地球的编年史

袁越

要想揭开人类起源的奥秘，首先必须掌握测年技术，这项技术相当于一把带有时间刻度的标尺，地质学家和考古学家们就是用这把标尺丈量深邃的时间，从而揭开了地球和人类的秘密。

深邃的时间

我上小学的时候，外公给我看了家里传下来的一本家谱，印象中那上面只记载了五六代人的姓名，再往前就没有了。但这本残缺的家谱让我突然开了窍，我意识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……如此这般可以无穷无尽地追溯下去，古书上记载的某个古人也许就是我的祖先。

1. 苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（摄于1776年） 2. 英国物理学家威廉·汤姆森（摄于1880年） 

3. 美国芝加哥大学物理学家威廉·利比（摄于1954年）

那段时间我接连做了好几个关于祖先的梦，但那些梦全都是支离破碎的，因为我不知道我的先人们长什么样，更不知道他们生活在怎样一个世界里。那是我第一次意识到历史和我的关系是如此紧密，但历史的时间跨度却又如此之大，远远超出了我的想象力。

我上中学的时候，第一次接触到了达尔文的进化论，知道人都是猴子变来的，猴子又是由更原始的生物变来的。于是我很自然地想到，如果一代一代地继续追下去，一定会追到某只猴子那里，再往下追的话甚至可能追到一只青蛙、一条鱼、一个细菌，甚至是某个比细菌更简单的生命体那里去！

这个想法突然让我感到一丝恐惧，我不知道应该如何去想象这无穷无尽的家族链，更不知道应该如何去面对这链条背后所代表的更加漫长的时间。

我上大学的时候，读了几本教科书之外的历史书，知道我在学校里学到的历史观叫唯物主义历史观，人类历史上还出现过很多不一样的历史观。比如，我相信父亲的父亲肯定也有父亲，家族链条是可以无穷无尽地一直延续下去的。但有不少古代文明却相信轮回说，他们认为时间不是线性的，而是一直在不停地循环往复，过去发生的事情每隔一段时间就会再来一遍。中北美洲的玛雅文明和古印度文明就是这类文明的代表，前者创立了一套独特的历法，用来描述循环往复的时间，后者则创造了一种全新的宗教，用来宣扬轮回理论。佛教正是从印度教中借鉴了这个理论，这才有了中国人熟悉的“积德”“造孽”和“报应”等说法。

一个有意思的小插曲是，根据古印度文献记载，印度教信徒相信一个轮回分为创造和毁灭两部分，每个部分都要经过43.2亿年的时间才能完成。稍微懂点科学的人都知道，目前公认的地球年龄是45亿年。这两个数字竟然十分接近，有人因此而认为古印度人是先知，其實这不过是一种巧合罢了，不足为奇。再说了，印度教的一个完整的轮回是43.2×2=86.4亿年，这个数字和地球的年龄就没什么关系了。

还有不少古代文明相信创世说，认为有个全知全能的上帝创造了我们所知的这个世界。这方面最典型的就是基督教，根据《圣经》里的记载，上帝花了5天时间造出了世间万物，又在第六天根据自己的形象用泥巴捏出了第一个人，并取名亚当，夏娃则是上帝用亚当的肋骨造出来的，人类这个物种就是这么开始的。17世纪的一位爱尔兰主教詹姆斯·乌舍尔（James Ussher）根据《圣经》中记载的各种人物的家谱关系，计算出上帝是在公元前4004年10月22日创造了地球。这位主教被当时的欧洲人公认为是一位学识渊博的神学家，他得出的这个数字被视为真理，于是当年的欧洲基督徒大都相信我们这个世界只存在了不到6000年。

17世纪的欧洲刚刚从中世纪的黑暗中走出来，地理大发现打开了欧洲人的视野，不少有识之士开始怀疑《圣经》的权威性，尝试着用理性思考代替宗教教条去认识这个世界，正是这批人揭开了欧洲启蒙运动的序幕。

这场运动的中心是号称“北方的雅典”的苏格兰首府爱丁堡，从这座城市走出了亚当·斯密、詹姆斯·瓦特和大卫·休谟等一大批思想家和科学家，对人类文明的发展做出了重要的贡献。苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James Hutton）也是从这个“爱丁堡文化圈”里走出来的一位启蒙运动重量级人物，他原本是一个农场主，在实践中逐渐意识到庄稼所仰仗的地表土壤来自岩石的不断风化和侵蚀，而当土壤颗粒等沉积物沉入地下后，又会在高温高压的作用下逐渐变成岩石，这是一个循环往复的过程，“没有开始，也没有结束”（No vestige of a beginning， no prospect of an end）。

1788年，赫顿发表了一篇重要论文，题目就叫《地球原理》（Theory of the Earth）。在这篇论文中他首次提出地球的形成过程并不神秘，而是和蒸汽机等机械一样，都是可以用基本的物理法则推算出来的。更重要的是，他相信地质活动是一个极其漫长的过程，地球的年龄远比6000年要长得多。

