Định tuổi bằng carbon phóng xạ dựa trên một điều đơn giản: mọi sinh vật khi còn sống đều hấp thụ một chút carbon mười bốn, và khi chết đi thì lượng ấy giảm dần với tốc độ đều, cứ khoảng năm nghìn bảy trăm năm lại còn một nửa. Đo xem trong mẩu than hay mảnh xương còn lại bao nhiêu, người ta tính ngược ra nó đã chết cách đây bao lâu. Phương pháp chỉ dùng cho thứ từng sống, và chỉ với thời gian chừng vài chục nghìn năm trở lại.
Chào bạn, đây là Nhà Sử Học. Tập trước mình kể nhà khảo cổ đọc lớp đất để biết cái gì cũ hơn cái gì. Nhưng biết cũ hơn thì chưa đủ, ai cũng muốn hỏi thêm một câu: cũ hơn là bao nhiêu năm. Hôm nay mình nói về cái đồng hồ nằm sẵn trong từng mẩu than, và cả những lúc cái đồng hồ ấy chạy lệch.
Carbon mười bốn đến từ đâu và vì sao nó như một chiếc đồng hồ?
Trên tầng cao của khí quyển, tia vũ trụ va vào không khí và liên tục tạo ra một lượng nhỏ carbon mười bốn. Loại carbon này hoà vào khí cacbonic, cây hút vào khi quang hợp, con vật ăn cây, con người ăn cả hai. Thế nên lúc còn sống, cơ thể nào cũng mang một tỉ lệ carbon mười bốn gần giống với không khí xung quanh.
Carbon mười bốn là loại không bền, nó tự phân rã thành nitơ. Khi sinh vật còn sống, phần phân rã mất được bù lại qua ăn uống và hít thở. Khi chết, việc bù dừng lại, còn việc phân rã vẫn cứ tiếp tục.
Tốc độ phân rã ấy gần như không đổi dù nóng, lạnh, ẩm hay khô. Người ta gọi khoảng thời gian để còn lại một nửa là chu kỳ bán rã, với carbon mười bốn thì vào khoảng năm nghìn bảy trăm năm.
Hình dung thế này: một mẩu than còn một nửa lượng carbon mười bốn so với lúc cây còn sống thì cây ấy chết cách đây khoảng năm nghìn bảy trăm năm. Còn một phần tư thì gấp đôi quãng ấy. Cứ thế mà suy ra.
Mẫu nào định tuổi được, mẫu nào không?
Câu trả lời ngắn là chỉ thứ gì từng sống. Than củi từ bếp lửa, gỗ cột nhà, hạt thóc cháy, vỏ sò, xương, sợi vải, giấy. Những thứ ấy đều mang carbon lấy từ khí quyển khi còn sống.
Còn đồ đá, đồ đồng, gốm thì không định tuổi trực tiếp bằng cách này được. Một chiếc rìu đá không có đồng hồ carbon nào bên trong. Người ta phải định tuổi gián tiếp: lấy mẩu than nằm cùng lớp với chiếc rìu, hoặc những hạt thóc cháy dính trên mảnh gốm.
Chỗ này có một cái bẫy người trong nghề rất sợ, gọi vui là bẫy gỗ già. Giả sử người xưa dựng nhà bằng một cây gỗ lim đã sống vài trăm năm, hoặc nhặt lại một thanh gỗ cũ để đun bếp. Định tuổi mẩu than ấy sẽ ra thời điểm thớ gỗ hình thành, chứ không phải lúc người ta đốt nó. Kết quả sẽ cổ hơn thực tế.
Vì thế các nhà khảo cổ thường ưa những mẫu sống ngắn: hạt thóc, hạt đậu, cành nhỏ, vì chúng chết gần như cùng lúc với sự kiện mình muốn biết.
Vì sao con số nào cũng có cộng trừ?
Nếu bạn đọc một báo cáo khảo cổ, con số niên đại carbon luôn đi kèm sai số, kiểu khoảng ba nghìn năm, cộng trừ vài chục năm. Đó không phải người làm thiếu cẩn thận mà là bản chất của phép đo. Phân rã phóng xạ là chuyện xác suất, đo được chừng nào tin chừng ấy.
Khi các kỹ thuật cũ phải đếm từng hạt phân rã, người ta cần cả nắm than. Về sau có máy gia tốc khối phổ, đếm thẳng từng nguyên tử, chỉ cần một mẩu nhỏ bằng hạt gạo.
Còn một nguồn sai số khác đến từ chính hiện trường. Rễ cây mọc xuyên xuống, nước ngầm mang theo carbon mới, mẫu lấy bằng tay không rồi bọc giấy báo.
