地球的編年史

袁越

要想揭開人類起源的奧秘，首先必須掌握測年技術(shù)，這項技術(shù)相當于一把帶有時間刻度的標尺，地質(zhì)學(xué)家和考古學(xué)家們就是用這把標尺丈量深邃的時間，從而揭開了地球和人類的秘密。

深邃的時間

我上小學(xué)的時候，外公給我看了家里傳下來的一本家譜，印象中那上面只記載了五六代人的姓名，再往前就沒有了。但這本殘缺的家譜讓我突然開了竅，我意識到我的外公也肯定是有爸爸的，他爸爸也有爸爸，他爸爸的爸爸也有爸爸……如此這般可以無窮無盡地追溯下去，古書上記載的某個古人也許就是我的祖先。

1. 蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家詹姆斯·赫頓（攝于1776年）?2. 英國物理學(xué)家威廉·湯姆森（攝于1880年）?

3. 美國芝加哥大學(xué)物理學(xué)家威廉·利比（攝于1954年）

那段時間我接連做了好幾個關(guān)于祖先的夢，但那些夢全都是支離破碎的，因為我不知道我的先人們長什么樣，更不知道他們生活在怎樣一個世界里。那是我第一次意識到歷史和我的關(guān)系是如此緊密，但歷史的時間跨度卻又如此之大，遠遠超出了我的想象力。

我上中學(xué)的時候，第一次接觸到了達爾文的進化論，知道人都是猴子變來的，猴子又是由更原始的生物變來的。于是我很自然地想到，如果一代一代地繼續(xù)追下去，一定會追到某只猴子那里，再往下追的話甚至可能追到一只青蛙、一條魚、一個細菌，甚至是某個比細菌更簡單的生命體那里去！

這個想法突然讓我感到一絲恐懼，我不知道應(yīng)該如何去想象這無窮無盡的家族鏈，更不知道應(yīng)該如何去面對這鏈條背后所代表的更加漫長的時間。

我上大學(xué)的時候，讀了幾本教科書之外的歷史書，知道我在學(xué)校里學(xué)到的歷史觀叫唯物主義歷史觀，人類歷史上還出現(xiàn)過很多不一樣的歷史觀。比如，我相信父親的父親肯定也有父親，家族鏈條是可以無窮無盡地一直延續(xù)下去的。但有不少古代文明卻相信輪回說，他們認為時間不是線性的，而是一直在不停地循環(huán)往復(fù)，過去發(fā)生的事情每隔一段時間就會再來一遍。中北美洲的瑪雅文明和古印度文明就是這類文明的代表，前者創(chuàng)立了一套獨特的歷法，用來描述循環(huán)往復(fù)的時間，后者則創(chuàng)造了一種全新的宗教，用來宣揚輪回理論。佛教正是從印度教中借鑒了這個理論，這才有了中國人熟悉的“積德”“造孽”和“報應(yīng)”等說法。

一個有意思的小插曲是，根據(jù)古印度文獻記載，印度教信徒相信一個輪回分為創(chuàng)造和毀滅兩部分，每個部分都要經(jīng)過43.2億年的時間才能完成。稍微懂點科學(xué)的人都知道，目前公認的地球年齡是45億年。這兩個數(shù)字竟然十分接近，有人因此而認為古印度人是先知，其實這不過是一種巧合罷了，不足為奇。再說了，印度教的一個完整的輪回是43.2×2=86.4億年，這個數(shù)字和地球的年齡就沒什么關(guān)系了。

還有不少古代文明相信創(chuàng)世說，認為有個全知全能的上帝創(chuàng)造了我們所知的這個世界。這方面最典型的就是基督教，根據(jù)《圣經(jīng)》里的記載，上帝花了5天時間造出了世間萬物，又在第六天根據(jù)自己的形象用泥巴捏出了第一個人，并取名亞當，夏娃則是上帝用亞當?shù)睦吖窃斐鰜淼?，人類這個物種就是這么開始的。17世紀的一位愛爾蘭主教詹姆斯·烏舍爾（James Ussher）根據(jù)《圣經(jīng)》中記載的各種人物的家譜關(guān)系，計算出上帝是在公元前4004年10月22日創(chuàng)造了地球。這位主教被當時的歐洲人公認為是一位學(xué)識淵博的神學(xué)家，他得出的這個數(shù)字被視為真理，于是當年的歐洲基督徒大都相信我們這個世界只存在了不到6000年。

17世紀的歐洲剛剛從中世紀的黑暗中走出來，地理大發(fā)現(xiàn)打開了歐洲人的視野，不少有識之士開始懷疑《圣經(jīng)》的權(quán)威性，嘗試著用理性思考代替宗教教條去認識這個世界，正是這批人揭開了歐洲啟蒙運動的序幕。

這場運動的中心是號稱“北方的雅典”的蘇格蘭首府愛丁堡，從這座城市走出了亞當·斯密、詹姆斯·瓦特和大衛(wèi)·休謨等一大批思想家和科學(xué)家，對人類文明的發(fā)展做出了重要的貢獻。蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家詹姆斯·赫頓（James Hutton）也是從這個“愛丁堡文化圈”里走出來的一位啟蒙運動重量級人物，他原本是一個農(nóng)場主，在實踐中逐漸意識到莊稼所仰仗的地表土壤來自巖石的不斷風(fēng)化和侵蝕，而當土壤顆粒等沉積物沉入地下后，又會在高溫高壓的作用下逐漸變成巖石，這是一個循環(huán)往復(fù)的過程，“沒有開始，也沒有結(jié)束”（No vestige of a beginning， no prospect of an end）。

1788年，赫頓發(fā)表了一篇重要論文，題目就叫《地球原理》（Theory of the Earth）。在這篇論文中他首次提出地球的形成過程并不神秘，而是和蒸汽機等機械一樣，都是可以用基本的物理法則推算出來的。更重要的是，他相信地質(zhì)活動是一個極其漫長的過程，地球的年齡遠比6000年要長得多。

如今，赫頓被公認為是“古典地質(zhì)學(xué)之父”，他提出的很多地質(zhì)學(xué)基本概念都已得到了驗證。后來一位名叫約翰·邁克菲（John McPhee）的美國作家發(fā)明了“深時”（Deep Time）這個詞，很好地概括了赫頓的理論。

在赫頓之前，人們喜歡用“漫長”（Long）這個詞來形容時間，但這個詞不夠準確，多長算長呢？6000年當然也可以算是很漫長的時間了，但這個時間跨度是人類憑經(jīng)驗仍然可以想象得出的。赫頓則認為，真正的地質(zhì)時間遠遠超出了人類的想象力，地球的歷史就像大海那樣深不見底，用“深邃”（Deep）這個詞來形容才是最恰當?shù)摹?

