地球年齡如何測（地球年齡的100種測定方法）

2023-07-21 21:20:21 2

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作者：饒世豪

校對：牧夫校對組

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責任編輯：毛明遠

牧夫天文公眾號建立於2014年，年齡是6歲；牧夫天文成立於1999年，年齡是21歲；新中國成立於1949年，年齡是71歲。

在有明確記載的前提下，年齡是個靠便攜計算器甚至口算就能很快得出結果的數字。若想要得知沒有明確記載的事件發生的時間呢，比如上一次冰河世紀，比如第一個人類的出現，再比如，地球的誕生。

Credit: dribbble.com

目前已知的地球年齡約為45.4億年，在沒有明確文字記載的情況下，聰明的頭腦們是怎樣計算出地球年齡的，下面總結了100種測定地球年齡的方法，學到就是賺到：

1 風力侵蝕

在《物種起源》中，達爾文為了證明「物種進化是一個漫長的過程」這一觀點，以林地暴露的巖石層為例，計算了風化作用將巖石改變至現狀的侵蝕率，並得出了地球年齡至少有3億年的觀點。

達爾文的《物種起源》

Credit: kobo.com

達爾文例證中的地層結構（註：Weald是盎格魯·撒克遜語言中表示「林地」的單詞，Down在凱爾特語中則表示「山丘」）

Credit: worldscientific.com

2 沉積層積累

自從地球成為水陸兩棲的球體後，隨著河流的侵蝕作用，河岸的陸地會被衝刷到河流入海口處，由此形成的沉積物不斷累積，由均變論的假設，每年沉積物厚度變化相同，英國地理學家約翰·菲利普斯（John Phillips）估測了恆河每年衝刷到孟加拉灣的沉積物的質量，這些沉積物每年足夠使得沉積地層上升230微米，以及孟加拉灣沉積地層的厚度（22千米），由此估算了地層形成的時間在9600萬年，這便給出了地球年齡的下確界。

科羅拉多河向鮑威爾湖注入的沉積物

Credit: nps.gov

這一方法有很大的缺陷，那就是沉積物的產生速率隨著地球年齡是有著大幅變化的，均變論與實際情況的差異巨大。

3 海平面高度測定法

地面的沉積巖中能找到貝類化石，而貝類主要分布於海洋中，法國外交官兼博物學家貝諾特·德·梅利特（Benoit de Maillet）注意到這一現象，他推斷，曾經，地面是完全被海水覆蓋著的，既然陸地不會自行抬升，那海平面就是一直在下降的，因此，根據海平面下降的速度，可以反推到地面完全被海水覆蓋的時間，從而給出一個地球年齡的下限。

根據對碼頭附近水面高度的長期測量結果，梅利特估算出了24億年的地球年齡，這在當時是遠超科學家預期的，同時期的科學家普遍認為地球年齡最多百萬年。

若地球被海水完全覆蓋（想像圖）

Credit: citizenme.com

他的方法當然也是錯誤的，海平面高度在長時間裡是不斷波動變化著的，畢竟現在我們還在擔心著全球變暖導致的海平面上升。

4 海水鹽分測定法

河水不斷衝刷著巖石，向海水中輸入這些衝刷下來的鹽分，愛爾蘭的物理學家約翰·喬利（John Joly）利用這一現象，計算了海水中鈉元素的含量以及積累的速率，由此得出的結論是，海洋的年齡在8000萬年到1億年間。

海水中的鹽分

Credit：liferetreat.co.za

這一年齡與我們現在所知的地球年齡有較大的出入，原因在於喬利忽略了海水中複雜的化學反應會消耗掉納元素。

5 地球的冷卻

開爾文是熱力學發展中最重要的人物之一，他本名叫做威廉·湯姆遜（William Thomson），因為科學成就獲授開爾文勳爵（Lord Kelvin）。他假設，地球形成時，是一個高溫熔融狀態的球體，用熱力學的方法可以計算出地球冷卻至現狀所需的時間，由於巖石熔化溫度、比熱容、熱導率等因素的不確定性，結果給出了地球年齡為2000萬年至4億年的範圍。