如今，赫顿被公认为是“古典地质学之父”，他提出的很多地质学基本概念都已得到了验证。后来一位名叫约翰·迈克菲（John McPhee）的美国作家发明了“深时”（Deep Time）这个词，很好地概括了赫顿的理论。

在赫顿之前，人们喜欢用“漫长”（Long）这个词来形容时间，但这个词不够准确，多长算长呢？6000年当然也可以算是很漫长的时间了，但这个时间跨度是人类凭经验仍然可以想象得出的。赫顿则认为，真正的地质时间远远超出了人类的想象力，地球的历史就像大海那样深不见底，用“深邃”（Deep）这个词来形容才是最恰当的。

深不见底还有个同义词叫深不可测。确实，赫顿时代的地质学只能做定性研究，因为当时的科技发展水平还很落后，无法给出定量的结论。但是，当启蒙运动把上帝这个角色排除出去之后，人们便意识到这个世界是客观存在的，支配世界运行的是客观规律，因此是可以被准确认识的。

说到认识世界，有两个基本问题是躲不开的。一个是这个世界有多大，另一个就是这个世界有多老。这两个定量的问题，毫无疑问都是有准确答案的，但对于一个刚刚从混沌时代走出来的人来说，这两个问题都无异于天问，只有上帝才能解答。

但是，正如达尔文曾经说过的那样：越是无知的人，就越会觉得很多问题都是不可能找到答案的。只有真正的智者才会相信任何问题都是可以被解决的，这样的智者虽然人数很少，但却是人类的进步之源。从17世纪开始，先后有好几位人类当中的佼佼者，主动向这两个天问发起了挑战。

地球的年龄

如果我们随便挑一所理工科大学，从里面随机挑选一名大学生，让他只用200年前的粗陋工具测出地球的年龄和大小，结果恐怕都会令人失望。这件事足以说明科学发展的速度是何等惊人，早在200多年前就已经超出了绝大多数现代人的知识范畴了。

这两个问题中，相对容易解决的是大小问题，毕竟这个世界是可以被直接观察到的，只要明白了其中的道理，答案显而易见。最先提出解决方案的是著名的英国天文学家埃德蒙德·哈雷（Edmond Halley）——对，就是哈雷彗星的那个哈雷。1677年，他在观测水星凌日（即水星从太阳表面经过）时突发奇想，如果地球上相隔较远的两个人观测同一个行星凌日现象，就可以通过不同观测点的时间差和距离差推算出地球到太阳之间的距离。当时的人们已经通过天文观测知道了太阳系各个行星轨道的相对比例，只要知道其中任何两个星体之间的准确距离，就可以估算出整个太阳系的大小了。

不过，地球上能看到水星凌日的范围有限，哈雷提议通过观测金星凌日来解决这个问题。在他的倡议下，欧洲各国同时派出了十几支考察队去到世界各地，观测了1769年发生的金星凌日，测出地球到太阳之间的距离大约为1.5亿公里。要知道，当时的环球旅行很不容易，为了得到这个结果，无数人献出了自己的生命。不过，正是从那次测量开始，人类终于知道太阳系实在是太大了，地球只不过是茫茫宇宙中的一粒尘埃，人类的世界观从此发生了根本的改变。

1.英国发明家詹姆斯·瓦特在修理纽科门蒸汽机，并对它做出重大改进2.苏格兰哲学家大卫·休谟（摄于1770年）3. 英国天文学家埃德蒙德·哈雷

第二个问题，也就是这个世界的年龄问题，因为不可能直接观测，所以难度要大得多。最先尝试解决这个问题的人名叫艾萨克·牛顿（Isaac Newton）——对，就是那个著名的牛顿。他虽然是个物理学家，但对任何富有挑战意义的科学问题都很感兴趣。当时的人们已经知道地球曾经是个炙热的大铁球，牛頓找人制作了一只直径1英寸（约等于2.54厘米）的小铁球，通过实验知道这只铁球从红热状态冷却到室温要花至少一个小时。他把这个数据换算成地球的大小，得出的结论是5万年。虽然还是太短，但已经比乌舍尔主教的6000年长了很多了。

但是，牛顿毕竟不是热力学家，他的算法存在很多漏洞。最终还是一个名叫威廉·汤姆森（William Thomson）的人出马，这才给出了一个更为可信的结论。提起汤姆森大家可能不太熟悉，但他后来的封号“开尔文男爵”（Lord Kelvin）大家一定很熟悉——对，就是热力学温标单位的那个开尔文。这位男爵一生勤勉有加，在很多领域都做出过杰出的贡献。他的最大贡献首推热力学第一定律（能量守恒）和第二定律（孤立系统熵增加），这是热力学领域的两个极为重要的定律，不但为现代物理学奠定了基础，还为英国工业革命的两大基石——蒸汽机和电动机找到了理论依据。

不用说，开尔文男爵是权威中的权威，当他通过自己的计算得出了9800万年这个数字后，便很少有人敢反驳他了。后来还是一位来自美国的科学家指出，地球内部的压力非常大，散热效率会因此而不同，经过他修正后的结果是2400万年。但开尔文从一开始就知道他的计算误差非常大，所以给出了2000万年到4亿年这样一个巨大的误差范围。2400万年处于这个范围以内，所以开尔文并没有表示反对。

