史前年代的科学鉴定法

放射性时钟所鉴定的年代动辄以数百万年计，但它们的鉴定结果有多准确呢？

本篇和以下两篇文章对各种不同的放射性年代鉴定法加以描述和评估。这些方法是地质学家用来衡量岩石和一度生存的有机体化石的年代的，撰文的是一位在研究放射现象方面有多年经验的核子物理学家。

“灰坑岩含有大量考古学发现。科学家认为，从1万年之久的遗迹可知佛罗里达州（美国）在冰河时代已有人类存在。”

“日本石器时代最古老的小屋在大阪附近出土。考古学家鉴定该小屋属2万2,000年前之物。”

“大约100万年前，有一条河流过（美国加州）科伦拉东边，在河畔出没的史前动物包括柱牙象、骆驼、马和兔子。”

上述的近期报道乃是考古学家和古生物学家宣布发现古物的典型消息。对于一项新发现，人们首先想知道的是，它是多久之前的东西？科学家对记者发表谈话时早已准备好答案，不论答案是基于证据抑或仅属猜测。

你若读到此类的报道，是否有时在脑海中泛起一个问题：他们怎么知道？他们怎么肯定佛罗里达州在1万年前，日本在2万2,000年前已有人类存在，或者在100万年前已有柱牙象和骆驼漫游于加州的山水之间？

鉴定古代遗物年代有若干种科学方法。有些方法比别的方法可靠，但没有一种方法比基于历史记录的年代更为肯定。可是，人类的历史记录充其量只能追溯到6,000年前。过了这个年限，我们就只好使用科学鉴定法了。

放射性鉴定法

在各种科学鉴定法之中以放射性时钟为最可靠。这种“时钟”是根据放射性衰变过程比率去鉴定的。虽然其他方法根据在不同的环境——例如气温变化——之下可能进行得较快或较慢的衰老过程去鉴定年代，放射性衰变却表明不受极端的外在情况所影响。

铀－铅时钟

我们且以最先设计的放射性时钟为例，这项设计以从铀至铅的衰变为根据。放射性衰变完全以统计学上的或然率为依归。在一段时间之内，铀的衰变量与余下量往往成为比例。结果可从（10页的）图中曲线看出，它表明经过一段特定的时间之后所留下的数量。半数的铀量衰变所需的时间称为放射性半衰期。余下的半数之中有一半将在另一半衰期中衰变，于是剩下了原有数量的四分之一。由此类推，经过三个半衰期之后就会剩下八分之一。铀的半衰期是45亿年。

既然铀可以变成铅，铅的数量遂随着时间增加。在任何特定时间内所积存的数量可从中断的曲线看出。铅曲线是铀曲线的补足物，因此铅原子与铀原子的全数总是相同的，与我们开始计算的数目相等。

现在，假设我们有一块岩石，内里藏有铀，但没有铅；我们把岩石封闭起来，不让任何东西进入或漏出。然后，过了若干时间之后，我们打开岩石，衡量两种元素的数量，就可以算出岩石封闭了多久。例如，我们若发现铅和铀的数量相等，就知道一段半衰期——45亿年——已经过去了。我们若发现只有百分之一的铀已衰变成为铅，就可用曲线上的算术公式去算出已经过去的时间是6500万年。

值得留意的是，我们不知道岩石在开始时有多少的铀在里面，因为我们所量度的只是在一段时间之末铅与铀的比例而已——事实上，在实验开始时，我们谁也没有在场去衡量任何东西。

现在你也许想到我们所谈论的是悠长的时间，百十亿年之久的时间。行得这么慢的时钟怎可能有什么用处呢？原来，我们探知地球本身已存在了数十亿年之久，若干地方的岩石看来差不多有这么古老。因此地质学家发现，这样的时钟在研究地球历史方面颇为有用。

它们准确到什么程度？

我们必须承认，鉴定过程并不像我们所描述的那么简单。我们提及岩石必须是在起初不含有任何铅，但事情通常并非这样；岩石在起初会有一些铅存在。这使岩石有一段所谓的固有时期而非从零度开始。同时，我们假设铀在岩石里被封闭起来，没有东西可以渗入或漏出。但有时未必尽然。经过悠长的时间之后，有些铅或铀也许会渗进地下水里。或者有若干铀或铅会渗入石内，尤其是以沉积的岩石为然。为了这缘故，铀－铅时钟的效果以用在火成岩上为最佳。

使情形更加复杂的是，事实上另有一种元素——钍——会混杂在矿物之中；它也具有放射性，且会逐渐分解成为铅。此外，铀也有第二种同位素——化学成分相同而质量不同——以相异的比率衰变，但亦同时形成铅。它们结果形成同位素相异的铅，因此不但需要化学家使用试管，同时也需要物理学家用特别仪器去分别各种质量下同的铅同位素。

虽然没有详述这些难题的细节，我们也能明白到地质学家使用铀－铅时钟时若要获得可靠到合理程度的答案，就必须提防若干易犯的错误。他们很高兴有另一种放射性测定法去证实他们所作的年代鉴定。他们已发明了其他两种方法，时常可以用在同一的岩石之上。

