若不是诺奖推动，我们对世界的认知会停留在何处？

诺贝尔奖开奖季，每天翘首期待着开奖的人们，其实更期待着了解各领域那些改变了世界的非凡研究成果。

诺贝尔奖历经百年，时至今日，仍是各领域最重要的荣誉之一。“献给令全人类获得裨益者”是诺奖的宗旨，因为其背后的一个个研究成果，推动着世界进步，也改变了我们对世界和生活的认知。

在科学发达的今天，我们对世界的认知已经远至无限广阔的宇宙，而此时回顾历史，科学发现对全人类认知边界的拓展之功会显得格外明显，因为在现代科学出现之前，人们还一直在用宗教信念和各种臆想去解读宇宙。

盘古开天辟地的传说

在一片盲从盲信的声音中，是那些勇于独立思考的科学家们，由亲身的观察和强大的推理开始，逐渐去推演、还原地球的真实历史，从地层中寻找证据，用科学的方法做验证，推演出了那些在今日已成为共识的成果，再以此为据将人类的认知视野推至无限深远。即使在如今看来，其间那些富于想象力的假设，关键发现发明的推动，人类最智慧头脑之间的接力，都令人着迷，惊叹人类创造力的伟大。

地质年代与“深时”概念

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苗德岁

（本文摘自《给孩子的生命简史》）

苗德岁

首位获“北美古脊椎动物学会罗美尔奖”的华裔学者，博士后，拥有地质学与动物学双博士学位。本科就读于南京大学地质系，后在中国科学院古脊椎动物与古人类研究所获得理学硕士学位。1982年赴美学习，曾在加州大学伯克利分校进修，后获怀俄明大学地质学、动物学博士学位，芝加哥大学博士后。1989年至今供职于堪萨斯大学自然历史博物馆暨生物多样性研究所。1996年至今任中国科学院古脊椎动物与古人类研究所客座研究员。

几年前， 著名物理学家霍金的科普书《时间简史》，很是“火”了一阵。其实， 宇宙学（即探讨宇宙的起源及终极命运的学问）这一概念几乎是与人类文明同时诞生的。在现代科学出现之前， 人们通常用宗教信念去解读宇宙。

宇宙究竟如何起源？

有趣的是， 东方文明和西方文明对宇宙起源的解读， 却代表着两个极端。前者以中华文明与印度文明为代表， 认为“宇之无边、宙之永恒”——宇宙是无穷无尽的， 后者则以犹太—基督文明为代表，《圣经》中提出，宇宙是上帝在大约六千年前才创造出来的。1650 年，爱尔兰都柏林三一学院的大主教厄舍尔曾有鼻子有眼地宣称：上帝是在公元前4004 年10 月22 日晚开始动手创造宇宙万物的。

宇宙万物是上帝在公元前4004 年10 月22 日晚开始动手创造的吗？

令人不解的是， 即便在科学发达的今天，竟依然有人相信这一无稽之谈。

然而，早在18 世纪，詹姆斯· 哈顿（James Hutton）就完全不相信厄舍尔的说法。根据自己的亲身观察与推理， 他认为宇宙与地球远不可能如此年轻！

詹姆斯· 哈顿

（James Hutton，1726—1797）

地质学奠基人、苏格兰地质学家。

哈顿看到自家农庄周围山边的岩层，经过经年累月的日晒雨淋， 在风化作用下逐渐变成越来越小的沙粒， 这些沙粒被雨水冲进附近的小河里。他想到， 小河随百川归海， 又把河底的泥沙搬运到海底。海底的沉积物经过高压、脱水、固化等一系列过程， 变成了岩石。后来， 由于地壳运动，海底抬升， 沧海变成了桑田， 这些岩层暴露到地表， 又开始了新一轮“风化—沉积—成岩”的循环。

虽然俗话说“水滴石穿”， 但想象一下， 若完成上述这一循环过程， 需要多么漫长的岁月啊！再看看山上露出的那么厚的岩层， 又需要多么长的时间才能得以形成啊！对哈顿来说， 地质年代的漫长简直超出了人们的想象力——因此， 他曾说过， 地质年代“既没有开始的遗痕， 也没有结束的征象”， 完全是无穷无尽的。

尽管在哈顿之前， 也曾有人认为地球的年龄远比《圣经》上所说的要古老得多， 但他们的观点都不像哈顿的观察与推理那样令人信服。因而， 哈顿也被誉为“发现了‘深时’的人”。

“深时”：把地球年代“压缩”成人类计年中的一年

值得指出的是， 哈顿并没有使用“深时”一词， 该词是美国普林斯顿大学的文学教授约翰· 马克菲在1981年首次使用的。“深时”一词， 现在已频繁地出现在科学文献中。外行人初次见到时， 可能一头雾水、不知所云。实际上，“深时”是指以百万年为单位的地质事件计年，以此来形容地质年代的无穷无尽。

