ฟิสิกส์กับโบราณคดี ตอนที่ 3 การกำหนดอายุหลักฐานทางโบราณคดี

10-03-2021 อ่าน 44,162

   
โบราณสถาน Chichen Itza ของอารยธรรมมายา (ภาพถ่ายโดย Daniel Schwen)


        บทความตอนที่ 1 และ 2 ผู้เขียนเล่าเรื่องการสำรวจและการวิเคราะห์หลักฐานทางโบราณคดีไปแล้ว แต่สิ่งสำคัญอีกอย่างหนึ่ง (ซึ่งอาจสำคัญที่สุดด้วย) ก็คือการกำหนดอายุของหลักฐานทางโบราณคดี หรือที่เรียกแบบง่ายๆ ว่า การหาอายุของหลักฐานทางโบราณคดี โดยการกำหนดอายุแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ การกำหนดอายุเชิงสัมพัทธ์ (Relative Dating) ซึ่งเป็นการเปรียบเทียบระหว่างหลักฐานอย่างน้อยสองชิ้นว่าชิ้นไหนมีอายุมากกว่ากันโดยเทียบเคียงจากหลักฐานที่ทราบอายุ ส่วนอีกแบบหนึ่งคือการกำหนดอายุเชิงสัมบูรณ์ (Absolute Dating) ซึ่งเป็นการวิเคราะห์เพื่อบอกอายุของหลักฐานเป็นตัวเลขที่แน่นอน


        ในระดับเบื้องต้น เราจะพบว่าการกำหนดอายุเชิงสัมพัทธ์มักจะเริ่มที่การวิเคราะห์ชั้นดิน (Stratigraphic Analysis) โดยค้นหาชั้นดินอยู่อาศัย (Occupation Layer) ที่อยู่ระหว่างชั้นดินธรรมชาติ (Natural Soil Layer) กล่าวคือชั้นดินที่อยู่ด้านล่างจะเป็นชั้นดินที่มีอายุมากกว่าชั้นดินที่อยู่ด้านบน ซึ่งข้าวของเครื่องใช้หรือโครงกระดูกอาจถูกฝังกลบอยู่ภายใต้ชั้นดินธรรมชาติ ส่วนการกำหนดอายุเชิงสัมบูรณ์จะนิยมใช้ 3 วิธี คือ


          1. การกำหนดอายุด้วยวิธีไอโซโทปกัมมันตรังสี (Radioactive Isotope) ซึ่งอาศัยหลักการสลายตัวของธาตุไอโซโทปที่ไม่เสถียรไปเป็นธาตุไอโซโทปที่เสถียรกว่า โดยไอโซโทปแต่ละชนิดจะมีค่าครึ่งชีวิต (Half Life) ที่แตกต่างกันจึงสามารถคำนวณหาอายุของโบราณวัตถุได้จากปริมาณของธาตุไอโซโทปที่หลงเหลืออยู่


          2. การกำหนดอายุด้วยวิธีการเปล่งแสง (Luminescence Dating) ซึ่งอาศัยหลักการที่ว่าโครงสร้างของผลึกแร่จะมีการดักจับอิเล็กตรอนเอาไว้ โดยจำนวนอิเล็กตรอนจะมีแนวโน้มแปรผันตามระยะเวลา เมื่อทำการใส่พลังงานภายนอกให้กับโบราณวัตถุ อิเล็กตรอนก็จะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของการเปล่งแสง


          3. การกำหนดอายุด้วยสนามแม่เหล็กโลกบรรพกาล (Paleomagnetic Dating) ซึ่งอาศัยหลักการที่ว่าโบราณวัตถุบางอย่างจะมีการตอบสนองต่อทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงเวลาที่โบราณวัตถุกำเนิดขึ้น ทำให้ทิศทางและความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกถูกบันทึกอยู่ภายในโบราณวัตถุนั้น


