如何給地球測年齡

文／神們自己 圖／圖蟲創(chuàng)意

如果想知道一個人的年齡，我們可以直接問他；如果想知道一棵樹的年齡，我們可以數(shù)它的年輪；但如果想知道一件文物、一具木乃伊、一塊史前化石的年齡，我們該怎么做呢？同學們可能聽說過碳14 測年法，但關(guān)于它的運作原理，就不一定知道了。

眾所周知，一切物質(zhì)都是由原子組成的，比如碳元素就是由碳原子組成的。而原子不是最小的，它里面還有更小的原子核，原子核由質(zhì)子和中子這2 種核子組成。比如碳原子核包含了6 個質(zhì)子和6 個中子，一共有12 個核子，所以我們叫它碳12。那么，碳14 又是什么呢？

化學家門捷列夫發(fā)明了元素周期表，這個表是按照質(zhì)子的數(shù)量來排列的。比如，碳元素在周期表上排在第6 號，因為它含有6 個質(zhì)子。同樣的道理，氮元素在周期表上排7 號，因為它含有7 個質(zhì)子。在一定條件下，元素的質(zhì)子數(shù)量會發(fā)生改變，于是它就“化裝”成了另一種元素——研究這些變化的學問，就叫“化學”。

普通的氮元素，原子核里有7 個質(zhì)子和7 個中子。當太陽發(fā)出的高能中子流轟擊地球時，有一定的概率會把空氣中的氮元素中的1 個質(zhì)子替換為1 個中子。這樣，氮原子核就變成了6 個質(zhì)子和8 個中子。因為它有6 個質(zhì)子，所以和碳的化學性質(zhì)完全相同，但它有14 個核子，所以我們叫它“碳14”。碳14 看上去跟碳12 沒什么不同，它就像臥底一樣，潛伏在普通的碳元素中，發(fā)生著相同的化學反應。碳14 先在空氣中形成二氧化碳，然后被植物用光合作用合成碳水化合物，最后被動物吃掉。如果你咬一口用碳14 小麥蒸出來的碳14 饅頭，也絲毫不會感到味道有什么不同。

既然如此，我們?yōu)槭裁床话烟?4 當作另一種碳元素，和普通的碳12 一視同仁呢？因為碳14 不太安分，它是有放射性的。它會放射出β 射線，最終衰變成氮。這個衰變過程非常緩慢，碳14 的半衰期長達5730年。也就是說，100 個碳14 原子，要等5730 年，才有50 個會發(fā)生衰變。

我們把放射性的碳14 當作時鐘來使用。當生物活著的時候，它體內(nèi)的碳14 含量應該和環(huán)境含量相同。當生物死后，碳14 會在體內(nèi)按固定的速度逐漸衰變，所以測定生物體內(nèi)碳14 的含量，再和環(huán)境含量對比一下，就能算出該生物死了多少年。舉個例子：假設在自然環(huán)境中，1 千克物質(zhì)含有100 個碳14 原子，現(xiàn)在考古學家發(fā)現(xiàn)了一塊1 千克的骨頭，檢測到里面只有50 個碳14 原子，這就意味著，這塊骨頭的主人已經(jīng)死了5730 年，誤差在三四十年內(nèi)。

碳14 測年法是考古界的基本操作。每當打開一個墓穴，考古學家就會立刻把骨頭送到實驗室里去測年齡。不光是骨頭，木材、紡織品、灰燼都可以測，因為它們都是植物制成的，都含有大量的碳。

不過，碳14 測年法并不是萬能的。如果年代太久遠，殘留的那點碳14 都衰變沒了，就沒法測了。一般來說，這個時間的上限是43500 年。如果我們想知道地球的年齡，就不能用碳14 測年法。因為當?shù)厍騽傂纬傻臅r候，還沒有生物存在，地上只有石頭。

石頭里沒有碳，但可能含有鈾。天然鈾主要含2種同位素，鈾235 和鈾238。它們都是放射性物質(zhì)，會衰變成鉛207、鉛206。如果一塊石頭剛形成的時候只有鈾沒有鉛，過了N 年后，一部分鈾衰變成了鉛，那么，我們只要測定這塊石頭現(xiàn)在鈾和鉛的含量比例，就能反推出N 是多少，這套鈾鉛測年法和碳14 測年法的原理如出一轍。不過，鈾的半衰期比碳長得多：鈾235的半衰期是7 億年，鈾238 是45 億年。就算這塊石頭有幾十億甚至上百億年的高齡，也能測出它的年齡！

好消息是，這種剛形成時只有鈾沒有鉛的石頭天然存在。它就是鋯石，主要用途是制造山寨版鉆石?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)最古老的鋯石已存在44 億年，但這不能說明地球的年齡就是44 億年，因為誰也不知道這塊石頭是不是地球誕生時形成的。

要想知道地球的年齡，關(guān)鍵在于找到一塊與地球同壽的石頭。

地球已經(jīng)至少存在了44 億年，天荒地老，滄海桑田——在這么長的時間里，在經(jīng)歷無數(shù)次巖漿活動，板塊運動，地震、海嘯等地質(zhì)運動后，和地球同時誕生的石頭還會存在嗎？即使存在，我們又怎么可能找到它呢？

令人驚訝的是，真的有人找到了它，那就是隕石。

在太陽系中，包括地球在內(nèi)的八大行星和小行星是在同一時期形成的。小行星上的石頭和地球同齡，而且沒有被地質(zhì)運動摧毀。在引力的擾動下，有的小行星砸到了地球上，變成了隕石。隕石的形成與地球不同，鈾、釷等放射性物質(zhì)很難進入隕石的礦物質(zhì)晶格。隕石中幾乎不含鈾，只含無放射性的鉛。所以，隕石中的鉛含量，就是地球誕生時的初始鉛含量。

5 萬年前，一塊30 噸重的鐵隕石砸到了美國亞利桑那州的惡魔峽谷。年輕的地質(zhì)學家克萊爾·帕特森在研究這塊隕石的樣本時發(fā)現(xiàn)，地球上的鉛含量比隕石高。根據(jù)兩者的含量對比，以及鈾的半衰期，帕特森第一次估算出了地球年齡的大概范圍：41 億年至46 億年之間。

鈾235 和鈾238 的半衰期是不同的，可以用2 種半衰期分別計算地球年齡，進行交叉對比。經(jīng)過多年的努力，克萊爾·帕特森經(jīng)過對多種類型的隕石樣本的研究后，發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文《隕石與地球的年齡》，地球的準確年齡終于被鎖定：45.5 億年，誤差在上下0.7 億年之內(nèi)。

這篇1956 年誕生的論文經(jīng)受住了時間的考驗，科學家們通過不同的測量方法，得到的結(jié)果都與之相差無幾。