克莱尔·彼得森在研究地球的年龄时为什么要把铅撵出去？

20世纪40年代末，芝加哥大学一位名叫克莱尔·彼得森（尽管姓彼得森，他原先是艾奥瓦州的一个农家孩子）的研究生在用一种新的铅同位素测量法，对地球的确切年龄作最后的测定。不幸的是，他的岩石样品全部给污染了——而且通常还污染得很厉害。大多数样品里的铅含量超过正常浓度的大约200倍。许多年以后，彼得森才明白，问题出在俄亥俄州一个名叫小托马斯·米奇利的人身上。

米奇利是一名受过训练的工程师，要是他一直当工程师，世界本来会太平一些。但是，他对化学的工业用途发生了兴趣。1921年，他在位于俄亥俄州代顿的通用汽车研究公司工作期间，对一种名叫四乙铅的化合物作了研究，发现它能大大减少震动现象，即所谓的发动机爆震。

到20世纪初，大家都知道铅很危险，但它仍然以各种形式存在于消费品之中。罐头食品以焊铅来封口；水常常储存在铅皮罐里；砷酸铅用做杀虫剂喷洒在水果上。铅甚至还是牙膏管子的组成材料。几乎每一件产品都会给消费者的身体里增加一点儿铅。然而，人接触机会最多、接触时间最长的，还是添加在汽油里的铅。

铅是一种神经毒素。体内铅的含量过高，就会无可挽回地损害大脑和中枢神经系统。与铅过分接触会引起很多病症，其中有丧失视力、失眠、肾功能衰竭、失聪、癌症、瘫痪和抽搐。急性发作的时候，人可以突然产生恐怖的幻觉，令患者和旁人措手不及。一般来说，这种症状接着会导致昏迷或死亡。谁也不愿意让自己的身体摄入过量的铅。

另一方面，铅很容易提炼和开采，大规模生产极其有利可图——四乙铅确实可以防止发动机爆震。所以，在1923年，美国三家最大的公司——通用汽车公司、杜邦公司和新泽西美孚石油公司——成立了一家合资企业，名叫四乙铅汽油公司（后来又简称为四乙公司），世界愿买多少四乙铅，它就生产多少四乙铅。结果证明，世界的需要量很大。他们把这种添加剂称做“四乙”，是因为“四乙”听上去比较悦耳，不像“铅”那样含有毒物的意味。1923年2月1日，他们把这个名字（以比大多数人知道的更多方式）推向市场，让公众接受。

第一线的工人几乎马上出现走路不稳、官能混乱等症状，这是中毒不久后的标志。四乙公司也几乎马上执行一条行若无事、坚决否认的方针，而且在几十年里行之有效。正如沙伦·伯奇·麦格雷恩在她的工业化学史《实验室里的普罗米修斯》一书中指出的，要是哪家工厂的雇员得了不可治愈的幻觉症，发言人便会厚颜无耻地告诉记者：“这些人之所以精神失常，很可能是因为工作太辛苦。”在生产含铅汽油的初期，至少有15名工人死亡，数不清的人得病，常常是大病。确切的数字无法知道，因为公司几乎总是能掩盖过去，从不透露令人难堪的泄漏、溢出和中毒等消息。然而，有的时候，压制消息已经不可能——尤其值得注意的是在1924年，在几天时间里，光在一个通风不良的场所就有5名生产工人死亡，35名工人终身残疾。

随着有关新产品很危险的谣言四起，为了打消人们的担心，四乙铅汽油的发明者托马斯·米奇利决定当着记者的面作一次现场表演。他一面大谈公司如何确保安全，一面往自己的手上泼含铅汽油，还把一烧杯这类汽油放在鼻子跟前达60秒之久，不停声称他每天可以这么干而不受任何伤害。其实，米奇利心里对铅中毒的危险很清楚：他几个月之前还因接触太多而害了一场大病，现在除了在记者面前以外决不接近那玩意儿，只要可能的话。

加铅汽油获得成功，米奇利深受鼓舞，现在又把注意力转向那个时代的另一个技术问题。20世纪20年代，冰箱使用有毒而危险的气体，时常泄漏，风险很大。1929年，俄亥俄州克利夫兰有家医院发生冰箱泄漏事故，造成100多人死亡。米奇利着手发明一种很稳定、不易燃、不腐蚀、吸入很安全的气体。凭着办事几乎从不后悔的本能，他发明了含氯氟烃。