除了热力学方法之外，来自爱尔兰的地理学家约翰·乔利（John Joly）还提出了测量海水含盐量的方法。他假定地球诞生初期海水都是淡水，此后河流不断把陆地上的盐分带进海中，日积月累海水便成为盐水了。他计算了全球所有河流的输盐量，再和现在的海洋总盐量做对比，得出了9000万年这个数字。

另一个值得一提的方法是乔治·达尔文（George Darwin）提出来的——对，就是那个著名的查尔斯·达尔文的儿子。他假定月球是在地球形成初期自转速度还很快的时候被甩出去的，此后两者的引力相互作用导致减速，最终达到了现在这个相对较慢的自转速度。他根据这个理论计算出来的数字是5000万至6000万年，和其他算法的数量级差不多。

现在我们知道，这几个数字距离真实年龄都差了两个数量级，原因在于当时的科学家们对于这个世界的了解还不够充分，前提条件是错误的。比如开尔文男爵采用的热力学计算法就至少犯了两个错误：一是没有考虑到地球内部岩浆的对流，这会改变热传导的速率;二是没有考虑到地球内部蕴含的放射性元素所导致的持续增温效应。有趣的是，最终正是后者帮助人类测得了地球的真实年龄。

法国物理学家居里夫人（摄于1912年）

放射性现象很可能是人类近100多年来所发现的最重要的自然现象，放射性（Radioactivity）这个词虽然是居里夫人发明的，他们夫妇二人也对放射性现象的研究做出过卓越的贡献，但真正在理论上把这一现象解释清楚的人还得说是出生于新西兰的英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford），他被公认为“核物理之父”，正是他第一个意识到产生放射性的原因是原子核裂变，这一过程不但改变了原子的属性，还会产生巨大的能量，这就预言了原子弹的诞生，还顺带解释了地球内部为什么温度一直如此之高。

有个小插曲很有意思。1904年，年仅35岁的卢瑟福应邀去伦敦皇家学会（相当于英国科学院）发表演讲，事先他准备在会上提一下放射性元素会产生热量的新发现，并以此来解释为什么开尔文男爵计算的地球年龄有误差。没想到开尔文那天也在场，卢瑟福心里十分紧张，因为开尔文是公认的学术权威，当年还是个初生牛犊的卢瑟福可不敢得罪这位当时已经80岁的泰斗级人物。演讲到中途，卢瑟福发现开尔文的眼睛闭上了，他以为老先生睡着了，于是便大着胆子讲起了地球年龄的问题。谁知原来一直在闭目养神的开尔文突然睁开了眼睛，把讲台上正在侃侃而谈的卢瑟福惊出了一身冷汗。卢瑟福灵机一动，马上改口说其实开尔文男爵很早就在论文里指出，他那个热力学测年法只有在地球内部没有新的热源的情况下才是正确的，所以正是开尔文男爵最早预言了放射性现象的存在！讲到这里，卢瑟福用眼角余光扫了一眼开尔文，只见他坐直了身子，脸上露出了赞许的微笑，卢瑟福这才长出了一口气。

不过，开尔文男爵并没有认错，他直到生命的最后一刻仍然坚信自己的计算是正确的，地球只有几千万年的寿命。从这个例子可以看出，科学家绝不都是一些不食人间烟火的怪人，科学圈也和其他任何圈子一样，存在着权威打压小辈的情况。一个年轻人提出的新理论要想成功上位，需要克服很多意想不到的困难。

再接着说卢瑟福。他对放射性研究所做的最大贡献就是首次提出原子核衰变遵循的是严格的指数规则，即衰变速率只和未衰变原子核的数量成正比，和环境温度、压力、化合物分子式等等物理化学属性均没有任何关系。这个发现促成了半衰期这个概念的出现，为人类最终发明出放射性測年法奠定了理论基础。

简单来说，如果一开始我们有400万个A原子，100年后只剩下了200万个，其余的都衰变掉了，那么我们就可以说，A原子的半衰期是100年，即每100年衰变一半。再过100年之后，我们手里会剩下100万个A原子，再过100年还会剩下50万个，依此类推。于是，假定我们知道某件物体在初始状态时含有400万个A原子，某个时间点测量的结果是100万个A原子，我们就可以知道这个时间点距离初始状态刚好过去了200年。

当卢瑟福发现放射性的这个秘密之后，立刻就意识到这是大自然为人类提供的一台调校精准的天然计时器，如果科学家能够找到解读这座时钟的法门，就可以测出地球的年龄了。卢瑟福是一个动手能力很强的人，他立即开始尝试用这个方法测量岩石的年龄。他从地质学家朋友那里弄来几块年龄很老的石头，测量了蕴藏在岩石中的氦气的质量。当时他已经知道铀裂变后会生成氦气，只要测出岩石中氦的含量，就可以估算出岩石的年龄了。

