为什么克莱尔·帕特森在研究地球年龄的时候会把驱动力引出来？
米奇是一名训练有素的工程师。如果他一直是个工程师，世界会更和平。然而，他对化学的工业用途产生了兴趣。1921年，他在俄亥俄州代顿市的通用汽车研究公司工作期间，研究了一种叫做四乙基铅的化合物，发现它可以大大降低振动现象，也就是所谓的发动机爆震。
到20世纪初，所有人都知道铅是危险的，但它仍然以各种形式存在于消费品中。罐头食品用焊铅密封；水通常储存在铅罐里；砷酸铅被用作杀虫剂，喷洒在水果上。铅甚至是牙膏管的成分。几乎每一种产品都会给消费者的身体增加一点铅。然而，人们接触机会最多、接触时间最长的，却是汽油中添加的铅。
铅是一种神经毒素。如果体内铅含量过高，会对大脑和中枢神经系统造成不可挽回的损害。过量接触铅会导致许多疾病，包括失明、失眠、肾衰竭、耳聋、癌症、瘫痪和抽搐。急性发作时，人会突然产生恐怖的幻觉，让病人和其他人措手不及。一般来说，这种症状会导致昏迷或死亡。没有人想让自己的身体摄入过多的铅。
另一方面，铅容易提炼和开采，大规模生产利润极高——四乙基铅确实可以防止发动机爆震。于是，1923年，美国最大的三家公司——通用汽车公司、杜邦公司和新泽西州的美孚石油公司——成立了一家合资企业，名为四乙基铅汽油公司(后简称四乙基铅公司)，生产的四乙基铅，全世界想买多少就买多少。原来这个世界需要很多。他们称这种添加剂为“四乙基”，因为它听起来更令人愉快，而且不含铅等有毒物质。2月1923，1，他们把名字放到市场上(用比大多数人知道的更多的方式)，让大众接受。
一线工人几乎立即出现了行走不稳、功能混乱等症状，这是不久后中毒的征兆。四B公司也实行了一种若无其事，几乎立即坚决否认的政策，几十年来一直有效。正如莎伦·伯奇·麦克格兰(Sharon Birch McGrane)在她的著作《实验室中的普罗米修斯》(Prometheus in the Laboratory，a history of industrial chemistry)中指出的那样，如果任何一家工厂的员工患上了无法治愈的幻觉，发言人都会厚颜无耻地告诉记者:“这些人之所以精神错乱，很可能是因为他们工作太努力了。”在含铅汽油生产之初，至少有15名工人死亡，无数人生病，往往是重病。具体数字不得而知，因为企业几乎总能掩盖过去，从不披露泄露、泄漏、中毒等令人尴尬的信息。但是，有时候压制新闻是不行的——尤其是1924，几天之内，在通风不良的地方，5名生产工人死亡，35名工人终身残疾。
随着新产品危险的传言，为了消除人们的担忧，四乙基铅汽油的发明者托马斯·米吉利决定在记者面前进行一次现场表演。他一边讲公司如何确保安全，一边把含铅汽油倒在手上，把一烧杯这种汽油放在鼻子前60秒，声称自己每天都可以这样做，不会有任何伤害。事实上，米奇利很清楚铅中毒的危害:几个月前他因接触过多而患了重病，现在他再也不会靠近那东西了，除非是在记者面前，越久越好。
受含铅汽油成功的鼓舞，米奇利将注意力转向那个时代的另一个技术问题。上世纪20年代冰箱使用有毒危险气体，经常泄漏，风险很大。1929年，俄亥俄州克利夫兰市一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非常稳定、不易燃、无腐蚀性且可安全吸入的气体。凭着几乎从不后悔做事的本能，他发明了含氯氟烃。
很少有工业产品被如此迅速而不幸地接受。20世纪30年代初，含氯氟烃投入生产，结果，它们被用于一千种用途，从汽车空调到除臭喷雾剂。过了半个世纪，人们才发现这个东西在吞噬平流层的臭氧。你会明白这不是一件好事。
臭氧是氧的一种形式，每个分子包含三个原子，而不是通常的两个。它的化学性质有点奇怪:在地面上是一种有害物质，但在高平流层中却是一种有益物质，因为它会吸收危险的紫外线辐射。然而，有益的臭氧量并不是很大。即使均匀分布在平流层，也只能形成两毫米左右厚的一层。这就是它容易被干扰的原因。
含氯氟烃的量也很少，在整个大气中只有大约10亿，但是这种气体具有很强的破坏性。1公斤含氯氟烃可以捕获并破坏大气中的7万公斤臭氧。含氯氟烃已经被搁置了很长时间——平均大约一个世纪——并且一直在造成损害。它吸收大量的热量。含氯氟烃分子增加温室效应的能力大约比二氧化碳分子强1000倍——当然，二氧化碳本身也是加剧温室效应的专家。总之，含氯氟烃可能被证明是20世纪最糟糕的发明。
