太阳系中一颗美丽的蓝色星球,孕育了神奇的生命。人类作为她最小的孩子,充满了智慧与好奇。我们一直在求索地球母亲的芳龄,而她只是默默不语,将目光投向了深邃的太空,也许答案就在其中。

一、苦苦求索——地球年龄的曲折历史

在十八世纪中叶以前,受限于科学技术水平,并且受到宗教思想的统治,人们对地球年龄的讨论局限在神学的范围。1650年大主教Ussher宣布:世界是在公元前4004年创造出来的。这种说法在大多数圣经中以傍注的形式出现,极大的影响了人们对地球年龄的认知。因此早期地质学家的思想被认为是宗教异端,严重妨碍了科学的发展进步。

第一次关于地质时间一词的使用是John Phillips的《地质学论》一书中,他建立了第一个基于化石相关性的全球地质时间尺度。如果我们观察到同一种化石组合出现在了不同的沉积岩中,那么我们就可以认为它们的年龄是一致的。基于这一思想,我们就可以将全球尺度上沉积岩从老到新排序。随后John Phillips通过计算沉积岩沉积速率的方法,计算出地球的年龄约为 9600 万年。

1862年物理学家William Thomson发表的文章将地球的年龄确定在0.2~1亿年之间,他假设地球为一个完全熔化的物体,计算了其从形成之初到现在,表面温度下降至现今水平所需要的时间。Charles Lyell等地质学家难以接受这么短的地质年龄,并且在Charles Darwin的进化论中,遗传变异累积的自然选择过程十分漫长,达尔文本人表示开尔文勋爵的估计似乎没有提供足够的时间。

二、放射性——可靠的定年手段

在放射性发现之前,开尔文勋爵的观点一直统治这学术界。随后Ernest Rutherford 和Frederick Soddy发现放射性现象是由于原子的分解的过程造成的。他们发现了从放射性原子中发射出来的α离子和大量的能量。1904年,英国皇家学会邀请卢瑟福作关于他发现的报告,他报告的内容中计算的地球年龄与开尔文勋爵的完全不同。他在回忆录中写到:

“我走进半灰暗的屋子,突然发现开尔文勋爵就在听众之中,随后便意识到我正处于一个麻烦的境地,因为我报告的最后一部分将会讲到地球年龄的部分,而我的观点与他有很大分歧。让我欣慰的是,开尔文很快就在会议中睡着了。但是,当我刚刚讲到这一重点部分的时候,我看到那只老鸟坐起来了,睁着眼睛恶狠狠地盯着我。此时我灵机一动,我说‘开尔文勋爵在没有新的热源被发现的情况下约束了地球的年龄,这一先贤的名言让我们注意到了我们今天晚上一直在讨论的镭。’看,是这个老兄启发了我。”

放射性定年的方法在地质学领域能够长足地发展,离不开Arthur Holmes的不懈努力.1931年美国科学院决定成立一个委员会进行调查,以解决地球的年龄问题.Holmes是为数不多的接受过放射性测年技术培训的人员之一,作为委员会成员攥写了最终报告的大部分内容,确定了放射性测年是确定地质时间尺度的唯一可靠方法。

三、简洁明了——放射性定年的基本原理

1900年,Frederiek Soddy作为一名化学实验教授来到姆克吉尔大学与Ernest Rutherford一起从事钍的化合物研究工作。他们通过这项工作将放射性衰变与增长的理论系统化,他们提出辐射的强度与所在的放射性原子数目成比例。因此,他们把蜕变速率表达为:

这里的λ是衰变常数,代表单位时间内一个原子可能衰变的几率,N是存在的放射性原子的数目。

将式1.1进行积分:

式1.3描述了一个体系中N₀个放射性原子经过时间t衰变,体系内剩余的原子数N。而放射成因子体的个数为初始的放射性原子个数N₀减去衰变后剩余的原子个数N:

放射成因子体个数D及衰变后剩余放射性原子个数N可以通过仪器测量得到,那么我们就可以通过测定体系内的原子数目从而推算出其经历的时间。考虑到体系中还可能存在初始的子体同位素D₀:

