宇宙自然生命简史：23 死磕地球的岁数
在过去很长一段时间，除了文字记载，人类并没有什么可靠的年代测定法，最古老的可靠年代只能追溯到埃及第一王朝，大约公元前 3000 年。再早的事情就没人能说出准确的年代了。例如，地球上最后的冰盖是何时退却的？法国的克鲁马农人是何时在他们居住的洞穴中画下了壁画？某一片出土的陶器到底距今多少年？我们只能靠猜测。直到二十世纪 40 年代，测定年代的事才出现了转机。
芝加哥大学的利比发明了放射性碳年代测定法，这种方法可以让科学家测出化石和其他有机残骸的精确年代。利比的发明实用价值很大，他因此赢得了 1960 年的诺贝尔奖。他的这种年代测定法简单说来是这样的，在自然界中最常见的 C 是含有 6 个质子和 6 个中子的，加起来是 12，称为C-12，它有一种多两个中子的同位素C-14，这两种碳在自然界中的比例基本上是恒定不变的。生物活着的时候，不管是植物还是动物，和自然界有物质和能量交换，所以体内的 C-14 的含量也是相对恒定的。但是，当生物死亡后，就不再与外界发生物质交换，碳-14 便以一个固定的半衰期开始衰变。碳-14 的半衰期是 5600 年，因此只要测出样品中的碳-14 含量，就能倒算出该样品的年龄。当然这种方法也有一定的局限性，因为只要经过八个半衰期，那么样品中的碳-14 含量就只剩下了原始的 0.39%。这一点点量已经太微小了，再小下去就很难保证测定的可靠性了。因此，放射性碳年代测定法最多也只能测定 5 万前期左右的生物化石。但对于一两万年以内的化石年代的测定是相当管用的。
随着这项技术的普及，一些缺点也开始暴露出来。首先，人们发现在利比公式中的一个最基本的衰变常量有误，比实际值偏高了 3% 左右。但此时，全世界范围内已经完成了上千个测定。但科学家们没有一件件地去纠正错误，而宁愿选择保留了这个不够精确的衰变常数。所以我们今天看到的很多用放射性碳年代测定法测出来的年龄实际上都年轻了大约 3%。问题还不止这一个。人们很快又发现了碳-14 的样本很容易受到其它含碳物的污染，例如，取样时不小心连同样本一起取下的微小的一点点植物。对于一些年代较近的样本，比如 2 万年以内的样本，轻度的污染影响还不算大。但是对那些更古老一些的样本就会是个大问题，因为样本中残留的碳原子本身就已经少得可怜了。在前一种情况下，就好比在数 1000 元时多数了 1 元；而在后一种情况下，总共只有 2 元钱你却多数了 1 元钱。
利比的方法还基于另外一种假设，那就是大气中碳-14 的含量，以及生物吸收的速率，在历史上都是稳定不变的。实际却并非如此。我们现在已知，大气中碳-14 的含量受到地球的磁场和宇宙射线的双重影响，因此，在历史上会有显著的变化。这就意味着，某些用碳-14 测定的年代是不可靠的，这其中就有人类首次到达美洲大陆的年代。这就是为什么长久以来，人们对此争论不休的原因。
最后，可能有点儿出乎意料，年代测定的读数还有可能被看似完全不相干的外部因素所干扰，例如骨头主人生前常吃什么。最近一个争论不休的例子是关于梅毒到底起源于新大陆还是旧大陆的问题。赫尔的考古学家发现修道院坟地里埋着的修道士曾经感染过梅毒。最初的结论是这些修道士早在哥伦布的航行之前就已经患上了梅毒，但是人们发现他们生前曾经大量吃鱼，因此结论开始遭到质疑。因为吃鱼会导致他们的骨头的测定年龄要比实际年龄大。所以这些修道士曾经患过梅毒是肯定的，但问题是他们是在什么时候，又是怎样得上这种病的，依然是一个待解决的诱人问题。
因为碳-14 年代测定法有以上种种的缺点，所以科学家们又发明了一些其他方法测定古物的年龄，比如热释光测年法，主要用来测定陶瓷的年代；但是，在 20 二十世纪上半叶，即便是最好的方法也无法测定超过 20 万年的东西，而且也无法测定无机物的年代，比如岩石等。不解决这个问题，就绝无可能测定地球的年龄。
其实，测定岩石年代还遇到一个大问题，那就是没人去干这件事，似乎全世界的人都放弃了。要不是有一个叫霍姆斯（Arthur Holmes）的英国教授决心很大，这项事业会在很长一段时间中陷于停顿。
霍姆斯像英雄一般克服了重重困难，最终取得了成果。上世纪 20 年代，霍姆斯正是最年富力强的时候，地质学正在慢慢地过气，他就是搞地质学的，这时候物理学正在成为时代的新宠，只是资金匮乏，尤其是在它的诞生地英国。霍姆斯就职于达勒姆（Durham）大学。但很多年来，他一个人就是整个地质学系。他在追求的目标是利用放射性法测定岩石的年龄，但他常常不得不靠借用和拼凑仪器设备来进行研究。有一次，为了等待校方给他提供一台简单的加法机，他一个计算足足耽搁了一年。有一阵子他不得不停下全部学术工作去挣钱养家糊口，一度在纽卡斯尔开了一家古董店。有时他连地质学会每年 5 英镑的会费都交不起。
