神秘的世界：什么是碳-14测年？

这可能是了解过去的最重要方法之一，但它是如何工作的呢？

可以肯定地说，放射性碳测年的发展改变了我们对世界的看法。它不仅彻底改变了我们的考古学和人类学方法，为古代民族和文化的生活提供了新的视角，而且还为地球的地质和大气历史开辟了新的视角。但是你有没有想过这种重要的科学方法是如何工作的，它来自哪里？

碳-14：宇宙射线和死去的生物

放射性碳测年法或碳测年法（有时称为碳-14测年法）是一种用于确定某些生物物体年龄的技术。这项开创性的技术基于碳的一种重要放射性同位素碳-14的自然衰变。通过测量样品中同位素的含量，科学家可以以惊人的精度计算其年龄。但要理解这是如何实现的，我们首先需要知道碳-14是如何进入“事物”的——而这个问题的答案与空间有关。

当宇宙射线（通常来自太阳，但有时来自其他天体，如遥远的恒星爆炸或黑洞）进入大气层时，它们会与其他原子碰撞，并以高能中子的形式产生次级宇宙射线。然后这些中子可以与氮-14原子碰撞，而氮-14原子又变成碳-14原子（和氢原子）。然后，碳-14原子与氧气结合形成二氧化碳，二氧化碳被植物吸收并通过碳交换（光合作用）掺入其中。动物（包括人类）吃这些植物并将碳-14添加到体内。

因此，所有动物，包括你和我，在我们体内都有一小部分但恒定的碳-14原子，以及碳-12原子，它们构成了我们所含碳的绝大多数，以及碳-13。

碳-14是“三种天然碳同位素中最稀有的一种”，14CHRONO中心主任Maarten Blauw博士说。“在活组织中，如植物叶子或人类牙齿，只有一万亿分之一的碳原子含有碳-14。

在我们的一生中，我们在体内储存了大量的碳，但当我们死去时，这个过程就会停止。随着时间的流逝，碳-14开始衰变，而碳-12和碳-13保持不变。

碳-14“是一种不稳定的放射性碳同位素，”布劳补充道。“随着时间的流逝，它会分解成氮。这种衰减的速率是已知的和恒定的。这很方便，因为当生物体活着时，它们通过新陈代谢过程吸收碳-14;当它们死亡时，它们不再补充碳储存，组织中的放射性碳含量开始衰变，直到大约 50,000 年后，没有一个可测量的碳-14 留下。

这是碳测年的关键，也是它对了解过去如此有用的原因。

数数过去的证据

该方法于 1940 年代后期由化学教授、前曼哈顿计划研究员威拉德·利比 （Willard Libby） 在芝加哥大学首次开发。在本世纪初，其他研究人员首次发现了碳-14同位素，并指出它们的半衰期约为5,730年。这意味着在5,730年后，样品中原始碳-14原子数的一半将衰变并变回氮。利比突然想到，如果你计算样品中碳-14的含量，你可以通过衰变的原子数来确定它的年龄。

在接下来的几年里，Libby和他的同事们发表了关于碳测年可能性的想法，并继续完善他们的发现。其中一项关键成就属于他的研究生欧内斯特·安德森（Ernest C. Anderson），他发现有机材料在地球的所有纬度上都含有几乎相同数量的碳-14。

完成所有这些工作后，利比和他的同事们开始开发第一种测定碳-14的方法，并在博物馆藏品上进行测试。这意味着该团队可以确定该方法的准确性，因为考古学家已经通过其他证据知道这些物体的年龄，例如从树木年轮（树木年代学）确定年代。毋庸置疑，它奏效了，到 1960 年代，该方法已被全球 30 多个放射性碳实验室使用。今天，它是约会过去的最重要的方法之一。

“这非常重要，”布劳夫解释说，“放射性碳测年是最常用的工具，用于测年长达50,000年的材料，这一时期充满了过去环境和人类发展中的重要事件。

尽管这种新方法很强大，但它非常缓慢，正如 Blauw 补充道的那样：

“最初，放射性碳衰变事件本身是被测量的。这需要大量的材料和较长的计数时间——从几周到几个月不等。自 1990 年代以来，使用加速器质谱法计算碳 14 原子本身的方法变得越来越流行。放射性碳年龄现在可以在几分钟内测量，并且可以在更小的样品上测量，例如单个种子。

