Nhiệt huỳnh quang đo tuổi gốm dựa trên việc các tinh thể nhỏ trong đất sét tích dần năng lượng từ bức xạ tự nhiên. Khi gốm được nung, năng lượng tích luỹ bị xả hết, đồng hồ về không. Mấy nghìn năm sau, đem một ít bột gốm nung lại trong phòng thí nghiệm, lượng ánh sáng nó phát ra cho biết đã bao lâu kể từ lần nung cuối cùng ấy.
Chào bạn, đây là Nhà Khảo Cổ. Gốm là thứ nhiều nhất ở mọi di chỉ, nên một phương pháp đo được tuổi của chính mảnh gốm là món quà lớn cho nghề. Hôm nay mình kể nó hoạt động ra sao, và vì sao nó không đơn giản như nghe.
Tinh thể tích năng lượng như cái chum hứng mưa
Trong đất sét có những hạt khoáng như thạch anh và trường thạch. Đất đá quanh ta luôn phát ra một lượng bức xạ tự nhiên rất nhỏ, từ các nguyên tố như kali, urani, thori, cộng với tia vũ trụ. Bức xạ này làm bật một số điện tử trong tinh thể, và một phần điện tử bị kẹt lại trong các khiếm khuyết của mạng tinh thể.
Hình dung mỗi hạt khoáng là một chiếc chum đặt ngoài sân, mưa bức xạ rơi đều đều, nước cứ thế tích lên. Khi gốm được nung ở nhiệt độ cao, chum bị dốc ngược cho cạn sạch. Từ lúc ra lò, chum lại bắt đầu hứng nước từ đầu.
Trong phòng thí nghiệm, người ta nung một ít bột gốm theo cách được kiểm soát. Những điện tử bị kẹt thoát ra và phát ra một chút ánh sáng, đo được bằng thiết bị rất nhạy. Ánh sáng càng nhiều, chum càng đầy, thời gian từ lần nung trước càng dài.
Đó là lý do tên phương pháp ghép từ nhiệt và huỳnh quang: ánh sáng phát ra khi được làm nóng.
Vì sao phải lấy cả đất quanh mảnh gốm?
Biết chum đầy bao nhiêu chưa đủ, còn phải biết mưa rơi nhanh hay chậm. Tốc độ ấy là liều bức xạ hằng năm mà mảnh gốm nhận được, và nó phụ thuộc rất nhiều vào đất bao quanh nơi mảnh gốm nằm suốt mấy nghìn năm.
Vì thế nhà khảo cổ phải lấy mẫu đất ngay cạnh mảnh gốm, có khi đặt thiết bị đo bức xạ tại chỗ trong hố. Độ ẩm của đất cũng quan trọng, vì nước hấp thụ bớt bức xạ. Một vùng đất ngập nước theo mùa sẽ cho liều khác với gò đất khô.
Chính bước này làm cho phương pháp khó hơn carbon. Một mảnh gốm trong tủ kính bảo tàng, đã rời khỏi đất từ lâu, không còn ai biết nó nằm trong loại đất nào. Định tuổi vẫn làm được nhưng sai số rộng hơn nhiều.
Nên nếu đọc một kết quả nhiệt huỳnh quang, câu hỏi đáng đặt là mẫu được lấy trực tiếp từ hố đào có kèm mẫu đất, hay lấy từ hiện vật đã nằm trong kho.
Phương pháp này mạnh ở đâu, yếu ở đâu?
Điểm mạnh lớn nhất là đo trực tiếp lúc con người nung gốm, đúng sự kiện mình quan tâm. Carbon phóng xạ chỉ đo mẩu than nằm gần đó, và luôn có câu hỏi than ấy có thật cùng thời với gốm không.
Phương pháp còn dùng được cho những thứ khác từng bị nung nóng mạnh: gạch, lò nung, đá trong bếp lửa, đá lửa bị cháy. Ở những di chỉ không có vật liệu hữu cơ cho carbon, đây là lối thoát.
Điểm yếu là sai số thường rộng hơn so với carbon đã hiệu chỉnh, vì có nhiều yếu tố phải ước lượng: liều bức xạ, độ ẩm qua thời gian, đặc tính từng loại khoáng. Gốm nung ở nhiệt độ thấp, chưa đủ để xả sạch năng lượng cũ, cũng có thể cho kết quả già hơn thật.
