放射性时钟

现在，让我们把眼光转到放射性“时钟”上来——有相当多种放射钟可供选择，并且，正如我所说过的一样，它们如神赐一般，幸运地涵盖了从百年到数十亿年的全部范围。每一个都有其特定的误差范围，在1%左右。因此，如果你想追溯一块有数十亿年历史的岩石的话，你就必须接受（±）数千万年的误差。如果你想追溯一块有数亿年历史的岩石，你必须接受（±）数百万年的误差。如果你想追溯一块有几千万年历史的岩石的话，你就必须接受（±）数十万年的误差。

为了更好地理解放射性“时钟”如何工作，我们首先要明白“放射性同位素”的意义。所有的物质都由元素构成，这些元素往往同其他元素是化合在一起的。总共大约有100种元素，如果你计数实验室探测到的元素，应该略多于这个数字；如果你仅仅计算那些发现于自然界的元素，则要略少于这个数字。举一些元素的例子：碳、铁、氮、铝、镁、氟、氩、氯、钠、铀、铅、氧、钾和锡。我认为所有人（甚至包括神创论者）都接受的原子学说告诉我们，每个元素都有它们特定的原子，这个特定的原子是一种元素可以被分割的最小粒子，没有这个粒子，它就不能成为那种元素。那这个原子长什么样呢？比如铅原子、铜原子、碳原子长什么样呢？不用说，它肯定看起来一点也不像是铅、铜或碳。它看起来也不像是任何东西，因为它太小了，根本不能在你的视网膜上形成任何种类的影像，甚至用超强的高倍显微镜来看也不行。我们可以用类比法或模型来帮助我们想象一个原子。最著名的一个模型，是丹麦大物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出的“玻尔模型”；该模型是一个微型的太阳系，但它现在已经相当过时了。其中，原子核扮演太阳的角色，围绕在它周围轨道中的电子就好比各大行星。正如太阳系一样，原子几乎所有的质量都集中在原子核（相当于“太阳”）中，电子（相当于“行星”）和原子核之间的空隙则几乎是所有的体积。与原子核相比，每个电子都是微不足道的；与原子核与电子之间的空间相比，原子核与电子都是微不足道的。人们喜欢的一个形象比喻，描绘了这样一幅图景：原子核相当于一个大体育场最中间的一只苍蝇，距它最近的一个原子核邻居相当于毗邻的另一个体育场的最中间的一只苍蝇。每个原子的电子绕着它们各自的“苍蝇”在轨道里东奔西跑。它们都小于最小的昆虫，甚至小到和“苍蝇”完全不在一个数量级。我们观察铁块或岩石的时候，我们“真正”在看的，几乎是一个“空的”空间，它们之所以看起来和感觉起来是“固体性的和不透明的”，是因为我们的感觉系统和大脑发现，把它们当成固体和不透明物处理“很方便”。对于大脑来说，把岩石描绘成固体很方便，是因为我们没法穿过岩石。因为原子之间有电磁力，所以我们不能穿越某些事物，这就是我们体验的“固体”的感觉。我们对“不透明”的体验则是光线照射到一个物体表面全部反弹回来，没有光线穿过。

原子由三种粒子构成（至少玻尔模型是这样设想的）。电子我们已经讲过了，另外两种粒子要远远地大于电子，但它们的“渺小”仍然是我们无法想象的，也是我们的感官所无法体验到的。它们被称为质子和中子，都分布于原子核中。这两种粒子大小相仿。任何一个给定的元素，其质子数都是一定的，并且等于其电子数。这个数字被称为“原子序数”。这是每个元素独有的特性，而且在原子序数表（著名的元素周期表）中，序数是没有间隔的。在这个序列中的每一个数，都对应着特定的一种元素，并且，仅对应一种元素。原子序数为1的元素是氢，2号是氦，3号是锂，4号是铍，5号是硼，6号是碳，7号是氮，8号是氧，等等，直到很高的序数如92（铀的原子序数）。

