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3 Ottobre 2001 SCIENZA
Ervan Garrison Physiscs Today
Fisica e Archeologia
tempo di lettura previsto 17 min. circa

Tecniche basate su parametri fisici stanno offrendo dati molto accurati sui nostri antenati preistorici, influenzando profondamente la nostra conoscenza del passato.

L´archeologia tradizionale non è mai stato un campo che sopportasse facilmente i limiti imposti dalla scienza. Solo gradualmente gli archeologi hanno accettato la fisica come strumento di ricerca archeologica. Di conseguenza, i fisici che lavorano in archeologia, i loro metodi e le loro teorie, non sono né conosciuti, né numerosi. L´archeometria, il più vasto campo dell´archeologia scientifica conosciuto, non ha ma avuto un Heisenberg o un Einstein, né principi fondamentali o teorie della relatività. L´unica scoperta fisica ad avere realmente rivoluzionato l´archeologia è stata la datazione al radiocarbonio. Willard Frank Libby vinse il Premio Nobel nel 1960 per avere sviluppato la tecnica.

Anche se i fisici hanno ancora da produrre un nuovo avanzamento radicale e drammatico come la datazione al radiocarbonio, sanno comunque come lasciare il marchio sulla moderna archeologia. Per capire perché, consideriamo la definizione di archeologia offertaci da William Stiebing Jr:

"Per parlare semplicemente, l´archeologia è lo studio del passato dell´umanità mediante la scoperta e l´analisi dei suoi resti materiali".

La natura dei reperti archeologici, imperfetti, frammentari, ed, in molti casi, completamente sconosciuti agli occhi moderni, rende lo studio e l´interpretazione degli stessi difficili e altamente fallibili.

La ragione per questo stato di cose è palese. Più lontani si viaggia indietro nel tempo, più i resti del materiale sono scarsi, e meno probabilmente essi sopravvivranno alle forze naturali. Uno dei maggiori problemi nel dimostrare come gli umani e le loro culture si sono evoluti dai più semplici e antichi inizi, è appunto la scarsità delle prove. Quando gli archeologi rinvengono un artefatto, si chiedono: Quanti anni può avere? Di che cosa è fatto? Da dove arriva?

Questi sono problemi che la scienza, in particolare la fisica, può aiutare a risolvere. Ed è la domanda archeologica che determina la scelta di una particolare tecnica fisica.

Datazione ai radioisotopi.

I radioisotopi hanno una probabilità di decadimento caratteristica, detta vita-media, che li rende più o meno utili alla datazione degli oggetti che li contengono. Il Carbonio 14 per esempio, ha la vita media relativamente breve di 5730 anni. Nella prima dimostrazione archeologica della datazione al radiocarbonio, Libby determinò l´età degli oggetti lignei trovati nella tomba di un faraone egizio.

Con la scoperta di fossili ancora più antichi, la data dei primi orizzonti dell´umanità si è spostata stabilmente indietro, al confine del Pliocene-Pleistocene ovvero 5 milioni di anni fa – ben oltre il limite di circa 5000 anni della datazione al radiocarbonio. Superare un tale limite è stato un problema nodoso fino ai tardi anni ´40, quando Alfred Nier ha confermato la previsione di Carl Friedrich von Weizacker secondo la quale l´Argo-40, un prodotto del decadimento del potassio-40, si sarebbe accumulato in minerali vulcanici.

Quando la lava viene eruttata da un vulcano, il gas Argo vi rimane intrappolato. Ma il potassio, in una combinazione naturale di potassio40 radioattivo e potassio39 non radioattivo, rimane. Il potassio40 decade in Argo40, che quindi inizia ad accumularsi. A 4.1 bilioni di anni, la vita media dell´Argo40 è ideale per datare gli antichi umani. Misurando l´ammontare dell´Argo accumulato nella roccia, è possibile determinare l´età della roccia, così di come ogni fossile che si trovi nello stesso strato.

