一、 青少年时代

沃瑟伯格教授于1927年3月25日生于美国新泽西州New Brunswick一个商人家庭, 其外祖父是一成功的涂料和房地产经营者, 家境优厚。自幼学习成绩优秀, 经常跳级, 并深受生物老师等及课余活动矿物学老师有关矿物、晶体、对称等自然现象的启蒙, 野外采集和1939年纽约世界博览会矿物晶体展品的影响, 大大激发及培养了对自然界热爱及科学的兴趣和追求。期间尽管时遇30年代世界经济危机, 但对其学习影响不大, 且其表现一贯突出。而经常逃课等行为, 却显示出他强烈的个性和与众不同的性格。

随着二次大战阴影的迫近, 少年时代的他即积极参与了相关国防活动, 如航空观测哨, 协助储备武器清洗等。袭击珍珠港事件后, 尽管还未成年, 在与家庭商量后修改年龄, 参军前往欧洲。1944年参加了诺曼底登陆, 先后在通讯部队及步兵团服役, 直至在捷克斯洛伐克与苏军会师。在欧洲战场上亲眼见到了战争对法国、德国及东欧国家的巨大破坏, 深切体会到战争的残酷。

战争结束后返回家乡, 复学高中补课, 毕业后进入刚成为州立大学的Rutgers University。期间在结晶学教授Henri Bader(著名岩石学家Niggli的学生)的悉心教育下, 进一步培养及深化了对矿物学、地质学的兴趣。两年后, 在Bader教授的建议下, “如果想真正在地质学领域作出贡献, 则必须去更好的学校学习数学、物理和化学”, 申报了芝加哥大学并被接受。同时申报的普林斯顿大学则被拒, 而当时他还曾前往普林斯顿大学去听George Gamow有关宇宙大爆炸(Big Bang)的学术报告。正是Bader教授的忠告, 将沃瑟伯格引上了地球科学大师的道路!

二、 芝加哥大学

1948年沃森伯格进入芝加哥大学, 这为他开启了一个完全不同的新时代, 即进入了真正的科学殿堂, 从此开始了他在世界顶级学术及教育机构的漫长一生!进入芝加哥大学不久, 他就意识到自己已漫步于真正充满想象力的顶级科学家群体之中, 而周围全是年轻而思想活跃又具高智商的同学。他虽然进的是地质系, 但其主修课程却是物理学(major in physics)。这既是他的启蒙老师Bader的忠告, 也是他的兴趣和天赋所在。确实, 那时的芝加哥大学真是群星荟萃!首先是那几位顶着“反应堆之父”、“氢弹之父”等桂冠的费米(Fermi)、泰勒(Teller)等诺奖级大师, 还有“¹⁴ C之父”的黎毕(Libby), 让人都不禁肃然起敬。著名的核子科学研究所(Institutes of Nuclear Studies for Metals and Radiobiology)刚成立, Murphy Goldberg(后来的Caltech校长)在讲解量子力学, Bob Ginsburg以后成为珊瑚礁权威, Mark Inghram在主持物理学。以1934年诺贝尔奖获得者尤里(Harold Urey)为核心, 以宇宙化学与同位素地球化学为学科平台, 积聚了一群顶级科学家、学科领军人物以及未来之星。Hans Ramberg深信熵的理论, 正探索用岩石中扩散行为解释花岗岩化；Bill Libby已开始测量自然界的¹⁴ C；而Urey本人正专注于自然界的氧同位素分馏及探讨陨石的成因；而现今氧同位素研究的元老Sam Epstein当时正是年轻的博士后。后来担任卡耐基学会地磁部(Carnegie Institution of Washington, DTM)所长George Wetherill则是频频讨论问题的同行, 后来去Berkeley的John Reynolds在研究Xe同位素以确定双衰变的速率。

1951年在导师Urey的建议下, 沃森伯格确定了利用 ⁴⁰K- ⁴⁰ Ar衰变测定陨石年龄为博士论文题目, 当时苏联科学家虽然得到了某些结果, 但尤里认为并不可信。论文工作在物理学上由Inghram指导, 而化学上则由Urey负责。实验工作除在芝加哥大学进行外, 还需在研制原子弹“曼哈顿工程”中出名的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)进行, R.J. Hayden也参与指导。在芝加哥大学的岁月里, 沃森伯格交流最多的是Harmon Craig, 他后来去了斯克利普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography), 成为He同位素研究的领军人物。而当地质古温度计方法成熟时, Cesar Emiliani开始了他那著名的有孔虫¹⁸O研究, 同班同学Stanley Miller则跟着Urey做氨基酸合成和研究生命起源。