很少有哪个工业产品如此快速而又不幸地被大家接受。20世纪30年代初，含氯氟烃投入生产，结果派上了一千种用场，从汽车空调器到除臭喷雾剂什么都离不开它。半个世纪以后人们才发现，这玩意儿正吞噬着平流层里的臭氧。你将会明白，这不是一件好事情。

臭氧是氧的一种形式，每个分子含有三个而不是通常的两个原子。它的化学特性有点儿古怪：它在地面上是一种有害物质，在高高的平流层却是一种有益物质，因为它吸收危险的紫外辐射。然而，有益的臭氧的量并不很大。即使均匀地分布在平流层里，它也只能形成大约两毫米厚的一层。这就是它很容易受扰动的原因。

含氯氟烃的量也不大——只占整个大气的大约十亿分之一——但是，这种气体的破坏力很强。1千克含氯氟烃能在大气里捕捉和消灭7万千克臭氧。含氯氟烃悬浮的时间还很长——平均一个世纪左右——不停地造成破坏。它吸收大量热量。一个含氯氟烃分子增加温室效应的本事，要比一个二氧化碳分子强1万倍左右——当然，二氧化碳本身也是加剧温室效应的能手。总之，最后可能证明，含氯氟烃差不多是20世纪最糟糕的发明。

这一点米奇利永远不会知道。在人们意识到含氯氟烃的破坏力之前，他早已不在人世。他的死亡本身也是极不寻常的。米奇利患脊髓灰质炎变成跛子以后，发明了一个机械装置，利用一系列机动滑轮自动帮他在床上抬身或翻身。1944年，当这台机器启动的时候，他被缠在绳索里窒息而死。

要是你对确定事物的年龄感兴趣，20世纪40年代的芝加哥大学是个该去的地方。威拉德·利比快要发明放射性碳年代测定法，使科学家们能测出骨头和别的有机残骸的精确年代，这在过去是办不到的。到这个时候，可靠的年代最远只达埃及的第一王朝——公元前3000年左右。例如，谁也没有把握说出，最后一批冰盖是在什么时候退缩的，法国的克罗马农人是在过去什么时候装饰拉斯科山洞的。

利比的方法用途很广，他因此获得了1960年的诺贝尔奖。这种方法基于一种认识：生物内部都有一种碳的同位素——名叫碳-14，生物一死，该同位素马上以可以测定的速度开始衰变。碳-14大约有5600年的半衰期——即任何样品消失一半所需的时间——因此，通过确定某种特定的碳样的衰变程度，利比就可以有效地锁定一个物体的年代——虽然是在一定限度以内。经过八个半衰期以后，原先的放射性碳只剩下0.39%。这个量太小，无法进行可靠的测算，因此碳-14年代测定法只适用于年代不超过4万年左右的物体。

有意思的是，随着这项技术的广泛使用，有些疵点也日渐显露出来。首先，人们发现，利比公式里有个名叫衰变常数的基本成分存在3%的误差。而到了这个时候，全世界已经进行了数千次计算。科学家们没有修正每个计算结果，而是决定保留这个不准确的常数。“这样，”提姆·弗兰纳里说，“你只要把今天见到的每一个以放射性碳年代测定法测定的年代减去大约3%。”问题没有完全解决。人们又很快发现，碳-14的样品很容易被别处的碳污染——比如，一小点儿连同样品一起被采集来的而又没有被注意到的植物。对于年代不大久远的样品来说——年代小于大约2万年的样品——稍有污染并不总是关系很大，而对于年代比较久远的样品来说，这有可能是个严重的问题，因为统计中的剩余原子数实在太少了。借用弗兰纲纳里的话来说，在第一种情况下，就像是1000美元里少数1美元；而在第二种情况下，就像是仅有的2美元里少数了1美元。