Un fossile simile è ad esempio l´Homo Erectus conosciuto come "Uomo di Java". Il famoso reperto fu ritrovato nel 1891 dal paleontologo olandese Eugene Dubois sulle terrazze di Trinil del Fiume Solo in India. Da questa scoperta in avanti, l´uomo di Java ha formato oggetto di controversie. Fino al tardo XX secolo è stato dibattuto il suo posizionamento preciso nell´albero evoluzionistico umano, principalmente a causa dell´impossibilità di ottenere dati assolutamente affidabili per il contesto geologico ed archeologico dei fossili di Java.

Dubois stesso, divenuto un eccentrico nei suoi ultimi anni, ha sempre sostenuto che la sua scoperta fosse estremamente antica, un argomento che basava sul contesto stratigrafico e su un forte desiderio pregiudiziale di dimostrare l´origine non europea dell´umanità.

Nel tardo XIX secolo, la scoperta dei fossili di Cro-Magnon e di Neanderthal in Francia e Germania fu originariamente ritenuta utile per posizionare le origini dell´antica umanità in Europa. Ora, grazie alla datazione all´Argo40, è stato accertato che l´Africa – e non l´Asia, come Dubois sostiene—sia la culla genetica della prima umanità.

I recenti tentativi di datazione utilizzano il metodo radiogenico all´Argo40, che consente di determinare età di circa 0.6 milioni di anni, anche se, nel 1993 Carl Swisher ed i suoi collaboratori all´Università di California, Berkeley, hanno ri-datato due depositi di pomice dal cranio dell´Uomo di Java come originati tra 1.81 1.66 milioni di anni or sono. Questa nuova scoperta è stata certo una sorpresa, ma la sua validità sembrerebbe sicura, data la comprovata affidabilità del più innovativo metodo radiogenico al potassio ed il rigore con cui i nuovi dati sono stati ottenuti. Perché questa è una scoperta così determinante?

Il tipo tassonomico dell´Homo Erectus, a cui l´esemplare di Java appartiene, è intermedio tra il più antico fossile trovato sia nel sud che nell´est dell´Africa (da 4 a 1.8 milioni) e le più tarde varietà, arcaiche e moderne, dell´Homo Sapiens in Europa, Africa e del Medio ed Estremo Oriente (attorno a 0.5 milioni di anni or sono). Prima della datazione all´Argo40/39, i fossili Java sembravano conformarsi convenientemente alla fase finale della sequenza dell´erezione, sia cronologicamente che in termini di modelli teorici per la migrazione di quei tipi di ominide fuori dell´Africa nel medio Pleistocene. Ma i nuovi dati pongono questi modelli sotto esame. Parlando statisticamente, gli africani orientali (1.6 milioni) e gli uomini di Java (1.8 milioni) sarebbero coevi. Come, allora, potè l´Homo Erectus spostarsi dall´Africa orientale all´estremo oriente così rapidamente?

Le nuove prove fossili dalla Cina e dal Caucaso indicano che l´Homo Erectus lasciò l´Africa attorno 2.0 milioni di anni or sono, per arrivare in Asia 0.1-0.2 milioni di anni più tardi. A quel tempo, il livello del mare era più basso, abbreviando la più verosimile rotta costiera di dispersione. I fossili indicano che, paragonati ai loro simili africani, gli umani che arrivarono in Asia possedevano cervelli più grandi, gambe più lunghe, una dieta più variata, ridotto dimorfismo sessuale, comportamento culturale più complesso, che dava luogo alla formazione di gruppi sociali, e alla manifattura di strumenti, e, molto probabilmente, miglior regolazione della temperatura del corpo tramite una muscolatura ed una respirazione più efficienti. Tutti questi cambiamenti pre-adattarono il tipo tassonomico dell´Homo Erectus a condizioni climatiche più estese, ambienti differenti, ed una dispersione territoriale maggiore che divenne, quando le opportunità aumentarono, intercontinentale.

Il salto.

