克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson） | 圖源：加州理工檔案館mag.uchicago.edu

編者按

科學發現給科學家帶來的是榮譽，還是枷鎖？

本文的主人公克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson）是來自美國的地球化學家，他測量出了較為準確的地球年齡，後又發現了含鉛汽油對環境的汙染，促成了含鉛汽油的淘汰。

就是這樣一位偉大的科學家，卻被當時鉛領域的專家們排擠打壓，一生都在科學之路上踽踽獨行。

撰文 | 楊朔

責編 | 王雨丹

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幾千年來，地球的年齡一直困擾著人類，直到1953年，一個名叫克萊爾·卡梅倫·帕特森（Clair Cameron Patterson）的地質學家給出了較為準確的答案：45.5±0.7億年（現被修正為45.4±0.5億年）。不過，帕特森的發現為自己帶來的不只是榮耀，還招致了 “天大的麻煩”。

從曼哈頓計劃到芝加哥大學

1922年，帕特森出生於美國愛荷華州，他的童年是在打獵、釣魚和農田中瘋玩度過的。受過高等教育的父母沒有放鬆對帕特森的教育，但更多是以培養孩子的學習興趣為主。他曾回憶道，“我七、八年級的時候，他們就給我購買了化學用品，我還組建了一個小的家庭實驗室”，“九年級的時候，一位叔叔還送給我一個他讀大學時用過的化學實驗作業本” [1]。諸如此類的事情，在潛移默化中培養了他對科學的興趣。

帕特森 | 圖源：resolver.caltech.edu

1939年，高中畢業的帕特森前往愛荷華州的一所私立文理學院——格林內爾學院（Grinnell College）學習化學。在這裡，帕特森度過了一段舒適的大學生活並結識了自己的妻子。求學期間他展現出對化學濃烈的興趣，“在實驗室，你可以做你想做的事情，研究你好奇的東西 [1]”。

大學畢業後他前往愛荷華大學（The University of Iowa）攻讀碩士，研究分子光譜學，僅用九個月便獲得了物理化學碩士學位。但這種平穩的生活並沒有延續下去，帕特森大四那年，美國已經卷入了第二次世界大戰，碩士畢業的他按捺不住內心的衝動決心參軍，但遭徵兵委員會拒絕，因為委員會已經給帕特森找到了新的戰場：曼哈頓計劃。

1941年珍珠港事件後，為了先於德國研製出原子彈，早日取得戰爭勝利，美國陸軍部於次年6月啟動了規模龐大的核研究計劃，由於最早的指揮部在曼哈頓，所以該計劃被稱為 “曼哈頓計劃”。時代洪流的裹挾下，“專業對口” 的帕特森加入了 “曼哈頓計劃”，在此期間學習並掌握了一項特殊技術：質譜儀測定法（Mass Spectrometry）[2]。

自然界中某些特定元素包含有不同的種類，它們質子數相同，中子數不同，因此會表現出不同的物理性質。以鈾為例，自然界中含有三種鈾的同位素，製造原子彈的主要原材料是鈾-235，但是原始鈾礦中的99.9%是鈾-238，不能用來製造炸彈 [1]。因此，需要將鈾的同位素進行分離提純，這就需要用到分離和檢測不同同位素的利器：質譜儀。

不同的同位素因為離子質量不同，在恆定磁場或者電場作用下會沿著不同的路徑進入不同的收集器，實現同位素的分離。儘管在19世紀末人們已經明白了工作原理，但直到1919年，英國科學家弗朗西斯·阿斯頓才研製出了世界上第一臺質譜儀，而真正將其用於實踐的則是 “曼哈頓計劃”：帕特森透過質譜儀將鈾-235和鈾-238分開，為曼哈頓計劃提供了寶貴的原材料。

二戰結束以後，帕特森進入芝加哥大學攻讀博士學位，師從核物理教授哈里森·布朗（Harrison Brown）。[3]

“測量了它，你就成名了”

地球的年齡曾是物理天文學上的一個未解之謎。

布朗教授一直在思考如何能夠準確測量地球年齡。他發現鈾同位素能夠很好地解決這個問題。因為隨著時間推移，鈾會衰變成鉛，鈾有三種同位素，不同同位素的半衰期不同（其中，鈾-235的半衰期約為7億年，鈾-238的半衰期約為45億年），不同的半衰期導致鈾衰變形成鉛-206和鉛-207。只要分析比較衰變後鉛同位素的比例，就可以推知礦物形成的具體時間。

