1.2
人类在时间中的位置

1.2.1 时间的间接估算

日常生活涉及的时间的自然单位是日和年，有文字记载的历史，可以追溯到5000年前的远古时期。如要知道人类史前大事年表，就必须应用间接的方法。

那么，世界的年龄有多大呢？无直接记载的文献可查。考虑我们周围环境自然物质形态的变化，是间接估算时间的一种方法。

我们四周的大型自然形态——高山、丘陵、河流、海洋、平原，等等——在有史记载时期没有发生多大变化。难道它们一向是这样，永恒不变的吗？显然不是，它们受到风雨冰雪的侵蚀。

外国有人考察了位于意大利和瑞士之间的阿尔卑斯山脉之中的马特洪山，它高出紧邻地带大约2000 m，山麓宽约2000 m。因此，粗算起来，它含有岩石2×10 ⁹ m ³ ，山坡面积约为10 ⁷ m ² 。由于天气——雨、冰和暴风雨——的作用，主要是裂缝里的水冻结成冰的结果，山上到处有小块岩石碎裂下来，巍峨的结构就慢慢地毁掉了。把马特洪山化为平地需要多久呢？我们来作一次简单的计算。平均来说，每平方米每年有几寸大小的一块岩石碎裂下来，这是个合理的假设。于是马特洪山每年约有10 ³ m ³ 的岩石掉下来。100万年以后，半座山就没有了。像马特洪这样的高山的寿命必然属于几百万年这一级。当我们研究由河流运送给海洋的泥沙时，得出了同样的结论。我们能够测量在一年内经雨水从陆地冲刷下来，并由河流输送入海的细粒状的岩石、细沙和土壤的总量。这些泥沙如果均匀地散布在江河所流过的地面上，就会铺成很薄的一层，只有1 cm的1/300 厚。但是，经过100万年，就有30 m厚的一层了。细粒状岩石等不是从各个地点均匀地冲刷下来，而是从有坡度的地方冲刷下来，因此，在100 万年里风雨冰雪能够搬掉成百上千米高的丘陵，地貌的改变也就可观了。所以，我们看到的四周地貌的年龄能以百万年来计算。

风雨侵蚀是造成地壳形状，使之平面化的破坏性力量。如果没有其他力量起作用，世界就全是平坦的了，因为高山和丘陵会早就在几百万年里清除掉了。但是，还有建设性的力量在起作用，它缓慢而不断地改变着地壳。地球内部由于负担外层的全部重量，经受很高的压力。这种压力有时在一处消除，或在另一处增强。压力的变化引起地壳上下运动，造成高原和深洼地，有时地壳作横向运动，地壳褶皱起来，造成山脊和峡谷，就像把一幅布从两头往中间推时，布就褶皱起来一样。山的形成和随后的侵蚀是不断地相互作用的。我们生活的时代和一个十分剧烈的山脉形成的时代相隔只有几百万年，这就是为什么地壳现在呈现出这么多不同山脉的缘故。从现在起大约5千万年以后，如果在此期间不发生新的形成山脉的事件的话，地球可以变得平坦得多，也就不像现在这么有趣。图1.9为地球的演化过程示意图。

1.2.2 利用放射性计测时间

山脉形成和大气对山脉破坏的不断相互作用究竟进行了多久呢？怎样才能把过去发生的一件件地质大事之间的相隔时间计算出来呢？可以使用一种天然计时器，它转动得非常慢，足以使我们认得出它所计量的悠久年代。幸运的是，自然界提供了一种非常缓慢而又有规律性的过程，能用来测量时间。这就是放射性。它是法国人亨利·贝可勒尔在1896 年发现的一种奇异现象。但是，放射性又怎样当作计量器来使用呢？

当发现放射性时，人们都感到迷惑不解，因为放射性把化学元素不可改变这一旧信念否定了。放射性现象说明，某些化学元素不是不可改变的。一种放射性物质变成另一种物质，这种放射性物质的原子放射出射线，经过衰变，成为另一种元素的原子。

