时间简说：大尺度时间测量

几千年来，人类一直在同“小尺度”时间打交道：把年划分成四季，把日划分成时、分、秒，又把秒再细分成为毫秒、微秒、纳秒和皮秒。但是，人类在真正科学意义上同大尺度时间打交道，只是在300多年前才开始的。所谓大尺度时间，是指在过去沉睡了很久很久的遥远事件的时间，例如地球史时间。有些学者称此时间为“深时”（Deep time）。测定这样的时间不能用“日”，也不能用“年”，必须用更大的单位。例如，考古学家计算史前遗物的时间用“千年”或“万年”为单位；古生物学家研究人类祖先化石的年代，地质学家测量山岳形成年代等，要以“百万年”为单位。

可是，在那样久远的年代里，根本没有文字记载，他们是怎样定时的呢？

7.6.1　查阅地球档案

人类向后测量大尺度时间的进程所以这样晚，困难主要来自2个方面。

首先是找不到适合的测量工具。

我们知道，人类为了提高小尺度时间测量精度，穷尽思索，改善器具，可说达到了“上穷碧落下黄泉”的地步，好不容易才取得今天这样的进步。然而，大时间大到远远超越人类自身的文明史，它不可能用历法时间或通常的钟表去测量。

其次是缺乏正确的科学概念。

这是最重要的。在人类历史的很长一段时间里，人们不知道时间同物质运动、变化的联系；即使在科学进步以后，仍有许多人，特别是宗教界坚持认为世界是上帝创造的，是固定不变的。在他们看来，恒星、太阳、地球和月亮，以及它们的所有滋生物，开始是什么样子，现在还是什么样子，将来也不会改变。因此，要测量久远以前的时间，必须抛弃万物不变的说教，承认事物是在运动和变化的，它的现状是由它的过去发展、演化而来的。对于宗教界来说，这就等于抛弃了他们的道德规范和上帝本身，所以大时间测量实际上便成为思想革命的一个重要组成部分。

在时间领域，第一个打破宗教桎梏的是法兰西思想家乔治·路易斯·勒克莱尔。

勒克莱尔在18世纪中叶写了一本论述地球的书，指出地球是由于其他天体的吸引而从太阳分裂出来的。它是一个熔融的、光亮的球体，像一盏“白炽灯”。但是，经过了多长时间才冷却到今天的地步？为了估算这个时间，他先对不同物质、不同大小的球体加热，测定它们的冷却速度，然后据此推算地球年龄。

勒克莱尔测得的地球年龄大约为74047年。这一结果虽然与现代计算值相差甚远（它只有后者的1/60000），但它毕竟是人类对于地球年龄的第一次“科学”测量。它冲破了宗教神学筑起的时间壁垒，为人们按物理学定律由事物目前性状去推断它的早期历史提供了依据，某些现代科学评论家甚至把它誉为“真正的时间的发现”。

在研究人类的文明史中，我们常借助于古代碑石及其碑文来确定过去事件的发生时间。勒克莱尔指出，与此相同，在研究自然史中，人们也必须查阅自然界的“档案”，从地球深处寻找古遗迹，以辨认时间长河中不同的自然年代。

勒克莱尔的见解无疑是正确的，可是他没有能够去实践。第一个躬身实践并取得成果的却是苏格兰科学家詹姆斯·何顿。

何顿少年时代在爱丁堡学做书记员，但他很难坐下来认真临摹文章，结果被解雇。他离开了爱丁堡，先学药物学，几年后进入地学界，最终成为著名的地质学家。

对于地质考察，何顿是不知疲倦的。他几乎跑遍了英伦三岛，涉足山谷河床，查找埋在地层底下的地球档案。春季，他冒雨观察雨水冲刷山脊的情形；秋季，他徘徊于海滨，辨认砂质海底的波纹。他把海岸上的沉积岩同悬崖上的砂石相比较，发现这些沉积物是一层一层堆积而成的，于是便推想：底层必定最古老，随后逐层覆盖，顶层应该最年轻。他认为，每层岩石都是在缓慢的过程中形成的，都代表着很长的时间，因而都可以为确定地质年代提供一条线索。