Cho nên một niên đại đơn lẻ ít khi được tin tuyệt đối. Người làm nghề thích có nhiều mẫu, từ nhiều lớp, và xem chúng có xếp đúng thứ tự trên dưới không. Nếu lớp trên lại cổ hơn lớp dưới, đó là tín hiệu có gì đó bị xáo trộn.
Hiệu chỉnh: khi chiếc đồng hồ chạy không đều
Toàn bộ phương pháp dựa trên giả định rằng lượng carbon mười bốn trong không khí xưa kia cũng giống bây giờ. Thực tế không hẳn vậy. Nó thay đổi theo hoạt động của Mặt Trời, của từ trường Trái Đất, và từ thời công nghiệp thì còn bị khói than đá làm loãng đi.
Để sửa, các nhà khoa học dựng một bảng đối chiếu, gọi là đường cong hiệu chỉnh. Họ đếm vòng gỗ của những thân cây rất già, mỗi vòng là một năm biết chắc, rồi đo carbon trong từng vòng. Từ đó có một cái thước để quy đổi tuổi carbon sang năm dương lịch thật.
Nên bạn có thể gặp hai cách ghi: tuổi carbon chưa hiệu chỉnh và niên đại đã hiệu chỉnh. Hai con số có khi lệch nhau cả vài trăm năm. Đọc bài báo phổ thông mà thấy một con số trơn không nói rõ loại nào, cứ xem đó là con số gần đúng.
Có những quãng đường cong gần như nằm ngang, nghĩa là cả vài trăm năm cho ra cùng một tuổi carbon. Rơi vào quãng ấy thì dù đo kỹ tới đâu cũng chỉ khoanh được một khoảng rộng.
Carbon phóng xạ không làm được gì?
Giới hạn rõ nhất là thời gian. Sau khoảng năm mươi nghìn năm, lượng carbon mười bốn còn lại quá ít để đo tin cậy. Với những gì cổ hơn, như hoá thạch khủng long hay dấu tích người rất sớm, các nhà khoa học dùng những đồng hồ phóng xạ khác, đo trong đá núi lửa chứ không đo carbon.
Ở đầu kia, với những thứ quá gần, như đồ vật chỉ vài trăm năm, carbon cũng hay kém sắc bén vì những quãng đường cong nằm ngang và vì khói công nghiệp. Lúc ấy văn bản, kiểu dáng đồ gốm, tiền xu có niên hiệu lại cho niên đại chính xác hơn nhiều.
Và carbon không trả lời câu hỏi ai, vì sao, như thế nào. Nó cho mình một mốc trên trục thời gian, còn câu chuyện vẫn phải dựng từ lớp đất, hiện vật và so sánh.
Mình thích nghĩ về nó như một người làm chứng rất trung thực nhưng hơi lãng tai: nói đúng, nhưng chỉ trả lời một câu hỏi, và lúc nào cũng kèm câu khoảng chừng như vậy.
Câu hỏi thường gặp
Định tuổi carbon có dùng cho đồ đồng hay đồ gốm được không?
Không dùng trực tiếp, vì đồng và đất nung không chứa carbon từ sinh vật sống. Người ta định tuổi than, hạt, xương nằm cùng lớp đất hoặc chất hữu cơ bám trên hiện vật rồi suy ra.
Vì sao kết quả định tuổi carbon luôn có sai số?
Vì phân rã phóng xạ là hiện tượng ngẫu nhiên, chỉ đo được theo xác suất. Ngoài ra còn sai số do mẫu bẩn và do phải quy đổi qua đường cong hiệu chỉnh.
Hiệu chỉnh niên đại carbon là gì?
Là quy đổi tuổi carbon sang năm dương lịch thật bằng cách so với những mẫu đã biết tuổi, chủ yếu là vòng gỗ cây rất già. Bước này cần thiết vì lượng carbon mười bốn trong không khí không cố định qua các thời kỳ.
Ở Việt Nam có định tuổi carbon được không?
Có, nhiều di chỉ ở nước mình đã có niên đại carbon, một số mẫu được phân tích trong nước, một số gửi ra phòng thí nghiệm nước ngoài. Khi đọc, nên xem mẫu là gì và đã hiệu chỉnh hay chưa.
Bẫy gỗ già trong định tuổi carbon là gì?
Là khi mẫu than lấy từ một thân gỗ đã sống rất lâu hoặc gỗ tái sử dụng, nên kết quả cổ hơn thời điểm người ta dùng nó. Nhà khảo cổ tránh bằng cách ưu tiên mẫu sống ngắn như hạt thóc, cành nhỏ.
