第1章 四百萬億分之一的精度

所有人都先換好了衣服,經過消洗後,進入一間無塵室。

進入無塵室後,大部分人依然只能隔着一道玻璃,在外面觀望,只有幾個博物館工作人員,和取樣人員,能夠走到最裡間的國寶儲存室。

顧玩和石主任、寧主任(科大考古系主任)坐在一旁談笑自若,隔着防彈玻璃觀看京都大學的山下教授,帶着學生們取樣。

東大的堺教授,則在一邊翻看中方原先的實驗記錄,確保一會兒不會浪費鑑定樣本。

扶桑人這邊,對於C14同位素丰度鑑定的頭號專家,就是這位堺教授了。如果他不點頭,中方是無法拿到“漢倭國王印”上的出土污漬樣本,來進行實驗操作的。

只見山下教授帶着學生,先用鐳射光譜儀、隔着內部充氦的玻璃罩,掃描了一遍“漢倭國王印”。

那是一枚只有2.3釐米見方大小的純金印璽,加上博物館裡習慣了常年保持低照度環境、減少藏品的年曝光積分量,所以在外間的人,幾乎很難看清楚操作。

事實上,黃金製品是不怕曝光的。博物館減少曝光,主要是爲了保護字畫一類容易老化、降解的有機物。

不過,黃金製品外面沾染的來自於出土年份的污漬、其他附着物當中,難免有害怕曝光的物質,所以保護嚴密一點總歸是小心無大錯了。

而且,在C14丰度鑑定實驗中,關鍵就是這些來自於出土地層的污漬、附着物。

因爲金印理論上是Au單質。就算古代工藝不夠完美,有些許碳元素以單質形態混雜在金印裡,也不可能爲了取樣而切割、破壞金印本身,所以要取得碳元素較多的樣本,就要從出土地層污漬下手。

(印章的話還有一個優勢,那就是沾染的印泥裡有含碳元素。古代紅色印泥除了含有硃砂成分外,還有添加一定量的植物油/植物香精,裡面含有纖維素成分,這部分可以作爲C14同位素丰度的鑑定材料。)

山下教授先確定金印表面含碳豐富的污漬主要有那幾片,然後一番操作猛如虎,總而言之就是把樣本弄了下來,放在一根絕對清潔、不含碳的取樣容器裡。又經過一番操作,把碳原子團萃取出來。

這些具體實驗過程,忙了大約一個多小時,就不多贅述了——因爲這裡面沒有什麼新鮮的,在傳統的離心法C14同位素丰度鑑定中,到這一步爲止,操作也都是一樣的。

離心法和離子加速質譜法的區別,在後續環節纔會體現出來。

“石桑,這是從印泥部分萃取出來的碳原子團,後續的操作,就看你們了。”山下教授說着,就把那個特殊容器遞給中方人員。

裡面的東西,估計才幾個毫克分量,應該都是從印泥裡萃取出來的古代植物油和纖維中的碳。

石副主任卻沒敢接,只是對顧玩做了個手勢。顧玩就當仁不讓接過來,然後在石副主任和其他助手的幫助下,開始操作AMS。

儀器內部的活動,宏觀上當然是看不出來的,總而言之,過了半個多小時後,顧玩就得到了一份輸出數據,然後再在專門的軟件上計算了一番。

“根據測定,樣本中C14與C12的比例,約爲1萬5千2百億分之一,與1萬2千億分之一的標準比,約爲0.338個半衰週期。因此,可以初步判定,該樣本上的印泥的年份,距今約1940年,正負誤差20年。”

顧玩先簡潔地說了一下結論。

外行人或許聽了有些懵逼,但在場的都是大學教授,而且都是考古、原子物理這些對口專業的,自然是一聽就懂。

剩下的,只是對測量數據精度的懷疑。至於數據得到後的換算環節,大家毫無疑問,所有人都對公式瞭然於胸。

衆所周知,任何生命體在存活期間,構成其身體的有機物中的碳元素,都是會不斷新陳代謝的,所以碳元素中C12和C14的比例,應該跟自然界C12和C14的平均比例一樣,大約是1萬2千億倍。

也就是假設你身上一塊肉裡,一共有1萬2千億零1個碳原子,那麼其中1萬2千億個是C12,只有1個是C14。

而生命體死後,就不會再新陳代謝補充碳元素了,所以化石,埋藏木/骨裡的C14只會越來越少。

根據高中化學知識,C14的半衰期是5730年,也就是過5730年後,死體內的C14會減少一半,C12和C14的比例,會變成2萬4千億倍。11460年後,會減少到初始態的四分之一,也就是4萬8千億倍……

