İnsanlık Tarihinin Yorumlanması ve Karbon-14 Yöntemi Üzerine

Çeviren/Derleyen: Emirhan Ertürk                 

Düzenleyen: Ümit Sözbilir

Bu yazının yazılış amacı: modern bilimin disiplinler arası dünyasına güzel bir örnek vermek ve Willard F. Libby’i ölümünün 40. yıl dönümünde saygıyla anmaktır.

İki ayak üzerinde yürüyen az kıllı fazla gelişmiş bir maymun olarak insanoğlu öz benliğini kazandığı andan itibaren doğayı ve evreni merak etmiştir. Bunun sebebi şiirsel bir meraktan ziyade doğanın bize verdiği yaşama arzusuna giden yolları içgüdüsel olarak anlama çabasıdır. Bahsedilen yollar o kadar çok kültürel ve coğrafi değişiklikle şekillenmiştir ki bu yollarda yürüyen atalarımız kan, vahşet, hayatta kalma ve sosyal bağlılık içgüdüsüyle yoğrulmuş (ilk bakışta ilkel ve korkunç görülse de basit ancak zekice bir akıl yürütmeyle düşünüre estetik zevk veren) bir anlayışla bizlere; uygarlık, kültür, sanat ve bugün bizi biz yapan olguları bırakmışlardır. İnsanın bütün bildikleri (yaşantısı, değerleri, zevkleri, acıları vb.) hayatı o arzuya giden yollardan geçmiş nesillerin deneyimleriyle oluşmuştur. Dolayısıyla geçmiş insanı anlamadan bugüne ve yarına verilecek şekil bir bebeğin oyun hamurundan yaptığı şirin ama işlevsiz bir şeye benzeyecektir.

Arkeoloji, başlangıçta antik eserleri bulup satan meraklı amatörlerin tekelinde olsa da zaman ilerledikçe buluntuları tasnif edip geçmiş ile olan köprüyü inşa etmeye başlamıştır. Günümüze kadar Daedalus’tan hallice birçok büyük mimar (Tutankamon’un mezarını bulan Howard Carter, çetinceviz bir çöl arkeologu olan Gertrude Bell, şu anda bu yazıyı yazarken dahi kitabını kullandığım Gordon Childe ve Anadolu Uygarlıkları’nı dünyaya tanıtan Ekrem Akurgal hiyerarşik bir sıralama olmaksızın bunlardan sadece birkaç tanesidir.) köprünün inşaası ve korunması için büyük emek harcamıştır. Size ilerleyen zamanlarda bunların bazılarını tanıtmak niyetindeyim.

Şimdi, arkeoloji alanında arkeolog olmamasına rağmen en büyük devrimlerden birini (belki de en büyüğünü) yapmış olan Nobel ödüllü Amerikalı kimyager Willard F. Libby’i ve karbon-14 yöntemini tanıtarak başlamak güzel olacaktır.

17 Aralık 1908, bir kış gününde, Colorado/Grand Walley’de Ora Edward Libby ve eşi Eva May’in oğlu olarak doğan Willard ilk ve orta öğrenimini Sebastopol/Kaliforniya’da aldıktan sonra 1927 yılında sırasıyla lisans eğitimini ve iki yıl sonra doktorasını alacağı Los Angeles’taki California Üniversitesine (UCLA) girdi. Doktorasını aldıktan sonra 1933 yılında UCLA Kimya Bölümüne öğretim görevlisi olarak atandı ve takip eden 10 yılda doçent olarak terfi etti.1941 yılında Guggenheim Bursu’na layık görülen Willard, çalışmalarına devam etmek üzere Princeton Üniversitesine katıldı. Ancak bursu 8 Aralık 1941’de Amerika’nın 2. Dünya Savaşı’na girmesi üzerine yarıda kesilince Oppenheimer başkanlığındaki bir grup bilim insanıyla birlikte Manhattan Projesi’nde çalışmak üzere UCLA Kimya Bölümündeki görevinden ayrıldı. Nihayet savaş bitince Libby, Chicago Üniversitesi Kimya Bölümü ve Nükleer Araştırmalar Enstitüsünde kimya profesörü olarak görev yapmayı kabul etti (1945). Ve Başkan Eisenhower tarafından 1954 yılında Atomik Enerji Komisyonuna atanana kadar da burada kalacaktı (1955-59). Buradaki işinden California Üniversitesinde kimya profesörü olmak için istifa etti. Daha sonra 1962’den 8 Eylül 1980’deki ölümüne kadar Jeofizik ve Gezegen Fiziği Enstitüsünün yöneticiliğini yaptı.