深不見底還有個同義詞叫深不可測。確實，赫頓時代的地質(zhì)學(xué)只能做定性研究，因為當時的科技發(fā)展水平還很落后，無法給出定量的結(jié)論。但是，當啟蒙運動把上帝這個角色排除出去之后，人們便意識到這個世界是客觀存在的，支配世界運行的是客觀規(guī)律，因此是可以被準確認識的。

說到認識世界，有兩個基本問題是躲不開的。一個是這個世界有多大，另一個就是這個世界有多老。這兩個定量的問題，毫無疑問都是有準確答案的，但對于一個剛剛從混沌時代走出來的人來說，這兩個問題都無異于天問，只有上帝才能解答。

但是，正如達爾文曾經(jīng)說過的那樣：越是無知的人，就越會覺得很多問題都是不可能找到答案的。只有真正的智者才會相信任何問題都是可以被解決的，這樣的智者雖然人數(shù)很少，但卻是人類的進步之源。從17世紀開始，先后有好幾位人類當中的佼佼者，主動向這兩個天問發(fā)起了挑戰(zhàn)。

地球的年齡

如果我們隨便挑一所理工科大學(xué)，從里面隨機挑選一名大學(xué)生，讓他只用200年前的粗陋工具測出地球的年齡和大小，結(jié)果恐怕都會令人失望。這件事足以說明科學(xué)發(fā)展的速度是何等驚人，早在200多年前就已經(jīng)超出了絕大多數(shù)現(xiàn)代人的知識范疇了。

這兩個問題中，相對容易解決的是大小問題，畢竟這個世界是可以被直接觀察到的，只要明白了其中的道理，答案顯而易見。最先提出解決方案的是著名的英國天文學(xué)家埃德蒙德·哈雷（Edmond Halley）——對，就是哈雷彗星的那個哈雷。1677年，他在觀測水星凌日（即水星從太陽表面經(jīng)過）時突發(fā)奇想，如果地球上相隔較遠的兩個人觀測同一個行星凌日現(xiàn)象，就可以通過不同觀測點的時間差和距離差推算出地球到太陽之間的距離。當時的人們已經(jīng)通過天文觀測知道了太陽系各個行星軌道的相對比例，只要知道其中任何兩個星體之間的準確距離，就可以估算出整個太陽系的大小了。

不過，地球上能看到水星凌日的范圍有限，哈雷提議通過觀測金星凌日來解決這個問題。在他的倡議下，歐洲各國同時派出了十幾支考察隊去到世界各地，觀測了1769年發(fā)生的金星凌日，測出地球到太陽之間的距離大約為1.5億公里。要知道，當時的環(huán)球旅行很不容易，為了得到這個結(jié)果，無數(shù)人獻出了自己的生命。不過，正是從那次測量開始，人類終于知道太陽系實在是太大了，地球只不過是茫茫宇宙中的一粒塵埃，人類的世界觀從此發(fā)生了根本的改變。

1.英國發(fā)明家詹姆斯·瓦特在修理紐科門蒸汽機，并對它做出重大改進2.蘇格蘭哲學(xué)家大衛(wèi)·休謨（攝于1770年）3. 英國天文學(xué)家埃德蒙德·哈雷

第二個問題，也就是這個世界的年齡問題，因為不可能直接觀測，所以難度要大得多。最先嘗試解決這個問題的人名叫艾薩克·牛頓（Isaac Newton）——對，就是那個著名的牛頓。他雖然是個物理學(xué)家，但對任何富有挑戰(zhàn)意義的科學(xué)問題都很感興趣。當時的人們已經(jīng)知道地球曾經(jīng)是個炙熱的大鐵球，牛頓找人制作了一只直徑1英寸（約等于2.54厘米）的小鐵球，通過實驗知道這只鐵球從紅熱狀態(tài)冷卻到室溫要花至少一個小時。他把這個數(shù)據(jù)換算成地球的大小，得出的結(jié)論是5萬年。雖然還是太短，但已經(jīng)比烏舍爾主教的6000年長了很多了。

但是，牛頓畢竟不是熱力學(xué)家，他的算法存在很多漏洞。最終還是一個名叫威廉·湯姆森（William Thomson）的人出馬，這才給出了一個更為可信的結(jié)論。提起湯姆森大家可能不太熟悉，但他后來的封號“開爾文男爵”（Lord Kelvin）大家一定很熟悉——對，就是熱力學(xué)溫標單位的那個開爾文。這位男爵一生勤勉有加，在很多領(lǐng)域都做出過杰出的貢獻。他的最大貢獻首推熱力學(xué)第一定律（能量守恒）和第二定律（孤立系統(tǒng)熵增加），這是熱力學(xué)領(lǐng)域的兩個極為重要的定律，不但為現(xiàn)代物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)，還為英國工業(yè)革命的兩大基石——蒸汽機和電動機找到了理論依據(jù)。

不用說，開爾文男爵是權(quán)威中的權(quán)威，當他通過自己的計算得出了9800萬年這個數(shù)字后，便很少有人敢反駁他了。后來還是一位來自美國的科學(xué)家指出，地球內(nèi)部的壓力非常大，散熱效率會因此而不同，經(jīng)過他修正后的結(jié)果是2400萬年。但開爾文從一開始就知道他的計算誤差非常大，所以給出了2000萬年到4億年這樣一個巨大的誤差范圍。2400萬年處于這個范圍以內(nèi)，所以開爾文并沒有表示反對。