顧玩這套離子加速質譜儀,年代測定精度可以短到三十年左右,這已經相當於自然半衰期的5730年,除以2的8次方左右。因此,其能夠測定出來的C14丰度變化,也應該大致相當於2倍的開八次根號。

比如,當被測物年代距今有1910年,C14濃度應該只有新鮮狀態的79.4%,距今1940年的時候,C14濃度應該只有新鮮狀態的79.1%。

考慮到自然狀態下,C14就只有C12的1萬2千億分之一,所以他這個儀器基本上可以達到“每400萬億個碳原子裡,少了一個C14原子,都能測出來”的程度。

別覺得誇張,地球上21世紀那些離子加速器質譜儀,也都是可以測到那麼精確的。

外行人或許覺得難以想象,但現代人類的物理科技,真的已經發達到這種程度了。

……

京大考古系的山下教授對物理畢竟不是太精通,所以他只是知道上述原理和算法。

但對於數據本身的測量是否可靠,還要靠東大高能物理系的堺教授定奪。

如果這個測量本身可靠,那就意味着,能夠證明“漢倭國王印”是1940年前之前的東西了(正負誤差二十年)。

堺俗人看着數據報表,摸着下巴思索了一會兒,問道:

“對於從原混合碳原子團中、分離出來的C12原子團中的原子個數,我沒什麼異議。畢竟數量較大,可以用質量稱量法直接稱量,這一步,跟離心法的驗證是一樣的。

可是,對於分離出來的C14原子團裡,究竟有多少個14原子,你是怎麼測算數量的呢?要知道,C14原子個數稀少,稍微差幾個,就會導致誤差率達到額定閾值之外。而且,你的新方法,是如何保證分離後的C12原子團裡,一點C14都沒有的?會不會還有黏連在一起,沒分離出來的?”

顧玩笑了,他立刻拿出一些實驗記錄過程的儀器內照片——當然,所謂的“照片”其實只是俗稱,因爲沒有傳統光學攝像儀器和技術,能精確到拍攝原子層面的東西。

所以,那玩意兒事實上是類似於一些捕捉光柵記錄的東西,非物理專業的看官,只要知道這玩意兒能記錄實驗過程中。原子流是如何通過加速管和偏轉器的就行。

“這是通過法拉第筒和偏轉器的捕捉光柵記錄。我們這套儀器,加了100萬伏的端電壓,足以把碳原子團中所有原子的表層電子完全剝離,並且按照洛倫茲力產生的加速度不同,把原子團打散。所以第二個問題,您看完這部分數據後,應該就不會有疑問了……”

顧玩說着,還指點堺俗人教授如何看相關記錄。

花了大約十幾分鍾,把這個點解釋清楚了。

然後,他開始回答對方的第一個質疑點,也就是“他的儀器是如何精確稱量C14原子個數的”。

畢竟,C12原子可以按照“1摩爾(mole)碳12原子重12克”的算法來稱量,因爲多,重,宏觀稱就能稱出來的。

(注:1摩爾原子是6.02×10的23次方個。多廢話一句,讓高中沒學化學的同學閱讀起來友好一點。

另外,上一句所稱的“宏觀”也就是幾毫克甚至幾微克。因爲1微克就有10的15次方個碳原子了,也就是幾千萬億個,對於同位素鑑定而言已經足夠“宏觀”)

但是,C14原子,比C12原子少了至少一萬多億倍,那就很難稱重了。可能一次實驗蒐集到的C14原子個數,才幾萬億分之一毫克。

傳統離心法的時候,最後稱量C14原子的個數,就不是非常精確,總有那麼相當於總數至少百分之幾的誤差,也就導致年代測定至少誤差幾百年。

“所以,我這套儀器,也沒有用離心法慣用的質量稱量法,來計算C14原子的個數——離心法是用離心力來分離原子的,我是用洛倫茲力來分離原子的。既然如此,一事不煩二主,我最終是吧所有的C14離子,進行總帶電電荷測量。

一個碳離子帶4個正電荷,當電荷平衡時,算出懸浮負極有多少電子形成的電勢差,不就能算出這團碳離子裡的原子個數了麼?而微觀狀態下測量電勢差的精度,要遠遠高於稱重量的精度。”

“對啊……我怎麼沒想到……”堺俗人教授失聲驚呼。“中國人,居然真的可以做到這種程度?我們真是跟前沿科技脫節太久了麼?”

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