霍姆斯在他的研究中使用的技术理论上很简单,直接源于 1904 年欧内斯特·卢瑟福首次观察到的过程,即某些原子以足够可预测的速率从一种元素衰变成另一种元素,以至于你可以将它们用作时钟。如果你知道钾-40 变成氩-40 需要多长时间,并且你测量了样品中每种元素的含量,你就可以计算出材料的年龄。霍姆斯的贡献在于测量铀衰变成铅的速率,以计算岩石的年龄,从而——他希望——计算出地球的年龄。
但要克服的技术困难很多。霍姆斯还需要——或者至少会非常感激——能够从微小样本中进行非常精细测量的精密仪器,但正如我们所见,他能弄到一台简单的加法机就已经很不容易了。因此,当他在 1946 年能够相当自信地宣布地球至少有 30 亿年历史,甚至可能更古老时,这已经是一项相当了不起的成就。不幸的是,他现在又遇到了另一个巨大的障碍:他的同行科学家的保守主义。尽管他们乐于称赞他的方法论,但许多人坚持认为他发现的不是地球的年龄,而仅仅是构成地球的物质的年龄。
恰在此时,芝加哥大学的哈里森·布朗发明了一种新方法来计算火成岩(即通过加热形成的岩石,与沉积物沉积形成的岩石相对)中铅同位素的含量。意识到这项工作将极其枯燥,他将其分配给了年轻的克莱尔·帕特森作为他的博士论文项目。他著名地向帕特森承诺,用他的新方法确定地球年龄将是“小菜一碟”。事实上,这将花费数年时间。
帕特森于 1948 年开始从事这个项目。与托马斯·米奇利对进步进程的多彩贡献相比,帕特森发现地球年龄的过程让人感觉有点虎头蛇尾。七年来,他先是在芝加哥大学,然后是在加州理工学院(他于 1952 年搬到那里),在一个无菌实验室里工作,对精心挑选的古老岩石样品中的铅/铀比率进行非常精确的测量。
测量地球年龄的问题在于你需要极其古老的岩石,含有与地球本身差不多古老的含铅和含铀晶体——任何年轻得多的岩石显然会给你误导性的年轻日期——但真正古老的岩石在地球上很少被发现。在 20 世纪 40 年代末,没有人完全理解这其中的原因。事实上,相当不寻常的是,我们要等到太空时代深入发展之后,才有人能够合理解释地球所有古老岩石的去向。(答案是板块构造,我们当然会讲到。)与此同时,帕特森只能用非常有限的材料来尝试理解事物。最终,他巧妙地想到,他可以通过使用来自地球之外的岩石来规避岩石短缺的问题。他转向了陨石。
他做出的假设——相当大的一个假设,但事实证明是正确的——是许多陨石本质上是太阳系早期遗留下来的建筑材料,因此设法保留了或多或少原始的内部化学成分。测量这些流浪岩石的年龄,你就能得到(足够接近地)地球的年龄。
然而,一如既往,没有什么事情像这样轻描淡写的描述听起来那么简单。陨石并不丰富,陨石样本也不是特别容易获得。此外,布朗的测量技术被证明极其挑剔,需要大量改进。最重要的是,帕特森的样本在暴露于空气中时,总是莫名其妙地被大量的来自大气的铅污染。正是这一点最终促使他创建了一个无菌实验室——至少根据一种说法,这是世界上第一个。
帕特森花了七年耐心工作才收集到合适的样品进行最终测试。1953 年春天,他前往伊利诺伊州的阿贡国家实验室,在那里他获准使用一台最新型号的质谱仪,这种机器能够探测和测量锁在古老晶体中的微量铀和铅。当他最终得到结果时,帕特森兴奋得直接开车回了他在爱荷华州的童年故居,并让他的母亲送他去医院,因为他以为自己心脏病发作了。
不久之后,在威斯康星州的一次会议上,帕特森宣布了地球的确切年龄为 45.5 亿年(误差±7000 万年)——麦格雷恩钦佩地指出,“这个数字在 50 年后仍然保持不变”。经过两百年的努力,地球终于有了年龄。
他的主要工作完成后,帕特森现在将注意力转向了大气中所有那些铅的棘手问题。他惊讶地发现,关于铅对人类影响的已知信息,几乎总是错误的或具有误导性的——他发现这并不奇怪,因为四十年来,关于铅影响的每一项研究都完全由铅添加剂制造商资助。
