地球探赜索隐录：地质学思想史（第六章）

作者：（澳）奥尔德罗伊德 译者：杨静一

2006，上海科技教育出版社

David Roger Oldroyd. Thinking about the Earth：A History of Ideas in Geology. Harvard University Press, 1996,PP410

 

第六章  地质时间、地质变化的速率

普莱费尔(Playfaie)在赫顿的传记中描述了，当赫顿和詹姆斯·霍尔爵士一起考察时看到Siccar Point的岩石并意识到不整合对地球年龄意味着什么的时候所感受到的他的激动情绪。普莱费尔(1805)写道：“此刻，由于探察到如深渊那样不可测的久远时间，脑子里好像天旋地转一般。”

 

18世纪，这样去考察岩石又作如此推想的人不多。可是，到了19世纪中叶，大部分地质学家已经看到了时间的这种无限，也克服了眩晕症。完成这种转变的人包括大理论家，如居维叶和赖尔(Charles  Lyell,1797-1875)和略为逊色的人物如斯克罗普(George Poulett Scrope，1797—1876)。我们将在本章研究一下，地质学家和受过教育的人们普遍在地球时间的认识方法方面发生的重大转变，以及造成这一转变的推理思路。

 

有关地层记录可能有两个醒目的事实值得注意。总的看来，下伏岩石结晶程度较高，由诸如花岗岩、正长岩、片岩、片麻岩这类岩石组成，这些岩石中没有化石。看上去结晶岩常常显得很古老。这可能就是个负载理论的陈述(theory-laden statement)。但是，我想，大部分人可能会同意，安格尔西岛的扭曲片岩或蒙特利尔以北山中的硬片麻岩确实看上去比伦敦地区的黏性很强的黏土、新西兰北岛的易粉碎的土壤以及中国的黄土沉积要古老。在地层顺序中，软的岩石常常位于硬的岩石之上。

 

第二个值得注意的是，作为一条经验法则，在“软岩石”中的与现今生物越像的化石，它们在地层序列中的位置越高。例如，首先在志留纪出现了鱼。但是，这些鱼没有颚。泥盆纪时，有了颚，但是鳞很硬，成了一种动物外骨骼，没有发现坚硬的内骨骼(像现代鲨鱼)。然而，在三叠纪时，鱼的遗骨与今天看到的有骨类型的鱼没有太大的区别。

 

此外，在地层柱上靠近含化石层底部的沉积岩中，有些像三叶虫或笔石这样的生物，它们与任何今天的生物都截然不同，那里没有鱼、没有鸟、没有哺乳动物。侏罗纪有著名的呈盘卷状的菊石，现在已经灭绝了。但是它们与现在在太平洋看到的鹦鹉螺相似。第三纪的岩石里有丰富的哺乳动物化石，当你沿着地层柱向上走时，它们越来越像我们今天所看到的生物。

 

然而，化石并没有形成从沉积系列的底部到顶部的连续分级的演替。相反，想一想英格兰南部有名的泥灰质黏土的例子。它富含菊石和其他化石，但是当你爬上了由泥灰质黏土组成的峭壁时(例如在福克斯通)，这些化石并没有渐次地变成另一种化石。不同的菊石种可以被清楚地辨别出来，不同类型的化石用来确定不同的“带”—本质上是采用了史密斯提出的地层原则。此外，人们几乎不能这样说：从外貌上看，位于最上部地层的菊石在某种程度上要比在底部的更现代。

 

不过，虽然在19世纪早期已充分认识到这种现象，即在地层记录中似乎有某种突然的变化，但是，总体来看化石证据似乎表现出总的发展“方向”。在地层记录中还出现一些小的突变，如泥灰质黏土中的菊石所表明的那样。也有些大规模的古生物变化，特别是在二叠纪顶部和白垩纪顶部。如何解释所观察到的这些现象呢?19世纪初经验论是占主导地位的科学哲学，最初对化石的反应是，按照表面的意义来看待化石证据。这就是说，古生物记录的中断被视为代表了沉积序列中实际存在的中断。化石中断得越大，地球历史记录就断开得越大。事实上，重大中断被看成是地球历史中大灾变的迹象。居维叶(1813)清楚而又有力地阐述了这个问题：“作用的线……断了，自然进程改变了，地球上现在没有任何营力足以产生古代的作用效果。”

