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古代的推測與宗教信仰

在人類文明的早期，地球的起源和年齡一直籠罩著神秘的面紗。古人通常借助神話、宗教和傳統故事來解釋這些問題。例如，中國神話中講述盤古開天辟地；印度教中提及梵天造宇宙；而古埃及傳說則講太初之水孕育出諸神。

圖：盤古開天辟地（《三五歷紀》記載：天地渾沌如雞子，盤古生其中。萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地。盤古在其中，一日九變，神于天，圣于地。天日高一丈，地日厚一丈，盤古日長一丈，如此萬八千歲。天數極高，地數極深，盤古極長，后乃有三皇。數起于一，立于三，成于五，盛于七，處于九，故天去地九萬里）

在西方基督教文化中，《圣經·創世記》描述了上帝用六天創造天地萬物的過程。對當時的人們來說，地球是神圣而永恒的，因此“科學”地測定其年齡顯得匪夷所思。

在這種背景下，科學與信仰的邊界顯得模糊不清。

17世紀，愛爾蘭大主教詹姆斯·烏雪（James Ussher）試圖通過圣經文本為地球“定年”。他詳細考察了《舊約》中的人物世系和年限，以新巴比倫國第三任君主以未米羅達的登基為基準（即公元前563年），再加上一些天文歷法的知識，統一了《圣經》與正史的時間線得出了一個，他自認為“精確無比”的結論-世界是在公元前4004年10月23日的夜晚被創造出來的。這一計算獲得了當時許多神學家的支持，甚至一度成為歐洲主流的地球年齡觀，在教堂和學院中被當作真實的歷史依據而普遍接受。

前篇回顧

古老巖石為何不肯“說出”地球的年齡？

地球從未開口講述過自己的年齡。它只是默默地讓高山隆起又消失，讓海洋泛起又退去，讓大陸漂移、火山噴發、冰川推進再退縮……在這顆蔚藍星球的漫長歷史中，一切都在不斷變動，幾乎沒有哪塊巖石能安然無恙地穿越整段時光。

就像一個反復翻寫的手稿，地球的造山運動撕碎最古老的頁面，風雨與板塊運動將“初稿”揉進新的地質章節。你想讀它最初的一句話，就會發現那句話已被重寫百次，筆跡模糊、原意難尋。

圖：演化的地球巖石 （圖片來源： STEM Action Center 官方網站，《Evolution of Earth》，作者 Julienne Bailey）

正因為如此，當科學家嘗試通過最古老巖石推算地球年齡時。他們很快就發現，大多數地球巖石都經歷過強烈的變質、熱液活動，甚至重新形成。這些過程會“重置”放射性系統，就像把鐘表撥回了零點，失去了對地球最初時刻的記錄能力。

例如，被譽為地質年代學奠基人的 Arthur Holmes 曾在20世紀初測定一批地殼巖石的年齡，作為地球年齡的下限，結果大多落在15億年以下。他據此估算地球年齡為16億至30億年——比今天所知的46億年低了整整近一半。

無獨有偶，在格陵蘭的 Isua 超殼帶和加拿大的 Acasta 片麻巖中，科學家也曾測出超過38億年的數據，一度以為找到了“地球的最初記憶” 。但后續研究表明，這些巖石中的放射性系統已被熱液流體重塑，測得的年齡反映的是后期改造事件，而非地球真正的“最古老巖石”（注：這個工作是地球年齡被測出多年以后才做的，盡管樣品受到后期改造并非地球的“最古老巖石”，但它仍為地球早期歷史提供重要的直接證據）。

雖知路漫漫其修遠兮，但科學家卻不會畏縮不前。

當地球巖石的放射性“鐘表”走不準，

科學家把目光投向星空

在地球這本“手稿”中尋找開篇的那一頁，越來越像一場徒勞。科學家開始意識到：也許要想知道地球究竟多老，不能僅僅依靠地球自身。

隨著對放射性衰變研究的深入，科學家逐漸認識到地球上的鉛有不同的成因和來源。簡單來說，一部分是“原始鉛”，自地球誕生之初便已存在；另一部分則是在漫長歲月中由鈾、釷等放射性元素衰變而來，是“成長中的鉛”。

鈾衰變成鉛的過程是有規律可循的：我們已知其速度（衰變常數）和方式（例如，鈾-238衰變成鉛-206）。因此，如果我們能知道地球最初時刻那些“原始鉛”的同位素組成，再比對現在地球的鉛組成，就能推算出這個過程持續了多久——也就是地球的年齡。就像一個流速固定的沙漏。如果我們知道一開始沙漏中有多少沙，又了解它現在有多少沙，以此就可以計算出這個“變化”持續了多長時間。