这样，何顿就得出了地球科学中一个最简单，或许也是最深刻的概括：地球的过去历史可以用人们所能见到的现在的各种过程来加以解释。读者可能要问：现在的地球表面有高山、大川、平原和海洋，将来平地上会不会再长出大山？海洋还能不能出现岛屿？

何顿对此的回答是：在地球表面的“战场”上，破坏性过程（如风和水的侵蚀作用）与建设性过程（如火山活动和地壳运动）彼此冲突，前者对地球产生一种平夷作用，它使河流改道，山坡下塌，形成各种破坏性地形；而后者却与此相反，不断产生出新的陆地，代替被冲刷掉的土壤。任何时候，这2种过程都是平衡的。

这就是地质学中的均夷理论。我们关心的是，这种夷平—再生的周期有多长？今天的地面形状是经过多长时间形成的？

对于这个问题，何顿以苏格兰人特有的谨慎，拒绝给出确切期限。他认为地质变化太慢，人们难以去测量它，并且说：“试图测量那些超越人的能力范围而其历史又难于查阅的量，是一种徒劳的尝试。”

自然科学研究中常有这样2种奇特观象：有些科学家抓住那些往往不为人们重视的现象，有时甚至是本人的一时灵感，穷追不舍，终于做出重大发现；而另有一些科学家，虽然他们触及了疑难问题的实质，接近了打开解决问题的大门，但又因粗疏或其他方面的原因而止步不前，甚至转向死胡同。何顿研究地球年龄的情况就是这样。他找到了用岩石确定地质年代这把“钥匙”，也计算了海边岩层的时间顺序，但没有深入研究各种特殊岩层之间的联系，因此只能得出这样的结论：“我们既没有找到世界开始的遗迹，也未发现它走向终结的征兆。”这样，揭示地球历史奥秘的任务就留给了与他同时代的英国青年科学家威廉·史密斯。

7.6.2　打开地球奥秘的钥匙

威廉·史密斯出身贫寒，少年坎坷。他7岁丧父，过早地结束了欢乐的童年生活。但是，史密斯自幼就勤奋好学。青年时代被招聘为野外大地测量工程师，在英格兰各地的测量生涯使他对岩石和化石产生了浓厚的兴趣。他决心通过自己的观测，寻找山崖岩石和海滨岩石之间的联系，检验何顿的结论是否正确。

同何顿一样，史密斯也是一位优秀的地质工作者。他从不畏惧野外勘探的艰辛，但史密斯的工作比何顿要细致得多。他从地下很深的部分开始，一层一层地向上追踪岩层，直到它露出地面的部分。经过测量和比较，他发现在相连岩层的不同基岩内，包含有不同的动植物遗体，这就是所谓的“化石”。史密斯认为，岩层可以由它们所包含的化石加以鉴别。

有了史密斯的理论，地球科学家便对各种化石进行分类比较，找出了它们各自形成的地质年代，从而发展了一种向后测量大时间的工具——地质时计。

下表列出了地质时计的各个主要阶段。

表中相对年代的地质体系大都以地区命名，因为这些地区内某些岩石保存得比较完好。例如，寒武纪取名于中古时代的拉丁文，意指威尔斯。奥陶纪和志留纪的原文分别指中古时代威尔斯地方部落的名称。泥盆纪的原文指英格兰。三叠纪指苏联的白尔姆。

表2　地质时计表

这种计时制度分为4个“代”。每个代的划分都特别重视岩石内所发现的化石。

寒武纪前代是最古老，也是历史最久的时期，约超过40亿年。原生代距今约6亿年，这段时间的岩石内已经有化石出现，说明此时地球上已经有生物存在，它们主要是鱼类和爬行类动物，以及原始植物。

在中生代里，蕨类植物和常绿树很茂盛。沼泽地带有巨大的恐龙，它们是侏罗纪内的主要动物，但随后在白垩纪突然消失。这大概一方面是由于气候和地质的变迁，另一方面则是由于哺乳类动物的进化，恐龙无法和它们抗争的缘故。

新生代有2个纪。第三纪约持续了7000万年，然后出现了现代植物。在第四纪，地球上经历了2次极冷时期，我们称它为“大冰期”，形成了厚达几千公尺的冰层，维持60万到100万年，直到距今约2万年前才慢慢变暖。此后虽然也出现几次较寒冷的时期，但一般说来，地球上的气候是在逐渐变暖。

