Kết quả định tuổi bằng carbon phóng xạ phải hiệu chỉnh vì lượng carbon phóng xạ trong không khí không giữ cố định qua hàng nghìn năm, nên tuổi tính theo công thức đơn giản sẽ lệch so với năm thật. Người ta đối chiếu kết quả với một đường hiệu chỉnh dựng từ vòng cây và các nguồn có tuổi đã biết. Ngoài ra, mẫu từ biển, mẫu gỗ già hay mẫu nhiễm bẩn cũng làm kết quả sai nếu không được xử lý cẩn thận.
Chào bạn, đây là Nhà Khảo Cổ. Nguyên lý cơ bản của carbon phóng xạ thì nhiều người đã nghe, nên hôm nay mình đi vào phần mà người trong nghề hay đau đầu: những chỗ nó có thể đánh lừa mình.
Nhắc lại nhanh: đồng hồ carbon chạy thế nào?
Mọi sinh vật khi còn sống đều hấp thụ carbon từ môi trường, trong đó có một phần rất nhỏ là carbon mười bốn, loại phóng xạ. Khi sinh vật chết, nó ngừng nhận carbon mới, và lượng carbon mười bốn bên trong giảm dần. Cứ khoảng năm nghìn bảy trăm năm thì lượng ấy còn một nửa.
Đo xem trong mẫu còn bao nhiêu carbon mười bốn, so với lượng ban đầu, là biết sinh vật chết cách đây bao lâu. Nhà hoá học Mỹ Willard Libby phát triển phương pháp này vào cuối những năm bốn mươi của thế kỷ hai mươi, và nhận giải Nobel hoá học nhờ nó.
Phương pháp chỉ dùng cho vật từng sống: than, gỗ, xương, vỏ sò, hạt, sợi vải. Nó không dùng cho đá hay đồ kim loại. Và nó có giới hạn: sau khoảng năm mươi nghìn năm, lượng còn lại quá ít để đo tin cậy.
Đến đây thì mọi thứ có vẻ gọn. Rắc rối nằm ở chữ lượng ban đầu.
Vì sao lượng carbon trong không khí không cố định?
Libby ban đầu giả định rằng tỉ lệ carbon mười bốn trong khí quyển luôn như nhau qua mọi thời đại. Về sau người ta nhận ra không phải vậy. Carbon mười bốn được tạo ra ở tầng cao khí quyển nhờ tia vũ trụ, mà cường độ tia vũ trụ lọt tới Trái Đất thay đổi theo hoạt động của Mặt Trời và từ trường Trái Đất.
Thêm vào đó là trao đổi carbon giữa không khí và đại dương thay đổi theo khí hậu. Gần đây hơn, việc đốt than đá dầu mỏ thải ra carbon cũ không còn phóng xạ, còn các vụ thử bom hạt nhân giữa thế kỷ hai mươi lại làm vọt lượng carbon mười bốn lên.
Hệ quả là tuổi tính theo công thức thô, gọi là tuổi carbon, không trùng với năm lịch. Có những giai đoạn lệch ít, có giai đoạn lệch vài trăm năm, càng xa càng lệch nhiều.
Một chi tiết vui: để thống nhất, giới định tuổi quy ước đếm ngược từ năm một nghìn chín trăm năm mươi. Khi bạn thấy chữ trước hiện tại trong một bài báo khoa học, hiện tại ấy là năm một nghìn chín trăm năm mươi chứ không phải hôm nay.
Đường hiệu chỉnh được dựng từ đâu?
Giải pháp là tìm những vật mà mình biết chắc năm, rồi đo tuổi carbon của chúng. Vòng cây là nguồn quý nhất: mỗi vòng ứng với một năm, nên đo carbon ở từng nhóm vòng sẽ cho biết vào năm ấy không khí có bao nhiêu carbon mười bốn.
Nối các phép đo lại, người ta có một đường cong cho biết mỗi tuổi carbon ứng với năm lịch nào. Với thời gian xa hơn chuỗi vòng cây, các nhóm nghiên cứu quốc tế dùng thêm trầm tích đáy hồ phân lớp theo năm, thạch nhũ trong hang, san hô.
Đường cong không phẳng mà có những đoạn gần như nằm ngang. Ở những đoạn đó, nhiều năm lịch khác nhau cho cùng một tuổi carbon, nên kết quả sau hiệu chỉnh có khi rộng ra cả vài trăm năm. Người làm nghề gọi vui là gặp cao nguyên.
Đường hiệu chỉnh cũng được cập nhật theo thời gian khi có thêm dữ liệu. Vì thế một bài viết cũ và một bài viết mới về cùng một di chỉ có thể nêu niên đại hơi khác nhau, không phải vì ai sai mà vì thước đo đã được mài lại.