圖：同位素定年原理示意圖（圖源：Wikimedia Commons，Hour glass showing linear decay，作者：Fastfission）

但問題是：誰能告訴我們最初的鉛是什么樣子？地球上大多數巖石早已被地質活動攪動過，幾乎沒有保存完好的記錄。

這時，一個突破性的想法出現了：從天外找答案。

美國地球化學家哈里森·布朗提出，某些鐵隕石幾乎不含鈾，其內部幾乎沒有因衰變而“成長”的鉛，保留著太陽系最初的鉛同位素比例。當時科學家們認同隕石與地球同源于原始太陽星云，那么鐵隕石中的鉛就可以看作地球的“起點”。換句話說，隕石就像是地球的孿生兄弟，其中保留的鉛，可能正暗示了地球的演化。

而測量地球年齡這項艱巨任務最終落在布朗的學生——克萊爾·帕特森（Claire Patterson）身上。這位曾參與曼哈頓計劃，熟練操作質譜儀的青年，是當時少有的技術與耐心兼備者。正是依靠他在實驗與理論上的雙重優勢，帕特森著手構建了一種能準確推算時間的計算體系。

其具體的計算原理：鈾-238衰變成鉛-206，鈾-235衰變成鉛-207，它們分別遵循不同的衰變速度。帕特森沒有單獨用這兩個衰變系統中的某一個，而是把它們相除，得到這樣一個比值表達：

這個操作看似復雜，實則是一種非常聰明的“變量抵消”策略。因為鈾-238和鈾-235的比例是恒定的（大約為137.88:1），鉛207和鉛206是我們測量的量，而衰變速率 λ 科學家們早已獲得，所以這個等式中，唯一的“未知數”就是時間t。

克萊爾·帕特森聯合喬治·蒂爾頓（George R. Tilton）和馬克·英格拉姆（Mark G. Inghram）在1955年首次將初步方法（詳情見附錄）發表在《科學》(Science)這一著名的學術期刊上，題目為地球的年齡（Age of the Earth）。

圖：文獻圖片。來源：

https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.121.3134.69

隕石鉛同位素，寫下地球的出生證

不過要讓這些公式發揮作用，帕特森首先必須解決一個關鍵問題——如何在地球樣本中準確測出這些同位素的含量。

帕特森首先與喬治·蒂爾頓合作測定鋯石年齡。鋯石是一種常見的火成巖礦物，內含微量鈾，由于晶格特性而排斥Pb（即礦物形成時沒初始Pb，僅有后來放射成因的Pb），天然適用于放射性定年。

然而在實驗過程中，蒂爾頓的鈾測量值與特定年代鋯石中的鈾含量是一致的，而帕特森的實驗并不順利。他反復實驗，卻總是測出異常偏高的鉛含量。一些不可能含鉛的樣品中都能檢測到鉛元素——包括實驗室中的管道、器皿、頭發，甚至空氣中到處都是鉛，這讓他倍感苦悶。他意識到，如果不能消除每一個實驗步驟中的微量污染，那就永遠無法獲得可靠的地球“時間指紋”。于是他幾乎以一種執念的方式投入潔凈實驗的建設，從重做所有器具、重新提純所有試劑開始，最終建成了世界上一個超凈實驗室，將背景鉛控制到百萬分之一克的量級。

圖：超凈實驗室部分設備（圖源：石頭科普工作室）

1953年，帕特森終于完成了準備工作。他從亞利桑那州的迪亞布洛峽谷鐵隕石中提取出極為純凈的鉛樣本，并帶到芝加哥阿貢國家實驗室進行質譜分析。當他將Pb同位素數據代入計算地球年齡的放射性衰變方程時，一個震撼人心的數字出現在他的面前：45.5±0.7億年。至此人們追索千年的問題-地球究竟多古老？這一問題終于有了答案。

圖：迪亞布洛峽谷鐵隕石

帕特森沒有立刻興奮地宣布這個結果。在他的回憶中，第一次計算出地球年齡時，他的內心反而異常寧靜。“真正的科學發現，并不會讓你高聲宣揚‘看啊，我做到了！’，它只會在腦海中低語：‘我們做到了’，仿佛代替了整整幾代科學家完成了這個跨越時代的答案。”

1956年，帕特森在《地球化學與宇宙化學學報》 （GCA）上發表了論文，題為《隕石和地球的年齡》（Age of meteorites and the earth）。這是人類歷史上首次以科學方法精確測定地球的年齡。

至此，這場千年的疑問、百年的探索最終得到了一個億萬年的答案。

今天許多地質學領域的權威組織，將地球年齡定為45.4億年，誤差范圍±1%（約±0.5億年）。也在帕特森研究的基礎上通過補充更多隕石樣品、利用更精細的質譜儀測試以及人類對太陽系形成演化的更深入的認識加以細微的修正，而幾十年來帕特森的答案幾乎沒有太大改變。