在这里，我们已经说到地球上出现生命（活的生物）的时代了。事实上，史密斯在研究化石时就指出，“关于地球的任何推理性历史都必将包含有生命的历史。如果地球随时间而发生变化，它就应该有生命的创造”。

但是，史密斯并未涉猎生命科学。这个问题是由进化论解决的。

7.6.3　达尔文的贡献

最后勾画出生命历史并解释其自然进程的，是伟大的生物学家查尔斯·达尔文。他在1895年出版了《物种起源》一书，指出生命在时间长河里是发展演化的。这本书不仅是生物学中的巨著，而且在整个自然科学史和人类思想史中也有划时代的意义，它使“进化”成为世界上家喻户晓的一个词汇。当然，对于虔奉宗教的人来说，“进化”差不多是一个肮脏的字眼。

其实，“进化”这个概念并不是查尔斯·达尔文首先提出的。它的基本思想早在《物种起源》问世的前几年就有人提出过，在这些人当中，包括查尔斯·达尔文的祖父伊拉兹马斯·达尔文。

但是，查尔斯·达尔文的贡献是巨大的。他经过20多年的艰苦努力，终于把同进化有关的信念、事实和推理综合在一起，形成了完整的、系统的进化理论。这一新理论指出，所有活的有机体的现在形态都是从其他形态进化而来的；进化的周期很长，并且是缓慢而有秩序的过程。进化论的提出，使得大时间尺度成为一个再也不能忽视的概念。

达尔文的进化论遭到当时的神学家和宗教界的极大虐待。这是可以预料的。因为它推翻了神创论，也推翻了上帝。但是，真理是扼杀不了的，在宗教神学诋毁进化论的一片叫骂声中，达尔文不仅没有畏怯，反而勇敢地继续把自己的理论向前推进。他从已知的某些生物的进化速度出发，大胆地提出了另一个猜想：生物界进化过程可能要花几百个“百万年”的时间。

在达尔文提出这种大时间猜想的同时，另一位科学家威廉·汤姆森正埋头于重新研究地球年龄问题。

汤姆森根据当时物理学的研究成果重新估算地球年龄。他得到的结果虽然比勒克莱尔的要大得多，但对达尔文来说仍嫌太短。按照汤姆森的计算，太阳的存在还不到5亿年。在这样“短”的时间里，地球不可能冷却到足以维持大于几百万年的生命的存在。

这样，在达尔文猜想和汤姆森计算之间就出现了尖锐矛盾。这在当时是无法解决的。

汤姆森计算依据的是化石。化石虽然是打开地球奥秘的钥匙，可以提供关于地层的广泛的知识和有价值的资料，但它有个缺点，对不含化石的地层，人们便无从估计它生成的年代。就像人类的历史一样，有那么一段时间，尽管有人类存在，但没有留下任何文字记载。在地球史中也是这样，前寒武纪就几乎没有给我们留下足以揭露有关地层情况的化石。

而且，人们当时也不能用化石确定地质上某个“代”或“纪”的绝对年龄，只能指出其相对年龄。举个例子来说，按史密斯的方法，人们可以用化石揭示地层的时序，推知恐龙出现在哺乳类动物之先，在恐龙之前有两栖动物；甚至能够推测恐龙在哪个时序上出现，又在哪个时序上消亡。但是，人们不能根据化石断定它是5000万年还是5亿年以前。

大时间尺度绝对定时的方法最初是由何顿的均夷理论导出的。现在是通晓过去的钥匙，测量今天发生的地质过程的速率，原则上便可以推论类似过程在以前所经历的时间。例如，倘若有一条宽60米的山涧溪流正以每10年2.5厘米的速度冲刷河床，那么我们就可以认为它开始冲刷山涧是在60×100×10÷2.5=24000年以前。另外，我们也可以估计冲积平原形成的速率，并以此推算其他沉积物要经过多长时间才能堆积到现在的形状。

当然，用这种方法来估算大时间间隔是很粗糙的，不足以解决达尔文和汤姆森的争论，因为它的可靠性很差，有时估计较为准确，有时则相差甚远，因此无法判明谁是谁非。

7.6.4　意外发现的大钟

然而没过多长时间，大约在达尔文去世后10年，贝克勒尔对放射性的发现以及随后对放射性在地质变化过程中的作用的研究，打破了这一窘境。(www.xing528.com)