 

不应该认为居维叶是为了竭力把整个地质历史挤进几千年的圣经时间框架里而持有这种“灾变论”的观点。‘相反，他认为正如天文学家冲破了空间界限那样，地质学家应该增强对时间的感性认识：“冲破时间的界限，通过观察来确定这个地球的历史和在人类诞生之前的一系列事件，这对我们来说不也是很光荣的事情吗?”。不，正是地层记录表明了有大灾变发生过。这种观点也得到北欧和阿尔卑斯地表外貌的支持。如同将在第七章作更充分讨论时所指出的那样，在许多地方布满了乱七八糟的巨大漂砾，黏土层中有各种卵石和化石混杂在一起(今天我们称它为“泥砾”，认为这是冰期的残留物)。这个迹象表明，在地球历史相当近的时期曾有过某种大洪水。在地层柱中，时时发生的重大的古生物间断和重大的不整合向居维叶表明，有其他更早时期灾变的存在。

 

居维叶的思想或许从来没有被完美地构想出来过。  他提出，大的灾变时有发生，但是它们不具有世界性。因此，如果某个地区的动物被毁灭性的大洪水或不论是什么样的灾难所消灭，后来这些地区可能被来自没有遭到劫难地区的动物所占领。居维叶认为，这样就可以说明地层柱的总貌。他的体系是“定向论的”，尽管是非进化的。对于每一次灾变之后是否会时时发生新的创造的问题，居维叶感到很矛盾。但是，他的确接受了在不到5000年前曾经有过一次重大灾变的看法。这次灾变由摩西记录在《圣经》里。许多人从居维叶地质工作中抽出的正是这一条。换句话说，它献给大家的是复活了的自然神学。尽管地球可能非常古老，历史化了的新地质学上的发现却可以与犹太一基督教历史相互协调。唯一的要求是，创造的六天得看成是六个无限长的时期。

 

 

地球的全部历史及栖息在上面的生物处于不断进步之中。它朝着使地球环境有利于人类福祉的方向发展。人类是“特殊创造出来的”，是新近出现的。居维叶认为没有人类在大洪水之前存在或者人被大洪水淹死的令人满意的古生物证据存在。

 

然而，除了地层学上的意义以及与神学相关的有趣问题外，居维叶的工作对于哲学推理来说相当重要。当他讲到自然作用的线断了，当他断言我们今天看到的还在进行的侵蚀、沉积等等过程不能说明我们实际看到的周围地质情况(譬如泥砾)时，他是在对事物作本质上的判定，过去的地质情况与现今的不相同，过去的地质过程也不同，地质变化在程度上肯定也是不同的，或许甚至在种类上也不同。自然界的运行没有均一性。

 

如我所说，这是对事物所作的一种本质上的判定。但是，这种判定有方法论上的涵义。如果自然的过去与现在有着根本上的不同，那么地质学家如何运用他对现在地质过程的认识来理解地球的过去?更糟糕的是，如果大洪水(19世纪早期许多人将它看成是超自然事件)是地球最近一次灾变的原因的话，那么，居维叶提出的地球历史上的其他灾变很可能也起因于超自然力。如果是那样的话(虽然居维叶没有得出这个结论)，这就会将地球过去的某些方面置于常规科学探究范围之外。居维叶本人可能在这样的结论面前畏缩了，但是，我相信在他的灾变论中隐含有这种意思。所以，如果地质学采用了居维叶原则的话，它就会与其他自然科学不同：实际上，它不得不解决奇迹问题。

 

19世纪头几十年，或许这样的结论对一些地质学家不是完全不对胃口的。那个时期人们几乎发狂般地研究地质。它被看作是完美体现了像男子汉或运动员所具有的那种气魄的一门学科。如第五章所述，人们想要强占19世纪地质学这块专有属地，它是世界上几乎任何地方都可以追求的一门健康、充满活力的职业，也可以被当时许多绅士的宗教偏好封锁起来。这样，至少在英国，地质学是相当多牧师选择的学科。它允许科学与“健壮的基督教信仰”令人欢欣地融合在一起。虽然如此，情况还是表明了，用今天看来全然不妥的形而上的假设来从事完全受到尊重的地质学还是可行的。许多有价值的工作是由19世纪早期从事地质工作的牧师完成的。

 