质子和电子都带有一个单位电荷，并且电性相反——我们规定其中一个为“正电荷”，另外一个为“负电荷”。在元素之间相互形成化合物时，这些电荷很重要，许多反应是由电子来达成的。原子中的中子则被束缚在原子核中，和质子待在一起。但中子不像质子，中子不带任何电性，并且它们在化学反应中不起任何作用。每一个元素中的质子、中子和电子，都和其他任何一个元素中的质子、中子、电子一模一样。不会有这样的说法，例如说一个金样的质子，或一个铜样的电子，或一个钾样的中子。质子就是质子，只是质子。铜原子之所以是铜原子，是由于它恰恰所具有的29个质子（并且恰好有29个电子）。我们通常理所当然地认为的“铜”，是一种化学物质，化学是一种电子的舞蹈，全部都关乎于原子间通过它们的电子相互作用。化学键很容易断开和新建，因为在化学反应中，只有电子才进行分离和交换。要断开原子核之间的引力，则难得多。这也是为什么“裂解原子”是如此具有威胁了——但这也是可以办到的，在“原子核”中完成，与化学反应正相反，这也是放射性“时钟”所依靠的原理。

电子的质量可以忽略不计，因此，一个原子的总质量（即它的“质量数”）就相当于组成它的质子和中子数之和。这常常是其“原子序数”的两倍有余，这是由于通常情况下，原子核中的中子数都会比质子数多一些。原子中的“中子数”并不能像“质子数”那样，可以被用来判定一个元素。一个给定的元素，可以有不同的版本，被称为“同位素”，这意味着它们具有不同的中子数，但有相同的质子数。一些元素，例如氟，仅有一种天然同位素。氟的原子序数是9，质量数是19，从这里你可以推断出它有9个质子和10个中子。其他元素则有很多的同位素。铅有5种常见同位素，都具有相同的质子数（以及电子数）——82，这也是铅的原子序数，但是铅同位素的质量则落在202～208的一个范围内。碳原子有3种天然存在的同位素，碳-12是很常见的一种，其质子数和中子数相同，都是6。同样还有碳-13，但是它寿命很短，不需考虑。碳-14很少见，但是当我们用于追溯比较晚近的有机样品时，它就不那么少见了。我们即将看到这一点。

接下来，我们要讲另一个很重要的背景事实：一些元素的同位素很稳定，另一些则不稳定。铅-202就是一种不稳定同位素，铅-204、铅-206、铅-207和铅-208则是稳定同位素。“不稳定”意味着这些原子会自发地衰变成其他原子，并且其衰变速率是可以预测的（尽管不可预测其确切时刻）。这个衰变速率的可预测性是所有放射性“时钟”的关键，“不稳定”的意思是“放射性”。放射性衰变有好几种，这才有可能构成有用的钟表。理解这个，对于我们的目的而言并不那么重要，但是我在这里解释这么多，是想展示出物理学家在这些事物上已经解决了多少壮观的细节层面的问题。正是这样的细节，嘲笑了那些妄图驳倒放射性时钟证据，让地球如彼得·潘一样永远年轻的神创论鼓吹者。

所有的这些不稳定性，都涉及中子。其中第一种情况是，一个中子转化成了一个质子。这意味着原子质量保持不变（因为中子和质子的质量相当），但是原子序数增长了一位，所以这个原子变成了一个不同的元素，在原子序数表中上升了一位。举例来说，原子质量为24的钠转变成了原子质量为24的镁。第二种放射性衰变，刚好是相反的转变——一个质子转变成了中子。同样的，原子质量是保持不变的，但是，这一次原子序数降低了一位，于是在原子序数表中，这个原子转化成了低一位的元素。第三种放射性衰变也产生了同样的结果。一个游离的中子碰巧撞上一个原子核，撞出了一个质子，并取代了它的位置。再一次，原子的质量没有变化，原子序数降低了一位，并且原子转化成了原子序数表上较低一位的元素。还有第四种更复杂的衰变，一个原子分裂出一个被称为“α粒子”（alpha particle）的粒子，一个α粒子是由结合在一起的两个质子和两个中子组成的。这意味着质量数降低了4位，原子序数降低了两位。在原子序数表上，这个原子衰变为低了两位的元素。一个发生α衰变的例子，就是从具有强烈放射性的同位素铀-238（有92个质子和146个中子），衰变为钍-234（有90个质子和144个中子）。

