Các phương cách “đo đếm lịch sử” tiêu biểu

Tuy chất đồng vị phóng xạ của Carbon-14 (14C) là "chiếc đồng hồ cổ nhất để đo thời gian ngược lại", nhưng thực ra chúng mới chỉ được áp dụng hơn 3 thập niên nay. Vả lại "giờ cáo chung" của 14C sắp điểm, khi giới khoa học đang dọn đường thay thế bằng các kỹ thuật siêu tân kỳ hoàn hảo hơn.

01/07/2017 11:45

Những cách "đo thời gian" ấy dựa trên các nguyên tắc cơ bản của tính tương đối tự nhiên. Thứ hiện tượng mà nhà khoa học Pháp bất hủ Antoine Henri Becquerel (1825-1908), người được tôn vinh là "che đẻ" của chất phóng xạ đã khám phá ra từ năm 1896, nhưng mới chỉ được đem áp dụng vào công tác xác định khảo cổ trong thập niên 60 thế kỷ trước. Cũng chính trong giai đoạn này xuất hiện cách "đo" thời gian với 14C.

Trong trạng thái tự nhiên, chất carbon chứa những nguyến tố phóng xạ tự phân rã làm đôi - cứ sau mỗi 5.730 năm một. Tuy thứ nguyên tố này có thể sẽ "cấu thành" lại trên các tầng cao của bầu khí quyển - dưới tác động của các tia mặt trời; nhưng trong công thức vật chất hữu cơ ấy không thể tồn tại lâu hơn so với chu kỳ phục hồi tự nhiên đã biết, bởi luôn tự phân rã và hoàn toàn biến mất trong một giai đoạn kéo dài khoảng 50.000 năm.

Biểu đồ về chu kỳ bán rã của C14.

Khả năng "đếm" sự phân rã trong vòng 1 tiếng đồng hồ một khối vật chất hữu cơ quy ước, khiến ta có thể xác định được niên đại của một thể vật chất nào đó. Việc "tính" thời gian qua đồng vị phóng xạ của 14C, là cách mà giới khảo cổ học hay dùng trong việc định tuổi của các đồ vật làm bằng gốm và họ thường sử dụng sự bức xạ nhiệt cho mục đích ấy.

Chính nhờ phương pháp kỹ thuật này đã giúp khoa học xác định được tuổi của phần lớn các di vật có từ thời Đồ đá mới (10.200 TrCN) - một trong những giai đoạn căn bản xa xưa của lịch sử phát triển nhân loại. Phương thức phân định thời gian dựa theo nguyên tắc: người ta hâm nóng các bình bằng đất sét nung lên, khiến các điện tử trong hạt nhân nguyên tố cấu thành chúng trở lại vị trí ban đầu.

Điều này có nghĩa là chúng đã trở lại thời kỳ sơ khởi - nguyên khai, trước khi bị chuyển dịch đi qua nhiều thế kỷ - dưới ảnh hưởng của các phóng xạ tự nhiên trong lòng đất và trong không khí. Dưới tác động của nhiệt lượng, các hạt điện tử sẽ chuyển động tạo ra sự bức xạ năng lượng (dòng hạt photon), và từ khối lượng bức xạ ấy cho phép xác định tuổi tác của món đồ gốm khảo cổ.

Nhưng nếu chúng ta muốn trở lại với quá khứ lâu hơn nữa, ví như đi tìm tuổi tác của các loài khủng long, cũng như xác định các giai đoạn khác nhau trong sự phát triển của xã hội loài người (một điều rất được các chuyên gia về thời tiền sử quan tâm), thì phương pháp lý tưởng bây giờ lại là nguyên tố thiếc (Sn) kết hợp với khí argon (Ar). Thiếc sẽ biến dạng các tính chất vốn có của nó vào argon qua một giai đoạn là 1,3 triệu năm.

