如果说，历史否认者怀疑进化事实，是由于对生物学的无知，那么，认为世界开始于1万年之内的那些人，则比无知更加糟糕——他们自欺欺人到了有悖常理的程度。他们否认的不仅仅是生物学的事实，还否认了物理、地理、宇宙、考古、历史以及化学等诸多方面的事实。本章将阐明我们是如何知道岩石年龄及其所含化石的年龄的。它展示的证据表明，在地球上活动的生物，其时间尺度不是用数千年来衡量的，而是用数十亿年来计量的。

要记住，进化科学家处在一个侦探的位置——罪案发生后，侦探才来到犯罪现场。为了确定事件发生的时间，我们要寻找 时变过程 （time-dependent processes）留下来的线索——也就是广义上的“钟表”。在调查一件谋杀案时，侦探需要做的第一件事，就是询问一位医生或病理学家，以估计死亡时间。依据这个死亡时间的信息，可以推测出许多东西，而在侦探小说中，病理学家的估计被赋予了近乎神秘的崇敬。“死亡时间”是一个基准性事实，是一个不会错的中心点，围绕这个点，侦探反复考虑多少有几分牵强的推测。当然，这种估计也可能有错；这种错可能是略有偏差，也有可能错得很严重。病理学家使用各种各样的时变过程来估计死亡时间：尸体以特定的速率变冷、死后的特定时间会发生僵直反应，等等。对于谋杀案的侦探来说，这些都是可使用的相当“粗略”的“时钟”。进化科学家可使用的“时钟”，则可能更精确。（当然，这是相对于所涉及的时间尺度来说的，并不能准确到最接近的小时数！）如果这两种情况同“精确的时钟”作类比，那么地质学家掌握的侏罗纪岩石时钟，要比病理学家掌握的尸体变冷的时间过程更精确，更有说服力。

按照进化的标准，人造时钟运行的时间尺度（时、分、秒）是非常短暂的；人造时钟所依赖的时变过程非常快：钟摆的摆动、游丝的转动、晶体的振荡、蜡烛的燃烧、水槽或沙漏的排空、地球的自转（通过日晷显示）。所有的钟表，都利用了某些以固定且已知的速率发生的过程。钟摆以常速摆动，这个速度由它的长度所决定，而不是摆动的振幅或吊挂物的质量（至少理论上是如此）。落地式大摆钟的工作方式是让钟摆连着司行轮，司行轮一步一步地推动齿轮前进；然后，这种转动变挡，以适当的转速来驱动时针、分针和秒针。使用游丝轮的手表，其工作原理与钟表相似。电子表则利用一个类似于钟摆的电子替代物——电池供应能量使某些晶体产生的振荡。相比而言，水钟和蜡烛钟很不准确，但是在“计事钟”（event-counting clocks）发明之前，它们还是很有用的。它们不依赖于对任何事物的计数，不像钟摆钟表或电子表那样，而是仅仅测量某一个量。日晷计时是不准确的。 但是日晷计时所依赖的地球自转，对于我们称为“日历”的这个“慢速钟表”的尺度来说，则是准确的。这是因为，在这种时间尺度上，钟表（即我们的日历）已经不再是一个测量钟（计数不断变化的太阳高度角的日晷），而是一个计数钟了（计数日/夜的循环数）。

在漫长而缓慢的进化时间轴上，自然界存在的计数钟和测量钟，都可供我们使用。但是为了研究进化，我们不需要像日晷或手表那样的“时钟”来告诉我们目前的时间。我们需要的，是一只可以“清零”的码表。我们需要一只曾在过去的某时刻被清零的“进化时钟”，以便于我们计算从这一刻开始经过的时间段，从而向我们提供某一物体（如一块岩石）的绝对年龄。在熔化的岩浆固化形成火山岩之际，“放射钟”被清零了，可以很方便地用于确定某些火成岩（火山岩）的年代。

幸运的是，有多种可清零的“自然时钟”可供利用。这种多样性是一件好事情，因为我们可以利用一些时钟来检查“另一些时钟”的准确性。甚至更为幸运的是，它们灵敏地覆盖了范围极其广泛的时间尺度，这正是我们所需要的，因为进化的时间尺度跨越了七八个数量级。有必要说明一下这其中的意义：数量级意味着某种精度。一个数量级的改变就是乘以（或除以）10的变化量，因为我们使用的是十进制 ，所以，一个数字的数量级就是在 小数点前面或者后面的0的个数 。例如8个数量级构成了“1亿”。钟表秒针的速度是分针的60倍，是时针的720倍，所以这3个指针覆盖的数量级小于3个。和跨越8个数量级的所有“地质时钟”相比，我们的时钟是微不足道的。短时段的“放射性衰变时钟”也是存在的，甚至可以精确到几分之一秒。但是研究进化的时候，精确到“百年”或者“十年”的时钟，就大约是我们需要的最快的时钟了。在这类自然“时钟”的范围内，快的一端（树木年轮和碳测定年代）用于考古的目的是很实用的，也可用于测定狗或白菜的驯化时间这类事件所涉及的样品。在另一端，我们需要可以测量数亿年，甚至数十亿年的“自然时钟”。谢天谢地，自然为我们提供了一系列我们所需要的“时钟”。更棒的是，它们的灵敏度范围部分地互相重叠，所以我们可以用它们做互相校正。