米奇利永远不会知道这一点。在人们意识到含氯氟烃的破坏力之前，他已经死了。他的死本身就极不寻常。在米奇利因小儿麻痹症致残后，他发明了一种机械装置，这种装置使用一系列电动滑轮来自动帮助他抬起自己或在床上翻身。1944，机器启动时，他被绳子缠住窒息而死。
如果你对确定事物的年代感兴趣，20世纪40年代的芝加哥大学是你应该去的地方。威拉德·利比(Willard Libby)即将发明放射性碳年代测定法，使科学家能够精确测定骨骼和其他有机碎片的年代，这在过去是不可能的。到这个时候，可靠的年代只到了埃及第一王朝——公元前3000年左右。比如最后一批冰盖什么时候撤退，法国克罗马农民什么时候装饰拉斯科洞穴，谁也说不准。
利比的方法非常多才多艺，所以他获得了1960的诺贝尔奖。这种方法是基于认识到生物体内存在碳的同位素——碳-14。当生物死亡时，同位素开始以可测量的速度衰变。碳-14的半衰期约为5600年——也就是任何样本的一半消失所需的时间——因此通过确定特定碳样本的衰变程度，利比可以有效锁定一个物体的年龄——尽管是在一定的限度内。八个半衰期后，原来的放射性碳只有0.39%。这个量太小，无法可靠计算，所以碳-14测年法只适用于年龄不超过4万年的天体。
有趣的是，随着这项技术的广泛使用，一些缺陷也日益暴露出来。首先，人们发现利比公式中有一个叫衰变常数的基本分量，误差为3%。到这个时候，全世界已经进行了成千上万次计算。科学家们决定保留这个不准确的常数，而不是修正每一个计算结果。“嗯，”蒂姆·弗兰纳里说，“你只需要从你今天看到的每个放射性碳年代测定中减去大约3%。”问题没有完全解决。很快就发现碳-14的样品很容易被其他地方的碳污染——比如和样品一起采集的一点植物，没有被注意到。对于不太老的样本——大约不到20000年的样本——一点点污染并不总是很重要，但对于太老的样本，这可能是一个严重的问题，因为统计中剩余的原子太少了。借用Franganari的话，在第一种情况下，它就像1000美元中的几个1；在第二种情况下，就像只有的2美元中少了1美元。
而且，利比的方法是基于这样的假设，即大气中碳-14的含量和生物吸收这种物质的速度在整个历史过程中是恒定的。事实并非如此。我们现在知道，大气中碳-14的含量是变化的，取决于地球磁场能否有效改变宇宙射线的方向；在很长一段时间内，变化的幅度可能很大。这意味着由碳-14测年法确定的一些年龄比其他的更不确定。在不太确定的年份中，有一段时间是在人类第一次到达美洲的前后。这就是为什么这个问题总是有争议的原因之一。
最后，也许令人惊讶的是，由于看似无关的外部因素，例如动物的饮食结构，计算结果可能完全没有意义。最近有一个案例引起了广泛而激烈的争论，那就是梅毒到底起源于新大陆还是旧大陆。赫尔的考古学家发现修道院的修道士患有梅毒。最初的结论是，在哥伦布出航之前，僧侣们就已经感染了梅毒。然而，这一结论受到质疑，因为科学家发现它们吃了大量的鱼，这使得它们的骨骼看起来比实际年龄更老。和尚可能有梅毒，但他们是如何以及何时得的这个问题似乎很容易解决，但至今仍未解决。
由于碳-14测年法的缺点加起来相当多，科学家们发明了其他方法来测定古代物质的年代，包括热释光测年法和电子自旋共振测年法。前者用于确定土壤中剩余的电子数；后者用电磁波轰击样品来测量电子的振动。然而，即使用最好的方法，你也无法确定任何超过20万年的东西的年代，你根本无法确定像岩石这样的无机物的年代。然而，确定我们星球的年龄当然是必要的。
测定岩石年代的问题在于，世界上几乎所有人都曾放弃希望。如果不是一位名叫阿瑟·霍姆斯的坚定的英国教授，探索可能会完全停止。
福尔摩斯在克服困难和取得成就方面非常英勇。20世纪20年代，正当他的事业如日中天的时候，地质学已经不吃香了——物理学是那个时代的热门科学，经费严重不足，尤其是在它的精神发源地英国。多年来，他是杜伦大学地质系的唯一成员。为了测定岩石的年代，他经常不得不借用或拼凑设备。有一次，为了等学校给他提供一个简单的加法器，他的计算工作耽误了1年。有时，为了挣钱养家，他不得不完全停止学术工作——有一次他在纽卡斯尔开了一家古董店，有时他甚至连地质学会每年5英镑的会费都交不出来。