而且，利比的方法是以如下假设为基础的，即大气里碳-14的含量以及生物吸收这种物质的速度，在整个历史进程中是始终不变的。事实并非如此。我们现在知道，大气里碳-14的数量变化不定，取决于地球的磁场能否有效地改变宇宙射线的方向；在漫长的时间里，变化的幅度可能很大。这意味着，有些以碳-14年代测定法测定的年代要比别的这类年代更无把握。在比较缺少把握的年代当中，有人类首次抵达美洲前后这一段时期的年代。这就是为什么那个问题老是争论不休的原因之一。

最后，也许有点儿出人意料的是，计算结果可能由于表面看来毫不相干的外因——比如动物的饮食结构——而完全失去意义。最近有个案例引起了广泛激烈的争论，即梅毒究竟起源于新大陆还是旧大陆。赫尔的考古学家们发现，修道院坟地里的修道士患有梅毒。最初的结论是，修道士在哥伦布航行之前就已经患上了梅毒。但是，该结论受到了质疑，因为科学家们发现，他们吃了大量的鱼，这会使他们骨头的年代看上去比实际的要古老。修道士可能患有梅毒，但究竟是怎么患上的，什么时候患上的，问题似乎容易解决，却依然没有解决。

由于碳-14年代测定法的缺点加起来还真不少，科学家们发明了别的办法来测定古代物质的年代，其中有发热光测定法和电子自旋共振测定法。前者用来测定存留在泥土里的电子数；后者以电磁波轰击一件样品来测定电子的振动。但是，即使用最好的方法，你也无法测定20万年以上的东西的年代，也根本无法测定岩石那样的无机物质的年代。然而，若要确定我们这颗行星的年龄，这当然是必不可少的。

测定岩石年代的问题在于，世界上几乎人人都一度不抱希望。要不是出了一位决心很大的、名叫阿瑟·霍姆斯的英国教授，这项探索很可能会完全停顿下来。

无论在克服困难方面，还是在取得的成就方面，霍姆斯都很有英雄气概。20世纪20年代，正当他的事业进入全盛期的时候，地质学已经不再吃香——物理学是那个时代的热门科学，资金严重缺乏，尤其在它的精神诞生地英国。多少年来，他是达勒姆大学地质系的惟一人员。为了进行测定岩石年代的工作，他常常不得不借用或拼凑设备。有一次，为了等校方为他提供一台简单的加法机，他的计算工作竟然耽搁了1年时间。有时候，他不得不完全停止学术工作，以便挣钱来养家糊口——一度在纽卡斯尔开了个古董店，有时候他连地质学会每年5英镑的会费也缴不起。

霍姆斯在研究工作中使用的方法，在理论上其实并不复杂，直接产生于欧内斯特·卢瑟福于1904年最初发现的那个过程，即，有的原子以一种可以预测的比率从一种元素衰变成另一种元素，因此这个过程可以用来当时钟。要是你知道钾-40要经过多长时间才变成氩-40，并且测定样品里这两种元素的量，你就可以得出那种物质的年代。霍姆斯的贡献在于，以测定铀衰变成铅的比率来测定岩石的年代，从而——他希望——能测定地球的年龄。

但是，有许多技术上的困难需要克服。霍姆斯还需要——至少会很高兴拥有——一种能对细小样品进行精密测量的先进仪器，而我们已经知道，他所能得到的不过是一台简单的加法机。因此，他竟然能在1946年较有把握地宣布，地球至少已经存在30亿年，很可能还要长。这是一项相当了不起的成就。不幸的是，他又一次遇到了巨大的障碍：他的科学界同行们非常保守，对他的成就拒不承认。许多人尽管乐意赞赏他的方法，却认为他得出的不是地球的年龄，而只是组成地球的材料的年龄。

就在这个时候，芝加哥大学的哈里森·布朗发明了一种统计火成岩（即通过加热形成的岩石，而不是通过沉积形成的岩石）里铅同位素的新方法。他意识到这项工作相当乏味，便把它交给了年轻的克莱尔·彼得森，作为他的论文项目。他向彼得森保证，以他的新方法来测定地球的年龄会“易如反掌”。实际上，这项工作花了几年时间。