树的年轮

树木年轮这种“时钟”，能够以惊人的准确度追溯一块木头（如都铎王朝古建筑中的一根横梁）的年龄，事实上，几乎可以精确到年。其计数原理如下：首先，正如大多数人所知，在假定最外圈代表“现在”的情况下，你可以通过数出树干中的圈，算出刚被砍倒的一棵树的年龄。那些圈表明了树在一年的不同季节不同的生长情况——夏天或冬天、旱季或雨季；在高纬度的地方，这种表现更是特别显著，这是因为高纬度地区四季特别分明。幸好，你不必为了测定树龄而真的去砍倒一棵树。通过向树心钻孔并取出木芯样品，我们就可以“管窥”它的年轮，而无需砍倒它。但是，仅仅通过数年轮并不会告诉你，房梁到底存活于哪一个世纪，或维京海盗的长船桅杆的生长年份。如果你真想为一块已死亡很久的老木头确定其精确的生长日期，你需要更精明一点——不仅要数年轮，还要观察那些宽窄不一的年轮的形状。

这些年轮的存在显示了富足生长或贫乏生长的季节循环，同样，一些年份也会好于另一些年份，因为每一年的天气都是不同的：干旱阻碍生长，丰年加速生长；有冷年，有热年，甚至有些年份会发生反常的厄尔尼诺现象或喀拉喀托火山浩劫。就树木来说，丰年生的年轮会宽于荒年生的年轮。在任何一个地区，由丰年和荒年造成了特殊的标志性序列——宽宽窄窄的年轮模式，足以像指纹一样，表征年轮生长的确切年份，可以把树木彼此区别开。

树木年代学家计算近代树木的年轮，每圈年轮的确切时间都可以通过这棵树已知的被砍伐的时间数回去，从这些度量中，他们建立了一个年轮模式的参照系列，你可以用这个参照系列比对你想知道的考古学家提供的木头样本的年轮，从而追溯木头样本的时间。所以，你可能会得到这样的报告：这根都铎王朝古建筑的梁木有一系列典型的年轮标记，可以匹配年轮参照系中的某一个系列，我们已知这个参照系列年份大约在公元1541~1547年间，因此，这幢房子应该是建于公元1547年之后。

好倒是好，但是，很少有都铎王朝时期的树木仍存活至今；遑论石器时代或更早时代的树木。有些树，如狐尾松（bristlecone pine）和一些巨型红杉，能活几千年；但大部分树在还没有活过百年的时候，就被砍掉用作木材了。那么，我们要怎么做，才能建立一个更古老的树木年轮参照系呢？我猜你已经知道答案了——就是重叠追溯法。一根牢固的绳子可能长约100码（1码=3英尺），然而其中的单缕纤维还达不到绳子全长的十分之几；为了在树木年代学中使用重叠原则，要使用年代已知的现代树的纹路形状作参照。你从现代树的老年轮中分辨出一个纹路，再从死去较久的树的晚近年轮中寻找出相同的纹路，然后你在这些死去较久的树中寻找纹路，再从甚至更老的树的晚近年轮中寻找相同的纹路，依此类推。理论上，对于上百万年前的石化森林，你可以采用“菊花链（daisychain）方式”追溯回去。而树木年代学更让人诧异的是，至少在理论上，你可以精确到最接近的年份，哪怕是对于1亿年前的石化森林。你可以直接地说出，这块侏罗纪化石树木的这圈年轮，恰恰和比它晚257年的另一棵侏罗纪树木的某一圈年轮，形状是一样的！只要有足够的石化森林，能以“菊花链方式”持续地从现在追溯回去，你就可以不仅说出这棵树存活在晚侏罗纪时期，你还可以说出它存活的确切时间是公元前151 432 657年！不幸的是，我们并没有这样一个完整无缺的链条，实际上，树木年代学只能把我们带回到11 500年前。无论如何，这仍是一个令人兴奋的想法——只要我们能发现足够多的石化森林，在数千万年的跨度中，我们确实可以追溯到最接近的年份。

图10 树木年代学的工作原理

树木的年轮并不是承诺可以完全达到“最接近的年份”这种精度的唯一的系统。“纹泥”（varves）是冰川湖沉淀下来的沉积物层，像年轮一样，它们也会年复一年地随季节而变化，因此，理论上，同样的原理也适用于纹泥，相应地也有同等的精确度。珊瑚礁和树木的年轮一样，也有年度生长轮，有趣的是，这些可以用于侦测古代地震的日期。顺便说一下，树木年轮也能告诉我们地震的日期。大多数可以为我们所用的溯年系统（包括在数千万年、数亿年和数十亿年范围使用的所有“放射性时钟”），其 精确度的误差范围 是大致和 相关的时间尺度 成比例的。

放射性时钟

现在让我们把眼光转到放射性“时钟”上来——有相当多种放射钟可供选择，并且，正如我所说过的一样，它们如神赐一般，幸运地涵盖了从百年到数十亿年的全部范围。每一个都有其特定的误差范围，在1%左右。因此如果你想追溯一块有数十亿年历史的岩石的话，你必须接受（±）数千万年的误差。如果你想追溯一块有数亿年历史的岩石，你必须接受（±）数百万年的误差。如果你想追溯一块有几千万年历史的岩石的话，你就必须接受（±）数十万年的误差。

