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

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2017-03-22 10:15

正文

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）^[1]。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。

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。

拉斯科洞窟考古现场

关于拉斯科洞窟壁画^[2]，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，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）。同位素包含6个质子和7个中子（6+7=13），而同位素则包含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：、和的化学性质相同。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。

和原子核是稳定的。但原子核不是稳定的，因为堆积了一个“多余的”中子，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）^[3]，只能预测，给定大量的原子核，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^[4]（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，不断地由宇宙射线的中子与大气的原子核（具有7个质子和7个中子的稳定的氮原子核）碰撞产生^[5]。以这种方式产生的稳定地衰减，从而导致不稳定的与稳定的最终形成固定比率^[6]。

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：即使用与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与原子核，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与原子核。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，原子核在机体内开始衰减，并相对于稳定地减少。每过5730年，原子核的数量就会减半。

通过测量有机材料样品中与原子核的比率，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。这就是年代测定技术（ dating）或放射性碳年代测定技术（radiocarbon^[7] 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^[8]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，但所幸与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。

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。

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，实际上是一个氮原子核。