Bütün bu terfi ve başarıların yanı sıra, size burada tek tek saymam halinde çoğunuzun sıkılıp yazıyı yarıda bırakacağı kadar çok ödüle ve onursal dereceye sahip olan bu ilham verici kişiliğe Nobel Ödülü kazandıran çalışması hakkında konuşabiliriz artık.

(Aşağıdaki bölüm Amerikan Kimya Topluluğunun NHCL programı ile çıkarttığı “Radyokarbon Tarihlendirmenin Keşfi” adlı kitapçıktan çevrilmiştir.)

Radyokarbon Tarihlendirme Kavramı

“Kitaplarda, filanca bir toplumun veya arkeolojik bölgenin 20.000 yıl yaşında olduğunu söyleyen ifadeler okudunuz. Ancak aniden; bu sayıların, bu antik çağların tam olarak bilinmediğini öğrendik. Aslında kesin bir tarihlendirmeye ilk olarak Mısır’ın Birinci Hanedanlık Dönemi’nde rastlıyoruz.”

Willard F. Libby, 12 Aralık 1960 Nobel Kimya Ödülü konuşmasından alıntı.

1939 yılında atmosferin kozmik ışınlara maruz kalmasıyla nötronların oluştuğunu keşfeden fizikçi Serge Korff, atmosferde baskın olarak bulunan nitrojen-14 izotopunun^[1], oluşan nötronlarla etkileşimi sonucu, karbon-14^[2] (radyokarbon, C14) üretebileceğini düşündü. Bu fikirden etkilenen Libby akıllıca bir çıkarımla, karbon-14’ün canlı organizmalarda da bulunabileceğini fark etti. Bu sayede kuramsal olarak eğer bir maddedeki karbon-14 miktarını bilirse bu maddenin yaşını, izotopun yarılanma ömrünü^[3] veya izotopun bozulma hızını kullanarak belirleyebilirdi. Libby bu çığır açıcı fikrini 1946 yılında Physical Review adlı bilim dergisinde yayınlayacaktı.

Libby, karbon-14 veya radyokarbon yönteminin basitçe, organizmaların hayatları boyunca atmosferden soğurdukları karbon-14 izotopunun organizma öldükten sonraki parçalanıp dağılma miktarının diğer organizmalardaki ortalama karbon-14 miktarıyla ya da atmosferdeki karbon-14 miktarıyla kıyaslanması sonucu oluştuğunu düşünmekteydi. Bu fikri kanıtlamak için Libby’nin Dünya’nın karbon mekanizmasını anlaması gerekiyordu.

İlk olarak atmosferdeki karbon-14’ün binlerce yıl boyunca aynı seviyede kalmış olması gerekiyordu. Ayrıca karbon-14; karbon döngüsü olarak da bilinen bir işlemden geçip atmosfer, biyosfer, okyanuslar ve diğer havzalarda kolayca hareket etmeliydi. Kozmik radyasyonun yoğunluğuyla ilgili tarihi verilerin bulunmamasından dolayı Libby kısaca bunun süreç içinde sabit kaldığını varsaydı. Yani günümüzdeki karbon-14 üretim hızının bin yıl önceki karbon-14 bozulma hızına eşit olduğu bir denge olmalıydı. (Neyse ki bu durumun genellikle doğru olduğu daha sonra kanıtlanacaktı.)