为了更好地理解放射性“时钟”如何工作，我们首先要明白“放射性同位素”的意义。所有的物质都由元素构成，这些元素往往同其他元素是化合在一起的。总共大约有100种元素，如果你计数实验室探测到的元素，应该略多于这个数字；如果你仅仅计算那些发现于自然界的元素，则要略少于这个数字。举一些元素的例子：碳、铁、氮、铝、镁、氟、氩、氯、钠、铀、铅、氧、钾和锡。我认为，所有人都接受了原子学说，甚至神创论者也告诉我们，每个元素都有它们特定的原子，这个特定的原子是一种元素可以被分割的最小粒子，没有这个粒子，它就不能成为那种元素。那这个原子长什么样呢？比如铅原子、铜原子、碳原子长什么样呢？不用说，它肯定看起来一点也不像是铅、铜或碳。它看起来也不像是任何东西，因为它太小了，根本不能在你的视网膜上形成任何种类的影像，甚至用超强的高倍显微镜来看也不行。我们可以用类比法或模型来帮助我们想象一个原子。最著名的一个模型，是丹麦大物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出的“玻尔模型”；该模型是一个微型的太阳系，但它现在已经相当过时了。其中，原子核扮演太阳的角色，围绕在它周围轨道中的电子就好比各大行星。正如太阳系中一样，原子几乎所有的质量都集中在原子核（相当于“太阳”）中，电子（相当于“行星”）和原子核之间的空隙则几乎是所有的体积。与原子核相比，每个电子都是微不足道的；与原子核与电子之间的空间相比，原子核与电子都是微不足道的。人们喜欢的一个形象比喻，描绘了这样一幅图景：原子核相当于一个大体育场最中间的一只苍蝇，距它最近的一个原子核邻居相当于毗邻的另一个体育场的最中间的一只苍蝇。每个原子的电子绕着它们各自的“苍蝇”在轨道里东奔西跑。它们都比最小的昆虫还要小，甚至小到和“苍蝇”完全不在一个数量级。我们观察铁块或岩石的时候，我们“真正”在看的，几乎是一个“空的”空间，它们之所以看起来和感觉起来是“固体性的和不透明的”，是因为我们的感觉系统和大脑发现，把它们当成固体和不透明物处理“很方便”。对于大脑来说，把岩石描绘成固体很方便，是因为我们没法穿过岩石。因为原子之间的电磁力，某些事物是我们不能穿越的，这就是我们体验“固体”的感觉。我们对“不透明”的体验则是光线照射到一个物体表面全部反弹回来，没有光线穿过。

原子由三种粒子构成（至少玻尔模型是这样设想的）。电子我们已经讲过了，另外两种粒子要比电子大得多，但它们的“渺小”仍然是我们无法想象的，也是我们的感官所无法体验到的。它们被称为质子和中子，都分布于原子核中。这两种粒子大小相仿。任何一个给定的元素，其质子数都是一定的，并且等于其电子数。这个数字被称为“原子序数”。这是每个元素独有的特性，而且在原子序数表（著名的元素周期表 ）中，序数是没有间隔的。在这个序列中的每一个数，都对应着特定的一种元素，并且，仅对应一种元素。原子序数为1的元素是氢，2号是氦，3号是锂，4号是铍，5号是硼，6号是碳，7号是氮，8号是氧，等等，直到很高的序数如92（铀的原子序数）。

质子和电子都带有一个单位电荷，并且电性相反——我们规定其中一个为“正电荷”，另外一个为“负电荷”。在元素之间相互形成化合物时，这些电荷很重要，许多反应是由电子来达成的。原子中的中子则被束缚在原子核中，和质子待在一起。但中子不像质子，中子不带任何电性，并且它们在化学反应中不起任何作用。每一个元素中的质子、中子和电子，都和其他任何一个元素中的质子、中子、电子一模一样。不会有这样的说法，例如说一个金样的质子，或一个铜样的电子，或一个钾样的中子。质子就是质子，只是质子。铜原子之所以是铜原子，是由于它恰恰所具有的29个质子（并且恰好有29个电子）。我们通常理所当然地认为的“铜”，是一种化学物质，化学是一种电子的舞蹈，全部都关乎于原子间通过它们的电子相互作用。化学键很容易断开和新建，因为在化学反应中，只有电子才进行分离和交换。要断开原子核之间的引力，则难得多。这也是为什么“裂解原子”是如此具有威胁了——但这也是可以办到的，在“原子核”中完成，与化学反应正相反，这也是放射性“时钟”所依靠的原理。

电子的质量可以忽略不计，因此，一个原子的总质量（即它的“质量数”）就相当于组成它的质子和中子数之和。这常常比它的“原子序数”的两倍还多，这是由于通常情况下，原子核中的中子数都会比质子数多一些。原子中的“中子数”并不能像“质子数”那样，可以被用来判定一个元素。一个给定的元素，可以有不同的版本，被称为“同位素”，这意味着它们具有不同的中子数，但有相同的质子数。一些元素，例如氟，仅有一种天然同位素。氟的原子序数是9，质量数是19，从这里你可以推断出它有9个质子和10个中子。其他元素则有很多的同位素。铅有5种常见同位素，都具有相同的质子数（以及电子数）——82，这也是铅的原子序数，但是铅同位素的质量则落在从202~208的一个范围内。碳原子有3种天然存在的同位素。碳-12是很常见的一种，其质子数和中子数相同，都是6。同样也有碳-13，但是它寿命很短，不需考虑。碳-14很少见，但是当我们用于追溯比较晚近的有机样品时，它就不那么少见了。我们即将看到这一点。

