Các nhà khảo cổ xác định tuổi bằng hai nhóm phương pháp: định tuổi tương đối (cái gì trước, cái gì sau, dựa trên địa tầng và kiểu dáng hiện vật) và định tuổi tuyệt đối (ra một khoảng năm cụ thể, dựa trên quá trình vật lý hay sinh học có nhịp đều). Phương pháp tuyệt đối nổi tiếng nhất là carbon-14, dùng cho vật liệu từng là sinh vật sống trong khoảng 50.000 năm trở lại.
Không phương pháp nào cho ra một con số tuyệt đối chính xác; kết quả luôn là một khoảng với xác suất đi kèm. Mỗi phương pháp chỉ áp dụng cho một số loại vật liệu, một khoảng thời gian, và có những cái bẫy riêng. Bài này giải thích nguyên lý các phương pháp chính, vì sao carbon-14 phải hiệu chỉnh, cách đọc một kết quả định tuổi, và những trường hợp kết quả từng bị hiểu sai.
Định tuổi tương đối: nền móng trước khi có phòng thí nghiệm
Trước giữa thế kỷ 20, gần như mọi niên đại khảo cổ là tương đối. Nguyên lý địa tầng cho biết lớp nào cổ hơn. Phép sắp xếp theo kiểu dáng — gọi là loại hình học và sắp chuỗi — dựa trên quan sát rằng đồ vật thay đổi kiểu dáng dần theo thời gian: một kiểu gốm xuất hiện, phổ biến, rồi lụi dần. Nhà Ai Cập học Flinders Petrie cuối thế kỷ 19 đã dùng cách này để sắp xếp hàng trăm ngôi mộ tiền vương triều theo trình tự, khi chưa hề có phương pháp đo tuổi tuyệt đối.
Nối các trình tự tương đối với lịch sử thành văn cho ra những niên đại chắc chắn hơn. Ví dụ, danh sách vua và ghi chép thiên văn của Ai Cập, Lưỡng Hà cho phép gán năm cho các lớp văn hoá có chứa hiện vật mang tên vua. Ở Việt Nam, đồng tiền có niên hiệu hay đồ gốm có kiểu dáng đặc trưng một triều đại thường được dùng để định niên đại các lớp kiến trúc.
Định tuổi tương đối vẫn không thể thiếu ngay cả hôm nay. Một kết quả carbon-14 chỉ có ý nghĩa khi biết mẫu nằm ở lớp nào và lớp đó có quan hệ thế nào với các lớp khác.
Carbon-14 hoạt động thế nào
Carbon-14 là đồng vị phóng xạ của carbon, được tạo liên tục ở thượng tầng khí quyển khi tia vũ trụ va chạm với nitơ. Nó hoà vào khí carbon dioxide, đi vào cây cối qua quang hợp và vào động vật qua chuỗi thức ăn. Khi còn sống, sinh vật trao đổi carbon liên tục nên tỷ lệ carbon-14 trong cơ thể gần bằng khí quyển. Khi chết, việc trao đổi dừng lại, carbon-14 phân rã dần với chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm: sau chừng ấy năm còn một nửa, sau gấp đôi còn một phần tư.
Phương pháp do nhà hoá học Willard Libby và cộng sự phát triển cuối thập niên 1940; Libby nhận giải Nobel Hoá học năm 1960. Ban đầu người ta đếm số phân rã phóng xạ trong mẫu, cần lượng mẫu khá lớn. Từ cuối thập niên 1970, kỹ thuật khối phổ gia tốc (AMS) đếm trực tiếp nguyên tử carbon-14, chỉ cần vài miligam vật liệu — đủ để định tuổi một hạt thóc hay một sợi chỉ.
Sau khoảng 50.000 năm, lượng carbon-14 còn lại quá nhỏ để đo đáng tin, nên đây là giới hạn trên của phương pháp. Carbon-14 cũng chỉ dùng được cho vật liệu từng sống — gỗ, than, xương, vỏ sò, hạt, vải, da — không dùng trực tiếp cho đá hay kim loại.
Vì sao phải hiệu chỉnh và cách đọc một kết quả
Giả định ban đầu của Libby là lượng carbon-14 trong khí quyển luôn không đổi. Thực tế không phải vậy: nó dao động theo hoạt động của Mặt Trời, từ trường Trái Đất, và gần đây bị con người làm thay đổi — việc đốt nhiên liệu hoá thạch pha loãng carbon-14, còn các vụ thử bom hạt nhân giữa thế kỷ 20 lại làm nó tăng vọt. Vì vậy "tuổi carbon-14" thô phải được chuyển thành tuổi lịch bằng đường cong hiệu chỉnh, xây dựng từ những mẫu đã biết tuổi chính xác như vòng cây, trầm tích có lớp năm, thạch nhũ. Bộ đường cong quốc tế được cập nhật định kỳ; bản phổ biến hiện nay là IntCal20 công bố năm 2020.