於是，布朗教授找來了操作質譜儀的能手帕特森，讓他去測量出地球上鉛同位素的比例並代入已有的方程式，以此來測量地球的年齡，並告訴他只要測量成功，他就會因此聲名大噪。（You measure its isotopic composition and you stick it into the equation. And you’ll be famous, because you will have measured the age of the earth.）[3]。

然而，這項看似令人振奮的研究專案很快就讓帕特森陷入了絕望。想要測量礦物年齡，首先要知道鉛的含量，但測量結果卻完全失真：一些不可能含鉛的樣品中都能檢測到鉛元素，包括實驗室中的管道、器皿、頭髮，甚至空氣中到處都是鉛，根本無法準確測量！

為了消除環境中無處不在的鉛元素，帕特森花了六年時間打掃實驗室。在《有毒的真相》（Toxic Truth）一書中，作者描述了帕特森的建造實驗室的過程，“水管裡不能有鉛，所以大樓的管道重新修建；室內塗刷牆面的油漆有鉛，牆面重新修建；電器系統重新焊接；甚至需要使用淨化系統潔淨泵入的空氣；實驗人員必須穿上特製的服裝.......[4]”

年輕的科學家，就這樣搖身一變成了勤勞的 “清潔工”，經過上面這些努力，實驗室終於擺脫了 “陰魂不散” 的鉛元素，實驗才得以正常進行。比爾·布萊森（William McGuire "Bill" Bryson）在《萬物簡史》（A Short History of Nearly Everything）一書中說，帕特森可能建造了世界上第一個潔淨實驗室 [5]。

解決了實驗環境中的鉛汙染後，帕特森又遇到了新的難題：想要測定地球的年齡，就必須找到一塊和地球年齡相同的巖樣，而地球上很難找到年齡如此古老的岩石。一籌莫展之際，他想到了一個間接的方法：既然地球上沒有合適的樣品，那完全可以利用地球之外的隕石進行實驗。

他做了一個大膽的假設，“很多隕石實際上是太陽系早期保留下來的建築材料，因此保留著原始的化學結構 [5]”。基於此，帕特森大膽假設，這些隕石的年齡和地球年齡相近，測定了隕石的年代，也就間接測定出了地球的年齡。這個絕妙的想法後來被證明非常正確。

功夫不負有心人，帕特森在美國亞利桑納州代亞布羅峽谷找到了一塊適合測量的隕石，此時的帕特森已經為此耗費了七年時間。

七年後（1953年）的一個深夜，帕特森終於利用阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory，ANL）最先進的質譜儀測出了地球的年齡：45.5億年。第二天，欣喜若狂的帕特森趕往父母家中，他過於興奮以至於懷疑自己心臟病發作，後被母親緊急送往醫院——檢查後其實是腎上腺素過高。

1956年，帕特森在《地球化學與宇宙化學學報》上發表了自己的研究結果《隕石和地球的年齡》（Age of meteorites and the earth）：地球的年齡為45.5±0.7億年 [6]。他的發現轟動了世界，同時也遭到了很多人的質疑，事後多個實驗室都試圖推翻這個結論，而結果只是再次印證了結論的可靠性。

帕特森用來測定地球年齡的代亞布羅峽谷隕石 | 圖源：wikipedia

作為人類歷史上準確獲悉地球年齡的第一人，帕特森當時又是什麼樣的心情呢？沒有狂喜，相反，有的只是科學家的孤獨：“有了真正的科學發現時，大腦中首先想到的不是對著世界大喊 ‘看看我做了什麼！’，也不是考慮我將收穫什麼樣的名譽，而是隻有一個聲音 ‘我做到了’，在神聖而孤獨的科學思想殿堂中迴盪 [3]。”

探索者註定是孤獨的。他迎來了更大的挑戰和質疑。

奇怪的資料 發瘋的人

攻克地球年齡難題後，帕特森想要進一步解釋：地殼是如何形成的？他試圖透過對比深海和淺海中鉛含量的差異，來推算地殼年齡。為了資助帕特森的研究，布朗教授向美國石油協會描繪了一個具有誘惑力的應用前景：該研究有助於探明海洋油氣藏的位置，可以幫助石油公司攫取更大利益。因此，石油行業前後資助了帕特森大約20萬美元 [5]。但後來的事情證明，他的研究非但沒有為石油公司創造價值，反而損害了他們的利益。

帕特森發現了一組奇怪的資料：深海水中的鉛含量比海洋表面低3到10倍。正常情況下，隨著礦物沉積，深海中的元素含量會高於海洋表面。為了確定資料的可靠性，他又前往大西洋、地中海採集資料，但結果都呈現出相似的反常現象。