但是，并不是所有的19世纪早期地质学家都这样看。正是那些遵循赫顿智识传统的人成了灾变论和复活了的自然神学(physico—theology)”的主要反对力量。在“反对者”中，重要的人物是赖尔。赖尔本来打算以律师为生涯，他进入了牛津大学，目标就是要从事那个专业的工作。但是，在牛津时他受到了巴克兰牧师(Reverend William Buckland，1784—1856)的影响。巴克兰讲授矿物学和地质学，他还是基督教教士会成员。巴克兰是个很不寻常的人物，一个“怪才”。据说他的习惯有些粗俗，无疑，他还喜欢某些稀奇古怪的东西。然而当赖尔还是埃克塞特学院的一个学生时，巴克兰本人以及他所讲授的地质学在牛津还是留下了很深的印象。更特别的是，巴克兰努力要说明地质学(本质上是居维叶的地质学)和英国国教神学如何能很好地协调一致。他的开场演说“地质证明”(Vindiciae geologicae)(Buckland，1820)力求完成的正是这个任务。他的演讲一直都很出色，极受欢迎。在巴克兰的影响下，赖尔强烈地被地质学所吸引，作为有独立资产的人，他最终将他的毕生贡献给地质学研究和地质学写作上，对19世纪这门学科的发展产生了重要影响，在某些方面影响至今。

 

虽然正是从巴克兰那里赖尔学会了一些野外地质工作的技能，虽然他热爱地质学，但是他不热衷于巴克兰所拥护的居维叶地质学的理论假设。相反，赖尔(他有苏格兰的血统)有心要使赫顿和普莱费尔的地质学原则复苏。他也采纳了富有的(英国)业余地质学家斯克罗普在法国工作时提出的不同的思想。踏着德马雷(Desmarest)的足迹，斯克罗普在奥弗涅地区(中央地块)做了重要的工作，他指出，这个地区的证据说明了熔岩流有长期的历史。其中有些熔岩流的大部分都被侵蚀掉，使得它们与火山口分开了，而其他一些熔岩外貌相对新鲜，能够连接到火山口。虽然全面的图景很复杂，但对斯克罗普来说，假定你接受这个过程需要非常大的时间尺度，并假定过去熔岩流与今天火山活动产生的熔岩流本质上是一样的话，那么你是可以弄清这个地区的火山历史的。

 

1825年和1827年，斯克罗普在两本重要的研究报告中宣布了他的思想。鲁德威克(Rudwick，1974)对他的思想进行了专门的分析，他指出，在斯克罗普看来，奥弗涅更像是赫顿的永动机，熔岩不断地喷出，然后又被侵蚀掉,造成了景观随着时间不停地发生细微变化，但是整体依旧保持不变。不久以后，赖尔到奥弗涅考察，他相信斯克罗普所作的解释(它在本质上具有赫顿学说的特点)。然后，赖尔旅行到了意大利，考察欧洲那个地区的火山。他尤其受到在那不勒斯附近和西西里所观察到的现象的影响。在那

不勒斯西北海湾附近的波佐利(Pozzuoli)，赖尔参观了有趣的罗马建筑(以前称为塞拉皮斯寺)。靠近大海的这座建筑大厦仍有三根柱子立在那里(现在仍旧有)，在柱子上面的一段，有由软体动物在石头上钻孔留下的印记，这表明了，自从罗马时代以来，这些柱子曾经部分没入水下。这强有力地说明了，在大约两千年中，波佐利这块地方曾经沉陷过，然后又上升了20-30英尺。这是个如此和缓的过程以至于没有一根柱子倒下来。我认为，就经验证据来说，赖尔正确地得出了结论：重大的地质变化可能以“渐变的”方式发生，没必要牵涉到如居维叶所设想的大灾变。

 

在西西里，赖尔详尽研究了埃特纳大火山和它喷发的历史记录。随着熔岩层的不断增加，山脉在长高。如果知道了山脉增高的速度和它的总高，你就可以大致估计出它的年龄。在赖尔看来，它至少有几十万年历史了。在山麓边缘的熔岩流下面，赖尔发现了显然是较近地质时期的有壳动物化石，因为它们实质上与现在地中海的软体动物的壳一样。这意味着“年轻的”化石(外貌上是最近时期的化石)也有几千年了。  因此，地球上最年轻的地层相对人类的时间尺度也是非常古老的。作为一个整体，地球是很古老的，对此，这是个极有说服力的论证。赖尔对埃特纳火山和地球年龄的论证，依据的是山脉形成的速率大致固定不变的假设，即过去的地质过程变化的速率与今天的相同，可能有理由反对这样的论证。但事实上，这恰恰就是赖尔所采纳的论点。它实际上成为了他的地质学的特征标志。这正是他为自己确立的方法论的法则，即应该利用对正在发生的地质过程的观察来说明地球过去发生了什么变化。这个法则不久被休厄尔(Whewell，1832)起名叫做“均变论”。

