开尔文如何测算地球年龄

开尔文如何测算地球年龄

在詹姆斯·厄舍宣布地球年龄200年之后,开尔文（Kelvin）勋爵试图利用科学的手段和推理来求出地球的年龄.
作为维多利亚时代格拉斯哥大学的自然哲学教授,开尔文是当时最具影响的理论物理学家.他采用当时已知的热力学原理来计算地球的年龄.根据对来自地球内部的熔岩流的观察以及以往对深部矿床的开采经验,开尔文知道地球的内部比地表要热得多.因此,他期望通过观察地表和地内的温度差别（即所谓地温梯度）来推测地球的形成年龄.他假定地球的初始状态是一个温度约为3850“C的熔融体.因此,他的计算结论是约需1亿年的时间才能使地球达到现在的地温梯度值.这一时间即被他视为地球的年龄.
开尔文的上述估算结果在其支持者——理论物理学家和反对者——地貌学家（研究地表形态的地质学家）之间掀起了一场大争吵.地貌学家们在应用均变论原理计算某些地质特征的形成时间时,发现地球表面的某些特征所反映的地球年龄远远不止1亿年.但是,这些地貌学家在当时又无法令人信服地证实他们所观察到的地质现象代表了更老的地球年龄,其观点也当然地遭到了许多物理学家的反对.在地球年龄这一问题上,物理学家们在当时提出的新认识实际上增加了科学家们对地球绝对年龄认识的不确定性.但这种局面只持续了数十年.
有时候,一些新的科学见解或发现会导致一种修正的范例以及一些看起来是矛盾的理论和观察结果之间的调和.地球年龄之争就是这样一种情形：在19世纪与20世纪之交,放射性的发现使得地球年龄这一问题再一次成为讨论热点.开尔文勋爵当初是不知道地核放射性作用所产生的那部分热量的,如果在他的计算中考虑到放射性产生的这部分热量,那么计算结果就会与地质学家们的最佳估计更为接近.后者是将均变论原理应用到地表形态的演化研究并进而推测地球的年龄的.放射性也为地质学家们进行地球绝对年龄的测定提供了一种独立的基准.放射性测年
一个放射性原子会随时间发生衰变.放射性原子的衰变速率被认为是一个常量（除非原子是以接近光速的速度发生运动）,它实际上不受压力、温度等的影响,也不会因为由放射性原子构成的化合物（如岩石、水或空气）发生物理变化而发生改变.一个放射性元素的衰变速率是以其半衰期来表示的,即初始原子数的一半通过自然放射出质量和能量而衰变成其他（子）元素和粒子所需要的时间.如果我们知道子元素形成的恒定速率,那么,求得原始元素与子元素的比值,我们就能推算一块岩石的年龄.这一知识使得科学家们能够计算包含原始放射性元素的矿物的形成年龄.以岩石中的放射性衰变为向导,地质学家和地球化学家们能够确定岩石的绝对年龄,因而也能确定地球各种地层的绝对年龄.有了这一放射性测年技术,人们也就找到了一种用于计算地球年龄的可靠时钟.
用于岩石测年的有几种元素,其中包括衰变成铅（Ph）同位素的铀（U）同位素（半衰期在7～45亿年之间）、衰变成锯（Sr）的铆（Rb）同位素（半衰期为500亿年）以及衰变成氨（Ar）的钾（K）同位素（半衰期为13亿年）.
在同位素测年的早期阶段（1900～1939年）,简陋的分析方法和有关原子核作用认识上的局限阻碍了科学家的实验工作.尽管如此,通过测量含铀矿物中的U／Ph比值以及多种岩石和矿物中He氦）／U比值,科学家们还是能够进行粗略的年龄估计.
由于Rb和K有较长的半衰期,Rb／Sr和K／Ar测年技术分别是最可靠的测年技术之一,其测定的年龄范围几乎包括了整个地球的约45亿年的历史.但是,如果要测定比较新的地质事件的年龄（比如过去几千年前某一事件的年龄）,则需要采用一些半衰期短得多的放射性元素.