如果你想搞清楚一個家族存在了多少年，可以分三步來進行。第一步，找到這個家族中最年長的成員；第二步，確定這位成員的生辰；第三步，嗯……檢查前兩步是否做對了。如果這三步都確認無誤了，那么這位成員的生辰應(yīng)該就最接近這個家族的誕生日了。
其實想要搞清太陽系的年齡也是同理：首先要找出太陽系這個包羅眾多天體的大家族中最年長的天體，或者最年長的一塊物質(zhì)，然后想辦法得出它的年齡。這件事說起來容易，做起來卻并不簡單。不僅如此，這個過程還牽出了一個關(guān)于環(huán)境保護的故事！
（圖源：P. CARRIL / ESA）
撰文 | 張曉佳
編輯 | 韓越揚
想知道誰是太陽系中最古老的天體，首先要搞清楚太陽系是怎么形成的，才能知道先有的誰后有的誰，天文學(xué)家可是花了相當長的時間才弄明白這個過程。目前的太陽系形成理論認為，在距今約46億年（嚴格地說是45.67或者45.68億，接下來的內(nèi)容都是圍繞這個數(shù)字是怎么得來的）前，一團致密分子云的核心區(qū)坍塌形成了原恒星，也就是早期的太陽。那時候太陽周圍還沒有現(xiàn)在的行星，但有一個圍繞它旋轉(zhuǎn)的扁平吸積盤，也叫原行星盤。原行星盤中包含大量氣體和少量塵埃，這些塵埃從幾微米的微粒逐漸凝聚成幾百米到幾千米大小的星子（planetesimals），而后這些星子再進一步聚合成巖質(zhì)行星。（圖源：Bill Saxton, NSF/AUI/NRAO）
氣體盤消散后，巖質(zhì)行星還會經(jīng)歷一系列演化，最終成為今天我們看到的，包括地球在內(nèi)的若干行星。這樣看來，最早在盤中形成的那些星子稱得上是地球的“長輩們”了。實際上和之后漫長的幾十億年相比，氣體盤那幾百萬年的壽命也就顯得十分短暫了。這也從側(cè)面說明，如果能搞清楚地球的年齡，太陽系的年齡也就不遠了。地球的年齡——鈾鉛測年法
從很久以前人類就開始關(guān)注地球年齡這個話題了，這個故事說起來還挺長的，出場人物甚至還包括大家熟知的開爾文勛爵，當時他根據(jù)地球的冷卻速度推斷出地球年齡在2000萬年～4億年之間[1]，這個數(shù)字在今天看來實在是錯的離譜。但這也不能怪他，因為當時大家還不知道什么是放射性元素，也不知道地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是分層的。
之后，居里夫婦提煉出了放射性元素，并發(fā)現(xiàn)放射過程會釋放熱量。再然后，開爾文晚年最得意的弟子——也就是原子核物理之父——歐內(nèi)斯特·盧瑟福指出應(yīng)該考慮地球內(nèi)部放射性元素產(chǎn)生的熱量對冷卻速度的影響。這不僅推翻了開爾文對地球年齡的估計，還為后人提供一個新的思路：利用放射性元素的衰變來推測地球年齡，于是鈾元素登場了。
說到鈾，很多人第一個聯(lián)想到的大概就是原子彈了，因為這種核裂變武器的技術(shù)難點就在于如何把鈾235從鈾238中分離出來。而化學(xué)家哈里森·布朗（Harrison Brown）則是對如何利用鈾同位素的超長半衰期來測定地質(zhì)年齡很感興趣。不過最早用這個方法測出地球的年齡并一舉成名，卻是哈里森·布朗門下的研究生，美國地球化學(xué)家克萊爾·帕特森[2]。帕特森生于1922年，自小就對化學(xué)很感興趣，在二次大戰(zhàn)期間也曾參與過曼哈頓計劃。戰(zhàn)后他決定去芝加哥大學(xué)攻讀化學(xué)博士，他的導(dǎo)師布朗教授已經(jīng)對如何測量地球年齡有初步的想法，但缺少一個懂光譜學(xué)的人來做實驗，曾經(jīng)在碩士期間專攻光譜學(xué)的帕特森便成了不二人選，1957年帕特森在加州理工的實驗室。（圖源：Caltech E&S Magazine）