 

从法国和意大利一回来，赖尔马上就开始了他的主要地质论著的写作，最终于1830--1833年发表了三卷本的闻名遐迩的论著《地质学原理》，其副标题是《用现在起作用的原因来说明地球表面以前的变化》。副标题确切地表达了赖尔力求要引入到地质学的思想方法。赖尔想要使地质学成为具有受到尊重的方法论的真正科学。正是这本书的标题，使我们想起牛顿的《原理》(1687年)。牛顿考虑的一个重要问题是，科学研究应该使用“真实原因”(verae causae)，而不是思辨性的假说。原因不应该超越可知世界和已知世界。

 

就地质学而论，显然如果赖尔打算遵循这个原则，他就必须用已知的(我们能看到的正在发生的事)来解释未知的(地球过去的历史)。我们必须用现在理解过去。赖尔在他的《原理》中相当成功地论证的正是这个“均变论”的前提。在研究埃特纳火山的基础上，他作了有利于地球具有古老年龄的推理。从中可以看出，他的这个推理可以作为他的推理过程的范例。我们可以从两种角度来考虑赖尔的方法论原则——方法学上的和本质上的”——尽管这两者以一种在哲学上困扰着人们的方式互相交织。正如赖尔对埃特纳火山所作的推理那样，由于从已知的来论证未知的和需要解释的这种意义上说，赖尔的这个原理似乎对所有的科学都是必要的(或许对天体演化理论来说不必要?)，那么，就地质学情况来说，如果你要应用“现在是认识过去的钥匙”这个原理，”人们几乎就要承认地球在遥远的过去在本质上与今天相同。某些历史上的、随情况而变的细节每时都不相同，但概括地说，情况维持不变。这样，赖尔提出的地质学与赫顿和斯克罗普的有很多共同之处，它具有均变论这种方法论的假设，还有渐变论(与灾变论相对立)

的假设以及自然法则在过去与今天相同的思想，最为大胆的思想是，地球的过去总的来说与现在相同。

 

 

那么，赖尔怎样按照他的地质哲学来说明化石记录中的主要特征呢?他的意见是，主要的动物群(鱼、软体动物、哺乳动物等)一直生活在地球上，但是，不时地有新物种出现，不时地有物种灭绝。新物种以适应不同时期地球上自然环境的普遍状况而产生(赖尔对于产生的机制讲不出什么看法来)。因为赖尔相信，地球表面的不同部分处于永恒的升升降降之中，尽管这种变化是缓慢的、渐进的(如在波佐利所发生的变化)。因为在某些时候高地可能靠近极地，某些时间高地又可能靠近赤道，这可能会引起气候变化。根据大陆不同时期的布局，洋流路线可能会迁移、发生改变。这样，(在一定的限度内)气候可能改变，可以用不同物种的出现和消失来追踪这种改变。这些变化总体上没有方向性。  因此，赖尔不能说是个“进步论者”。相反，如古尔德(Gould，1987)所强调的，他的体系是循环的，没有方向性。譬如说，布丰就认为，煤系表明地球以前较为温暖，然后平稳地冷却。然而对赖尔来说，大量的植物沉积只是代表了北半球处于温暖气候阶段，那时这个地方总海拔正巧很低。所以，赖尔可以深入思考与他的理论相一致的气候环境的重大变化。晚年时，他确实多少有些勉强地接受了新的冰川理论(见第七章)，认为自己的气候理论有足够的灵活性(假定这个理论依据的是高高低低的陆地布局意想不到地发生了变化)，可以允许偶尔发生冰川。

 