这便是我们所谓的同位素时钟,需要注意的是,同位素时钟需要一个封闭的体系,如果体系是开放的,那么就记录不到正确的年龄了。

四、仰望天空——寻找最古老的岩石

岩石是同位素时钟的重要载体,也就是说,我们只要找到了最古老的岩石,就可以得到地球的年龄。地球充满着生机与活力,存在着板块运动与火山爆发,通过板块之间的俯冲作用,地球表面的物质被带到地球深处。因此,我们要在地球上找到最古老的岩石,是十分困难的。我们唯一寄希望于长期存在于地表的稳定的克拉通,克拉通是指大陆地壳上长期稳定的构造单元,因此有可能保存了地球上最古老的岩石。世界上最古老的克拉通主要有南非的Kaapvaal克拉通,西澳大利亚Yilgarn、Pilbara克拉通和加拿大地盾。

目前,我们已知的地球上最古老的岩石是在加拿大地盾西北地区Slave克拉通的Acasta片麻岩,具有40.25亿年的古老年龄。但这一年龄并不能代表地球的形成年龄,除了前面所说的保存困难的问题之外,地球在形成初期由于重物质的迁移及同位素衰变放热,导致地球是一个炽热的岩浆球,因此我们观察到的最古老的岩石,不一定是与地球同时产生的,很可能是在地球冷却过程中形成的。一些稳定的矿物相对于岩石样品更容易保存,因此有可能记录了地球的年龄。在西澳大利亚Jack Hill变质沉积岩中发现了44亿年的锆石颗粒,这一年龄与我们如今已知的地球年龄非常接近。需要注意的是,44亿年的年龄并不是岩石年龄,而是矿物年龄,沉积岩是经过风化剥蚀、搬运、沉积形成,因此里面的锆石颗粒,代表的是被风化的岩石的年龄,而那些被风化的岩石如今已经无法找到,这也是为什么最古老的岩石年龄和最古老的矿物年龄不是同一个年龄。不论是矿物还是岩石,均是我们找到的地球上古老的物质,44亿年,多么沧海桑田的一个数字。

在地球上寻找最古老的物质是艰难的,那么我们有没有其他的方法去窥探地球的年龄呢?星云假说认为,在太阳系形成初期,是一团均匀的星云物质,经过吸积形成太阳和各大行星。那有太阳系形成时候残留的遗迹吗?答案是位于木星和火星轨道之间的小行星,它们代表了地球形成时候的初始材料,在冰冷的空间中飘荡,从未发生改变。因此我们想要知道地球的真实年龄,就需要向这些来自小行星带的陨石去寻求答案。

五、脚踏实地——Clair Patterson的传奇人生

Patterson是第一位知道地球准确年龄的人,而国际地球化学学会设立的Patterson Medal授予在环境地球化学研究领域,而不是在同位素年代学方面作出贡献的科学家。这一切都要从他的研究生工作说起。

芝加哥大学一位名叫Harrison Brown的科学家交给了Patterson一个看似简单的科学作业,锆石是是一种非常稳定的矿物,针尖大小,结构稳定、坚硬,每个锆石只含有百万分之几的铀含量,而这些铀会进一步衰变成为含量更少的铅,Patterson要做的是测定锆石矿物的铅含量,确定锆石的年龄,从而得到陨石的年龄。Patterson是出生于美国爱德华州,是一名邮递员的儿子,天性叛逆,学校表现一般,但是却是一名天生的科学家,他不会想到,这项看似简单的科学作业,会改变他的一生,甚至是我们的世界。

Patterson在测量锆石中铅含量的同时,一名叫Jeorge Tilton的研究生也在测量锆石中的铀含量。奇怪的是,Tilton的结果每次都是一样的,而Patterson测量相同颗粒的铅含量却相差非常大,这似乎非常难以理解。难道是实验室中的铅含量太高,污染了实验结果吗?Patterson花了两年的时间,想尽了各种办法清除实验室中的铅,然而得到的数据结果仍然超出了预期100倍。不论他用各种方法,纯化试剂,酸煮器皿,都不能解决问题,他意识到需要着手建立一个全新的实验室。他又花费了六年的时间,坚持不懈,排除了很多对仪器设备有影响的因素,建造了世界上第一个超净实验室。至此,前前后后花费了八年的时间,他终于可以测出锆石中准确的铅含量,从而得到岩石的年龄,去探寻地球的真正年龄——45.5亿年!