接下来，我们要讲另一个很重要的背景事实。一些元素的同位素很稳定，另一些则不稳定。铅-202就是一种不稳定同位素，铅-204、铅-206、铅-207和铅-208则是稳定同位素。“不稳定”意味着这些原子会自发地衰变成其他原子，并且其衰变速率是可以预测的（尽管不可预测其确切时刻）。这个衰变速率的可预测性是所有放射性“时钟”的关键，‘不稳定’的意思是‘放射性’。放射性衰变有好几种，这才让时钟有了被应用的可能。理解这个，对于我们的目的而言并不那么重要，但是我在这里解释这么多，是想展示出物理学家在这些事物上已经解决了多少壮观的细节层面的问题。正是这样的细节，嘲笑了那些妄图驳倒放射性时钟证据，并使地球如彼得·潘一样永远年轻的神创论鼓吹者。

所有的这些不稳定性，都涉及中子。其中第一种情况是，一个中子转化成了一个质子。这意味着原子质量保持不变（因为中子和质子的质量相当），但是原子序数增长了一位，所以这个原子变成了一个不同的元素，在原子序数表中上升了一位。举例来说，原子质量为24的钠转变成了原子质量为24的镁。第二种放射性衰变，刚好是相反的转变——一个质子转变成了中子。同样的，原子质量是保持不变的，但是，这一次原子序数降低了一位，于是在原子序数表中，这个原子转化成了低一位的元素。第三种放射性衰变也产生了同样的结果。一个游离的中子碰巧撞上一个原子核，撞出了一个质子，并取代了它的位置。再一次，原子的质量没有变化，原子序数降低了一位，并且原子转化成了原子序数表上较低一位的元素。还有第四种更复杂的衰变，一个原子分裂出一个被称为“α粒子”（alpha particle）的粒子，一个α粒子是由结合在一起的两个质子和两个中子组成的。这意味着质量数降低了4位，原子序数降低了两位。在原子序数表上，这个原子衰变为低了两位的元素。一个发生α衰变的例子，就是从具有强烈放射性的同位素铀-238（有92个质子和146个中子），衰变为钍-234（有90个质子和144个中子）。

现在，我们接近了整个问题的核心。每个不稳定的放射性同位素的衰变，都有其特有的速率，并且我们现在都已经可以确定（这些速率）。此外，其中一些的衰变速率比另一些慢很多。所有的衰变，都是指数性的。“指数性”的意思就是，假设你以100克的放射性同位素开始衰变，在一个给定的时间内并非一个固定的量（如10克）会转变为另外一个元素。而是说，所剩的粒子以一个固定比例转变成另一种元素。最受欢迎的衰变速率衡量方法是利用“半衰期”。一个放射性同位素的半衰期是指一半的原子衰变所需要的时间。无论有多少原子已经衰变了，半衰期保持不变，这就是指数式衰变的意思。你会发现，由于这样连续的减半，我们永远不会知道何时它会全部衰变完。然而，我们可以说，在经过足够长的时间后，例如10个半衰期，余下的原子数目太小，已没有任何实际意义了。例如，碳-14的半衰期就大约在5 000~6 000年之间。对于
50 000~60 000年的古老标本，碳测定年代法就没有用了，我们需要转向更缓慢的时钟。

铷-87的半衰期是490亿年，镄-244的半衰期是3.3毫秒，这些惊人悬殊也表明了时钟可测的巨大范围。尽管碳-15的2.4秒的半衰期对于解决进化问题太短了，但碳-14 5 730年的半衰期对于追溯考古学时间，则是正合适的尺度。现在，我们就来讨论一下这个问题。在进化时间尺度上，一个常用同位素是钾-40，其半衰期为12.6亿年，我将以它为例，来解释使用放射性时钟的整体思想。它通常被称为“钾氩时钟”。这是因为氩-40（在元素周期表中比钾高一位）正是钾-40衰变后的元素之一（另一种元素，经一种不同的放射性衰变产生，是钙-40，在元素周期表中比钾低一位）。如果以一定量的钾-40开始衰变的话，经过12.6亿年，一半的钾-40会衰变成氩-40，这就是“半衰期”的意思。再经过12.6亿年，余下钾的一半（最初钾的1/4）又会衰变成氩-40，依此类推。经过一个稍稍短于12.6亿年的时间段，会有相对比例的较少的钾的量会衰变。因此，你可以想象一下，开始时，在一个封闭空间，没有氩-40，只有钾-40。上亿年的时间流逝了，一位科学家来到这个封闭空间，测量了它的钾-40和氩-40的相对量（不管两者的绝对量如何）；在已知钾-40的半衰期，并设定一开始没有氩-40的情况下，从这个比例上，我们可以估计出从衰变开始后逝去的时间——换句话说，就是该时钟被“清零”之后流逝的时间。要注意到，我们必须知道母同位素（钾-40）对子同位素（氩-40）的比例。此外，正如在本章前面我们讨论过的一样，很有必要知道我们的时钟是否有装置进行“清零”。那么，说到放射性时钟 被清零 ，这到底意味着什么呢？结晶的过程恰好解释了这个问题。

