核物理引发的考古学革命──从一万七千年前的拉斯科洞窟说起
核物理引发的考古学革命──从一万七千年前的拉斯科洞窟说起 | 当阿热遇见赛先生Original
2017-03-20
徐一鸿 赛先生
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DC6TBwbVt3LwghsAWNoPFicqvIdVvSl1iaENkL8OtMs2grfxQxmvNLC8gg8f0b39JvVb8eWcCqlbrC5GGpQRLEEQ/0?wx_fmt=jpeg拉斯科洞窟
撰文：徐一鸿（A. Zee）翻译：林海（清华大学）校对：弛木
最近，我与我的夫人和儿子参观了著名的法国拉斯科洞窟（Lascaux cave）。观赏这一万七千多年前壮丽的洞窟壁画艺术，令人感到敬畏！我试图想象，不，是贴近地感受，这些天赋异禀的艺术家们当时的生活是什么样的。
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DC6TBwbVt3LwghsAWNoPFicqvIdVvSl1iajWmzGKfQNsk1BarkH6O00hHTTkx602zEnEqF24DFxvUHrd453R2Zgw/0?wx_fmt=jpeg拉斯科洞窟壁画
拉斯科洞窟是由四名青少年于1940年发现的。这一轰动的新闻导致前来参观的游客人潮，络绎不绝。游客们的呼吸促使了真菌的生长，而这些真菌的侵袭对壁画构成了毁坏的危险。1963年，法国文化部长、著名作家安德烈·马尔罗（Andr ́e Malraux）关闭了洞窟，不再向公众开放。此后几十年间，法国政府对洞窟做了各种仿制。最近的一次，是于2016年12月向公众开放的拉斯科4号（Lascaux 4）。这是一个用最新高科技打造的奇迹，它精确地仿制了拉斯科洞窟的每块岩石及其壁画。
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DC6TBwbVt3LwghsAWNoPFicqvIdVvSl1iawDXZ4gVH9Kymq3ETHBBaHCAlx642VltE5WYvmR1fQYlPW0iccxYNEiaw/0?wx_fmt=jpeg拉斯科洞窟考古现场
关于拉斯科洞窟壁画，有很多迷人的方面可以谈论。这里我将专注于一个与核物理有关的方面。
首先，我们讨论一些基本原理。原子核由一定数量的质子（protons）和中子（neutrons）组成。有一些电子（electrons）围绕着原子核做轨道运动。电子的个数必须和质子的个数完全相等，因为电子的负电荷数需与质子的正电荷数相互抵消。中子，顾名思义，当然是呈电中性的。
特别是，碳原子核（carbon nucleus）被记作http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif，包含6个质子和6个中子（6+6=12）。绝大多数天然存在的碳原子核具有这种“正常”形式。然而，也有一些碳原子核包含了一个或两个更多的中子，这些形式称为同位素（isotopes）。同位素http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrOFcSGHFzJwKfK6xuF2c57ibic9thRfd7cNXXVJGFqbU561ydMxxmC8qA/0?wx_fmt=gif包含6个质子和7个中子（6+7=13），而同位素http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif则包含6个质子和8个中子（6+8=14）。请注意，因为电中性的要求，这三种形式的碳都需要有6个围绕着原子核运转的电子。有一个要点是，元素的化学性质完全取决于电子，因而上述三种碳同位素：http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif、http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrOFcSGHFzJwKfK6xuF2c57ibic9thRfd7cNXXVJGFqbU561ydMxxmC8qA/0?wx_fmt=gif和http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif的化学性质相同。一个碳原子的图像是一个被电子云包围的微小的原子核。当一些其他原子与碳原子相互作用时，该原子不关心碳原子核中包含多少中子：两个原子如何相互作用是由两个电子云所决定的。
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif和http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrOFcSGHFzJwKfK6xuF2c57ibic9thRfd7cNXXVJGFqbU561ydMxxmC8qA/0?wx_fmt=gif原子核是稳定的。但http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif原子核不是稳定的，因为堆积了一个“多余的”中子，http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif似乎并不太乐意，最终将自我调整。这里涉及一个关键问题——量子物理是概率性的（probabilistic）。我们不能预测一个特定的原子核何时会衰变（decay），只能预测，给定大量的http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif原子核，何时这一半的原子核会衰变。这个时间段称为“半衰期”（half-life），对于http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif来说，半衰期约为5730年。
顺此一提，有一些不稳定的原子核具有万亿分之一秒的极短的半衰期，而另一些则具有数亿年的极长的半衰期。因此，你应该已经获得了一个提示：为什么http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif能与人类考古学相关？这个发现及其应用对我们来说是幸运的。
以上所述的皆为基本的核物理。我们的故事从塞尔日·科尔夫（Serge Korff，1906－1989）开始。他出生于一个俄罗斯贵族的学术家庭，随后移民到美国。完成普林斯顿大学的本科和研究生学业后，科尔夫从20世纪40年代开始，测量在上层大气中的宇宙射线（cosmic rays）。读者可能知道，地球被这些来自太空的亚原子粒子（subatomic particles），即称为“宇宙射线”，不断地轰击。科尔夫发现同位素http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif，不断地由宇宙射线的中子与大气的http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrCsUjL7PMia4sQlVbkgesOTzUBL5oVIVyD1weSiaIzRXtfjzPOZGWx7iaA/0?wx_fmt=gif原子核（具有7个质子和7个中子的稳定的氮原子核）碰撞产生。以这种方式产生的http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif稳定地衰减，从而导致不稳定的http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif与稳定的http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif最终形成固定比率。
