列放射性元素先後被發現，它們在地球內部廣泛存在，驗證了貝克勒和居禮夫婦的放射性理論。放射性元素不需要外在額外的光，就可以自發地輻射，釋放出能量。貝克勒和居禮夫婦找到了「不為人知的加熱方式」，找到了克耳文勳爵不曾預見到的地球內部的加熱來源。因發現自發放射性現象，貝克勒和居禮夫婦共同獲得一九○三年諾貝爾物理學獎。
由於放射性元素的存在，在沒有太陽的情況下，地球內部也有自動加熱的機制。這讓地球在茫茫太空中冷卻得更緩慢一些。考慮放射性元素加熱的效果後，按照熱力學的方法測算的地球年齡就會遠遠超過克耳文勳爵的結果。
一九○四年，拉塞福在一場學術講座中點破了這個事實。當時，克耳文勳爵就在觀眾席上，但他不願意承認自己的錯誤。他堅信地球的年齡最多只有幾千萬年。
克耳文之所以信誓旦旦，並不是因為他的驕傲，而是因為太陽。
當時發現的地球岩石層的沉積物化石證明，這些遠古時期就存在的植物也需要陽光的照耀。如果地球的年齡超過兩千萬年，那麼太陽的年齡也必定超過兩千萬年。但是，靠什麼樣的方式能讓太陽持續穩定發光兩千萬年以上呢？
如果靠化學燃燒的方式，就像石油和煤炭那樣，太陽這麼大一團物質充分燃燒，只能保持發光五千年左右，這個說法當然很不可靠。所以當時的天文學家普遍相信，太陽釋放能量的機制靠的是收縮。太陽始終在收縮，只不過人類在有生之年不容易察覺到它收縮的幅度。在收縮的過程中，能量被釋放出來。靠收縮釋放能量，這是典型的熱力學問題，是克耳文勳爵的老本行。按這樣的方式計算，太陽可以穩定發光幾千萬年左右。這是當時人們能理解的最高效率產生能量的方式，也就成為了太陽年齡的極限，當然也是地球年齡的極限。
克耳文勳爵不知道的是，讓太陽穩定發光的真正原因既不是化學燃燒，也不是收縮，而是像氫彈爆炸那樣的原子核反應。可是，直到二十世紀三○年代，也就是克耳文勳爵去世二十多年之後，世界才認識到核反應的存在。直到五○、六○年代，少數幾個國家才陸續成功進行了核融合實驗，引爆了最早的氫彈。
一九○○年，在世紀之交的一次宴會上，克耳文勳爵以皇家學會主席的身分發表演講。他說：「今天物理學的基本問題都已經解決了，但我們的頭上還盤旋著兩朵烏雲。」對這兩朵烏雲的回應帶來了量子力學和相對論。
他沒有預言放射性元素的存在，但啟發了其他學者探索地球內部加熱來源的思路。他沒有預言太陽核心的核反應存在，但太陽在剛誕生的時候，在還沒有達到核反應條件之前的歲月裡，完全按照他計算的方式收縮和釋放能量。他的生命止步於二十世紀轟轟烈烈的科學歷程之初，但他的直覺啟示了二十世紀一系列最重要的科學發現。他大大低估了地球的年齡，但他第一次嘗試用科學的方法處理地球年齡的問題，給出了邏輯上自洽的結論。他雖然堅持錯誤的結果，但他的錯誤貫穿著十九世紀末、二十世紀初的科學探索歷程。他的錯誤就像科學時光中的一根金線，將無數個新發現、新概念和新方法一一串聯。珍珠固然寶貴，但將它們串聯在一起的金線必不可少。克耳文勳爵犯下的錯誤，只是因為人類當下的認知只能如此。
一八九六年，在克耳文勳爵受聘為教授五十周年的座談會上，面對前來祝賀的同輩與晚輩學者，他做了致辭：
「我在過去幾十年裡所極力追求的科學進展，可以用失敗這個詞來概括……當我開始擔任教授的時候，知道更多關於電和磁的力量、乙太和重物之間的關係、化學親和性的知識。這些年來，在失敗中必然存在一些悲傷，但在對科學的追求中……相當快樂……」
也許，克耳文勳爵已經意識到自己關於地球年齡的錯誤，以及自己在其他諸多科學結果上的錯誤。當他站在二十世紀之初遙望未來的時候，看到的一定是後生晚輩的澎湃新知。
後人稱第一代克耳文勳爵威廉‧湯姆森為熱力學之父，此言不虛。
本文摘自《全宇宙最值得驕傲的翻車現場：被誤解的潮汐、專門尋找火星人的天文臺以及「太陽系的邊緣人」冥王星》