除了熱力學(xué)方法之外，來自愛爾蘭的地理學(xué)家約翰·喬利（John Joly）還提出了測量海水含鹽量的方法。他假定地球誕生初期海水都是淡水，此后河流不斷把陸地上的鹽分帶進海中，日積月累海水便成為鹽水了。他計算了全球所有河流的輸鹽量，再和現(xiàn)在的海洋總鹽量做對比，得出了9000萬年這個數(shù)字。

另一個值得一提的方法是喬治·達爾文（George Darwin）提出來的——對，就是那個著名的查爾斯·達爾文的兒子。他假定月球是在地球形成初期自轉(zhuǎn)速度還很快的時候被甩出去的，此后兩者的引力相互作用導(dǎo)致減速，最終達到了現(xiàn)在這個相對較慢的自轉(zhuǎn)速度。他根據(jù)這個理論計算出來的數(shù)字是5000萬至6000萬年，和其他算法的數(shù)量級差不多。

現(xiàn)在我們知道，這幾個數(shù)字距離真實年齡都差了兩個數(shù)量級，原因在于當時的科學(xué)家們對于這個世界的了解還不夠充分，前提條件是錯誤的。比如開爾文男爵采用的熱力學(xué)計算法就至少犯了兩個錯誤：一是沒有考慮到地球內(nèi)部巖漿的對流，這會改變熱傳導(dǎo)的速率;二是沒有考慮到地球內(nèi)部蘊含的放射性元素所導(dǎo)致的持續(xù)增溫效應(yīng)。有趣的是，最終正是后者幫助人類測得了地球的真實年齡。

法國物理學(xué)家居里夫人（攝于1912年）

放射性現(xiàn)象很可能是人類近100多年來所發(fā)現(xiàn)的最重要的自然現(xiàn)象，放射性（Radioactivity）這個詞雖然是居里夫人發(fā)明的，他們夫婦二人也對放射性現(xiàn)象的研究做出過卓越的貢獻，但真正在理論上把這一現(xiàn)象解釋清楚的人還得說是出生于新西蘭的英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford），他被公認為“核物理之父”，正是他第一個意識到產(chǎn)生放射性的原因是原子核裂變，這一過程不但改變了原子的屬性，還會產(chǎn)生巨大的能量，這就預(yù)言了原子彈的誕生，還順帶解釋了地球內(nèi)部為什么溫度一直如此之高。

有個小插曲很有意思。1904年，年僅35歲的盧瑟福應(yīng)邀去倫敦皇家學(xué)會（相當于英國科學(xué)院）發(fā)表演講，事先他準備在會上提一下放射性元素會產(chǎn)生熱量的新發(fā)現(xiàn)，并以此來解釋為什么開爾文男爵計算的地球年齡有誤差。沒想到開爾文那天也在場，盧瑟福心里十分緊張，因為開爾文是公認的學(xué)術(shù)權(quán)威，當年還是個初生牛犢的盧瑟?？刹桓业米镞@位當時已經(jīng)80歲的泰斗級人物。演講到中途，盧瑟福發(fā)現(xiàn)開爾文的眼睛閉上了，他以為老先生睡著了，于是便大著膽子講起了地球年齡的問題。誰知原來一直在閉目養(yǎng)神的開爾文突然睜開了眼睛，把講臺上正在侃侃而談的盧瑟福驚出了一身冷汗。盧瑟福靈機一動，馬上改口說其實開爾文男爵很早就在論文里指出，他那個熱力學(xué)測年法只有在地球內(nèi)部沒有新的熱源的情況下才是正確的，所以正是開爾文男爵最早預(yù)言了放射性現(xiàn)象的存在！講到這里，盧瑟福用眼角余光掃了一眼開爾文，只見他坐直了身子，臉上露出了贊許的微笑，盧瑟福這才長出了一口氣。

不過，開爾文男爵并沒有認錯，他直到生命的最后一刻仍然堅信自己的計算是正確的，地球只有幾千萬年的壽命。從這個例子可以看出，科學(xué)家絕不都是一些不食人間煙火的怪人，科學(xué)圈也和其他任何圈子一樣，存在著權(quán)威打壓小輩的情況。一個年輕人提出的新理論要想成功上位，需要克服很多意想不到的困難。

再接著說盧瑟福。他對放射性研究所做的最大貢獻就是首次提出原子核衰變遵循的是嚴格的指數(shù)規(guī)則，即衰變速率只和未衰變原子核的數(shù)量成正比，和環(huán)境溫度、壓力、化合物分子式等等物理化學(xué)屬性均沒有任何關(guān)系。這個發(fā)現(xiàn)促成了半衰期這個概念的出現(xiàn)，為人類最終發(fā)明出放射性測年法奠定了理論基礎(chǔ)。

簡單來說，如果一開始我們有400萬個A原子，100年后只剩下了200萬個，其余的都衰變掉了，那么我們就可以說，A原子的半衰期是100年，即每100年衰變一半。再過100年之后，我們手里會剩下100萬個A原子，再過100年還會剩下50萬個，依此類推。于是，假定我們知道某件物體在初始狀態(tài)時含有400萬個A原子，某個時間點測量的結(jié)果是100萬個A原子，我們就可以知道這個時間點距離初始狀態(tài)剛好過去了200年。

當盧瑟福發(fā)現(xiàn)放射性的這個秘密之后，立刻就意識到這是大自然為人類提供的一臺調(diào)校精準的天然計時器，如果科學(xué)家能夠找到解讀這座時鐘的法門，就可以測出地球的年齡了。盧瑟福是一個動手能力很強的人，他立即開始嘗試用這個方法測量巖石的年齡。他從地質(zhì)學(xué)家朋友那里弄來幾塊年齡很老的石頭，測量了蘊藏在巖石中的氦氣的質(zhì)量。當時他已經(jīng)知道鈾裂變后會生成氦氣，只要測出巖石中氦的含量，就可以估算出巖石的年齡了。