霍姆斯在研究工作中使用的方法，理论上其实并不复杂，直接来源于欧内斯特·卢瑟福在1904年首次发现的过程，即一些原子以可预测的速度从一种元素衰变到另一种元素，因此这个过程可以作为时钟。如果你知道钾-40变成氩-40需要多长时间，然后测量这两种元素在样本中的含量，就可以得到那种物质的年龄。霍姆斯的贡献是通过测量铀衰变为铅的速率来确定岩石的年代，这样——他希望——就可以确定地球的年龄。
然而，有许多技术困难需要克服。福尔摩斯还需要——至少他会很乐意拥有——一种能够精确测量小样本的先进仪器，而我们已经知道他所能得到的只是一台简单的加法机。因此，他能够在1946中很有信心地宣称，地球至少存在了30亿年，很可能更久。这是相当了不起的成就。不幸的是，他再次遇到了一个巨大的障碍:他的科学同事非常保守，拒绝承认他的成就。虽然很多人愿意欣赏他的方法，但认为他并没有获得地球的年龄，而只是获得了构成地球的物质的年龄。
这时，芝加哥大学的哈里森·布朗发明了一种新的方法来计算火成岩(即加热形成的岩石，而不是沉积形成的岩石)中的铅同位素。意识到这项工作相当无聊，他把它交给了年轻的克莱尔·帕特森作为他的论文项目。他向彼得森保证，用他的新方法确定地球的年龄将是“小菜一碟”。事实上，这项工作耗时数年。
1948，彼得森开始从事这个项目。与托马斯·米吉利丰富多彩和不断推进的历史相比，彼得森测定地球年龄的工作有点平庸。7年来，先是在芝加哥大学，然后在加州理工学院(1952年搬来)，他在一个无菌的实验室里努力工作，精心挑选古老岩石的样本，精确测定其中的铅/铀比。
给地球定年的问题在于，你需要有极其古老的岩石，其中含有铅和铀的晶体，几乎和这个星球一样古老——如果岩石年轻得多，测得的年龄显然会更年轻，从而得出错误的结论，真正古老的岩石在地球上很难找到。到20世纪40年代末，没有人知道为什么。事实上，不可思议的是，直到太空时代，才有人能够合理地解释地球上古老岩石的下落。答案就在板块构造中，当然我们会谈到这个问题。同时，彼得森只能在材料非常有限的情况下才能搞清楚这一切。最后，他突然想到，可以用地球以外的岩石来绕过缺少岩石的问题。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，这个假设被证明是非常正确的，那就是很多陨石其实是早期太阳系遗留下来的建筑材料，所以在一定程度上保留了原来的内部化学结构。通过测定这些流浪岩石的年代，你就(几乎)测定了地球的年代。
然而，总的来说，说起来容易做起来难。陨石数量少，陨石样本不好收集。而且布朗的测量方法过于注重细节，有待改进。最大的问题是，彼得森的样本只要接触到空气，就会莫名其妙地不断被大气中的铅污染。正是因为这个原因，他最终建立了一个无菌实验室——世界上第一个无菌实验室，至少在一种材料上。
彼得森努力工作了七年，才收集到可用于最终测试的样本。1953年春天，他把样本送到了伊利诺伊州的阿贡国家实验室。他及时得到了一台新的质谱仪，可以用来寻找和测定隐藏在古代晶体中的微量铀和铅。彼得森终于得出了结论。他非常兴奋，直接开车去了他在爱荷华州度过童年的家，并要求他的母亲带他去医院，因为他认为他心脏病发作了。
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(误差为7000万年)——麦克格兰赞赏地说:“这个数字50年后仍未改变。”经过200年的努力，地球终于有了年龄。
彼得森几乎立即把注意力转向了大气中铅的问题。他惊讶地发现，那些知道铅对人体影响的小人物几乎无一例外都是错误的或误导性的——这并不奇怪，因为过去40年里关于铅影响的每一项研究都是由铅添加剂的制造商资助的。
在一项这样的研究中，一位没有受过化学病理学专门训练的医生承担了一项五年计划。按照计划，他让志愿者吸入或吞下越来越多的铅，然后检测他们的大小便。不幸的是，医生似乎不明白，铅不会作为废物排出体外，只会在骨骼和血液中积累——这就是为什么铅是危险的。他没有检查骨头或者验血。结果，铅被宣布对健康没有影响。
彼得森很快证实了大气中有大量的铅——事实上，现在仍然有大量的铅，因为它从未消失——其中大约90%来自汽车的排气管，但他无法证明这一点。他需要一种方法来比较目前大气中铅的浓度与1923年四乙基铅商业化生产之前的浓度。他突然想到冰核可能会提供这个答案。