1905年，卢瑟福在耶鲁大学做了一个关于放射性测年的科学报告，首次向全世界介绍了放射性测年的原理。初步测量结果显示，那几块岩石的年龄都在5亿年以上，比开尔文的测量结果大一个数量级。即便如此，卢瑟福仍然坚持认为地球的实际年龄肯定比5亿年还要长，因为岩石中的氦气很可能会漏掉一部分，导致测量结果偏小。事实证明卢瑟福是对的，地球寿命比5亿年还要再大一个数量级。

虽然卢瑟福是第一个用放射性原理估算岩石年龄的人，但他兴趣广泛，很快就把注意力放到其他地方去了。此后爆发的两次世界大战导致全球动荡，没人再有心思研究这事了，直到“二战”结束后，这才有人重新开始琢磨如何解读这座天然时钟，地球的秘密终于被揭开了。

碳-14测年法的诞生

上一章的叙述方式很可能会给读者留下一个“放射性测年很容易”的印象，其实这个方法难度极大，原因在于科学家面对的是在大自然中含量极低的放射性同位素，对于测量仪器的灵敏度和精确度的要求都特别高。另外，对实验材料初始状态的判定也是一件非常困难的事情，所以最先取得突破的并不是自然界最常见的放射性同位素铀，而是碳-14。

碳-14最初是被美国加州大学伯克利分校的化学家马丁·卡曼（Martin Kamen）发现的，他为了研究光合作用机理，需要找到一个方法标记碳原子。自然界的碳原子大都是没有放射性的碳-12，但是地球高空大气中的氮气会在宇宙射线的轰击下源源不断地转变成具有放射性的碳-14，其分子量虽然比碳-12大，但化学性质和碳-12 几乎是一样的，非常适合用来作为碳原子的标记物，研究有机化学反应的细节。

卡曼发现碳-14的事情被芝加哥大学的物理学家威廉·利比（William Libby）知道了，他立刻意识到碳-14的性质非常适合用来测年，只要假定大气层中的碳-14含量是恒定的就行了。已知任何生命体中都含有碳，这些碳原子归根结底全都来自空气中的二氧化碳，通过光合作用被转化成了有机碳，所以任何活着的生命体内的碳-14和碳-12的比例都是和大气中的比例是一样的。一旦生命体死亡，它和环境的碳交换便终止了，从此体内的碳-14只衰减，不增加，只要测出剩下的碳-14的比例，就可以知道生命体是何时死亡的。

这个思路并不难想到，利比的贡献在于，他意识到碳-14是一种具有放射性的微量元素，其含量可以通过专门测量放射性的盖革计数器间接地测出来。盖革计数器非常灵敏，可以测出极其微弱的放射性强度。否则的话，死亡生命体中含有的痕量碳-14是很难称量的。

只要想到这一层，剩下的事情就相对简单了。利比先测出样品中含有的碳元素的总量，然后再用盖革计数器测出其中含有的碳-14的含量，就可以推算出样品的年龄了。为了提高灵敏度，减少环境背景辐射导致的误差，利比在样本外面安装了一圈盖革计数器，先测出当时的背景辐射值，再从测量值中减去就行了。

当然了，这事现在说起来容易，当年做起来还是很困难的。自然界每一万亿个碳原子中才有一个碳-14，每克碳中含有的碳-14每分钟只会发生14次核裂变，碳-14的半衰期是5730年，也就是说5730年前的样品中的碳-14就只剩下一半了，这样的一克样品用盖革计数器测的话每分钟只能记录到7个信号，一不留神就错过了。当年还没有发明出自动测量仪，研究人员经常要整日整夜地守在盖革计数器前记录信号，工作辛苦而又枯燥。好在利比招来的博士后研究员吉姆·阿诺德（Jim Arnold）是一个对古埃及历史非常着迷的业余考古学家，他深知这项技术对埃及学研究的重要性，所以工作的时候特别忘我。

1942年6月，美国开始实施研制原子弹的“曼哈顿计划”。图为彼时美国田纳西州东部橡树岭核工厂的工人们

经过两年没日没夜的工作，利比觉得这个方法成熟了，决定实际应用一次。他们选择的第一个具有考古意义的样本来自纽约大都会博物馆收藏的古埃及法老的木质棺材，送来这件样品的博物馆馆长不知道阿诺德熟知古埃及历史，一眼就猜出了样本的大致年龄。不过阿诺德还是认认真真地测了一次，得出的结果是4650年，和他自己的估算值相当吻合。

据阿诺德事后回忆，那是1948年6月的一个星期六的下午，同事们都回家了，只有他独自一人留在实验室里做计算，当他最终得到了那个神奇的数字后，屋子里却没人能够分享他的喜悦。他意识到全世界只有他一个人知道放射性测年法是正确的，从此人类终于可以为历史文物标上准确的时间刻度了。“整个下午我都处于一种癫狂的状态中，不停地在屋子里走来走去，”阿诺德回忆说，“人，就是为这样的时刻而活着的。”