可以把赖尔的理论说成是环境决定论的一种形式，虽然它不全是自然主义的。物种直接与环境状况相联系。于是赖尔(1830)郑重地提出，如果适合的环境条件重现，那么，那时刚刚发现、受到公众相当关注的目标的大恐龙—禽龙兽可能再次在地球上漫游。赖尔的理论可以对化石记录中的大间断问题给予似乎是合理的说明，这个问题曾使得居维叶提出了历史上发生过大灾变的观点。赖尔的这个思想简单说来就是，由于物种缓慢而又稳定地更新以及地球上一些地方长期没有沉积(虽然沉积会在其他地方发生)，沉积物就可能显示出化石从一层到下一层有很大的变化。这不一定标志了大灾变，它只不过是在那些位于海平面以上的陆地地区持续了很长时期没有沉积物沉积。

 

由于设想物种缓慢更新，赖尔能够提出用古生物学方法来划分第三纪岩石。他根据地层中所包含的现在还生存着的物种比例来划分地层：晚上新世，96％；早上新世，35％一50％；中新世，17％；始新世，3．5％。这种做法与他的地质哲学总思想相符。不过，不能在第三纪以下地层这么做，因为在始新世以下就没有什么现在仍生存的生命形式了。赖尔为他的地质学作了强有说服力的论证，至少在英语世界的地质学家中产生重要影响，使得一些重要人物开始摆脱洪积论或“洪水地质学”，例如塞奇威克。赖尔早就被认为是19世纪最重要的理论家之一，他使地质学走上了适合于地质学的方法论道路。他对达尔文(Charles Darwin)的影响尤其重要，我们马上就这个问题展开讨论。他那巧妙的历史导言是用来说明，那些与他自己思想类似的先辈总的说来是走在了正确的道路上，而其他人则不然(Rudwick，1970；Porter，1976l；Gould，1987)。这篇导言使他赢得了许多读者。他提出，应该清楚地分开地质学与天体演化学，人们普遍接受了这个提议，在地质学发展的那个阶段这肯定是个明智的建议。如前所述，通过介绍方法论原则，赖尔似乎使地质学获得了被人们所承认的科学地位。然而，在赖尔的论证中有某些牵强之处。按照他的观点，应该在非常早的含化石的寒武纪岩石中可以发现某些动物，如哺乳类。但是，丝毫没有这样的经验证据。第二，对于所设想的过去曾经发生过新物种的产生，他没有提供证据。就这点来看，他没有将他自己宣扬的方法论付诸于实践。第三，人类的情况独特，设想人类像是由神创造出来的。第四，虽然赖尔有关地

质过程、第三纪划分、地球古老的年龄、地质学与天体演化论的脱离以及大量其他的思想都被人们充分接受，但是他在地球历史问题上的非进步思想，即(除了人类的出现)万物在过去与现在总是十分相同的思想几乎没人接受(Bartholomew，1976)。当然，赖尔对古生物进步论的反对使得他在晚年接受达尔文进化论极为困难。

 

尽管如此，赖尔为认识地球所提出的方法极具重要性，即要依据对现在的过程和环境的观察来理解地球的过去历史。地质学是自然科学而不是某种自然神学。它与天体演化论不同。地壳主要是上下运动，大陆因此不停地改变它的轮廓。气候条件也随之发生变化。所以，有机生命的形式也发生变化。地球年龄无限久远，这样，缓慢但不可抗拒的过程造成了大面积的地文变化。可以发现河流缓慢但又不可忽视的侵蚀活动的证据。没有必要诉诸灾变来说明地质学家所观察到的现象。灾变论的产生是因为对历史时间的久远缺乏想象。自然伴着尊严运动变化着。  “渐变论”视角受到鼓励。地质学家的真正任务是采用均变论的准则来书写地球历史。

 

如以前所提到的，赖尔认为时时有物种出现和消失，但是他不清楚新物种产生的机制。在《原理》第2卷中，他认真地考虑了由拉马克(Lamarck)于19世纪早期提出的进化论，但是决定反对这一思想。赖尔收集了大量的物种问题的资料(Lyell，1970)，但是长期以来他都不愿意接受进化假说。某些人可能设想这与赖尔在政治上的保守、不喜欢革命性变化有关。在深层心理学层面上，可能确实如此。但是，他有充分的经验上的或方法论上的依据反对演变论假说。虽然种内有显然意义重大的变异性，这种变异性可以由动、植物的培育者的人为活动加强，但是，人们现在不可能看到一个物种变成另一个物种。这就是赖尔所愿意接受的最大限度，至少他的早年是这样。

