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考古中國:史記遺落的1200年歷史

作者:岳南
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第六章 夏代紀年的推算 加速器質譜儀定年技術的應用

第六章 夏代紀年的推算

加速器質譜儀定年技術的應用

一九九八年初,加速器質譜儀的設備改造接近尾聲,調試和方法學研究即將開始,這是一項繁重而艱鉅的任務,該由誰來擔此重任呢?郭之虞首先想到了劉克新副教授,因為他在北京大學建造加速器質譜儀的第一期工程中曾立下汗馬功勞,在加速器質譜儀調試上有豐富的經驗。不過,當時他正在澳大利亞國立大學做訪問學者。雖然因為他的工作出色,澳洲主管希望他能延期返國,但是郭之虞還是要求他按期回國。劉克新也放棄海外優渥條件,立即返國,隨即投入夏商周斷代工程中。
從上表可以看出,河南龍山文化晚期的時間排序為西元二一九〇至前一九六五年。
一九九八年十二月初,夏商周斷代工程提供北大加速器質譜儀專題組四種樣品進行盲檢,測定結果與考古所、北京大學考古系等兩個常規碳十四實驗室所得到的年代值在誤差範圍內基本一致。稍後,「工程」還選出七個樣品送交頗負盛名的加拿大多倫多大學加速器質譜實驗室和北大加速器質譜儀專題組進行比對測量。再後來,加速器質譜儀專題組對國際原子能機構(IAEA)提供的標準樣品進行了比對測量,前後兩期比對的結果均顯示了良好的一致性。與此同時,加速器質譜儀專題組有計畫地對一些樣品安排了複測,以檢驗測量結果的可靠性。與此同時,對一些考古學家有疑問的數據也安排了複測。藉由一系列的盲檢、複測和比對的結果表明,北京大學加速器質譜儀的測量結果有較高的可信度,提出的年代資料與真值的偏差,一般不會超過二個標準差的範圍(百分之九十五信度區間)。鑑於以上取得的可行性效果,北京大學加速器質譜儀專題組開始對夏商周斷代工程提供的批量樣品進行測定,並在測量過程中繼續深入地進行碳十四定年方法的研究,使得測量品質不斷得到改善和提高。
第三段、和*圖*書以王城崗四、五期;採骨頭樣品五件;擬合得其年代區間為西元前二〇五〇年至前一九六五年。
河南龍山文化晚期分為三段:
一九八三年,經教育部批准,北京大學成立與技術物理系血肉相聯的重離子物理研究所,根據校方的調整,郭之虞在系上繼續任教的同時,將主要精力投入到研究所的一系列研究工作之中。自一九八六年之後,郭之虞介入加速器質譜領域,並致力於這門學科的研究和發展。一九九三年,他被校方任命為重離子物理研究所副所長。郭之虞的主要精力依然放在加速器質譜學方面。夏商周斷代工程設立後,他理所當然地成為加速器質譜儀碳十四定年專題的主要成員之一。
加速器質譜碳十四定年是相對測量,即以標準樣品為參造來進行未知樣品,僅僅是一個基本公式就有一長串令人眼花撩亂的數字。當然,作為科學領域中先進技術的加速器質譜儀,操作和運算過程極其複雜,一般人很難領悟其中奧妙;面對如此複雜、嚴謹又精密的科學計算,負責這個專題的學者所付出的心力也可想而知。
儘管北京大學的加速器質譜儀繼一九九三年投入使用後,在三年多的時間裡取得了一批重要的科學研究成果。但由於資金投入有限,設備老化嚴重,加速器質譜儀的運行水準較低,性能也不十分理想,測定精度一般保持在百分之一至百分之二的誤差,且系統的穩定性差,故障率高,自動化程度較低。這種狀況顯然難以滿足夏商周斷代工作的需要。如果要達到具有國際先進水準的測量精度,勢必要提高技術並加強設備的改造。在時間極其有限的情況下,研究方案的正確性和實施組織的有效性就顯得格外重要。
