K-T邊界,標記著恐龍的終結
位於翁布里亞英吉諾山坡上的義大利老城古比奧因有許多保存完好的歷史遺迹而聞名。它是公元前2世紀至公元前1世紀時伊特魯里亞人建造的，古城的羅馬劇場、政府官邸、各種教堂和噴泉在羅馬時代、中世紀以及文藝復興時期都是引人入勝的景觀。
K-T邊界的奇怪
但年輕的美國地質學家沃爾特· 阿爾瓦雷茲來到古比奧，並不是因為那些古老的建築，而是因為城牆外的岩層，那裡保存著時代更為久遠的自然史。剛出城門就是地質學家夢寐以求的去處——地球上最大的石灰岩序列。當地人把山腰及該區域峽谷一帶露出的引人注目的粉紅色岩層稱為斯卡格里亞·羅莎（「斯卡格里亞」的意思是鱗片或薄片，指該岩石可被輕鬆地鑿成方塊供建築使用，羅馬劇場用的就是這種石頭；「羅莎」指的是它的顏色）。這種巨大的構造有許多層，總共大約400米厚。這些岩石原本是古老的海床，代表著大約5000萬年的地球史。
長期以來，地質學家一直藉助化石識別世界各地的岩石記錄，沃爾特也是用這種方法來研究古比奧周圍的岩層構造。他遍搜這裡的石灰岩，試圖發現微小生物的貝殼化石。這類微小生物被稱為有孔蟲類，是一組單細胞的原生生物，只有通過放大鏡才能看到。但是，在分隔石灰岩層的1厘米厚的黏土層中，他沒有發現任何化石。而且，在這層黏土下較古老的石灰岩層中發現的有孔蟲，比這層黏土上較年輕的石灰岩層中的種類多、個頭大。在古比奧周圍的岩層中都有這樣一層黏土，黏土層上下的石灰岩層中有孔蟲都有這樣的區別。
沃爾特感到很疑惑。是什麼造成了有孔蟲的這種變化？這一變化發生得有多快？這樣薄的一層不含有孔蟲的黏土代表了多長的地質時間？
平凡無奇的顯微生物、近400米厚的岩床中僅1厘米厚的黏土層，圍繞著它的問題看上去似乎並不重要，但在尋求這些問題的答案的過程中，沃爾特發現了生命歷史上最重要的時期之一。這一時期被叫作K-T邊界。
從化石分布和其他地質學數據來看，古比奧構造涵蓋了白堊紀和第三紀。地質時期的名稱源於早期地質學家關於地球歷史主要間隔的觀點，以及一些能夠代表特定時期的特徵。其中的一個體系將生命歷史劃分為三個紀元：古生代（「古老的生命」，第一批動物）、中生代（「中間的生命」，恐龍時代）、新生代（「近期的生命」，哺乳動物時代）。白堊紀是中生代的最後1/3，其名稱源於地質結構中標誌性的白堊黏土沉積。第三紀（已被重新命名並劃分為古近紀和新近紀）起始於6500萬年前白堊紀末期，結束於260萬年前第四紀開始。
沃爾特和他的同事比爾·勞瑞花了好幾年時間研究古比奧構造，從那裡的岩層中取樣。最初，他們想通過將地球磁場翻轉和化石證據相關聯，來解讀地球歷史的時間尺度。他們通過特定沉積物中的有孔蟲特徵來確定岩石的形成年代，通過白堊紀和第三紀岩層的界線來辨別地質時間。對於有孔蟲多樣性和尺寸的急劇減少，這個界線的預測總是正確的。下方岩層是白堊紀，上方是第三紀，而中間的薄黏土層是兩個世代間的斷層，被稱為K-T邊界。
在距古比奧1000千米的西班牙東南海岸卡拉瓦卡，一位叫讓·斯密特的荷蘭地質學家在K-T邊界兩邊的岩層中發現了類似的有孔蟲的變化模式。斯密特知道，K-T邊界標記著著名的恐龍滅絕事件。當有同事向沃爾特指出這一點時，沃爾特便對有孔蟲和K-T邊界更感興趣了。當時，沃爾特在地質學方面相對還是個新手。隨著他對地磁場翻轉的研究進展順利，他意識到古比奧岩層中有孔蟲的突然變化和K-T滅絕揭示了一個更大的謎團。他決定解開這個謎團。
顯然，沃爾特要回答的第一個問題就是，這一黏土層的形成經過了多長時間。為了解答這一問題，他需要獲得一些幫助。對孩子們來說，在科學項目上得到家長的幫助是很常見的，但像沃爾特這樣在快40歲的時候還能得到家長的指導，是非常罕見的。沃爾特有一個偉大的父親。
