Nếu có thể hỏi một hòn đá rằng nó bao nhiêu tuổi, nó chắc chắn không thể trả lời. Nhưng khoa học lại có một cách đặc biệt để “hỏi” nó: tìm kiếm những đồng vị phóng xạ bên trong. Điều kỳ lạ là những nguyên tử này không cần biết con người đang quan sát chúng. Chúng tự phân rã theo một tốc độ gần như cố định, biến đổi từ “đồng vị mẹ” thành những sản phẩm phân rã khác. Chính quá trình ấy trở thành một chiếc đồng hồ tự nhiên khổng lồ.

Ảnh: slideserve

Mỗi đồng vị phóng xạ có một đặc điểm quan trọng gọi là chu kỳ bán rã: khoảng thời gian cần thiết để một nửa số nguyên tử ban đầu phân rã. Sau một chu kỳ bán rã còn một nửa; sau hai chu kỳ còn một phần tư; sau ba chu kỳ chỉ còn một phần tám. Vì tốc độ này đã được xác định bằng thực nghiệm, các nhà khoa học có thể đo lượng đồng vị mẹ còn lại và lượng sản phẩm “con” được tạo ra để tính ngược thời gian.

Ảnh: chem.libretexts

Điều này biến những nguyên tử vô cùng nhỏ bé thành công cụ đo những khoảng thời gian khổng lồ. Uranium-238 có chu kỳ bán rã khoảng 4,5 tỷ năm và phân rã thành chì-206; uranium-235 có chu kỳ khoảng 704 triệu năm; potassium-40 có chu kỳ khoảng 1,25 tỷ năm. Những “đồng hồ” khác nhau vì thế có thể được sử dụng cho những khoảng thời gian khác nhau.

Một trong những phương pháp nổi tiếng nhất là carbon-14, đặc biệt hữu ích với các vật liệu hữu cơ. Carbon-14 được tạo ra trong khí quyển và đi vào chu trình carbon của sinh vật. Khi một cây cối hoặc động vật chết, quá trình trao đổi carbon với môi trường chấm dứt, trong khi carbon-14 tiếp tục phân rã. Với chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm, lượng carbon-14 còn lại có thể giúp xác định thời điểm sinh vật chết, thường trong phạm vi hàng chục nghìn năm.

Ảnh: savemyexams

Nhưng có một điều rất dễ hiểu nhầm: không phải cứ có đồng vị phóng xạ là có thể xác định tuổi chính xác. Các nhà khoa học phải biết điều kiện ban đầu của mẫu, tốc độ phân rã, đồng vị đã có thể bị thất thoát hay nhiễm thêm từ môi trường hay không. Vì vậy, nhiều mẫu còn được kiểm tra bằng những phương pháp khác để đối chiếu kết quả.

Nhờ những “chiếc đồng hồ” nguyên tử ấy, con người không chỉ xác định tuổi của đá, hóa thạch hay di tích mà còn có thể dựng lại lịch sử địa chất của Trái Đất. Năm 1956, phương pháp chì–chì được sử dụng để xác định tuổi của thiên thạch Canyon Diablo vào khoảng 4,55 tỷ năm, một kết quả quan trọng trong việc xác định tuổi Trái Đất và Hệ Mặt Trời.

Điều thú vị nhất có lẽ nằm ở chỗ: thời gian không phải lúc nào cũng cần được nhìn thấy để được đo lường. Nó có thể để lại dấu vết trong chính cấu trúc của vật chất. Một hạt uranium nằm im trong tinh thể hàng tỷ năm, từng chút một biến đổi thành chì, đã vô tình trở thành “nhân chứng” cho một lịch sử dài hơn rất nhiều so với toàn bộ nền văn minh nhân loại.