现在，我们接近了整个问题的核心。每个不稳定的放射性同位素的衰变，都有其特有的速率，并且我们现在都已经可以确定（这些速率）。此外，其中一些的衰变速率比另一些慢很多。所有的衰变，都是指数性的。“指数性”的意思就是，假设你以100克的放射性同位素开始衰变，在一个给定的时间内并非一个固定的量（如10克）会转变为另外一个元素。而是说，所剩的粒子以一个固定比例转变成另一种元素。最受欢迎衡量衰变速率的方法是利用“半衰期”。一个放射性同位素的半衰期是指一半的原子衰变所需要的时间。无论有多少原子已经衰变了，半衰期保持不变——这就是指数性衰变的意思。你会发现，由于这样连续的减半，我们永远不会知道何时它会全部衰变完。然而，我们可以说，在经过足够长的时间后，例如10个半衰期，余下的原子数目太小，已没有任何实际意义了。例如，碳-14的半衰期就大约在5000～6000年之间。对于50000～60000年的古老标本，“碳年代测定法”就没有用了，我们需要转向更缓慢的时钟。

铷-87的半衰期是490亿年，镄-244的半衰期是3.3毫秒，这些惊人悬殊也表明了时钟可测的巨大范围。尽管碳-15的2.4秒的半衰期对于解决进化问题太短了，但碳-14 5730年的半衰期对于追溯考古学时间，则是正好合适的尺度。现在，我们就来讨论一下这个问题。在进化时间尺度上，一个常用同位素是钾-40，其半衰期为12.6亿年，我将以它为例，来解释使用放射性时钟的整体思想。它通常被称为“钾氩时钟”。这是因为氩-40（在元素周期表中比钾高一位）正是钾-40衰变后的元素之一（另一种元素，经一种不同的放射性衰变产生，是钙-40，在元素周期表中比钾低一位）。如果以一定量的钾-40开始衰变的话，经过12.6亿年，一半的钾-40会衰变成氩-40，这就是“半衰期”的意思。再经过12.6亿年，余下钾的一半（最初钾的1/4）又会衰变成氩-40，依此类推。经过一个稍稍短于12.6亿年的时间段，会有相对比例的较少的钾的量会衰变。因此，你可以想象一下，在一个封闭空间，开始时没有氩-40，只有钾-40。上亿年的似水流年过去，一位科学家来到这个封闭空间，测量了它的钾-40和氩-40的相对量（不管两者的绝对量如何）；在已知钾-40的半衰期，并设定一开始没有氩-40的情况下，从这个比例上，我们可以估计出从衰变开始后逝去的时间——换句话说，就是该时钟被“清零”之后流逝的时间。请注意，我们必须知道母同位素（钾-40）对子同位素（氩-40）的比例。此外，正如在本章前面我们讨论过的一样，很有必要知道我们的时钟是否有装置进行“清零”。那么，说到放射性时钟被清零，这到底意味着什么呢？结晶的过程恰好解释了这个问题。