钾－氩时钟

最广泛地为人使用的一种方法是钾－氩时钟。钾是比铀较为普通的元素——商店售卖氯化钾作为盐的代用品。钾所含的大多数是质量39和41的两种同位素，但质量40的第三种同位素却具有微弱的放射性。这种钾衰变的产品之一是氩；氩是一种惰性气体，在大气层中约占百分之一。质量40的钾的半衰期是14亿年，它最宜于用来衡量从数千万年至数十亿年的年代。

与铀正好相反，钾在地壳中广泛存在。它包含在大多数普通岩石——例如火成岩和沉积岩——的多种矿物之中。钾－氩时钟运作所需的情况和以上解释的相同：钾必须在时钟开始——即矿物组成——时没有氩存在。经过的时期必须保持密封，不让钾或氩逸出或渗入。

钾－氩时钟使用起来有效到什么程度呢？它有时灵，有时不灵。有时测定的年代与铀－铅时钟所测定的分别很大。通常，它所测定的年代较短，研究者认为是有氩逸出的结果。但在其他岩石上，钾和铀所测定的年代十分接近。

钾－氩时钟最有新闻价值的一次使用是对阿波罗15号太空船带回的月球岩石所作的年代鉴定。科学家切出小块月球岩石，用钾－氩时钟测量，鉴定岩石的年龄是33亿年。

铷－锶时钟

最近发明了另一种矿物放射性时钟。它以铷衰变为锶作为根据。铷的衰变缓慢到令人难以置信。它的半衰期是500亿年！甚至在最古老的岩石中，铷的衰变量也是如此微小，以致人必须小心翼翼地从原始的锶中分辨出加在其中的锢-87。矿物里的锶含量也许会比铷多100倍；即使在10亿年内，衰变的铷也只占全数的百分之一左右。尽管具有这些难题，但在若干事例上，从衰变产生的极小量的锶还是可以探测出来。这种时钟的价值在于用来测度其他方法所鉴定的年代。

使用这种方法的一个令人振奋的例证是对一块陨石的探测。天文学家们相信这块陨石可能像其他岩石一样，在理论上是曾经聚在一起组成各行星的东西，它也许是构成太阳系的原始物质当中的剩余品。探测的结果鉴定陨石是46亿年前之物；这与上述的观念并无冲突。

铷－锶时钟的卓越成就是鉴定上述月球岩石的年代。岩石中有五种不同的矿物受到探测。共同标明的年代是33亿年，与钾－氩时钟鉴定的年代相同。a

在若干事例上，三种地质学时钟所鉴定的年代比较起来颇为接近，这么一来，就令人相信鉴定的年代很可能是正确的。然而，应该强调的是，这些例子显示可以获得什么程度的一致——但只是在理想的情况之下。但情况通常并不是理想的。相较起来，彼此冲突的例子数目大得多。

古生物学家试图鉴定化石的年代

古生物学家试图仿效地质学家在鉴定只有几百万年历史的岩石年代方面的成功。他们相信有些生物的化石可能也这么古老。很可惜，钾－氩时钟对他们并没有很大帮助！当然，化石的发现不是在火成岩里而是在沉积岩里；对于沉积岩来说，放射测量鉴定法通常都是不可靠的。

试举一例说明，化石起先埋藏在厚厚的火山灰里，火山灰后来固化，成为凝灰岩。它其实是沉积岩层，但却由空气中固化的火成物质所构成。若是可以鉴定的话，就会有助于探测其中所蕴藏的化石的年代。

在坦桑尼亚的奥杜维尔峡谷曾发现这样的一个例证；该处像猿动物的化石特别惹人注意，因为发现者声称这些化石与人有关。他们首先在化石发现之处测量火山凝灰岩的氩，显示的年代是175万年。但后来在另一个合格的实验室里测量的结果却减少了50万年。最令进化论者失望的是，在化石之上和之下的凝灰岩层探测所得的年代并不是循序渐进的。有时上层所含的氩比下层为多。以地质学而论，这种情形完全不对——上层的积聚较后于下层，因此所含的氩应该较少才对。

研究者的结论是，“先前遗留的氩”破坏了所作的测量。先前形成的氩并非全部都从溶岩中沸腾消去。时钟没有调至零度。以前由钾所生的氩若有千分之一在岩石于火山中溶化时遗留在岩石里，时钟在开始时就含有差不多100万年的固有年代。正如一位专家说：“有些年代鉴定必然是错误的；如果其中有些是错误的，也许它们尽都错了。”

虽然专家们认为所鉴定的这些年代可能全无意义，但奥杜维尔化石原本估计的175万年却继续在鼓吹进化论的流行杂志中受到引述。他们并没有向外行的读者提出警告，指出这些年代不过是猜测而已。

［脚注］

［第9页的精选语句］

地质学家使用铀－铅时钟时必须提防若干易犯的错误

［第11页的精选语句］

他们没有提出警告，指出这样的年代不过是猜测而已

［第10页的图表］

（排版后的式样，见出版物）

铀的减少与铅的增加成正比例

100%

50%

25%

12.5%

半衰期1 2 3

铅（氩）

（钾）铀

［第9页的图解］

（排版后的式样，见出版物）

铀

铅

这块岩石原本有多少的铀（或铅）存在？

有多少铀（或铅）在后来渗入岩石？

有多少铅是从钍衰变而来的？