Patterson最先将这个困扰自己多年的问题与他的母亲分享—地球的真正年龄。然而,这一发现为他带去什么奖励了吗?并没有,并且他因此陷入了与世界上最有权势的人的利益之争。

铅对我们人体是有害的,不仅可以阻挡神经递质的传递,还会对我们身体细胞的生长造成损害,然而因为铅便宜,延展性好,制作简单,在当时被广泛使用。二十世纪早期,化学狂人Thomas Midgley将四乙基铅以抗爆剂为噱头添加到汽油中,四乙基铅是脂溶性的,皮肤只要接触半杯的量就会致命,然而当时生产销量可以达到每年六千万吨。因此一些在生产一线工作的工人变得精神失常。为了安抚民众对铅的不安,受雇于通用汽车公司的博士Robert Kehoe声明:“没有任何证据可以证明铅会对消费者造成影响,铅存在于自然界中,人们无需过多担心”。这是第一次利用科学的权威去掩盖环境污染的真相,这一观点在很长的时间内都没有人去反驳,直到Patterson开始研究地球的年龄。开始Patterson认为,自然界中的铅是普遍的,污染了他的实验结果。随后他测量了深层海水和表层海水之中的铅含量,发现表层海水中的铅含量是深层海水的几百倍。他推断这样高的数值是由于当时全世界盛行的含铅汽油的燃烧所释放的,释放到空气中的铅对人体的危害十分巨大,于是他开始了与资本家斗争的漫漫长路。这一过程并不容易,他失去了石油行业的一切赞助经费,靠着政府机构的支持,他进一步研究了格陵兰和南极大陆冰芯，检测出大气中铅含量比一个世纪以前增加了数百倍。出于对地球环境的忧虑和对人类健康的关切，帕特森彻底改变了此后的职业生涯，成为反对铅污染的主将和旗手。最终在他的不懈努力下,1986年,美国决定停止销售一切含铅汽油,与之相应的是,美国人血液里的铅浓度几乎马上下降了80%。随后,世界各国先后出台了限制和禁止含铅汽油的法令。为了表彰他对研究环境污染治理的卓越贡献,国际地球化学学会设立了Patterson Medal。

六、结语

 仰望天空,地球年龄的秘密就藏在其中;脚踏实地,Patterson花费八年时间去探求真理。科学是追求自然真理的过程,一切为了利益而妄图利用科学的人,终将会被历史遗忘。自然,依旧如故,听见了吗,同位素时钟的“滴答”声,那是来自四十五亿年前,地球母亲送给我们的礼物!

参考文献:

[1]Patterson C.Age of meteorites and the Earth[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1956, 10(4):230-237.

[2]Burchfield, Joe D. (1998). "The age of the Earth and the invention of geological time". Geological Society, London, Special Publications. 143(1):137–143.

[3]Wilde, S. A.; Valley, J. W.; Peck, W. H.; Graham C. M. (2001-01-11). "Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago". Nature. 409 (6817): 175–178. 

[4]Bowring,Samuel.A.;Williams,Ian.S. (1999). "Priscoan (4.00-4.03Ga) orthogneisses from northwestern Canada". Contributions to Mineralogy and Petrology. 134 (1): 3. 

[5]Settle, D. M.; Patterson, C. C. (1980), "Lead in albacore: guide to lead pollution in Americans", Science, 207 (4436): 1167–76.

[6]Dicke, William (December 8, 1995). "Clair C. Patterson, Who Established Earth's Age, Is Dead at 73". The New York Times. Retrieved February 26, 2019.