像地质学家使用的所有放射性时钟一样，钾/氩计时只适用于所谓的“火成岩”。火成岩（igneous rocks）得名于拉丁语中的“火”，它由熔岩（地下花岗岩的岩浆和火山中的玄武岩岩浆）固化得来。熔岩固化形成花岗岩或者玄武岩时，是以晶体的形式形成的。这些小晶体一般不会很大，透明的晶体看上去像石英一样，但是这些晶体，相对于肉眼看到的晶体，它们真的是太小了。这些晶体有好几种类型，其中一些，例如说一些云母，包含着钾原子。在这些原子中，就有放射性的同位素钾-40。当一个晶体开始形成时，在熔岩固化的时刻，里面只有钾-40没有氩。在某种意义上来说，时钟被清零时，晶体中没有氩原子。数百万年过去，晶体中的钾-40缓慢衰变，被一个接一个的氩-40原子所取代。累积的氩-40的量，就可以用来衡量自这块岩石形成后流逝的时间。但是，由于我刚才解释的原因，只有当用钾-40和氩-40的比例表示的时候，这个量才是有意义的。当这个时钟被清零的时候，钾-40的比例是100%，经过12.6亿年后，比例将变成50∶50，再经过一个12.6亿年，余下的钾-40的一半会转变成氩-40，以此类推。中间比例，则意味着自“晶体钟”清零以来的“中间时刻”。所以，对于地质学家，在他们今天获得的一小块火成岩中，测量钾-40和氩-40的比例，就可以断定这块岩石从熔岩状态开始结晶距今有多久了。火成岩很具代表性，它富含多种不同的放射性同位素，不仅仅有钾-40。火成岩固化中比较幸运的方面是，它是如此地突然——以至于给定的一小块岩石中所有时钟都是被同时清零的。

只有火成岩才提供放射性时钟，但是火成岩中几乎从来没有发现过化石。化石形成于像石灰岩、砂岩这些沉积岩中，它们都不是固化的火山岩浆。它们都是逐渐地沉积到海底、湖底或河底的泥浆、煤粉或沙子构成的岩层。从古至今，这些泥或沙逐渐变得致密，像岩石一样坚硬。陷入泥土中的生物尸体就有可能变成化石。虽然只有一小部分尸体真的变成了化石，但沉积岩是唯一值得一提的包含任何化石的岩石。

遗憾的是，沉积岩不能用放射性时钟来进行年代测定。将形成沉积岩的泥沙个体颗粒中，很可能已经含有钾-40或其他放射性同位素，因此可以被认为包含“放射性时钟”，但不幸的是，这些时钟对我们没什么用，因为它们没有被恰当地清零，或者它们彼此被清零的时间并不相同。被压实形成砂岩的沙粒最初可能是火成岩的碎渣，但是这些被研磨成碎渣的火成岩，固化的时间并不相同。每一颗沙粒都有一个在各自不同的时间被清零的时钟，这个时间可能远在沉积岩形成之前，以及远在其中我们企图追溯的化石的年代之前。所以，从计时的角度来看，沉积岩简直就是一团糟。它没法用。至多能做的就是追溯沉积岩附近发现的火成岩，或者埋藏其中的火成岩，这种做法得出的结果还是很不错的。

为了追溯一块化石，并不是说你非得去找像三明治夹肠一样，夹在两块火成岩厚片中间的岩石，这个比喻只是为了简明阐释这个法则。实际使用的方法要更精妙。相似性可辨的沉积岩岩层出现在世界各地。早在人们发现放射性定年法之前，就已经鉴定并且命名了这些岩层：如寒武系（Cambrian）、奥陶系（Ordovician）、泥盆系（Devonian）、侏罗系（Jurassic）、白垩系（Cretaceous）、始新统（Eocene）、渐新统（Oligocene）、中新统（Miocene）。泥盆系的沉积物可让我们辨认出泥盆系，不仅在德文郡，也在世界其他地方（德文郡是英格兰西南部一个郡，泥盆纪就是以该郡的名字命名的）。它们互相之间明显地相似，并且含有相似的化石列表。地质学家很久之前就已经知道了那些已经被命名的沉积物的沉积次序。只是，在放射性时钟出现之前，我们不知道它们是何时沉积的。我们可以把它们排序，这是因为（很明显）老一些的沉积物常常存在于年轻一点的沉积物之下。举例来说，泥盆系沉积物就比石炭系要老，并且我们知道这条规则是因为，在世界上这两个岩层同时存在的地方，泥盆系岩层通常位于石炭系岩层下方（也有例外的情况，但从其他证据来看，我们可以断定那是因为岩石被倾转过来了，甚至是被整个翻转了）。我们通常并不能足够幸运地找到一个有完整序列的岩层，从底层的寒武系一直到顶层的近代。但是由于岩层相当好辨认，我们可以通过在世界各地实施“菊花链法”和“拼图法”，从而得出它们的相对年龄。