第二段:以王城崗二、三期,瓦店一、二期,煤山二期為代表;
第一段、王城崗一期;採骨頭樣品二件;擬合得其年代區間介於西hetubook.com.com元前二一九〇年至前二一〇五年。
加速器質譜儀法專題組對考古人員提供的木炭或骨製樣本進行測定,碳十四年代值測出後,由深入研究過系列樣品樹輪校正法和貝葉斯統計學的學者馬宏驥,進行樹輪區線校正和計算,最後透過擬合,換算出一個誤差較小的日曆年代。
從一九九七年四月開始,專題組開始購置和安裝新設備,到一九九八年三月,設備安裝基本結束,開始全系統聯調,對不夠理想的部分進一步改造和調整。
由於之前用碳十四常規法所測二里頭遺址的年代最早為西元前一八八〇年,這就不難發現,河南龍山文化晚期最晚段為西元前一九六五年,與二里頭遺址最早段西元前一八八〇年之間有大約八十五年左右的缺口,從文化傳承關係和考古發現的層位關係來看,二里頭一期遺存常常疊壓在河南龍山文化遺存之上,二者在時間上緊密相接,其間不可能再有什麼缺口。但比較他們的文化面貌,卻又有著明顯的區別,這個區別表明河南龍山文化到二里頭文化出現過文化中斷現象。也就是說,二里頭文化不是河南龍山文化的自然延續,河南龍山文化也不是形成二里頭文化的全部來源。有鑑於此,夏商周斷代工程專家認為,河南新密市新砦遺址某些單位為代表的遺存,早於二里頭一期,晚於河南龍山文化晚期。根據這條線索,「工程」於一九九九年開始安排考古人員對新砦遺址再次進行了發掘,發掘結果證明新砦文化二期上接龍山文化晚期(新砦一期),下連二里頭文化一期,正填補了其間的缺口。如此可見,整個龍山的文化晚期到二里頭文化碳十四定年的年代跨度為西元前二一九〇至前一五二一年,總積年為六六九年。
當加速器質譜儀進入到調試與測量階段後,由於時間緊,任務重,機器不得不連續幾天幾夜不停地運轉,hetubook.com.com加班和值夜班對專題組人員已是家常便飯,在一年多的時間裡,劉克新、魯向陽等青年學者在機器邊日夜堅守,深怕發生故障和不可預測的事故。
第二段、王城崗二、三期;採骨頭、木炭等樣品三件;擬合得其年代區間介於西元前二一三二至前二〇三〇年。
北京大學加速器質譜儀改進之後,碳十四測量精度已由原來的百分之一至百分之二提高到千分之四至千分之五,定年誤差在卅二至四十年之間。就批量樣品的測量而言,所測樣品超過「工程」指定的二百五十個,並達到了國際水準。在其他方面也完全達到或超過了「工程」預期的效果。
郭之虞,一九四四年生於江蘇常熟市虞山腳下一個書香門第,祖父早年赴英國里茲大學學習鐵路建造專業,學成歸國後曾任粵漢鐵路建造總工程師,對中國鐵路發展事業有傑出貢獻。差不多在同時,郭之虞的外祖父也留學英國,在曼徹斯特大學攻讀化工專業,在結束了長達十三年的留學生活後,回國到北京大學工學院化工系任教授,後來任系主任。郭之虞自小跟外祖父在北京讀書,在外祖父的建議下,在一九六二年考入了北京大學技術物理系。正當他畢業準備在核科學領域大顯身手時,「文革」爆發,根據毛澤東關於知識份子要到基層接受工農兵再教育的最高指示,郭之虞被分配到東濰坊無線電三廠從事生產半導體二極管的工作,在這個集體所有的小廠裡,郭之虞一做就是十年,其間經歷了娶妻、生子的人生過程,也獲得了由一名普通工人升為技術組副組長的「榮耀」。當然,按他組織及技術人員開發新產品的貢獻,是完全有資格坐上技術組組長這把交椅的,不過按當時的政治條件,像他這樣的知識份子能當個副手,已經是領導者的恩賜了。
經過對王城崗遺址的系列含碳樣本進行加速器質譜儀碳十四定年並擬合,和*圖*書得出下列數據:
