关于地球的寿命多长，地球是怎么产生的，以及地球的生物---尤其是人---是如何产生和演化的，一直是科学中的重要问题。2000多年前，古希腊的埃拉托色尼就利用代数方法估计了地球的直径，其误差和真实直径相近。这件事情可能开启了我们对脚底下这下这片土地的认识。无论是四大文明古国，还是后来的宗教，也都关心这个问题。比如，基督教认为地球产生于公元前4000多年。但是，这个宗教信条无法解释比这个寿命更加古老的地球化石。但是如何利用科学手段证明这些想法呢？

从19世纪开始，考古学和古人类学也得到了很大发展。1856年，在德国杜塞尔多夫（Dusseldorf）尼安德（Neanderthal）峡谷的一个洞穴里发现了人类骸骨，开启了古人类学的大门。稍微早一点，从1831年开始，英国生物学家查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin，1809年—1882年）就随着贝格尔号军舰环球考察，收集各种动植物标本，并于1859年发表了《物种起源》。他从岩石的风化作用中估计地球的年龄可能在3亿年以上，并以此证明地球和生命的进化是一个非常漫长和缓慢的过程。1862年物理学威廉·汤姆逊（即后来的开尔文公爵）从简单的传热模型（或者冷却模型）估计地球的寿命为2400万年到4亿万年之间。后来它改进这个估计，确定地球年龄在几千万年。这个地球年龄难以解释达尔文的生命进化过程。所以，达尔文的进化理论，从发表开始，不仅受到来自宗教的压力和嘲讽（当时反达尔文主义者讽刺他为猴子的后代，并有相关的画像），也来自科学家的挑战。几乎在同一个时期，物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821年—1894年）（1856年）以及加拿大天文学家西门·纽康（Simon Newcomb，1892年）也从不同角度对地球寿命做了估计，也得到了几千万的年龄。连达尔文的儿子乔治·达尔文（George Howard Darwin，1845-1912）也计算得到地球的年龄可能为5600万年左右。后来，物理学家约翰·佩里（John Perry）在1895年指出开尔文爵士的模型太过简单，没有考虑对流和地球内部的非均匀性；他改进了这个模型，并得到了比开尔文估计的寿命长100倍的地球年龄。从此以后，确定地球的年龄似乎成了一个物理学或者地质学家的重要任务。这个问题可能直接和达尔文的进化理论的正确性有关。如果地球的年龄不是足够长，那么达尔文的理论就可能不正确。

那么，如何测量地球的年龄呢？无论是几千万年还是几亿年，对于人类来讲，都是一个无法企及的长度。一个新的突破来自原子衰变以及半衰期的研究。1895年-1905年迎接来了地质学最激动人心的十年。由于放射性以及放射性衰变的研究，卢瑟福等人很快意识到可以通过测量氡的积累来确定岩石的年龄。他成了第一个测量岩石年龄的人，并由此推断出地球年龄为4000万年。但是，氡在岩石中会挥发，所以这个测量是不准确的。1907年化学家贝特伦·博尔特伍德发现和氡元素在一起的，还有大量的铅，并以此推测铅为铀衰变过程的最终产物。所以通过测量铅和铀的比例，可以用来确定地球的寿命。利用这个方法，亚瑟·霍姆斯在1910年确定地球的寿命为16.4亿年。二战以后，美国人克莱尔·卡梅伦·帕特森（Clair Cameron Patterson，1922年－1995年）和乔治·蒂尔顿合作，改进铀铅测年法，发明了铅铅测年法。通过测定代亚布罗峡谷陨石中铅的同位素的含量，他们在1955年确定了地球的年龄为45.5±0.7亿年。这是目前公认为的最准确的地球和太阳寿命，并被广泛接收。通过对这些石头的认识，他也确定了地球和这些陨石有相同的起源，或者产生于大约同一个时期。目前有很多方式可以确定年龄，都在这个值附近。今天，同位素分析法已经成为地球物理和地球化学的最重要的研究手段。科学家通过对同位素分析，还可能确定地球的演化和地壳运动。

与此同时，科学家也可以把元素的衰变当作一把尺子来度量古代化石的寿命，并在很大程度上改变了古人类学或者考古学的研究手段。比如14C的半衰期大约为5730年。一旦碳被吸收进入样品中，衰变的14C就不会再得到补充，所以通过测量14C和12C的比值，就可以确定样品的寿命。这个方法已经用来测量古埃及人、尼安德特人的器物的年代。通过对它们的同位素的测量，我们还可以确定在尼安德特人欧洲曾经兴盛了几十万年，直到4万年前才灭绝。通过选择合适的同位素原子，科学家还可以确定几百万或者更久的地球上的冰川的年代。目前科学家可以测量单个放射性原子来确定它们的年代。

这件事情说明，科学的发展从来不是独立的。笔者在阅读资料的时候，非常惊讶于开尔文、亥姆霍兹、卢瑟福等大物理学家对科学的广泛兴趣以及他们对地质学的贡献。这些贡献在一般的《原子物理》中都不会讨论，在一般的科学史中也不会讨论。我希望老师们在介绍《原子物理》发展的时候，能讲述这个故事。类似的事情在科学史上非常多，很多人都跨界在别的领域做出了重要贡献。科学的发展，就是这样相互哺育，相互促进。我们这里主要讨论物理对其它学科的发展，但是在科学史中，这些学科也在很大程度上反过来促进了物理学的发展。比如在19世纪地质学研究基础上产生的晶体学，以及从对称群的角度对晶体的分类和描述，后来成了研究固体物理中的重要研究手段。而物理学的X射线衍射技术，也为确定这些结构提供了重要的实验工具。此外，X射线衍射也为确定遗传基因DNA发挥了关键性作用。

2022年10月3日，诺贝尔医学奖公布现场，专家答记者问。/北欧时报图

写完这篇文章的时候，欧洲刚颁布的2022年诺贝尔生理学或医学奖授予瑞典科学家斯万特·佩博(Svante Paabo)，以表彰他利用DNA技术测量了已灭绝人种的基因组（主要是尼安德特人）和人类进化的发现。2014年，佩博和同事完成了丹尼索瓦洞手指骨的基因测序。他们发现丹尼索瓦洞手指骨的DNA序列和尼安德特人和现代人类的所有已知基因组序都不一样，这是一个新的人类，他们被命名为丹尼索瓦人。他的工作开创了一个新的领域。斯万特·佩博的父亲苏恩·伯格斯特龙曾是1982年诺贝尔生理学与医学奖得主，他选择了和父亲相同的领域，但是走了另外一条完全不同的路。非常遗憾，确定地球寿命的帕特森等人，却没有获得这份运气和荣誉。但是从影响上来讲，帕特森在地质上的贡献和影响可能更大。佩博确定了人类几万年的历史，但是帕特森等人确定了地球几十亿年的历史。

医学或生理学奖诺委会秘书Thomas教授回答时的表情。/北欧时报 图

无论是开尔文、亥姆霍兹、达尔文、卢瑟福、帕特森还是佩博等人，他们给人的启发都是多重的，即科学研究，要努力进入陌生的领域。对科学研究广泛的兴趣和扎实的科学基础，可能是他们在这条路上能够走得很远的关键。没有任何一门科学的发展是单线的，直线的，而是互相影响、互相促进的。

本文作者：中国科学技术大学，龚明