Những mẫu dễ đánh lừa người đo
Vỏ sò, vỏ ốc biển là một cái bẫy kinh điển. Nước biển chứa nhiều carbon cũ hoà tan từ lâu, nên sinh vật biển ngay khi còn sống đã trông già hơn sinh vật trên cạn vài trăm năm. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nguồn chứa, và mức lệch khác nhau tuỳ vùng biển. Ở các cồn sò điệp ven biển, người ta phải tính tới điều này.
Ốc nước ngọt sống ở vùng đá vôi cũng có thể bị lệch vì nước hoà tan đá vôi rất cũ. Vùng núi đá vôi phía Bắc nước mình có rất nhiều hang với lớp vỏ ốc dày, nên đây không phải chuyện lý thuyết.
Gỗ già là cái bẫy thứ hai. Một cây lim sống vài trăm năm, phần lõi đã chết từ lâu khi người ta chặt cây. Than từ lõi cây ấy cho tuổi già hơn lúc người xưa đốt bếp. Người làm nghề vì thế thích đo hạt, vỏ trấu, cành nhỏ, những thứ chỉ sống một mùa.
Cái bẫy thứ ba là nhiễm bẩn: rễ cây non len vào xương, nước ngầm mang carbon lạ, tay người chạm vào mẫu. Phòng thí nghiệm có quy trình làm sạch, nhưng người lấy mẫu ở hiện trường cũng phải cẩn thận ngay từ đầu.
Lấy mẫu ở hố đào sao cho đáng tiền?
Mỗi mẫu gửi đi tốn tiền và công, nên chọn mẫu là cả một nghệ thuật. Nguyên tắc đầu tiên là mẫu phải gắn chắc với điều mình muốn định tuổi. Muốn biết lúc người ta dùng bếp thì lấy than nằm ngay trong lòng bếp, không lấy than lẫn trong đất lấp phía trên.
Nguyên tắc thứ hai là ưu tiên vật sống ngắn ngày và nằm nguyên tại chỗ. Một hạt thóc cháy dính trong đáy nồi đáng tin hơn một mẩu than rời giữa lớp đất tơi.
Nguyên tắc thứ ba là không dựa vào một con số. Lấy nhiều mẫu ở nhiều lớp, để các kết quả tự kiểm tra lẫn nhau theo thứ tự địa tầng. Một con số lạc lõng giữa chuỗi số khớp nhau thường là mẫu có vấn đề.
Mẫu được dùng nhíp sạch hoặc bay sạch gắp vào túi hoặc giấy bạc, ghi phiếu, tránh chạm tay, tránh để gần thuốc lá, dầu mỡ. Những thao tác nhỏ ấy quyết định con số cuối cùng có đáng tin hay không. Bạn có thấy lạ không, khi một mẩu than bằng hạt đậu có thể nặng gánh cả một chương sách sử?
Câu hỏi thường gặp
Định tuổi carbon cần mẫu lớn cỡ nào?
Với kỹ thuật đếm trực tiếp nguyên tử bằng máy gia tốc, chỉ cần một lượng rất nhỏ, có khi cỡ vài miligam carbon. Phương pháp cũ đếm phóng xạ thì cần mẫu lớn hơn nhiều.
Tuổi carbon và tuổi đã hiệu chỉnh khác nhau thế nào?
Tuổi carbon là con số tính thẳng từ lượng carbon còn lại theo quy ước chuẩn. Tuổi đã hiệu chỉnh là khoảng năm lịch tương ứng sau khi đối chiếu với đường hiệu chỉnh, và đây mới là con số nên dùng khi nói chuyện lịch sử.
Có định tuổi được đồ gốm bằng carbon không?
Bản thân đất sét nung không phù hợp, nhưng có thể định tuổi carbon cho muội than, thức ăn cháy bám trên gốm hoặc vỏ trấu trộn trong đất làm gốm. Với chính gốm, người ta thường dùng phương pháp nhiệt huỳnh quang.
Vì sao xương cổ đôi khi không định tuổi được?
Định tuổi xương dựa vào chất keo trong xương. Ở vùng nóng ẩm như Việt Nam, chất này dễ phân huỷ, nên nhiều mẫu xương cổ không còn đủ để đo tin cậy.
Các vụ thử bom hạt nhân ảnh hưởng gì tới định tuổi?
Chúng làm lượng carbon mười bốn trong khí quyển tăng mạnh giữa thế kỷ hai mươi. Điều này gây khó cho mẫu rất gần đây, nhưng lại giúp các ngành khác như pháp y xác định thời điểm của mẫu sinh học hiện đại.