众所周知，在格陵兰岛这样的地方，每年的雪层是非常分明的(因为季节温差使得从冬天到夏天的颜色略有不同)。只要数一下这几层，测量一下每一层的铅含量，就可以计算出几百年甚至几千年来全球大气中任意时刻的铅浓度。这一观点成为冰芯研究的基础。现代气候学的很多研究都是基于此。
彼得森发现，在1923之前，大气中几乎没有铅；从那以后，铅的浓度一直在危险地上升。现在，把铅从汽油中赶出来成了他毕生的追求。为此，他经常批评铅行业及其利益集团，言辞往往很激烈。
这被证明是一场残酷的斗争。思毅公司是世界上很有实力的公司，上面有很多朋友。(其董事包括最高法院的刘易斯·鲍威尔法官和美国地理学会的吉尔伯特·格罗夫纳。)彼得森突然发现，研究经费要么收回，要么难以获得。美国石油协会取消了与他的合同，美国公共卫生局也取消了合同，后者仍然是一个中立的政府机构。
彼得森成了对这个单位越来越不利的人。主要的行业官员不断向加州理工学院的董事会成员施压，要求他们闭嘴或者解雇他。杰米·林肯·基德曼(Jamie Lincoln Kittmann)2000年在《国家杂志》(National magazine)上撰文称，据说Four B公司愿意向加州理工学院免费提供一名教授的讲课费，“如果彼得森能收拾行李走人的话”。矛盾的是，一个美国研究委员会被任命调查大气中铅中毒的危险程度，但他被排除在外，尽管他无疑是此时美国大气中铅问题的主要专家。
幸运的是，彼得森从未动摇过。由于他的努力，他终于提出了1970的清洁空气法案，并于1986年停止在美国销售所有含铅汽油。美国人血液中的铅浓度几乎立即下降了80%。然而，由于铅是一种难以消除的物质，今天每个活着的美国人的血铅浓度仍然比一个世纪前的人高出约625倍。大气中铅的含量还在以每年约65438+万吨的速度增加，而且是完全合法的，主要来源于采矿、冶炼和工业活动。美国也禁止在家用涂料中添加铅，正如麦克格兰所说，“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年才停止在罐头食品上使用铅焊料，真是不可思议。
至于思怡公司，虽然通用汽车、美孚石油公司、杜邦公司在该公司没有股份，但仍在发展。(1962，他们把股份卖给了Almar纸业公司。据McGrane称，直到2006年2月5438+0日，Four B公司仍坚称“研究表明含铅汽油对人体健康或环境不构成威胁”。在其网站上，该公司的历史没有提到铅-也没有乔治米奇利-只是简单地提到最初的产品含有“某种化学混合物”。
不再生产含铅汽油，但根据2001的公司声明，四乙基铅在2000年的销售额仍达到25.65438亿美元(其总销售额为7.95亿美元)，略高于1999年的24.65438亿美元，但低于1998美元。该公司在报告中表示，它决心“最大限度地增加四乙基铅带来的现金收入，尽管全球范围内的使用量在下降”。四乙基铅公司通过与英国Octell联合公司的协议在全世界销售四乙基铅。
至于乔治米奇利留下的另一个祸害，1974美国禁止使用含氯氟烃(CFCs)，不过是个顽固的小恶魔。这种以前排放到大气中的东西(比如除臭剂或者发胶)几乎可以肯定现在还在，在西方你我死后很久臭氧也会被吞噬。更糟糕的是，我们每年仍在向大气中排放大量含氯氟烃。韦恩·比德尔说，现在市场上每年仍有超过2700万公斤的这种东西，价值6543.8+05亿美元。那么，是谁在生产含氯氟烃呢？是我们——也就是说，很多大公司的海外工厂还在生产这种产品。第三世界国家直到2010才会禁止。
克莱尔·帕特森死于1995。他没有因为自己的成就获得诺贝尔奖。地质学家从来没有资格。更令人不解的是，尽管半个世纪以来，他坚持不懈、无私奉献、成就不断增加，却没有获得多少名气，甚至没有受到多少关注。我们有理由相信他是20世纪最有影响力的地质学家。然而，谁听说过克莱尔·帕特森呢？大多数地质学教科书都没有提到他的名字。最近出版的两本关于地球纪年史的畅销书甚至拼错了他的名字。2001年初，有人在《自然》杂志上对其中一本书写了书评，结果他又犯了一个错误，出人意料地认为彼得森是女的。
不管怎样，多亏了克莱尔·帕特森的工作，到了1953年，地球终于有了一个大家都能接受的年龄。现在唯一的问题是它比周围的世界更古老。