核物理引发的考古学革命──从一万七千年前的拉斯科洞窟说起

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2017-06-19 10:52

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和

的化学性质相同。一个碳原子的图像是一个被电子云包围的微小的原子核。当一些其他原子与碳原子相互作用时，该原子不关心碳原子核中包含多少中子：两个原子如何相互作用是由两个电子云所决定的。

和原子核是稳定的。但原子核不是稳定的，因为堆积了一个“多余的”中子，似乎并不太乐意，最终将自我调整。这里涉及一个关键问题——量子物理是概率性的（probabilistic）。我们不能预测一个特定的原子核何时会衰变（decay） ^[3] ，只能预测，给定大量的原子核，何时这一半的原子核会衰变。这个时间段称为“半衰期”（half-life），对于来说，半衰期约为5730年。

顺此一提，有一些不稳定的原子核具有万亿分之一秒的极短的半衰期，而另一些则具有数亿年的极长的半衰期。因此，你应该已经获得了一个提示：为什么能与人类考古学相关？这个发现及其应用对我们来说是幸运的。

以上所述的皆为基本的核物理。我们的故事从塞尔日·科尔夫 ^[4] （Serge Korff，1906－1989）开始。他出生于一个俄罗斯贵族的学术家庭，随后移民到美国。完成普林斯顿大学的本科和研究生学业后，科尔夫从20世纪40年代开始，测量在上层大气中的宇宙射线（cosmic rays）。读者可能知道，地球被这些来自太空的亚原子粒子（subatomic particles），即称为“宇宙射线”，不断地轰击。科尔夫发现同位素，不断地由宇宙射线的中子与大气的原子核（具有7个质子和7个中子的稳定的氮原子核）碰撞产生 ^[5] 。以这种方式产生的稳定地衰减，从而导致不稳定的与稳定的最终形成固定比率 ^[6] 。