在学习期间的1951年12月, 沃森伯格与同校的生理学研究生Naomi Zelda Orlick结成终身伴侣, 后来并有了两个聪明和深明世理的儿子及四个孙辈。

在每周四下午芝加哥大学的物理研讨会上, 科学巨人们往往会聚集在一起, 讨论令人兴奋的前沿课题。费米、 尤里、 Chandrasekhar、 泰勒、 黎毕、 Turke-vich、 Maria G. Mayer等都会前来。同时会有来自世界各地的学者, 如1954年沃森伯格刚完成博士论文时, Keith Runcorn前来报告, 讨论地磁场、极移和大陆漂移。

无疑, 在芝加哥大学多年的学习培育和造就了沃森伯格作为同位素地球化学大师级人物的全部要素, 他在芝加哥学习测量同位素, 学习吹制玻璃工艺, 学习制备实验装置及真正的科学仪器, 如质谱计, 更重要的是学习如何去思考, 学习鉴别和解决科学问题!这使沃森伯格深深地体会到, 正是20世纪上半叶的芝加哥大学构成了现代同位素地球化学学科萌芽和生长的温室和苗圃。历史之所以成就了芝加哥大学, 那是因为它是当时世界上多学科高智力交织、冲撞和“发酵”(ferment)的园地, 以及与技术技能有机结合的最佳场所和平台!当然世界其他地方也有类似的发端, 如哥伦比亚大学(Lamont)及麻省理工(MIT), 但真正成功并取得成就的就不多了。

三、 求职——从芝加哥大学核科学研究所(INS)到加州理工Caltech

沃森伯格的博士论文答辩相当紧张, 委员会由Julian Goldsmith、 Mark G. Inghram、 W.F. Libby和Harold C. Urey四位教授组成。质询的问题不少, 如Libby就询问了沃森伯格未做充分准备的U-Th衰变短寿命中间产物同位素问题。答辩结束后被要求离席等候了整整一小时, 而实际上, 这些顶级教授们在争论他们认为有趣的学术问题, 而将答辩的学生忘记了。而当主席宣布答辩通过后, Ramberg非常高兴地祝贺沃森伯格, 并告诉他创造了一项学校最短博士论文的记录!虽然博士论文只有30页, 但发表了四篇论文, 分别发表在：《Physics Review》、 《Nature》、 《Geochim.et Cosmochem. Acta》(GCA)顶级学术期刊上, 另一篇则被收录于专著《Nuclear Geo-logy》(Henry Faul主编)中一节。

沃森伯格与所有毕业生一样马上面临的是求职问题, 由于他兼具有地质学家、物理学家及质谱计专家的三重背景, 因此他是一种前所未有的专业交叉融合型人才, 而且有志于从事科学研究。因此最先Urey任命他为核子科学研究所INS的专职研究人员(Research Fellow)协助工作。在INS办公室工作过的同事包括后去卡耐基学会及加州大学的U-Pb同位素年代学大家Geroge Tilton, 环境地球化学的开创者之一Claire Patterson(现今国际地球化学学会的环境地球化学奖就以他名字命名), Ed Goldberg等。期间沃森伯格虽然也学习了一些低水平同位素计数技术, 但重点还是集中于沉积物的定年技术研究。他先后探讨了沉积物中自生海绿石和自生长石的定年问题。但同时他也未放弃陨石年代学的问题, 特别是最先试图用测定岩石中来自 ¹²⁹I衰变过剩的 ¹²⁹Xe限定自元素形成至岩石最终结晶的时间间隔。这一工作后来导致了John Reynolds于1960年发现了太阳系早期的 ¹²⁹I。期间他也结识了一些来访的同位素地球化学大家, 如来自加拿大McMasters大学的Harry Thode, 他是一位大师级的化学家和同位素质谱大家, 曾将Sam Epstein介绍给Urey, 学习及从事氧同位素的研究。

在INS工作期间, 不断有学术及研发机构前来招聘, 但因种种原因都未成功。如宾夕法尼亚州立大学等, 因侧重于质谱计研制而被沃森伯格所放弃。明尼苏达大学则因面试的学术报告答辩不如人意而错过。最终在1955年冬天, 在R.P.Sharp及Sam Epstein的竭力推荐及努力下, 沃森伯格决定接受加州理工的聘任。