Một kết quả trong báo cáo thường có dạng như "3.200 ± 30 BP" — ở đây BP nghĩa là "trước năm 1950", mốc quy ước — và sau hiệu chỉnh trở thành một hoặc vài khoảng năm lịch với xác suất 68% hoặc 95%. Vì đường cong hiệu chỉnh có những đoạn gần như nằm ngang, có trường hợp một tuổi carbon-14 ứng với khoảng năm lịch rộng hàng trăm năm.
Ngoài ra còn những hiệu ứng làm lệch kết quả. Sinh vật biển hấp thụ carbon "cũ" từ nước sâu nên trông già hơn thật, gọi là hiệu ứng nguồn chứa. Than từ lõi một cây gỗ lớn có thể già hơn thời điểm đốt cả trăm năm. Mẫu nhiễm carbon hiện đại, chẳng hạn rễ cây hay keo bảo quản, sẽ cho tuổi trẻ hơn. Nhà khảo cổ giỏi chọn mẫu có thời gian sống ngắn như hạt, cành nhỏ, và lấy nhiều mẫu để đối chiếu.
Các phương pháp định tuổi tuyệt đối thường dùng
Không có phương pháp "tốt nhất"; mỗi cái phù hợp với một loại vật liệu và khoảng thời gian.
| Phương pháp | Vật liệu | Phạm vi thời gian | Đo cái gì |
|---|---|---|---|
| Carbon-14 | Vật liệu hữu cơ: gỗ, than, xương, hạt, vải | Tới khoảng 50.000 năm | Thời điểm sinh vật chết |
| Niên đại học vòng cây | Gỗ còn đủ vòng, ở vùng có chuỗi chuẩn | Ở châu Âu có chuỗi hơn một vạn năm | Năm hình thành từng vòng gỗ, có thể chính xác tới năm |
| Kali–argon, argon–argon | Đá núi lửa | Từ hàng nghìn tới hàng tỷ năm | Thời điểm đá nguội đi; dùng cho lớp tro núi lửa kẹp hoá thạch người cổ |
| Uranium–thorium | Canxit, thạch nhũ, san hô | Tới khoảng 500.000 năm | Thời điểm lớp khoáng kết tủa |
| Nhiệt phát quang (TL) | Gốm, đá bị nung | Hàng trăm tới hàng trăm nghìn năm | Lần cuối vật liệu bị nung nóng |
| Quang phát quang (OSL) | Hạt thạch anh, felspat trong trầm tích | Hàng trăm tới vài trăm nghìn năm | Lần cuối hạt cát tiếp xúc ánh sáng trước khi bị vùi |
| Cộng hưởng spin điện tử (ESR) | Men răng, vỏ sò | Hàng nghìn tới hơn một triệu năm | Bức xạ tích luỹ từ khi vật liệu hình thành |
Các nghiên cứu nghiêm túc thường kết hợp nhiều phương pháp. Khi các phương pháp độc lập cho kết quả khớp nhau, độ tin cậy tăng lên đáng kể; khi chúng lệch nhau, đó là tín hiệu cần xem lại mẫu hoặc giả định.
Xa hơn 50.000 năm: kali–argon và uranium–thorium
Với những gì cổ hơn giới hạn của carbon-14, như các hoá thạch người cổ ở Đông Phi, nhà nghiên cứu không định tuổi chính bộ xương mà định tuổi các lớp tro núi lửa kẹp trên và dưới nó. Kali-40 trong đá núi lửa phân rã chậm thành argon-40; khi dung nham hay tro nguội đi, argon cũ thoát hết, "đồng hồ" được đặt về không. Đầu thập niên 1960, phương pháp kali–argon cho các lớp ở hẻm Olduvai, Tanzania, tuổi khoảng 1,75 triệu năm — con số gây sửng sốt lúc đó vì kéo dài lịch sử loài người hơn nhiều so với hình dung trước. Kỹ thuật argon–argon về sau cho phép đo trên từng tinh thể nhỏ với độ chính xác cao hơn.
Uranium–thorium dựa trên việc nước ngấm qua đá vôi mang theo uranium hoà tan nhưng gần như không mang thorium. Khi lớp canxit kết tủa thành thạch nhũ hay lớp vỏ trên vách hang, uranium trong đó phân rã dần thành thorium-230; đo tỷ lệ hai chất cho biết lớp canxit hình thành bao lâu. Điểm yếu là nếu nước về sau rửa trôi bớt uranium, tỷ lệ bị lệch và lớp đá trông già hơn thật.
Một ví dụ về việc niên đại được sửa: các bộ xương của loài người nhỏ Homo floresiensis ở hang Liang Bua, Indonesia, ban đầu được công bố có tuổi trẻ tới khoảng 18.000 năm. Nghiên cứu lại địa tầng và định tuổi bằng nhiều phương pháp, công bố năm 2016, cho thấy lớp chứa xương cổ hơn nhiều, khoảng 100.000 tới 60.000 năm. Sai lệch ban đầu đến từ việc hiểu sai quan hệ giữa các lớp trầm tích, không phải từ lỗi của máy đo.