 

赖尔在最终接受了进化论后，对他的理论作了尽可能小的变动。古尔德(Gould，1987)指出，由于长期没能发现古生代的哺乳动物，由于承认了由石器时期工具以及尼安德特人的发现所证明了的人类发展，赖尔最终被迫接受了进化论。尽管如此，赖尔仍旧坚持均一性——变化速率的均一性(不是灾变性的绝灭)。但是，古尔德说，赖尔的思想转变迫使他抛弃了早年方法学上与本质上合一的均变论，这是他在连续多次出版的地质学原理》中运用强有力的雄辩才能在多年时间里成功支撑着的均变论。

 

问到赖尔对地质学的确切影响，这个问题提得好。例如，由科学家、历史学家盖基所著的颇有影响的《地质学奠基者》([1905]1962)中赖尔没有占什么篇幅。相反，现代历史学家，如鲁德威克和霍奇(Jonathan Hodge)十分关注赖尔，这看上去无疑是恰当的，因为赖尔对达尔文的影响不容置疑地确实很大。这样，随着近年来对达尔文的极其关注，现在对赖尔已经作了大量的研究。很有可能，若从当时的地质学界整体来看，如此之多的研究似乎有些超出了他们认可的正当理由。就这样，仅仅由于他与达尔文有密切联系这个原因，赖尔的才干或许被不适当地夸大了。以我所见，历史学家如此迷上了达尔文以至于很难弄清楚维多利亚时代的科学的真正状态。 

 

 

当然，达尔文的地位仍旧是很重要的，在研究有关地球思想是如何发展起来的历史时，我们完全公正地考察他所起的作用。总之，由于赖尔的著作被翻译成多种语言，无疑它有着广泛的读者。虽然在著名的“贝格尔”号航行之前，达尔文与赖尔未曾谋面，但是，在旅途中他熟读了地质学原理》(Lyell，1830-1833)，力图采用新的均变论原理，以及那种由于不同地区的陆地像溜溜球一样缓慢上下运动而使陆地和海洋相对高度无休止变化的思想。

 

达尔文在珊瑚理论方面最成功地应用了这一思想。对于太平洋某些岛屿，很显然可以知道近期这块陆地一直在升高，因为人们在那里能看到大大高出海平面的大批死珊瑚堆积。在其他一些地方珊瑚形成了岸礁，而大部分时间珊瑚都在海面以下。达尔文提出，可以这样理解这种状况，设想这些地方在下沉而珊瑚向上生长，它们的速率刚好持平。在他的一本论述珊瑚礁的书(Darwin，1842)中，有一幅地图，图上有广袤的太平洋地区，根据不同地区是在上升还是下降分别涂上红色和蓝色。这正好给予了赖尔理论所要求的那种支持。另一方面，在应用赖尔有关物种的理论以及他对地层记录中的化石的论述时，情况就不那么令人满意了。事实上，达尔文发现在赖尔理论中会有重大的反常。根据赖尔的观点，新产生的物种被看成是适应了生存条件，假如它们不能，或者当它们不能自我调节以适应变化着的环境时，物种就会灭绝。但是，在南美洲，达尔文发现了显然已经灭绝了的巨大哺乳动物遗骸，不过，它的消失似乎不能归于任何环境上的明显变化。或者如人们所熟知，他发现了加拉帕戈斯群岛上的物种(例如，龟、雀、嘲鸫)与众不同，这确实不像与不同岛屿环境条件之间的重大差异有关(虽然可以识别出生物形式与栖息地自然环境的某些相关性)。

 

这些观察到的现象使得达尔文深思，1836年航行归来之后(第二年)他最终得出了结论，观察表明有机生物曾经发生了“演变”，或者如我们所说的，它们进化了。1838年，他研究出他的第一个演变理论。这个理论所阐明的思想是，有机生命逐渐变化，作为最适应者才能生存的结果，它们使自己适应了变化着的环境，因为对所有“天生”要活下去的生物来说，资源是不足的。将物种划分成新种最初主要归于地理隔离，后来归于某些其他机制。达尔文的理论最后以书的形式发表了，那就是迟迟于1859年才发表的闻名遐迩的《物种起源》(Origin of Species)。

 