在前往加州理工之前, 虽然沃森伯格已来不及完成有关 ¹²⁹Xe的实验去验证Reynolds的 ¹²⁹I衰变的发现, 但他还是在当时的博士后Wetherill的提醒下, 注意到因Ar在云母和长石中扩散行为不同所导致的 ⁴⁰K衰变常数分叉比测定的错误, 最后与George Wetherill及Tom Aldrich(后都去了卡耐基学会地磁部任职)联合发表了论文, 阐明了扩散机制的影响。Wetherill后任卡耐基学会地磁所所长, 是著名的U/Pb不谐和年龄两阶段模式的提出者, 又是美国国家科学院院士及美国国家科学奖获得者；而Tom是明尼苏达大学质谱学大师A.O. Nier的学生, 后成为Rb/Sr同位素定年方法的开创者及美国国家科学院院士。

四、 加州理工——自此“从一而终”

1955年加州理工招聘了五位年轻教授, 充实了构造和野外地质学、地球化学及地球物理学的力量, 沃森伯格是其中之一。加州理工的地球化学学科是由Harrison Brown在1952年建立的, 而Sharp教授其时正力图将地球化学学科发展方向转向同位素地球化学, 如同芝加哥大学那样, 因而特别青睐于如沃森伯格那样具有同位素及物理学背景的新生力量, 但这一努力一直遭遇老校友及地质学界的抨击。当时的系主任虽然是一位古生物家, 但因在化石珊瑚礁古温度研究上与Urey关系密切, 故很重视同位素工作。而Urey曾经的博士后Sam Epstein此时已提拔为副教授, 专注于应用与古温度的氧同位素精确测定技术。Claire Patterson则已被任命为全职研究员。沃森伯格作为助理教授所作的第一个学术报告是¹⁴ C在大气圈、混合层及深海中的传输。加州理工当时是由校长及系主任领导, 有时会举办家庭式的聚会使年轻的教授们有机会结识资深教授, 如某次与地球物理大家戈登堡(Beno Guten-berg, 地球地震波分层模型的提出者)的聚会, 给人印象深刻。

加州理工科研工作得到了当时美国国家原子能委员会(AEC, 现在已转入美国能源部)合同的大力支持, 主要教职人员如Brown、 Epstein、 Patterson、 Silver及沃森伯格都有相应的研究合同。其时地质系已仿照芝加哥大学模式开始自己设计制造质谱计, 如氧同位素分析质谱、热表面电离质谱(TIMS)。而沃森伯格则试图开始设计全金属系统惰性气体质谱计, 因Bob E. Zartman已发现利用天然气中He、Ar同位素组成可区分地壳地幔组分及与大气的相互作用。虽然研制质谱工作有阻力, 但在Sharp教授的支持下, 最后终获成功。同时沃森伯格也进行了理论研究, 如水在硅酸盐熔体中行为研究, 取得某些进展。但因当时的红外光谱技术限制, 理论不完善而未曾广为传播。直到后来此工作由Stolper教授及张有学继续深化, 得到了扩展和改进, 并应用这一模式研究氧的扩散。虽然在实验、理论及质谱研制工作中不免有传统思想的阻扰, 如认为某领域或某方法已有某人工作而不能随意进入, 但沃森伯格用富有创新的思维及坚持精神, 最终用事实证明了自己。真可谓历尽艰辛, 终成事业(ad astra per aspera)!

在从事科研同时必须承担教学任务是美国大学教授的基本职责, 沃森伯格先后承担了野外地质学、矿物学等教学, 他尤对矿物学中的对称、晶体结构、晶格能及晶体振动模式感兴趣。在教学中发现来自外校的本科生缺乏足够的数学物理基础, 连地球物理专业本科生也只懂地震波传播而不了解近80年来物理学的主要进展。于是他志愿开设一门“地质数学”, 内容包括矢量分析、线性变换、应力-应变与张量、线性微分方程等。教学并密切结合地质学科内容讲解, 如结合热力学、相平衡、用第一性原理计算相图、元素扩散和热流、岩浆绝热上升等。该课程除得到广大学生的欢迎外, 也得到了外校访问教授们的肯定, 如Hatten, Yoder, Tilley等就建议出教科书, 而听讲的学生中也出现了优秀人才, 如H.P. Taylor。

在进行放射成因同位素地球化学教学中发现了同样的问题, 即学生缺乏相应背景知识而接受困难。某些专业课程也未被纳入相关专业教学大纲中。上述种种使沃森伯格意识到必须对已有教学课程体制进行改革!即必须与物理系教学进行深度合作, 共同任命教职人员及联合进行相关科研。由此调整了地质学基础及专业课, 理顺了火成岩岩石学、变质岩岩石学和构造地质学, 加强放射成因同位素地球化学, 实际上这一课程是从非常宽广的宇宙化学及核子天体物理角度讨论行星地球的全球地质问题, 它对行星科学的意义更应深远。由此沃森伯格也真正进入了物理系的“Kellogg Radiation Labora-tory”开展研究工作。