後來，他又前往格陵蘭島收集積雪，想要透過分析冰核裡不同年份的鉛含量來驗證資料的準確性。在格陵蘭島，因為季節溫差的影響，每年積雪顏色稍有差別，呈現出分明層次。因此，只要測量每層積雪中的鉛含量，就可以推知當時大氣中的鉛濃度。在格陵蘭島，他和助手穿著清潔的套裝，使用酸洗過的鋸子將冰塊切割成2英寸大小的冰塊，放進超淨的容器融化成水，再運回加州理工實驗室進行測量。

為了收集年代較近的雪樣，他們甚至駕駛一輛履帶式汽車逆風行駛130英里，然後挖了一個50英尺深、100英尺長的乾淨斜井來取雪 [5]”。最終的實驗資料顯示：1923年之前，大氣中的鉛含量遠低於現在，但自那以後，大氣中的鉛濃度快速攀升；包括南極在內的地區都呈現出相同的特徵。帕特森第一次以實際證據揭示了鉛汙染已經波及到了人跡罕至的極地區域，這足見當時的地球環境汙染之嚴重，波及範圍之廣闊。

1923年，地球上發生了什麼奇怪的事情嗎？確實有！

這一年，通用汽車公司的工程師小托馬斯·米奇利（Midgley,Thomas,Jr.）攻克了一個重大的技術難題。早年燃油汽車發動機總是爆震，發出砰砰乓乓的噪聲，米奇利發現在石油中加入四乙基鉛（tetraethyl lead，TEL）作為抗爆劑，就可以很好地解決這個問題。後來聯合通用石油公司和汽車公司，成立了乙基汽油公司，生產四乙基鉛，並在當年就將產品推向市場。（這裡順便提一句，損害臭氧層的氟利昂也是這位老兄的傑作。）

含鉛汽油的危害在當時就已經暴露出來。1924年《紐約時報》曾有報道稱，“新澤西標準石油公司實驗室中的奇怪氣體導致了一個人死亡，四個人發瘋”。一週內，患病人數就激增到了41人（這41個人都在新澤西一家生產含鉛汽油的煉油廠工作），甚至平常性情溫和的員工會莫名其妙跳樓自殺，公司的高管則對外宣稱 “這些人可能因為工作太努力而發瘋了”。[7]

然而，石油公司拒絕承認含鉛汽油損害人體健康，他們甚至開出了高達十萬美元的薪水聘請毒理學家羅伯特·基歐（Robert A. Kehoe）為石油公司正名，令其宣告 “含鉛汽油對人體是安全的”。

基歐研究後得出結論：公司只需要在工廠安裝風扇即可，不需要放棄四乙基鉛。他甚至信誓旦旦地向公眾承諾，鉛是人體的正常組成部分，且人體鉛中毒有很高的閾值，我們的身體已經適應了環境中的鉛。如今，我們已經知道，血液中含鉛量超過5μg/dl就會損害兒童大腦，降低智商，並造成兒童生長遲緩發育不良 [9]。

事實上，基歐的實驗室壟斷了此後關於鉛中毒的研究，環境科學家本傑明·羅斯（Benjamin Ross）曾在《汙染者》（The Polluters）一書中寫到，“40多年來，關於含鉛汽油安全性的研究幾乎完全由基歐壟斷，他的研究得到了製造四乙基鉛公司的資助、審查和批准。” [10] 直到帕特森為了測量礦物年齡，才誤打誤撞窺探這一秘密。

羅伯特·基歐（Robert A. Kehoe）| 圖源：wikipedia

1963年，帕特森將自己和同伴的研究發表在《自然》雜誌上。在文章中，他將積雪和海水中的高濃度鉛歸咎於加鉛石油，這無疑給了石油公司一記重拳，他們想方設法讓帕特森 “閉嘴”：從花錢收買他的研究，到買通媒體汙衊其為瘋子。甚至有傳言說，石油公司稱，願意提供研究經費，只要學校開除帕特森。基歐稱，“帕特森更像是一名狂熱分子而不是科學家 [5]”。不僅如此，帕特森甚至被拒絕參加美國國家科學研究委員會（United States National Research Council）關於大氣層鉛汙染的座談會，儘管他是這一領域卓越的研究者。

