第3节

木材纹理中隐藏的其他信息

树木会消耗大量二氧化碳以及大气和土壤中的其他微量元素。树木年轮图案不仅能提供树木的具体生长年份，也包含了当时大气化学和气候的历史记录，这些记录都藏在年轮纹理之间。对每道年轮的成分进行化学和放射分析，可以揭示当时的环境状况。火山爆发产生的物质，或核武器在大气层中爆炸的产物，都在年轮中有明确的编码，标明了它们的发生时间。甚至有证据表明，由风吹送的远距离运输的颗粒物，比如从撒哈拉沙漠吹到英国的沙子，或美国的沙尘暴对农业的破坏，也都记录在树木的年轮中。类似的年沉积图案也出现在湖床上，被称为“泥纹”（varves）。

使用放射性物质精准测年

计算年轮看起来很简单，倘若再花一些工夫，我们也许能追踪到由于太阳活动变化而导致的大气放射性同位素的变化。为了满足科学深度的要求，下面我将解释一下碳十四测年法。它的原理很简单，但在实际操作时需要复杂而精密的设备和技术。总结来说，地球接受太阳辐射（这不足为奇，因为太阳是一个巨大的核聚变反应堆），其中包括名为中子的中性粒子。一些中子撞击大气中的氮原子，实现了炼金术士将一种元素转化为另一种元素的梦想。氮原子转化为一种相对原子质量较大的碳原子，即碳十四（写为14C），它的相对原子质量为14，而普通碳原子的相对原子质量为12或13。

核理论认为碳十四原子不应存在，事实上，这些质量较大的原子核很不稳定，平均来说，大约经过5730年，一半原子核会分裂。这就是半衰期，即不稳定同位素原子核半数发生放射性衰变所需要的时间。碳十四生成后很快与氧作用生成二氧化碳，进而被树木吸收。碳十四与普通碳原子的数量之比很小，但它是年轮生长期间太阳活动的度量指标。树木成形以后，碳元素会稳定在原位，由于放射性衰变，每道年轮中碳十四的比例会稳定降低。原则上，我们只需测量木材中放射性同位素碳十四与稳定同位素碳十二的含量之比，就可以计算出树木年轮形成的年份。此外，通过测量特定年轮之间碳十四的含量变化，也可以评估太阳活动随时间的变化。即使是更长时间的尺度也同样可行，例如，贝壳杉所包含的气候信息能够追溯到数万年以前。

从实验上来说，这种方法很有挑战性，但确实有效。关键问题是，太阳每年在大气中只能形成约7.5千克的碳十四。以对普通碳十二的测量为依据——它以各种方式停留在环境和大气中。据估计，碳储存总量约为420000亿吨。其中小部分以二氧化碳的形式存在于大气中。这种大气中的“普通”二氧化碳的储蓄量正在缓慢增加。随着人口的迅速增长，我们开始燃烧煤炭、石油和天然气等化石燃料，二氧化碳的浓度一直在稳步上升。二氧化碳浓度增加所造成的影响显而易见，在过去200年中，这种影响一直在持续、迅速地加剧。

碳十四方法深受现代考古学家的青睐，但对后代来说，它的用处不大，因为作为背景的碳总量在不断变化（我们正在用化石燃料污染大气），而且更糟糕的是，自20世纪40年代以来，原子弹的使用与核武器试验使大气中的碳十四增加了2吨左右。这既可以视作灾难，也可以视作奖励，取决于人们要测年的对象是一个古老的含碳物体，还是一个较年轻的含碳物体。实际上，用核武器试验产生的放射性碳十四进行测年，会使研究20世纪的未来考古学家的工作变得更加轻松，但前提是我们在未来不再使用其他核武器。否则，考古学家这一职业可能会消失。