像地质学家使用的所有放射性时钟一样，钾/氩计时只对所谓的“火成岩”适用。火成岩（igneous rocks）得名于拉丁语中的“火”，它由熔岩（地下花岗岩的岩浆和火山中的玄武岩岩浆）固化得来。熔岩固化形成花岗岩或者玄武岩时，是以晶体的形式形成的。这些小晶体一般不会很大，透明的晶体看上去像石英一样，但是这些晶体，相对于肉眼看到的晶体，它们真的是太小了。这些晶体有好几种类型，其中一些，例如说一些云母，包含着钾原子。在这些原子中，就有放射性的同位素钾-40。当一个晶体开始形成时，在熔岩固化的时刻，里面只有钾-40没有氩。在某种意义上来说，时钟被清零时，晶体中没有氩原子。数百万年过去，晶体中的钾-40缓慢衰变，被一个接一个的氩-40原子所取代。累积的氩-40的量，就可以用来衡量自这块岩石形成后流逝的时间。但是，由于我刚才解释的原因，只有当用钾-40和氩-40的比例表示的时候，这个量才是有意义的。当这个时钟被清零的时候，钾-40的比例是100%，经过12.6亿年后，比例将变成50∶50，再经过一个12.6亿年，余下的钾-40的一半会转变成氩-40，以此类推。中间比例，则意味着自“晶体钟”清零以来的“中间时刻”。所以，对于地质学家，在他们今天获得的一小块火成岩中，测量钾-40和氩-40的比例，就可以断定这块岩石从熔岩状态开始结晶距今有多久了。火成岩很具代表性，它富含多种不同的放射性同位素，不仅仅有钾-40。火成岩固化中比较幸运的方面是，它是如此的突然——以至于给定的一小块岩石中所有时钟被同时清零了。

只有火成岩才提供放射性时钟，但是火成岩中几乎从来没有发现过化石。化石形成于像石灰岩、砂岩这些沉积岩中，它们都不是固化的火山岩浆。它们都是逐渐地沉积到海底、湖底或河底的泥浆、煤粉或沙子构成的岩层。从古至今，这些沙子或者泥土逐渐变得致密，像岩石一样坚硬。陷入泥土中的生物尸体就有变成化石的可能。虽然只有一小部分尸体真的变成了化石，但沉积岩是唯一值得一提的包含任何化石的岩石。

遗憾的是，沉积岩不能用放射性时钟来进行年代测定。将要形成沉积岩的泥沙个体颗粒中，很可能已经含有钾-40或其他放射性同位素，因此可以被认为包含“放射性时钟”，但不幸的是，这些时钟对我们没什么用，因为它们没有被恰当地清零，或者它们彼此被清零的时间并不相同。被压实形成砂岩的沙粒最初可能是火成岩的碎渣，但是这些被研磨成碎渣的火成岩，固化的时间并不相同。每颗沙粒都有一个在各自不同的时间被清零的时钟，这个时间可能远在沉积岩形成之前，以及远在其中我们企图追溯的化石的年代之前。所以，从计时的角度来看，沉积岩简直就是一团糟。它没法用。至多能做的就是追溯沉积岩附近发现的火成岩，或者埋藏其中的火成岩，这种做法得出的结果还是很不错的。

为了追溯一块化石，并不是说你非得去找像三明治夹肠一样，夹在两块火成岩厚片中间的岩石，这个比喻只是为了简明阐释这个法则。实际使用的方法要更精妙。相似性可辨的沉积岩岩层出现在世界各地。早在人们发现放射性定年法之前，这些岩层就被鉴定并且命名了：如寒武纪（Cambrian）、奥陶纪（Ordovician）、泥盆纪（Devonian）、侏罗纪（Jurassic）、白垩纪（Cretaceous）、始新世（Eocene）、渐新世（Oligocene）、第三纪中新世（Miocene）。泥盆纪的沉积物可让我们辨认出泥盆纪，不仅在德文郡，也在世界其他地方（Devon郡是英格兰西南部一个郡，泥盆纪就是以该郡的名字命名的）。它们互相之间明显地相似，并且含有相似的化石列表。地质学家很久之前就已经知道了，那些已经被命名的沉积物的沉积次序。只是，在放射性时钟出现之前，我们不知道它们是何时沉积的。我们可以把它们排序，这是因为（很明显）老一些的沉积物常常存在于年轻一点的沉积物之下。举例来说，泥盆纪沉积物就比石炭纪 要老；并且我们知道这条规则是因为，在世界上这两个岩层同时存在的地方，泥盆纪岩层通常处于石炭纪岩层的下面（也有例外的情况，但从其他证据来看，我们可以断定那是因为岩石被倾转过来了，甚至是被整个翻转了）。我们通常并不能足够幸运地找到一个有完整序列的岩层，从底层的寒武纪一直到顶层的近代。但是由于岩层相当好辨认，我们可以通过在世界各地实施“菊花链法”和“拼图法”，从而得出它们的相对年龄。

