同大多数进入国立大学的学生一样,五十多岁的我在生物班一年级时,笃信进化论。教授长期以来一直用生物生命的进化论导引学生。他认为,进化论是宇宙自然规则中的必然法则。目前,进化论是客观事物发展所应遵守的自然法则。生物班及大学一些课程中,人们对起源问题只提供出一种解释。
我是许多成长于保守宗教家庭环境中的美国人中的一员。这种成长环境中的理念与在大学里所学的进化论理念是有冲突的。然而,对于《创世纪》与进化论的矛盾,我当时的信心并不够坚定,因此并没有对此提出问题。而提出疑问的学生们却经常受不到尊重。作为一名胸怀大志的科学家,理应聪明地回避任何有争议的事情。正如无数的美国人一样,他们相信自己所衷爱的夜间新闻时事评论家们的言论是客观可信的,我和我的同学们相信,我们受的教育是全部真理。《创世纪》的科学证据从未被人提及;我们就未曾想到它们的存在。
进化论作为整个基准体系
进化论的生物论据未使我全然相信;我也没有成为一名进化论者。几年后,我参加了宇宙论中的物理学位课程的学习,这使我坚定了信念。宇宙论领域涉及到宇宙的起源与发展问题。这本课程聚焦于宇宙大爆炸模式,或称之为大爆炸。因为此课程将宇宙的起初描绘成一个巨大原始的爆炸。
在某些方面,这种理论使我从哲学观点考虑问题。认为科学可以探究到宇宙的最初起源,这令人迷醉。而这种思考方式也容易忽略此理论中的不确定因素。但仍有一个主要问题:物理学中的一个基本要义是物质和能量既不可被创造也不可消失。但大爆炸的标准理论是,在宇宙大爆炸前的数十亿年,绝对没有任何东西存在――没有物质,没有空间,甚至没有时间本身。那么,从逻辑学上说,如果大爆炸真的发生过,那就应涉及到物质的创造论。根据物理定律,这是不可能的。这儿出现了一个基本的矛盾,我无法解释。宇宙是这样产生的吗?我们没有科学解释,还要认为这就是事实吗?
一次,班里对此类问题展开了讨论。教授对整个论题的讨论感到不安,向我们提到了几十年前的一位天主教神学家,名叫乔治斯·莱曼特(Jorges Lem?tre)。他提出了一种可能解释。同是宇宙论学者的莱曼特建议说上帝也许运用了大爆炸。我想,为什么不呢?必竟,上帝可以做任何事:他本可以运用大爆炸。本科的结业考试题就是计算大爆炸应该发生的时间。我的结论是57亿年前。当时,这个结论得到了人们的肯定。三十年前,这个数字被增至170亿。
我对那次考试记忆犹新。这是我大学阶段思想方面在起源问题上的转变。我所受的大学教育将我转变为有神进化论者。我相信上帝对《创世纪》的叙述,是一种寓言。向我们展现出了整个宇宙进化论的图画。种种疑惑在目前看来,可以找到归宿――创造的六天正是六个相当漫长的时间段。地球生命的生物进化与我们星球的进化是相交错的,每个事物都藏有神秘大爆炸的痕迹。必竟科学和上帝确实是相融合的,而我也可以仍旧相信上帝礻也一直是宣扬真理的上帝。
1956年,我在佛罗里达大学获得物理学硕士学位后,我在肯宛-福特 沃斯(Convair-Fort Worth)(现为General Dynamics)工作,涉足到军用核武器应用效果领域。两年后,我在奥美多州,现名为马丁-玛丽爱特的一家公司,从事同一个工作。当时,无论什么时侯,我都会捍卫进化论。
后来,有人对我既相信上帝真理,又将《创世纪》接纳为寓言一事,提出了一个主要疑点。他指出上帝在十诫中又写出了《创世纪》中创造记录。
因为六日之内,耶和华造天地、地、海,和其中的万物,第七是便安息,所以耶和华赐福与安息日,定为圣日。(出埃及记20:11)
这段文字似乎在暗示“日”是原本的意思,而非比喻义。如果这是真的,我就不会再把六日视为六个相当漫长的供地球进化的时间段了。并且,我所相信的有神进化论从根本上也应给予否定。这令我颇不平静。十诫也是寓言吗?应该将其如何定位呢?上帝所说的是否可靠?他真是真理的上帝吗?他真实存在吗?我意欲将上帝与科学联系在一起的体系坍塌了。不管怎样,我需要时间为进化论重新考察研究科学根据。这一长期目标使我重新评估了我在防御部门的工作。以后的两年中,我一直在佛罗里达大学里教书,同时深思着起源问题。那时,
我的妻子也拿下了她的数学学位。
我重新考察证据,努力探寻出使我接受进化论的最重要因素。具讽刺意的是,我用已接受的有神进化论(上帝运用了大爆炸理论)来补救由推测而来的,且具较大疑误的科学理论(物质和能量是自然而存在的)。由此,我的脑中出现一种推测。起初,恒星是在宇宙大爆炸中积聚而成的。但问题是,爆炸后的碎片通常是不能再积聚的。那么,为什么最有可能形成于大爆炸期的物质会重聚成星体呢?后来,我的这种疑惑经一们天文学家的一句话而得到印证。他说:“如果恒星并不存在,那么证明我们所期望的将会容易得多。”(艾勒ALLER 和迈克劳克林MCLAUGHLIN 1965年,577页)是什么使无数的星体群集成我们可观察到的,相当有序的星系呢?所有这一切难道都是偶然通过如此庞大的同性质物质的膨胀扩充而导致的吗?