利比将这次测年的结果写成论文，发表在1949年3月出版的《科学》杂志上。不用说，这篇论文立刻在学术界引起了轰动，但利比并不放心，仅此一件样品还不能說明问题，万一是巧合呢？于是他给芝加哥大学历史系的一位老教授打电话求助，后者给他送来一块据说来自古埃及的家具样品。没想到测年的结果令他大跌眼镜，这件样品的放射性太强了，几乎和来自当代的木头差不多。利比反反复复测了好几次都是如此，那段时间他的心情沉重极了，以为这个方法没戏了。一个月之后，他忍不住跑到那位老教授那里求解释，后者听后大笑一声，说道：“你很可能是对的！这件样品来自一个开罗的古董商，我一直怀疑他有造假的嫌疑！”

据利比回忆说，他当时差点打了这位老教授一拳。

这个小插曲虽然结局很美好，但却让利比看到了放射性同位素测年法的巨大威力。从此他为自己立了个规矩，坚决不测具有宗教意义的样品，因为他不愿得罪教徒，怕惹麻烦。事实证明利比的担心有些多余，宗教和科学本来就是互相抵触的两件事情，教徒是不会相信科学测年法的。举例来说，被基督教徒和天主教徒视为圣物的耶稣裹尸布曾经被3家实验室独立地测过，结果都证明这是一件来自13或者14世纪的样品，不可能是真品，倒是和它的发现年代一致。但教徒们根本不信，这件圣物至今仍然保存在意大利都灵的一座教堂里，每年都有成千上万的教徒专程过来瞻仰。

1949年底，利比的第二篇论文在《科学》杂志上发表了。这次他测了6件文物样品，结果全都和它们的已知年代非常相符。从此放射性测年法终于在全世界范围内火了起来，无数人拿来各种样品请他们测。利比不得不专门成立了一个顾问委员会，负责筛选最适合测年的样品。

随着样品数量的增多，利比逐渐发现不少结果不太准确，似乎存在系统性的误差。后续研究找到了两个主要原因：第一，碳-14测年法对污染非常敏感，如果样品被新的微生物污染了，哪怕只有一点点霉斑，都会导致测量数据严重失真，尤其是年代久远的样品，碳-14含量本来就少，稍微有一点污染都会带来很大偏差。

第二，碳-14测年法的一个重要假定就是大气中的碳-14浓度不变，但研究表明这个值不是恒定的，而是和宇宙射线的强度成正比。不过这个缺陷不是致命的，只要科学家想办法搞清楚地球历史上宇宙射线的强度变化情况，就可以对测量数据进行校正，得到正确的年代。

这件事说起来容易，做起来很难，最终是一位来自奥地利的核物理学家汉斯·苏斯（Hans Suess）利用树木年轮作为对照，解决了这个问题。他发现树木年轮的粗细和当年的气候因素密切相关，所以同一地区的所有树木均会表现出同样的变化模式。只要掌握了其中的规律，再和收集到的古老树干进行对比，就可以通过拼接的方式构建出很长的历史时间段内的年轮规律。举例来说，某地区一棵老树已经活了1000岁，科学家分析了这棵树的年轮，构建出了该地区最近1000年来的气候变化规律，如果再能找到一棵已经死亡了几百年的千年老树干，找出和那棵活树相对应的部分，两者拼接起来，就有可能构建出过去1500年的气候变化曲线。依此类推，长达几千年的树木年轮史都可以通过这种方式被构建出来。

苏斯知道，树干的年轮部分是死的，一旦形成就不再和外界进行碳交换了，于是苏斯从已知年龄的古树年轮组织中采样，测了碳-14，再和该年轮所对应的年代相对比，就可以知道当年的宇宙射线强度和现在的标准值相比到底有多大的差距，从而画出历年宇宙射线强度的校正曲线。苏斯早在1969年的时候就利用这个办法做出了过去7000年的宇宙射线校正曲线，后来世界各地都有人做出了类似的曲线，结果都差不多。这可不是巧合，而是说明这种校正方法是可靠的，因为各地的局部气候虽然不同，但宇宙射线的强度应该是一样的。

总之，碳-14测年法的出现彻底改变了考古学的面貌，从此人类的手中便多了一杆时间标尺，终于可以把重要的历史文物标上年份了，学过历史的都知道这件事的意义究竟有多么大。

更重要的是，这项技术的出现彻底改变了人类的世界观。以前人们普遍相信过去发生的事情如果没有文字记录的话是不可能被后人知道的，测年法几乎相当于一部时间穿梭机，让现代人能够穿越回古代去见证历史。利比教授堪比穿越小说里的魔法师，他向世人证明，科学比魔术厉害多了，因为只有科学才能把想象真的变为现实。