即使被打壓、被排擠，帕特森不改本心。從南極到北極，從森林到海洋，他不斷蒐集資料來證明高濃度的鉛來源於人類活動，他擔憂地說到，“人類本身受到了嚴重的汙染 [8]”，甚至金槍魚罐頭中的鉛含量也遠高於自然界金槍魚體內含量（包裝罐頭的密封罐使用了鉛焊料）。可以說，在當時，鉛已經無處不在，嚴重危害人類生命健康。當批評者質疑空氣中的鉛是火山噴發造成之時，帕特森甚至冒著生命危險乘坐直升機前往火山口收集空氣樣本。

20世紀70年代，為了驗證自己結論的可靠性，帕特森帶著隊員來到約塞米蒂國家公園（Yosemite National Park）。他們在冬天爬上山頂，“因為那裡是人類的淨土 [8]”，帕特森認為這是檢驗學說最佳的場所。在這裡，他們幾乎測試了人類可以想象的一切東西：雨水、空氣、溪水、地下水、岩石、草、沙土，甚至當地的老鼠、黃鼠狼。他們用酸清洗實驗儀器以防汙染樣品。結果顯示，“95%的鉛是從300英里外的舊金山和洛杉磯的汽車尾氣中飄過來的 [9]。” 偏遠的公園汙染尚且如此嚴重，可以想象城市中的汙染有多麼嚴峻。

帕特森的研究結果引起了輿論的軒然大波。1976年，美國環境保護署呼籲，要求降低汽油中的鉛含量。然而，到了1984年，國際鉛鋅研究組織（International Lead Zinc Research Organization）的主席 Jerome Cole 聲稱，“目前並沒有證據顯示空氣中的鉛會對人體造成傷害 [9]”。隨後，《柳葉刀》（The Lancet）和《新英格蘭醫學雜誌》（The New England Journal of Medicine）發表文章稱，兒童血液中的鉛含量越高（40~68μg/dl），智商越低…… 越多越多的證據將矛頭指向了含鉛汽油 [10]。

輿論重壓之下，美國在1990年新修訂了《空氣清潔法》（the Amended Clean Air Act），要求在1995年12月31日之前加油站不得再提供含鉛汽油 [11]。可惜的是，帕特森在法案生效前的12月5日就因病去世了。

1975年，美國人血液中的含鉛量高達15 μg/dL，截至2017年，這個數字已經降為0.858 μg/dL [13,14]。帕特森作為鉛汙染的 “吹哨人”，透過自己的研究和堅持給人類敲響了警鐘。而今天，鉛汙染問題依然嚴峻，世界上仍然有8.15億的兒童血液含鉛量過高，每年約有90萬成年人因鉛中毒死亡，鉛汙染已經演變為了全球的公共衛生危機 [15]。

作為發現並推動鉛汙染研究的先驅，帕特森透過自己的研究讓人們意識到了鉛汙染的嚴重性，他的堅持不懈敦促人們下定決心做出改變。事實上，科學發現總是能夠發掘出別樣的美和意義：這種意義是神聖的，但這種美往往卻是孤獨的。而科學家堅持的意義在於，人類可以不斷更新和發展科學技術來提升生活，且不必為技術所害，或成為技術的奴隸。

參考文獻：

1. Biography of Clair Cameron Patterson, 1998 June 2, 1922-December 1995

2. 袁越. 人類的終極問題[M] 生活·讀書·新知三聯書店

3. Revelle R. Harrison Brown[C] National Academy of Sciences, Biographical Memoir. Washington DC: National Academies Press.

4. 比爾·布萊森 .萬物簡史[M] 接力出版社

5. Denworth L. Toxic truth[M]. Boston: Beacon Press, 2008: 47-76

6. Patterson C . Age of meteorites and the Earth[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1956, 10(4):230-237.

7. https://www.nytimes.com/1924/10/27/archives/odd-gas-kills-one-makes-four-insane-stricken-at-work-in-standards.html

8. https://oralhistories.library.caltech.edu/32/

9. https://www.mentalfloss.com/article/94569/clair-patterson-scientist-who-determined-age-earth-and-then-saved-it

10. Listed N . Lead and IQ[J]. Lancet, 1987, 1(8548).

11. https://www.epa.gov/clean-air-act-overview/1990-clean-air-act-amendment-summary

12. Ross B . The Polluters: The Making of Our Chemically Altered Environment[M]. Oxford University Press, 2010.

13. https://www.cdc.gov/biomonitoring/pdf/FourthReport_UpdatedTables_Volume1_Jan2017.pdf

14. Lead Pollution in the High Sierra: A pioneering study of the pollution of a pristine environment

15. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_8762143