Di tích Parthenon trong khu Acropolis, Athens, Hy Lạp. (Hình: Hà Dương Cự)
Khi các nhà khảo cổ khai quật được một cổ vật gì thì câu hỏi đầu tiên là vật đó thuộc thời nào, năm nào. Việc định tuổi trong ngành khảo cổ rất là quan trọng vì biết được điều đó mới phân tích các cổ vật một cách chính xác.
Có nhiều phương pháp xác định tuổi và được phân thành hai loại. Một là định niên đại tương đối, tức là định niên đại của một vật cổ tương đối với những vật cổ khác, thí dụ có thể định là cổ vật A ở vào thời đại trước cổ vật B. Hai là định niên đại tuyệt đối, tức là định tuổi theo năm.

Phương pháp xác định tuổi thông thường nhất hiện nay là phương pháp định tuổi bằng các bon 14. Đây là phương pháp định tuổi tuyệt đối.
Xác định tuổi bằng các bon 14
Cấu trúc căn bản của nguyên tử của các vật chất là ở giữa có nhân (nucleus) trong đó có dương tử (proton) và trung hòa tử (neutron), ở vòng ngoài thì có các điện tử (electron) chạy vòng quanh. Nhân của nguyên tử các bon đều có 6 dương tử. Nhưng số trung hòa tử có thể khác, những dạng khác nhau đó được gọi là chất đồng vị (isotope). Nguyên tử các bon có ba đồng vị: các bon 12 có 6 trung hòa tử, các bon 13 thì có 7 và các bon 14 có 8. Khoảng 99% các bon trên trái đất là các bon 12, khoảng 1% là các bon 13 còn các bon 14 thì rất hiếm, ít hơn 0.0001%. Đồng vị các bon 14 có tính phóng xạ (radioactive) cho nên còn được gọi là phóng xạ các bon. Các bon 14 cũng không ổn định. Hai tính chất đó được dùng để xác định tuổi trong ngành khảo cổ.
Các nguyên tử các bon 14 bị phân rã theo thời gian. Nhưng trong bầu khí quyển thì các bon 14 luôn luôn được tạo ra một cách tự nhiên. Khi tia vũ trụ (cosmic rays) bắn vào vùng thượng tầng khí quyển thì va chạm vào các nguyên tử làm cho các nguyên tử này phân ra thành trung hòa tử, dương tử và các thành phần khác. Trung hòa tử này va chạm với phân tử ni-tơ 14 trong không khí, làm cho nhân của ni-tơ mất đi một dương tử, do đó ni-tơ 14 trở thành các bon 14. Các loài thực vật hấp thụ các bon 14 từ không khí cũng như những đồng vị khác của các bon. Các bon 14 theo đường dây thực phẩm lan truyền đến tất cả những sinh vật.
Khi còn sống thì các bon 14 trong cơ thể bị phân rã nhưng lại được tiếp tục bổ sung nên sẽ ở một trạng thái quân bình. Khi sinh vật chết đi thì không thể bổ sung các bon14 được nữa và nó sẽ từ từ bị phân rã.
Sự phân rã của nguyên tử phóng xạ các bon trong một vật thể được tuân theo một qui trình rõ rệt. Một nửa số nguyên tử sẽ tan rã trong một khoảng thời gian nhất định, gọi là thời gian nửa đời (half life). Thí dụ một chất phóng xạ có thời gian nửa đời là 10 năm, nếu có 1000 nguyên tử đó vào năm 2018 thì đến năm 2028 sẽ còn 500 nguyên tử. Đến năm 2038 thì còn 250. Đến năm 2048 chỉ còn 125.
Các bon 14 có thời gian nửa đời là 5730 năm. Nếu biết số nguyên tử các bon 14 lúc chất hữu cơ chết và đếm số các bon 14 cổ vật hiện tại có thì người ta có thể suy ra là cổ vật đã chết được bao nhiêu năm. Do đó biết niên đại của cổ vật.
Người phát minh ra phương pháp xác định tuổi bằng các bon 14
Năm 1939 ông Serge Korff, một giáo sư vật lý ở Đại Học New York khám ra ra rằng trung hòa tử được phát sinh ra khi tia vũ trụ bắn vào vùng khí quyển. Ông ta tiên đoán là sự phản ứng giữa những trung hòa tử đó và ni-tơ 14 sẽ sinh ra các bon 14.
Tiếp theo khám phá của ông Korff, ông Willard Libby, một giáo sư hóa học tại Đại Học Chigago suy đoán là nếu các bon 14 có ở trong bầu khí quyển thì sẽ thâm nhập vào các sinh vật. Như vậy các sinh vật đều có “dán nhãn” bởi một chất đồng vị phóng xạ. Theo ông Libby thì như vậy nếu người ta có thể biết số lượng các bon 14 trong một vật thể hữu cơ thì dùng nguyên tắc nửa đời người ta có thể biết được tuổi của vật ấy. Ông Libby và các nhân viên phòng thí nghiệm của ông ta chế tạo một dụng cụ để chứng thực lý thuyết của ông ta. Họ đem thử dụng cụ vào những cổ vật La Mã đã biết niên đại. Năm 1949 ông Libby tuyên bố kết quả cho thấy lý thuyết của ông là đúng. Vì khám phá này ông Libby được trao tặng giải Nobel Hóa Học năm 1960.
Từ đó các nhà khảo cổ đều dùng phương pháp này để xác định tuổi của các cổ vật hữu cơ.
Sự giới hạn của phương pháp xác định tuổi bằng các bon 14
Về thời gian – vì nửa đời của các bon 14 là 5730 năm nên chỉ có thể xác định tuổi cho đến khoảng50,000 năm về trước. Sau hơn nữa thì số các bon 14 quá nhỏ, khó chính xác.
Về vật chất – chỉ có chất hữu cơ mới hấp thu các bon 14, nên không thể dùng phương pháp này cho các vật vô cơ như đồ gốm.
Những phương pháp xác định tuổi khác
Có rất nhiều phương pháp xác định tuổi, sau đây là những phương pháp chính được dùng nhiều. 
Xác định tuổi bằng địa tầng học