为了帮助人们进一步领会“深时”的意义， 地质古生物学家们曾试图把地球年代“压缩”成人类计年中的一年。

在这一年里， 直到3 月中旬， 地球上才出现最早的生命迹象；海洋生物出现在5 月， 陆生动植物出现在11 月下旬， 脊椎动物直到11 月18 日下午才姗姗来迟；等到地球上出现大规模沼泽地与大片森林的石炭纪（即地球历史上形成煤炭的主要时期），已经是12 月初了；12月中旬， 恐龙才成为地球的霸主， 可是好景不长， 它们于12 月26 日便“寿归正寝”。人类直到12 月31 日接近午夜时分才闪亮登场。这样算起来， 罗马统治西方世界的时间仅有5 秒钟（从除夕晚上11:59:45—11:59:50）。等到哈顿发现“深时”（同时标志着现代地质学的诞生），距离这一年的结束，只有1~2 秒了！

脊椎动物向岸边陆地上挺进

朱敏教授供

地质年代表

地质年代表旨在记录地球历史上重大地质事件（包括生物演化阶段）发生的时代， 反映了地质事件发生的时间和顺序， 可以看作地球的“编年史”。地质古生物学家们主要依据地层的新老顺序、生物演化的不同阶段以及地壳运动的阶段性等， 把地球历史划分成若干个自然阶段或时期， 类似人类史中的朝代划分。

在下图的地质年代表中，中间一栏“地质年代”（代、纪、世）称作“相对地质年代”， 类似于中国历史上的唐宋元明清等朝代的更替。它只反映这些地质时代的先后顺序， 并不表示各地质时代单位的长短。左侧一栏为“距今时间”， 下方数字代表每一地质时代的绝对年龄， 是根据地层中某些矿物或化石所含的放射性同位素衰变周期， 通过一定的计算得来的。

地质年代表，引自《征程》，王原教授提供

有些地质年代表上最大的地质年代单位是“宙”（上图中略去）， 其中冥古宙、太古宙与元古宙又合称为隐生宙。在隐生宙期间， 由于地球上的生物尚未出现或刚刚出现， 因此岩层中生物化石不存在或极为稀少。隐生宙的含义即是生物处于不明显的、隐隐约约的地史阶段。

这一漫长的地史阶段， 一般也被笼统地称作“前寒武纪”（即上图中最底部的一个纪）。显生宙则包括上图中的古生代、中生代和新生代。因为从寒武纪开始， 生物逐渐演化出具有硬体骨骼的较高级动物， 故岩层中开始出现大量的生物化石。显生宙的含义则是该地史阶段的生物已比较丰富、明显可见。宙以下的相对地质年代单位包括：代、纪、世、期。比如，古生代包括寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪以及二叠纪；其中，寒武纪又可进一步分为早寒武世、中寒武世和晚寒武世，每个世还可细分为若干个期。

相对地质年代的确定， 主要根据地质古生物学的两条基本定律：地层叠置定律与化石层序定律。1669 年，丹麦医生尼古拉· 斯坦诺（Nicolas Steno）在意大利北部山脉野外勘察时发现， 在一套没有因剧烈地壳运动干扰而发生倒转的地层中，年代较老的地层总是在下面， 而年代较新的地层则叠覆在较老的地层之上。

尼古拉· 斯坦诺

（Nicholas Steno，1638-1686）

丹麦医生、地质学家，被尊称为“地质学之父”

这一看似显而易见的观察， 却是地质学最基本的定律之一——“地层叠置定律”的主要内容。有了这一定律， 地质古生物学家们才有可能确定地层的相对地质年代。

美国西部大峡谷层层相叠的沉积岩层清晰地展示了

“地层叠置定律”——顶部岩层的时代最新，底部岩层的时代最老

“化石层序定律”是地质古生物学的另一条基本定律， 它最初是由英国地质学家威廉· 史密斯（William Smith）在19 世纪初提出的。18 世纪末， 他作为开凿运河项目的地质顾问， 考察了挖河所暴露出来的大量含化石的侏罗系地层。

威廉· 史密斯（William Smith）

英国地质学家，“地层学之父”。

他发现， 每个连续出露的岩层都含有自身所特有的化石， 利用这些化石便可以把不同时代的岩层区分开来。换句话说， 相同时代的地层中含有相同或相似的古生物化石组合， 而不同时代的地层中含有不同的古生物化石组合。这条规律把地质年代与生物演化阶段联系了起来， 因此可以根据不同时代地层中含有的不同的化石组合， 来进行地层的划分与对比。运用这一原理，史密斯于1815 年编制了第一幅英国地质图，并于1817 年发表了《化石地层层位》。因此，史密斯当之无愧地被誉为“地层学之父”。

