科學家為何相信恐龍滅絕,是因為一顆飛向地球的小行星?

科學家為何相信恐龍滅絕,是因為一顆飛向地球的小行星?
Photo Credit:AG2016CC0 Public Domain

我們想讓你知道的是

科學家怎麼知道恐龍的滅亡的原因,可能是來自於一顆小行星?他們當時根本也還沒出生呀?有什麼證據支持這樣的理論?

文:唐納德.普羅泰羅

爬蟲類時代終結是因為時間已經相當久遠,而且從一開始就是個錯誤。中生代結束,更好的日子終於來臨。當時有些體型較小的溫血動物,專門偷吃恐龍蛋,後來牠們慢慢學會偷取其他東西,文明因此逐漸開展。

──威爾.柯皮(Will Cuppy),《滅絕完全指南》(How to Become Extinct)

意外的珍寶

拜無數過度簡化的科學教科書之賜,大多數人都認為科學就是規劃研究工作,以達成某個特定目的、進行簡單預測,再透過實驗找出答案。大多數教科書(或民眾)不知道的是,科學也有運氣成分。科學界許多重大發現不是出自計畫,而是誤打誤撞的結果。這類意料之外的發現通常稱為「偶然力」,出自古波斯「塞倫迪普三王子」的故事。

意外發現的例子在科學史上至少有好幾百個,尤其是化學界。諾貝爾(Alfred Nobel)不小心把硝化甘油和火棉膠混合在一起,發現了膠質炸藥,也就是他後來開發黃色炸藥的主要成分。佩克曼(Hans von Pechmann)於1898年無意中發現聚乙烯。魔術黏土、鐵弗龍、三秒膠、撥水劑和嫘縈纖維,都是意外產物,氦和碘元素則是無意中發現的。

在藥物中,盤尼西林、笑氣、治療脫髮的米諾第爾(minoxidil)、避孕藥和迷幻藥,也都是意外發現。威而鋼原本用途是治療高血壓,不是性無能。物理學和天文學中許多重大發現也在意料之外,包括天王星、紅外線輻射、超導性、電磁學、X射線等等。在實用發明中,噴墨印表機、玉米片、安全玻璃、康寧鍋和硫化橡膠也都是意外。

二次世界大戰結束後,史賓塞(Percy Spencer)為剩餘的磁控管尋找新用途時,意外發現磁控管把他放在實驗衣口袋裡的糖果融化了,因此發現磁控管可用在微波爐裡。1964年,潘奇亞斯(Arno Penzias)和威爾森(Robert W. Wilson)想去除他們剛開發完成的微波天線「雜訊」。在去除尋常的「臭蟲」後,發現有個背景「哼聲」沒辦法消除;更令人驚訝的是,這種雜訊的來源比原先預期強一百倍,甚至遍布整個天空,所以不是地球上或太空中的單一來源。最後他們才知道,他們發現了很早之前就有人預言過的大爆炸宇宙背景輻射。1978年,他們以這項發現獲得諾貝爾獎。

從這些例子和其他許多例子可以得知,科學界純粹為探索和瞭解事物而進行「純研究」有多麼重要。可惜的是,許多短視又受到誤導的人士(尤其是打算刪減國家科學經費的國會成員),把「純研究」視為沒有價值的自我思考,要求每個科學家為自己的研究工作提出實際或有用的理由,否則就不提供經費。這麼做絕對會使科學發展停滯。就連許多以這種方式運作的科學經費分配機構,通常也很重視傳統且「大致相同」的研究,而很少提供經費給有點冒險性的研究。電視主播或政治人物經常嘲笑沒有特定實際目標或用途的「純研究」。目光短淺又知識不足的人,經常干擾完整的科學審查過程,終止他們不欣賞的研究(即使已經取得真正的科學家認可也難逃魔掌)。