为了表彰利比对科学发展做出的杰出贡献，诺奖委员会将1960年度的诺贝尔化学奖授予了他。对，真的是化学奖，虽然利比是如假包换的物理学家。不过，利比并不是第一个被授予化学奖的物理学家，卢瑟福早在1908年就拿到了诺贝尔化学奖。这两位跨界人士都是研究放射性的，这不是巧合，因为放射性是一种元素转变成另一种元素的唯一途径。当年还有一位物理学家也想改变元素的属性，他就是花了后半生的时间专心研究所谓“炼金术”的牛顿。可惜他那个时代不太可能发现放射性，所以炼金术注定会以失败告终。但我们不能因此而责怪牛顿晚节不保，科学研究就是这样，在得到结果之前谁也不敢保证自己的研究方向是正确的，我们不能仅凭成果论英雄，应该鼓励科学家勇于尝试新领域，即使失败了也是有意义的。

下面这个故事就是一个很好的例子。

铀铅测年法的意外之喜

碳-14测年法有个无法克服的困难，那就是可测量的年代范围极为有限。因为碳-14的半衰期只有5730年，超过4万年的样品中含有的碳-14就非常少了，测量结果会很不可靠。科学家们迫切需要找到新的放射性同位素，能够把人类的目光导向更遥远的过去，去丈量那深邃的时间。

于是，半衰期长达数亿年的铀再次登上了测年的舞台。

最早在这个领域取得突破的是芝加哥大学的核物理教授哈里森·布朗（Harrison Brown），他的办公室就在利比的隔壁，两人经常在一起讨论问题，双方都获益匪浅。事实上，前文提到过的利用年轮来校正碳-14测量曲线的苏斯也来自芝加哥大学，这可不是巧合。

众所周知，美国在“二战”期间实施了曼哈顿计划，最终制造出了世界上第一颗原子弹。芝加哥大学被美国政府指定为曼哈顿计划的一个重要的研究中心，聚集了一大批优秀的核物理学家。战后这批人并没有离开芝大，而是在校长的挽留下继续留在这里从事与核物理有关的科研工作，其中就包括新兴的放射性测年研究。

利比和布朗都是这么留下来的。既然好友利比研究的是几万年以内的测年技术，布朗便决定把目光放远一点，研究地球的年龄，半衰期很长的铀自然成为突破口。已知铀的衰变终产物是铅，这两个元素都必须准确地测出来，于是布朗教授招来了两名研究生，共同负责这个项目。一人名叫乔治·提尔顿（George Tilton），负责测量岩石中的铀，另一人名叫克莱尔·派特森（Clair Patterson），负责测量岩石中的铅。

虽然铀是岩石中含量最高的放射性元素，但绝对含量仍然是非常小的，作为终产物的铅含量就更低了，因此铀铅测年法面临的最大障碍就是如何准确测量铀和铅的含量。后来科学家们又发现，大自然中含有的铀同位素有3种，铅有4种，这就更增加了工作的难度。布朗教授之所以招来这两位研究生，就是因为两人都曾经在曼哈顿计划中工作过，并因此而掌握了一门神奇的技术，正好可以派上用场。

这项技术就是大名鼎鼎的质谱测定法（Mass Spectrometry）。顾名思义，这个方法的目的就是测量同位素的质量。举例来说，给你一块含铀矿石，如何才能知道其中到底含有多少铀-235、有多少铀-238呢？用质谱仪测一下就行了。这个方法的工作原理早在19世纪末期就搞清楚了，但真正被用于实践则是曼哈顿工程的贡献。这个例子从一个侧面说明，战争对于人类而言也不全是灾难，很多日后造福人类的重大科技进步都是在战争期间被发明出来的，质谱仪、计算机和抗生素等等都是如此，核电站更是与曼哈顿计划有很大关系。

布朗教授的两位研究生利用自己在“曼哈顿计划”中学到的技能，开始尝试用质谱仪测量铀和铅的质量。提尔顿首先完成了任务，但派特森却进展缓慢，测量结果总是有很大的误差，尝试了很多次都不行。按照常理，提尔顿是个胜利者，应该被歌颂，派特森是个失败者，很快就会被历史遗忘，但科学是经常不按常理出牌的一门学问，派特森并没有放弃努力，终于在尝试了一年之后，意识到问题可能出在污染上。不知什么原因，他的实验设备、工作人员的衣服甚至实验室的空气中都含有微量的铅，這些铅在通常情况下不会干扰物理实验，但他测的是极其微量的铅原子，这才惹了麻烦。

右图：美国地质化学家克莱尔·派特森。他不仅测出地球的准确年龄，而且推动美国禁止含铅汽油的销售

进一步研究发现，这些痕量的铅来自含铅汽油的大量使用。上世纪20年代有人发现如果在汽油中混入一定比例的四乙基铅，可以提高汽油的辛烷值，改善发动机的抗爆性能。随着含铅汽油的大量使用，人工添加的铅混在汽车尾气中进入了大气层、土壤和地表水中，导致现代人体内的铅含量比古代人高了1000多倍。

当时的医学研究已经证明，铅是一种对人体有害的物质，尤其会影响儿童的神经系统，对青少年智力发育带来不可逆的危害。石油公司当然知道这件事，但他们为了赢利，极力掩盖这个事实，直到派特森的研究结果证明铅污染已经无处不在，并将这一事实报告给了政府和公众，这个谎言这才终于被戳穿了。

