核子物理引發的考古學革命｜當阿熱遇見賽先生

拉斯科洞窟

撰文：徐一鴻（A. Zee）

翻譯：林海（清華大學）

校對：弛木

最近，我與我的夫人和兒子參觀了著名的法國拉斯科洞窟（Lascaux cave）[1]。觀賞這一萬七千多年前壯麗的洞窟壁畫藝術，

令人感到敬畏！我試圖想像，不，是貼近地感受，這些天賦異稟的藝術家們當時的生活是什麼樣的。

拉斯科洞窟壁畫

拉斯科洞窟是由四名青少年於1940年發現的。這一轟動的新聞導致前來參觀的遊客人潮，絡繹不絕。

遊客們的呼吸促使了真菌的生長，而這些真菌的侵襲對壁畫構成了毀壞的危險。 1963年，法國文化部長、著名作家安德列·瑪律羅（Andr ́e Malraux）關閉了洞窟，不再向公眾開放。此後幾十年間，法國政府對洞窟做了各種仿製。最近的一次，是於2016年12月向公眾開放的拉斯科4號（Lascaux 4）。這是一個用最新高科技打造的奇跡，它精確地仿製了拉斯科洞窟的每塊岩石及其壁畫。

拉斯科洞窟考古現場

關於拉斯科洞窟壁畫[2]，有很多迷人的方面可以談論。這裡我將專注於一個與核子物理有關的方面。

首先，我們討論一些基本原理。原子核由一定數量的質子（protons）和中子（neutrons）組成。有一些電子（electrons）圍繞著原子核做軌道運動。電子的個數必須和質子的個數完全相等，因為電子的負電荷數需與質子的正電荷數相互抵消。中子，顧名思義，當然是呈電中性的。

特別是，碳原子核（carbon nucleus）被記作“碳12”，包含6個質子和6個中子（6+6=12）。絕大多數天然存在的碳原子核具有這種“正常”形式。然而，也有一些碳原子核包含了一個或兩個更多的中子，這些形式稱為同位素（isotopes）。

同位素“碳13”包含6個質子和7個中子（6+7=13），而同位素“碳14”則包含6個質子和8個中子（6+8=14）。請注意，因為電中性的要求，這三種形式的碳都需要有6個圍繞著原子核運轉的電子。有一個要點是，元素的化學性質完全取決於電子，因而上述三種碳同位素：“碳12”、“碳13”和“碳14”的化學性質相同。一個碳原子的圖像是一個被電子雲包圍的微小的原子核。當一些其他原子與碳原子相互作用時，該原子不關心碳原子核中包含多少中子：兩個原子如何相互作用是由兩個電子雲所決定的。

“碳12”和“碳13”原子核是穩定的。但“碳14”原子核不是穩定的，因為堆積了一個“多餘的”中子， “碳14”似乎並不太樂意，最終將自我調整。這裡涉及一個關鍵問題——量子物理是概率性的（probabilistic）。

我們不能預測一個特定的原子核何時會衰變（decay）[3]，只能預測，給定大量的“碳14”原子核，何時這一半的原子核會衰變。這個時間段稱為“半衰期”（half-life），對於“碳14”來說，半衰期約為5730年。

順此一提，有一些不穩定的原子核具有萬億分之一秒的極短的半衰期，而另一些則具有數億年的極長的半衰期。因此，你應該已經獲得了一個提示：為什麼“碳14”能與人類考古學相關？這個發現及其應用對我們來說是幸運的。

以上所述的皆為基本的核子物理。我們的故事從塞爾日·科爾夫[4]（Serge Korff， 1906－1989）開始。他出生于一個俄羅斯貴族的學術家庭，隨後移民到美國。完成普林斯頓大學的本科和研究生學業後，科爾夫從20世紀40年代開始，測量在上層大氣中的宇宙射線（cosmic rays）。讀者可能知道，地球被這些來自太空的亞原子粒子（subatomic particles），即稱為“宇宙射線”，不斷地轟擊。科爾夫發現同位素“碳14”，不斷地由宇宙射線的中子與大氣的“氮14”原子核（具有7個質子和7個中子的穩定的氮原子核）碰撞產生[5]。以這種方式產生的“碳14”穩定地衰減，從而導致不穩定的“碳14”與穩定的“碳12”最終形成固定比率[6]。

