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地球科学 1956

《陨石与地球的年龄》

克莱尔·卡梅伦·帕特森

五颗陨石的铅落在同一条直线上,其斜率把地球的年龄定为 45.5 亿年。

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In depth · the introduction

怎么称量一整颗行星的年龄?克莱尔·帕特森的办法是测铅——不是测地球里的铅,而是测陨石里的铅;陨石,是行星诞生那天留下的碎砾。

把这个想法拆开看

有些原子就是微小的钟。铀会缓慢地变成铅——两种铀变成两种铅,各自以自己稳定而精确已知的速度进行。所以一块岩石存在得越久,它积累的这类特殊的铅就越多。把它们测出来,就能读出岩石的年龄。

帕特森意识到,他并不需要地球本身:他可以去给那些与地球一同形成的陨石定年;它们来自同一团尘埃,形成于同一刻。当他把好几颗陨石的铅画到一张图上,这些点排成了一条直线。这条线的倾斜,就是钟的读数——45.5 亿年。而当他检验地球自身的铅时,它正好也落在这同一条线上,于是地球与陨石恰好同龄。

在洁净室里的七年

帕特森还是研究生时就开始做这件事,却撞上了一堵墙:他无论看向哪里,样品都泡在铅里——来自空气、尘埃、玻璃器皿,甚至实验室里的焊锡。他想测的那一点点量,总被污染淹没。于是他建起了世界上最早的超洁净实验室之一,刷洗每一处表面、自己蒸馏酸,只为赢得一个可信的读数。这花去了将近十年。当答案终于到来——45.5 亿年——此后几乎没有挪动过。但他到处都能找到的铅却萦绕着他:那远比自然所能解释的要多。他用余下的整个生涯去证明它来自含铅汽油,并为把铅去除而抗争。

它为何重要

数百年来,地球的年龄都是猜测,而猜测彼此相差悬殊——从经文里的几千年,到冷却行星物理给出的几千万年,再到岩层厚度推出的几亿年。帕特森用一个确凿的数字终结了争论;它扎根于原子物理,人人皆可复核。它给了演化与地质学一直需要的那段深远时间,也把我们的行星——以及我们自己——正确地放回了宇宙的历史之中。

读一条倾斜的线

想象一排一模一样的沙漏,在同一瞬间一齐翻转,但每个里装的沙不一样多。到此后任一时刻,满些的、空些的,都映照着同样流逝的时间——把「已落下的沙」对「剩下的沙」作图,这些点会落在一条直线上,并随钟点推移越来越斜。帕特森的陨石就是这些沙漏;铀就是流入铅中的沙;而它们连成的那条线的倾斜,就是世界的年龄。

一张两种铅比值的图,上有五个固定的陨石点;一条钉在最低点上的直线随滑块设定年龄而转动——太年轻时落在点下方,太老时翘到点上方,接近真实年龄时正好穿过它们。

之前与之后

赫顿(1788)与莱伊尔(1830)论证地球古老得几乎无从想象,却无从数算那些年头;开尔文仅凭热量,坚称它要年轻得多,并与地质学家相争。居里(1898)与卢瑟福(1911)发现的放射性,把那座能裁决此事的钟交到了科学手里。帕特森把这座钟读到了极限。二十年后,同样的深远时间思维框定了阿尔瓦雷斯(1980)——那颗小行星,为帕特森量出的漫长日历点上了一个惊叹号。

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