Vấn đề trở nên phức tạp, khi nảy sinh những mong ước muốn xác định tuổi của trái đất, từ đấy là tuổi tác của cả hệ mặt trời. Trên hành tinh của chúng ta, cũng như trên mặt trăng, không có một thứ vật chất nào vượt quá độ tuổi đáng khâm phục là 4 tỉ năm. Nhưng các nhà địa chất học lại muốn có khả năng nghiên cứu các thiên thạch - những viên đá cấu thành từ thời khai sinh ra hệ mặt trời và vẫn còn nguyên vẹn. Tới đây người ta lại áp dụng phương pháp cho 2 nguyên tố kim loại kiềm là rubidi (Rb) và stronti (Sr) kết hợp với nhau, bởi một thực tế là rubidi sẽ biến dạng các tính chất vốn có của mình vào stronti qua một giai đoạn là 49 tỉ năm.

Tuy khối lượng của 2 nguyên tố hóa học nêu trên hiện hữu trong các di chỉ thiên thạch là rất ít, nhưng bất chấp điều đó qua phương pháp này chúng ta đã có thể biết được, rằng tuổi hệ mặt trời của chúng ta là 4,55 tỉ năm. Còn trong thế kỷ XIX các nhà khoa học tính được độ tuổi của trái đất chỉ có 24 triệu năm mà thôi, bởi họ chưa khám phá ra các phương pháp "đo niên đại" ưu việt hơn.

Nếu như bây giờ không còn ai mảy may nghi ngờ về tuổi tác của hệ mặt trời và các hành tinh nữa, nhưng giới thiên văn học vẫn còn đang tranh cãi về độ tuổi của thiên hà - dao động trong khoảng từ 10-20 tỉ năm.

Theo giả thuyết "Big Bang" (Vụ nổ lớn) thì thiên hà sinh ra từ một vụ nổ đáng sợ từ 13,798 tỉ năm trước với sai số xê dịch trong khoảng 0,037 tỉ năm, giúp tạo ra sự sơ khởi của mọi nguyên tố cũng như hạt nhân nguyên tử, còn sau đó là giải ngân hà. Từ khoảnh khắc khởi điểm "số không" ban đầu này, mọi thứ vật chất không trong trạng thái tách rời hoàn toàn khỏi nhau.

Đây chính là điểm mấu chốt lý giải sự phát triển và nở rộng của thiên hà. Khi nào khoa học biết được vận tốc của sự phát triển và khoảng cách giữa các dải ngân hà đang tồn tại, sẽ tạo khả năng biết được thấu đáo cái ngày mà vạn sự bắt đầu "khởi hành" từ Vụ nổ lớn, và đây chính là độ tuổi chính xác của thiên hà. Nhưng đó mới chỉ là giả thuyết. Còn trong thực tế có nhiều thứ rất phức tạp, bởi vì chúng ta vẫn chưa hề biết vận tốc chính xác về "sự co dãn" của các dải ngân hà trong vũ trụ, cũng như khoảng cách giữa chúng với nhau là bao nhiêu?

Theo nhiều giả thuyết khác nhau - ví như thứ giả thuyết cho rằng "vận tốc chuyển dịch" là từ 15-30 km/giây; còn tuổi của thiên hà lại phụ thuộc chính vào sự biến thiên không chính xác về vận tốc ban đầu này. Âu đó cũng chưa phải là lý do duy nhất. Cũng có thể có những phương pháp khác, nhưng phụ thuộc rất nhiều vào tính ngẫu nhiên. Song song là việc khám phá ra những thể vật chất xa xôi nhất và xưa cũ nhất trong cả hệ thiên hà.

Cho tới giờ "kỷ lục tuyệt đối" vẫn thuộc về ngôi sao lùn nâu mang mã số P.K.S. 200-320, cùng sự ước đoán với độ tuổi cỡ 16 tỉ năm. Vậy chúng ta cũng có thể tự chấp nhận, là chí ít độ tuổi hệ thiên hà của chúng ta cũng ở vào khoảng này, cho tới khi nào chưa có được những sự khẳng định khoa học chắc chắn hơn.

T.Q.Long (theo New Scientist)

#chu kỳ #C14 #biểu đồ #chất đồng vị phóng xạ #Carbon-14