地球誕生至今已有45億年,那麼地球的壽命究竟有多長?

科學探索菌 發佈 2020-01-18T20:36:50+00:00

一個人的正常壽命最多100多年,而人類已經在地球上繁衍了幾百萬年,地球誕生至今也有45億年的歷史了。

一個人的正常壽命最多100多年,而人類已經在地球上繁衍了幾百萬年,地球誕生至今也有45億年的歷史了。鑽石恆久遠、一顆永流傳,其實世界上並不存在永恆,最終都會淹沒在時間的長河中。斗轉星移,地球母親的生命又有多長呢?

事物的壽命

說到這兒,可能有些人覺得,壽命有什麼好講的。確實,對於人一個人來說,人的壽命就是從出生到死亡所經歷的這段時間。單個生命體從誕生到死亡,這一整個周期就是生物的壽命。

不管是有生命的物體還是無生命的物體,它們都是由實實在在的物質構成的,而生命體也是由非生命物質構成的。對於非生命體,顯然,我們需要重新思索壽命這個概念。比如一個玻璃杯,從製造成型,再到支離破碎,這便是我們認為的一個玻璃杯的一生。對於地球而言,地球從誕生到毀滅,這便是它的一生,所經歷的時間便是壽命。誕生和毀滅,其實是物質從一種存在狀態轉變成了另一種狀態。這麼看來,事物的壽命就是其在某一變化階段所經歷的時間。

地球年齡的測定

科學界的主流觀點認為,地球和太陽都起源於同一片星雲。由於星雲(主要由氫和氦組成)的密度分布並不平均,在萬有引力的作用下,物質逐漸向密度高的地方匯聚,並開始旋轉起來,為恆星的形成做準備。原恆星中心的壓力和溫度逐漸升高,當達到氫熱核反應的臨界溫度(大約1500萬攝氏度)以上時,核反應爐就被點燃了,一顆恆星就正式誕生了。不過,此時地球還並未成形,太陽周圍還是一片混沌,大約上千萬年後,地球等八大行星才正式登場。

地球的年齡大約45億年,那這是怎麼得出來的呢?

其實,很早之前人們就相信地球存在一個起源時間,但究竟是多少,一直沒有人弄得清楚。19世紀,開爾文通過熱力學方式估算了地球的壽命,由於當時沒有考慮到地球內部的放射性物質衰變所釋放的熱量,他當時估算出的地球壽命最多才4億年。

1896年貝克勒爾發現鈾礦具有放射性,此後居里夫婦又發現了放射性元素鐳和釙,並對原子核的放射性現象進行了深入的研究。放射性就是一種不穩定的原子核通過放射出某種射線(阿爾法射線、貝塔射線、伽馬射線等)而衰變成穩定的原子核的一種現象,原子序數(質子數)大於或等於83的元素都具有放射性。此後,科學家們又陸陸續續發現了很多放射性核素。核素就是具有一定質子數和中子數的一類原子,一種元素通常包含好幾種核素,這幾種核素之間互為同位素。比如氫元素就包含氕、氘、氚三種核素,它們之間質子數相同,中子數不同,即原子質量不同。統計數據表明,宇宙中存在100多種元素,大約包含2600多種核素,其中約有2300種核素都具有放射性,穩定核素只有280餘種。

上圖為部分放射性核素的半衰期。

放射性的發現為人類精確測量地球的年齡奠定了基礎。科學家們發現,放射性核素的半衰期很穩定,一般不會受到周圍環境(比如壓力或者溫度等)的影響。不同放射性核素的半衰期不同,有的短至數秒,有的長達幾十億年。不同核素在宇宙中的豐度不一樣,我們只需要測出岩石中放射性核素的衰變情況,通過分析樣本中不同核素的相對含量,就可以估算出該岩石的形成年齡。如果我們能找到地球誕生之初形成的岩石,那麼我們就能測出地球的年齡。雖然在地球表面已經很難找到古老的岩石,不過由於太陽系內的小行星和地球都誕生於同一片星雲,我們可以測量墜落到地球表面的小行星隕石的年齡,這同樣可以估算出地球的年齡。

根據被測物的不同,需要使用不同的放射性測年方法。在考古學中,最常見的是碳14測年法,主要適用於測量距今5萬年之內的有機物。在地質學中,鈾鉛測年法是最常用的測年方法之一,這種方法所能測量的時間範圍大約在100萬~45億年之間。1956年,美國地質學家克萊爾·帕特森通過改進後的鈾鉛測年法(這種改進後的方法也被稱之為鉛鉛測年法)測量了美國亞利桑那州代亞布羅峽谷隕石中鉛的同位素的含量,得出地球的年齡為45.5億年。而目前最精確的地球年齡為45.4億年。

地球還能存在多久?