霍姆斯的工作采用的技术从理论上来说并不深奥。它基于 1904 年卢瑟福首次做出的发现，即某些原子会以固定的速率衰变为另一种元素的原子。这个稳定的速率可以用来作为一种时钟。例如，如果你知道从钾-40 衰变为氩-40 所需的时间，那么你就可以通过测量这两种元素在样本中的含量来计算出样本的年龄。霍姆斯的贡献在于他测定了铀衰变为铅的速率。他希望能以此测定岩石的年龄，进而测定出地球的年龄。
然而技术原理讲起来是简单，但他实际要克服的技术难题其实还有很多。他很渴望拥有一台高级点的仪器，能让他精密地测量一些很细小的样本。可是，我们前面讲过，他仅仅得到了一台简易的加法机而已。所以，在这样的条件下，1946 年他竟然非常自信地宣布地球的年龄至少有 30 亿年，很可能更长，这个数字已经接近正确答案了，这确实挺了不起的。
不幸的是，现在他又遇到了另外一个巨大的阻碍。他的那些保守的同行科学家、很多同行对霍姆斯的方法都表示赞扬，但他们坚持认为他测出的并不是地球的年龄，而不过是组成地球的材料的年龄而已。
与此同时，芝加哥大学的布朗（Harrison Brown）发展出了一种测定火成岩中铅同位素的新方法（火成岩指的是由地热形成的岩石，相对于由沉积形成的沉积岩）。但布朗觉得这项工作会相当的枯燥乏味，所以他把这个课题分配给了年轻的研究生彼得森，让彼得森作为毕业设计。布朗很诚恳地向彼得森保证，用他发明的新方法测定地球的年龄简直“轻而易举”。结果，彼得森一干就是好多年。
彼得森从 1948 年开始这项研究，他先是在芝加哥大学，1952 年又转到加州理工学院，整整7年，他默默地在无菌实验室中工作，精心挑选古老的岩石样本，一丝不苟地测定其中铀/铅的比例。
测定地球年龄的难点在于岩石样本的稀有，因为必须要找到与地球本身一样古老的含铅和铀晶体的岩石。如果岩石样本太年轻，显然就会得出错误的结果。但是这种与地球一样古老的岩石却非常稀有。直到上世纪 40 年代末，都没人知道为什么会这样。实际上，要等到人类进入太空时代之后，才貌似合理地解释了这些古老岩石都到哪里去了（答案是板块构造学说，我们当然还会谈到这个话题）。可怜的彼得森只能在极度缺乏样本的情况下尽力工作。不过，他很聪明，最终给他想出了一个解决方案。既然在地球上很难找到需要的石头，可不可以到地球之外去寻找呢？是的，他想到了陨石。
他提出了一个假设，一个极大胆但最后被证明是正确的假设。他认为陨石是太阳系在形成初期遗留下来的建筑材料，肯定或多或少保留着原始的化学结构，只要确定了这些在太空中游荡的石块年龄，就等于知道了地球的年龄。
但这是典型的知易行难，合适的陨石不好找。另外，彼得森还发现布朗教授教给他的方法，从技术上讲极为繁琐，必须进行一些改进。此外，彼得森还要面对一个大难题，他发现只要样本在空气中暴露过，就会被大气中的铅莫名其妙地严重污染，不可避免。最终，彼得森建成了一个无菌实验室，有一份资料上说这是全世界第一个无菌实验室。
彼得森任劳任怨地工作了七年，才收集到了合适的样本进行最后的实验。1953 年春，他带着样本前往伊利诺伊州的阿冈尼（Argonne）国家实验室。他申请到了一些使用最新型的质谱仪的时间，这种仪器能检测锁定在古老岩石晶体中的铀和铅的微弱含量。当他最终获得了结果时，彼得森简直兴奋的不得了，他直接驱车回到艾奥瓦州的老家，一回去就让他老妈把自己送往医院，因为他说自己心脏受不了了。
没过多久，在威斯康星州的一次会议上，彼得森宣布了一个地球的准确年龄——45.5 亿年（加减 7000 万年）。这个数字整整保持了 50 年没动过，人类经过了 200 多年的努力，终于给了地球一个岁数。
几乎与此同时，彼得森将他的注意力转向了大气中的铅污染问题。他震惊地发现，关于铅对人体造成的影响，人们仅有的一点认识几乎全是错误的，而且是被误导的。这并不奇怪，因为 40 年来，所有关于铅影响的研究课题无一例外地都是由生产含铅添加剂的企业资助的。这家企业叫做四乙汽油公司。他的创始人叫做托马斯·米基利，发明家的反面典型。
