Ancient Bristlecone Pine Forest (5)

[1. Introduction] [2. Visitors Guide] [3. Great Basin Bristlecone Pine] [4. Edmund Schulman] [5. Radiocarbon Dating] [6. Conclusion]

5. Radiocarbon Dating

Figure 5.1: 利用碳-14半衰期發展出radiocarbon dating的UCLA教授Willard Libby，他也因此在1960年獲得了諾貝爾化學獎 (from Wiki)。


Figure 5.2: Charles Wesley Ferguson算是Edmund Schulman的接班人，除了繼續Schulman未完成的工作，他在radiocarbon dating的calibration上有重大貢獻。他的middle name似乎比first name有名，常常看到用Wesley Ferguson或是Wes Ferguson稱呼他。

碳大都是以碳-12這穩定的狀態存在大自然，但因為從supernova還是什麼鬼地方射來的宇宙射線關係，地球大氣層有些氮-14的原子核在遭到宇宙射線裡的中子(neutron)撞擊，原本原子核裡的一個質子(proton)被撞走，而這顆中子則留在原子核裡。雖然質子被中子取代後的原子量還是14，因為少了一個質子，所以原先原子序為7的氮就從化學元素週期表裡降一格成為原子序為6的碳，但比大部分存在於自然界的碳-12多兩個中子，所以成為了不穩定的放射性同位素碳-14。

利用碳-14半衰期來鑑定古物的年份是由化學家Willard Libby首先提出，原理是有機生命體在活著的時候會直接或間接得到空氣裡的碳-14，比如植物行光合作用時會將空氣裡的二氧化碳吸入，而這些二氧化碳裡有極少部分的碳是碳-14。植物活著的時候不斷吸入二氧化碳而將碳-14存在體內，且體內碳-14與碳-12的比例大致等同於空氣；一旦死掉就無法繼續補充碳-14，再加上碳-14不穩定而慢慢衰減，於是可以藉由測出碳-14的量來推斷死亡的時間。

Libby在二次大戰後不久就完成了理論的部分，於是開始找樣本測試。因為樹是吸入碳-14的最直接有機體，而且樹的年輪精準記錄了年份，於是giant sequoia與Douglas-fir等其他樹被拿來測試，在證明效果不錯後開始實際測試古物。


Figure 5.3: 不要小看已經死掉的bristlecone pine，他們是建立年輪年表甚至改寫歐洲歷史不可或缺的一部份。


Figure 5.4: 在dendrochronology裡一個常用的技術，就是對不同的樹木進行cross dating，可以將年輪推到更早的年份。

一開始Libby以測埃及古物為主，一個重要的原因是聽說埃及那年代也有類似司馬遷還是司馬光之類的人，寫了這個法老王在那一年登基、跩了多少年；然後換另一個王繼位，又惡搞了人民多久......，於是考古學家可以藉此得知事件與古物的大致西元年份，並一路推到西元前3,000年。這雖然不是百分之百準確，但在考古界是公認「確定」。

雖然一些以radiocarbon dating測得的埃及古物年份尚稱合理，但有不少則跟「確定」的年份比差很多。當然，那麼久的事情並不總是可靠，何況寫歷史的也未必全都是太史簡還是董狐筆之類的人，捏造總是有可能的，但這已經製造出考古圈內的焦慮與對radiocarbon dating這方法的不信任。

雪上加霜的是，1950年代中在用這方式測兩河流域的古物時，發現從兩個有著類似風格出土的古物年份竟可以差超過1,000年這不合理的結果；而到了1950年代末，西歐與中東等地又接連傳出相關的災訊，radiocarbon dating所得出的年份紛紛讓考古學家直呼不可能(考古學家因為對相關古物與歷史的瞭解，可以推知大致的年份範圍)。

Libby的這個radiocarbon dating雖然一開始成為考古學界的神兵利器，但在整個1950年代的實際使用後發現不少問題，尤其是西元前年代的古物。即使如此，Willard Libby還是在1960年因此得到了諾貝爾獎。


Figure 5.5: 遊客中心裡有提供cross dating的道具讓大家玩。


Figure 5.6: Bryce Canyon National Park的Junior Ranger也有cross dating這活動，利用公園裡的ponderosa pine重建之前森林野火的歷史，納入生態管理並當做prescribed fire的依據。

因為radiocarbon dating接連出包，需要找出問題解決，而空氣中碳-14與碳-12比例固定的原始假設很快被推斷並證實為罪魁禍首，因此需要做校正，也就是calibration。而最佳的calibration方式，就是找一塊已知年份的木頭做radiocarbon dating，因為這塊木頭的年份可以經由數tree rings而精確得知，跟radiocarbon dating所得到年份的差距就反應了碳-14與碳-12比例的變動，並從中得到一條校正曲線。