据说，物质的放射性是在一次偶然的机会中被发现的。1896年，法国物理学家亨利·贝克勒尔无意中把一小块铀放在照相底板上，几天后，他发现这张底板上有斑斑点点的痕迹。“这是什么东西留下的？”贝克勒尔抓住疑点不放，又重做了实验，证实那些痕迹是铀辐射作用的结果，于是他宣布发现了铀的放射性。

这一发现不仅在物理学，而且也在地质学中打开了新的视界。它导致了一种甚为精密的新型地质年代测量方法的产生，具有划时代的意义。当然，在本书中描述性地解释放射性，对于读者来说也许是多余的。然而，这种自然现象对绝对定时实在太重要了，所以我们不得不暂且离开正题，谈一谈放射性作用，特别是关于放射性作为大时间测量的功能问题。

人类到目前为止共发现109种以上元素（有些新元素尚未得到承认和命名），每一种元素都由同一类原子组成。每个原子又都有一个原子核，核外环绕着一个或多个快速移动的电子。

电子、质子和中子是组成原子的3种基本粒子。电子有一个单位的负电荷，质子有一个单位的正电荷，中子不带电荷。任何一个原子，它的质子数和电子数总是相等的，就是说，原子中质子和电子的电性总和永远是中性的。但是，一个原子可以得到或失去一个或多个电子。原子失去电子时便带有正电荷；反之，就带负电荷。带电荷的原子叫离子。

在100多种元素中，有些元素会自然地放出射线。这些射线主要有3种，一般用希腊字母的前3个字母命名，即α（阿尔法）射线、β（贝塔）射线和γ（伽玛）射线。α射线是带正电粒子，它的发射速率约为光速的1/20，容易被物质吸收。β射线是带负电的高速电子流，其发射速度一般为光速的30%，有时也可能接近光速。γ射线不是粒子，它同光和X射线一样，都是电磁波。

能够发出放射线的元素称为放射性元素。放射性元素的原子核是不稳定的，它们会自然分解。这种分解不受化学变化和气温、气压的影响，也不受电磁场的影响。我们通常把这种分解叫做元素的衰变。元素衰变时放出α粒子和β粒子，并改变元素的核结构，使一种元素转变为另一种新元素。在单个原子里，衰变是随机出现的，但当许多原子平均时，它就具有恒定不变的速度。因此，衰变就很像一架嘀嘀嗒嗒的时钟。

事实上，当贝克勒尔发现放射性的时候，人们并没有立刻意识到它具有计时功能。把放射性潜在的计时能力第一次摆到人们面前的是物理学家洛德·卢瑟福。卢瑟福仔细地研究了放射性元素的衰变速率，于1907年指出：不同种类的放射性元素具有不同的衰变速率，但同一种放射性元素的衰变速率相同。我们通常用“半衰期”表示放射性元素的衰变速率。它指元素中的原子衰变一半时所需要的时间。这是一段固定的时间间隔，与现有的数量无关。有些元素的半衰期很短，不到1/1000000 s。另外一些元素的半衰期却很长，例如铀的半衰期为45.1亿年。1个铀原子经衰变最后成为1个稳定的原子时，它一共要放出8个氦原子。因此，原则上讲，测量某种岩石中铀和氦的含量便可推知该岩石中有多少铀发生了衰变，再根据铀的衰变速率，就能估计出这块岩石形成的年代。

理论是简单的，实践却非常困难。氦原子很轻，它甚至能从坚硬的岩石中跑出去（渗漏）。要估计某种岩石中的氦究竟跑掉了多少是一个十分棘手的问题。因此，用放射性时钟测量大时间的想法，一直拖到20世纪30年代发现了同位素以后才真正实现。

同位素是一些原子序数相同而质量数不同的原子，或者说它是由化学性质相同但质量不同的元素组成。当一种放射性同位素衰变时，它就变为另一种元素的同位素。以铀为例，铀238首先放出一个α粒子，变成钍234，然后吸收或放出电子，变成钋234或铀234，经过长长的“放射性系列”，最后变成铅206。铅206是稳定的，不再衰变。

