Trong bảo tàng, tấm biển bên cạnh một tảng đá hàng trăm triệu năm tuổi ghi tuổi của nó cụ thể đến ngạc nhiên. Thế nhưng chẳng ai tận mắt thấy thời đại ấy, và trên đá cũng không khắc sẵn lịch. Vậy người ta đã dựa vào đâu để biết tuổi? Chìa khóa nằm ở chiếc đồng hồ nguyên tử chạy rất chậm và đều đặn bên trong lòng đá.
Phương pháp này gọi là định tuổi phóng xạ (Radiometric Dating). Đó là kỹ thuật so sánh lượng đồng vị phóng xạ có trong đá hay hiện vật với lượng chất do nó biến đổi mà thành, rồi từ đó tính mẫu vật cổ đến mức nào, và ngày nay là công cụ quan trọng nhất để biết tuổi tuyệt đối của Trái Đất và hóa thạch.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt xem định tuổi phóng xạ đọc thời gian theo nguyên lý nào, các phương pháp đo tiêu biểu khác nhau ra sao, tuổi của Trái Đất đã được xác định thế nào, và để tin chiếc đồng hồ này thì cần thận trọng điều gì.
Cách đọc chiếc đồng hồ nguyên tử trong lòng đá
Chiếc đồng hồ đều đặn do chu kỳ bán rã tạo nên
Hạt nhân nguyên tử không bền sẽ tự biến thành nguyên tử khác theo thời gian, gọi là phân rã phóng xạ. Không thể biết một nguyên tử riêng lẻ nào đó sẽ biến đổi lúc nào, nhưng khi có thật nhiều nguyên tử tụ lại, thời gian để một nửa trong số đó biến đổi là cố định. Đó chính là chu kỳ bán rã.
(1) Nguyên tố mẹ và nguyên tố con
Nguyên tử trước khi biến đổi gọi là nguyên tố mẹ, nguyên tử sinh ra sau khi biến đổi gọi là nguyên tố con. Đo tỉ lệ của hai loại trong mẫu là biết sự phân rã đã diễn ra đến đâu.
(2) Tốc độ không bị môi trường làm lung lay
Chu kỳ bán rã do tính chất của hạt nhân quyết định, nên hầu như không bị nhiệt độ, áp suất hay phản ứng hóa học tác động. Chính sự bất biến này cho phép dùng nguyên tử làm đồng hồ.
(3) Khoảnh khắc đồng hồ bắt đầu chạy
Đồng hồ bắt đầu chạy từ lúc nguyên tố mẹ và nguyên tố con không thể ra vào được nữa, như khi khoáng vật nguội đi từ magma và kết tinh. Vì vậy, tuổi đo được chỉ thời điểm tảng đá nguội và đông cứng lại.
Nếu ví với đồng hồ cát, đó là đọc xem thời gian đã trôi qua bao lâu từ tỉ lệ giữa cát còn ở phần trên và cát dồn lại ở phần dưới. Chỉ cần nhớ rằng qua một chu kỳ bán rã nguyên tố mẹ còn một nửa, qua hai chu kỳ còn một phần tư, qua ba chu kỳ chỉ còn một phần tám, là đã hiểu được một nửa nguyên lý.
Nhiều chiếc đồng hồ để chọn cho phù hợp với mẫu vật
Tốc độ phân rã mỗi loại một khác, nên mỗi chiếc đồng hồ đọc tốt ở một khoảng thời gian khác nhau. Có đồng hồ chính xác đến hàng nghìn năm, có đồng hồ đo được hàng tỉ năm.
- Cacbon-14 (Carbon-14): Chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Nó đi vào sinh vật qua khí cacbon đioxit trong không khí nên được dùng để đo tuổi các chất hữu cơ như xương và gỗ, giới hạn đo vào khoảng 5 vạn đến 6 vạn năm.
- Kali-argon (Potassium-Argon): Kali-40 có chu kỳ bán rã khoảng 1,3 tỉ năm, được dùng cho các loại đá cổ như đá núi lửa.
- Urani-chì (Uranium-Lead): Urani-238 biến thành chì với chu kỳ bán rã khoảng 4,5 tỉ năm, còn urani-235 khoảng 700 triệu năm. Hai chiếc đồng hồ cùng nằm trong một mẫu nên có thể đối chiếu kiểm chứng lẫn nhau.
