諾獎故事：碳14測年 揭開歷史的年輪

文 | 於達維

我們從小都知道，中華文明有五千年歷史，而且是上下五千年。

一開始我就不明白上下五千年是什麼意思，是上下一共五千年，還是上下各有五千年，總共一萬年。

後來歷史知識多了，才知道是一共五千年，基本上是從黃帝的時候算起，到現在有五千年了。

因為根據歷史的記載，黃帝所處的年代大概是公元前3000年左右，到現在確實有5000年了。

但是這些記載，並未得到學術界的承認，因為並未找到任何實物依據。

而從實物依據上看，中國所能夠找到的最早的證據，就是夏代的遺址，而夏朝所處的年代，大概是公元前2000年左右，這樣來說，五千年的中華文明，實際上只有4000年是站得住腳的。

如果沒有實在的證據，所謂三皇五帝的故事，只能當作神話傳說來聽。

確定夏朝的年代，就是根據碳14測年方法得到的。

根據中國夏商周斷代工程的研究結果，夏朝大概是它的的第一位大王大禹，在公元前2070年左右建立的。

而採用同樣的方法，國外科學家對於埃及文明年代的測定結果，則可以追溯到公元前3000年之前。

雖然同樣是文明古國，中國跟人家足足差了一千年。

當然這還不是定論，如果有一天考古學家發現了比夏代更早的文明遺址，再把中華文明往前推個幾百幾千年也說不定。

在碳14測年方法出現之前，考古學家在解密歷史遺蹟的年代時，只能根據古籍、古物上的年代記錄、文化傳承來推斷其所處的年代。

而這種方法的出現，給了他們一個明確的標尺。

1960年，當碳14測年法的發明者威拉德•F•利比（Willard F. Libby ）獲得諾貝爾化學獎時，諾貝爾獎委員會在頒獎詞中說，利用碳14同位素進行年代測定的方法，為考古學家和地質學家了解超長時間尺度內的歷史事件提供了極其重要的方法，也為現代工程設計提供了科學依據和質量保證。

在醫學和生物學中，該方法被廣泛應用於標記和示蹤。

碳14同位素測年法對現代社會的發展做出了極為卓越的貢獻。

碳14是碳的一種具放射性的同位素，於1940年首被發現。

它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生，其半衰期約為5,730年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮原子。

大氣中的二氧化碳中的碳，有碳12，碳13，也有放射性的碳14。

因此碳14主要是存在於大氣中的，而由於新陳代謝，地球上生物體只要活著，就不斷吸收和釋放二氧化碳，生物體內的碳14含量也保持不變。

但當生物死亡後，碳14在生物體內的循環就停止了，留在體內的碳14就只能按照其固有的半衰期5730年的衰變速率逐漸減少。

因此，埋藏地下深層的樣品，只要測定其碳14與碳12的含量比例，按14C的放射性衰變公式進行計算，校訂之後便可推出待測物品的存在年代。

比如說，如果我們發現，樣品中碳14的含量是正常水平的一半，那麼樣品的年代就是5730年，如果只有四分之一，就是11460年了。

這樣考古學家就可以拿到一個表，碳14有多少，就大致對應著是多少年前。

利比1947年創立了碳14測年法後，在1950年後這一方法被廣泛應用於考古學的年代測定，解決了不少遺址的年代測定問題，被當時的西方史學界稱為「斷代史上的一次革命」。