鈾鉛測年法的原理說起來也并不復(fù)雜。因為鈾235和鈾238會按照各自的速率衰變?yōu)殂U207和鉛206，如果能精確測出一塊石頭中含有多少的鈾和鉛，并且有辦法知道這些鉛當中有多少是鈾衰變而來的，衰變的速率是多少，理論上就能算出這塊石頭形成于多少年前。通常所說的鈾鉛測年法會同時考慮這兩條鈾的衰變鏈，即同時考慮半衰期為44.7億年的鈾238衰變?yōu)殂U206和半衰期為7.04億年的鈾235衰變?yōu)殂U207的過程，根據(jù)每種衰變鏈中鉛和鈾的比值用等時線測年法來估算樣本的年齡?；蛘?，也可以只關(guān)注兩條衰變鏈中鉛的比值來估算年齡，也就是帕特森用的鉛鉛測年法（lead-lead-date），這種方法有它獨特的優(yōu)勢，我們之后再來討論。鈾鉛法的難點在于拿到一塊樣本后如何確定它當中有多少鉛是從鈾衰變而來的。為此我們需要回答這樣幾個問題：這個樣本在形成初期含有多少鉛？之后有沒有受到外界鉛的污染？衰變產(chǎn)生的鉛有沒有流失掉？想要回答第一個問題就很困難，但有一個方法可以規(guī)避這個問題，就是找到某種在形成初期幾乎不含鉛的樣本。這時候就輪到鋯石（ZrSiO4）出場了。鋯石是一種非常堅硬耐風(fēng)化的礦物質(zhì)，在熱或壓力下也不容易變質(zhì)。它的晶體結(jié)構(gòu)不排斥鈾卻容不下鉛，因此基本上可以認為鋯石中的鉛都是通過衰變而產(chǎn)生的，如今它依然是地質(zhì)學(xué)家們定年常用的樣本[3]。在西澳大利亞的一塊石頭中提取的微型鋯石晶體已經(jīng)經(jīng)歷了44億年的歲月，是地殼最古老的部分之一。（Photo courtesy of John Valley/ news.wisc.edu）
鋯石聽起來是很不錯，可是即便我們能精確測出一塊鋯石的年齡，如果它和地球不是在同一時間形成的，而是在那之后的某個時間形成的，那它依然不能代表地球的年齡。所以我們需要找到一塊足夠古老的石頭來確定地球的年齡。太陽系的時間膠囊——隕石
隕石就好比當初沒能形成行星而剩下來的“磚塊”。它們經(jīng)歷了太陽系形成早期的環(huán)境，但又不像地球上的物質(zhì)那樣經(jīng)歷了猛烈撞擊產(chǎn)生的熔融過程以及復(fù)雜的地質(zhì)變遷和化學(xué)分離過程，在某種程度上保留了太陽系初期的化學(xué)組成。人類已經(jīng)在地球上發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬顆隕石，研究它們有助于我們一窺太陽系形成之初的樣貌。
根據(jù)化學(xué)組成和形態(tài)，隕石可以大致分為石隕石，石鐵隕石和鐵隕石。鐵隕石的特性和鋯石相反，它的鉛含量很高而鈾含量極低，換句話說，它當中的鈾衰變成的鉛含量極低可以忽略不計。也就是說，這種鐵隕石中的鉛的同位素十分接近我們想要知道的初始值。1953年，克萊爾·帕特森拿到了代亞布羅峽谷（Canyon Diablo）隕石[4]的樣本，并測出其中的238U/204Pb比值僅為0.025，說明這塊隕石的鈾含量極少，鈾元素的衰變并不會對原始鉛同位素的比值產(chǎn)生很大影響。帕特森將這個比值作為該隕石的初始鉛同位素比值，并假設(shè)地球和隕石的鉛同位素比值具有同樣的演化軌跡，據(jù)此得出了一個在今天看來依然很不錯的地球年齡：41～46億。代亞布羅峽谷隕石的碎片（圖源：Geoffrey Notkin）