当时在芝加哥大学的威拉得·利比（Willard Libby，1908－1980），读了科尔夫的文章后，灵机一动，想出了一个聪明的方法：即使用http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif与http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif的比率去测量有机材料，进而推溯其形成之年代。有了这个“后见之明”，也许你现在可以看得出这是如何做到的？
植物，通过呼吸进二氧化碳，不断地以一个固定比率吸收http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif与http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif原子核，而这个比率正是由大气中这两种同位素的比率决定。动物，通过吃植物或其他动物，也在其体内含有固定比率的http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif与http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif原子核。但当树木或动物死亡时，它们不再吸收环境中的碳原子核。从那时起，http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif原子核在机体内开始衰减，并相对于http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif稳定地减少。每过5730年，http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif原子核的数量就会减半。
通过测量有机材料样品中http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif与http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif原子核的比率，我们进而可以推断出相应的植物或动物是在多久以前死亡的。这就是http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif年代测定技术（http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif dating）或放射性碳年代测定技术（radiocarbon dating）的诞生。在考古学上，它导致了一次突破性的革命。
从拉斯科洞窟一万七千年之久的角度来看，让我们回想到大约两百万年前，远古人类以某种形式在非洲大陆出现，而现代人类大约在6万年前开始迁移到其他大陆 。有文字和记录的人类历史则出现在4千或5千年前。
放射性碳年代测定技术对考古学的影响是巨大的。在利比的这了不起的想法落实之前，对于那些没有文字历史记录的样品，考古学家想要精确测定其年代都是难上加难。特别是，当考古学家想要对比世界不同地区所发生的事件时，此前曾有很大困难，但所幸http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif与http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif原子核的比率在世界各地几乎都是相同的，进而使考古学的测定技术有了突破性的发展。利比于1960年获得了诺贝尔奖（Nobel Prize），并在他的演讲中感激地提到了科尔夫的关键性贡献。
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DC6TBwbVt3LwghsAWNoPFicqvIdVvSl1iaJz25Pr5cIXgwG4jk88O9nnVdsH9mM0Yiax618p8fuaXlUWRZRCOQPlQ/0?wx_fmt=jpeg诺贝尔奖得主威拉得·利比
回到拉斯科洞窟，许多谜题仍然存在。例如，这些画是由几位艺术家在若干年所完成的，还是由几代艺术家在若干世纪间所成就的？我们必须等到有人提出另一个聪明的想法，得以发明或改进一个更加准确的年代测定技术。
http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/DC6TBwbVt3LwghsAWNoPFicqvIdVvSl1iaR47LibjdficIoPiayh5gMHV4iawPRxqjV1ItmjCZV4kItS3vCW92pLdyjQ/0?wx_fmt=jpeg拉斯科洞窟壁画
最后，以一个轻松的方式结尾吧！因为“dating”这个词在英语中有另一个——甚至是主要的意思，男女约会，所以我想鼓励读者编造一个关于“radiocarbon dating”的笑话。
注释：1. https://www.google.com/search?q=Lascaux+cave 2. 例如，作画者用令人钦佩的艺术才华，在壁画上描绘各种动物。但奇怪的是，与其它史前的艺术相反，只有一个单一的、相当粗糙的人类画像，并且这个画像具有鸟类的头，可能甚至不是在描绘一个人。 3. 我们在这里不关心它如何衰变。对此感到好奇的读者，可以作如下基本理解：一个“多余的”中子（neutron）本身转变为一个质子（proton），并且在此过程中发射一个电子（electron）和一个反中微子（antineutrino）。于是剩下一个包含了7个质子和7个中子的原子核，实际上是一个氮http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrCsUjL7PMia4sQlVbkgesOTzUBL5oVIVyD1weSiaIzRXtfjzPOZGWx7iaA/0?wx_fmt=gif原子核。4.http://www.nytimes.com/1989/12/0 ... c-ray-research.html5. 再次强调，读者不必关心这儿所涉及的详细的核物理过程。基本上，进入http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrCsUjL7PMia4sQlVbkgesOTzUBL5oVIVyD1weSiaIzRXtfjzPOZGWx7iaA/0?wx_fmt=gif的中子敲除一个质子，从而将http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrCsUjL7PMia4sQlVbkgesOTzUBL5oVIVyD1weSiaIzRXtfjzPOZGWx7iaA/0?wx_fmt=gif转变为http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif，它包含6个质子和8个中子。6. 对于这里的讨论，我们可以忽略http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrOFcSGHFzJwKfK6xuF2c57ibic9thRfd7cNXXVJGFqbU561ydMxxmC8qA/0?wx_fmt=gif。7. radioactive carbon的缩写。8. 我当然简化了故事。为了将放射性碳年代测定开发成有用的技术，势必要做各种细节的工作。例如，由于地球的变化磁场影响了宇宙射线的流入，http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPr46tLed40UPNCzuJZm0WEGfAhBkOwt9icb1okuJNxZVlyY7LeHqnRk1A/0?wx_fmt=gif与http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/DC6TBwbVt3LzoBtxL35jVJU2ObibXyqPrDEicCibEQq1Yj5M2JdFl5SPNr9icRj2ee0c24Y6xNJAjYb7JcMyFtgLGQ/0?wx_fmt=gif原子核的比率不是完全恒定的。各种变化皆必须被考虑进去。古代样品受到现代碳污染是另一个必须解决的问题。
页:
[1]