由於必須在古埃及與其他古文明的西元前3,000年維持準確性，1950年代中Edmund Schulman所發現的這些超過4,000年高齡的bristlecone pine很快成為對象。Edmund Schulman在1958年的突然去世造成了bristlecone pine研究工作的停擺，幾年後才決定由當時擔任他助理的Charles Wesley Ferguson接他所遺留下來的研究工作，也是radiocarbon dating最需要用bristlecone pine做calibration的時刻。不過Ferguson不懂同位素那堆鬼東西，因此需要Hans Suess這位懂radiocarbon dating的人跟Ferguson一起合作。

Hans Suess是奧地利人，在希特勒併吞奧地利後他們倆就成了同一國的人(寫到這忽然覺得自己很有國際觀)，之後在二次世界大戰時幫當時的納粹德國研究核能與重水。Suess在1949年時造訪Libby的實驗室並因此學習到radiocarbon dating這技術，他隔年移民到美國，並在1950年代末期到UC San Diego任教，之後跟Ferguson合作試著建立radiocarbon dating的校正曲線。


Figure 5.7: 這是bristlecone pine的截面，年輪很細很不好讀。


Figure 5.8: 在用Ancient Bristlecone Pine Forest的bristlecone pine比對後，發現radiocarbon dating測出的年代過於年輕，甚至可以差到快1,000年，因此這方法需要做calibration。

跟Edmund Schulman尋找oldest living thing不同的是，Ferguson將主要精力放在已經死去的bristlecone pine。藉由將死樹的年輪與活樹年輪重疊，也就是cross dating (Figure 5.4)，可以將年輪繼續延伸到更早的年代。這cross dating的技術很早就已經知道，不過Ferguson是首先將這方法用到bristlecone pine上。雖然道理很容易，實際上是苦工，因為bristlecone pine長很慢，一百年可能只長一吋，年輪很難數；此外，有時候會出現假的年輪，而有時候則沒有出現該有的年輪，因此需要藉由幾個樣本才能消除這些不理想因素。

在Ferguson的努力下，一個約6,000年的年表已經在1960年代中建立出；到Ferguson退休的1980年左右，這年表已經延伸到8,000多年前。藉由Ferguson所建立出來的年表以及bristlecone pine的樣本，Hans Suess建立出了史上第一條供radiocarbon dating的校正曲線。而在這校正曲線的重新調整下，一些之前由radiocarbon dating所測得不合理的西元前時期古物年份獲得了顯著的改善，並且都比未校正前的結果還老。有的老200還是400年，但也有老到800年以上的。而在這些校正過後的結果裡，一些在北歐與英國的古物年代變得比埃及金字塔還老，而這震驚了歐洲的歷史與考古學界。

大部分的歐洲人相信歐洲的文明源自於埃及與Mesopotamia(就是巴比倫所在的兩河流域)，這些當時文明與發達度較高的人開始往外擴散先到達了比如希臘，之後再一路擴散到中歐、西歐與北歐，也就是所謂文化上的diffusion theory。也因此，歐洲古物的年代必須比埃及等文化發源地年輕，而一開始radiocarbon dating所測得的歐洲古物年代也確實符合這觀點。不過在被bristlecone pine校正過後，一些古物的年代老了快1,000年，比如最有名的英國Stonehenge因此變得比埃及的金字塔還老。這說明了歐洲這些地方的文明是獨立興起而不是靠擴散過來的，而diffusion theory是歐洲文明來源的說法遭到推翻，歷史書從此重新改寫，bristlecone pine也得到了the tree that rewrites the history之稱。


Figure 5.9: 在calibration後的radiocarbon dating重新詮釋下，一些歐洲古物比原先老好幾百年甚至是一千年，比如英國的Stonehenge因此比埃及Giza的金字塔還老，推翻了所謂的diffusion theory。


Figure 5.10: 在瞭解cross dating與radiocarbon dating的校正後，也許會覺得倒在地上的bristlecone pine也是很值得尊敬的。

藉著數bristlecone pine的年輪再配上cross dating可以得到比radiocarbon dating準確的年代，但一來不是所有的古物都有年輪可以數，二來cross dating是個冗長且費力的過程，就適用性來說radiocarbon dating是比較好的方法。雖然radiocarbon dating的原理聽起來比較有學問，但如果沒有bristlecone pine(以及後來歐洲的某種oak)這種靠數年輪「笨方法」的校正，radiocarbon dating還是無法獨自鑑定出可靠的年代。

不論是做corss dating或是幫radiocarbon dating做校正，死掉的跟活著的bristlecone pine有著相同的重要性。即使是Methuselah或是Prometheus，他們都只能提供約5,000年的紀錄，必須配合死掉的樹做cross dating才能往更老的年份延伸。也因此當年砍倒Prometheus是不必要的，Don Currey即使沒有找到活那麼久的樹，也可以靠死掉的bristlecone pine做cross dating而得到夠老的年表與天氣資料，不過他的博士學位可能得晚幾年才拿得到就是。

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