下面来考察一个实例——放射性铷。铷是比较稀有的金属元素，和钾、钠有点相似。自然界发现的铷有两种（两种“同位素”，）它们重量不同。一种铷的原子量是85，另一种铷的原子量是87，其中较重的一种是放射性元素。一块纯铷87原子变成另一种原子，即变成一个锶原子。这种变化以固定的速率缓慢而稳定地进行，这个速率不因任何外界影响而加速或减慢。每年有一点儿铷87变化成锶。就铷来说，这一点儿极其微小，每年只有1.6×10 ^-11 。这就是说，每年有一千亿分之一的铷87变成锶。在自然界发现的大部分放射性物质都是这样缓慢地变化的。铀的“衰变常数”是每年2×10 ^-10 ，这就是说，每年只有一百亿（10 ¹⁰ ）分之二发生变化。钾40 也是放射性元素，衰变常数是每年0.7×10 ^-9 。

自从发明了高能加速器（原子击碎器）以后，有关放射性的知识就大大增加了。在加速器里，微粒子带着高能被投掷出来，打击各种物质的原子，并使原子产生变化。例如，正常的非放射性元素在这些机器里受到轰击，就变成新的、多半是自然界里找不到的，并且往往是放射性的元素。因此，人们能够生产新的、“仿真”的、人造的、在物理学和医学研究方面具有重大价值的放射性材料，它们的大多数变化起来比天然放射性元素要快得多。例如，人们能够生产放射性钠（原子量24，）它以每小时百分之六的速率变化成镁。

因此，地球不可能是永恒地存在下来的。在地球上有的东西也不可能是永恒地存在下来的。如果地球存在的时间是无限的，我们在地球表面就找不到天然放射性物质如铷87、铀和钾。其实，如果地球年龄大大超过10 ¹⁰ 年，那么前面提到的自然产生的放射性物质就已几乎全部变成它们的子体产物，而不会被人发现了。我们也就必须假定，制造这些元素的过程不再继续了。

那么，地球的年龄有多大呢？看一看在自然界发现的放射性物质的衰变常数，我们注意到，衰变常数总是小于每年十亿分之一。可是人造放射性材料——我们自己生产的元素——具有各种衰变常数。从缓慢的衰变，例如每年衰变小于百万分之一，直到真正迅速的衰变，例如在大约半秒钟之内就衰变一半。在这两个限度以内的所有的衰变常数的实例都已找到了。但是，我们在自然界看到的衰变物质，总是以慢于每年十亿分之一的速度而衰变的。这一点是比较容易解释的。衰变速度更快的物质之所以找不到，是因为在地球存在时期内，它们已经消失了。

由此，可以得到的结论是，构成地球的物质以其目前情况而存在下来的时间一定有几十亿年，但也不会超过得太多。天然放射性元素衰变最快的是铀（铀235）（每年十四亿分之一，）铀235已接近消亡，在普通铀中只占很小的百分比（0.71%。）因此，构成我们地球的物质的“年龄”必然比10 亿年大一些，也许大5倍或10倍，但不会大很多。

在地球上找到物证，说明地球并非是永恒地存在下来的，那是我们对世界的科学认识史中给人以深刻印象的一个时刻。放射性物质仅仅是地球的一个微小部分，它们极其罕见。尽管如此，它们的存在就是某种起源的见证。

地球的起源是怎么回事呢？显然，地球最初不可能像现在这样。那时，构成地球的物质必然受到能够产生放射性元素的一些条件的支配。这些条件就是我们在大型核加速器里所制造的条件。粒子和原子必然以极高的能量并在很大的密度下运动，以很快的速度互相碰撞。产生这些条件所需的温度范围为1亿℃上下。我们有充分的理由相信，这些条件产生于星球的中心，不是在一般情况下都有，而是当星变为不稳定而且爆炸的时候才有。爆炸中的星就是我们前面所提过的新星，因为它们作为新的星在天空突然出现，并在几个月内隐没不见。它们并不是很不寻常的东西。使用巨型望远镜，我们能在一个星系的500亿颗星中每年发现二三十颗新星。

因此，可以得到的结论是，构成地球的物质必然经受过可能是从星星爆炸中产生的极大的热和加速度，时间大约发生在50亿到100亿年以前。可以认为这些事件创造出了我们的环境所有构成的种种元素。那时，创造了许多放射性元素和非放射性元素，包括能用机器制造的所有元素，而且肯定还要多一些。可是寿命较短的放射性物质早已衰变并变为稳定元素。少数寿命较长的天然放射性物质是形成各种元素（这些元素组成今日地球上的物质）的重大时期的最后见证者。它们是从百亿年前创造我们现在所见到的地球上四周物质的宇宙烈火中留存至今的最后一点余烬。