         เราจะมาเริ่มกันที่โบราณวัตถุจำพวกสิ่งมีชีวิตอย่างพืช สัตว์ และวัตถุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ นักโบราณคดีจะนิยมกำหนดอายุด้วยวิธีที่เรียกว่า การกำหนดอายุด้วยวิธีคาร์บอน (Carbon Dating) หรือเรดิโอคาร์บอน (Radiocarbon) วิธีดังกล่าวถูกพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลนามว่า Willard F. Libby กล่าวคือรังสีคอสมิก (Cosmic Ray) จากอวกาศจะเปลี่ยนไนโตรเจน-14 ในบรรยากาศโลกเป็นคาร์บอน-14 จากนั้นจึงรวมตัวกับออกซิเจนจนกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และสารประกอบคาร์บอนในสิ่งแวดล้อม ซึ่งคาร์บอน-14 มีค่าครึ่งชีวิตประมาณ 5,730 ปีแล้วเปลี่ยนกลับไปเป็นไนโตรเจน-14 ตามเดิม เมื่อพืชและสัตว์ตายลง การรับคาร์บอน-14 จะหยุดลงเช่นกัน นักโบราณคดีจึงสามารถนำปริมาณคาร์บอน-14 ที่เหลืออยู่ในโบราณวัตถุและปริมาณคาร์บอนพื้นหลังในสิ่งแวดล้อมมาคำนวณหาอายุของโบราณวัตถุที่มีอายุย้อนกลับไปประมาณ 50,000 ปีได้ แต่การกำหนดอายุด้วยวิธีนี้จะต้องคำนึงถึงความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกและความผันผวนบนดวงอาทิตย์ เพราะปัจจัยดังกล่าวมีผลกระทบต่อความหนาแน่นของคาร์บอนในสิ่งแวดล้อม ปัจจุบัน วิธีกำหนดอายุโบราณวัตถุของ Libby จะถูกนำมาวิเคราะห์ร่วมกับเครื่องเร่งอนุภาคที่เรียกว่า Accelerator Mass Spectrometry (AMS) โดยนักฟิสิกส์จะทำการเปลี่ยนคาร์บอน-14 ให้อยู่ในรูปไอออนแล้วแยกมันออกมาด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการกำหนดอายุได้เป็นอย่างดี



การกำหนดอายุด้วยวิธีคาร์บอน
ที่มา http://rses.anu.edu.au/research/facilities/anu-radiocarbon-laboratory/radiocarbon-dating-background



เครื่องเร่งอนุภาคระบบ AMS
ที่มา https://www.physics.purdue.edu/primelab/introduction/ams.html#tandem
 
           สำหรับหลักฐานทางโบราณคดีจำพวกแร่และหิน การกำหนดอายุก็มีอยู่หลากหลายวิธี เช่น


          1. การกำหนดอายุด้วยวิธียูเรเนียม-ทอเรียม-ตะกั่ว (Uranium-Thorium-Lead Dating) เป็นการอาศัยหลักการสลายตัวของกัมมันตรังสี 3 อนุกรม คือ อนุกรมยูเรเนียม (Uranium Series) ซึ่งยูเรเนียม-238 สลายตัวไปเป็นตะกั่ว-206, อนุกรมทอเรียม (Thorium Series) ซึ่งทอเรียม-232 สลายตัวไปเป็นตะกั่ว-208 และอนุกรมแอกทิเนียม (Actinium Series) ซึ่งยูเรเนียม-235 สลายตัวไปเป็นตะกั่ว-207


          2. การกำหนดอายุด้วยวิธีโพแทสเซียม-อาร์กอน (Potassium-Argon Dating) เป็นการอาศัยสัดส่วนของอาร์กอน-40 และโพแทสเซียม-40 ที่อยู่ภายในแร่และหิน โดยอาร์กอนที่มีสถานะเป็นแก๊สเฉื่อยจะถูกกักขังอยู่ภายในหินระหว่างที่หินหลอมเหลวเริ่มเย็นตัวลงตามกระบวนการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer) จนกลายเป็นของแข็ง