因此，早在我们知道化石年龄很久之前，我们就已知道了它们的沉积顺序，或者至少已经知道那些已被命名的沉积物发生沉积的顺序。我们知道：寒武纪化石，在全世界都要老于奥陶纪化石；而奥陶纪化石则要老于志留纪（Silurian）化石。然后是泥盆纪，再然后是石炭纪、二叠纪（Permian）、三叠纪（Triassic）、侏罗纪、白垩纪等。并且在这些被命名的主要岩层中，地质学家也辨认出了它们的亚阶：晚侏罗纪（upper Jurassic）、中侏罗纪（middle Jurassic）、早侏罗纪（lower Jurassic）等。被命名的地层通常是通过它们所含的化石被辨认出来的。而我们将要用这些化石的次序，作为进化论的证据！这会不会有陷入循环论证的危险呢？当然不会。想想看，寒武纪化石是一个特征性集合，明白无误地可辨认出是寒武纪的。而现在，无论我们是在哪儿发现的岩石，目前我们使用的特征性化石集合，只是用作寒武纪岩石的标签［即指示物种（indicator species）］。这其实就是石油公司雇用化石专家的原因——要他们去鉴定特定岩石所在的岩层，通常利用微化石，一类被叫作有孔虫的微小生物，如放射虫类。

人们做出了一个典型化石的列表，用它来辨认奥陶纪化石、泥盆纪化石等之类。到目前为止，我们只用这些化石集合来辨认某块岩石是否属于某一地质时代，如二叠纪或志留纪。现在我们转而去用那些被命名的岩层的沉积顺序（辅以在世界各地实施菊花链衔接追溯法）作为证据，来证明某一岩层比另一岩层更古老或更年轻。通过已经确立的这两套信息，我们可以观察一连串逐渐晚近的岩层中的化石，将它们逐一相互比较，来确定它们是否构成了一个明显的进化顺序。它们是否沿着一个明显的方向发展了？是否某些物种（如哺乳动物）只出现于某一确定的年代之后？之前则从未出现过？所有这些问题的答案都是肯定的——总是肯定的，没有例外。因为遵循我们鉴定地层的方法和获得时间顺序的方法，并不会必然产生这样一个事实，或必然导致这样一个结果；所以，这样的结果就是进化的强有力的证据。

事实就是如此——的的确确，没有任何一个“可以勉强称为哺乳动物的化石”见于泥盆纪岩层或更老的地层中。不是说它们在泥盆纪岩层中出现的概率比后面时期的要小，而是它们真的 从未见于 早于某个确定时期的岩层中。但这并不是说“非这样不可”——可以设想这样的情形：我们从泥盆纪开始向下挖掘，并且越挖越深，穿过志留纪，挖向更深处，穿过奥陶纪，我们突然发现，在寒武纪时代（比前面任一时期都更古老）出现了大量哺乳动物！我们实际上并未作出这样的发现，但是这个可能性证明了——你不能指责这种论证是循环论证。在任何时候，只要有人在寒武纪岩石中，挖出了一个哺乳动物化石，只要他们做到了，进化论就会迅速土崩瓦解。进化论，换而言之，是可以被检验的理论，因此，是一个科学的理论。在第六章中我还要谈到这一点。

神创论者试图解释这种现象的时候，常常变成一幕高雅喜剧。他们宣称，诺亚洪水（Noah ’ s flood）是理解我们发现的主要物种化石顺序的关键。下面是从一个大受褒奖的神创论者网站上直接引用的。

地质岩层中的化石顺序表明：

（i）无脊椎动物（缓慢移动的海洋动物）会首先灭亡，然后是更具移动性的鱼类被洪水淤泥淹没。

（ii）两栖类（靠近海洋的）动物随着洪水的上升而灭亡。

（iii）爬行动物类（缓慢移动的陆栖动物），下一个灭亡。

（iv）哺乳动物，能逃离上升的水面，体型越大、速度越快的存活得越久。

（v）人类，表现得最心灵手巧——紧抱木头不放等，以此来逃脱洪水。

对于我们在岩层中发现的各种化石的顺序来说，上述序列是一个相当完美、令人满意的解释。这可不是它们进化的次序，而是它们在诺亚洪水中被淹没的次序。

撇开所有反对这个高明解释的其他理由，这里要说，哺乳动物平均说来要比（例如）爬行动物能更好地逃避不断上涨的水位，这是一个统计趋势（而已）。然而，正如我们按照进化论应该预计到的，地质记录中，在很深的岩层中完全没有发现哺乳动物。如果你正对岩层向下挖，发现哺乳动物在统计意义上逐步减少，那么，“逃往山上”的理论基础就更为可信了（“逃往山上”指诺亚洪水时人和动物逃往山上的情形）。二叠纪之后完全没有了三叶虫，在白垩纪岩层之后完全没有了恐龙（鸟类例外）。再一次地，依据“逃往山上”的理论仅仅只能预测到统计学上的逐渐减少（这不符合实情）。

回到年代测定法和放射性时钟上面来。由于 这些被命名的沉积层的相对次序 已经众所周知，并且同样的顺序见于世界各地，所以我们可以使用覆在沉积岩层之上、之下，或侵入其中的火成岩，来追溯这些已经被命名的沉积岩层的年代，从而确定其内所含化石的年代。利用这个方法的“优化版”，我们可以追溯推出（如石炭纪或白垩纪的）火成岩上层附近的化石的年代，要比那些位于同一地层中略微下层的化石更近代一些。我们不需要在 我们想要追溯其年代的某具体化石 附近找到一块火成岩。我们根据化石在（如泥盆纪）岩层中的位置，就可以辨认出这块化石的年代，比如说属于泥盆纪晚期。从对世界各地的泥盆纪岩层中的岩石的放射性定年，我们知道泥盆纪大约结束于3.6亿年前。