1905年，盧瑟福在耶魯大學(xué)做了一個關(guān)于放射性測年的科學(xué)報告，首次向全世界介紹了放射性測年的原理。初步測量結(jié)果顯示，那幾塊巖石的年齡都在5億年以上，比開爾文的測量結(jié)果大一個數(shù)量級。即便如此，盧瑟福仍然堅持認為地球的實際年齡肯定比5億年還要長，因為巖石中的氦氣很可能會漏掉一部分，導(dǎo)致測量結(jié)果偏小。事實證明盧瑟福是對的，地球壽命比5億年還要再大一個數(shù)量級。

雖然盧瑟福是第一個用放射性原理估算巖石年齡的人，但他興趣廣泛，很快就把注意力放到其他地方去了。此后爆發(fā)的兩次世界大戰(zhàn)導(dǎo)致全球動蕩，沒人再有心思研究這事了，直到“二戰(zhàn)”結(jié)束后，這才有人重新開始琢磨如何解讀這座天然時鐘，地球的秘密終于被揭開了。

碳-14測年法的誕生

上一章的敘述方式很可能會給讀者留下一個“放射性測年很容易”的印象，其實這個方法難度極大，原因在于科學(xué)家面對的是在大自然中含量極低的放射性同位素，對于測量儀器的靈敏度和精確度的要求都特別高。另外，對實驗材料初始狀態(tài)的判定也是一件非常困難的事情，所以最先取得突破的并不是自然界最常見的放射性同位素鈾，而是碳-14。

碳-14最初是被美國加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家馬丁·卡曼（Martin Kamen）發(fā)現(xiàn)的，他為了研究光合作用機理，需要找到一個方法標記碳原子。自然界的碳原子大都是沒有放射性的碳-12，但是地球高空大氣中的氮氣會在宇宙射線的轟擊下源源不斷地轉(zhuǎn)變成具有放射性的碳-14，其分子量雖然比碳-12大，但化學(xué)性質(zhì)和碳-12 幾乎是一樣的，非常適合用來作為碳原子的標記物，研究有機化學(xué)反應(yīng)的細節(jié)。

卡曼發(fā)現(xiàn)碳-14的事情被芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家威廉·利比（William Libby）知道了，他立刻意識到碳-14的性質(zhì)非常適合用來測年，只要假定大氣層中的碳-14含量是恒定的就行了。已知任何生命體中都含有碳，這些碳原子歸根結(jié)底全都來自空氣中的二氧化碳，通過光合作用被轉(zhuǎn)化成了有機碳，所以任何活著的生命體內(nèi)的碳-14和碳-12的比例都是和大氣中的比例是一樣的。一旦生命體死亡，它和環(huán)境的碳交換便終止了，從此體內(nèi)的碳-14只衰減，不增加，只要測出剩下的碳-14的比例，就可以知道生命體是何時死亡的。

這個思路并不難想到，利比的貢獻在于，他意識到碳-14是一種具有放射性的微量元素，其含量可以通過專門測量放射性的蓋革計數(shù)器間接地測出來。蓋革計數(shù)器非常靈敏，可以測出極其微弱的放射性強度。否則的話，死亡生命體中含有的痕量碳-14是很難稱量的。

只要想到這一層，剩下的事情就相對簡單了。利比先測出樣品中含有的碳元素的總量，然后再用蓋革計數(shù)器測出其中含有的碳-14的含量，就可以推算出樣品的年齡了。為了提高靈敏度，減少環(huán)境背景輻射導(dǎo)致的誤差，利比在樣本外面安裝了一圈蓋革計數(shù)器，先測出當時的背景輻射值，再從測量值中減去就行了。

當然了，這事現(xiàn)在說起來容易，當年做起來還是很困難的。自然界每一萬億個碳原子中才有一個碳-14，每克碳中含有的碳-14每分鐘只會發(fā)生14次核裂變，碳-14的半衰期是5730年，也就是說5730年前的樣品中的碳-14就只剩下一半了，這樣的一克樣品用蓋革計數(shù)器測的話每分鐘只能記錄到7個信號，一不留神就錯過了。當年還沒有發(fā)明出自動測量儀，研究人員經(jīng)常要整日整夜地守在蓋革計數(shù)器前記錄信號，工作辛苦而又枯燥。好在利比招來的博士后研究員吉姆·阿諾德（Jim Arnold）是一個對古埃及歷史非常著迷的業(yè)余考古學(xué)家，他深知這項技術(shù)對埃及學(xué)研究的重要性，所以工作的時候特別忘我。

1942年6月，美國開始實施研制原子彈的“曼哈頓計劃”。圖為彼時美國田納西州東部橡樹嶺核工廠的工人們

經(jīng)過兩年沒日沒夜的工作，利比覺得這個方法成熟了，決定實際應(yīng)用一次。他們選擇的第一個具有考古意義的樣本來自紐約大都會博物館收藏的古埃及法老的木質(zhì)棺材，送來這件樣品的博物館館長不知道阿諾德熟知古埃及歷史，一眼就猜出了樣本的大致年齡。不過阿諾德還是認認真真地測了一次，得出的結(jié)果是4650年，和他自己的估算值相當吻合。

據(jù)阿諾德事后回憶，那是1948年6月的一個星期六的下午，同事們都回家了，只有他獨自一人留在實驗室里做計算，當他最終得到了那個神奇的數(shù)字后，屋子里卻沒人能夠分享他的喜悅。他意識到全世界只有他一個人知道放射性測年法是正確的，從此人類終于可以為歷史文物標上準確的時間刻度了?！罢麄€下午我都處于一種癲狂的狀態(tài)中，不停地在屋子里走來走去，”阿諾德回憶說，“人，就是為這樣的時刻而活著的。”