          3. การกำหนดอายุด้วยวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม (Rubidium-Strontium Dating) เนื่องจากสตรอนเทียมเป็นธาตุที่มีโครงสร้างทางเคมีคล้ายกับแคลเซียมโดยเกิดจากการสลายตัวของรูบิเดียม-87 ภายในหิน ในธรรมชาติเราจะพบสตรอนเทียม-87 และสตรอนเทียม-86 ซึ่งสตรอนเทียมจะปะปนอยู่ภายในแร่ควบคู่กับแคลเซียม ไอโซโทปของสตรอนเทียมมีอัตราส่วนแตกต่างกันตามแต่ละพื้นที่ นักโบราณคดีจึงสามารถนำอัตราส่วนดังกล่าวมาวิเคราะห์ว่าหลักฐานทางโบราณคดีเหล่านั้นมีอายุเท่าไรและถูกนำมาจากที่ใด


          4. การกำหนดอายุด้วยวิธีซามาเรียม-นีโอไดเมียม (Samarium-Neodymium Dating) เป็นการกำหนดอายุของแร่ภายในหินและอุกกาบาตที่อาศัยไอโซโทปของซามาเรียม-147 ที่สลายตัวไปเป็นนีโอไดเมียม-143 นิยมนำมาใช้ควบคู่กับวิธีรูบิเดียม-สตรอนเทียม


          5. การกำหนดอายุด้วยวิธีแผ่รังสีของนิวไคลด์คอสมิก (Cosmogenic Nuclide Dating) เป็นการกำหนดอายุของตะกอนที่มีเบริลเลียม-10 อะลูมิเนียม-26 และคลอรีน-36 ซึ่งเกิดจากรังสีคอสมิก (Cosmic Ray) ที่ทำอันตรกิริยา (Interaction) กับแร่ควอตซ์ที่มีธาตุแคลเซียม คลอรีน และโพสแทสเซียมเป็นส่วนประกอบ กล่าวคือเมื่อควอตซ์ที่มีไอโซโทปดังกล่าวถูกน้ำพัดพาไปสะสมตัวอยู่ในถ้ำ เมื่อเวลาผ่านไปไอโซโทปดังกล่าวจะเกิดการสลายตัว นักโบราณคดีจึงสามารถหาช่วงเวลาที่ควอตซ์เริ่มเกิดการทับถมและระยะเวลาที่ตะกอนถูกเปิดออกสู่พื้นผิวโลกเรียกว่า การกำหนดอายุด้วยวิธีพื้นผิวเปิด (Surface Exposure Dating)
  
 

หลักการของ Surface Exposure Dating
ที่มา https://ldrd-annual.llnl.gov/ldrd-annual-2015/energy/holocene

 
          การกำหนดอายุของแร่ หิน อิฐ และเครื่องปั้นดินเผา สามารถใช้วิธีการเปล่งแสงได้ด้วย โดยจะมี 2 รูปแบบ คือ

 
          1. การกำหนดอายุด้วยวิธีเปล่งแสงความร้อน (Thermoluminescence Dating หรือ TL) อาศัยหลักการที่ว่าภายในผลึกของแร่จะมีโครงสร้างที่คอยดักจับอิเล็กตรอน (Electron Trap) ที่ถูกกระตุ้นจากการแผ่รังสีของสิ่งแวดล้อม แต่เมื่ออิเล็กตรอนที่ถูกดักจับได้รับพลังงานความร้อนที่มากเพียงพอก็จะหลุดออกและปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้น การวัดปริมาณรังสีบรรพกาล (Paleodose หรือ Equivalent Dose) จึงสามารถทำได้โดยการให้ความร้อนแก่วัตถุเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ปลดปล่อยพลังงานออกมาแล้ววัดปริมาณของแสงด้วยหัววัดสัญญาณแสง (Photo-detector) ทำการขยายสัญญาณแล้วหาความสัมพันธ์ของปริมาณรังสีบรรพกาลกับปริมาณอิเล็กตรอนที่วัดได้จากเครื่องตรวจวัดการเปล่งแสงความร้อน (Thermoluminescence Detector) อีกตัวแปรที่ต้องทราบก็คือ อัตราการแผ่รังสีต่อปี (Annual Dose) ซึ่งเกิดจากการสลายตัวของธาตุยูเรเนียม ทอเรียม และโพแทสเซียมในสิ่งแวดล้อมแล้วให้รังสีแอลฟา เบตา และแกมมา จากนั้นจึงกำหนดอายุของโบราณวัตถุด้วยการนำรังสีบรรพกาลมาหารด้วยอัตราการแผ่รังสีต่อปี