就人类的家园而言,相信地球的起源是宇宙演化的最后阶段就合乎情理吗?人们推测大爆炸只产生了氢气和氦气,而这仅是构成地壳九十二种元素的其中两种。那么,其余的九十种元素从何而来?从理论上讲,这些元素来自于十亿年前某些星体内,深层中所发生的高热原子核聚变反应。在此场景中,太空中点洒着的其余的元素,直到后来星体发生了爆炸(即超新星)。让我们对此进行设想,存留于广袤星际太空间的超新星,是怎样重新积聚形成了太阳系的原始物质的?宇宙论学科对此的解释也不比对星体如何发生大爆炸所进行的解释多。认为星体起源于太阳周围的庞大气体圈怎么就成立呢?大气圈又是由何而来?有人相信地球起源于大气圈中高温熔合而成的气体---即初始地球,理由何在?
然而,这是在用一份科学根据证明整个进程。物理学使我绝对相信辐射线测定而得的地球年龄。这个技术特性,很明显是将地球地质演变及人们推测的宇宙演变直接连接在了一起。根据辐射线测定技术,地球初始时的岩石形成于数十亿年前,当时高温熔化的原始地球正开始冷却。久而久之,大爆炸理论的基准体系仿佛合情合理了。早些时候,我接受了大爆炸理论,其中包括地球生物以及地质演变。同时我也相信由辐射线测定技术而得的地球古老年龄。但我的信仰建立的稳吗?到了对基于这些技术的假想进行细致考虑的时候了。
岩石年代的辐射线测定术涉及到源元素衰变成稳定无放射性终产物问题。以铀举例,铀是衰变成其终产物的源元素,即放射产生先导(它被称为放射产生先导是要与其它非源自放射衰变先导进行区别。)通过测定,我们知道,(1)一块岩石中有多少源元素衰变成终产物,以及(2)当前的衰变率是多少。大多数地质学家相信,他们能测出源元素生成岩石的日期,即岩石的形成需多长时间。
我把精力转向不同放射性元素的衰变率是否与现在衰变率一致这一问题上。比如说,整体衰变率意味着,一块岩石上铀的数量会随着终产物即放射产生先导的不断增加而不断消失。在这种情况下,根据铀与放射产生先导所占百分比可以测算了岩石形成固体所需时间长短。然而,如果衰变率要是比过去的要大得多的话,放射产生先导本可以在岩石中迅速积聚---正常情况下,这种本应花费无限长时的现象却已在短期内结束了。
基于此种衰变率不变原则,人们推测岩石年代古老是个错误的判断。不是因为数据(铀与放射产生先导所占百分比数据)的错误,而是因为假设本身是错误的。那么,揭示此种现象的真相将非常重要。大学物理课程使我对衰变率不变的假设确信无疑,但并没有依据。确有证据吗?如果有,我要找到它。因为有关进化进程的一些重要问题仍悬之未决。
衰变率不变假说是进化论中的一个完整部分,这个前提意味着在宇宙历史中所有物理定律一直是保持不变的。这就是均变说。它把进化论中的各个片段就分散开来,进化论也不是一个完整的体系了。我们可以理解,那些对进化论坚信不疑的科学家们在考虑不同衰变率有变化时,难于理解。寻求解决此问题是承认均变说也许是错误的,也是承认进化论错误的可能性。我一直坚持进化论;然而,我也一直愿意考虑新证据。因此,当我继续我所需要的辐射度测年术和衰变率这一具决定性重要问题时,我并没有感到丝毫的压抑。
1962年夏,我得到国家科学研究员基金的奖励。有三个时间加入到四纳西州橡树脊的橡树脊原子能研究学院夏季学院。我利用业余时间,全力以赴地研究放射现象及地球年龄问题。次年秋季,我全职教授物理学,同时为获得亚特兰大的乔治亚州工业学院进修物理研究生学位的进修。我在完成教学任务和课业学习的同时,进行着对由放射引出的持续技术的调查。我把注意力逐渐转到某些岩石中发现的一种微小的放射现象。因为此种现象被认为是可证明不同历史时期中放射性衰变率不变的证据。我决定对此现象进行再研究,也可使我找到一个合适的博士论文论题。我在向物理系主任寻求建议之前,仔细阅读了此学科的大部分重要科学报告。在接下来的三章里,我总结了一些最初的发现。