利比將這次測年的結(jié)果寫成論文，發(fā)表在1949年3月出版的《科學(xué)》雜志上。不用說，這篇論文立刻在學(xué)術(shù)界引起了轟動，但利比并不放心，僅此一件樣品還不能說明問題，萬一是巧合呢？于是他給芝加哥大學(xué)歷史系的一位老教授打電話求助，后者給他送來一塊據(jù)說來自古埃及的家具樣品。沒想到測年的結(jié)果令他大跌眼鏡，這件樣品的放射性太強了，幾乎和來自當代的木頭差不多。利比反反復(fù)復(fù)測了好幾次都是如此，那段時間他的心情沉重極了，以為這個方法沒戲了。一個月之后，他忍不住跑到那位老教授那里求解釋，后者聽后大笑一聲，說道：“你很可能是對的！這件樣品來自一個開羅的古董商，我一直懷疑他有造假的嫌疑！”

據(jù)利比回憶說，他當時差點打了這位老教授一拳。

這個小插曲雖然結(jié)局很美好，但卻讓利比看到了放射性同位素測年法的巨大威力。從此他為自己立了個規(guī)矩，堅決不測具有宗教意義的樣品，因為他不愿得罪教徒，怕惹麻煩。事實證明利比的擔心有些多余，宗教和科學(xué)本來就是互相抵觸的兩件事情，教徒是不會相信科學(xué)測年法的。舉例來說，被基督教徒和天主教徒視為圣物的耶穌裹尸布曾經(jīng)被3家實驗室獨立地測過，結(jié)果都證明這是一件來自13或者14世紀的樣品，不可能是真品，倒是和它的發(fā)現(xiàn)年代一致。但教徒們根本不信，這件圣物至今仍然保存在意大利都靈的一座教堂里，每年都有成千上萬的教徒專程過來瞻仰。

1949年底，利比的第二篇論文在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了。這次他測了6件文物樣品，結(jié)果全都和它們的已知年代非常相符。從此放射性測年法終于在全世界范圍內(nèi)火了起來，無數(shù)人拿來各種樣品請他們測。利比不得不專門成立了一個顧問委員會，負責(zé)篩選最適合測年的樣品。

隨著樣品數(shù)量的增多，利比逐漸發(fā)現(xiàn)不少結(jié)果不太準確，似乎存在系統(tǒng)性的誤差。后續(xù)研究找到了兩個主要原因：第一，碳-14測年法對污染非常敏感，如果樣品被新的微生物污染了，哪怕只有一點點霉斑，都會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)嚴重失真，尤其是年代久遠的樣品，碳-14含量本來就少，稍微有一點污染都會帶來很大偏差。

第二，碳-14測年法的一個重要假定就是大氣中的碳-14濃度不變，但研究表明這個值不是恒定的，而是和宇宙射線的強度成正比。不過這個缺陷不是致命的，只要科學(xué)家想辦法搞清楚地球歷史上宇宙射線的強度變化情況，就可以對測量數(shù)據(jù)進行校正，得到正確的年代。

這件事說起來容易，做起來很難，最終是一位來自奧地利的核物理學(xué)家漢斯·蘇斯（Hans Suess）利用樹木年輪作為對照，解決了這個問題。他發(fā)現(xiàn)樹木年輪的粗細和當年的氣候因素密切相關(guān)，所以同一地區(qū)的所有樹木均會表現(xiàn)出同樣的變化模式。只要掌握了其中的規(guī)律，再和收集到的古老樹干進行對比，就可以通過拼接的方式構(gòu)建出很長的歷史時間段內(nèi)的年輪規(guī)律。舉例來說，某地區(qū)一棵老樹已經(jīng)活了1000歲，科學(xué)家分析了這棵樹的年輪，構(gòu)建出了該地區(qū)最近1000年來的氣候變化規(guī)律，如果再能找到一棵已經(jīng)死亡了幾百年的千年老樹干，找出和那棵活樹相對應(yīng)的部分，兩者拼接起來，就有可能構(gòu)建出過去1500年的氣候變化曲線。依此類推，長達幾千年的樹木年輪史都可以通過這種方式被構(gòu)建出來。

蘇斯知道，樹干的年輪部分是死的，一旦形成就不再和外界進行碳交換了，于是蘇斯從已知年齡的古樹年輪組織中采樣，測了碳-14，再和該年輪所對應(yīng)的年代相對比，就可以知道當年的宇宙射線強度和現(xiàn)在的標準值相比到底有多大的差距，從而畫出歷年宇宙射線強度的校正曲線。蘇斯早在1969年的時候就利用這個辦法做出了過去7000年的宇宙射線校正曲線，后來世界各地都有人做出了類似的曲線，結(jié)果都差不多。這可不是巧合，而是說明這種校正方法是可靠的，因為各地的局部氣候雖然不同，但宇宙射線的強度應(yīng)該是一樣的。

總之，碳-14測年法的出現(xiàn)徹底改變了考古學(xué)的面貌，從此人類的手中便多了一桿時間標尺，終于可以把重要的歷史文物標上年份了，學(xué)過歷史的都知道這件事的意義究竟有多么大。

更重要的是，這項技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了人類的世界觀。以前人們普遍相信過去發(fā)生的事情如果沒有文字記錄的話是不可能被后人知道的，測年法幾乎相當于一部時間穿梭機，讓現(xiàn)代人能夠穿越回古代去見證歷史。利比教授堪比穿越小說里的魔法師，他向世人證明，科學(xué)比魔術(shù)厲害多了，因為只有科學(xué)才能把想象真的變?yōu)楝F(xiàn)實。

為了表彰利比對科學(xué)發(fā)展做出的杰出貢獻，諾獎委員會將1960年度的諾貝爾化學(xué)獎授予了他。對，真的是化學(xué)獎，雖然利比是如假包換的物理學(xué)家。不過，利比并不是第一個被授予化學(xué)獎的物理學(xué)家，盧瑟福早在1908年就拿到了諾貝爾化學(xué)獎。這兩位跨界人士都是研究放射性的，這不是巧合，因為放射性是一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素的唯一途徑。當年還有一位物理學(xué)家也想改變元素的屬性，他就是花了后半生的時間專心研究所謂“煉金術(shù)”的牛頓。可惜他那個時代不太可能發(fā)現(xiàn)放射性，所以煉金術(shù)注定會以失敗告終。但我們不能因此而責(zé)怪牛頓晚節(jié)不保，科學(xué)研究就是這樣，在得到結(jié)果之前誰也不敢保證自己的研究方向是正確的，我們不能僅憑成果論英雄，應(yīng)該鼓勵科學(xué)家勇于嘗試新領(lǐng)域，即使失敗了也是有意義的。

