如何給地球測(cè)年齡

文／神們自己 圖／圖蟲創(chuàng)意

如果想知道一個(gè)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?cè)撛趺醋瞿兀客瑢W(xué)們可能聽說過碳14 測(cè)年法，但關(guān)于它的運(yùn)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(gè)質(zhì)子和6 個(gè)中子，一共有12 個(gè)核子，所以我們叫它碳12。那么，碳14 又是什么呢？

化學(xué)家門捷列夫發(fā)明了元素周期表，這個(gè)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(hào)，因?yàn)樗? 個(gè)質(zhì)子。同樣的道理，氮元素在周期表上排7 號(hào)，因?yàn)樗? 個(gè)質(zhì)子。在一定條件下，元素的質(zhì)子數(shù)量會(huì)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(xué)問，就叫“化學(xué)”。

普通的氮元素，原子核里有7 個(gè)質(zhì)子和7 個(gè)中子。當(dāng)太陽發(fā)出的高能中子流轟擊地球時(shí)，有一定的概率會(huì)把空氣中的氮元素中的1 個(gè)質(zhì)子替換為1 個(gè)中子。這樣，氮原子核就變成了6 個(gè)質(zhì)子和8 個(gè)中子。因?yàn)樗? 個(gè)質(zhì)子，所以和碳的化學(xué)性質(zhì)完全相同，但它有14 個(gè)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(xué)反應(yīng)。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(dòng)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(huì)感到味道有什么不同。

既然如此，我們?yōu)槭裁床话烟?4 當(dāng)作另一種碳元素，和普通的碳12 一視同仁呢？因?yàn)樘?4 不太安分，它是有放射性的。它會(huì)放射出β 射線，最終衰變成氮。這個(gè)衰變過程非常緩慢，碳14 的半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年。也就是說，100 個(gè)碳14 原子，要等5730 年，才有50 個(gè)會(huì)發(fā)生衰變。

我們把放射性的碳14 當(dāng)作時(shí)鐘來使用。當(dāng)生物活著的時(shí)候，它體內(nèi)的碳14 含量應(yīng)該和環(huán)境含量相同。當(dāng)生物死后，碳14 會(huì)在體內(nèi)按固定的速度逐漸衰變，所以測(cè)定生物體內(nèi)碳14 的含量，再和環(huán)境含量對(duì)比一下，就能算出該生物死了多少年。舉個(gè)例子：假設(shè)在自然環(huán)境中，1 千克物質(zhì)含有100 個(gè)碳14 原子，現(xiàn)在考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一塊1 千克的骨頭，檢測(cè)到里面只有50 個(gè)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(cè)年法是考古界的基本操作。每當(dāng)打開一個(gè)墓穴，考古學(xué)家就會(huì)立刻把骨頭送到實(shí)驗(yàn)室里去測(cè)年齡。不光是骨頭，木材、紡織品、灰燼都可以測(cè)，因?yàn)樗鼈兌际侵参镏瞥傻模己写罅康奶肌?/p>

不過，碳14 測(cè)年法并不是萬能的。如果年代太久遠(yuǎn)，殘留的那點(diǎn)碳14 都衰變沒了，就沒法測(cè)了。一般來說，這個(gè)時(shí)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(cè)年法。因?yàn)楫?dāng)?shù)厍騽傂纬傻臅r(shí)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(huì)衰變成鉛207、鉛206。如果一塊石頭剛形成的時(shí)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(cè)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(cè)年法和碳14 測(cè)年法的原理如出一轍。不過，鈾的半衰期比碳長(zhǎng)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(cè)出它的年齡！

好消息是，這種剛形成時(shí)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。現(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?yàn)檎l也不知道這塊石頭是不是地球誕生時(shí)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(zhǎng)的時(shí)間里，在經(jīng)歷無數(shù)次巖漿活動(dòng)，板塊運(yùn)動(dòng)，地震、海嘯等地質(zhì)運(yùn)動(dòng)后，和地球同時(shí)誕生的石頭還會(huì)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(shí)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(yùn)動(dòng)摧毀。在引力的擾動(dòng)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(jìn)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(shí)的初始鉛含量。

5 萬年前，一塊30 噸重的鐵隕石砸到了美國(guó)亞利桑那州的惡魔峽谷。年輕的地質(zhì)學(xué)家克萊爾·帕特森在研究這塊隕石的樣本時(shí)發(fā)現(xiàn)，地球上的鉛含量比隕石高。根據(jù)兩者的含量對(duì)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(jì)算地球年齡，進(jìn)行交叉對(duì)比。經(jīng)過多年的努力，克萊爾·帕特森經(jīng)過對(duì)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(zhǔn)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(shí)間的考驗(yàn)，科學(xué)家們通過不同的測(cè)量方法，得到的結(jié)果都與之相差無幾。