放射性碳素的革命

  李伯謙所言不虛，如果沒有14C測年技術的支持，要想進行遠古文明的準確斷代幾乎是不可能的。正因為如此，夏商周斷代工程在啟動之初，就將14C測年技術列於工程的課題之中，並且將這門技術看成工程成敗的最為關鍵的項目之一。

  14C測年技術是放射性碳素斷代技術的簡稱。自1949年這項技術發明以來，已成為現代考古學應用最為廣泛的一種測定年代的方法。這種技術應用於考古學之後，使全世界的史前年代學研究進入了一個嶄新的階段。為此，學術界將14C測年技術的發明和應用稱為「放射性碳素的革命」。

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  要對14C測年技術原理做簡單明了的介紹，並不是件容易的事情。其基本原理是：宇宙射線同地球大氣發生作用產生中子，中子又同大氣中含有的氮（氮14）發生核反應，從而產生了放射性同位素碳14（14C），14C與氧結合形成14CO2，並牢固地混合於空氣的二氧化碳中。在地球上生存的植物通過光合作用，會不斷地從大氣中吸收包括14C在內的二氧化碳。由於人和動物都直接或間接地依賴植物生存，因此所有生物體內都含有14C，並且這種14C的濃度與當時大氣中14C的自然濃度維持著一種平衡關係。但是，生物體一旦死亡，機體與大氣之間的循環交換立即停止，體內殘留的14C便不再有新的補充，只能按衰變規律減少。按照已知的衰變規律，科學家精確地計算出，14C是按照每5730年衰變一半的時間節律自行與日遞減。因此，無論是植物還是動物，當機體死亡之後，只要測出標本中14C減少的程度，就可以推算出其死亡的年代。換言之，一切死亡的生物殘體中的有機物以及未經風化的骨片、貝殼等都可以用14C來測定具體年代。1949年3月，當《科學》雜誌公布了第一次利用放射性碳素測定的年代數值時，立即引起了整個考古學界與地質學界的矚目，人們在稱讚這項新的重大科學發明取得成功的同時，也向它的創始人利比教授投去了敬佩、感激的目光。

  從中國14C測年專家仇士華、蔡蓮珍所做的介紹中可知，利比（1908—1980年）早年在美國著名的貝克萊實驗室從事開創性的放射性研究工作，他是美國最先設計製作G-M計數管和BF3計數管的科學家，在從事計數管的研究中，他發現了許多放射性同位素。1936年，當科學家卡門利用加速器粒子轟擊發現並分離鑑定了放射性同位素14C時，利比就敏銳地注意到了這門新興的科學。1939年，另一位科學家柯夫精心研究宇宙射線和大氣的相互作用後指出，宇宙射線中子的最終產物是14C，並計算出自然的14C產生率為0.8個/cm2/s，利比對這項研究給予了高度關注，並同柯夫進行了一段時期的合作。就在這個時期內，利比的腦海中形成了要利用自然14C來測定古物年代的偉大構想。第二次世界大戰期間，利比前往哥倫比亞大學，參與並解決了熱擴散濃縮鈾同位素技術中的關鍵問題。二戰結束後，利比出任芝加哥大學教授，開始將他心中醞釀已久的偉大構想付諸實施。在這段過程中，他首先從理論上證明自然界14C的普遍存在並達到平衡狀態的真實性，同時從實驗中提煉出14C開始的時候，利比對研究的目的守口如瓶，秘而不宣，但為了尋求經費的支持，經過再三考慮，他才於1946年聖誕晚會上將目的透露出來。消息傳到考古學界，立即引起了具有遠見卓識的維金基金會主持人的重視，基金會主動為他提供了科研基金。在這筆豐厚資金的支持和眾多考古學家的鼓勵下，經過三年的努力，利比終於順利地解決了14C年代測定的理論和實驗問題，成功地創建了14C年代測定方法，這一方法逐漸為考古學界、地質學界所接受，從而成為確定舊石器晚期以來人類歷史年代的有力工具。為此，利比榮獲了1960年諾貝爾化學獎。