          2. การกำหนดอายุด้วยวิธีกระตุ้นเชิงแสง (Optically Stimulated Luminescence Dating หรือ OSL) มีหลักการคล้ายคลึงกับ TL กล่าวคือภายในโครงสร้างของผลึกแร่ที่ไม่ถูกสัมผัสด้วยความร้อนและแสงมาเป็นเวลานานจะมีจำนวนอิเล็กตรอนเพิ่มมากขึ้นตามลำดับเวลา เมื่อนำตัวอย่างของโบราณวัตถุไปกระตุ้นด้วยแสงที่มีพลังงานและความยาวคลื่นที่เหมาะสม อิเล็กตรอนที่ถูกกักเก็บเอาไว้ก็จะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสามารถคำนวณหาอายุได้ด้วยหลักการเดียวกับ TL



การกำหนดอายุด้วยวิธีเปล่งแสง
ที่มา https://www.cambridge.org/core/books/archaeological-science/luminescence-dating/EA74E998C3F320A9250BE7242E9AE26C

 
            นอกจากนี้ยังมีการกำหนดอายุด้วยสนามแม่เหล็กโลกโบราณ (Archaeomagnetic Dating) ซึ่งเป็นการนำสนามแม่เหล็กโลกที่เกิดจากการไหลเวียนของโลหะหลอมเหลวในแก่นโลกชั้นนอก (Outer Core) ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตามทฤษฎีธรณีไดนาโม (Geodynamo) มาวิเคราะห์ข้อมูลของสนามแม่เหล็กที่ถูกบันทึกไว้ภายในโบราณวัตถุที่มีสภาวะแม่เหล็ก (Magnetism) กล่าวคือโบราณวัตถุที่ได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิคูรี (Curie Temperature) จะสูญเสียสภาวะแม่เหล็กไป เนื่องจากความร้อนทำให้อนุภาคแม่เหล็กภายในโบราณวัตถุมีการจัดเรียงตัวที่ไม่เป็นระเบียบ แต่เมื่อโบราณวัตถุดังกล่าวเย็นตัวลงภายใต้สนามแม่เหล็กโลก อนุภาคแม่เหล็กภายในโบราณวัตถุจะเริ่มจัดเรียงตัวตามทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงเวลานั้น เรียกสภาวะดังกล่าวว่า แมกนีไทเซชันตกค้าง (Remanent Magnetization) ด้วยเหตุนี้ นักโบราณคดีจึงสามารถกำหนดอายุของโบราณวัตถุโดยการนำเครื่องแมกนีโทมิเตอร์ (Magnetometer) มาตรวจวัดทิศทางและความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกภายในโบราณวัตถุนั้น
   
 

การกำหนดอายุด้วยวิธีสนามแม่เหล็กโลกโบราณ
ที่มา https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0305440314003951

 
            นอกจากวิธีที่ผู้เขียนเล่ามา นักโบราณคดีก็ยังมีวิธีกำหนดอายุที่น่าสนใจอีกหลายแบบ เช่น

 
          1. การกำหนดอายุด้วยการสั่นพ้องของสปินอิเล็กตรอน (Electron Spin Resonance Dating หรือ ESR) เป็นการนำสมบัติเรื่องการสปิน (Spin) และโมเมนต์แม่เหล็ก (Magnetic Moment) ของอนุภาคมาประยุกต์ใช้ กล่าวคือรังสีในสิ่งแวดล้อมจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนเข้าไปสะสมอยู่ภายในโครงสร้างของผลึกแร่ที่มีจุดบกพร่อง ยิ่งระยะเวลาผ่านไปเนิ่นนาน จำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกกักเก็บก็จะมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้น เมื่อทำการตรวจวัดสัญญาณ ESR ด้วยวิธี ESR Spectroscopy ซึ่งเป็นการทำให้อิเล็กตรอนเกิดการสั่นพ้องด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงไมโครเวฟภายใต้สนามแม่เหล็ก ค่าสัญญาณที่ตรวจวัดได้จะเปรียบเสมือนปริมาณรังสีบรรพกาลภายในโบราณวัตถุ เมื่อนำอัตราการแผ่รังสีต่อปีมาหารก็จะสามารถหาอายุของโบราณวัตถุประเภทตะกอนคาร์บอเนต วัสดุเคลือบเปลือกหอย วัสดุเคลือบฟัน กระดูกของสิ่งมีชีวิต รวมถึงแร่ภายในหินได้