考古学家与碳十四测年法

总的来说，通过碳十四测年法得出的时间与其他方法所得出的结果及历史记录非常吻合。在埃及和中国发现的遗址中的记录可以追溯到6000多年前。碳十四测年法意味着我们能够追踪木材在不同年代所吸收的放射性碳。在常规应用中，该技术非常有效，但不幸的是，对于一些备受关注又存在疑问的样品，人们难免在一开始就做出过度热情但错误的断言，这比数百次成功的测量更受媒体关注。从下面两个例子可以看出，利己主义和自我宣传的欲望似乎已经侵入了理性科学。第一个可疑的例子是确定都灵裹尸布的时间，第二个例子是证明1908年西伯利亚通古斯大爆炸是外星飞船所致。

都灵裹尸布最初的难题在于确定它是真品还是一件精心制作的中世纪赝品，因为用于测定年代的样本量极小。此外，采集样本的区域可能在中世纪进行过修复，因而遭到了污染。还有一种可能是，现代人所进行的处理或清洁污染了这些微小的碎片。不幸的是，关于这块面料出处对科学声誉造成的后续影响，无论是最初的断言还是后来的反对意见，都多少有些过度。看到测年技术的诸多成功结果后，我认为目前有关都灵裹尸布的数据可以忽略不计，需要再进行一次全新的、适当控制的测定。

相比之下，通古斯事件则保留了充足的记录，事件发生的日期毫无疑问是1908年6月30日上午（所引用的日期来源于原始资料，因为俄国采用的历法与西方不同）。西伯利亚的大片森林被爆炸夷为平地。后来在对该地区进行考察时，有人发现大约8000万棵树木被毁坏。到20世纪中叶，核弹爱好者表示，这场爆炸所释放的能量可能是广岛原子弹爆炸的1000倍［爆炸当量相当于1500万吨三硝基甲苯（TNT）］。爆炸还引发了一次地震，现在估计地震等级达到里氏五级。当时，人们对该事件的成因主要有以下几种解释：陨石撞击，冰态彗星撞击，外星核动力航天器爆炸。对于如此大规模的爆炸，核动力外星飞船的选项立即引起了媒体的关注，人们估计，1908年核动力宇宙飞船爆炸产生的碳十四可能比正常的背景量高7%。20世纪60年代，人们对西伯利亚树木中从1909年开始生长的年轮进行了实验。最初对这部分年轮进行测量，发现碳十四有1%的异常。这一“证据”立刻被推向媒体，人们兴奋不已，大肆宣传。后来经过更加系统的估算，这个比例降至0.3%以下（达到实验误差范围的上限）。这否定了外星飞船的猜想，自然也没有多少新闻价值，因此，即使在当今关于通古斯大爆炸的讨论中，仍会提到外星飞船的猜想。其他解释的细节并没有得到所有“专家”的一致认同，支持陨石或冰态彗星撞击的人们仍在争论不休。这两种解释非常“普通”。2013年，在俄罗斯车里雅宾斯克，一颗小陨石引发了高空爆炸，人们用极为详细的文字和照片记录了这场爆炸。爆炸直径约20米。冲击波摧毁了约7000栋建筑，1500人为碎片所伤。现在我们已经知道，大约每60年就会发生类似的事件。

都灵裹尸布与通古斯大爆炸的例子表明，科学数据可能会被实验差错与错误的解释掩盖。科学的积极作用在于，随着时间的推移，情感的影响逐渐消退，解释变得更加理性、可靠，并能为人所接受，即使媒体并未加以报道。

未来木材利用的新想法

到目前为止，我们的讨论都集中于对已成熟的木材的使用。这个视角当然过于简单化，实际上还有很多产品利用了碎木头。树木也为新的化学制品和药物奠定了基础，并提供橡胶和枫糖浆等多种产品。木材产品包括复合材料，如刨花板、多层实木地板，其中夹层朝向不同方向，此外还有以昂贵木材作为外层的地板。