下面這個故事就是一個很好的例子。

鈾鉛測年法的意外之喜

碳-14測年法有個無法克服的困難，那就是可測量的年代范圍極為有限。因為碳-14的半衰期只有5730年，超過4萬年的樣品中含有的碳-14就非常少了，測量結(jié)果會很不可靠。科學(xué)家們迫切需要找到新的放射性同位素，能夠把人類的目光導(dǎo)向更遙遠的過去，去丈量那深邃的時間。

于是，半衰期長達數(shù)億年的鈾再次登上了測年的舞臺。

最早在這個領(lǐng)域取得突破的是芝加哥大學(xué)的核物理教授哈里森·布朗（Harrison Brown），他的辦公室就在利比的隔壁，兩人經(jīng)常在一起討論問題，雙方都獲益匪淺。事實上，前文提到過的利用年輪來校正碳-14測量曲線的蘇斯也來自芝加哥大學(xué)，這可不是巧合。

眾所周知，美國在“二戰(zhàn)”期間實施了曼哈頓計劃，最終制造出了世界上第一顆原子彈。芝加哥大學(xué)被美國政府指定為曼哈頓計劃的一個重要的研究中心，聚集了一大批優(yōu)秀的核物理學(xué)家。戰(zhàn)后這批人并沒有離開芝大，而是在校長的挽留下繼續(xù)留在這里從事與核物理有關(guān)的科研工作，其中就包括新興的放射性測年研究。

利比和布朗都是這么留下來的。既然好友利比研究的是幾萬年以內(nèi)的測年技術(shù)，布朗便決定把目光放遠一點，研究地球的年齡，半衰期很長的鈾自然成為突破口。已知鈾的衰變終產(chǎn)物是鉛，這兩個元素都必須準確地測出來，于是布朗教授招來了兩名研究生，共同負責(zé)這個項目。一人名叫喬治·提爾頓（George Tilton），負責(zé)測量巖石中的鈾，另一人名叫克萊爾·派特森（Clair Patterson），負責(zé)測量巖石中的鉛。

雖然鈾是巖石中含量最高的放射性元素，但絕對含量仍然是非常小的，作為終產(chǎn)物的鉛含量就更低了，因此鈾鉛測年法面臨的最大障礙就是如何準確測量鈾和鉛的含量。后來科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)，大自然中含有的鈾同位素有3種，鉛有4種，這就更增加了工作的難度。布朗教授之所以招來這兩位研究生，就是因為兩人都曾經(jīng)在曼哈頓計劃中工作過，并因此而掌握了一門神奇的技術(shù)，正好可以派上用場。

這項技術(shù)就是大名鼎鼎的質(zhì)譜測定法（Mass Spectrometry）。顧名思義，這個方法的目的就是測量同位素的質(zhì)量。舉例來說，給你一塊含鈾礦石，如何才能知道其中到底含有多少鈾-235、有多少鈾-238呢？用質(zhì)譜儀測一下就行了。這個方法的工作原理早在19世紀末期就搞清楚了，但真正被用于實踐則是曼哈頓工程的貢獻。這個例子從一個側(cè)面說明，戰(zhàn)爭對于人類而言也不全是災(zāi)難，很多日后造福人類的重大科技進步都是在戰(zhàn)爭期間被發(fā)明出來的，質(zhì)譜儀、計算機和抗生素等等都是如此，核電站更是與曼哈頓計劃有很大關(guān)系。

布朗教授的兩位研究生利用自己在“曼哈頓計劃”中學(xué)到的技能，開始嘗試用質(zhì)譜儀測量鈾和鉛的質(zhì)量。提爾頓首先完成了任務(wù)，但派特森卻進展緩慢，測量結(jié)果總是有很大的誤差，嘗試了很多次都不行。按照常理，提爾頓是個勝利者，應(yīng)該被歌頌，派特森是個失敗者，很快就會被歷史遺忘，但科學(xué)是經(jīng)常不按常理出牌的一門學(xué)問，派特森并沒有放棄努力，終于在嘗試了一年之后，意識到問題可能出在污染上。不知什么原因，他的實驗設(shè)備、工作人員的衣服甚至實驗室的空氣中都含有微量的鉛，這些鉛在通常情況下不會干擾物理實驗，但他測的是極其微量的鉛原子，這才惹了麻煩。

右圖：美國地質(zhì)化學(xué)家克萊爾·派特森。他不僅測出地球的準確年齡，而且推動美國禁止含鉛汽油的銷售

進一步研究發(fā)現(xiàn)，這些痕量的鉛來自含鉛汽油的大量使用。上世紀20年代有人發(fā)現(xiàn)如果在汽油中混入一定比例的四乙基鉛，可以提高汽油的辛烷值，改善發(fā)動機的抗爆性能。隨著含鉛汽油的大量使用，人工添加的鉛混在汽車尾氣中進入了大氣層、土壤和地表水中，導(dǎo)致現(xiàn)代人體內(nèi)的鉛含量比古代人高了1000多倍。

當時的醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證明，鉛是一種對人體有害的物質(zhì)，尤其會影響兒童的神經(jīng)系統(tǒng)，對青少年智力發(fā)育帶來不可逆的危害。石油公司當然知道這件事，但他們?yōu)榱粟A利，極力掩蓋這個事實，直到派特森的研究結(jié)果證明鉛污染已經(jīng)無處不在，并將這一事實報告給了政府和公眾，這個謊言這才終于被戳穿了。