科学文献中有一段令人着迷的叙述,这是在十九世纪末期,显微镜开始得已广泛应用时期。矿物学者认识到显微镜是检测岩石和矿物质特征的强有力的工具,因为用普通方法是观察不到它们的。人们尤其想看到岩石中的不同层次,以得知各层次之间是如何混杂交织在一起的。为了完成这一目标,人们知道要准备细片状的半透明矿物质。现在人们可以用肉眼清楚地观察到其瑕疵的矿物样品,通常含有其它矿物质的小颗粒。大多数此类小颗粒并没有引起人们的兴趣。矿物学家只是假定为:当主矿物质结晶时,小颗粒也随之嵌入。
有些小颗粒引起了人们的关注,不是因为它们的外观,而是因为它们周围的外观。矿物学家看到这些小颗粒被一系列同心的美丽彩色光环所包围。在显微镜下,小光环的样子像是一个迷你型的箭靶,中心的小颗粒仿佛是公牛的眼睛。因为它们所具有的晕状外观以及它们所展现的多种色彩,或称某些岩石的多向色性,这些同心圆被人称为多向色性晕。
进一步的研究中,矿物学家们发现,在显微镜下呈现出系列扁平的同心圆,实际上是一组球体外壳的重叠部分。举例来说:如果把一个洋葱从上到下切成很细小的圆片,洋葱圈中有最大直径的那片就是穿过洋葱球心的那片。远离中心的圆葱片也是环状,但是它的直径就会小一些。矿物学家们在观察含有多向色性晕的矿物片毗邻时,发现与此相似。这些在中心以上或以下的细片与穿过中心的细片相比,圆圈明显逐渐减小。这证明,在显微镜下的两种尺寸的多向色性晕实际上是一组小的同心球体。
对于球体中心的小颗粒的出现,人们认为这可以用来解释晕的由来。一些矿物学家经思忖,认为基本色素也许本已在矿物形成之时被吸引在学晕中心,只是后来漫射出去,形成了多色小球体。然而,无人能辨识出这种色素,也不能满意地解释出这种漫射可产生多个球体的原因。直到世纪之交,即人们发现铀及其它元素是放射性元素时,多向色性晕否定了此种解释。
1907年,都柏林三位一体学院(Trinity College)中的约翰·乔里(John Joly)教授的地质学实验室中的人们,把晕这一疑难课题作为攻关重点。乔里教授对晕非常熟悉,尤其是黑云母中的晕。黑云母是一种呈暗色且易于分裂成碎片的云母。乔里认识到,公认的假说既不能解释晕的清晰边缘,也不能解释晕那规则的尺寸。他开始思索,晕是否有一个放射性起源。
当时,科学家们知道,铀是放射性物质衰变链中的源元素,衰变过程中的各继承元素称作衰变链元素成员。如图1.1所示,另附其它相关信息。乔里同样认识到,铀及其放射性物质的继承元素有两种衰变方式:(1)通过放射出一种很轻的碎片(β粒子)的方式。当元素穿过物质时会导致小范围的破坏。(2)通过放射出很重的原子碎片(α粒子)的方式。当元素穿过物质时,这种破坏作用就要大得多。由于β粒子的质量很小,衰变后就容易向四周弹跳。那么,它在停留在某一物质之前,就已留下不规则的、锯齿形路径。而α粒子的质量很大,它在停留在某一物质上之前,会留下很深的、几乎是直的路径。
乔里当时还在思考哪种方式可以进行合理解释,但很快就意识到,质量小的β粒子不会在云母中产生着色变化,它们的锯齿形路径也不会在云母中产生规则的边缘。那么,质量大的α粒子看上去就大有可能了。研究表明,在铀衰变链中放射出的大多数α粒子,有不同的能量,238U同位素的能量很小。(图1.1中做进一步说明)