這種「科學一定要實用」的錯誤觀念最可悲的矛盾是,科學界的重大發現大多不在預期或計畫中,而是出自意外。大多數狀況下,科學家發現重要新證據不是出於刻意尋找,反而是在尋找其他東西時,重大發現意外出現。在科學界中,偶然力大多出現在研究人員準備觀察某種預期之外的新發現,到底意義何在時。巴斯德(Louis Pasteur)說過:「在觀察這個領域中,機會只留給準備好的人。」著名科學家和科幻作家艾西莫夫(Isaac Asimov)說:「在提出許多新發現的科學界中,最令人激動的一句話不是『我知道了!』而是『這很有趣⋯⋯』。」

亞平寧山脈中的意外

發現恐龍時代終結事件的證據,就是偶然和意外的經典範例。幾10年來,許多人都在爭論,白堊紀結束時恐龍滅絕的原因究竟是什麼,但卻不得要領而沒有結論。有人說是氣候變得太熱,也有人說是太冷。有人歸因於開花植物出現,但開花植物出現在白堊紀早期,比恐龍滅絕早了8000萬年,而且開花植物或許還有助於鴨嘴恐龍和有角恐龍等草食性恐龍出現。有人說是哺乳類吃掉了恐龍蛋,但哺乳類和恐龍同樣出現在三疊紀晚期(約2億年前),而且並存了1億3500萬年,哺乳類並沒有突然變得特別愛吃恐龍蛋。此外,甚至還有更誇張、更不合科學的說法,包括傳染病和疾病、憂鬱症和心理問題,甚至還有小報宣稱,是外星人綁架了全部的恐龍,甚至把牠們全都殺掉!

古生物學家傑普森(Glenn Jepsen)曾在1964年寫道:

恐龍為什麼滅絕?擁有各類專長的作者提出,恐龍消失的原因是氣候惡化(突然或緩緩變得太熱、太冷、太乾燥或太潮濕),或是飲食惡化(食物中的羊齒油等物質太多或不足,水、植物或攝取的礦物中含有毒素、嚴重缺乏鈣或其他必需元素等)。有些作者歸因於疾病、寄生蟲、戰爭、器質或新陳代謝疾病(椎間盤移位、荷爾蒙和內分泌系統失調或不平衡、使大腦縮小及智力減退、熱絕育、溫血動物在中生代時所受的影響)、種族老化、演化漸趨過度特化、大氣壓力或成分改變、毒氣、火山灰、植物釋出氧過多、隕石、彗星、小型哺乳類動物吃掉恐龍蛋導致基因庫流失、精神性自殺因素、熵、宇宙輻射、地球自轉軸移動、洪水、大陸漂移、月球由太平洋盆地脫離、沼澤和湖泊乾涸、太陽黑子、上帝的旨意、造山運動、乘飛碟而來的綠色小獵人、諾亞方舟裡沒有恐龍位子,以及古厭世主義等。

如果沒有獨立證據加以檢視,這些說法都只是猜測,而非科學。此外,這些說法只著重在恐龍本身,忽略了更重要的部分:白堊紀末大滅絕是全球性事件,影響了海洋食物鏈(尤其是某幾種浮游生物和許多種海洋動物)和陸地植物。範圍如此廣泛的滅絕事件需要更全面性的解釋,而不只是針對恐龍。事實上,如果它的影響如此深遠,食物鏈各階層有這麼多生物死亡,那麼恐龍滅絕應該只是最後結果,而非事件中最重要的部分。

年輕地質學家艾爾瓦瑞茲(Walter Alvarez),在義大利中部的亞平寧山脈進行地質調查時,白堊紀大滅絕的研究狀況就是如此(1976年,我在拉蒙─多爾蒂地質觀測所認識艾爾瓦瑞茲,當時他是沒沒無名的獨立研究者,而我是研究生)。他的研究主題跟恐龍完全無關,而是一直對這些岩石的結構地質以及它們如何傾斜與褶皺很有興趣。

他繪製義大利古比奧附近的白堊紀末期與新生代早期(古新世)石灰岩層分布圖及說明,結果發現有些不尋常。在白堊紀和新生代的分界處有一層特別的深色黏土,而非石灰岩(圖20.1)。白堊紀的標準地質縮寫是K(源自德文的Kreide﹝白堊﹞),第三紀(新生代中6600萬年前到240萬年前)的縮寫是T,所以當時把這層黏土稱為KT界線。後來地質學家廢除「第三紀」,改用古近紀(Paleogene)來稱呼6600萬年前到2300萬年前的這段時間。因此不再稱為KT界線,而是KPg界線。