 

หลักการของ Electron Spin Resonance Dating
ที่มา https://journals.openedition.org/quaternaire/8003https://journals.openedition.org/quaternaire/8003

 
          2. การกำหนดอายุด้วยชั้นน้ำในหินออบซิเดียน (Obsidian Hydration Dating) หมายถึงการวิเคราะห์หินออบซิเดียนซึ่งเป็นหินภูเขาไฟแบบหนึ่งที่มีสมบัติในการดูดน้ำผ่านผิวหน้าแล้วสะสมเอาไว้ภายในโครงสร้างที่เรียกว่า ชั้นการเติมน้ำ (Hydration Layer) กล่าวคือเป็นการนำหินออบซิเดียนมาตัดเป็นแผ่นบางแล้วทำการวัดความหนาของชั้นการเติมน้ำโดยสังเกตจากดรรชนีการหักเหของแสง (Refraction Index) ที่บริเวณขอบของชั้นน้ำด้วยกล้องจุลทรรศน์ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้อาจมีความคลาดเคลื่อนเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความชื้นที่แตกต่างกันในแต่ละพื้นที่และช่วงเวลา


หลักการของ Obsidian Hydration Dating
ที่มา https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007%2F978-94-007-6326-5_39-1

 
          3. การกำหนดอายุของแหล่งน้ำใต้ดินโบราณ โดยอาศัยการสลายตัวของไอโซโทปของคริปตอน-81 (Krypton-81) คลอรีน-36 (Chlorine-36) และทริเทียม (Tritium) ที่ถูกปิดกั้นอยู่ภายในชั้นน้ำ (Aquifer)


          พออ่านมาถึงตรงนี้ ผู้อ่านคงจะทราบแล้วว่าความรู้ทางฟิสิกส์และเคมี โดยเฉพาะวิธีทางสเปกโทรสโกปี (Spectroscopy) มีส่วนช่วยอย่างมากในการกำหนดอายุของหลักฐานทางโบราณคดี แต่ความรู้ทางชีววิทยาก็ไม่น้อยหน้า เพราะยังมีการกำหนดอายุของสิ่งมีชีวิตในอดีตโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของกรดอะมิโนที่เรียกว่า Amino Acid Racemization Dating (AAR) โดยวิเคราะห์จากอัตราส่วนของ L-Amino กับ D-Amino ที่เปลี่ยนแปลงไปหลังสิ่งมีชีวิตตายลง นอกจากวิธีการทางวิทยาศาสตร์ อายุของศิลปวัตถุยังสามารถประมาณค่าได้จากลวดลายหรือรูปแบบเฉพาะตัวด้วยความรู้ทางประติมานวิทยา (Iconography) ส่วนข้อมูลจำพวกภาษาก็สามารถนำความรู้ทางลำดับภาษากาลวิทยา (Glottochronology) มาวิเคราะห์ ซึ่งสิ่งเหล่านี้มักจะสอดคล้องกับความเชื่อทางวัฒนธรรมตามหลักคติชนวิทยา (Folkloristics) สำหรับบทความตอนต่อไป ผู้เขียนจะพาผู้อ่านย้อนเวลากลับไปดูว่าบรรพบุรุษของเราในยุคโบราณใช้ชีวิตอยู่ในสภาพแวดล้อมแบบใด มีภัยพิบัติเกิดขึ้นหรือไม่ และนักวิทยาศาสตร์ทำการสืบหาข้อมูลอย่างไร โปรดรอติดตามครับ

 
บทความโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์


เอกสารและสิ่งอ้างอิง
 
บทความฟิสิกส์ล่าสุด
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์บรรลุความแม่นยำระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนในการศึกษาการแกว่งของนิวทริโน 20-08-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 4 19-07-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 3 04-03-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2 29-02-2024
สมาคมฟิสิกส์ไทย
ติดตามเรา