Libby daha sonra toplam karbon-14 miktarını tespit edip ve bunu karbonun diğer izotoplarıyla karşılaştırdı. Korff’un her saniyede bir santimetrekarelik Dünya yüzeyinde karbon-14 atomu açığa çıkaran 2 nötron oluştuğunu söyleyen yaklaşımını temel alan Libby, Dünya’daki her 10¹² karbon atomu başına sadece bir tane karbon-14 atomu düştüğünü hesapladı. Libby’nin sıradaki görevi ise karbonun karbon döngüsü boyunca gerçekşetirdiği hareketi incelemekti. Karbon-14 alışverişinin kolaylıkla gerçekleştirildiği bir sistemde, karbon-14’ün diğer karbon izotoplarına oranı canlı bir organizmada ve atmosferde aynı olmalıydı. Ne var ki döngü içindeki karbonun hareket oranları o zamanlarda bilinmiyordu. Bunun üzerine Libby ve yüksek lisans öğrencisi Ernest Anderson başta karbon ihtiva etmesi açısından en büyük havzaları oluşturan okyanuslar olmak üzere, karbonun çeşitli havzalardaki derişimini hesapladı. Buldukları sonuçların karbon döngüsü içerisindeki karbon-14’ün dağılım özelliklerini ön görmesi ise radyokarbon tarihlendirmenin başarılı olacağına dair cesaret vermişti.

Karbon-14’ün Doğadaki Tespiti

Karbon-14 ilk olarak 1940 yılında Berkeley Üniversitesi Radyasyon Laboratuvarında bir siklotron hızlandırıcı^[4] kullanılarak (yapay olarak) Martin Kamen ve Samuel Ruben tarafından üretilmiştir. Karbon-14’ün evrenimizdeki ilk varlığının yapay yollarla bu sayede gözlemlendiğini söyleyebiliriz. Libby ve diğer araştırmacıların ileride yapacakları çalışmalar karbon-14’ün yarı ömrünü 5.568 yıl (daha sonra 5.730±40 olarak yenilenmiştir.) belirleyecekti. Ki bu da Libby’nin radyokarbon tarihlendirme kavramının numerik temellere oturtulması bakımından temel bir yardımda bulunmuştur.

Bütün bu gelişmelere rağmen ortada hala önemli bir sorun vardı: Karbon-14 o tarihe kadar doğada hiç gözlenmemişti. Kamen ve Ruben bu izotopu yapay yollarla üretmişlerdi. Bu yüzden Libby ve Korff’un düşünceleri sadece bir varsayımdan ibaretti. Libby’nin önüne ise radyokarbon tarihlendirme kavramını kanıtlamak için doğal karbon-14’ü elindeki kısıtlı imkanlarla tespit etmesini söyleyen bir görev vardı.

O zamanlarda Libby’nin deneylerinin gerektirdiği kadar küçük miktardaki karbon-14 varlığını ölçecek hassasiyete sahip radyokarbon algıçlarının bulunmamasından dolayı Libby Houdry Process Şirketinden Aristid von Grosse’ye ulaşacaktı. Bir petrol işleme şirketi olan Houdry Process, Libby’e elindeki imkanlarla tespit edebileceği karbon-14 ile zenginleştirilmiş metan örnekleri sağlayabilirdi. Bu metan örneğini ve bir Geiger sayacını^[5] kullanan Libby ile Anderson karbon-14’ün doğadaki varlığını tam da Serge Korff’un öngördüğü yoğunluğa uyacak şekilde saptadılar.

