如何给地球测年龄
作者: 神们自己神们自己
科普作家,著有《猫、爱因斯坦和密码学:我也能看懂的量子通信》《机器新脑》
如果想知道一个人的年龄,我们可以直接问他;如果想知道一棵树的年龄,我们可以数它的年轮;但如果想知道一件文物、一具木乃伊、一块史前化石的年龄,我们该怎么做呢?同学们可能听说过碳14测年法,但关于它的运作原理,就不一定知道了。
众所周知,一切物质都是由原子组成的,比如碳元素就是由碳原子组成的。而原子不是最小的,它里面还有更小的原子核,原子核由质子和中子这2种核子组成。比如碳原子核包含了6个质子和6个中子,一共有12个核子,所以我们叫它碳12。那么,碳14又是什么呢?
化学家门捷列夫发明了元素周期表,这个表是按照质子的数量来排列的。比如,碳元素在周期表上排在第 6号,因为它含有6个质子。同样的道理,氮元素在周期表上排7号,因为它含有7个质子。在一定条件下,元素的质子数量会发生改变,于是它就“化装”成了另一种元素——研究这些变化的学问,就叫“化学”。
普通的氮元素,原子核里有7个质子和7个中子。当太阳发出的高能中子流轰击地球时,有一定的概率会把空气中的氮元素中的1个质子替换为1个中子。这样,氮原子核就变成了6个质子和8个中子。因为它有6个质子,所以和碳的化学性质完全相同,但它有14个核子,所以我们叫它“碳14”。碳14看上去跟碳12没什么不同,它就像卧底一样,潜伏在普通的碳元素中,发生着相同的化学反应。碳14先在空气中形成二氧化碳,然后被植物用光合作用合成碳水化合物,最后被动物吃掉。如果你咬一口用碳14小麦蒸出来的碳14馒头,也丝毫不会感到味道有什么不同。
既然如此,我们为什么不把碳14当作另一种碳元素,和普通的碳12一视同仁呢?因为碳14不太安分,它是有放射性的。它会放射出β射线,最终衰变成氮。这个衰变过程非常缓慢,碳14的半衰期长达5730年。也就是说,100个碳14原子,要等5730年,才有50个会发生衰变。
我们把放射性的碳14当作时钟来使用。当生物活着的时候,它体内的碳14含量应该和环境含量相同。当生物死后,碳14会在体内按固定的速度逐渐衰变,所以测定生物体内碳14的含量,再和环境含量对比一下,就能算出该生物死了多少年。举个例子:假设在自然环境中,1千克物质含有100个碳14原子,现在考古学家发现了一块1千克的骨头,检测到里面只有50个碳14原子,这就意味着,这块骨头的主人已经死了5730年,误差在三四十年内。
碳14测年法是考古界的基本操作。每当打开一个墓穴,考古学家就会立刻把骨头送到实验室里去测年龄。不光是骨头,木材、纺织品、灰烬都可以测,因为它们都是植物制成的,都含有大量的碳。
不过,碳14测年法并不是万能的。如果年代太久远,残留的那点碳14都衰变没了,就没法测了。一般来说,这个时间的上限是43500年。如果我们想知道地球的年龄,就不能用碳14测年法。因为当地球刚形成的时候,还没有生物存在,地上只有石头。
石头里没有碳,但可能含有铀。天然铀主要含2种同位素,铀235和铀238。它们都是放射性物质,会衰变成铅207、铅206。如果一块石头刚形成的时候只有铀没有铅,过了N年后,一部分铀衰变成了铅,那么,我们只要测定这块石头现在铀和铅的含量比例,就能反推出N是多少,这套铀铅测年法和碳14测年法的原理如出一辙。不过,铀的半衰期比碳长得多:铀235的半衰期是7亿年,铀238是45亿年。就算这块石头有几十亿甚至上百亿年的高龄,也能测出它的年龄!
好消息是,这种刚形成时只有铀没有铅的石头天然存在。它就是锆石,主要用途是制造山寨版钻石。现在发现最古老的锆石已存在44亿年,但这不能说明地球的年龄就是44亿年,因为谁也不知道这块石头是不是地球诞生时形成的。
要想知道地球的年龄,关键在于找到一块与地球同寿的石头。
地球已经至少存在了44亿年,天荒地老,沧海桑田——在这么长的时间里,在经历无数次岩浆活动,板块运动,地震、海啸等地质运动后,和地球同时诞生的石头还会存在吗?即使存在,我们又怎么可能找到它呢?
令人惊讶的是,真的有人找到了它,那就是陨石。
在太阳系中,包括地球在内的八大行星和小行星是在同一时期形成的。小行星上的石头和地球同龄,而且没有被地质运动摧毁。在引力的扰动下,有的小行星砸到了地球上,变成了陨石。陨石的形成与地球不同,铀、钍等放射性物质很难进入陨石的矿物质晶格。陨石中几乎不含铀,只含无放射性的铅。所以,陨石中的铅含量,就是地球诞生时的初始铅含量。
5万年前,一块30吨重的铁陨石砸到了美国亚利桑那州的恶魔峡谷。年轻的地质学家克莱尔·帕特森在研究这块陨石的样本时发现,地球上的铅含量比陨石高。根据两者的含量对比,以及铀的半衰期,帕特森第一次估算出了地球年龄的大概范围:41亿年至46亿年之间。
铀235和铀238的半衰期是不同的,可以用2种半衰期分别计算地球年龄,进行交叉对比。经过多年的努力,克莱尔·帕特森经过对多种类型的陨石样本的研究后,发表了一篇具有里程碑意义的论文《陨石与地球的年龄》,地球的准确年龄终于被锁定:45.5亿年,误差在上下0.7亿年之内。
这篇1956年诞生的论文经受住了时间的考验,科学家们通过不同的测量方法,得到的结果都与之相差无几。