一個值得深思的細節(jié)是，布朗教授從石油公司那里獲得了不少贊助，因為石油公司覺得這項研究能夠幫助他們尋找新的油田。但當派特森發(fā)現(xiàn)了鉛的問題后，石油公司立即停止了資助。不但如此，石油公司還暗中給美國政府施壓，強迫他們削減給布朗實驗室的研究經(jīng)費，好在美國政府頂住了壓力，派特森的實驗這才得以繼續(xù)進行，并直接促成美國政府于1975年頒布了新法規(guī)，禁止新車使用含鉛汽油，強迫石油公司研制更安全的汽油抗爆技術(shù)。

派特森的師祖、芝加哥大學(xué)著名的美籍意大利物理學(xué)家恩里克·費米（Enrico Fermi）曾經(jīng)說過一句話：“如果你做了一個實驗，得到了你想要的結(jié)果，那么你只是完成了一次實驗而已。但如果你做了一個實驗，得到了你意想不到的結(jié)果，那么你就有了一個新發(fā)現(xiàn)。”派特森的故事再次驗證了費米的遠見卓識，這位1938年的諾貝爾物理學(xué)獎得主的確是科學(xué)史上罕見的天才。

更有意思的是，派特森本來從事的是一項和公眾健康沒有任何關(guān)系的純理論研究項目，最終卻拯救了無數(shù)人的身心健康。這個例子再次說明，科學(xué)研究是很難預(yù)知結(jié)果的，那些看似沒有實用價值的純理論研究，最終往往會以一種讓人意想不到的方式徹底改變?nèi)祟惖纳睢?/p>

言歸正傳，接著講鈾鉛測年法的故事。派特森找到了誤差來源之后，想辦法解決了這個問題，測出了巖石中的鉛的含量。再后來，他采用了一種從鈾鉛測年法推導(dǎo)出來的鉛鉛測年法測量了隕石內(nèi)含有的鉛同位素的含量，并和地球巖石做對比，終于測知地球的年齡是45.5億年。

不用說，當布朗教授把這個結(jié)果發(fā)表出來后，立刻引起了全世界的廣泛關(guān)注，但與此同時，這個結(jié)果也遭到了很多人的質(zhì)疑，全球有多家實驗室都試圖證明這個結(jié)果是不正確的，但試來試去卻反而證明了這個結(jié)果的正確性。

如今45.5億年這個數(shù)字已經(jīng)成為科學(xué)界的共識，但相信這個數(shù)字的人遠比相信碳-14測年法的人要少，原因在于碳-14測年法是被古文獻和樹木年輪校正過的，兩者都是直觀信息，可信度較高，普通人也很容易理解。地球的年齡則太過深邃，很難通過直覺去理解它。但其實鈾鉛測年法的邏輯鏈條也是非常完整的，對于專業(yè)人士來說可信度也很高?？上Ы^大多數(shù)老百姓都只愿意相信自己能理解的事物，可他們的理解力又因為知識面太窄而不足，所以才會有那么多人不相信科學(xué)測年法測出來的數(shù)字，寧愿選擇相信古人根據(jù)《圣經(jīng)》推算出來的結(jié)論。

上面這個矛盾在人類起源的探索過程中也經(jīng)常會遇到，這也是為什么關(guān)于歷史或者未來的科普比關(guān)于當下問題的科普要難做很多倍的原因。多數(shù)人都更愿意相信“眼見為實”，沒有意識到自己的眼睛往往很不可靠，邏輯推理的力量要遠比自己的那點可憐的人生經(jīng)驗要強大得多。

地球的斷代工程

利比和布朗分別解決了地球歷史上最近和最遠年代的測年問題，中間這漫長的45億年該如何解決呢？

讓我們再次回到牛頓的時代，他當初之所以選擇用燒紅的鐵球估算地球年齡，原因在于他相信地球形成初期就是這樣的。這個想法可不是他憑空捏造出來的，而是英國煤礦工人的功勞。英倫三島盛產(chǎn)煤炭，這也是工業(yè)革命之所以首先誕生在英國的原因之一。煤礦工人們發(fā)現(xiàn)，隨著礦井越挖越深，溫度也越來越高，他們很自然地猜測地球內(nèi)部一定是非常炙熱的巖漿，現(xiàn)在我們知道這個想法是正確的。

除了這個發(fā)現(xiàn)外，煤礦工人們還發(fā)現(xiàn)地下巖石是分層的，各層之間的分界線非常清晰。17世紀中期有一位名叫尼古拉斯·斯丹諾（Nicolas Steno）的丹麥學(xué)者認為，這些分界線的存在說明巖石材料都是從水里慢慢沉積下來的，所以最早的巖層分界線都是水平的，而且越往上年紀越輕。這個推理現(xiàn)在想來可能不覺得怎樣，在當時可是一個革命性的想法，斯丹諾因此被尊稱為“地層學(xué)之父”。

下一個突破來自英國人威廉·史密斯（William Smith），他是一位地質(zhì)工程師，經(jīng)常跟隨礦工下井，發(fā)現(xiàn)了很多化石。過去歐洲人一直認為化石是上帝造出來逗大家玩的，因為這些化石雖然很像某些現(xiàn)在還活著的生物，但卻又有很多明顯的不同。到了17世紀，終于有人意識到這些化石很可能是曾經(jīng)在地球上生活過的古生物的遺骸，如今已經(jīng)滅絕了。

史密斯更進了一步，他發(fā)現(xiàn)礦井內(nèi)的地層厚度雖然不一樣，但化石出現(xiàn)的順序都是一致的，完全可以根據(jù)化石的不同把全英國的地質(zhì)層面納入同一套體系之中。1799年他出版了世界上第一本著色的地層圖，1813年又出版了至今仍然沒有過時的英格蘭、威爾士和蘇格蘭地層圖，從此一門嶄新的學(xué)問——生物地層學(xué)誕生了。

