史前年代的科學鑑定法

放射性時鐘所鑑定的年代動輒以數百萬年計，但它們的鑑定結果有多準確呢？

本篇和以下兩篇文章對各種不同的放射性年代鑑定法加以描述和評估。這些方法是地質學家用來衡量岩石和一度生存的有機體化石的年代的，撰文的是一位在研究放射現象方面有多年經驗的核子物理學家。

「灰坑岩含有大量考古學發現。科學家認為，從1萬年之久的遺跡可知佛羅里達州（美國）在冰河時代已有人類存在。」

「日本石器時代最古老的小屋在大阪附近出土。考古學家鑑定該小屋屬2萬2,000年前之物。」

「大約100萬年前，有一條河流過（美國加州）科倫拉東邊，在河畔出沒的史前動物包括柱牙象、駱駝、馬和兔子。」

上述的近期報導乃是考古學家和古生物學家宣布發現古物的典型消息。對於一項新發現，人們首先想知道的是，它是多久之前的東西？科學家對記者發表談話時早已準備好答案，不論答案是基於證據抑或僅屬猜測。

你若讀到此類的報導，是否有時在腦海中泛起一個問題：他們怎麼知道？他們怎麼肯定佛羅里達州在1萬年前，日本在2萬2,000年前已有人類存在，或者在100萬年前已有柱牙象和駱駝漫遊於加州的山水之間？

鑑定古代遺物年代有若干種科學方法。有些方法比別的方法可靠，但沒有一種方法比基於歷史記錄的年代更為肯定。可是，人類的歷史記錄充其量只能追溯到6,000年前。過了這個年限，我們就只好使用科學鑑定法了。

放射性鑑定法

在各種科學鑑定法之中以放射性時鐘為最可靠。這種「時鐘」是根據放射性衰變過程比率去鑑定的。雖然其他方法根據在不同的環境——例如氣溫變化——之下可能進行得較快或較慢的衰老過程去鑑定年代，放射性衰變卻表明不受極端的外在情況所影響。

鈾－鉛時鐘

我們且以最先設計的放射性時鐘為例，這項設計以從鈾至鉛的衰變為根據。放射性衰變完全以統計學上的或然率為依歸。在一段時間之內，鈾的衰變量與餘下量往往成為比例。結果可從（10頁的）圖中曲線看出，它表明經過一段特定的時間之後所留下的數量。半數的鈾量衰變所需的時間稱為放射性半衰期。餘下的半數之中有一半將在另一半衰期中衰變，於是剩下了原有數量的四分之一。由此類推，經過三個半衰期之後就會剩下八分之一。鈾的半衰期是45億年。

既然鈾可以變成鉛，鉛的數量遂隨著時間增加。在任何特定時間內所積存的數量可從中斷的曲線看出。鉛曲線是鈾曲線的補足物，因此鉛原子與鈾原子的全數總是相同的，與我們開始計算的數目相等。

現在，假設我們有一塊岩石，內裡藏有鈾，但沒有鉛；我們把岩石封閉起來，不讓任何東西進入或漏出。然後，過了若干時間之後，我們打開岩石，衡量兩種元素的數量，就可以算出岩石封閉了多久。例如，我們若發現鉛和鈾的數量相等，就知道一段半衰期——45億年——已經過去了。我們若發現只有百分之一的鈾已衰變成為鉛，就可用曲線上的算術公式去算出已經過去的時間是6500萬年。

值得留意的是，我們不知道岩石在開始時有多少的鈾在裡面，因為我們所量度的只是在一段時間之末鉛與鈾的比例而已——事實上，在實驗開始時，我們誰也沒有在場去衡量任何東西。

現在你也許想到我們所談論的是悠長的時間，百十億年之久的時間。行得這麼慢的時鐘怎可能有什麼用處呢？原來，我們探知地球本身已存在了數十億年之久，若干地方的岩石看來差不多有這麼古老。因此地質學家發現，這樣的時鐘在研究地球歷史方面頗為有用。

它們準確到什麼程度？

我們必須承認，鑑定過程並不像我們所描述的那麼簡單。我們提及岩石必須是在起初不含有任何鉛，但事情通常並非這樣；岩石在起初會有一些鉛存在。這使岩石有一段所謂的固有時期而非從零度開始。同時，我們假設鈾在岩石裡被封閉起來，沒有東西可以滲入或漏出。但有時未必盡然。經過悠長的時間之後，有些鉛或鈾也許會滲進地下水裡。或者有若干鈾或鉛會滲入石內，尤其是以沉積的岩石為然。為了這緣故，鈾－鉛時鐘的效果以用在火成岩上為最佳。

使情形更加複雜的是，事實上另有一種元素——釷——會混雜在礦物之中；它也具有放射性，且會逐漸分解成為鉛。此外，鈾也有第二種同位素——化學成分相同而質量不同——以相異的比率衰變，但亦同時形成鉛。它們結果形成同位素相異的鉛，因此不但需要化學家使用試管，同時也需要物理學家用特別儀器去分別各種質量不同的鉛同位素。

雖然沒有詳述這些難題的細節，我們也能明白到地質學家使用鈾－鉛時鐘時若要獲得可靠到合理程度的答案，就必須提防若干易犯的錯誤。他們很高興有另一種放射性測定法去證實他們所作的年代鑑定。他們已發明了其他兩種方法，時常可以用在同一的岩石之上。