Tra il limite superiore della datazione al radiocarbonio (circa 5000 anni) ed il limite inferiore della datazione al potassio radiogenico (circa 0.5 milioni di anni) esisteva anche una lacuna cronologica definita "gap". Questo lasso temporale abbraccia la transizione degli umani arcaici nelle forme moderne, e la mancanza di mezzi affidabili di datazione dei fossili dal gap era, per questo, inaccettabile. Fortunatamente negli ultimi decenni, sono stati sviluppati alcuni metodi di datazione, che ora vengono utilizzati per colmare questa lacuna.

Tra questi nuovi metodi di datazione ve ne sono tre che si basano sulla ricerca del danno determinato dall´accumulo di radiazioni per stabilire l´età di minerali e resti organici. Questi metodi, aventi ognuno il nome del fenomeno fisico che rende la ricerca possibile, sono la termoluminescenza (TL), la luminescenza stimolata otticamente (OSL) e la risonanza dello spin dell´elettrone (ESR).

Considerate per la prima volta da Robert Boyle nel 1663, la TL ed il suo cugino più giovane OSL, misurano i fotoni emessi quando gli elettroni sono liberati. Nel caso di TL, si produce un´emissione di fotoni quando il campione viene riscaldato. Con l´OSL, l´emissione si verifica quando il campione è esposto alla luce della banda nascosta, verde-blu o infrarossa. Sia nel TL che nel OSL i dati di base prodotti sono determinati dall´intreccio di energia cumulativa rilasciata contro temperatura, detta curva luminosa.

Interpretare le curve luminose richiede la fisica. Quando la radiazione ionizzata è incidente sul cristallo, si crea tra le bande di conduzione e di valenza una popolazione di elettroni intrappolati. La profondità della trappola, o livello quantico, in termini energetici, determina l´ammontare di energia termica (TL) oppure ottica (OSL) necessaria per liberare l´elettrone, così che esso ritorni ad un livello di energia all´interno della struttura orbitale regolare degli atomi del cristallo. Una volta lì, esso può emettere un fotone rilevabile. Non tutti i livelli quantici sono centri di luminescenza termica, ma un numero sufficiente viene a creare la radiazione necessaria per TL e OSL, e può essere punto di partenza per un metodo di datazione la cui popolarità è in crescita.

Gli esperimenti di laboratorio dimostrano che il TL varia in modo lineare con la quantità di radiazione fino a che si satura ad un livello che, se portato al naturale tasso d´esposizione, richiederebbe 500.000 anni per essere amministrato. La determinazione dell´età è perciò una questione di semplice comparazione tra il TL del reperto sotto esame e quello di un altro oggetto del medesimo materiale, a cui sia stata somministrata una dose equivalente ad un anno di valore di esposizione naturale. In pratica, il metodo conduce prontamente alla determinazione dell´età con un´accuratezza prossima al 100%.

Poiché possono essere usati anche su singoli granelli di minerale, il TL e l´OSL sono tecniche praticamente non-distruttive e sono state applicate ai grani di cristallo all´interno di quelli che sono i più comuni reperti, come frammenti di terraglie, sedimenti e minerali silicei.

L´ ESR, la terza tecnica di datazione basata sui danni da radiazioni, è simile a TL e OSL in quanto dipende dalla presenza di elettroni intrappolati. I cristalli in natura contengono difetti chiamati "vacanze", nelle quali cioè un atomo manca da un punto del reticolo. Quando il cristallo è esposto alla radiazione ionizzata, gli elettroni liberi che si vengono a creare, possono occupare le vacanze. Più lunga è l´esposizione alla radiazione, più le vacanze vengono a riempirsi.

Quantificare le vacanze riempite è la funzione dell´ESR, un cugino prossimo della risonanza magnetica nucleare (NMR). I calcoli e la determinazione dei calibri possono rivelare in questo modo non solo il numero degli elettroni intrappolati, ma anche l´identità degli atomi.

EVE ed il Neanderthal.