因此，早在我们知道化石年龄很久之前，我们就已知道了它们的沉积顺序，或者至少已经知道那些已被命名的沉积物发生沉积的顺序。我们知道：寒武系化石，在全世界都要老于奥陶系化石；而奥陶系化石则要老于志留系（Silurian）化石。然后是泥盆系，再然后是石炭系、二叠系（Permian）、三叠系（Triassic）、侏罗系、白垩系等，并且在这些被命名的主要岩层中，地质学家也辨认出了它们的亚阶：上侏罗统（upper Jurassic）、中侏罗统（middle Jurassic）、下侏罗统（lower Jurassic）等。

被命名的地层通常是通过它们所含的化石被辨认出来的。而我们将要用这些化石的次序，作为进化论的证据！这会不会有陷入循环论证的危险呢？当然不会！想想看，寒武系化石是一个特征性集合，明白无误地可辨认出是寒武系的。而现在，无论我们是在哪儿发现的岩石，目前我们使用的特征性化石集合，只是用作寒武系岩石的标签[即指示物种（indicator species）]。这其实就是石油公司雇用化石专家的原因——要他们去鉴定特定岩石所在的岩层，通常利用微体化石，例如被叫作有孔虫以及放射虫的微小生物们。

人们编制了一份典型化石的列表，用它来辨认奥陶系化石、泥盆系化石等之类。到目前为止，我们只用这些化石集合来辨认某块岩石是否属于如二叠系或志留系。现在我们转而去用那些被命名的岩层的沉积顺序（辅以在世界各地实施“菊花链衔接追溯法”）作为证据，来证明某一岩层比另一岩层更古老或更年轻。通过已经确立的这两套信息，我们可以观察一连串逐渐晚近的岩层中的化石，将它们逐一相互比较，来确定它们是否构成了一个明显的进化顺序。它们是否沿着一个明显的方向发展了？是否某些物种（如哺乳动物）只出现于某一确定的年代之后？之前则从未出现过？所有这些问题的答案都是肯定的——总是肯定的，没有例外。因为遵循我们鉴定地层的方法和获得时间顺序的方法，并不会必然产生这样一个事实，或必然导致这样一个结果，所以，这样的结果就是进化的强有力的证据。

事实就是如此——的的确确，在泥盆系岩层或更老的地层中没有发现任何一块“可以勉强称为哺乳动物的化石”。不是说它们在泥盆系岩层中出现的概率比后面时期的要小，而是它们真的从未见于早于某个确定时期的岩层中。但这并不是说“非这样不可”——可以设想这样的情形：我们从泥盆系开始向下挖掘，并且越挖越深，穿过志留系，挖向更深处，穿过奥陶系，我们突然发现，在寒武系时代（比前面任一时期都更古老）出现了大量哺乳动物！我们实际上并未作出这样的发现，但是这个可能性证明了——你不能指责这种论证是循环论证。在任何时候，只要有人在寒武系岩石中，挖出了一块哺乳动物化石，只要他们做到了，进化论就会迅速土崩瓦解。换而言之，进化论，是可以被检验的理论，因此，是一个科学的理论。在第六章中我还要谈到这一点。

神创论者试图解释这种现象的时候，常常变成一幕高雅喜剧。他们宣称，理解我们发现的主要物种化石顺序之关键是诺亚洪水（Noah's flood）。下面直接引用自一个大受褒奖的神创论者网站。