在实质上与Robert Bacher为主任的物理、数学及天文学系建立联系后, 沃瑟伯格不仅介入了有关科研课题, 而且积极参与了频繁的学术活动, 甚至包括业余的聚会。从而结识许多顶级科学家, 如Margaret Burbidge, Geoff Burbidge, Willy Fowler和Fred Hoyle, Tommy Lauritsen等。他们讨论问题主要基于H. Suess和Urey的核素丰度及其与核子体系的关系。沃瑟伯格与R.J.Hayden有关 ¹²⁹I成因的研究引起了上述物理学家们的巨大兴趣, 并被Burbidge等(1957)年那篇著名论文(“恒星中的元素合成”)所引用。期间也有机会结识来访的外国科学家, 如来自德国波恩大学的Fiesel Houtermans教授, 他是一位著名的物理教授, 在战后已在波恩建立起国际水准的核子地球物理实验室。也正是这位著名物理教授在1957年首次提出了太阳的全部能量来自内部的核反应! 同年10月某晚(应是4日)在沃瑟伯格家的一次晚餐聚会上, 他们正在聊天, 突然收音机里传来苏联发射第一颗人造卫星(Sputnik)的新闻!他们忙赶出房间, 凝视星空, Houtermans马上讲了一句意味深长的话：“从此我们语言中将诞生一个新词汇”!

五、 寻找¹²⁹Xe

沃瑟伯格与Hayden早已开始探寻自然界过剩 ¹²⁹Xe异常但一直无所发现。其后由Reynolds继续, 并在1960年发现在太阳系早期 ¹²⁹I/¹²⁷I=10^-4。经过计算, 沃瑟伯格认为在星体演化的整个银河系时间尺度中核子合成一直在进行, 而最终的快中子捕获与太阳系形成之间有10⁸年的时间尺度。Reynolds的发现令人惊奇, 说明了地球早期曾经有 ¹²⁹I的存在。因此也说明了地球并未完全去气!而Bob Zartman在得克萨斯一个天然气井里发现CO₂无大气污染, 沃瑟伯格据此提出可探查 ¹²⁹Xe并获得实验验证, 后继研究也进一步证实了这一发现。其后的大量研究都说明了在地幔中保存了未及去气的原始气体。这一发现也可将地球年代学与陨石年代学相联系, 说明地球是在太阳系形成之后10⁸年的时间尺度内由大部分已去气的物质堆积而成。当然现今新的研究也有人对这一时间尺度提出质疑。

继后沃瑟伯格又聚焦于对地球化学界公认的球粒陨石模式的修正, 因为一些相关研究先后发现不少矛盾之处, 如有人从核子合成计算出发推导的K/U值与热总量平衡计算结果不一致。而沃瑟伯格本人由岩石的K/U比及 ⁴⁰ Ar/⁴He值计算也与球粒陨石模式结果不符。故他与Fowler、Hoyle等撰写了论文, 指出地球K/U=10⁴, 而非8×10⁴, 并指出地球组成中的耐熔元素与Si比值符合球粒陨石模式, 而挥发性元素已极大亏损而与球粒陨石模式不符。这一解释同样适用于月球, 从而对传统的球粒陨石模式作出了重要修正。

为了深入研究大陆生长与地质年代学关系, 在卡内基学会的George Wetherill和Tom Aldrich的帮助下, 在加州理工建立了Rb-Sr同位素年代学实验室, 完成了同位素稀释剂的绝对重量标定, 并与Bob Zartman及Marvin Lanphere(分别在美国地质调查所, USGS, Denver和Menlo Park)一起开展了系统的地质年代学研究。由于扩散过程是影响年代学结果的重要因素, 在Nier(1939), Wetherill(1956, 谐和与不谐和年龄, Concordia vs. disconcordia), Tilton(1960, 体积扩散模式, volume diffusion)等工作基础上, 沃森伯格提出了一个考虑了辐射损伤效应在内的一般化体积扩散模式。

1960夏沃瑟伯格在德国基尔大学作访问教授期间, 通过对德国大学体系的切身体会, 对比了美徳两国大学研究体制, 发现德国大学是以教授为中心, 专业系科作用不大, 并且美国大学缺乏对研究技术支撑系统的重视。

1963年哈佛大学拟以正教授席位正式聘任沃瑟伯格, 而他本人也很想前往哈佛大学进入新领域, 如固体地球物理的研究。但消息传到加州理工, 大牌教授Fowler和Lauritsen出面劝阻, 并认为在加州理工同样可以进行固体地球物理研究。经过一番思量, 沃瑟伯格最终只好放弃。