放射性碳革命

碳测年对考古学和地质科学产生了巨大影响。在这种方法出现之前，对物体进行测年的尝试是基于相对因素，例如比较发现某些东西的考古遗址的层，并假设这些层是按时间顺序沉积的。这种方法只确定了事件的顺序，而不是事件的确切年龄。

但碳测年的出现改变了一切，并帮助反驳了各种长期存在但错误的信念。例如，它揭穿了文明起源于欧洲然后传播到其边界之外的观点。对来自亚洲、非洲、美洲和大洋洲的文物的研究表明，文明在不同的地方独立发展。没有必要花那么多时间确定文物的年代，考古学家有机会提出关于史前时代人类进化和文化的新问题，并得到快速的答案。

其他学科也从这种方法中受益。特别是，地质学家、沉积学家和湖泊研究人员也使用了碳测年技术。此外，古植物学家和古气候学家可以使用它来测定标本的年代，例如在沉积岩中发现的花粉，以及其他植物材料或木炭的痕迹。通过对这些样本进行准确的测年，他们可以使用这些信息来确定其他地方相关地层的年龄。

当然，尽管碳测年功能强大，但它也有其局限性。最明显的是对超过50,000年历史的物体的严格限制。这是因为这些人工制品的碳-14含量太低而无法使用。

但还有其他限制。

其中之一与选择正确的碳源进行测量有关。正如布劳夫所解释的那样，“样品通常含有碳源的混合物，例如，博物馆的旧木制品可能已经用油处理过以保存它，然后我们将不得不尝试将木材与油分开，以确定木材本身的碳测年。

污染问题非常重要，“特别是对于达到50,000年放射性碳测年极限的样品 - 因为这些样品中留下的放射性碳很少，即使是少量的现代碳污染也会大大破坏日期。例如，一块6500万年前的恐龙骨骼仅被百分之一的现代碳污染，那么恐龙的放射性碳年龄约为37,000年的碳-14！”

为了解决这个问题，考古学家和其他研究人员正试图评估“任何背景污染的影响，不仅通过测量样品本身，而且通过测量标准和背景样品。

研究人员唯一一次试图确定已知比极限更古老的事物的日期是当他们建立背景测量时。

对神创论者的批判

清楚地了解碳测年法的工作原理是很重要的，因为近年来，一些创造论者和年轻地球的支持者依靠对碳测年方法的不理解，以及对利比原著的误解，声称年表与圣经经文一致。然而，对于创造论者为什么感到困惑，有可靠的解释。

特别是，古代化石含有碳-14痕迹的说法被用来表明，一些可追溯到圣经记载之前的时期的标本实际上比实际年龄要小得多（类似于洪水时期的恐龙）。然而，正如布劳所解释的那样，污染很容易发生。由宇宙射线引起的β辐射 - 将氮-14转化为碳-14的辐射类型 - 构成了在任何给定时间我们周围的大部分自然背景辐射。因此，不可能完全排除它进入实验室的可能性，在那里它可能导致旧的文物或化石“恢复活力”。

年轻地球支持者还有许多其他批评，这些批评已经由该领域的专家澄清。与批评相反，碳测年的证据及其准确性非常令人信服。而且很可能，“年轻的地球人”的所有反对意见都是基于引用其他神创论作者的话，他们给出了同样的初始谬误。

为了过去而未来

今天，碳测年仍然是一个强大且广泛使用的工具，用于确定历史物品或事件的年龄。越来越多的研究人员正在寻找新的方法来改进他们的方法并消除污染物。

“我们有一个炉子，我们可以在其中设置不同的温度，然后分离和测量在不同温度下释放的碳，”Blauve说，“这使我们能够更好地了解更复杂样品中不同的碳来源。实验室也在尝试新的化学预处理方法，以更有效地去除污染物。

显然，考古学家和其他科学家已经意识到他们的方法的局限性，但这些并不是创造论者喜欢提出的问题。与许多其他情况一样，证据是存在的，你只需要知道如何查看它。