应用“化石层序定律”来对比不同地点的地层

2012年1月11日，谷歌纪念“地层学之父”Nicolas Steno374岁诞辰

1960年诺贝尔化学奖重大发明：碳—14法

那么，像寒武纪始于5.41亿年前， 止于4.85 亿年前， 这些地质年代，也就是一般所谓的“绝对年龄”，这些数字是如何得来的呢？

绝对年龄是通过测定岩石中某些矿物的放射性同位素的含量， 根据其衰变规律而计算出的该岩石的年龄。这种绝对年龄的测年方法称作放射性同位素法。利用放射性同位素来测定岩石或矿物的年龄， 其原理并不复杂。科学家们发现， 岩石、矿物或化石所含放射性同位素，会自动地逐渐衰变为非放射性的子体同位素， 并且放射性同位素衰变的速率是固定不变的。因而， 只要温度、压力等因素变化不大， 根据衰变的速率， 通过计算放射性同位素的衰变程度，就可以获得样本的绝对年龄值了。

常见的用放射性同位素测年的方法很多， 让我们以碳—14（C—14）法为例，来看一看其原理。

碳—14法是美国化学家威拉德· 利比（Willard Libby）发明的， 为此他荣获了1960 年的诺贝尔化学奖。

威拉德· 利比

（Willard Libby）

著名美国化学家、1960年诺贝尔化学奖得主

利比知道， 当大气中的氮被宇宙射线照射后， 会产生一种碳同位素——碳—14， 因此空气中的二氧化碳便含有了碳—14。

通过植物光合作用， 碳—14 进入植物体内；当马吃草时，碳—14 又进入马的体内。由于自然界食物链环环相扣，因而所有的生物体内都有碳—14。一旦生物死亡， 它们就不再继续吸收碳—14， 而体内已有的碳—14 便立即以固定不变的速度衰变并逐渐变成氮—14（即放射性衰变过程）。每过5730 年， 生物体内的碳—14 就会衰变成原先的一半（这5730 年也就称作“半衰期”）。所以，只要测出碳—14的衰变程度， 就能计算出该物体（如：木头或马的骨骼等）的绝对年龄了。

在生物体死亡及掩埋之后，木头及骨头中的碳—14通过β 衰变成为氮—14而渐渐失去

碳—14 法原理示意图

但是， 利比的碳—14 法难以测量5 万年以上的样本。因为碳—14 的半衰期较短（只有5730 年），经过十来个半衰期之后，碳—14 的含量会变得极低，而无法被仪器准确测量。因此，碳—14 法一般只能用在年代较近的考古学研究上， 对测量远古化石的年龄就不太适用了。另外， 碳—14 法也无法测量无机物，因此不能应用于绝大部分岩石。

然而， 利比的碳—14 法开创了一个崭新的学科——同位素地质年代学。利比在芝加哥大学的同事哈里森· 布朗（Harrison Brown）及其学生克莱尔· 彼得森（Clair Patterson）发明了铀铅法（U—Pb）测年技术。

克莱尔· 彼得森

（Clair Patterson）

地球化学家

这一测年技术的原理与碳—14 法类似， 但因为放射性同位素铀衰变成铅的半衰期较为漫长，因而利用这一点，可以测量地质年代很古老的岩石。1953 年，彼得森通过测量陨石， 宣布地球的绝对年龄是45.5±0.7 亿年。“±0.7”亿年的意思是， 误差在0.7 亿年上下， 即地球的绝对年龄有95%的可能性是在44.8亿~46.2 亿年。

此后，同位素地质年代学发展迅速，测年方法也越来越多。比如，现在常用的同位素年龄测定法除了碳—14 法和铀铅法之外， 还有铷锶法（Rb—Sr）及钾氩法（K—Ar）等。这些方法使计算地球不同时期的绝对年龄值以及各个地质时代的时间长度成为可能。前面图中地质年代表左侧一栏的数字，就是用这些同位素年龄测定法获取的。

达尔文在《物种起源》中， 花了很大的篇幅试图推测地球的年龄， 因为他深知， 如果地球年龄过于年轻的话， 自然选择便没有足够的时间发挥作用， 渐变的进化理论就失去了意义。他只好抱怨地质记录的不完整。他若是知道地球年龄有45 亿年左右， 就不会担忧自己的理论会因为这一点而遭受严重的诘难了。

（摘自《给孩子的生命简史》，有改动）

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《给孩子的生命简史》

作者：[美]苗德岁

丛书：给孩子系列（No.10）

策划：活字文化

中信出版社

2018年05月 

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