Il TL ed altre tecniche di datazione, si sono provate cruciali nel chiarire quella che è conosciuta come l´ipotesi Eve. Secondo questo modello teorico, basato sullo studio di DNA mitocondriale di linea femminile, tutta la moderna umanità (ovvero l´Homo sapiens) discenderebbe da un antenato africano battezzato Eve, che visse qualcosa come 200.000 anni or sono. Anche se il metodo usato per determinare l´antichità di Eve è in qualche modo discutibile, la maggior parte degli studiosi dell´evoluzione, accettano le linee generali di questa ipotesi. Pertanto, datare correttamente i siti abitati da ominidi in un periodo approssimativamente simile a quello di Eve, può assumere una grande importanza.

Anche se l´ipotesi Eve non è stata conclusivamente confermata, la datazione con ESR dei denti, la datazione con TL di schegge riscaldate dal medio Oriente, e la datazione con OSL dei campioni di suolo dalla regione africana del Katanga, hanno stabilito che una variante dell´Homo sapiens, già abile all´utilizzo di oggetti, viveva in Africa e nel Medio oriente, molto prima del periodo di Cro-Magnon (30.000 anni or sono) dell´Europa occidentale.

L´ipotesi Eve non è l´unico problema archeologico sul quale le nuove tecniche di datazione hanno gettato luce. Fino dalla sua scoperta nella valle tedesca di Neander, nel 1865, il tipo di ominide Homo Sapiens Neanderthalensis ha provocato discussioni e controversie circa il luogo esatto della genesi dell´umanità. Questo dibattito di lungo corso, ha riacquistato vigore con la formulazione dell´ipotesi Eve e le scoperte in Medio Oriente e nel Mediterraneo nel tardo ventesimo secolo.

La collocazione dell´Homo Sapiens Neanderthalensis tra le tarde forme del genere Homo nel Quaternario è stata fortemente contestata. I Neanderthaliani sono differenti dai moderni umani; la domanda a cui non si è ancora risposto è: quanto differenti? I Neanderthaliani formano una specie separata, una sottospecie o cosa?

Fino all´avvento dei metodi di determinazione dell´età come TL e ESR, la spiegazione scientifica più accettata affermava che l´uomo di Neanderthal fosse un predecessore del moderno umano (tipo Cro-Magnon). Una tale visione era comprensibile dato che gli archeologi e i bio-antropologi hanno dimostrato che i Neanderthaliani erano anatomicamente e culturalmente differenti dai loro successori e che la migliore datazione disponibile vedesse sparire l´ultimo dei Neanderthaliani attorno a 35.000 anni or sono.

I dati ottenuti, in particolare in Medio Oriente e nel Mediterraneo, hanno sfidato il sapere convenzionale. Provano che la posizione dei moderni e dei Neanderthaliani è stata superata di decine di millenni. Infatti, i moderni umani apparvero per la prima volta, non attorno a 40.000 anni fa, ma ben prima, 92.000 anni fa! I figli di Eve, con la loro grande arte e cultura, raggiunsero l´Europa più rapidamente di quanto mai supposto. I Neanderthaliani e gli antenati dei moderni umani vissero fianco a fianco per millenni, forse separati o forse unendosi culturalmente o biologicamente con i loro vicini moderni.

Spettrometro ad accelerazione di massa

Un´altra tecnica di datazione fisica, è lo spettrometro ad accelerazione di massa (AMS). Sviluppatosi nel 1970, l´ AMS funziona come qualsiasi altro spettrometro di massa, nel senso che utilizza campi elettrici e magnetici per separare ed identificare gli ioni per mezzo del rapporto massa/carica.

L´acceleratore di particelle è necessario per separare gli atomi di carbonio da qualsiasi altro atomo cui siano legati (normalmente l´idrogeno). L´AMS è una tecnica sorprendentemente sensibile, e permette l´uso di campioni del peso di millesimi di grammo, per la datazione diretta dei materiali archeologici. L´uso di campioni così piccoli non è praticabile nella tradizionale datazione al radiocarbonio, che si basa sul conteggio di un numero sufficiente di decadimenti beta, per stabilire in modo affidabile il tasso di decadimento.