一个值得深思的细节是，布朗教授从石油公司那里获得了不少赞助，因为石油公司觉得这项研究能够帮助他们寻找新的油田。但当派特森发现了铅的问题后，石油公司立即停止了资助。不但如此，石油公司还暗中给美国政府施压，强迫他们削减给布朗实验室的研究经费，好在美国政府顶住了压力，派特森的实验这才得以继续进行，并直接促成美国政府于1975年颁布了新法规，禁止新车使用含铅汽油，强迫石油公司研制更安全的汽油抗爆技术。

派特森的师祖、芝加哥大学著名的美籍意大利物理学家恩里克·费米（Enrico Fermi）曾经说过一句话：“如果你做了一个实验，得到了你想要的结果，那么你只是完成了一次实验而已。但如果你做了一个实验，得到了你意想不到的结果，那么你就有了一个新发现。”派特森的故事再次验证了费米的远见卓识，这位1938年的诺贝尔物理学奖得主的确是科学史上罕见的天才。

更有意思的是，派特森本来从事的是一项和公众健康没有任何关系的纯理论研究项目，最终却拯救了无数人的身心健康。这个例子再次说明，科学研究是很难预知结果的，那些看似没有实用价值的纯理论研究，最终往往会以一种让人意想不到的方式彻底改变人类的生活。

言归正传，接着讲铀铅测年法的故事。派特森找到了误差来源之后，想办法解决了这个问题，测出了岩石中的铅的含量。再后来，他采用了一种从铀铅测年法推导出来的铅铅测年法测量了陨石内含有的铅同位素的含量，并和地球岩石做对比，终于测知地球的年龄是45.5亿年。

不用说，当布朗教授把这个结果发表出来后，立刻引起了全世界的广泛关注，但与此同时，这个结果也遭到了很多人的质疑，全球有多家实验室都试图证明这个结果是不正确的，但试来试去却反而证明了这个结果的正确性。

如今45.5亿年这个数字已经成为科学界的共识，但相信这个数字的人远比相信碳-14测年法的人要少，原因在于碳-14测年法是被古文献和树木年轮校正过的，两者都是直观信息，可信度较高，普通人也很容易理解。地球的年龄则太过深邃，很难通过直觉去理解它。但其实铀铅测年法的逻辑链条也是非常完整的，对于专业人士来说可信度也很高。可惜绝大多数老百姓都只愿意相信自己能理解的事物，可他们的理解力又因为知识面太窄而不足，所以才会有那么多人不相信科学测年法测出来的数字，宁愿选择相信古人根据《圣经》推算出来的结论。

上面这个矛盾在人类起源的探索过程中也经常会遇到，这也是为什么关于历史或者未来的科普比关于当下问题的科普要难做很多倍的原因。多数人都更愿意相信“眼见为实”，没有意识到自己的眼睛往往很不可靠，逻辑推理的力量要远比自己的那点可怜的人生经验要强大得多。

地球的断代工程

利比和布朗分别解决了地球历史上最近和最远年代的测年问题，中间这漫长的45亿年该如何解决呢？

让我们再次回到牛顿的时代，他当初之所以选择用烧红的铁球估算地球年龄，原因在于他相信地球形成初期就是这样的。这个想法可不是他凭空捏造出来的，而是英国煤矿工人的功劳。英伦三岛盛产煤炭，这也是工业革命之所以首先诞生在英国的原因之一。煤矿工人们发现，随着矿井越挖越深，温度也越来越高，他们很自然地猜测地球内部一定是非常炙热的岩浆，现在我们知道这个想法是正确的。

除了这个发现外，煤矿工人们还发现地下岩石是分层的，各层之间的分界线非常清晰。17世纪中期有一位名叫尼古拉斯·斯丹诺（Nicolas Steno）的丹麦学者认为，这些分界线的存在说明岩石材料都是从水里慢慢沉积下来的，所以最早的岩层分界线都是水平的，而且越往上年纪越轻。这个推理现在想来可能不觉得怎样，在当时可是一个革命性的想法，斯丹诺因此被尊称为“地层学之父”。

下一个突破来自英国人威廉·史密斯（William Smith），他是一位地质工程师，经常跟随矿工下井，发现了很多化石。过去欧洲人一直认为化石是上帝造出来逗大家玩的，因为这些化石虽然很像某些现在还活着的生物，但却又有很多明显的不同。到了17世纪，终于有人意识到这些化石很可能是曾经在地球上生活过的古生物的遗骸，如今已经灭绝了。

史密斯更进了一步，他发现矿井内的地层厚度虽然不一样，但化石出现的顺序都是一致的，完全可以根据化石的不同把全英国的地质层面纳入同一套体系之中。1799年他出版了世界上第一本着色的地层图，1813年又出版了至今仍然没有过时的英格兰、威尔士和苏格兰地层图，从此一门崭新的学问——生物地层学诞生了。

要知道，进化论当时还没有问世，但史密斯已经意识到化石可以按照时间来排序，这是个非常了不起的发现。英国著名地质学家查尔斯·莱尔（Charles Lyell）就是在史密斯的启发下，写出了那本划时代的著作《地质学原理》。年轻的达尔文在乘坐“小猎犬号”帆船环游世界时，行囊里就装着这本书。我们甚至可以说，正是这本书中提出的思想，启发了达尔文写出了《物种起源》。