鉀－氬時鐘

最廣泛地為人使用的一種方法是鉀－氬時鐘。鉀是比鈾較為普通的元素——商店售賣氯化鉀作為鹽的代用品。鉀所含的大多數是質量39和41的兩種同位素，但質量40的第三種同位素卻具有微弱的放射性。這種鉀衰變的產品之一是氬；氬是一種惰性氣體，在大氣層中約佔百分之一。質量40的鉀的半衰期是14億年，它最宜於用來衡量從數千萬年至數十億年的年代。

與鈾正好相反，鉀在地殼中廣泛存在。它包含在大多數普通岩石——例如火成岩和沉積岩——的多種礦物之中。鉀－氬時鐘運作所需的情況和以上解釋的相同：鉀必須在時鐘開始——即礦物組成——時沒有氬存在。經過的時期必須保持密封，不讓鉀或氬逸出或滲入。

鉀－氬時鐘使用起來有效到什麼程度呢？它有時靈，有時不靈。有時測定的年代與鈾－鉛時鐘所測定的分別很大。通常，它所測定的年代較短，研究者認為是有氬逸出的結果。但在其他岩石上，鉀和鈾所測定的年代十分接近。

鉀－氬時鐘最有新聞價值的一次使用是對阿波羅15號太空船帶回的月球岩石所作的年代鑑定。科學家切出小塊月球岩石，用鉀－氬時鐘測量，鑑定岩石的年齡是33億年。

銣－鍶時鐘

最近發明了另一種礦物放射性時鐘。它以銣衰變為鍶作為根據。銣的衰變緩慢到令人難以置信。它的半衰期是500億年！甚至在最古老的岩石中，銣的衰變量也是如此微小，以致人必須小心翼翼地從原始的鍶中分辨出加在其中的錮-87。礦物裡的鍶含量也許會比銣多100倍；即使在10億年內，衰變的銣也只佔全數的百分之一左右。儘管具有這些難題，但在若干事例上，從衰變產生的極小量的鍶還是可以探測出來。這種時鐘的價值在於用來測度其他方法所鑑定的年代。

使用這種方法的一個令人振奮的例證是對一塊隕石的探測。天文學家們相信這塊隕石可能像其他岩石一樣，在理論上是曾經聚在一起組成各行星的東西，它也許是構成太陽系的原始物質當中的剩餘品。探測的結果鑑定隕石是46億年前之物；這與上述的觀念並無衝突。

銣－鍶時鐘的卓越成就是鑑定上述月球岩石的年代。岩石中有五種不同的礦物受到探測。共同標明的年代是33億年，與鉀－氬時鐘鑑定的年代相同。a

在若干事例上，三種地質學時鐘所鑑定的年代比較起來頗為接近，這麼一來，就令人相信鑑定的年代很可能是正確的。然而，應該強調的是，這些例子顯示可以獲得什麼程度的一致——但只是在理想的情況之下。但情況通常並不是理想的。相較起來，彼此衝突的例子數目大得多。

古生物學家試圖鑑定化石的年代

古生物學家試圖仿效地質學家在鑑定只有幾百萬年歷史的岩石年代方面的成功。他們相信有些生物的化石可能也這麼古老。很可惜，鉀－氬時鐘對他們並沒有很大幫助！當然，化石的發現不是在火成岩裡而是在沉積岩裡；對於沉積岩來說，放射測量鑑定法通常都是不可靠的。

試舉一例說明，化石起先埋藏在厚厚的火山灰裡，火山灰後來固化，成為凝灰岩。它其實是沉積岩層，但卻由空氣中固化的火成物質所構成。若是可以鑑定的話，就會有助於探測其中所蘊藏的化石的年代。

在坦桑尼亞的奧杜維爾峽谷曾發現這樣的一個例證；該處像猿動物的化石特別惹人注意，因為發現者聲稱這些化石與人有關。他們首先在化石發現之處測量火山凝灰岩的氬，顯示的年代是175萬年。但後來在另一個合格的實驗室裡測量的結果卻減少了50萬年。最令進化論者失望的是，在化石之上和之下的凝灰岩層探測所得的年代並不是循序漸進的。有時上層所含的氬比下層為多。以地質學而論，這種情形完全不對——上層的積聚較後於下層，因此所含的氬應該較少才對。

研究者的結論是，「先前遺留的氬」破壞了所作的測量。先前形成的氬並非全部都從溶岩中沸騰消去。時鐘沒有調至零度。以前由鉀所生的氬若有千分之一在岩石於火山中溶化時遺留在岩石裡，時鐘在開始時就含有差不多100萬年的固有年代。正如一位專家說：「有些年代鑑定必然是錯誤的；如果其中有些是錯誤的，也許它們盡都錯了。」

雖然專家們認為所鑑定的這些年代可能全無意義，但奧杜維爾化石原本估計的175萬年卻繼續在鼓吹進化論的流行雜誌中受到引述。他們並沒有向外行的讀者提出警告，指出這些年代不過是猜測而已。

［腳注］

［第9頁的精選語句］

地質學家使用鈾－鉛時鐘時必須提防若干易犯的錯誤

［第11頁的精選語句］

他們沒有提出警告，指出這樣的年代不過是猜測而已

［第10頁的圖表］

（排版後的式樣，見出版物）

鈾的減少與鉛的增加成正比例

100%

50%

25%

12.5%

半衰期1 2 3

鉛（氬）

（鉀）鈾

［第9頁的圖解］

（排版後的式樣，見出版物）

鈾

鉛

這塊岩石原本有多少的鈾（或鉛）存在？

有多少鈾（或鉛）在後來滲入岩石？

有多少鉛是從釷衰變而來的？