在一项这样的研究中,一位没有化学病理学专业训练的医生进行了一个为期五年的项目,志愿者被要求吸入或吞下超量的铅。然后检测他们的尿液和粪便。不幸的是,这位医生似乎并不知道,铅并不会作为废物排出体外。相反,它会积聚在骨骼和血液中——这正是它如此危险的原因——而骨骼和血液都没有被检测。结果,铅被判定为无害。
帕特森很快确定我们的大气中有大量的铅——事实上,现在仍然如此,因为铅永远不会消失——其中大约 90% 似乎来自汽车排气管,但他无法证明这一点。他需要一种方法来比较现在大气中的铅含量与 1923 年(四乙基铅引入之前)的铅含量。他想到冰芯可以提供答案。
众所周知,像格陵兰这样的地方的降雪会累积成离散的年层(因为季节性温差会导致冬季和夏季颜色略有变化)。通过回溯这些层并测量每层中的铅含量,他可以计算出数百甚至数千年内任何时间的全球铅浓度。这个想法成为了冰芯研究的基础,现代许多气候学研究都基于此。
帕特森发现,在 1923 年之前,大气中几乎没有铅,而自那时以来,铅的含量一直在稳步而危险地上升。他现在把让汽油脱铅作为他毕生的追求。为此,他成为铅工业及其利益集团的持续且常常是直言不讳的批评者。
这将是一场艰苦卓绝的运动。乙基是一家强大的跨国公司,在高层有很多朋友。(其董事会成员包括最高法院法官刘易斯·鲍威尔和国家地理学会的吉尔伯特·格罗夫纳。)帕特森突然发现研究资金被撤回或难以获得。美国石油学会取消了与他的研究合同,美国公共卫生服务局(一个本应中立的政府机构)也做了同样的事情。
随着帕特森日益成为其所在机构的负担,学校董事会一再受到铅工业官员的压力,要求他闭嘴或让他走人。根据杰米·林肯·基特曼 2000 年在《国家》杂志上的报道,据称乙基公司高管提出,如果帕特森被解雇,就向加州理工学院捐赠一个讲席教授职位。荒谬的是,他被排除在 1971 年国家研究委员会任命的一个调查大气铅中毒危险的小组之外,尽管他当时无疑已经是大气铅方面的顶尖专家。
值得高度赞扬的是,帕特森从未动摇或屈服。最终,他的努力促成了 1970 年《清洁空气法》的出台,并最终于 1986 年在美国禁止销售所有含铅汽油。几乎立刻,美国人血液中的铅含量下降了 80%。但由于铅是永久性的,我们今天活着的人血液中的铅含量比一个世纪前的人高出约 625 倍。大气中的铅含量也在持续增长,每年合法增长约十万公吨,主要来自采矿、冶炼和工业活动。美国还禁止在室内油漆中使用铅,“比欧洲大部分国家晚了四十四年”,正如麦格雷恩指出的那样。值得注意的是,考虑到其惊人的毒性,铅焊料直到 1993 年才从美国食品容器中移除。
至于乙基公司,它仍然很强大,尽管通用汽车、标准石油和杜邦不再持有该公司的股份。(他们在 1962 年将其出售给了一家名为 Albemarle Paper 的公司。)根据麦格雷恩的说法,直到 2001 年 2 月,乙基公司仍然声称“研究未能表明含铅汽油对人类健康或环境构成威胁”。在其网站上,该公司的历史没有提及铅——实际上也没有提及托马斯·米奇利——而只是将原始产品称为含有“某种化学物质组合”。
乙基公司不再生产含铅汽油,尽管根据其 2001 年的公司账目,四乙基铅(或其称之为 TEL)在 2000 年的销售额仍为 2510 万美元(总销售额为 7.95 亿美元),高于 1999 年的 2410 万美元,但低于 1998 年的 1.17 亿美元。在其报告中,该公司表示决心“在 TEL 的使用在全球范围内继续逐步减少的情况下,最大限度地提高 TEL 产生的现金”。乙基公司通过与英国的联合奥克特尔公司达成协议来销售 TEL。