但是帕特森是個精益求精的人，他覺得這個結(jié)果還是不夠準確，于是他又測定了含有大量的鈾和少量鉛的石隕石中的鉛同位素比值，最終結(jié)合若干樣本的數(shù)值利用等時線法得到了一個更為精確的地球年齡為45.5（± 0.7）億年[5]。參考資料[5]中帕特森畫出的等時線圖
現(xiàn)在距離找出太陽系的年齡還差一小步，就是如何找到那些比地球更加古老的在吸積盤還未消散時就已經(jīng)形成了的物質(zhì)。科學(xué)家們還真就找到了這種東西，它們就是包裹在碳質(zhì)球粒隕石（石隕石的一種）中的太陽系最古老的一類物質(zhì)，一種稱作鈣鋁包裹體（calcium–aluminium-rich inclusions，簡稱CAl ）的結(jié)晶。認為它們比地球更加古老原因在于這些包裹體中存在高溫難熔元素，這表明它們形成于早期原行星盤的高溫環(huán)境中。原氣體盤初期溫度很高，之后逐漸冷卻，隨著溫度降低，一些元素開始從氣態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)，包括剛玉、鈣鈦礦、黃長石、尖晶石等，這些正好也是鈣鋁包裹體的主要組成[6]，這也是它們代表來自太陽系形成早期某一高溫區(qū)域的證據(jù)之一。因此這類隕石的年齡更接近我們想要的答案。另一方面，在鈣鋁包裹體中看到了一些半衰期很短的物質(zhì)成分（比如鋁26的半衰期只有0.7個百萬年），這就如同看到了琥珀中包裹的遠古時代短命的昆蟲一樣，意味著它們與球粒隕石形成的時間間隔不會很長，否則按照同位素衰變的速率，它們早已消耗殆盡了。因此這些物質(zhì)就像高精度的計時器，可以幫助我們把太陽系的年齡再往前推一點點。通過在非洲西北部找到的CV3碳質(zhì)球粒隕石（NWA2364）測量得到的最老的年齡為4568.22±0.17百萬年[7]。NAU NWA-2364碳質(zhì)球粒隕石的切割面圖像，其中包含富含鈣鋁的包裹體（CAI）等材料，ASU小組從中提取了最古老的同位素年齡（14毫米大?。┑幕疑矬w（箭頭所指）（圖源：cefns.nau.edu）
借助同位素衰變理論，質(zhì)譜儀還有隕石，科學(xué)家們經(jīng)過漫長的努力，逐步揭開太陽系形成的歷史，雖然在很多細節(jié)上依然存在爭議，但在量級上我們已經(jīng)有了基本的答案，太陽系經(jīng)歷了40多億年的時間才變成今天這個樣子（地球最早的生命40-38億年前形成，比起來其實沒差多少，并不短暫），在經(jīng)過如此漫長的行星搭建，環(huán)境孕育之后終于出現(xiàn)的智慧生命和人類文明，實在值得好好珍惜。而帕特森也確實這樣做了，他的貢獻不僅在于測出了地球年齡，還有后來的反對鉛污染，為保護人類健康做出的貢獻。帕特森在發(fā)表了那篇關(guān)于地球年齡的里程碑式的文章之后，卻突然轉(zhuǎn)向去研究鉛在自然界中的分布[8]。他測量了大洋的海水，海底的沉積物，南極的冰芯，甚至還有埃及的木乃伊中的鉛含量，得到的數(shù)值高得離譜。這些鉛來自于汽油里廣泛添加的抗爆劑四乙基鉛，它們隨著尾氣排放進入到大氣里，影響到人類生活的方方面面。當時人體里的鉛含量高出古人數(shù)百倍到千倍，已經(jīng)超過安全劑量，為了人類的健康，帕特森和整個石油工業(yè)界展開了一場曠日持久的斗爭，并最終獲得了勝利。在那之后，含鉛汽油被明文禁止。
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