α粒子的不同能量和晕的不同大小之间是否有联系?单个的α粒子在运动过程中将电离出大约100,000个原子,运动后的破坏作用不是很大,这也会留下痕迹。从原子角度上讲,这对矿石的破坏作用是很小的,肉眼看不出它留下的痕迹。任何一种矿石(例如像云母那样,包含数目较多的铀元素,有衰变痕迹的矿物质。)也会同样出现一些痕迹
放射性原子能自发地进行改变,或者衰变成另一种原子。源放射性原子衰变成继承元素可有多种方式,其中一种是通过α粒子的放射进行的。众多种类的放射性原子真实存在,但衰变链的源元素只有三种。本书中,源元素铀—238(符号表示为238U)是最重要的。
数字上标表示,原子核中的质子数与中子数之和,也表示该元素的质量。同位素质量不同,但化学反应几乎相同——例如(238U 和235U )的α粒子的质量数为4。铀—238引起衰变链中的链反应,以铅元素(化学符号为Pb)结束。238U衰变链 (如下图所示)有一些在衰变过程中放射出β粒子的继承元素。α粒子的质量是β粒子质量的7400倍。衰变类型分别用α和β符号来表示。
238U→.........................→206Pb (稳定终产物)
Th——钍 Po——钋
Pa——镁 Bi——铋
Ra——镭 Pb——铅
放射性同位素的半衰期指的是,积聚在一起的各种原子,一半进行衰变所需时间。如果1000个原子在固定时间内衰变,经过一个半衰期后,仅剩下500个原子。经过两个半衰期后,开始聚积在一起的原子数量就仅为250个了。以此类推,半衰期和衰变率都与原子数量有着密切的关系。衰变较快的同位素具有较短的半衰期;而衰变较慢的,半衰期也较长。目前,238U 的衰变速度就较为迟缓,半衰期为45亿年。
已衰变的铀原子留下了α粒子衰变痕迹。而一般说来,铀原子在穿透矿物质时,是整体一致分散的。这样,留下的破坏痕迹就不会是相互重叠的了。即使说有许多铀原子(或者说有上千个铀原子),它们之间的距离很近,足以产生重叠痕迹,重叠的数量也仍不足以在矿物质中产生可观察出的颜色变化。
做一下比较,试想,在一个很小的花岗岩中,一个晕中心部分聚集了数十亿的铀原子。从外观上看,穿过这块岩石的众多的α粒子,如同穿过一点的无数排列整齐的针锋。对乔里来说,这种解释是合理的,α粒子的呈辐射式的重叠破坏效果足以产生出,晕中肉眼可视的彩色。
现在只有一个问题:晕的大小与云母中铀系元素α粒子因放射而形成的路径的长短是相等的吗?测量结果表明,空气中的铀衰变链中的α粒子,在停留于物体前的运动范围是3至7厘米。乔里计算出,云母中α粒子的运动范围仅是空气中运动的1/2000。由此换算出,铀系元素的α粒子在空气中的运动路径长短,等于他所发现的一种晕的半径。谜雾被层层揭开了。乔里提议,微小晕中心的α粒子的放射现象,能解释晕的球体外观及构成晕的外壳的不同尺寸。另外,α粒子在运动路径中的后一阶段,造成的破坏是最大的,这也可解释晕的外围部分的颜色要比内部颜色深这一问题。因此,乔里尤其把铀及钍认定是能产生多向色性晕的放射性元素。理所当然,它们后来被人称作,放射现象产生的晕或放射性晕。
图1.3清晰地绘出,在理想状态下,一个铀晕的三维截面。铀晕的彩图在本书的放射性晕一览表部分。彩图中有铀晕中的五种光圈;如图1.3所示,铀衰变链中的8个α粒子放射,可以解释这种现象。图1.1表明,在铀衰变链中还有6个β粒子放射出来,但正如刚刚讨论过的,β粒子在云母中的相互作用不足以产生晕圈环。