科学家说,地球年龄有45.4亿年了。
奇怪,他们怎么知道的? 难道地球诞生时有人在现场?
新闻上经常报道,发现了距今多少多少年的某具古尸或者某件古物。
他们又是怎么知道的? 难道楼兰少女玩完的时候他们也在现场?
或者是……
古尸或者古物上都有一个钟,能明确告诉我们距今多少年?
好一个异想天开!钟都是人造出来的,且是现代人。
可是……
等等!你敢说自然界就没有天然的钟?
科学家说,有!且不止一种!
噢!这都是些什么钟呀?可以挂墙上吗?
水滴里见太阳,原子里看过去
地球上所有的一切都是由一百多种不同类型原子构成的,比如碳原子,铁原子等。而所有同类型原子的统称,就叫元素。人还分黄种人黑种人呢。所以元素下面也有分类,如碳元素下就包括三种不同的碳原子,分别是碳12,碳13和碳14。在地球上所有的碳中,碳12约占99%,碳13约占1%,而碳14只占到百万分之一左右。
别看碳14的量很微小,却作用极大,声名远播。因为——它就是我们要找的钟!
古人用的沙漏已变成现代人的装饰品。
古人用“沙漏”来计时,若瓶子中的沙全部漏完就是一天,那,瓶子中的沙漏掉一半,当然就是半天啦。碳14也跟沙漏一样,每隔“一段时间”它就会“消失”一半。而这个“一段时间”,就是5730年,科学上通常把5730年称为碳14的半衰期,把那个“消失”的过程称为衰变。
不对!假如每隔5730年就有一半发生衰变,那地球上最终会没有碳14!真是厉害,你的怀疑是对的。但事实是这样的:自然界的碳14虽会源源不断地衰变,但它也会源源不断地产生——空气中氮原子在宇宙射线的冲击下,会变成碳14。
在死亡那一刻上弦
ok,现在我们有一个钟了,怎么运用呢?这是个问题。
所有的植物都要吸收二氧化碳,而二氧化碳里面的那个“碳”,就可能是碳14,也就是说,植物的生长过程中会源源不断地吸收碳14,但是注意,植物体内的那些碳14同时也在发生衰变。一边吸收,一边衰变,于是,植物体内的碳14最终会达到收支平衡。
假如某棵大树某个时候死了,那么这意味着其对碳14的吸收就会立即停止,只剩下衰变了——注意注意!发条已经拧紧,钟表开始嘀嗒嘀嗒运行啦!
现在问,这棵大树是何时死的?很简单,只要测量这棵大树体内碳14的含量便知。就像测量沙漏上方的瓶中还剩下多少沙,就知道已过去了多少时间一样。若大树体内碳14的比例含量,只有平常树木中碳14比例含量的一半,那么你就可以断定,这棵树大约死于5730年前,以此类推。
虽然人不直接从空气中吸收碳14,但人是吃植物的,虽然狮子只吃羊,但羊也是吃草的,所以植物体内的碳14最终也会在动物体内累积。
碳14测年法示意图。
考古学家在测量楼兰女尸的死亡时间时,是通过对棺材里面的木材、毛布、羊皮、人骨等分别进行碳14测量后,对比得出距今3800年的。
专家们还把碳14测年法用在敦煌莫高窟石窟的年代测定上。
他山之石,可以攻玉
有了碳14测年法在前,似乎地球的年龄测定便能如法炮制了。可事实上,没那么简单。
首先,你得找到一个半衰期比较长的“钟”,哪种钟合适呢?找来找去,人们发现“铀238”这位仁兄可担此大任,因为它的半衰期长达44.7亿年。地球之“钟”算是找到了,可怎么去测呢?这又是个大问题,找地球诞生时植物的遗骸吗?笑话,地球诞生时,一片火海,任何植物都不会存在;就算存在,也不会保存至今。而关键的是,植物里可没有铀238。那么,什么地方有呢?