地球是一顆行星,它已經存在了45.4億年之久。地球還剩下多少日子呢?這得從多方面進行考慮。

人類對地球的影響很小,就算全世界的核武器爆炸,對地球母親來說也只是撓痒痒。即使人類文明滅絕了,地球依然好好的。要想使地球毀滅,就得來一次猛烈的撞擊,使地球粉身碎骨,不過目前在太陽系中並不存在這種條件,普通的小行星對地球造成不了多大的傷害。

放在整個宇宙中來說,對地球影響最大的、最直接的就是太陽。地球受太陽引力的束縛繞著太陽轉,地球上的生命沐浴著陽光。如果哪一天太陽出現了問題,地球也會受到波及。地球的命運和太陽的命運是綁定在一起的。

太陽是一顆恆星,年齡為45.7億年,質量中等偏下,在赫羅圖中位於主序星帶,是一顆黃矮星。黃矮星的壽命比較長,像太陽的壽命就高達100億年,也就是說太陽還可以燃燒50多億年。太陽內部的氫用盡之後,將會膨脹成為一顆紅巨星。紅巨星的體積極其巨大,到時候地球會被太陽的熱浪吞噬,地球表面的溫度將高達上千攝氏度。隨著一聲爆炸,太陽最終將會成為一顆白矮星,在這個過程中,地球還將繼續圍繞這顆白矮星運轉。由於新生的白矮星的質量比太陽的質量小,地球的運轉軌道將會更遠。

如上圖所示,當太陽變成紅巨星,從地球上所看到的太陽。

上面有考慮地球所處的環境,如果忽略這些因素,將地球看作一個孤立的體系,地球還能存在多久?

其實在銀河系中就存在一類不繞任何恆星運轉的行星,可以將它們稱之為流浪行星。這樣的行星環境就可以看作一個孤立的體系。對於一個孤立體系,其內部的熵(混亂度)一直在增加,這意味著地球最終會走向死寂。即使沒有太陽的影響,地球也終將走向衰老死亡,不過地球並不會自行爆炸解體。

不管是行星還是恆星,都是由化學元素構成的。放射性元素都會發生衰變,穩定元素中不穩定的同位素也會發生衰變。而行星內部的高溫除了誕生之時的餘溫,大部分都源於放射性元素衰變產生的熱量。隨著時間的推移,最終地球內部將逐漸冷卻,地殼活動也會消失,一切都歸於平靜。如果地球不被宇宙中某些天體(比如黑洞)吞噬,那麼地球還將會存在很長時間,比目前宇宙的年齡還長。在宇宙中,某些恆星的年齡就高達130億年,它們是第1批紅矮星,誕生於大爆炸之後不久。紅矮星的質量比太陽小許多,銀河系中75%的恆星都是紅矮星,它們質量小,內部的核反應也燃燒緩慢,可以穩定的燃燒幾百億年。

地球是由化學元素(不同種類的原子)組成的,原子核由質子和中子構成。如果原子都不能穩定的存在,那麼地球也就不存在了。

電子的壽命理論上是無限的。自由中子本身就不穩定,只能存在十幾分鐘,束縛在原子核中的中子才穩定。質子是質量最輕的重子,因此認為質子是穩定的。可在某些理論中,認為質子會發生衰變。通過日本超級神岡探測器長達十年的觀測,雖然沒有觀察到質子衰變的明確跡象,但科學家們根據研究估計質子最低壽命下限為1.67×10^34年,這比一些理論預言的宇宙壽命還長。

由此可見,如若不被撞擊或吞噬,地球的壽命將和宇宙的壽命一樣長。宇宙的命運決定著地球的命運,宇宙未來怎麼發展,地球就是什麼結局。

上圖為宇宙未來可能的三種命運走向。

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