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圖20.1 義大利古比奧的KPg界線特寫。硬幣處為高銥濃度的邊界黏土層。下方是白色的白堊紀石灰岩,上方是古近紀的滅絕後岩層。(圖片授權:Wikimedia Commons)

後來,偶然力發威了。華爾特因為好奇,而決定看看黏土層是否能提供關於KPg大滅絕期間的蛛絲馬跡。他帶了一些樣本,到美國加州大學柏克萊分校的新工作上任,並詢問在柏克萊擔任物理家的父親路易.艾爾瓦瑞茲(Luis Alvarez),如何運用這個黏土層得知滅絕事件持續了多久(圖20.1)。路易在物理學界相當有名,曾參與開發原子彈的曼哈坦計畫,也曾因自己的發現而獲得諾貝爾獎。艾爾瓦瑞茲父子認為,透過偵測這些黏土中的宇宙塵土,或許可以得到一些訊息。宇宙塵土量少時代表黏土層沉積得很快,量多則代表黏土積聚的時間很長。

我們該如何偵測古老的宇宙塵土?路易的方法是偵測在地殼岩石中極少、但在宇宙塵土和其他外星物質中較常見的元素。他選擇了稀有元素銥,這種元素相當重,屬於週期表底部的鉑系金屬。他們把樣本交給在柏克萊主管中子活性分析設備的物理學家阿薩羅(Frank Asaro)和米契爾斯(Helen Michels)。這具機器能測量極少量的物質。

結果出爐,他們都非常震驚。銥含量高到破表!黏土中的銥含量高得超乎宇宙塵土長期應該積聚的程度。接著,他們試圖解釋銥含量為什麼如此之高。如果銥大多來自外太空,就表示來源可能是在地球外。他們提出各種說法,包括彗星和許多可能的解釋。

最後他們推測,白堊紀末期有一個直徑約為10到15公里的小行星撞擊地球,帶來了這些銥。這個小行星的能量為100萬億噸的黃色炸藥,相當於投在廣島或長崎的原子彈的10億倍(路易曾以科學觀察員的身分乘坐B-29轟炸機,和艾諾拉.蓋號轟炸機一起前往廣島,親眼目睹原子彈爆炸)。如此猛烈的撞擊不只把宇宙碎屑散播到全球各處;更重要的是,地球大氣會充滿塵土雲,形成「核子冬季」效應,遮蔽陽光,使得陸地和海洋植物死亡,從而根本破壞食物鏈。這些理論經整理後,於1980年發表在頂尖的《科學》期刊上。阿瓦瑞茲父子和阿薩羅的論文,從此成為科學史上被引用次數最多的論文。

相關書摘 ►地質學發展初期的最大謎團:四處遊走的大圓石

書籍介紹

《改寫地球史的25種石頭故事:人類如何破解地質學上的重大謎團》,八旗文化出版
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作者:唐納德.普羅泰羅
譯者:甘錫安

石頭可以透漏的訊息比我們想像的更多!對大多數人而言,石頭就只是石頭,但對學有專精的地質學家而言,石頭蘊含豐富又珍貴的資訊,但前提是必須懂得怎麼看。

《改寫地球史的25種石頭故事》是一本既專業又生動好讀的地質書,作者的功力在於,訴說各個石頭組成和形成的特殊地貌之餘,也還原每種石頭形成之初的地質場景,將讀者帶回礦石形成的古老時代,逐一看到地球太初之時如何從一塊火熱熔岩,逐漸冷卻,形成溫熱海洋與古老地殼,直到地函與地殼分離,無氧地球逐漸析出氧氣,更多樣的生命型態出現,然後一路演變成現在的地球……作者也不忘寫有人味的故事。每個發現背後都有為了尋找答案努力不懈的科學家身影,而作者也不忘寫下每種岩石,特別是礦石以及礦物,在人類文化發展上各自擁有的起落興衰。

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航