如何给地球测年龄

文／神们自己 图／图虫创意

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。