这样，我们就可以根据岩石中铀和铅的含量相互比率计算该岩石的形成年代。

假定岩石在形成之初不含有铅，以后也没有另外加入铅或从其中取出铅。在这样的前提下，科学家们算出火成岩的形成年代大约距今33亿年。这一结果基本上解决了达尔文和汤姆森之间的争论，而且证明达尔文是正确的。

关于地球年龄的问题，从18世纪的何顿开始，直到20世纪30年代末，先后出现了各式各样的测定方法。通过印证和比较，现代最新的估计是45亿～50亿年。在这里，请不要忽视“大约”这个字眼。它告诉我们，关于地球年龄的探索，目前仍处于何顿所说“隐晦的推测之中”，还必须等待更多的新发现来加以证实。看来，何顿当初的谨慎是有道理的，也是明智的，他没有试图关闭后人继续思考的大门。

图11　碳-14的衰变

7.6.5　考古学“时钟”

铀放射性时钟在测量大时间尺度方面发挥了重要作用，但它也有缺点，主要是它的定时精度太低，误差可能会大至1000万年！

这样的不确切性对于估算地球年龄或山岳形成年代似乎影响不大，但对研究人类发展历史的考古学家来说则绝对不能允许，因为人类活动的全部历史最多不过几十万年。用如此粗糙的尺度去量这段对间，无异于拿50千克起计的磅秤去称几克黄金，当然是称不出结果的。

然而值得庆幸的是，美国化学家威拉德·利比在1946年又找到了另外一种“时钟”，这就是放射性同位素碳-14。它的半衰期为5710年，恰好可用作考古学“时钟”。

碳-14是高层大气中的氮在宇宙线粒子的不断轰击下衰变而形成的。它一经形成便很快和大气中的氧结合，变成二氧化碳。植物在光合作用下吸收二氧化碳；动物吃了植物，或一种动物吃了另一种动物，二氧化碳便在生物界循环。这样，自然界的各种生物体内就会或多或少地含有碳-14原子。

生物不断吸收二氧化碳，体内碳-14含量也随着增加，待其死后，体内的碳便开始按已知速率分解，直至完全消失为止。

图11为碳-14衰变示意图。图中黑点表示一块木头中碳-14的含量。当树木死后，碳-14开始衰变，含量逐渐减少。白点表示由碳-14衰变形成的新元素。图中从上到下，碳-14（黑点）每减少一半，时间约为5710年。

考古学家只要测量出动植物遗骸中含碳量的多少，便可以推算出已死生物的年龄。用这种方法测定考古发掘的木头、燃灰、谷物、蜂蜡、鹿角和骨骼等古代遗物的生存年代，误差不超过几十年。

当然，这种计时方法隐含着2条重要假设：①在碳-14钟的工作年限（4万～5万年）内，大气层中产生碳-14的速度相当稳定；②有机体吸收碳-14的过程比所测时间要短得多。

一般说来，这些假设是成立的。但近年来发现，由于来自外层空间的宇宙线的强度有涨落，第一条必须作某些修正。另外，还必须考虑人们烧煤、烧汽油以及核爆炸等对大气中含碳量的影响。

尽管有这些复杂因素，碳-14钟还是为考古学家和其他人提供了一个卓有成效的新的计时手段，而且已经产生了一些意义深远的成果。例如，它帮助人们以±100年的精度算出了死海口封闭的时间。我国西安半坡遗址的年代主要也是用这种方法测定的。

我们从图11中还可以看到，在木头切口处有许多同心环，这叫树木的年轮。树木每年都以在树皮内壁增一圈的形式变粗，利用它也可以测定古遗址中树木的年龄。

随着科学技术的进步，考古学“时钟”也不断发展。目前，考古学家还用钾衰变为氩、铷衰变为钍，以及骨骼中不同氨基酸含量的比率等新方法，推算几万到几十万年前生物化石、古人类遗址和用具的年代，从而使向后测量大时间得以连续地伸延出去。

7.6.6　宇宙的年龄

这里所说的宇宙，是指人类所能看到的（借助于望远镜）最遥远的天区。

放射性同位素“时钟”不仅为我们追溯消逝的时光提供了有效工具，对于它的进一步研究还引出了更多的包括更大时间变化在内的一些基本问题。其中，我们感兴趣的是：元素内部的变化，以及物质本身是否可能具有开端和终结？