仇士華所言不虛,當他以碳十四定年專家身分和李學勤等著名學者一起會見國務委員宋健時,他就感到碳十四定年的常規法和加速器質譜儀法發揮重大威力和作用的時代已經來臨了。由於加速器質譜儀法具有靈敏度高、所需樣品量少、工效快等常規碳十四定年法不能比擬的特點,加速器質譜儀定年法就必然成為夏商周斷代工程中一個不可或缺的重要部分。為此,「工程」在立項中特設加速器質譜儀定年專題,其主要研究目標和預期成果是;將北京大學加速質譜儀的碳十四測量精度提高到千分之三至千分之五(相當於上下四十年)的水準;提高加速器質譜儀測量的工效和系統的可靠性,完善加速器質譜儀碳十四定年的方法;為夏商周斷代工程測量樣品二百五十個。「工程」領導小組任命該專題組長由郭之虞教授擔任,並全權負責加速器質譜儀定年事宜。
第一段:以王城崗一期、煤山一期為代表;
第三段:以王城崗四、五期,瓦店三期為代表。
從一九九六年初開始,加速器質譜儀定年專題組進行了大量的文獻調研,並召開了多次方案討論會。在專題的可行性經專家論證通過後,又落實具體實施方案,並廣泛聽取了國際同行的意見。一九九六年五月下旬,專題組成員、青年核子物理學家魯向陽,在參加第七次加速器質譜儀國際會議期間,曾與世界上各加速器質譜儀實驗室的專家就設備技術升級改造問題進行探討,並向他們瞭解對當時兩種流行的商品化離子源的評價。一九九六年十一月,專題組組長郭之虞與專題組成員、年輕的學者汪建軍二人赴美國進行考察,訪問了幾家居世界先進地位的加速器質譜儀實驗室,與美國專家深入討論技術問題,並訪問了美國國家靜電公司(NEC),考察了其商品化的加速器質譜儀專用離子源。當時正在澳大利亞國立大學訪問的專m.hetubook.com•com題組成員、青年學者劉克新副教授,也及時回饋了他在該處調度與使用美國國家靜電公司離子源的情況與經驗。在此基礎上,專題組經過與國外兩家商業公司直接談判,並綜合考慮到價格等因素,才最後確定了購置設備、儀器的整體方案。
所幸的是,加速器質譜儀定年專家自承擔了夏商周斷代工程專題之後,得到了北京大學校領導和重離子物理研究所的高度重視與支持。先後有廿六名學者分別承擔了物理、機械、真空、電子、計算機等不同測定專業的工作。在設備改造期間,專題組人員四處採購零組件,運回後自己動手安裝,在安裝最大零組件時,正處於夏日酷暑,青年學者劉克新、魯向陽等顧不得斯文,光著汗淋淋的膀子,和其他學者們一道來回搬運。
為了保證任務的順利完成,按照基金重大項目的管理辦法,北京大學重離子物理研究所專門成立了由郭之虞、李坤等七人組成的專題學術小組。有關研究方案、技術路線、進度安排等重大問題均由學術小組研究決定,再由專題負責人執行。值得慶幸的是,經由前些年對加速器質譜儀的建造和運作,郭之虞等學者已積累了豐富的經驗,對現存問題有了清楚的瞭解。同時,加速器質譜學專家們近十幾年來一直與國際學術界保持密切聯繫,對國際上的研究進展與技術進步也有清楚的瞭解。所有這一切,又為完成專題奠定了技術上的基礎。
當然,這個積年並不能代表整個夏代的年數,有關夏代積年還要參照其他學科的研究情況進行整體推算。
在山東濰坊做了十年半導體二極管和三極管生產的郭之虞,隨著「文革」的結束,人生和事業的命運又有了新的轉折。一九七八年,恢復高考後,他考上第一屆研究所,重返北大校園,在著名核子物理學家虞福春和陳佳洱的指導下,重新開始了原子能物理學的學習和研究,直到一九八一年畢業後留校任教。
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