但是，到了六十年代，碳14測年法的不準確性也被大夥所了解。

大家發現事情沒有這麼簡單。

這是因為大氣中碳14的含量不可能是一成不變的。

太陽黑子爆炸、火山噴發等自然現象，也會造成碳14含量的波動，所以由碳14測定出的年代，還要進行修訂。

這就要感謝千年古樹。

由於樹木的年輪每年增加一圈，數出多少個年輪，就可知樹齡有多少年。

而通過從這棵大樹的不同年輪取樣作碳14測年，所得的年代與樹輪的實際年代還是有差別的。

因此，各國的科學家們在準確測定樹木年輪的年代之後，將碳14年代與精細的樹輪年代進行比較，從中找到誤差的規律，再用樹輪對碳14年代作了精確校正。

不過即便經過樹輪曲線校正，碳14測年方法大概還有正負四十年的誤差存在。

在數千年的歷史尺度上，四十年的誤差已經完全可以接受了。

這讓人類對於自己的歷史，有了一個明確的標尺。

因此碳14測年法，也被譽為化學獎歷史上對人類貢獻最傑出的10個獎之一。

Willard F. Libby是土生土長的美國人，1908年生於科羅拉多州的Grand Valley市。

在加州完成初等教育後，1927年進入加州大學伯克利分校。

1933年獲得博士學位後留校任教。

二戰結束後的1945年，他獲得了芝加哥大學的教授職位，並於1954被艾森豪總統提名為美國原子能委員會成員。

他的研究領域集中在原子核研究，尤其是核化學，示蹤技術，對於碳14和氚的應用，在他享譽全球。

碳14測年的對象，一般為古代的生物遺蹟，比如木炭、泥炭、木材、貝殼、骨骼、紙張、皮革、衣服以及某些沉積碳酸鹽等。

碳14測年解決的最著名的公案，就是保存在都靈的耶穌的裹屍布。

20世紀80年代末，科學家從裹屍布上剪掉了一角，用碳14測年方法發現，這塊人們膜拜多年的裹屍布的原料纖維，是十三世紀才種出來的，而此時耶穌已被釘在十字架上1200多年了。

在中國的夏商周斷代研究中，一個關鍵的突破點就是發現了一塊夏代的木頭井欄，通過這塊木頭的不同年輪，考古學家可以多次測量其年代，更增加了測年的準確性。

已故著名考古學家夏鼐先生對碳14測年給了極高的評價：「由於碳14測定年代法的採用，使不同地區的各種新石器文化有了時間關係的框架，使中國的新石器考古學因為有了確切的年代序列而進入了一個新時期。

」

50年代末，在夏鼐先生的首倡之下，原在中科院高能物理研究所工作的仇士華和蔡蓮珍夫婦調入考古所，開始從事碳十四實驗室的建立工作。

他們一直到現在還是國內用碳十四測年法進行考古斷代的權威。

中國的第一篇關於夏代「二里頭遺址」年代斷代的論文，就是由仇士華、蔡蓮珍二位先生髮表在1983年10月的《考古》雜誌上的《有關所謂「夏文化」的14C年代測定的初步報告》。

由於缺乏更長時間尺度上的樹木年輪參照，大氣中碳14含量變化所帶來的不確定性在越長的時間尺度上，誤差就越大。

而且現在隨著現代工業的高速發展和大量化石燃料的應用，古代深藏地下的碳-14被排放到大氣中並進入生物循環，放射性碳定年法的結果因此也十分容易受到干擾。

一個需要強調的一點，就是碳14測定的樣品必須是有機物。

看到一篇學者反駁倪方六先生的博文，就是因為後者提到，洛陽幾個農民，曾經將北魏時期的墓磚磨碎，然後製成要仿文物形狀，燒制出了一批「北魏陶俑」、「墓誌」什麼的「出土文物」。

經文物販子轉手，賣給了中國歷史博物館（國家博物館前身）。

當時，歷史館的專家雖然從肉眼上看這批文物是真的，但還是不放心，於是對其進行碳14測年，發現這批在年代上與北魏完全吻合。

這樣他們就放心了。

對此這位學者就指出，墓磚中又沒有有機物，不可能進行碳14斷代。

但是，實際上古代的磚瓦中，無非是用古代的泥土燒制而成，泥土中的有機物雖然稀少，但也不是絕對沒有，即便是陶瓷、青銅器，也往往存在菸灰、油脂的殘留，都可以當作碳14斷代的樣品。

碳14測年法最大的局限，就是只能準確測出5、6萬年以內的出土文物；對於年代更久遠的出土文物，如生活在五十萬年以前的周口店北京猿人，實際上利用碳十四測年法是無法測定出來的。

不過我們看到一道中考題，是說：我國考古學家利用「碳14斷代法」測定出一種遠古人類，距今約50萬年左右的時間，並在其生活的洞穴里發現有厚達6米的灰燼，請你判斷下列說法屬於這種遠古人類的是：

A．已經會人工取火

B．過著群居生活

C．種植粟

D．會製造陶器

我的第一感覺答案肯定是A，但是標準答案是B，也不知道為什麼，是不是灰燼並不代表火是人工取的，也可能是野外采的，那麼灰燼跟群居又有什麼關係呢？

當然這還不是這道題目的最大問題。

實際上我們剛才已經知道，碳14斷代是無法測定50萬年左右的猿人的，這道題目本身就是錯的。

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作者為財新記者，本文為個人觀點。