众所周知，《物种起源》的出版引起了狂热，直到今天还有许多人反对进化论的观念，或者即使接受这个理论，他们也不承认这是个如达尔文所设想的自然主义过程。或者他们可能认为，达尔文提出的机制(自然选择)甚至在辅以我们现在知道的所有与遗传学、分子生物学等现代科学有关的材料之后也不足以胜任这个任务。对达尔文进化论的无视或者持否定态度在美国表现得特别强烈，尽管世界上大部分的用于进化生物学的最重要的技术和哲学研究工作都在那里。但是，这里我们不必关心这一争论。值得注意到的是，当按照达尔文学说看问题时，地层柱是怎样变得容易理解了。笼统地说，比较简单和原始的生物出现在较低的位置，逐渐地变得较为复杂，这样，可以在上部岩层发现“高级”生物。于是，软体动物会在寒武纪发现，鱼类在志留纪发现，哺乳动物在侏罗纪发现，等等。这赋予了史密斯在18世纪末所阐明的重要的地层学原则以合理性。

 

然而，达尔文说是“解读”化石纪录的一种方法。他的理论可能使人预期，在化石记录中能找到生物发展的趋同性和趋异性，但从岩石本身几乎察觉不出这些趋向性。达尔文的解决办法仅仅是用地层记录的不完整作辩解。举个简单的例子：在白垩纪中（如上面提到的泥灰质粘土）有大量的已鉴定清楚的菊石化石种，但不知道中间物种。以地层学家的的观点看，这是有好处的，因为不同物种之间鲜明的区别有利于地层古生物对比。但是，至于为什么某一化石种类与另一化石种类能如此清楚地划分开，这是有些神秘。达尔文所能做的一切，就是断言地层记录相当不完整。其他人，如默奇森所坚决主张的，进化/演变理论完全是错误的。19世纪末（尤其在美国）达尔文对演变的解释遭受到了严厉批判，对各种选择性变化机制都有详细的讨论。这使得鲍勒（Peter Bowler)这样的人写出大量的东西，论述达尔文主义已“失去光辉”的问题（Bowler,1983)。但是，这种争论主要在生物史领域内展开，这里不作进一步研究。就本章讨论的目的来说，我们会满足于达尔文学说使得地层柱易于理解的这种想法，它要比赖尔的理论更加容易理解。达尔文学说完全是自然主义的。

 

然而，要考虑最为重要的地球年龄问题。如我们所知，居维叶说过：“冲破时间界限[会是]多么地光荣”。由于有他对埃特纳火山的论证、尼亚加拉瀑布溯源侵蚀的论证以及其他的证据，依据形而上的偏好，赖尔设想了地球的年龄几乎是无限久远的。在地质时间的问题上，达尔文毫不犹豫地追随赖尔，作出了地球年龄量级的粗略估计。例如，从达尔文在肯特(Kent)的住处可以眺望到威尔德山谷，在《物种起源》中他描述了通过海水作用，以每个世纪一英寸的速度切割山谷，并估计要用3亿年的时间挖掘成这个山谷。如今地质学家认为这一估计太高了，因为在山谷中心地带的最古老的岩石(黑斯廷斯层)本身只有1．4亿年，应该在很久之后岩石才发生褶皱及后来的侵蚀。不管怎样，就把地球看作是极为古老的这点来说，达尔文肯定还是有理的。不用说，要想使他的进化理论说得通，就需要极为漫长的“时间支出”。

 

可是，达尔文时代的物理学家不承认地球像达尔文希望的那样古老。挑战主要来自格拉斯哥教授开尔文(William Thomson，Lord Kelvin，1824-一1907)。这位杰出的物理学家从他科学生涯的早期起就一直考虑太阳热的来源问题，但是在1862年，他才就这个问题发表了半科普性文章(Kelvin，1862)，直言不讳地攻击达尔文理论和它的无限的“时间支出”。开尔文将太阳热部分归因于陨石冲击所产生的能，但是认为这种冲击不足以无限地维持太阳热。  因此，他推论(借助于那种包含着一些不可靠假设的论证)，太阳在冷却，或许它的年龄是在1亿年到5亿年之间，最低限是1000万年。开尔文后来又在1863、1864年发表论文。在论文中，他考虑了地球从熔融状态到全部固结冷却所需要的时间，不过，认为地球所具有的地热梯度和热损失与当时观察到的相同，这使他得出了地球年龄在20亿年至4亿年之间这样的数字。开尔文在理论上的研究也与赖尔的均变论有矛盾，因为如果地球在冷却，那么地球在过去必定要比现在更热，地质上也更活跃。

