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揭秘：时间的见证者

1940年，两位科学家的一项发现，开启了我们研究地球生命历史的新篇章。

马丁·卡门和塞缪尔·鲁本，这两位加州大学伯克利分校辐射实验室的化学家，在寻找碳的同位素过程中，使用了一种名为回旋加速器的设备。这种设备能够加速高能粒子，使其撞击稳定物质，从而合成了碳-14，一种具有革命性意义的碳同位素。

先回顾下同位素的概念

元素是由原子构成的，而原子则由质子、电子和中子组成。简单来说，质子和电子的数量决定了一个原子的元素属性。以碳元素为例，它的原子核中含有6个质子，外围则有6个电子环绕。

元素的质子和电子数量固定，但中子的数量却可以有所不同，这就形成了不同的同位素。常见的碳同位素有碳-12（6个质子和6个中子）和碳-13（6个质子和7个中子），它们都是稳定的，不会自行分解。

然而，碳-14就有所不同。它含有6个质子和8个中子，因此具有不稳定性，会通过β衰变逐渐转变为氮原子。在这个过程中，碳-14原子会释放出一个电子和一个电子反中微子，这是一种非常缓慢且稳定的变化。

这里的“稳定”意味着可预测，这对于科学家们来说至关重要。

回到那场革命性的发现。卡门和鲁本确定了碳-14的半衰期远比科学家们预期的要长——约为5568年（后续研究修正为5730±40年）。

芝加哥大学的化学教授威拉德·利比洞察到，碳-14可以用来测定曾经有生命存在的物质的年龄。在地球的上层大气中，氮-14原子会被宇宙射线轰击，自然产生碳-14。生物体在生长过程中会吸收碳-12和碳-14。

利比发现，所有生物体，包括人类，在生命过程中都会“标记”这种放射性同位素。幸运的是，这种放射性并不强。当生物体死亡，停止吸收碳时，体内的碳-14依然会继续衰变。通过测量物体中碳-14的含量，利用其半衰期，我们可以推断出物体的年龄。

利比和他的团队为这一理论找到了一个有趣的验证方法——下水道气体。他们从巴尔的摩的污水处理厂收集了甲烷，并将其与石油中的甲烷进行了比较。新产生的甲烷含有碳-14；而数百万年前形成的石油甲烷则已经让碳-14衰变得无法检测。

自那以后，放射性碳测年法，成为了确定曾经活着的生物体年龄的首选方法。利比因此于1960年荣获诺贝尔化学奖。这种方法基于大气中的氮与宇宙射线反应不断在大气中产生放射性碳（14C），这些14C与大气中的氧结合形成具有放射性的二氧化碳，又通过植物的光合作用进入生物圈，然后再被动物进食摄入体内。

因此，所有的生物终其一生都不断地与大自然交换着14C，直至死亡。这个交换在死后会停止，14C的含量就会透过放射衰变逐步减少。通过测量死去动植物样本的14C含量，例如一块木头或者一段骨头，就可以推算出动植物死亡的时间。样本越古老，可检测到的14C含量就越少。因为14C的半衰期大约是5730年，所以这种方法可以可靠地测量所得到的最古老的样本大约是五万年左右。

碳-14的应用经过多年的改进，随着新发现的出现，这一方法将持续优化。早期，科学家们（包括利比）意识到，他们最初的一个假设——大气中碳-14与碳-12的比例基本恒定——是错误的。为此，多个碳-14测年的校准曲线被引入。IntCal是一个国际组织，负责更新和维护放射性碳校准曲线，自1998年发布第一个综合清单以来，已在2004年、2009年、2013年和2020年进行了更新。因此，随着时间的推移，放射性碳测年法变得越来越精确，科学家们也更加了解了某些因素可能在何时何地以及如何影响他们的测量结果。