对天然放射性衰变过程进行更为细致的分析，就能测定比元素之诞生要晚一些的其他事件。大多数含有天然放射性产品的矿石也含有放射性的衰变产物，例如，在含有铷的岩石里，也找得到由放射性铷变化而成的元素——锶。把岩石里铷和锶的相对量比较一下，就能算出铷在这块岩石里保存了多久，换句话说，就能计算出这块岩石自从凝固以后已经历了多久。计算很简单。每年有1.6×10 ^-11 的铷变成锶，于是人们对观测到的总量能够推断出需要多少年才能形成。

这里只有一个困难：岩石里的全部的锶未必都是由铷变化而来的。这块岩石里也许就有一点原来的锶。要避免这个困难，有个很好的办法。从铷变化来的锶是很特殊的一种锶，即锶87。正常锶只含有12%的锶87，大部分是另一种锶同位素，即锶88。因此，人们需要做的只是把岩石里的锶88的量也测量一下。如果岩石里面没有锶88，那么，锶87必然全部都是从放射性铷那里来的。如果岩石里有一些锶88，那么，我们就知道岩石里掺杂了多少普通锶，并能测定，由于放射性衰变而加上了多少锶87。

可以用同样的方法来测量含有其他任何天然放射性物质的岩石。为此目的，广泛地利用了钾和铀的放射性。

天然放射性物质不仅充当地球起源的见证者，当它们有规则地衰变而缓慢地消失时，还能当作计时器来用。

测量放射性衰变产物，例如由铷变化而来的锶，就能确定在元素形成之后的几十亿年里所发生的重大事件的时代。每逢新山脉出现，每逢海洋把沉积物留在海底，物质里所含有的放射性元素就开始积累它们的衰变产物，把积累起来的总量测量一下，就能计算事件发生的时代。这样，我们就得到了相当精确的地质大事件发生的年代，就得到了相当精确的地质大事件的时间表。几年前，美国加州大学的地球化学家在《地球与行星科学》期刊上推测喜马拉雅山脉进化的时间要比大家认为的晚1500万年，我国的喜马拉雅山脉很年轻，只有几百万年。阿巴拉契亚山的平坦山脊竟老达2 亿5 千万到3亿年，虽然山峰表面的实际形状从那时起已经改变过多次了。到现在为止，已发现的最古老岩石的年龄是26亿年，因此，地球的年龄至少有这么大，很可能超过26亿年。但是，这个行星现有的表面所经历过的变化太大了，以致今天找不到能够说明地球年龄更大的岩石。岩石和沉积物的不同层次里含有动物和植物的化石。所以，地质构成的时间表和生命发展的时间表是直接相连的（图1.10。）我们发现，最早的生命记录约在6亿年前以海藻和海绵的化石开始（图1.11。）显然，还有更早的、未在岩石里留下记录的、更处于原始状态的生命。据估计，原始细菌的存在，总有10亿年或10亿年以上了。已经找到大约3亿年前的鱼类和蜗牛，开始有爬行动物约在2亿7千5百万年以前；后者的出现是要等到树木、花卉第一次出现之后的，树木、花卉第一次出现的时间应在4亿年以前。哺乳动物的发展只是1亿5千万年前的事，而自有人类以来，不过100 万年而已。这样，放射性计时器也有助于说明生命发展的年代。

1.2.3 利用陨石计测太阳系年龄

有时候，一块物质突然从外层空间进入到大气中。这些东西——叫做陨星——进入大气时，大多数由于高速度穿过空气，产生炽热而气化了。但是也有较大的块头，完整地到达地面。人们研究了这些物体及把它们引导到我们这里来的途径。陨星大概不是从很远的地方来的，它们可能是太阳系历史初期某个时代一个或几个小的行星分裂瓦解时所产生的断片残块。这些岩石的年龄必然和太阳系本身的年龄相近，它们可能追溯到物质聚集为太阳和行星的那个时代。因此，当我们能够测定这些碎块的年龄时，大概也就测量了太阳系的年龄，或行星形成的时代。幸而，陨星有时含有放射性物质及其衰变产物的痕迹。衰变产物的数量能用来测定这块来自外层空间的物质中放射性物质衰变了多久。测量结果总是很一致的：所有的陨星好像年龄都一样，都是45亿年。于是我们作出这样的结论，即物质聚集为太阳系行星以来已经经历了45亿年。十分可能，地球和其他行星作为环绕太阳运转的巨大球体而存在以来，也有了45亿年了。