到了19世紀中期，第一张地质年表终于被地质学家们构建出来了。最开始的年表很简单，即最古老的为第一纪，距离我们最近的为第四纪。之后，随着知识的更新，大家耳熟能详的寒武纪、侏罗纪、更新世之类的名词也开始出现了。毫不夸张地说，这张年表是地质学对人类所做的最大贡献，因为它为人类了解地球历史提供了一个基本的框架。从此，无论是地球的发展史还是生命的进化历程都可以在这个框架内被讨论了。

关于地质年表的故事完全可以单独写一本书，本文的读者只需要知道两件事就行了。第一，起码从化石层面来看，生命的进化过程似乎不是连续渐进的，而是被分成了一个个阶段，每个阶段都始于一次物种大灭绝事件，绝大部分在上个阶段称霸地球的物种都消失了，代之以一大批全新的物种。第二，每一种化石都是和周围的沉积物一起被埋入地下的，因此每一种生物生活的年代都可以通过对同一层沉积物的测年而被估算出来。

当然了，19世纪时的地质学家连最基本的测年法都没有掌握，他们只知道各种化石出现的相对顺序，对每一个地质年代的具体时间一无所知。直到放射性测年法出现后，人类终于知道了各种生命类型出现的时间，这为科学家研究生命的进化过程提供了重要依据。

下面简要介绍四种比较常见的岩石测年法。

第一，铀系法。自然界含量最高的铀同位素是铀-238，这种同位素在衰变为终产物铅-206之前，还要经过8次核裂变，每次均会释放出一个氦原子。这一系列衰变的中间产物都可以用来测年，铀系法因此得名。此法比较适合用来测定碳酸盐地层的年代，常用于测量洞穴堆积物、骨化石和牙齿化石的年龄，在古人类化石研究中有着广泛的应用，前言中提到的道县牙齿化石的年龄就是用铀系法测出来的。

第二，钾氩测年法。钾是地壳中含量很高的一种放射性元素，钾-40会衰变成氩-40，后者是一种气体，因此火山喷发时熔岩中原有的氩气都会挥发掉，这就相当于一次清零的过程。当火山熔巖重新凝结成固体后，新生成的氩气会被禁锢在岩石中，再也跑不掉了。只要测出火山岩或者火山灰中氩气的含量，再和其中含有的钾做对比，就可以算出上一次火山爆发究竟发生在何时。这个方法非常适合于测量被火山灰覆盖的化石年代，人类化石的热点地区东非大裂谷恰好就是著名的地质活跃带，曾经发生过很多次火山爆发，用这个方法可以很精确地测出夹在火山灰层之间的化石年龄。

第三，古地磁测年法。地球磁场不是恒定不变的，其强度和方向一直在不停地变化，历史上甚至还发生过多次南北磁极彻底颠倒的现象。研究显示，最近的一次磁极翻转发生在78万年前，算是间隔比较久的一次了，因此科学家们预计下一次磁极翻转很可能即将发生，年轻读者也许会在有生之年亲眼看到。地壳中的很多矿物质都有磁性，它们在受热后冷却或者沉积的过程中会因为地球磁场的影响而表现出一定的方向性，这就相当于把那一时刻的地球磁场的方向和强度记录了下来。地质学家们在采集样品时先记录其方向，再在实验室里测量样品的剩磁方向，就可以知道该岩石样本在形成或沉积时地球磁场的极性。最后再将这个信息放在已经建立好的地球磁极变化历史框架内，就可以知道该样本的大致年代了。

第四，光释光测年法。自然界的大部分晶体里肯定都会有杂质和缺陷，这些杂质和缺陷会把路过的电子吸引过去，并滞留在那里。此时如果遇到诸如加热或者强光的照射，这些电子获得了能量，就会一哄而散，消失殆尽。太阳光是很强的光源，所以这些晶体一旦暴露在阳光下，就相当于完成了一次清零的过程。此时如果用土把晶体盖住，让它再也见不到阳光，那么泥土中的微量放射性元素的衰变所释放的电子就会一点一点地被晶体缺陷吸引过去，并储存在那里，储存量和时间成正比，直到饱和为止。考古学家只要把和化石埋藏在同一地层的土壤保存在不透光的容器中运回专门的光释光实验室，分离出土壤中的矿物晶体，用不同波段的光一照，储存在晶体中的电子就会以光的形式释放出来，释放出的光越强，这个晶体距离上一次见光的时间就越久。这个方法非常适合测量含有石英和长石晶体的沉积层的年龄，前言中提到的许昌人头骨化石的年龄就是用这个方法测出来的。

有了上述工具，科学家们终于知道了所有地质年代的时间跨度，也可以相对准确地测知几乎所有化石的生存年代。至此，舞台和道具都已准备好了，就等考古学家和人类学家们登场，为我们解开人类起源之谜。