 

五年以后的1868年，他又进一步作了论证(Kelvin，1871)，这次要比前两次显得更合理。  自从18世纪进行大地测量工作以来，人们已经接受了地球是扁球形的概念。大概它可能是在整个地球尚处于熔融状态而没有固结之前就获得了这样的形状。然后，参考地球的形状，就可以计算出固结时的地球旋转速率。但是，开尔文论证说，由于潮汐的摩擦力，其后旋转速率降低了。如果减少的速率可以计算出来的话，那么，就可以估计出地球固结以及后来它的旋转速率减速到目前状态时(同时一直在冷却)所需要的时间。当承认这个计算只能是个大概数据，应当把一些因素(如所假定的由于冷却收缩而造成的地球转动惯量上的变化)计算在内时，合理估算出来的地球固结以来所需的时间是1亿年。这再一次与赖尔和达尔文的均变论地质学不相符。

 

伯奇菲尔德(Burchfield，1975)严谨地对整个时期作了研究，这里不再追述它的详情。开尔文晚年时反反复复地考虑他的论证和计算，由于他对计算精益求精，数字逐渐地降下来，这个数字大约是2000万年。大部分地质学家受到物理学专业的限制，没有办法与这种论证对抗。不懂数学的达尔文无力提出挑战。他所能做的一切就是坚持下去，希望会有重要的情况出现。总之，没有人真正知道需要多久才能使达尔文学说被人们所接受。即使在今天，也很难对100万年、1000万年、1亿年或10亿年在头脑中形成画面。因此，带着某种不安，19世纪晚期的地质学家终于接受了地球可能只有1亿年的观点。很难说这个时间够不够。但是，无限制的“时间支出”的日子似乎结束了。

 

后来确实有重要情况出现。由于放射性现象的发现以及对地球中的放射性物质能产生热的认识，重要情况意想不到地发生了，这使得开尔文对地球冷却速率的计算没有了价值。1903年，卢瑟福(Ernest Rutheiford)与巴恩斯(H T．Barnes)宣布了镭的衰变能产生热效应。第二年，卢瑟福在皇家研究院发表讲话，他论证说，地球再也不被看作只是在冷却的物体，因为它“内部有热供应”(Eve，1939)。这个思想很快被C·达尔文的儿子G·达尔文听到了。G·达尔文是位杰出的数学家、天文学家和地球物理学家，长期以来他一直在竭力寻找开尔文论证中的问题，但是取得的成果有限。现在放射性解救

了地质学家，因为G·达尔文可以合理地提出建议，在太阳和地球内部都可能有能产生热的物质(镭)。我们不再认为太阳由于镭而保持热度。然而，放射性有助于地球保持温度。不论怎样说，自从20世纪初以来，地质学家和生物学家感到有能力依据他们的合理要求开出“时间支出”，而不用害怕他们这样做的时候会违背物理学原理。
    此外，众所周知，放射性提供了借以估算地球年龄的技术(见Dalrymple，1991)。在20世纪早期，一些研究者，如耶鲁的博尔特伍德(Bertrarn Boltwood)、英国的霍姆斯(ArthurHolmes)和爱尔兰人乔利(John Joly)以及许多其他人，对放射性矿物及其蜕变产物作了研究，这样到了1907年，博尔特伍德按照卢瑟福提出的计算矿物年龄的方法，得出了采自锡兰的前寒武纪岩石的年龄为22亿年。1911年霍姆斯用同样的材料采用铀铅法得出了16．4亿年的数字。自从那时起就一直进行这样的研究，现在从地球整体看其年龄估计大约为45．4亿年(Dalrymple，1991)。虽然在过去30多年中进行地球年龄计算的工作显著增加，但是，近些年似乎平静下来了。此刻，我不去预测这个前沿将会发生什么重大变化。在我们探索地球时，我们的思想和我们的理论似乎必须要解决时间长短的问题。然而，要强调的是，从硬壳动物首次出现在地球上以来的时间只是整个地球历史的一小段。目前的看法是，寒武纪在大约5．7亿年前开始，根据最近的报告，这个数字在今后几年可能会减少。