Các địa tầng. (Hình: www.crowcanyon.org)

Địa tầng học (stratigraphy) là một ngành trong địa chất học chuyên nghiên cứu về những tầng lớp đất, đá hay trầm tích (sediment). Xác định tuổi bằng địa tầng là một phương pháp xác định tuổi tương đối. Nguyên tắc của phương pháp này rất là đơn giản: địa tầng ở dưới có trước địa tầng ở trên. Có nghĩa là khi đào sâu xuống đất cổ vật ở dưới thuộc thời đại cổ hơn là cổ vật thấy ở địa tầng trên.
Phương pháp này không cho biết năm của cổ vật mà chỉ cho biết liên hệ tương đối của các cổ vật. Nhiều khi vật dụng của thời sau lại nằm dưới vật dụng thời trước, thí dụ tầng hầm của ngôi nhà được đào sâu xuống xuyên qua những địa tầng của các thời trước. Các nhà khảo cổ phải rất cẩn thận để phân biệt rõ ràng trước sau. 
Xác định tuổi bằng urani
Những vật bằng đá thì không thể xác định tuổi bằng phương pháp các bon 14 được. Nhưng có thể dùng một phương pháp tương tự như các bon 14 với chất phóng xạ urani. Đá có chứa một lượng rất nhỏ chất phóng xạ. Kể từ khi đá được hình thành chất thì chất phóng xạ bắt đầu phân rã. Urani có một nửa đời rất lâu, nửa đời của urani-238 là 4.5 tỷ năm, của urani-235 là khoảng 700 triệu năm còn của urani-234 là 25 ngàn năm. Nên có thể dùng phương pháp này để định tuổi tới hơn một triệu năm.

Stonehenge bên Anh Quốc. (Hình: Hà Dương Cự)

Xác định tuổi bằng phương pháp nhiệt phát quang (thermoluminescence)
Những cổ vật rắn và kết tinh như đồ gốm luôn luôn chịu sự bức xạ i-ông hóa từ môi trường chung quanh, nên một số điện tử ở tình trạng kích hoạt bị giữ lại trong cổ vật. Khi cổ vật được làm nóng lên thì những điện tử đó được phóng thích ra ngoài dưới dạng ánh sáng màu. Cường độ của ánh sáng tỏa ra có thể phân tích để biết được là cổ vật bằng gốm đã có từ bao nhiêu năm.
Còn có nhiều phương pháp định niên đại khác trong ngành khảo cổ, như dùng hóa chất hay so sánh với các cổ vật khác.
Tuy có nhiều phương tiện để định tuổi các cổ vật và nghiên cứu các thời đại cổ xưa, nhưng vẫn có nhiều bí ẩn thời xưa mà chưa có ai giải mã được. Thí dụ Stonehenge bên Anh và Cánh Đồng Chum bên Lào.

Hà Dương Cự/Người Việt
__________________
Nguồn tài liệu:
http://www.archaeologyexpert.co.uk
https://www.crowcanyon.org