1.2.4 利用光推算星体年龄

我们能够测定其他星的年龄吗？由于没有物体从太阳系以外来到我们这里，因此，就不能够利用放射性计时器了。惟一的联络工具是光。然而，尽管缺少直接的接触，天文学家总在试图取得有关星的年龄的间接资料。仔细研究星的颜色和亮度，以及运用我们对于维持一颗星球长期发光、发热所需全部巨大能量之产生过程的新的概念，利用各种星体观测的光学分析，有时可能得到某些推测性的结论。根据这方面的论证，大部分星的年龄也以几十亿年计。有些星群的年龄可能有200 亿年或300 亿年，其他的也许年轻些。

1.2.5 宇宙的历史

正如年是计算人生的适当单位，10 亿年是计算星球的寿命的适当单位。地球上最古老的岩石的年龄是26 亿年；太阳系必然是在45 亿年前形成的；天然放射性物质是50 亿年或100 亿年前从某种星体爆炸中形成的；而大部分星球的年龄似乎也在50亿年到100亿年之间。

宇宙的膨胀现象也给了我们宇宙发展的时间尺度：今天，我们看到星系不断地离我们而去，星系离我们越远，走得越快。于是，我们就能提出问题来：如果星系确是互相分离而运动着，那么，难道就肯定没有星系曾经是互相较为靠近的时候吗？其实，如果宇宙膨胀早就按照目前的速度进行，那么，我们看到的星系的膨胀，不可能是永恒地进行下来的。它们是在什么时候挤到一处的呢？某个星系离开我们的距离大约是100 万光年，以30千米/秒的速率走100万光年的距离需要的时间为100亿年。这就是说，星系自从以同样的速率膨胀到现在，为时不能超过100 亿年。追溯星系的膨胀，我们必然得出结论说，100 亿年前，所有的星系，粗略地说，是集中在同一地方的。而最新得出的结果宇宙大爆炸是在150亿年之前。

于是，我们又发现类似其他宇宙寿命的一个时代：100亿年前可见的宇宙及其包含的物质必然和现在大不相同。我们此时此地所了解的具有它的物质、它的恒星和行星、它的星系和星系系统的这个世界，自从存在以来，历经的时间以千万年计。更早些时候的世界是什么样子，今天没有人知道。物质、星球和星系凡此种种，我们今天知道的是这个过程大概经历了150亿年的样子。如把宇宙的年龄当作一天，那么，自有人类到现在为止仅仅只有10秒钟而已。

1948年美国物理学家伽莫夫等人又提出了大爆炸宇宙理论，他们把物理学知识和宇宙膨胀理论结合起来以解释化学元素的起源。他们认为宇宙始于150亿年前的一个高温、高密度的“原始火球”，初始温度高达几十亿度，后来降到十几亿度，然后火球爆炸了。原始火球内部因爆炸而向外膨胀，辐射温度和物质密度迅速下降，于是核反应停止。其间所产生的各种元素就形成了今天宇宙中的各种物质，在膨胀过程中，辐射物质逐渐凝聚成星云，进而演化成今天宇宙中的各种天体。他们预言由于大爆炸后宇宙中原始的辐射达到热平衡，必定还残留着背景辐射。1965年美国贝尔电话实验室的两位射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊发现并证实3.5 K的宇宙背景辐射。20世纪80年代末期英国格林尼治天文台的观测也证实了这个预言，这无疑是对大爆炸理论的有力支持，从而使“大爆炸宇宙论”被广泛接受而确定，成为公认的宇宙标准模型。

这里，我们再把“时间”的概念更具体化，让读者有一个可以比较的直观认识。

至此，我们讨论了人类在这个世界空间、时间位置中所处的地位。只有正确认识这些，才能对进一步学习物理知识有个良好的开始和合适的出发点。

本节结束前，把一幅宇宙“日历”提供给读者，让大家更能清楚我们在时间发展中的位置（图1.12）。