K-T邊界的形成時間
沃爾特的父親路易斯·阿爾瓦雷茲對地質學和古生物學知之甚少，但是他精通物理學。他是核物理學產生和發展的核心人物之一。自1936年在芝加哥大學獲得物理學博士學位之後，他在歐內斯特·勞倫斯的指導下，在加利福尼亞大學伯克利分校工作。勞倫斯因為發明了回旋加速器而獲得了1939年的諾貝爾物理學獎。
路易斯早期的工作被第二次世界大戰打斷了。在戰爭的第一年，他的工作是研發在能見度極低的情況下讓飛機安全著陸的雷達導航系統。他因為研發了適用於惡劣天氣著陸的地面控制進場系統（GCA）而獲得了航空界的至高殊榮——科利爾獎。
在戰爭期間，他被招募進了「曼哈頓」計劃，一個旨在製造原子彈的高度機密的國家項目。路易斯和他的學生勞倫斯· 約翰斯頓設計了原子彈的雷管系統。之後，「曼哈頓」計劃的主管羅伯特· 奧本海默讓他接手測量原子彈爆炸釋放的能量。路易斯是目睹最初兩顆原子彈爆炸的極少數人之一，他以科學目擊人的身份參與了在新墨西哥州沙漠進行的第一顆原子彈引爆試驗，以及隨後在日本廣島投下原子彈的兩次飛行。
戰後，路易斯回歸了物理學研究。他發明了跟蹤物理粒子行為的大型液態氫氣泡室。1968年，路易斯因為對粒子物理學方面的貢獻獲得了諾貝爾物理學獎。
這看上去像是一個輝煌事業的頂點。但是數年之後，他的兒子沃爾特來到了他曾經工作多年的伯克利分校，加入了地質學系。這給了父子二人談論科學的更多機會。一天，沃爾特送給父親一塊經過拋光的古比奧K-T邊界的岩石，並向父親闡述了其中蘊藏的謎團。當時已經快70歲的路易斯著了迷，開始思考怎樣才能幫助沃爾特破解這個謎團。他們展開了一場頭腦風暴，思考如何對K-T邊界周圍的變化速率進行測量。他們需要找到某種原子時鐘。
路易斯是放射性元素和衰變方面的專家，他首先建議測量K-T黏土中鈹- 10的含量。由於宇宙射線的作用，這種鈹的同位素在大氣層中源源不斷地產生。黏土的年代越久遠，鈹-10的含量就會越高。路易斯為沃爾特引見了一位知道如何測量這一數值的物理學家。就在沃爾特著手進行測量工作的時候，卻得知已發表的鈹-1 0的半衰期是錯誤的，實際的半衰期要短很多。這就意味著，經過6500萬年之後，岩石中的鈹- 10已經所剩無幾，很可能無法測量了。
幸運的是，路易斯有了另一個主意。路易斯認為，隕石里的鉑系元素含量比地殼裡高得多，達10000倍以上，而且外層空間的塵埃落向地球的速率應該是恆定的；因此，通過測量岩石樣品中太空塵埃（鉑系元素）的含量，就可以推算出這些岩石形成所需的時間。
這些元素的含量並不高，卻是可測量的。沃爾特認為，如果黏土層是經過上千年沉積的，它裡面鉑系元素的含量就可以被測量到；但如果黏土層是在短期內快速沉積的，就檢測不到這些元素。後來，路易斯提出用測量銥來代替測量鉑，因為銥更容易被檢測到。路易斯也認識進行這類測量工作的科學家，即在伯克利分校放射實驗室工作的核化學家弗蘭克·阿薩羅和海倫·米歇爾。
沃爾特給阿薩羅一些古比奧K-T邊界的樣本。9個月後，沃爾特接到了父親打來的電話，說阿薩羅要給他們展示實驗結果。他們本來以為，這些樣品中會含有0.1PPb（PPb，濃度單位，10-9克/米3）的銥元素。但結果是，阿薩羅在樣品中找到了3PPb的銥元素。這是他們期待值的30倍，也是其他岩層中銥元素含量的30倍。