Vì thế, như mọi phương pháp, nó tốt nhất khi được đặt cạnh địa tầng và các phương pháp khác để kiểm chứng.
Người anh em: định tuổi lớp đất bằng ánh sáng
Từ cùng nguyên lý, các nhà khoa học phát triển một phương pháp cho cát và đất, gọi là phát quang kích thích quang học. Ở đây, thứ làm chum cạn không phải lửa mà là ánh nắng: hạt cát khi lộ ra ngoài trời một thời gian thì năng lượng tích luỹ bị ánh sáng xả hết.
Khi hạt cát bị chôn vùi, đồng hồ bắt đầu chạy. Đo lại trong phòng tối, người ta biết lớp cát ấy bị vùi từ bao giờ. Cách này rất hữu ích cho các cồn cát ven biển, bãi bồi ven sông, lớp đất trong hang không có than.
Việc lấy mẫu cho phương pháp này có một yêu cầu buồn cười mà nghiêm túc: không được để mẫu thấy ánh sáng. Người ta đóng ống kim loại hoặc ống nhựa sẫm màu vào vách đất, bịt kín hai đầu, rồi mới rút ra.
Những chi tiết nhỏ như thế cho thấy nhà khảo cổ hiện đại phải hiểu cả vật lý ở mức người dùng, để không làm hỏng mẫu ngay từ hố đào.
Nhiệt huỳnh quang và chuyện thật giả của gốm cổ
Phương pháp này còn được dùng ngoài khảo cổ để kiểm tra một món gốm được cho là cổ có thật sự đã nung từ lâu hay không. Nếu món đồ phát ra rất ít ánh sáng, nó gần như chắc chắn mới nung.
Nhưng kết quả này có giới hạn. Nó chỉ cho biết lần nung cuối, không nói ai làm, làm ở đâu. Có trường hợp người ta ghép mảnh gốm cổ thật vào một món đồ mới, hoặc tìm cách can thiệp để đánh lừa phép đo. Một kết quả cũ không tự động biến món đồ thành hiện vật có giá trị khoa học.
Với nhà khảo cổ, món đồ nằm ngoài bối cảnh thì dù thật, phần lớn câu chuyện đã mất. Đó là lý do người trong nghề ít hào hứng với chuyện đồ cổ thật giả hơn công chúng tưởng.
Có lẽ bài học rộng hơn là: một phép đo khoa học trả lời đúng câu hỏi nó được thiết kế để trả lời, không hơn. Bạn đã bao giờ thấy một con số đúng được dùng để kết luận một điều sai chưa?
Câu hỏi thường gặp
Nhiệt huỳnh quang đo được gốm cổ tới bao nhiêu năm?
Phương pháp áp dụng tốt cho gốm từ vài trăm tới vài chục nghìn năm, tuỳ loại khoáng và điều kiện bức xạ. Gốm ở Việt Nam thường nằm gọn trong khoảng này.
Định tuổi nhiệt huỳnh quang có làm hỏng hiện vật không?
Cần lấy một lượng bột nhỏ hoặc khoan một lỗ nhỏ ở chỗ kín, nên có tác động nhỏ tới hiện vật. Với mảnh vỡ từ hố đào thì việc này không đáng kể.
Gạch xây đình chùa có định tuổi được bằng cách này không?
Về nguyên tắc là được, vì gạch đã qua nung. Nhưng gạch cũ hay được tái sử dụng khi sửa chữa công trình, nên tuổi của viên gạch chưa chắc là tuổi của bức tường.
Vì sao độ ẩm của đất ảnh hưởng tới kết quả?
Nước trong đất hấp thụ một phần bức xạ, làm giảm liều mà mảnh gốm nhận mỗi năm. Nếu ước lượng độ ẩm sai, tuổi tính ra cũng lệch theo.
Nhiệt huỳnh quang có thay được carbon phóng xạ không?
Không thay, mà bổ sung. Mỗi phương pháp đo một sự kiện khác nhau và có sai số khác nhau, nên dùng cả hai cho cùng một lớp đất giúp kiểm tra chéo kết quả.