还有一些不为人所熟悉的新方法，例如用巴西伯南布哥木制作小提琴琴弓的新技术。这种木材曾是最高等级的琴弓木，现已濒临灭绝，因此限制使用。大量的木头碎片不适合制作像小提琴琴弓那样细长的物件。新技术使用现代胶水，将这种“废料”结合起来，制成复合型的琴弓，据称这种琴弓的性能可媲美昂贵的传统伯南布哥木琴弓。但前者的价格远低于后者［2020年，一根伯南布哥木琴弓的售价约为10000英镑（1英镑≈1.26美元）］。

与木材技术相关的缺陷小结

木材并不像一种充满活力且令人兴奋的现代技术材料，相反，我们已将它视为日常生活的一部分。科学的魅力在于不断涌现的新发明，如电子技术或新型金属等。然而，现实是，人类使用木材的历史比其他任何材料的应用历史都要悠久，即使现代文明崩溃和消亡，木材也依然存在。我们一生都离不开木制品，也必须承认一个事实，即木材种类繁多，并且存在许多“缺陷”。本章篇幅不长，但它足以提醒我们，对一个全面的技术视野来说，除了那些因其新颖性或商业影响而登上头条的材料之外，其他材料也不容忽视。

放射性碳定年法的物理基础

既然已经提到了放射性碳定年法的例子，那么在本章结束时，我想快速为那些对其运作原理感兴趣的读者进行简要的解释。

如前所述，太阳是一个巨大的核聚变反应堆，它能发射名为中子的粒子。这些中子可以撞击大气中的氮原子核，引发核反应，然后氮原子核会发生部分重组，变成一种相对质量较大的碳。普通碳原子有6个带正电的质子（p）和6个不带电的中子（n），从而维持原子核的稳定，即12C是6p+6n。从化学性质上来说，碳十四也是碳元素，因为它有6个质子。整个碳原子呈中性，因为原子核外有6个电子。外层轨道电子决定了原子的化学性质，使其成为我们所谓的碳。类似地，普通的氮原子写作14N，它的原子核内包含7个质子和7个中子，核外有7个电子。

氮原子与太阳中子的反应如下。中子与氮原子核相互作用，射出一个质子（即一个氢原子核），并留下一种相对原子质量较大的碳：

一个中子（n）与一个14N（7p+7n）结合，然后分裂成14C（6p+8n）+1H（p）。

碳十四的原子核具有轻微的不稳定性，因此会经历一次放射性衰变，大约在5730年内，一半的原子核将分裂。总而言之，太阳每年都会在地球大气层中产生少量的碳十四，约7.5千克，因此大气中碳十四的含量相当有限。

对木材进行碳十四测年法，只需要测量一块木材中碳十四相对于碳十二的浓度。在植物生长过程中，这个比例会与大气中放射性碳的相对浓度保持平衡，因此该比例是固定的。树木成形后，随着碳十四的稳定衰变，这个比例会有所降低。我们已知碳十四的半衰期，因此这个比例可以告诉我们年轮生长的时间。由于碳十四的半衰期接近6000年，因此我们可以利用该方法测定跨越几个半衰期的人工制品的年代。碳十四测年法的结果与树轮年代学的结果和古木（如古埃及墓葬中的棺木）以及其他历史记录所揭示的年代非常吻合。碳十四测年法与树轮年代学结合，还能提供太阳活动和其他主要环境事件的记录，如火山爆发和现代核武器试验。图3.5展示了碳十四的含量如何随时间减少。图中的标记点参考了人们利用技术获得的早期数据，既有碳十四测年法得出的结果，也有来自年轮或历史书面记录的其他证据，两种方法的结果具有较强的一致性。图中标出了半衰期的位置。随着现代测定方法的改进，碳十四也可用于测定年代横跨几个半衰期的物品。

图3.5 放射性碳定年法

注：本图简略展示了碳十四的放射性含量如何随时间而减少，在较为古老的样品中，原始碳十四的百分比较小。根据碳十四衰变所推测的年代与历史文物揭示的年代和树轮年代学测定的年代十分吻合。