米基利原本是一个训练有素的工程师。毫无疑问，如果他始终坚守这份职业，那么我们的世界会比现在更安全一些。但米基利却对化工业发生了兴趣。1921 年，在位于俄亥俄州代顿的通用汽车研究所工作期间，他开始研究一种叫做四乙铅的化合物。他发现这种物质能有效地降低发动机爆震的现象。在20世纪初，尽管铅的危害性已被广泛知晓，但依然能在各种各样的消费品中找到铅的身影。罐头食品以焊铅封口；饮用水常常被存放于铅皮罐子中；砷酸铅被用作杀虫剂喷洒在水果上；甚至在牙膏管子的材料中也含有铅。每一种含铅的产品都不可避免地会给消费者的生活中带去一点儿铅。然而，带来的铅最多、持续时间最长的却是添加了铅的汽油。
铅是一种神经毒素。如果摄入过多，就会不可避免地损伤大脑和中枢神经系统，出现很多症状，其中包括失明、失眠、肾衰竭、失聪、癌症、瘫痪和抽搐。严重的时候会突然出现可怕的幻觉，让患者和看护者都措手不及，经常会导致昏迷和死亡。你肯定不希望自己摄入过多的铅。
但另一方面，铅又很容易开采和提炼。工业化生产铅的利润很高，四乙铅也确实可以防止发动机爆震。因此，在1923年，三家美国最大的公司，通用汽车、杜邦化工和新泽西标准石油公司共同投资成立了四乙汽油公司。世界上需要多少四乙铅，它就生产多少。后来也证明世界上的需求量真的很巨大。它们把这种添加剂称为“四乙剂”，避免出现“铅”字。这样听起来更加友好一些，也显得无害。1923 年 2 月 1 日，四乙公司正式公开推广这种添加剂（绝大多数老百姓并不知道它实际上是什么）。
没多久，四乙铅的生产工人便开始出现走路不稳、官能混乱的症状。这就是铅中毒的表现。
几乎在同时，四乙公司也立即采取了对策，他们一面息事宁人，一面坚决否认，这个对策竟很好地为这个公司掩护了几十年。麦格雷恩（Sharon BertschMcGrayne）写过一本引人入胜的书，叫《实验室中的普罗米修斯》。这本书中记录：每当有工厂的雇员产生了不可治愈的幻觉，公司的发言人就会对记者们老调重弹：“这些人很可能是由于工作太投入了，从而导致精神失常。”在生产含铅汽油的初期，就至少有 15 名工人死亡，生病的人数则从未公开过，而且一生病往往都是大病。每当出现令公司难堪的泄露、溢出、毒害事故，四乙公司总是会设法掩盖。所以准确的受害人数已无法弄清了。不过，想完全封锁消息也是不可能的。1924 年四乙公司发生了一次通风故障的事故，几天之内，就导致 5 个生产工人死亡，35 个或更多的人终生残疾。
当四乙公司的新产品具有危害性的传言四起时，正如日中天的四乙铅发明者米基利决定搞一次现场表演，以打消记者们的担忧。他一面大谈公司对安全的重视，一面往自己的手上泼洒四乙铅，还把一杯四乙铅在自己鼻子下面放了 60 秒。他宣称即便每天都重复这些动作也不会有什么危害。其实，米基利太知道铅的严重毒副作用了。而且他在几个月之前就因为过多暴露在四乙铅下得了严重的疾病，要不是为了安抚记者，他也是豁出去了，要是有其他办法，他是绝不会再去碰那些玩意的。
加铅汽油的成功让米基利深受鼓舞，他又把注意力转向了当时的另外一个技术问题。上世纪20年代的冰箱有极大的危险性，因为使用了一种很危险的有毒气体，有时会泄露。俄亥俄州克里夫兰的一家医院在 1929 年发生过一起冰箱泄漏事故，导致 100 多人遇难。米基利打算制造出一种替代气体，要求稳定、不易燃、不腐蚀、吸入无害。他竟又离奇地发明出了氯氟烃，简称为 CFCs。
历史上很少有一种工业产品像氯氟烃这样快速地受到了热烈拥抱。现在看来，这是很不幸的。在上世纪 30 年代早期，氯氟烃找到了一千种用途，广泛地进入到了各种产品中，从汽车空调直到除臭喷雾剂。但是半个世纪后，人们却发现氯氟烃正在吞噬平流层里的臭氧层，正如你已经知道的，这不是一件好事。
臭氧是氧气的另一种形式，一个臭氧分子含有三个氧原子（O3），而普通的氧气只有二个氧原子（O2）。它的化学性质有一点古怪。在地面上它是一种有害气体，但是到了大气层的平流层，就成了一种有益的气体，因为它可以阻挡危险的紫外线。然而有益的臭氧的总量并不十分丰富。如果把大气中的全部臭氧平铺在平流层中，只能形成一层不到2毫米厚的薄层，这就是为什么臭氧很容易遭到破坏的原因。
氯氟烃对臭氧的破坏力极为巨大。一克的氯氟烃可以捕捉和毁掉一万克的臭氧。氯氟烃的存活期也很长，平均可达一个世纪，持续地对臭氧层进行严重破坏。此外，氯氟烃还是一种效率极高的温室气体。一个氯氟烃分子所产生的温室效应是一个二氧化碳分子的一千倍。当然，二氧化碳也是一种很不错的温室气体。总之，氯氟烃很可能是 20 世纪最糟糕的一项发明。