1948年，彼得森着手从事这个项目。与托马斯·米奇利丰富多彩、不断推动历史前进的贡献相比，彼得森测定地球年龄的工作有点儿平平庸庸的味道。有7年时间，先是在芝加哥大学，后在加州理工学院（他于1952年迁往那里），他在无菌实验室里埋头苦干，仔细选择古老岩石的样品，精密测定里面铅/铀的比例。

测定地球年龄的问题在于，你需要有极其古老的岩石，内有含铅和铀的晶体，其古老程度几乎与这颗行星一样——要是岩石年轻得多，测出的年代显然会比较年轻，从而得出错误的结论，而真正古老的岩石在地球上是很难找得着的。到20世纪40年代末，谁也不知道这是什么原因。实际上，要等到太空时代，才可能有人貌似有理地说明地球上古老岩石的去向，这真是不可思议的。（答案在于板块构造，我们当然将谈到这个问题。）与此同时，彼得森只能在材料非常有限的情况下把这一切搞清楚。最后，他突然聪明地想到，他可以利用地球之外的岩石，从而绕开缺少岩石的问题。他把注意力转向陨石。

他提出了一个假设——一个很有远见的假设，结果证明非常正确，即，许多陨石实际上是太阳系早期留下来的建筑材料，因此多少保留着原始的内部化学结构。测定了这些四处游荡的岩石的年代，你也就（接近于）测定了地球的年龄。

然而，通常来说，总是说来容易做来难。陨石数量不多，陨石样品不是很容易能采集到手。而且，布朗的测量方法过分注重细节，需要做很多改进。最大的问题是，彼得森的样品只要接触空气，就莫名其妙地不断地受到大气里铅的严重污染。正是由于这个原因，他最后建立了一个消过毒的实验室——世界上第一个无菌实验室，至少有一份材料里是这么说的。

彼得森任劳任怨地干了7年，才收集到可用于最后测试的样品。1953年春，他把样品送到伊利诺伊州的阿冈尼国家实验室。他及时获得了一台新型的质谱仪，可以用来发现和测定秘藏在古晶体里的微量铀和铅。彼得森终于得出了结果。他激动万分，直接驱车去艾奥瓦州他度过少年时代的家中，让他的母亲把他送进医院，因为他认为自己在发心脏病。

此后不久，在威斯康星州的一次会议上，彼得森宣布地球的确切年龄为45.5亿年（误差7000万年）——麦格雷恩赞赏地说：“这数字50年以后依然没有改变。”经过200年的努力，地球终于有了个年龄。

彼得森几乎马上把注意力转向大气里那个铅的问题。他吃惊地发现，有关铅对人体的影响，人们仅有的一点儿认识几乎无一例外是错误的，或者是令人产生误解的——这也不足为怪，因为40年来对铅的影响的每项研究，全是由铅添加剂的制造商们提供资金的。

在一项这样的研究中，一名没有受过化学病理学专门训练的医生承担了一个五年计划。根据计划，他让志愿者们吸入或吞下越来越大量的铅，然后对他们的大小便进行化验。不幸的是，那位医生似乎也不懂，铅不会被作为废物排泄出体外，只会积累在骨头和血液里——这正是铅很危险的原因，他既没有检查骨头，也没有化验血液。结果，铅被宣布对健康毫无影响。

彼得森很快确认，大气里有大量的铅——实际上现在仍有大量的铅，因为铅从来没有消失——其中大约90%来自汽车的废气管，但他无法加以证明。他需要一种方法，把现在大气里铅的浓度，与1923年四乙铅开始商业生产之前的浓度进行比较。他突然想到，冰核可能会提供这个答案。

人们知道，在格陵兰岛这样的地方，每年的积雪层次很分明（因为季节温差使得冬季到夏季的颜色稍有不同）。只要往前数一数这些层次，测量一下每一层里铅的含量，你就可以计算出几百甚至几千年里任何时候全球大气里铅的浓度。这个见解成为冰核研究的基础。许多现代气候学的研究工作都是建立在这个基础上的。

彼得森发现，1923年之前，大气里几乎没有铅；自那以后，铅的浓度不断危险地攀升。现在，把铅撵出汽油成了他一生的追求。为此，他经常批评铅工业及其利益集团，而且往往言辞很激烈。

