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地球科學 1956

《隕石與地球的年齡》

克萊爾·卡梅倫·帕特森

五顆隕石的鉛落在同一條直線上,其斜率把地球的年齡定為 45.5 億年。

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In depth · the introduction

怎麼稱量一整顆行星的年齡?克萊爾·帕特森的辦法是測鉛——不是測地球裡的鉛,而是測隕石裡的鉛;隕石,是行星誕生那天留下的碎礫。

把這個想法拆開看

有些原子就是微小的鐘。鈾會緩慢地變成鉛——兩種鈾變成兩種鉛,各自以自己穩定而精確已知的速度進行。所以一塊岩石存在得越久,它積累的這類特殊的鉛就越多。把它們測出來,就能讀出岩石的年齡。

帕特森意識到,他並不需要地球本身:他可以去給那些與地球一同形成的隕石定年;它們來自同一團塵埃,形成於同一刻。當他把好幾顆隕石的鉛畫到一張圖上,這些點排成了一條直線。這條線的傾斜,就是鐘的讀數——45.5 億年。而當他檢驗地球自身的鉛時,它正好也落在這同一條線上,於是地球與隕石恰好同齡。

在潔淨室裡的七年

帕特森還是研究生時就開始做這件事,卻撞上了一堵牆:他無論看向哪裡,樣品都泡在鉛裡——來自空氣、塵埃、玻璃器皿,甚至實驗室裡的焊錫。他想測的那一點點量,總被污染淹沒。於是他建起了世界上最早的超潔淨實驗室之一,刷洗每一處表面、自己蒸餾酸,只為贏得一個可信的讀數。這花去了將近十年。當答案終於到來——45.5 億年——此後幾乎沒有挪動過。但他到處都能找到的鉛卻縈繞著他:那遠比自然所能解釋的要多。他用餘下的整個生涯去證明它來自含鉛汽油,並為把鉛去除而抗爭。

它為何重要

數百年來,地球的年齡都是猜測,而猜測彼此相差懸殊——從經文裡的幾千年,到冷卻行星物理給出的幾千萬年,再到岩層厚度推出的幾億年。帕特森用一個確鑿的數字終結了爭論;它扎根於原子物理,人人皆可複核。它給了演化與地質學一直需要的那段深遠時間,也把我們的行星——以及我們自己——正確地放回了宇宙的歷史之中。

讀一條傾斜的線

想象一排一模一樣的沙漏,在同一瞬間一齊翻轉,但每個裡裝的沙不一樣多。到此後任一時刻,滿些的、空些的,都映照著同樣流逝的時間——把「已落下的沙」對「剩下的沙」作圖,這些點會落在一條直線上,並隨鐘點推移越來越斜。帕特森的隕石就是這些沙漏;鈾就是流入鉛中的沙;而它們連成的那條線的傾斜,就是世界的年齡。

一張兩種鉛比值的圖,上有五個固定的隕石點;一條釘在最低點上的直線隨滑桿設定年齡而轉動——太年輕時落在點下方,太老時翹到點上方,接近真實年齡時正好穿過它們。

之前與之後

赫頓(1788)與萊伊爾(1830)論證地球古老得幾乎無從想象,卻無從數算那些年頭;開爾文僅憑熱量,堅稱它要年輕得多,並與地質學家相爭。居里(1898)與盧瑟福(1911)發現的放射性,把那座能裁決此事的鐘交到了科學手裡。帕特森把這座鐘讀到了極限。二十年後,同樣的深遠時間思維框定了阿爾瓦雷斯(1980)——那顆小行星,為帕特森量出的漫長日曆點上了一個驚嘆號。

The original document
Original source text
Clair C. Patterson · Geochimica et Cosmochimica Acta 10(4): 230–237 · 1956
The problem (paraphrase)
Patterson sets out to date meteorites by the lead-isotope method and to test whether the Earth shares their age. The method compares ²⁰⁶Pb and ²⁰⁷Pb — the decay products of ²³⁸U and ²³⁵U — against non-radiogenic ²⁰⁴Pb, so that a family of bodies formed together from a common primordial lead must fall on a straight line (an isochron) whose slope fixes their age, with no uranium measurement required.
The primordial anchor (paraphrase)
The composition of primordial solar-system lead is taken from the troilite (iron-sulphide) phase of the Canyon Diablo iron meteorite, which is almost free of uranium and so preserves very nearly the lead present at the moment of formation (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb ≈ 9.4).
The meteorite data (from Patterson's table)
Lead-isotope ratios (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb) measured in three stony and two iron meteorites: Nuevo Laredo (achondrite) 50.28, 34.86 · Forest City (chondrite) 19.27, 15.95 · Modoc (chondrite) 19.48, 15.76 · Henbury (iron) 9.55, 10.38 · Canyon Diablo troilite ≈ 9.4, 10.3 (primordial).
The result (paraphrase)
The five leads define a single isochron. Its slope, evaluated with the present-day ²³⁸U/²³⁵U ratio of 137.88, gives an age of 4.55 ± 0.07 × 10⁹ years by the ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb method — agreeing, within error, with two independent radiometric methods. A sample of modern oceanic sediment, taken to represent average terrestrial lead, falls on the same meteorite isochron, so the Earth is taken to share the meteorites' age and origin.
[ … ]
Division of Geological Sciences, California Institute of Technology · 1956