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幫地球算年紀:「地質年代學之父」霍姆斯誕辰|科學史上的今天:1/14

地球的年齡有多大?當然我們現在已經知道是 45 億年左右,但直到二十世紀初以前,科學家的估算仍然南轅北轍,從幾萬年到幾億年都有,因為沒一個可靠的方法。直到發現了放射性之後,才終於有可以正確推估地球年齡的工具。然而這個方法可不是一出現就受到肯定,若非扮演承先啟後之關鍵角色的英國地質學家霍姆斯堅持不懈,我們可能要更晚才會知道地球的年齡。

亞瑟.霍姆斯。圖片來源:Photo courtesy of University of Edinburgh, Department of Geology and Geophysics.

放射性最早是貝克勒爾(Henri Becquerel)於 1896 年無意間發現,科學家才因此知道原來像鈾這種放射性元素會自發性地射出放射線,衰變成另一個較輕的元素。單一原子何時衰變是隨機不定的,但是億萬個原子平均的衰變速率就固定不變了,就像你不知道這次擲骰子會出現幾點,但你可以確定擲一億次的平均點數肯定是 3.5。每個元素都有自己獨特不變的半衰期(半數的原子發生衰變所需的時間),因此從衰變後的新元素與剩下還沒衰變的放射性元素兩者的數量比例,就可以推算這是經過多少時間的衰變結果,也就可以知道這個樣本的壽命。(前提是所有新元素都是經由衰變產生,而且沒有衰變成別的元素)

拉塞福最先想到可以用這方法測定岩石的年齡,1905 年他測出一塊岩石的壽命達五億年,這已遠高於原先科學家預估的地球年齡。美國化學家波特伍德(Bertram Boltwood)則於 1907 年發表論文,宣布他用鉛跟鈾的比例測出最古老的岩石樣本已有 13 億年。

不過地質學家反應相當冷淡,他們對放射性測定的方法不具信心,波特伍德無奈的轉移陣地,而拉塞福原本就不認為測量地球年齡是他的正事。結果只有當時剛進大學的霍姆斯一個人堅持下去。他用放射性測定各種岩石的年齡,雖然隨後發現的同位素(同一元素有不同的中子數)、地殼變動與地函的影響等因素都使得測定地球年齡變得更加複雜,但霍姆斯反而樂觀看待,因為相對的,納入這些因素可以得到更精確的答案。

1927 年他已經將地球年齡回推到 30 億年,而他的努力也開始受到重視。四年後美國國家科學院決定徹底解決地球年齡的問題,霍姆斯當然受邀加入調查委員會,並擔任最後書面報告的執筆人,確認放射性測定是測定地球年齡唯一可靠的方法。如今公認的地球年齡 45.4 億年正是用此方法測定的。

霍姆斯扮演承先啟後角色的還有大陸漂移說。魏格納雖然在 1912 年就提出大陸漂移說,卻因為無法提出漂移的機制而不被採信。霍姆斯率先提出固體地函內的熱對流可以用來解釋大陸漂移現象,後來也果然得到證實。霍姆斯因為其貢獻而被稱為「地質年代學之父」。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

 

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。