要知道，進化論當時還沒有問世，但史密斯已經(jīng)意識到化石可以按照時間來排序，這是個非常了不起的發(fā)現(xiàn)。英國著名地質(zhì)學(xué)家查爾斯·萊爾（Charles Lyell）就是在史密斯的啟發(fā)下，寫出了那本劃時代的著作《地質(zhì)學(xué)原理》。年輕的達爾文在乘坐“小獵犬號”帆船環(huán)游世界時，行囊里就裝著這本書。我們甚至可以說，正是這本書中提出的思想，啟發(fā)了達爾文寫出了《物種起源》。

到了19世紀中期，第一張地質(zhì)年表終于被地質(zhì)學(xué)家們構(gòu)建出來了。最開始的年表很簡單，即最古老的為第一紀，距離我們最近的為第四紀。之后，隨著知識的更新，大家耳熟能詳?shù)暮浼o、侏羅紀、更新世之類的名詞也開始出現(xiàn)了。毫不夸張地說，這張年表是地質(zhì)學(xué)對人類所做的最大貢獻，因為它為人類了解地球歷史提供了一個基本的框架。從此，無論是地球的發(fā)展史還是生命的進化歷程都可以在這個框架內(nèi)被討論了。

關(guān)于地質(zhì)年表的故事完全可以單獨寫一本書，本文的讀者只需要知道兩件事就行了。第一，起碼從化石層面來看，生命的進化過程似乎不是連續(xù)漸進的，而是被分成了一個個階段，每個階段都始于一次物種大滅絕事件，絕大部分在上個階段稱霸地球的物種都消失了，代之以一大批全新的物種。第二，每一種化石都是和周圍的沉積物一起被埋入地下的，因此每一種生物生活的年代都可以通過對同一層沉積物的測年而被估算出來。

當然了，19世紀時的地質(zhì)學(xué)家連最基本的測年法都沒有掌握，他們只知道各種化石出現(xiàn)的相對順序，對每一個地質(zhì)年代的具體時間一無所知。直到放射性測年法出現(xiàn)后，人類終于知道了各種生命類型出現(xiàn)的時間，這為科學(xué)家研究生命的進化過程提供了重要依據(jù)。

下面簡要介紹四種比較常見的巖石測年法。

第一，鈾系法。自然界含量最高的鈾同位素是鈾-238，這種同位素在衰變?yōu)榻K產(chǎn)物鉛-206之前，還要經(jīng)過8次核裂變，每次均會釋放出一個氦原子。這一系列衰變的中間產(chǎn)物都可以用來測年，鈾系法因此得名。此法比較適合用來測定碳酸鹽地層的年代，常用于測量洞穴堆積物、骨化石和牙齒化石的年齡，在古人類化石研究中有著廣泛的應(yīng)用，前言中提到的道縣牙齒化石的年齡就是用鈾系法測出來的。

第二，鉀氬測年法。鉀是地殼中含量很高的一種放射性元素，鉀-40會衰變成氬-40，后者是一種氣體，因此火山噴發(fā)時熔巖中原有的氬氣都會揮發(fā)掉，這就相當于一次清零的過程。當火山熔巖重新凝結(jié)成固體后，新生成的氬氣會被禁錮在巖石中，再也跑不掉了。只要測出火山巖或者火山灰中氬氣的含量，再和其中含有的鉀做對比，就可以算出上一次火山爆發(fā)究竟發(fā)生在何時。這個方法非常適合于測量被火山灰覆蓋的化石年代，人類化石的熱點地區(qū)東非大裂谷恰好就是著名的地質(zhì)活躍帶，曾經(jīng)發(fā)生過很多次火山爆發(fā)，用這個方法可以很精確地測出夾在火山灰層之間的化石年齡。

第三，古地磁測年法。地球磁場不是恒定不變的，其強度和方向一直在不停地變化，歷史上甚至還發(fā)生過多次南北磁極徹底顛倒的現(xiàn)象。研究顯示，最近的一次磁極翻轉(zhuǎn)發(fā)生在78萬年前，算是間隔比較久的一次了，因此科學(xué)家們預(yù)計下一次磁極翻轉(zhuǎn)很可能即將發(fā)生，年輕讀者也許會在有生之年親眼看到。地殼中的很多礦物質(zhì)都有磁性，它們在受熱后冷卻或者沉積的過程中會因為地球磁場的影響而表現(xiàn)出一定的方向性，這就相當于把那一時刻的地球磁場的方向和強度記錄了下來。地質(zhì)學(xué)家們在采集樣品時先記錄其方向，再在實驗室里測量樣品的剩磁方向，就可以知道該巖石樣本在形成或沉積時地球磁場的極性。最后再將這個信息放在已經(jīng)建立好的地球磁極變化歷史框架內(nèi)，就可以知道該樣本的大致年代了。

第四，光釋光測年法。自然界的大部分晶體里肯定都會有雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會把路過的電子吸引過去，并滯留在那里。此時如果遇到諸如加熱或者強光的照射，這些電子獲得了能量，就會一哄而散，消失殆盡。太陽光是很強的光源，所以這些晶體一旦暴露在陽光下，就相當于完成了一次清零的過程。此時如果用土把晶體蓋住，讓它再也見不到陽光，那么泥土中的微量放射性元素的衰變所釋放的電子就會一點一點地被晶體缺陷吸引過去，并儲存在那里，儲存量和時間成正比，直到飽和為止?？脊艑W(xué)家只要把和化石埋藏在同一地層的土壤保存在不透光的容器中運回專門的光釋光實驗室，分離出土壤中的礦物晶體，用不同波段的光一照，儲存在晶體中的電子就會以光的形式釋放出來，釋放出的光越強，這個晶體距離上一次見光的時間就越久。這個方法非常適合測量含有石英和長石晶體的沉積層的年齡，前言中提到的許昌人頭骨化石的年齡就是用這個方法測出來的。

有了上述工具，科學(xué)家們終于知道了所有地質(zhì)年代的時間跨度，也可以相對準確地測知幾乎所有化石的生存年代。至此，舞臺和道具都已準備好了，就等考古學(xué)家和人類學(xué)家們登場，為我們解開人類起源之謎。