地质岩层中的化石顺序表明：

（i）无脊椎一类（缓慢移动的海洋动物）会首先灭亡，然后是更具移动性的鱼类被洪水淤泥淹没。

（ii）两栖类（靠近海洋的）动物随着洪水的上升而灭亡。

（iii）爬行类（缓慢移动的陆栖动物），下一波灭亡。

（iv）哺乳类，能逃离上升的水面，体型越大、速度越快的存活得越久。

（v）人类，表现得最心灵手巧——紧抱木头不放等，以此来逃脱洪水。

对于我们在岩层中发现的各种化石的顺序来说，上述序列是一个相当完美、令人满意的解释。这可不是它们进化的次序，而是它们在诺亚洪水中被淹没的次序。

撇开所有反对这个高明解释的其他理由，这里要说，哺乳动物平均说来要比（例如）爬行动物能更好地逃避不断上涨的水位，这是一个统计趋势（而已）。然而，正如我们按照进化论应该预计到的，地质记录中，在很深的岩层中完全没有发现哺乳动物。如果你正对岩层向下挖，发现哺乳动物在统计意义上逐步减少，那么，“逃往山上”的理论基础就更为可信了（“逃往山上”指诺亚洪水时人和动物逃往山上的情形）。二叠纪之后完全没有了三叶虫，在白垩纪岩层之后完全没有了恐龙（鸟类例外）。再一次地，依据“逃往山上”的理论仅仅只能预测到统计学上的逐渐减少（这不符合实情）。

回到年代测定法和放射性时钟上面来。由于这些被命名的沉积层的相对次序已经众所周知，并且同样的顺序见于世界各地，所以我们可以使用覆在沉积岩层之上、之下，或侵入其中的火成岩，来追溯这些已经被命名的沉积岩层的年代，从而确定其内所含化石的年代。利用这个方法的“优化版”，我们可以追溯推出（如石炭纪或白垩系的）火成岩上层附近的化石的年代，要比那些位于同一地层中略微下层的化石更近代一些。我们并不需要在我们想要追溯其年代的某具体化石附近找到一块火成岩。我们根据化石在（如泥盆系）岩层中的位置，就可以辨认出这块化石的年代，比如说属于泥盆纪晚期。从对世界各地的泥盆纪岩层中的岩石的放射性定年，我们知道泥盆纪大约结束于3.6亿年前。

钾氩时钟并不是地质学家可以使用的唯一一种时钟——这类时钟工作原理相同，但时间尺码各异。图11是一个从慢到快的时钟列表。请再一次注意，半衰期有着惊人的范围，从最慢的490亿年直到最快的少于6000年。更快的时钟，如碳-14，工作方式略有不同。这是因为这些高速时钟的归零必定是不同的。半衰期短的同位素，其在地球最初形成时所存在的全部原子，早已消失。在我转向碳年代测定法工作原理之前，有必要停下来考虑另一则证据——支持“古老的地球是一个年龄得用数十亿年来衡量的行星”的证据。

地球上存在的所有元素包括150种稳定同位素和158种不稳定同位素，共计308种。在158种不稳定同位素中，有121种，要么是已经灭绝了，要么是因为不断更新而存在着，如碳-14（我们接下来就会看到）。如果我们考虑这37种还未灭绝的同位素，我们会注意到显著的一点。它们中的每一个的半衰期都超过7亿年。如果我们考虑那121种已灭绝的——每一个的半衰期都少于2亿年。顺便说一下，请不要误解。切记我们在这里讨论的是半衰期，而不是寿命！想一想一个有着1亿年半衰期的同位素的命运。半衰期短于地球年龄1/10左右的同位素，实际上已经“灭绝”了，除非在特殊情况下才能存在。除了我们理解的有特殊原因的情况，我们在地球上发现的同位素是那些半衰期长到足以在一颗很古老的星球上生存的同位素。碳-14是一个例外，而它例外的原因很有趣——它得到了源源不断的补充。因此碳-14作为时钟需要用不同于“长寿命的同位素”的方式来理解。尤其是，将碳-14时钟归零是什么意思？