Bu yöntem işe yarıyordu elbette ancak oldukça yavaş ve maaliyetliydi. Neyseki Libby’nin ekibi bir alternatif geliştirecekti. Numunenin bulunduğu bölmeyi çevredeki arka plan radyasyonunu^[6] tespit etmek ve ortadan kaldırmak için kalibre edilmiş bir Geiger sayacı sistemi ile çevreleyecek ve adına “anti-coincidence counter” yani “anti-rastlantı sayacı” diyeceklerdi. Anti-rastlantı sayacı bir de arka plan radyasyonunu daha da azaltan kalın bir kalkan ve karbon-14 ihtiva eden metan numunelerinin test için saf karbona indirgenmesini sağlayan yeni bir yöntemle birleştirildiğinde, sistemin yeteri kadar hassas olduğu kanıtlanmış oldu. Sonunda, Libby’nin artık radyokarbon tarihlendirmeyi pratiğe dökecek bir metodu vardı.

Radyokarbon Tarihlendirmenin Test Edilmesi

Radyokarbon tarihlendirme kavramı, bir organizmanın öldüğü zaman karbon döngüsünden çıkıp, giderek azalan karbon-14 miktarına sahip bir zaman kapsülüne gireceğini varsayıyordu. Örneğin, günümüzde yaşayan organizmalar atmosferdekiyle aynı oranda karbon-14 ihtivasına sahip iken petrol ve kömür gibi son derece eski kaynaklarda karbon-14 artık kalmamıştır. Birkaç yüzyıl ile birkaç bin yıl arasındaki organik materyallerin yaşı, içerdikleri karbon-14 miktarının ölçülmesi ve bunun bilinen karbon-14 yarılanma ömrü ile karşılaştırılması sonucu tahmin edilebilirdi. Bu tekniği kontrol etmek için Libby’nin ekibi geliştirdikleri anti-rastlantı sayacını yaşları halihazırda bilinen örnekler üzerinde test ettiler. İlk test edilen nesnelerin arasında yıllık büyüme halkaları sayılarak yaşları bilinen sekoya ve köknar ağacı örnekleri ve Mısır firavunu 3. Senusret’in cenazesinin yapıldığı tekneden alınan bir parça ahşap gibi, müzelerdeki yaşı bilinen eserler yer alıyordu.

1949 yılında ise Libby ve Arnold buluşlarını “Bilinenlerin Eğrisi” (Curve of Knowns) adıyla Science dergisinde yayınladılar. Görmüş olduğunuz bu grafik yaşları bilinen buluntuları radyokarbon tarihlendirme yöntemiyle karşılaştırmaktadır. Bu sayede Libby’nin bulduğu “yaşların” zaten bilinmekte olan yaşlarla çok büyük bir oranda örtüştüğü anlaşılmış ve radyokarbon tarihlendirmenin başarısı kanıtlanmıştır.

Radyokarbon Devrimi

Radyokarbon tarihlendirmenin Dünya’ya tanıtılması özellikle arkeoloji ve jeoloji alanında devrimsel bir etki yaratmıştır. Libby’nin çalışmalarından önce, bahsedilen alanlardaki araştırmacılar bir yerleşim yerindeki katmanları incelerken bu katmanların kronolojik sırayla oluştuğunu varsayan tahminlerde bulunmak gibi son derece göreceli tarihlendirme yöntemlerine başvuruyorlardı. Göreceli tarihlendirme yöntemlerinin aksine radyokarbon tarihlendirme kavramı, organik kalıntılara ciddi bir başarı oranıyla sayısal değerleri olan yaşlar verebiliyor ve böylece geçmişi daha objektif bir şekilde algılamamıza yardımcı oluyordu.

Radyokarbon tarihlendirme aynı zamanda, medeniyetin kökenlerinin nereden nereye doğru yayıldığı konusunda da doğru bilinen yanlışları değiştirecekti. Önceleri medeniyet Avrupa’da ortaya çıkmış ve daha sonra Dünya’ya yayılmış bir kavram olarak kabul edilirken; Avrupa, Amerika, Asya ve Avustralya’dan elde edilen insan yapımı buluntuları değerlendiren arkeologlar medeniyetin birçok birbirinden bağımsız bölgede ortaya çıktığını keşfetmişlerdir. Bulduklarının tarihini belirlemek için daha az zaman harcayan arkeologların artık insanın tarih öncesi devirlerdeki davranışları ve evrimi hakkında yeni soruları vardı.