為了防止過度猜測，弄清如此高水平的銥元素含量是古比奧四周岩石的特例還是更為普遍的現象是非常重要的。沃爾特出發了，去尋找另一個可以採集樣品的裸露的K- T邊界。在丹麥哥本哈根南部一個叫史蒂文斯克林特的地方，他找到了。他察看了當地的黏土層，立刻認為當這一層黏土沉積的時候，「丹麥海底發生了一些不太愉快的事情」。這裡的岩層斷面幾乎完全是由白堊岩構成的，充滿了各種化石。但是K-T邊界的那一層薄薄的黏土是黑色的，有硫黃的刺鼻氣味，並且在其中只能看到魚骨。沃爾特推測，在這一層黏土沉積的時期，海洋是缺氧的，就像一片墳場。他採集了樣品，並將它們寄給了弗蘭克·阿薩羅。
測量的結果是，這層黏土中銥元素的含量是背景的160倍。於是，沃爾特建議斯密特對他採集的黏土樣品中的銥元素含量也進行測量。結果是，在西班牙採集到的黏土樣品中同樣出現了銥元素的峰值，在紐西蘭的K-T 邊界採集的黏土樣品也一樣。這就說明，這一現象是全球性的。在K-T邊界形成的時期必定發生了非常不尋常、非常糟糕的事情。有孔蟲、黏土、銥元素、恐龍滅絕，這些都是信號——但是，這些信號揭示了什麼？
K-T邊界是怎麼產生的
阿爾瓦雷茲父子認為銥元素來自外太空。他們認為這是一起超新星爆發事件，一顆恆星的爆炸會將自己的元素碎片灑向地球。這一觀點之前曾經在古生物學和天體物理學界流行過。如果這一觀點是正確的，那麼在K-T邊界的黏土層中，
除銥之外的其他元素含量也會顯示出非正常。需要測量的關鍵同位素是鈈-244，它的半衰期是7500萬年。黏土層中應當含有一定量的鈈-244，而普通岩石中的鈈-244應該早已衰減掉了。但經過嚴密的測量，他們並沒有檢測到高含量的鈈。每個人都覺得很喪氣，但是勘察還在繼續。
路易斯仍然在思考，什麼樣的情況可以產生全球範圍的滅絕。他考慮了好幾種可能的場景，但都沒能站得住腳。伯克利的一位天文學家克里斯·麥基提示，或許是一顆小行星撞擊了地球。最初，路易斯認為這種情況只能產生潮汐，而且他無法想像潮汐怎麼可能讓蒙大拿或者蒙古的恐龍滅絕。
然後，他想到了1883年印度尼西亞喀拉喀托島上的火山爆發，想起數千米厚的岩層被炸得粉碎，細碎的粉末顆粒在全球範圍內飄浮了2年多。路易斯還知道，原子彈爆炸產生的放射性元素會在半球之間迅速混合。或許一次大撞擊會讓大量塵埃遮天蔽日，在若干年中使地球暗無天日、持續降溫，並且阻斷了所有的光合作用？
如果是這樣，這顆小行星需要有多大？
利用黏土層的銥元素含量、球粒隕石的銥元素含量，以及地球表面積，路易斯推算出，這顆小行星的質量大約在3000億噸，也就是說，它的直徑是10±4千米。
跟地球13000千米的直徑相比，這顆小行星的直徑看上去似乎並不大。但想想撞擊釋放的能量：這顆小行星進入大氣層的速度大約是25千米/秒——超過80000千米/時。它會在大氣層中「鑿」出一個直徑10千米的洞，並以相當於1.08億噸TNT的能量撞擊地球。（目前引爆的最大的原子彈釋放的能量大約是100萬噸TNT當量，這顆小行星撞擊釋放的能量是它的100倍。）以這種能量，撞擊坑應該有200千米寬、40千米深，撞擊釋放的物質顆粒是不計其數的。
小行星高速穿過大氣層，將它前方的空氣加熱到太陽溫度的若干倍。撞擊時，小行星蒸發，無數火球噴向宇宙空間，岩石顆粒隨之被噴射，遠至地月距離的一半。巨大的衝擊波穿透基岩，反射至地表，將熔化的岩石塊拋向大氣層邊緣，甚至更遠。被撞擊的石灰岩基岩因承受太大壓力，噴射出第二個火球。撞擊地點周圍數百千米內的生命滅絕了。更遠處，噴向宇宙空間的物質高速落向地球表面，就像數以萬億計的隕石，在重新進入大氣層時被加熱，使空氣升溫，點燃火苗。海嘯、滑坡、地震進一步將撞擊點附近的地表撕裂。