當時在芝加哥大學的威拉得·利比（Willard Libby，1908－1980），讀了科爾夫的文章後，靈機一動，想出了一個聰明的方法：即使用“碳14”與“碳12”的比率去測量有機材料，進而推溯其形成之年代。有了這個“後見之明”，也許你現在可以看得出這是如何做到的？

植物，通過呼吸進二氧化碳，不斷地以一個固定比率吸收“碳14”與“碳12”原子核，而這個比率正是由大氣中這兩種同位素的比率決定。動物，通過吃植物或其他動物，也在其體內含有固定比率的“碳14”與“碳12”原子核。但當樹木或動物死亡時，它們不再吸收環境中的碳原子核。從那時起，“碳14”原子核在機體內開始衰減，並相對於“碳12”穩定地減少。每過5730年，“碳14”原子核的數量就會減半。

通過測量有機材料樣品中“碳14”與“碳12”原子核的比率，我們進而可以推斷出相應的植物或動物是在多久以前死亡的。這就是“碳14”年代測定技術（“碳14” dating）或放射性碳年代測定技術（radiocarbon[7] dating）的誕生。在考古學上，它導致了一次突破性的革命。

從拉斯科洞窟一萬七千年之久的角度來看，讓我們回想到大約兩百萬年前，遠古人類以某種形式在非洲大陸出現，而現代人類大約在6萬年前開始遷移到其他大陸。有文字和記錄的人類歷史則出現在4千或5千年前。

放射性碳年代測定技術[8]對考古學的影響是巨大的。在利比的這了不起的想法落實之前，對於那些沒有文字歷史記錄的樣品，考古學家想要精確測定其年代都是難上加難。特別是，當考古學家想要對比世界不同地區所發生的事件時，此前曾有很大困難，但所幸“碳14”與“碳12”原子核的比率在世界各地幾乎都是相同的，進而使考古學的測定技術有了突破性的發展。利比於1960年獲得了諾貝爾獎（Nobel Prize），並在他的演講中感激地提到了科爾夫的關鍵性貢獻。

諾貝爾獎得主威拉得·利比

回到拉斯科洞窟，許多謎題仍然存在。例如，這些畫是由幾位藝術家在若干年所完成的，還是由幾代藝術家在若干世紀間所成就的？我們必須等到有人提出另一個聰明的想法，得以發明或改進一個更加準確的年代測定技術。

拉斯科洞窟壁畫

最後，以一個輕鬆的方式結尾吧！因為“dating”這個詞在英語中有另一個——甚至是主要的意思，男女約會，所以我想鼓勵讀者編造一個關於“radiocarbon dating”的笑話。

注釋：

1. https://www.google.com/search?q=Lascaux+cave

2. 例如，作畫者用令人欽佩的藝術才華，在壁畫上描繪各種動物。但奇怪的是，與其它史前的藝術相反，只有一個單一的、相當粗糙的人類畫像，並且這個畫像具有鳥類的頭，可能甚至不是在描繪一個人。

3. 我們在這裡不關心它如何衰變。對此感到好奇的讀者，可以作如下基本理解：一個“多餘的”中子（neutron）本身轉變為一個質子（proton），並且在此過程中發射一個電子（electron）和一個反中微子（antineutrino）。於是剩下一個包含了7個質子和7個中子的原子核，實際上是一個氮原子核。

4.http://www.nytimes.com/1989/12/02/obituaries/serge-korff-physicist-dies-at-83-pioneer-in-cosmic-ray-research.html

5. 再次強調，讀者不必關心這兒所涉及的詳細的核子物理過程。基本上，進入氮原子（氮14）的中子敲除一個質子，從而將“氮14”轉變為“碳14”，它包含6個質子和8個中子。

6. 對於這裡的討論，我們可以忽略“碳13”。

7. radioactive carbon的縮寫。

8. 我當然簡化了故事。為了將放射性碳年代測定開發成有用的技術，勢必要做各種細節的工作。例如，由於地球的變化磁場影響了宇宙射線的流入，“碳14”與“碳12”原子核的比率不是完全恒定的。各種變化皆必須被考慮進去。古代樣品受到現代碳污染是另一個必須解決的問題。