本文经授权转载自赛先生微信公众号


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: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。


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。

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

5. 再次强调,读者不必关心这儿所涉及的详细的核物理过程。基本上,进入的中子敲除一个质子,从而将转变为,它包含6个质子和8个中子。

6. 对于这里的讨论,我们可以忽略

7. radioactive carbon的缩写。

8. 我当然简化了故事。为了将放射性碳年代测定开发成有用的技术,势必要做各种细节的工作。例如,由于地球的变化磁场影响了宇宙射线的流入,原子核的比率不是完全恒定的。各种变化皆必须被考虑进去。古代样品受到现代碳污染是另一个必须解决的问题。


编辑:Lixy


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作者:佚名
来源:中科院物理所