不稳定的同位素	衰变为	半衰期（年）
铷-87（Rubidium）	锶（Strontium）	49 000 000 000
铼-187（Rhenium）	锇-187（Osmium）	41 600 000 000
钍-232（Thorium）	铅-208（Lead）	14 000 000 000
铀-238（Uranium）	铅-206（Lead）	4 500 000 000
钾-40（Potassium）	氩-40（Argon）	1 260 000 000
铀-235（Uranium）	铅-207（Lead）	704 000 000
钐-147（Samarium）	钕-143（Neodymium）	108 000 000
碘-129（Iodine）	氙-129（Xenon）	17 000 000
铝-26（Aluminum）	镁-26（Magnesium）	740 000
碳-14（Carbon）	氮-14（Nitrogen）	5 730

图11 放射性时钟

钾氩时钟并不是地质学家可以使用的唯一一种时钟——这类时钟工作原理相同，但时间尺码各异。图11是一个从慢到快的时钟列表。请再一次注意，半衰期有着惊人的范围，从最慢的490亿年直到最快的少于6 000年。更快的时钟，如碳-14，工作方式略有不同。这是因为这些高速时钟的归零必定是不同的。对于半衰期较短的同位素来说，其在地球最初形成时，所存在的全部原子早已消失。在我转向碳年代测定法工作原理之前，有必要停下来考虑另一则证据，支持“古老的地球是一个年龄得用 数十亿年 来衡量的行星”的证据。

地球上存在的所有元素包括150种稳定同位素和158种不稳定同位素，共计308种。在158种不稳定同位素中，有121种，要么是已经灭绝了，要么是因为不断更新而存在着，如碳-14（我们接下来就会看到）。如果我们考虑这37种还未灭绝的同位素，我们会注意到显著的一点。它们中的每一个的半衰期都超过7亿年。如果我们考虑那121种已灭绝的——每一个的半衰期都少于2亿年。顺便说一下，不要误解。记住我们在这里讨论的是半衰期，而不是寿命！想一想一个有着1亿年半衰期的同位素的命运。半衰期短于地球年龄1/10左右的同位素，实际上已经“灭绝”了，除非在特殊情况下才能存在。除了我们理解的有特殊原因的情况，我们在地球上发现的同位素是那些半衰期长到足以在一颗很古老的星球上生存的同位素。碳-14是一个例外，而它例外的原因很有趣——它得到了源源不断的补充。因此碳-14作为时钟需要用不同于“长寿命的同位素”的方式来理解。尤其是，将碳-14时钟归零是什么意思？

碳

在所有的元素中，碳似乎是生命最不可缺少的一种元素——在任何星球上，缺少这种元素的生命都是难以想象的。这是因为碳神通广大、能力非凡，可以形成链、环和其他复杂的分子架构。它通过光合作用进入食物网，光合作用是绿色植物吸收大气中的二氧化碳分子，并用太阳能使碳原子与水结合制造糖类的过程。我们自身和所有其他生物里的碳，归根到底是经由植物来自大气中的二氧化碳。当我们呼吸、排泄，甚至当我们死亡的时候，碳又不断地反向循环，重新回到大气中。

大气二氧化碳中的碳，大部分是碳-12，它不具有放射性。然而，一万亿个碳原子中大概有一个是碳-14，它具有放射性。碳-14的半衰期是
5 730年，像已经证实的那样，它迅速衰变成氮-14。植物的生化过程对这两种碳的差别视而不见。对于一株植物，碳就是碳。因此，植物吸收碳-12时，也同样吸收碳-14，并且在糖中包含了两种碳原子，并保有与它们在大气中存在时同样的比例。从大气中吸收的碳（包括同样比例的碳-14原子）迅速（相对于碳-14的半衰期）通过食物链传播，依照植物被食草动物所食，食草动物被食肉动物所食的食物链，依此类推。所有生物，无论植物还是动物，都有近似相同的碳-12与碳-14的比例，与你在大气中所发现的比例相同。

那么，时钟什么时候归零？在生物（无论植物还是动物）死亡的时候——当它从食物链脱离，与 通过植物得自大气的新鲜碳-14流 分开时。随着世纪更替，在生物尸体、木块或布中（或任何事物之中）的碳-14，都稳定地衰变成氮-14。因此，样本中的碳-14相对于碳-12的比例越降越低，低于活生物和大气所共有的标准比例。最终，它们都会变成碳-12，或更严格地说，碳-14的含量微小到无法测量。而碳-12与碳-14的比例可以用来计算已经流逝的时间——自从生物的死亡使它脱离了生物链，不再与大气发生交换以来经历的时间。

好倒是好，但是只有大气中的碳-14得到源源不断的补充，这个方法才会奏效。若非如此，半衰期短的碳-14很早以前就在地球上消失了，就像其他所有半衰期短的天然同位素一样。碳-14是特例，因为宇宙射线轰击上层大气中的氮原子，可以不断地产生碳-14。氮气是大气中最主要的成分，氮的质量数是14，和碳-14一样。区别在于碳-14有6个质子和8个中子，而氮-14有7个质子和7个中子（记住，中子的质量几乎等于质子的质量）。宇宙射线粒子可以击中一个氮原子核的一个质子，而把它转化成中子。这时，氮原子就变成了碳-14，在元素周期表中，碳是比氮低一位的元素。从一个世纪到另一个世纪，这种转换发生的速率几乎是常数，这就是碳定年法奏效的原因。事实上，这一速率并不是完全恒定的，为准确起见，我们要对此作出校正。幸运的是我们有一个大气中碳-14波动供应的精确的校准，把这个考虑进去，可以优化我们的年代测算。前面讲到，在与碳测定年代覆盖的年龄范围大致相同时，我们有一个替代方法可测定木材的年代——树木年代学，它完全可以精确到最接近的年份。把碳-14定年法测定的木材样本的年龄，和树木年轮定年法所独立确定的木材样本年龄相比，我们就可以校正碳-14定年法的涨落误差。然后，我们可以使用这些已校准的测量方法，追溯我们的没有年轮数据的有机样本（大多数样品都是如此）。