在其他地方，死亡來得要慢一些。大氣中的殘骸和碎渣將太陽遮蔽起來，地球上的黑暗可能持續了數月。這種情形阻斷了光合作用，從底部終止了食物鏈。對植物化石和花粉粒的分析表明，在某些地點，多半的植物種類都消失了。處於食物鏈上端的動物不得不向死亡屈服。K-T邊界不僅僅標記著恐龍的終結，其他一些物種，比如箭石、菊石以及海洋爬行動物，都走到了終點。古生物學家估計，地球上一多半物種都滅絕了。陸地上，所有體重超過25千克的生物都滅絕了。這是中生代的終結。
小行星撞擊產生的坑在哪裡？
路易斯、沃爾特、弗蘭克·阿薩羅以及海倫·米歇爾將整個故事串聯起來：古比奧有孔蟲、銥元素含量異常、小行星撞擊產生的殺傷力。這個故事令人嘆服地結合了數個科學領域，在現代科學文獻史上，其包含的範疇可能是其他任何一篇論文也無法比擬的。讓·斯密特和讓·赫托根在《自然》雜誌上發表的對西班牙K-T邊界岩石的研究，得到了相似結論。
他們擔心科學界沒有做好準備接受這一撞擊假說。在過去150年中，從現代地質學發端起，地質學界的觀點都著眼在逐漸演變上，地質科學已經排除了《聖經》故事中描繪的巨大災難場景。地球上發生過如此重大的災難性事件的想法，不僅僅是令人不安的，更被認為是不科學的。在這篇有關小行星撞擊假說的文章發表之前，科學界對恐龍滅絕的解釋通常都是氣候或者食物鏈的逐漸變化導致動物無法適應。
一些地質學家對這一災難性場景嗤之以鼻，一些古生物學家完全沒有被小行星假說說服。有人指出，保存恐龍化石
最多的岩層在K-T邊界下方3米；有人認為在小行星撞擊的時候，恐龍已經滅絕了；還有古生物學家說，恐龍化石太過稀少，不可能指望在K-T邊界輕鬆找到。他們認為，有孔蟲和其他生物化石是更有說服力的證據，並且有孔蟲和菊石化石確實一直持續到K-T邊界。
當然，還有一個更大的問題需要解釋——那個巨大的撞擊坑到底在哪裡？對懷疑者和支持者來說，這都是最關鍵的一環。因此，對這個撞擊坑的搜尋開始了。
當時，地球上已知的直徑大於100千米的隕石坑只有三個，但沒有一個的形成年代是吻合的。如果小行星的撞擊點是覆蓋地球表面2/3還要多的海洋，那這些搜尋者就沒什麼好運氣了——深海地形並沒有得到很好的繪製，而且第三紀之前的海底有很大一部分已經在板塊運動中消失了。
在小行星假說提出後的10年中，很多線索和蹤跡最後都走進了死胡同。越來越多的搜尋失敗的例子讓沃爾特開始相信，撞擊確實發生在海洋中。
正在此時，得克薩斯的一處河床出現了一絲線索。布拉索斯河匯入墨西哥灣，沙質河床正好處在K-T邊界上。熟悉海嘯後沉積模式的地質學家經過仔細考察，發現該沙質河床擁有隻可能由巨型海嘯造成的特點，當時的海嘯可能比100米還高。並且，跟海嘯殘留物混在一起的還有熔融石（從撞擊坑以熔化形式噴射出的玻璃狀岩石），它們重新降落到地表時已經冷卻了。
很多科學家在搜尋撞擊地點，亞利桑那大學的研究生艾倫·希爾德布蘭德是其中最執著的一位。艾倫認為布拉索斯河的海嘯河床是尋找隕石坑的重要線索，這個隕石坑應該在墨西哥灣或者加勒比海。他察看了已有的地圖，在哥倫比亞北部海底找到了一處圓形地貌。他聽說在墨西哥尤卡坦半島的海岸上有一些圓形的重力異常區域，這些區域內的質量、密度是變化的。
艾倫努力地搜尋其他線索，以證明自己的推測在正確的軌道上。艾倫注意到一篇關於在海地白堊紀晚期的岩石中發現熔融石的報道。他拜訪了撰寫這篇報道的實驗室，並且立刻認出那些樣品是撞擊熔融石。之後他去了海地，發現那裡的沉積物中有非常大的熔融石，以及被震碎的石英顆粒——這是大撞擊的另一個標誌。因此，他和他的導師威廉·博因頓推測撞擊點在海地附近1000千米以內。