- Rubidi-stronti (Rubidium-Strontium): Chu kỳ bán rã khoảng 50 tỉ năm, được dùng cho những tảng đá rất cổ hoặc mẫu vật Mặt Trăng.
Cacbon-14 do Willard Libby phát triển vào cuối thập niên 1940, và ông nhận giải Nobel Hóa học năm 1960 nhờ thành tựu này. Ngược lại, nếu dùng cacbon-14 cho tảng đá hàng trăm triệu năm tuổi thì gần như chẳng còn lại gì, nên không thể đo. Rốt cuộc, dùng đồng hồ nào là do độ dài thời gian muốn biết và mẫu vật là chất gì quyết định.
Bí mật của chì đã làm lộ tuổi Trái Đất
Định tuổi phóng xạ được Ernest Rutherford đề xuất năm 1905 như một cách để tìm tuổi Trái Đất, và đến năm 1907, khi Bertram Boltwood tính tuổi đá từ lượng chì trong khoáng vật urani, nó mới thực sự bắt đầu.
(1) Vai trò của zircon
Khi tinh thể zircon hình thành, nó nhận urani nhưng đẩy chì ra rất mạnh. Vì thế, chì hiện có bên trong gần như toàn bộ là do urani biến đổi mà thành, rất thích hợp để đọc tuổi. Tinh thể zircon ở Jack Hills, Tây Úc, được đo là có tuổi ít nhất trên 4,4 tỉ năm.
(2) Tuổi Trái Đất tìm thấy trong thiên thạch
Đá trên Trái Đất liên tục nóng chảy rồi đông cứng lại do kiến tạo mảng nên dấu vết ban đầu đã bị xóa. Vì vậy, thiên thạch hình thành cùng thời kỳ trở thành manh mối, và năm 1956 Clair Patterson phân tích đồng vị chì của thiên thạch Canyon Diablo cùng một số thiên thạch khác, thu được giá trị khoảng 4,55 tỉ năm.
(3) Giá trị ngày nay
Sau đó phép đo ngày càng chính xác, và hiện nay tuổi Trái Đất được cho là khoảng 4,54 tỉ năm (sai số khoảng 50 triệu năm). So với giá trị của Patterson, sau gần 70 năm bức tranh lớn vẫn được giữ nguyên.
Nếu không có thiên thạch, những hóa thạch của vũ trụ, thì khoảnh khắc đầu tiên của Trái Đất có lẽ đến nay vẫn còn chìm trong sương mù.
Điều kiện và việc kiểm chứng để tin vào chiếc đồng hồ
Định tuổi phóng xạ không phải cỗ máy cứ đưa số vào công thức là ra đáp án, mà là một ngành khoa học cần xác nhận một vài tiền đề. Quá trình xem xét các tiền đề đó có vững hay không chính là điều tạo nên độ tin cậy.
(1) Giả định về hệ kín
Sau khi mẫu hình thành, nguyên tố mẹ hay nguyên tố con không được thoát ra hoặc lọt vào. Nếu đá bị nung nóng lần nữa, nguyên tố con có thể thoát đi và đồng hồ bị đặt lại về điểm xuất phát.
(2) Phương pháp đẳng niên (Isochron)
Nếu chấm tỉ lệ của nhiều khoáng vật trong cùng một tảng đá lên một đồ thị và nối thành đường thẳng, ta có thể tìm ra tuổi dù không biết lượng nguyên tố con ban đầu. Việc đường thẳng khớp tốt tự nó là bằng chứng cho thấy mẫu còn nguyên vẹn.
(3) Đối chiếu bằng các phương pháp khác nhau
Với đá gneiss Amitsoq ở Tây Greenland, phương pháp urani-chì cho khoảng 3,6 tỉ năm, phương pháp chì-chì cho khoảng 3,56 tỉ năm, và hai kết quả khớp nhau rất tốt.
Việc những chiếc đồng hồ độc lập cho ra cùng một đáp án chính là lý do vững chắc nhất để tin vào định tuổi phóng xạ. Dũng khí tin vào tốc độ của những nguyên tử không nhìn thấy được để đặt câu hỏi về quá khứ xa xăm, đó là bước đầu tiên của định tuổi phóng xạ.