L´abilità dell´AMS nella datazione di piccoli campioni si è rivelata cruciale, ad esempio, nell´analisi della Sindone di Torino, una reliquia ritenuta da molti essere il sudario di Gesù Cristo. La Chiesa Cattolica di Roma, che possiede la Sindone, la considerava di troppo valore per permettere che venissero rimosse porzioni adeguate alla datazione convenzionale al radiocarbonio; ma nel 1988, ha acconsentito ai primi test di datazione. Piccoli brani della spoglia sono stati mandati in sette differenti laboratori per la datazione mediante AMS ed il conteggio dei gas. I risultati hanno collocato la lavorazione della Sindone nel Medio Evo, attorno al 1300, come indicato da precedenti analisi dell´immagine e dalla sua tecnica di produzione.

Interessante, date le controversie sorte attorno alla Sindone, che la data determinata tramite AMS sia anche coincidente con l´annuncio di papa Clemente VII, datato 1389, che si usa esporre insieme alla Sindone:

"...La suddetta forma o rappresentazione non è il reale sudario di Nostro Signore Gesù Cristo, ma una sorta di dipinto realizzato come rappresentativo del suo sudario."

L´AMS è fondamentale anche in un altro campo archeologico. Nel 1991 il pubblico fu affascinato dalla scoperta di una mummia perfettamente preservata ad un´altitudine di 3000m sulle alpi tirolesi italiane. Soprannominato "L´uomo delle nevi", e successivamente Otzi, come il passo montano in cui fu trovato, questa scoperta archeologica unica, ad un´altitudine del tutto inaspettata, ha condotto gli studiosi di archeometria a riconsiderare l´idea della preistoria umana ed la collocazione cronologica del prima utilizzo dei metalli. Anche se forse non è epocale come la ri-datazione del materiale di Java e di Neanderthal, le analisi archeometriche di Otzi e degli oggetti trovati vicino al lui, hanno riservato delle sorprese, non ultima la sua antichità e la composizione dell´ascia di metallo che portava con sé al tempo della sua morte.

Al momento del ritrovamento, si credette che l´ascia fosse di bronzo, e si collocò così Otzi nell´età del Bronzo, stimando che egli visse attorno al 1800 a.C. Ma l´ascia costituiva un esempio di tecnologia che portò gli archeologi a sospettare una differente data di manifattura, e quindi un´affiliazione culturale, non più tarda del 2300 a.C. L´ AMS ha posto così la data di morte di Otzi tra il 3300 ed il 3200 a.C.

Per analizzare l´ascia di Otzi fu utilizzata anche un´altra tecnica basata sulla fisica, la fluorescenza a raggi-x (XRF). L´ XRF mostrò che il metallo di cui era fatta era rame, e non bronzo. Il metallo conteneva anche lo 0.22% di arsenico, e lo 0.09% di argento, indicando che l´originale fosse probabilmente malachite o azurite.

Otzi visse dunque tardo Neolitico, un periodo caratterizzato da una precoce sperimentazione della manifattura meccanica. La maggior parte delle culture del Neolitico dell´Europa Occidentale, lavoravano più sulla pietra che sul metallo. Infatti, Otzi aveva con sé oggetti nuovi e vecchi – un´ascia, emblema della più recente tecnologia e alcuni artefatti che sembravano più consoni ad un milieu culturale del Neolitico.

Tecniche geofisiche superficiali

Fino alla fine della Seconda Guerra Mondiale, i prospettori archeometrici avevano fatto uso estensivo di quelle che sono oggi conosciute come tecniche geofisiche superficiali. Attualmente, i tre più prominenti ritrovati di prospezione, usano campi elettrici, magnetismo, o radiazioni alle microonde per ricercare e selezionare oggetti sotto terra.

