人类存在有多久

对古人来说，人类的历史有多久是一个有趣的问题，但也是一个很难回答的问题。可能很久很久，但具体有多久，没人说得出。

17世纪的一位爱尔兰主教詹姆斯·厄谢尔（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。因为这位主教是当时欧洲人公认的一位学识渊博的神学家，如此周密的考证也实属不易。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。

不过，《圣经》的地位在文艺复兴、宗教改革、启蒙运动等思想运动的不断质疑下，慢慢下降，虽然还有一些信众，但也有一部分人质疑《圣经》，选择了另一条路来探究这一问题。

苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James Hutton）在实践中逐渐意识到农作物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）。

于是，1788年，赫顿发表了一篇重要论文《地球原理》（Theory of the Earth），首次提出地球的形成过程应该与蒸汽机等机械一样，都是可以用基本的物理法则推算出来的。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。

虽然赫顿提出了新的现在看来更为科学的方法，但他也没有给出进一步的结果。我们存在的世界究竟有多大，地球的年龄究竟有多老，对于当时刚刚从中世纪走出，刚刚经历了启蒙的人来说，仍相当于未解之谜。

但是，人类从不缺乏探究未知的好奇心。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

在这里，牛顿必须拥有名字，他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，牛顿找人制作了一个直径1英寸（约合2.54厘米）的小铁球，通过实验知道这个铁球从红热状态冷却到室温要花至少一个小时。他把这个数据按比例换算成地球的大小，得出的结论是5万年。虽然还是太短，但已经比厄谢尔主教的6000年长了很多。不过多面手牛顿毕竟不是热力学家，他的算法存在很多漏洞。

后来，一个名叫威廉·汤姆森（William Thomson）的人给出了一个更为可信的结论，他更为人熟知的名字是后来的封号开尔文男爵（Lord Kelvin），就是作为热力学温标单位的那个开尔文。他最大的贡献首推热力学第一定律（能量守恒）和第二定律（熵增定律）。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——蒸汽机和电动机的发明找到了理论依据。

能被作为国际单位制的人，开尔文男爵自然是权威中的权威。当他通过自己的计算得出了9800万年这个数字后，很少有人敢反驳他。尽管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，修正后的结果应是2400万年。但开尔文男爵从一开始就知道他的计算误差非常大，所以给出了2000万—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，所以开尔文男爵并没有表示反对。

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。

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。

放射性的应用

无巧不成书，正是放射性元素最终帮助人类测出地球的真实年龄。放射性现象很可能是人类近100多年来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当属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。

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、化合物分子式等物理化学属性没有任何关系。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测年法奠定了理论基础。

发现了半衰期的规律，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，比开尔文男爵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。

C-14测年

利用半衰期的办法原理很简单，听上去也不需要极复杂的操作，可实际上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最初是被加州大学伯克利分校的化学家马丁·卡门（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。

卡门发现碳-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，这些碳原子归根到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。

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。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。

这事现在说起来容易，当年做起来还是很困难的。自然界每1万亿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1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，工作的枯燥程度可想而知。

技术成熟后，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。巧合的是，利比的研究员助手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。

阿诺德事后回忆，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发表在1949年3月出版的《科学》杂志上，立刻引起了学术界的轰动。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。

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。依次类推，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。这说明校正方法是可靠的，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，重要的历史文物都被标上年份了，这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，科学把想象变为了现实。

于是，诺奖委员会将1960年的诺贝尔化学奖授予了利比。他并不是第一个被授予化学奖的物理学家，卢瑟福也在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。值得一提的是，牛顿当年也曾专心研究炼金术，想改变元素的属性。虽然以失败告终，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。

铀测年法

没什么东西是万能的，碳-14测年法也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。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，这两个元素都必须被准确地测出来，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。好在他们掌握一项“尖端技术”——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、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世纪末就搞清楚了，但在 “曼哈顿计划”中才真正用于实践。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，在尝试了一年之后，他终于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，这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，这些剂量足够影响实验了。

进一步研究发现，这些痕量的铅来自含铅汽油的大量使用。20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，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。

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。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。

反思

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。可惜绝大多数人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。

上面这个矛盾在探索人类起源的过程中也经常会遇到，这也是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。

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（原文章节选自《人类的终极问题》（袁越 著，三联书店2019-10），有删改。）