Niên đại học vòng cây: phương pháp chính xác tới từng năm
Mỗi năm, cây ở vùng có mùa rõ rệt tạo một vòng gỗ; năm thuận lợi vòng dày, năm khô hạn hay lạnh vòng mỏng. Các cây cùng vùng có chung "dấu vân tay" của khí hậu. Bằng cách nối các mẫu gỗ chồng lấp thời gian — cây sống, gỗ trong nhà cổ, gỗ chôn trong đầm lầy — các nhà nghiên cứu dựng được những chuỗi liên tục dài hàng nghìn năm. Phương pháp này được nhà thiên văn A. E. Douglass phát triển ở Mỹ đầu thế kỷ 20.
Khi một thanh gỗ còn nguyên lớp vỏ ngoài cùng, có thể biết cây bị đốn vào năm nào, thậm chí mùa nào. Nhờ vậy, niên đại học vòng cây đã xác định năm xây dựng của nhiều nhà thờ, cầu cảng, nhà ở Bắc Âu và tây nam Hoa Kỳ. Nó cũng chính là nguồn chính để hiệu chỉnh carbon-14.
Giới hạn là phương pháp cần chuỗi chuẩn của từng vùng và loại cây; ở vùng nhiệt đới, nhiều loài cây không tạo vòng năm rõ, nên ứng dụng ở Việt Nam còn hạn chế so với châu Âu. Gỗ cũng có thể được tái sử dụng: một thanh xà cổ trong ngôi nhà mới sẽ cho niên đại của cây, không phải của ngôi nhà.
Những lần kết quả định tuổi bị hiểu sai
Các ví dụ dưới đây là kiểu sai lầm thường gặp, không phải lỗi của phương pháp mà là của cách dùng và cách đọc.
- Đọc tuổi chưa hiệu chỉnh như năm lịch. Nhiều tài liệu cũ ghi niên đại carbon-14 thô; với các mẫu vài nghìn năm tuổi, độ chênh có thể tới vài trăm năm.
- Định tuổi vật liệu không gắn với sự kiện cần biết. Định tuổi than trong một lớp đất không cho biết tuổi của hiện vật nằm cạnh nếu than bị nước cuốn tới từ nơi khác.
- Bỏ qua tuổi tối thiểu, tối đa. Định tuổi lớp canxit phủ lên một hình vẽ chỉ cho tuổi tối thiểu của hình vẽ — điều sẽ quan trọng trong tranh luận về nghệ thuật hang động.
- Dựa vào một mẫu duy nhất. Một kết quả lệch có thể do nhiễm bẩn; các di chỉ quan trọng cần chuỗi nhiều mẫu, phân tích bằng mô hình thống kê.
- Đưa tin "chính xác tới năm". Ngoại trừ vòng cây và văn bản, khảo cổ học hiếm khi có niên đại chính xác tới năm; tin tức nêu một năm duy nhất thường đã làm tròn hoặc hiểu sai.
Câu hỏi thường gặp
Carbon-14 có dùng để định tuổi khủng long được không?
Không. Khủng long sống cách đây hàng chục triệu năm, vượt rất xa giới hạn khoảng 50.000 năm của carbon-14. Tuổi hoá thạch khủng long được xác định chủ yếu bằng định tuổi phóng xạ các lớp đá núi lửa kẹp trên và dưới lớp chứa hoá thạch.
Có định tuổi được đồ kim loại như trống đồng không?
Kim loại không chứa carbon từ sinh vật nên không định tuổi trực tiếp bằng carbon-14. Người ta định tuổi than, gỗ hoặc vật liệu hữu cơ trong cùng lớp đất, lõi khuôn đúc nếu còn, hoặc dựa vào kiểu dáng và hoa văn so với các hiện vật đã biết niên đại.
Vì sao kết quả định tuổi luôn có dấu cộng trừ?
Vì phân rã phóng xạ là quá trình ngẫu nhiên, việc đo đếm luôn có sai số thống kê, cộng thêm sai số của thiết bị và của đường cong hiệu chỉnh. Dấu cộng trừ biểu thị độ bất định đó; con số giữa không phải "tuổi đúng" mà chỉ là điểm giữa của một khoảng.
Định tuổi có làm hỏng hiện vật không?
Phần lớn phương pháp cần lấy một lượng mẫu nhỏ, nên có tác động phá huỷ ở mức tối thiểu. Kỹ thuật khối phổ gia tốc giúp giảm lượng mẫu xuống còn vài miligam. Với hiện vật quý, người ta ưu tiên định tuổi vật liệu đi kèm thay vì chính hiện vật.
Phương pháp nào dùng cho đồ gốm?
Đồ gốm thường được định tuổi bằng nhiệt phát quang, đo lần cuối gốm bị nung, hoặc bằng carbon-14 trên muội, thức ăn cháy bám trong nồi. Kiểu dáng và hoa văn so với các bộ sưu tập chuẩn vẫn là cách định tuổi tương đối phổ biến nhất.
Thử bom hạt nhân ảnh hưởng gì tới định tuổi?
Các vụ thử hạt nhân trong khí quyển giữa thế kỷ 20 làm lượng carbon-14 tăng gần gấp đôi rồi giảm dần. Điều này gây khó cho định tuổi mẫu rất gần đây, nhưng lại tạo ra một "dấu mốc" được dùng để xác định năm sinh của mô người hay tuổi gỗ hiện đại trong pháp y.