对,就是岩石!可问题又来了,你如何知道哪块岩石最老?难道你要把地球上每一块岩石都测一遍?好吧,就算伟大的愚公移山精神,让你测完了所有岩石,并知道了地球上最老岩石的年龄,那又怎样呢?你能断定这块岩石跟地球的年纪一样老?几十亿年,沧海桑田,地球诞生时就存在的那些岩石,到现在,早就不是原来的样子了。
怎么办?20世纪40年代末,芝加哥大学一位名叫克莱尔·彼得森的科学家对此也头疼万分,且持续了七年!不过,你懂的,皇天不负有心人,克莱尔·彼得森最后灵光一闪:为何不用那些天外来客——陨石呢?
克莱尔·彼得森。
是呀,他山之石,可以攻玉。很多漂浮在地球周边并最终掉下来的陨石,其实就是早期构成地球的下脚料,因此保留着原始的内部化学结构。最重要的是,他们一直在外太空,没有受到污染。
铀238衰变后会变成铅206,所以,测定那些掉下来的陨石中,铀238与铅206的比例,就可以知道曾经有多少铀238发生衰变,从而就能基本测出地球的年龄了。
天外陨石就是早期构成地球的下脚料。
打个比方,一筐好好的红樱桃(铀238),假设每隔十天,就会腐烂一半,而且腐烂得还很彻底,只剩下樱桃核(铅206),肉全没了。
好,在一个密封的箱子里面有樱桃,但不知樱桃在箱子里放了多久。现在我们打开箱子,发现有2颗完好的樱桃和6粒樱桃核。于是我们就知道,箱子里最开始其实有2+6即8颗樱桃。现在,我们从头来一遍,过了10天,那8颗樱桃中有4颗腐烂,再过10天,剩下的那4颗,又有2颗也腐烂了,只剩下2颗没腐烂了。而这跟我们打开箱子时看到的是一样的情景。所以,从这里我们就可以计算出箱子里的樱桃大概已经存在了20天时间了。
你的积蓄决定了你的身价
如果说碳14和铀238是一种基于“消耗”原理的测年法,那么下面接着要说的则是一种基于“积蓄”原理的测年法。
人类的生活中从没有离开过辐射,这些辐射来自宇宙射线、地面、建筑物甚至是人体内部。
同样,陶瓷也在无时无刻接收着辐射,只是它们被辐射的时间要长得多,几百年,几千年甚至上万年。而且,因为陶瓷里面含有大量的绝缘晶体,所以,它们能把接收到的辐射能量保存起来,这意味着,陶瓷年代越久远,其对辐射能量的积蓄就越多,一般来说身价也就越高。
如何测定呢?那就是加热,科学家发现,只要把陶瓷加热到一定温度后,陶瓷里面积蓄的能量就会以光的形式释放出来,这就是热释光现象。需要说明的是,热释光不同于一般加热后的炽热发光,它是积累的辐射能量被释放的标志。
而热释光测年法的原理是这样的,在陶器刚开始烧制时,高温会把结晶体中原先贮存的热释光能量全都释放完,这相当于把热释光时钟重新拨至零点。自此以后,成型后的陶瓷从零开始积累接收到的辐射能量,年代愈久,积累的能量就越多,热释光量也就愈多。加热陶瓷,测量放出光的多少、强弱,就能判断出陶瓷的烧制年份。曹操墓中出土了大量的陶器,所以有专家建议,可以用热释光测年法对其测定,从而能较为准确地确定墓葬年代。
热释光测年法是测量陶瓷的好帮手。
考古学上,知道某个古物距今多少年,类似于天文学上知道某个星系距我们多远一样重要。可以说,没有科学测年法的进步,就没有考古学的蓬勃大发展。随着科技的不断进步,测年法的方式和类型越来越多,常见的还有电子自旋共振测年法,古地磁测年法,氯-36测年法等等。
从1952到1958之间的核试验导致海水受辐射产生大量本来很罕见的氯-36。这种放射性的氯逐渐扩散到土壤和地下水中,因此氯-36可以用来测量50年代以后的地质测年。
出品:科普中国
制作:许仁华
监制:中国科学院计算机网络信息中心
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。