这证明是一场残酷的斗争。四乙公司是全球一家势力很大的公司，上头有很多朋友。（它的董事当中有最高法院的法官刘易斯·鲍威尔和美国地理学会的吉尔伯特·格罗夫纳。）彼得森突然发现研究资金要么被收回，要么很难获得。美国石油研究所取消了与他签订的一项合同，美国公共卫生署也是，后者还算是个中立的政府机关呢。

彼得森成了一个对本单位越来越不利的人。铅工业界官员不断向加州理工学院董事会成员施加压力，要么让他闭嘴，要么让他滚蛋。杰米·林肯·基特曼在2000年的《国家》杂志中写道，据说，四乙公司愿意向加州理工大学无偿提供一名教授讲席的费用，“如果能让彼得森卷铺盖走人的话”。荒唐的是，一个美国研究委员小组被指派来调查大气中铅毒的危险程度，他竟然被排除在外，尽管他这时候毫无疑问已经是美国大气铅问题的主要专家。

幸好，彼得森从来没有动摇过。由于他的努力，最后提出了《1970年洁净空气法》，并于1986年在美国停止销售一切含铅汽油。美国人血液里的铅浓度几乎马上下降了80%。但是，由于铅是一种难以消除的物质，今天每个活着的美国人血液里的铅浓度，仍要比一个世纪以前的人高出大约625倍。大气里铅的含量还在以大约每年10万吨的速度继续增加，而且完全是以合法的方式，主要来自采矿、冶炼和工业活动。美国还禁止在家用油漆中添加铅，正如麦格雷恩所说，“比大多数欧洲国家晚了44年”。考虑到铅的惊人毒性，美国直到1993年才在食品罐头上停止使用焊铅，这是不可思议的。

至于四乙公司，它仍在发展，虽然通用汽车公司、美孚石油公司和杜邦公司在该公司已经没有股份。（1962年，它们把股份卖给了奥尔马尔造纸公司。）据麦格雷恩说，直到2001年2月，四乙公司依然坚持认为，“研究表明，含铅汽油无论对人的健康还是对环境都不构成威胁”。在它的网站上，公司的历史没有提及铅——也没有提及乔治·米奇利——只是简单地提到原先的产品里含有“某种化学混合物”。

四乙公司不再生产含铅汽油，但据2001年的公司报表，2000年四乙铅的销售额仍达到2510万美元（它的全部销售额为79500万美元），比1999年的2410万美元略有增长，但低于1998年的11700万美元。公司在它的报告中说，它决心“使四乙铅产生的现金收入增加到最大程度，尽管全世界的使用量在不断下降”。四乙公司通过与英国奥克特尔联合公司的一项协议在全世界销售四乙铅。

至于乔治·米奇利留给我们的另一个祸害含氯氟烃，美国在1974年已经禁止使用，但它是个顽固不化的小魔鬼，以前（比如从除臭剂或喷发定型剂）排放到大气的这种东西几乎肯定还在那里，等你我上了西天很久以后还会在吞食臭氧。更为糟糕的是，我们每年仍在向大气里排放大量含氯氟烃。韦恩·比德尔说，每年仍有2700万千克以上的这种东西在市场上销售，价值15亿美元。那么，是谁在生产含氯氟烃？是我们——那就是说，许多大公司仍在其海外的工厂里生产这种产品。第三世界国家要到2010年才加以禁止。

克莱尔·彼得森于1995年去世。他没有因为自己的成就而获得诺贝尔奖。地质学家向来没有这个资格。更令人不解的是，尽管他在半个世纪的时间里坚持不懈，大公无私，取得越来越大的成就，他也没有获得多少名气，甚至没有受到多大重视。我们有理由认为，他是20世纪最有影响的地质学家。然而，谁听说过克莱尔·彼得森来着？大多数地质学教科书没有提到他的名字。最近出版的两本有关测定地球年龄的历史的畅销书，竟然还把他的名字拼错了。2001年初，有人在《自然》杂志里就其中的一本书写了一篇书评，结果又犯了一个错误，令人吃惊地认为彼得森是个女人。

无论如何，多亏克莱尔·彼得森的工作，到1953年，地球终于有了个人人都能接受的年龄。现在惟一的问题是，它比它周围的世界还要古老。

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