地球形成之時是一個高溫熔融狀態的球體

關於開爾文的軼事

開爾文一直致力於與地質學測年方法對抗，他認為物理學比地質學更基礎，更能接近現象的本質。而關於物種進化的時間問題，開爾文堅信是神的指引加速了物種的進化。
開爾文是一名虔誠的基督徒，曾有學生問他一生中最大的發現是什麼，他答道：「在我生平的發現中，最有價值的，是認識了主耶穌基督。」
牧夫君
對於這個時代科學家，生在一個宗教氛圍濃厚的環境中，能跳出來審視宗教，再從宗教和我們所認為的理性之間做出選擇，是一件很不容易的事，牛頓以前的宗教，一直是引領著自然哲學發展的，宗教與科學衝突的歷史，相對於他們之間引領與被引領關係的歷史，是極為短暫的，就算到了現在，仍有科學家在研究科學的同時，相信神的存在。
99 太陽年齡限制地球年齡
長久以來，太陽發光被認為是太陽引力收縮的結果，亥姆霍茲據此估算出的太陽年齡在2200萬年附近，這與開爾文計算地球自熔融狀態冷卻的時間跨度符合。
Credit: helioviewer.org
實際上，太陽的年齡應在46億年左右，其能量供給是亥姆霍茲所在的時代尚未發現的核聚變反應。實際上，太陽的年齡應在46億年左右，其能量供給是亥姆霍茲所在的時代尚未發現的核聚變反應。
太陽主要能量來源：氫的核聚變反應
Credit: solarscience.msfc.nasa.gov
100
鉛同位素測年法
假設太陽系內天體都是由同一塊星雲形成的，那這些天體中元素的同位素相對比例就相同，即，在初始時刻，對於元素A的兩種同位素A-1和A-2，小行星上有3份A元素，其中兩份是A-1，一份是A-2，地球上有90份A元素，則地球上一定有60份A-1，30份A-2。根據這一假定，若從隕石的同位素中測得了隕石的年齡，則地球的年齡也確定了。
鈾-238（U-238）和鈾-235（U-235）是鈾的兩種同位素，鈾-238（U-238）會衰變為鉛-206（Pb-206），而鈾-235（U-235）會衰變為鉛-207（Pb-207），兩種衰變方式的相對速率是恆定不變的，若取一個數目足夠的樣本觀測，經歷一個半衰期後，該同位素將有一半發生衰變，而在兩個半衰期後，該元素有75%（0.5【第一個半衰期】 0.25【第二個半衰期】）發生了衰變。經過測定，鈾-238的半衰期是44.7億年，而鈾-235的半衰期僅有0.7億年。
鈾兩種同位素的衰變
Credit: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
在形成巖石時，鈾元素和鉛元素的相對含量是不同的，而鈾的兩種同位素在所有鈾元素中所佔的比例是完全一致的，因為化學反應只決定於這是何種元素，對於該元素的各種同位素是一視同仁的，例如，氯-35（Cl-35，天然豐度約為75%）和氯-37（Cl-37，天然豐度約為25%）的化學性質是幾乎相同的，因此，氯元素的相對原子質量是將兩種同位素相對原子質量加權平均的結果（35*0.75 37*0.25=35.5）。
氯的兩種同位素，自然界中有約75%的是氯-35，其餘是氯-37
Credit: slideserve.com
下圖解釋了鉛同位素測年的具體原理：
霍姆斯-豪特曼斯鉛等時線測定法
Credit: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
根據這一方法，美國地質學家克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson）給出了45.5億年的地球年齡，這一年齡至今仍被科學界認可。
克萊爾·帕特森
參考文獻
[1]John Phillips, Life on the earth its origin and succession.
[2]C L E Lewis and S J Knell, The Age of the Earth: from 4004 BC to AD 2002, The Geological Society(2001).
[3]Archibald W Hendry, The Age of the Earth: A Physicist's Odyssey, World Scientific(2020).
[4]John Chambers and Jacqueline Mitton, From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System, Princeton University Press(2017).
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Benoît_de_Maillet.
[6]https://en.wikipedia.org/wiki/John_Joly.
[7]https://en.wikipedia.org/wiki/William_Thomson,_1st_Baron_Kelvin.
[8]https://en.wikipedia.org/wiki/Age_of_Earth.
[9]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/hhpb.html.
特別鳴謝
·牧夫天文編輯部群內關於宗教與科學的討論
·南京大學大學外語部李長生教授關於人名翻譯的建議
牧夫天文編輯部（105）
這個小編是大佬
不是說好的100種嗎，怎麼只有7種？
某十八線小小編
我找到了很多巧妙的測定方法，這裡空白太小，我寫不下了，故省略了93條。
這個小編是巨佬
某十八線小小編
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『天文溼刻』牧夫出品
太陽系的「蛋」生
來源：知乎
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