在美国大西洋沿岸，考古学家发现了美洲原住民在4000多年前留下的牡蛎壳。在摩洛哥，古生物学家挖掘出了1.68亿年前漫步地球的恐龙化石。研究人员是如何确定这些年龄的？在检查过去的遗迹时，专家们使用放射性测年法，这是一种通用的技术，涉及计算样品中仍然存在的某些元素的放射性原子。研究的具体元素以及过程的细节取决于科学家希望测定年代的物体的近似年龄。
对于过去约5万年的人类或动物遗骸和人工制品，研究人员会查看样品中碳14的水平。宾夕法尼亚州立大学的考古学家何塞·卡普里莱斯说，这种同位素也称为“放射性碳”，是由宇宙射线与地球大气层中的氮碰撞产生的。在化学上，碳14的行为与它的稳定同胞（碳12和碳13）完全相同，使植物能够在光合作用过程中吸收它，然后将其传递到食物链中。当动物和植物活着的时候，它们体内的碳14含量往往与它们的环境相同。但是，卡普里莱斯说，“当生物体死亡时，它们会停止消耗或吸收放射性碳”，“放射性过程就开始启动”，同位素衰变回氮。因此，研究人员将碳14的量与碳12和碳13的水平进行比较，以确定生物体死亡后经过了多少时间。
死亡生物体中碳14的量呈指数衰减，在大约5730年后降至初始值的一半。使用加速器质谱仪，研究人员可以很容易地测量样品中的放射性碳。更棘手的任务是估计当生物体活着时，环境中应该存在多少放射性碳，这可以作为比较的基线。
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卡普里莱斯说：“太阳耀斑和其他事件会影响高层大气中放射性碳的含量。” “而且，放射性碳在整个世界的分布也[有]些许不同。” 基于来自树木年轮、冰芯和其他来源的测量，研究人员设计了校准曲线，显示环境中碳14的浓度如何随时间变化。卡普里莱斯说，北半球、南半球和海洋环境都有单独的校准曲线。为了获得最精确的年代测定，他和其它考古学家还会考虑导致大气放射性碳局部变化的因素。
卡普里莱斯研究了最早的南美洲居民，他们从北方来到这里，并在大约15000年前开始在整个大陆分散。在每个考古遗址，他和他的同事“只想知道人们何时在那里”，他说。“他们在那里待了多久？他们的居住强度是多少？” 为了重建一个遗址的时间线，卡普里莱斯补充说，“没有比在骨骼、布料、种子和我发现的任何其他有机材料上使用放射性碳测年法更好的方法了”。但是，在超过约5万年的遗址中，死亡生物体中的碳14几乎都已衰变，因此研究人员必须转向寿命更长的元素。
一些放射性元素起源于地球地幔，通过火山过程到达地表，并被困在土壤和岩石中的矿物晶体中。例如，在数百万年的过程中，铀235和铀238会经历多步衰变，变为铅的同位素，这使它们成为古生物学的理想选择：研究人员可以通过测量铅同位素与铀同位素的比率来确定样品的年龄。但是，使用这种技术来测定数百万年前生物（如恐龙）的化石年代远非易事。圣克劳德州立大学的古生物学家莎拉·吉布森说：“化石本身通常无法直接测定年代。”她研究的是大约2.3亿至1.5亿年前，即中生代早期鱼类的进化。
化石通过各种过程形成，其中最常见的过程称为渗透矿化。当已故的生物体被埋葬时，渗透矿化可以保存其坚硬的部分，例如骨骼。当水渗入遗骸时，水中的矿物质会填充骨骼中的缝隙，凝固成晶体结构，最终取代有机物质。当矿物质形成化石时，它们不再“新鲜”——内部的铀已经衰变了数百万年。试图直接测定其年代会产生错误的结果——比生物体本身古老得多。因此，吉布森解释说，科学家必须“依靠化石周围或附近的地址地质构造”来计算它们的年龄。由于化石通常在沉积岩层中发现，古生物学家可以通过检查沉积岩上方或下方的矿物质来测定它们的年代。
锆石是一种在火成岩中常见的矿物，被证明特别有用。当锆石在冷却的岩浆中形成时，其晶体结构包含铀，但不含铅。因此，锆石样品中存在的任何铅都必须是通过铀的放射性衰变形成的。这一特征使地质学家能够测定火山灰流的年代，这些火山灰流像史前蛋糕层一样散布在沉积岩层中。在沉积岩中发现的任何化石都必须比下面的火山灰年轻，比上面的火山灰古老。
到目前为止，一切都很好。但是，如果没有靠近化石的火山灰层怎么办？吉布森说：“这并不总是那么简单明了。” “在我曾在犹他州工作的化石遗址，我们必须从亚利桑那州[已经测定年代的岩层]向北追踪[岩层]，并尝试将[它们]与[犹他州]不同的地质构造联系起来。然后，我们可以根据相对位置估算出某物有多老或多年轻。” 这种方法很像将生日蛋糕的一层追踪到蛋糕的另一侧。在其他情况下，研究人员可以使用附近的“指示化石”来测定化石遗骸的年代，这些指示化石是已知在特定狭窄时间范围内存在的物种的化石。另一种技术，磁性地层学，研究地球磁场在岩石中留下的磁性特征，因为它的方向缓慢移动。
为了了解鱼类解剖结构随时间的变化，吉布森依赖于铀铅测年法、磁性地层学和指示化石的结果。然而，由于确定岩层年代存在困难，她自己不进行放射性测年。她说：“你不可能精通一切。这就是为什么你要找能做这类工作的同事。” “我真的依赖其他地质学家和化学家的工作来弄清楚这些具体的日期。”
近几十年来，随着科学家对地球过去的了解越来越多，放射性碳测年法和铀铅测年法的准确性和精确度都得到了提高。事实上，研究人员今年发布了放射性碳校准曲线的主要更新。从最早的动物到人类文明的兴起，“我们都在共同努力，在彼此研究的基础上，拼凑出时间的快照，”吉布森说。