  隨著時間的推移，14C測年技術在考古學界和地質學界取得了一系列令人矚目的成果，它使全世界幾萬年來的歷史事件和地質事件有了統一的時間尺度，對歐洲史前年代序列的建立起了革命性的作用，世界各地的新石器時代考古學也因有了確切年代斷限和年代序列而進入了一個新時代。如美洲最早的文化遺蹟，原考古學界、地質學界大都認為具有2.5萬多年的歷史，經14C技術測年之後，發現距今只1萬年左右，也就是說在這個歷史時間段中，美洲才有人類開始文化活動。北美洲的威斯康星冰期的曼卡托分期年代的情況也同以上基本相同，考古學家、地質學家原認為是發生在2.5萬年以前的事，後通過對冰期堆積層中提取的5種樹木標本的14C測定，發現其年代也只有1.1萬年左右。於是有科學家以此推斷，「美洲的最初殖民，是在冰河北退後由亞洲經白令海峽遷移過去的，因為北美洲的這最後一次冰河的最後一個分期和歐洲北部屬於一個時代，後者的年代曾被14C測年所證實，這個問題的解決，無論是對史前考古學還是地質學而言，都是一件極其重要的大事」。關於日本新石器文化的開始問題，有學者認為可以早到公元前3000年以前，但經過14C測年之後，發現並沒有如此之長。另外還有一個奇例，在20世紀上半葉，日本學者大賀一郎在中國遼寧省大連市普蘭店河畔一個古代沼澤泥炭層中發現了幾十粒蓮子，當時認為這個泥炭層可能屬於第四紀更新世時代，在1萬年之前。後來大賀一郎曾設法使他得到的蓮子發了芽，整個學術界為之轟動。因為歷史如此久遠的蓮子在泥炭中埋藏萬年之後居然還能發芽，這不能不說是個奇蹟。但後來經過14C的測定，大賀一郎發現的蓮子不過距今1040年左右，在這個時間段之內，蓮子發芽當然讓人驚喜，但和以前認為的萬年比起來，就不免讓人感到有些失落。

  科研人員正在用常規14C測年技術進行樣本檢測

  當然，14C測年技術也不是盡善盡美和絕對的，它有自身難以克服的局限性。這個局限性主要表現在所測定的年代並不能精確到哪一年，其測量誤差有一百年甚至幾百年之大。這誤差的出現，一方面與標本的年代遠近有關，年代越遠，誤差也就越大。另一方面也和標本的純粹程度、實驗時間的長短有關。如果標本受到污染或混入時代較近的有機物，縱使如草根的殘絲、細菌的粒點，都要影響到14C測年的準確度。如果地層不清楚，所採用的標本整個是近代的東西，那麼所測結果自然也就和期待的數據大相逕庭。如果在實驗中計數的時間拉長，誤差也可相應地減少。

  人死後埋入地下，由於土層與環境等關係，導致14C測年存在誤差

  值得特別指出的是，由於各種原因，過去大氣中的14C放射性水平不是恆定的，所以，利用統一的現代標準計算出來的14C年代並不是日曆年代，只能稱為14C年代。如何解決14C年代與日曆年代間的關係問題並把14C年代轉換成日曆年代，這就要通過14C年代—樹輪年代校正曲線來進行校正。

  眾所周知，樹木在春季和秋季的生長速度不同，這樣在樹幹截面上就形成疏密相間的年輪，輪與輪之間的距離稱為輪距。樹木的年輪自然地反映著樹木逐年生長的樹齡，如果找一段木頭截面仔細觀察，便發現一圈圈年輪的輪距並不均衡，而是時寬時窄，無一定的規律。這種原因和狀況是由於水旱等氣候條件造成的，如果某年氣候溫暖多雨，樹木生長快，當年的輪距就較大。反之若某一年乾旱少雨，氣候乾燥，樹木不易生長，輪距也自然要小一些。這個現象體現在同一地區相同的氣候條件下，同時生長的樹木之中，其輪距的寬窄程度就更加接近和相同。又由於地球的氣候變化每年都有不同，所以無論樹木是生長百年還是千年，其輪距也不會機械而整齊地重複。因此可以說樹木輪距的寬狹序列是記錄其生長期間氣候變化情況的圖譜，這個圖譜也是一部天然的氣候編年史。