碳素定年法是一个相对现代的发明，是晚至20世纪40年代才发明的。在这项技术的早期，年代测定过程需要大量的有机材料。到20世纪70年代，碳测定年代采用了质谱分析法技术，因此现在我们只需要少量的有机材料。这带来了 考古定年 方面的革命。最著名的例子是都灵裹尸布（Shroud of Turin）。因为这块大名鼎鼎的布似乎很神秘，上面有一个蓄胡须的、钉死在十字架上的人的痕迹，很多人认为它可能来自耶稣时代。在历史记录上，它第一次出现在14世纪中期的法国，此前没有人知道它在哪里。自从1578年起它就被收藏在都灵，1983年起被梵蒂冈保管着。当质谱法使测定一个微小的裹尸布样本成为可能，而不是像以前那样需要大量的布，梵蒂冈允许切去一小块布。布块被分成三个部分，分送到三个专门从事碳年代测定的主要实验室，分别位于牛津、亚利桑那州和苏黎世。这三个实验室在严格独立的条件下工作——不交换意见——然后报告了他们对编织这块布的亚麻材料“死亡”年代的判定。牛津大学报告的是公元1200年，亚利桑那报告的是公元1304年，苏黎世报告的是公元1274年。这些数据都在正常误差范围之内，彼此并不冲突，并且在时间上，与历史上第一次提到裹尸布的时间1350年相对应。裹尸布的年代测定仍存有争议，但不是由于对碳定年法技术本身的怀疑。例如，裹尸布中的碳可能被一场火所污染，众所周知这发生在1532年。我不会再深入追究这个问题，因为裹尸布的话题属于历史范畴，而不是进化范畴。然而，这是一个很好的说明方法和事实的例子。事实是：碳定年法不像树木年代学能精确到最近的年份，它只能精确到最近的一个世纪。

我已经再三强调，现代的进化侦测，有大量不同的“时钟”可以使用，并且它们各自擅长测定不同长短的，但又有重叠的时间尺度。鉴于一块岩石固化时，其中所有的时钟都是同时清零的，那么可以用各种放射性时钟对这块石头的年龄进行 独立的估测 。估测之后，把结果进行对比，发现不同的时钟得出了一致的结果（在预期误差范围内）。这就给时钟的准确性以极大的可信度。因此在已知的时钟岩石上互相校准和核查后的时钟就能可信地用于测定我们感兴趣的事物的年代，例如地球本身的年龄。目前认定的年龄46亿年是几个不同时钟的趋同的估计。这样的一致性并不令人意外， 可惜我们还是要一再强调这一点 ，因为令人惊讶的是，正如我在引言和附录中所指出的——约四成的美国人（和较少比例的英国人）声称他们认为地球的年龄要远远小于所测量的数十亿年，而且少于一万年。可叹的是，特别是在美国和大多数的伊斯兰世界，其中的一些“历史否认者”手中握有权力，可影响学校及其教学大纲。

不过，历史否认者会说钾氩时钟是有问题的。钾-40现在是以极其缓慢的速度衰变，但假使诺亚洪水以前并非如此，情况将会怎样呢？在那之前，如果钾-40的半衰期根本不同，不是12.6亿年，而是比如只有几百年呢？对这种断言的专门反驳非常精彩。物理法则， 究竟凭什么、为什么 要发生如此庞大且如此“方便、顺手”的变化？特别是，当你必须为每一个单独的时钟作出“非分的要求”，进行共同的调整，这种变化就更加离奇了。目前，可适用的同位素全都彼此协调地认为地球起源于40亿~50亿年前。得出这样的结果所基于的认定是“它们的半衰期一直保持不变，同我们今天测出的一样”——已知的物理规律的确强调了它们应该如此。历史否认者将不得不以其各自的比例，篡改所有同位素的半衰期，才能造出同位素们全都认可“地球起源于6 000年前”的效果。这就是我所说的“非分的要求”！而且我还没提及产生同样结果的“其他各种年代测定方法”，例如“裂变轨迹定年法”。鉴于不同时钟在时间尺度上有巨大差异，请想一想要对物理法则进行多么重大的刻意改造和复杂诡辩，才能让所有的时钟彼此协调，横跨多个数量级，来证明地球的年龄是6 000年而不是46亿年！考虑到进行这种诡辩的唯一动机，只是想支持青铜器时代一个特定的沙漠部落的起源神话，至少可以说——居然有人被此愚弄，真令人讶异。

另外还有一种类型的进化时钟——分子时钟，但我要把它放在第十章讨论，在此之前，我们要先介绍一些分子遗传学知识。 oMI5w8fxxzD9DRhrdOnep9oWiDMaKR2zN5jvvuPdgw7SGTq3PhqKLpb6rfHYG7Gc