Libby’nin çalışmalarının jeoloji alanında da büyük etkileri oldu. Bir zamanlar buzulların altına gömülmüş ağaçlardan ahşap örnekleri alan Libby, Kuzey Amerika’nın kuzeyindeki son buz tabakasının jeologların daha önce tahmin ettiği gibi 25.000 yıl değil; 10.000 ila 12.000 yıl önce gerilediğini gösterdi.

Radyokarbon tarihlendirme kavramı ilk olarak topluma açıklandığında Libby, büyük bir alçak gönüllülük gösterip bu yöntemin 20.000 yıl öncesine kadar olan organik materyalleri tarihlendirebileceğini ön gördü. Ne var ki karbon-14 algılama teknolojisindeki ilerlemelerle, bu yöntemin 50.000 yıla kadar eski materyalleri güvenilir bir biçimde tarihlendirebildiği görülmektedir.

Günümüzde bu yöntem sayesinde hiç görmediğimiz atalarımızın hayat hikayelerini yazıyor, yaşamlarına ortak oluyoruz. “Çiftçilik Anadolu’ya ne zaman gelmiştir, Stonehenge kaç yaşındadır, Amerika’daki ilk insan yerleşimleri ne zaman ortaya çıkmıştır?” gibi sorulara cevaplar buluyor, bugün dilleri bile unutulmuş olan birçok toplumu geçmişin eziciliğinden kurtarıp tekrar anlamaya başlıyoruz.

“Nadiren, kimyadaki tek bir keşfin insan uğraşlarının ürünü olan onlarca alanda böyle büyük bir etkisi olmuştur. Nadiren, tek bir keşif böylesine geniş bir toplumsal ilgi yaratmıştır.”

Kenneth Pitzer, Willard Libby’nin Nobel Kimya Ödülü sunumundan alıntı.

^[1] İzotoplar, nötron sayısında ve kütle numarasında farklılık gösteren belirli bir kimyasal elementin varyantlarıdır. Bunu kütlesi farklı özellikleri aynı olarak kodlayabiliriz. (Kaynak: Vikipedi)

^[2] Radyokarbon veya karbon-14, 6 proton ve 8 nötron içeren bir atom çekirdeği olan radyoaktif bir karbon izotopudur. Organik malzemelerdeki varlığı, arkeolojik, jeolojik ve hidrojeolojik örneklerin bugüne kadar Willard Libby ve meslektaşlarının (1949) öncülük ettiği radyokarbon tarihleme yönteminin temelidir. İlk olarak Franz Kurie tarafından 1934 yılında var olabileceği öne sürülmüştür. (Kaynak: Vikipedi)

^[3] Yarı Ömür; genel olarak, azalmakta olan bir maddenin baştaki miktarının yarısına düşmesi için gereken zaman olarak tanımlanmaktadır. Bu kavram özellikle radyoizotopların bozunumlarını hesaplamada kullanılır. (Kaynak: Vikipedi)

^[4] Siklotronlar, yüklü parçacıkları yüksek frekanslı alternatif gerilim kullanarak hızlandıran bir çeşit parçacık hızlandırıcıdır. (Kaynak: Vikipedi)

^[5] Geiger-Müller sayacı, arka plan radyasyonunu ölçen bir çeşit parçacık algıcıdır. (Kaynak: Vikipedi)

^[6] Arka plan radyasyonu; herkesin maruz kaldığı, doğan ve suni kaynaklardan yayılabilen ve her yerde bulunan iyonlaştırıcı radyasyondur. (Kaynak: Vikipedi)