  樣品在一根熾熱的試管中轉變成二氧化碳

  用蓋氏計數器測量樣品的殘存放射性

  如果要根據樹木的輪距來判斷它生長的年代，必須首先要建立該地區的標準輪距序列，建立這種序列最有效的方法是不同時間段輪距的銜接。例如有幾棵依然存活的千年大樹，根據它們的年輪情況就可以建立起1000年之內的標準輪距序列。在這個標準序列的基準上，再繼續向前找，譬如找到了一棵有700年歷史的古木，而這棵古木的外圈輪距中有200圈和已知的千年大樹的內層輪距序列相同或相似，就可根據已經建立起來的原1000年的標準序列確切地定出這棵古木的砍伐年代，即700年—200年＝500年，再由1000年+500年＝1500年。這樣，一個1500年的標準輪距就建立起來了。以同樣的方法向前推進，標準輪距的序列就會越來越長。其銜接的方法如輪距銜接示意圖所示。

  這種樹木輪距銜接的方法既簡單又複雜，複雜的原因主要是對標本的搜集極其不易，但科學家們還是為此做出了努力也取得了很大的成果。如美國學者根據加利福尼亞地區長壽的刺果松，以及數百個考古遺址出土的木材，已銜接出從1萬年前到現在的完整的樹輪編年系列譜。除美國外，歐洲其他一些國家也建立了自己地區某些年代範圍內的標準序列。從理論上和實際結果看，這些標準系列的年譜與日曆年相吻合，其精確度可達幾年，甚至一兩年。

  輪距銜接示意圖

  北京大學14C測年專家陳鐵梅教授講了一個頗為有趣的故事，故事的主人翁是美國學者道格拉斯，這位道格拉斯不僅對樹輪研究做出了貢獻，而且也是世界上第一個將這項研究應用於考古斷代中來的人。在他與此相關的學術研究生涯中，曾有這樣一個插曲。說的是某年的某日，道格拉斯在特拉比地區一個印第安人的遺址中發現了一個大木梯，根據木材上的輪距序列，他推算出木梯的一條腿是用公元1570年砍伐的木頭製作而成的，而另一條腿是明顯地斷裂之後又重新接上去的一段木料，根據標準輪距序列推算，結果發現這段木料砍伐於1720年。因此他斷定這架木梯始造於公元1570年，而於150年後的1720年因斷腿而進行了修理。

  當然，樹木年輪斷代法也有一些自身的局限，如對偽年輪或缺年輪的識別，樹種的挑選，輪距序列的互校，某些樹木的特殊生長環境以及地區環境、氣候的差異等，都是造成實際操作中出現誤差的原因。但如果把14C年代和樹輪年代校正曲線互相校正，誤差就小得多。因為樹木每年生長一輪木質，每一輪木片的14C放射性水平代表了當年的大氣14C放射性水平。樹輪是可以數清的，它的年代同日曆年代相當。樹輪的14C年代可以通過測定得出。把樹輪的14C年代作為縱坐標，而把樹輪生長的年代作為橫坐標，就可以得出一條14C年代—樹輪年代的校對曲線。通過這條曲線就可以把測定樣品的14C年代轉換為日曆年代。這就是一般所說的14C年代的樹輪年代校正。

  1986年，在第12屆國際14C會議上，測年專家發表了幾條高精度樹輪年代校正曲線，14C年代誤差縮小到只有正負10多年。幾條曲線稍有差異，但總的趨勢基本上是一致的，這就更有利於把14C年代校正到日曆年代。因為大氣中的14C交換循環相當迅速，因此樹輪校正曲線原則上可以是全球通用的。如日本奈良古墳時期的一土墩墓中的一根木頭，外皮保存完好，將其樹輪連續取樣測定14C年代，同高精度樹輪校正曲線匹配擬合，確定出木頭的砍伐年代是公元320±5年。這同古墳時期是相合的。如果木頭砍伐的年代同該墓的建造年代一致，則該墓的年代就十分確定了。