圖：文獻圖片（來源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0016703756900369）

圖：地球的年齡（來源：文獻Age of meteorites and the earth）

年齡之外的環保斗爭

在測定地球年齡的過程中，帕特森不僅打開了通向地球時間的大門，也意外敲響了現代環境危機的警鐘。

在測隕石樣品的過程中。他發現，幾乎無論他的實驗如何嚴謹，鉛污染總是無孔不入，以至于后來他不得不打造一個毫無污染的超潔凈實驗室。帕特森意識到：我們生活的世界已被人類制造的鉛悄然“污染”了。而那些檢測出異常的鉛含量究竟從何而來呢？

他轉而開始調查環境中鉛的分布，從海洋沉積物到南極雪層，從城市空氣到人類血液。他的發現一次次令人震驚——現代人的體內鉛含量是史前人的100倍以上，甚至接近中毒的邊緣，而這一切的“罪魁禍首”正是工業中廣泛使用的鉛汽油。

帕特森開始奔走呼吁，撰寫論文、出席聽證會，甚至不惜與政府機構和大型企業正面交鋒。在那個年代，這并不是一件“體面”的事。工業界有人稱他“偏執狂”，公共衛生部門也試圖淡化他的結論。但帕特森沒有退讓。

他說：“這是科學家的責任，不為利益說話，而為事實發聲。”

他的堅持，最終迎來了改變。上世紀70年代，美國政府開始逐步淘汰含鉛汽油。到了1996年，美國完全禁止含鉛汽油的使用。自此之后，人類血液中的平均鉛含量迅速下降。

帕特森也成為少數以一己之力影響了國家公共政策的科學家之一。他用科學的尺子，不僅丈量了地球的年齡，也為全人類的健康劃定了界限。

聽時間的低語，也為世界守夜

克萊爾·帕特森從未登上過諾貝爾獎的領獎臺，也沒有成為科普書封面的“網紅科學家”。但他做的兩件事，卻在寂靜中改變了人類文明的自我認知：

他用一塊隕石，為地球寫下了出生證；又用一串數據，為現代社會敲響了警鐘。

前者是對億萬年前的回望，后者是對當下與未來的守望。他是時間的解碼者，也是沉默的哨兵。

他不追逐掌聲。第一次計算出地球年齡時，他沒有歡呼慶祝，而是在心中默念：“我們做到了。”——仿佛不是在為自己慶功，而是為整整幾代人的科學追索畫下句點。

他也不畏懼爭議。哪怕被斥為“狂熱分子”，他依然堅持發出科學之聲。他相信，真正的科學不是一門安靜的學問，而是面向世界的責任。

如今，我們站在信息時代的門檻上，再回望帕特森的故事，也許最動人的，并非他那一串精確到小數點后的數字，而是他身上那種罕見的氣質——追問的勇氣，孤獨的耐心，以及，不向權力與噪聲低頭的堅定。

在這顆古老而喧囂的星球上，有人曾用盡一生，聆聽最初的低語；也有人，將沉默化為行動，護我們遠離無形的毒害。

帕特森是兩者兼而有之。

圖：克萊爾·帕特森（圖源：California Curated 網站文章）

附錄：文獻中如何計算地球年齡

帕特森假設在地球形成時，設某樣品中鉛的組成是：204Pb =1（作為基準）, 206Pb =x, 207Pb =y；而今天我們在地殼巖石中測得的同位素比例是：204Pb =1, 206Pb =x′, 207Pb =y′），由于鈾238 衰變成 鉛206，鈾235 衰變成 鉛207，結合這兩個衰變系統和其已知的衰變常數，帕特森建立了一組放射性衰變方程，通過求解這組方程便可計算從 x → x′，y → y′ 之間所經歷的時間，也即地球的年齡。

地球年齡的計算公式：

公式圖片來源為：文獻Age of the Earth

實際計算中，單一同位素含量較低，因此常采用比值形式，如 207Pb /204Pb、206Pb /204Pb，以提高測量精度。

公式圖片來源為：文獻Age of meteorites and the earth

R 1 = 207 Pb/ 204 Pb and R 2 = 206 Pb/ 204 Pb。

帕特森將不同隕石樣本的這些比值帶入等時線圖中，并以現代地殼或沉積物中的鉛比值作為“現代地球鉛”的參考點。他發現多個不同隕石樣品的數據與沉積物的點恰好落在一條直線上，這說明它們在同一時間開始鈾的衰變，從而反推出該“共時點”即為地球形成之時。

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來源：石頭科普工作室

編輯：千里雁啼

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