最新的科学测量证实，自然界中有许多元素具有放射性同位素。它们的寿命长短不等，最长的是铅204，它的半衰期为140×1015年！这当然是一个大得难以想象的数字，恐怕就连用惯大数字的天文学家也会感到吃惊。假设这种同位素会在将来的某一天完全消失，那么我们不禁会问，在此之前太阳是不是不存在了？宇宙会不会变成另外一种什么东西？

如果元素（至少是某些元素）具有结束的时间，那么它们也有开端吗？似乎好像应该有。当代多数物理学家认为，我们的宇宙最初是由氢构成的，其他元素都是氢核（质子）和电子的组合物。组合过程最初发生在星团内部，不同的组合最后形成了行星、地球及其居民。

但是，假如元素的年龄可以被计算出来，那么宇宙本身又该怎样呢？有能够测量宇宙年龄的“时钟”吗？在这里，放射性“时钟”当然不可能用来测量这样的大时间尺度，因为在宇宙形成时，放射性“时钟”压根儿就不存在。

那么用什么方法测量我们这个宇宙的年龄呢？有些学者认为它可以从宇宙膨胀这一事实推导出来。

宇宙在膨胀。这是由红移现象引申出来的一条推理性结论。天文学家在测定来自遥远星体的星光时，发现所有光线的颜色都向光谱的红端移动。天文学上称此为“红移”。对于这一现象的最好解释，至少按我们今天所知物理学定律，是多普勒频移效应。

多普勒效应首先是在声学中被注意到的。我们都有这样的体验：当火车向着我们疾驰而来时，它的汽笛声越来越尖；反之，当它离开我们飞速远去时，汽笛的音调又慢慢降低。奥地利物理学家多普勒首先注意到这一现象。他指出，产生这种现象的原因在于声源运动使传到人们耳膜的声波数目发生变化。光波也有类似现象：由运动着的光源发出的光到达人们的眼睛时，它的波长和频率也发生变化，就是说光的颜色会有所改变。

当然，对于星系谱线红移现象还有许多其他解释，但是没有哪一种解释能够像多普勒效应那样得到人们的普遍支持。

按照多普勒的理论，谱线红移说明星系正在远离我们而去，宇宙（或星系系统）处于膨胀之中。

1920年，美国天文学家哈勃在研究了20多个星系的红移量以后发现，星系的距离r与它的红移大小亦即远离速度v成正比：

式中，H叫做哈勃常数，它的量纲为时间例数。这就是著名的哈勃定律。由于当时观测条件的限制，哈勃求出H的倒数大约只有20亿年。

近年来，天文学家对哈勃的星系距离尺度作了大幅度的修正，从而影响到哈勃常数的数值。70年代初，英国天文学家桑德奇的研究认为，哈勃常数的倒数约为180亿年，相当于哈勃本人计算值的10倍。

假如宇宙以均匀速度膨胀，其距离与速度的关系应为：r=vt。

这里的t应该是宇宙处于最初的最大压缩状态以来所经历的时间。把这个公式同哈勃定律相比较，我们发现t正好是H的倒数。因此确定H实际上就成了对宇宙年龄的直接测定。

当然，这里又涉及宇宙膨胀速度问题，很难说它是均匀的。按照膨胀速度持续减慢的宇宙模型，得出宇宙年龄大约为120亿年，这一数值同根据恒星演化理论算出的最古老恒星的寿命（100±30）亿年非常一致！

观测星系的现在位置，按其远离速度计算它们至今已经向外旅行了多长时间，看起来似乎没有太大的困难了。但是，天文学家们在作了大量计算之后，又发现了一个更加奇妙的结果！他们说，在很久以前，宇宙中的所有物质好像都挤在一个特小的区域之中，物质在这里受到难以想象的热和压力作用，它们也不以我们现在所知道的分子、原子、质子和电子的形式存在。这样的宇宙是不稳定的。它必然会发生爆炸，向各个方向大量抛射物质。我们的宇宙正是在这样一次大爆炸中诞生的，这大约发生在100亿～150亿年以前。

科学家就是这样向后追溯并测定人类、生命、地球、元素乃至宇宙本身的起源年代。