I geofisici hanno utilizzato tecniche elettriche e magnetiche nell´esplorazione dei minerali molto prima che gli archeometristi europei iniziassero ad applicare queste tecniche alla ricerca archeologica negli anni ´40. Nel 1946, R.J.C. Atkinson della Oxford University, adottò nella ricognizione un metodo basato sulla resistività, così da poter studiare i siti ad Oxford. Un altro pioniere fu J.C. Belshè. L´archeometrista, di base ad Oxford, divenne il primo ad usare un magnetometro a precessione protonica per propositi archeologici quando, nel 1957, monitorò la segnatura magnetica di una fornace romana ricostruita quando bruciava. Anche se gli anni ´90 videro un rinnovamento di interessi nei metodi tecnologici come i metri di resistività e conduttività, la sensibilità di sistemi come il magnetometro ed il radar di penetrazione del suolo (GPR), resero gli stessi molto più popolari in archeologia.

In prospettiva archeologica, con il magnetometro, possono essere rilevati contrasti locali (anomalie termiche), dal carattere magnetico di un sito. Le Borgne mostrò che la magnetizzazione del suolo è un prodotto della forza del campo terrestre e la suscettibilità magnetica del suolo, che proviene dai minerali che contengono ferro, come magnetite, ematite, e maghemite. In più, oggetti riscaldati, come contenitori d´argilla e terraglie, possono presentare un magnetismo termoresistente, nel quale l´oggetto trattiene il suo magnetismo in assenza di campo esterno.

Irwin Scollar, vice direttore del Rhineland State Museum di Bonn, ha creato il magnetometro a precessione protonica (PPM), un sistema fisico che può avere un maggiore impatto nelle prospezioni archeologiche. I principi fisici dietro il PPM sono stupefacenti. I protoni, ed altri momenti nucleari magnetici, tendono ad allinearsi con il campo magnetico terrestre. L´introduzione di un campo più forte, con un differente orientamento, fa sì che i protoni si re-allineino con il nuovo campo. Se quindi si elimina il nuovo campo, i protoni torneranno al loro allineamento originario. Nel fare questo, essi si sposteranno con una frequenza (di circa 2 kHz) che è proporzionale con il valore locale del Campo Magnetico Terrestre.

In attuali sistemi, l´effetto viene realizzato mediante viti a spirale (per creare un elettromagnete) attorno ad una bottiglia di acqua distillata o altre sostanze ricche di protoni. Quando l´elettromagnete è spento, i protoni inducono una debole corrente nella spirale. Misurando tale corrente si ottiene il locale campo magnetico.

I magnetometri hanno portato a parecchie scoperte significative. Nel 1968, Elizabeth Ralph usò un magnetometro al cesio di sua stessa progettazione per localizzare le case sotterrate di una cultura neolitica dei Balcani conosciuta come i Vinca. Negli anni ´70, Sheldon Breiner, che sviluppò un magnetometro a protoni con display digitale per la Geometrics Inc., localizzò una gigantesca testa scolpita di basalto precolombiana nello stato messicano di Tabasco. E negli anni ´80, Scollar localizzò e salvò dalla distruzione, i resti della città romana del secondo secolo d.C. Colonia Ulpia Trajana, precedentemente sconosciuta, nella Germania Occidentale.

Questa breve disamina di fisica ed archeologia ha menzionato solo una parte dei vari contributi che possono essere considerati. Tra i campi omessi vi sono la microscopia degli elettroni e la microscopia ottica, l´archeomagnetismo, e la spettroscopia ottica, la spettroscopia Mössbaure e la spettroscopia IR. Nuove affascinanti aree includono la spettroscopia NMR e a risonanza ionizzante, insieme con la microscopia ad analisi settoriale e la microscopia ad energia atomica.

L´uso della fisica in archeologia è ora generalmente accettato ed il vivace e produttivo dialogo tra i due campi continua.

Ervan Garrison, professore di geologia e antropologia all´Università della Georgia ad Athene, Georgia.


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