當他們在一個學術會議上宣布這一發現的時候，《休斯敦紀事報》的記者卡洛斯·比亞爾斯聯繫了他們。比亞爾斯告訴他們，為墨西哥國有石油公司PEMEX 工作的地質學家或許在許多年前就發現了這個隕石坑。格倫·彭菲爾德和安東尼奧·卡瑪格研究了尤卡坦地區的重力異常現象，但PEMEX公司不允許他們公布研究數據。不過，在1981年的一次會議上（也就是阿爾瓦雷茲提出小行星撞擊假說後的第二年），他們提到他們測繪的地形或許就是那個隕石坑，彭菲爾德還曾寫信給沃爾特指出這一點。
1991年，艾倫、博因頓、彭菲爾德、卡瑪格及其同事正式提出，位於尤卡坦半島希克蘇魯伯村下方500米、直徑180千米（幾乎跟阿爾瓦雷茲團隊推算出的直徑一致）的隕石坑，就是大家一直在尋找的K-T撞擊坑。
當然，為了確認這一點，還有重要的測試要做。首先是岩石的年代，想知道這一點並不是一項簡單的任務，因為隕石坑是被埋起來的。最好的方法是通過PEMEX公司幾十年前在該地區鑽的礦井來採集並分析鑽芯的岩石樣本。測定結果讓人嘆為觀止，一個實驗室得出的數據是6503萬年，另一個得出的數據是6560萬年——與K-T邊界的年代吻合。
在海地發現的熔融石的形成年代也是這一時期，它們是因撞擊而噴射出的物質的沉積。精細化學分析表明，希克蘇魯伯的熔體岩石中高含量的銥-9，與海地的熔融石來源相同。此外，海地的熔融石中水含量極低，內部的氣體壓力也幾乎為零，這表明這些玻璃質岩石是在大氣層外做彈道飛行時固化的。
在很長一段時間中一度被認為激進的，甚至古怪的觀點，得到了一系列間接證據的支持，最終獲得了直接證據的確認。接下來，地質學家確認噴射物質覆蓋了尤卡坦半島的絕大部分地區，並且在世界各地上百個K-T邊界處沉積。我們終於知道，地球生命的歷史並不完全像自萊伊爾和達爾文以來歷代地質學家設想的那樣，是一個穩定漸變的演進過程。
雖然對巨大隕石坑的位置的確定在小行星撞擊理論上是一個重大進展，沃爾特卻是悲喜參半。路易斯·阿爾瓦雷茲於1988年過世，未能目睹這一重大發現。
一次衝擊還是兩次衝擊？
K-T小行星撞擊坑的發現引起了科學界對其他物種滅絕原因的廣泛考察。雖然過去5億年間其他四次主要的物種滅絕看起來跟撞擊並無關係，但同一時期地球上確實出現過一些規模可觀的小行星或彗星的撞擊坑，儘管規模沒有K-T撞擊坑這樣大。既然絕大多數小行星撞擊並不會造成物種滅絕，而且絕大多數物種滅絕無法歸因為撞擊事件，那麼，K-T小行星撞擊的毀滅性為什麼會如此巨大？
一些科學家認為，小行星撞擊的地點很可能非常關鍵，被撞擊的高溫蒸發的岩石中包含大量石膏，這些石膏釋放出大量硫黃氣溶膠，使得太陽被遮蔽的現象更加嚴重，並且形成酸雨，改變了水體和土壤性質。此外，撞擊還釋放了大量氯氣，足以破壞臭氧層。
有證據表明，在K-T撞擊之前，地球的生態系統已經被一系列大型火山噴發削弱。在K- T撞擊之前的幾十萬年當中，印度西部的德乾地盾周期性地向大氣層中噴發了大量的二氧化碳和二氧化硫。事實上，很多年以來，科學界一直對造成物種滅絕的主要原因是德乾地盾還是K-T撞擊爭論不休。因為K-T撞擊和物種滅絕之間的時序相關，目前的共識是，K-T撞擊是造成物種滅絕的主要原因。就在最近，新的地質學證據提供了一個可能的場景，能夠將這兩個原因聯繫起來。證據顯示，最大的一次德干火山噴發離K-T撞擊的時間非常近，這使得一些科學家推測，撞擊產生的地震波很可能導致了地幔的晃動，足以觸發一次規模巨大、能夠導致環境巨變的火山噴發。在這種情況下，小行星造成了第一次衝擊，火山噴發則揮出了致命一拳。
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