在美國大西洋沿岸，考古學家發現了美洲原住民在4000多年前留下的牡蠣殼。在摩洛哥，古生物學家挖掘出了1.68億年前漫步地球的恐龍化石。研究人員是如何確定這些年齡的？在檢查過去的遺蹟時，專家們使用放射性測年法，這是一種通用的技術，涉及計算樣品中仍然存在的某些元素的放射性原子。研究的具體元素以及過程的細節取決於科學家希望測定年代的物體的近似年齡。
對於過去約5萬年的人類或動物遺骸和人工製品，研究人員會檢視樣品中碳14的水平。賓夕法尼亞州立大學的考古學家何塞·卡普里萊斯說，這種同位素也稱為“放射性碳”，是由宇宙射線與地球大氣層中的氮碰撞產生的。在化學上，碳14的行為與它的穩定同胞（碳12和碳13）完全相同，使植物能夠在光合作用過程中吸收它，然後將其傳遞到食物鏈中。當動物和植物活著的時候，它們體內的碳14含量往往與它們的環境相同。但是，卡普里萊斯說，“當生物體死亡時，它們會停止消耗或吸收放射性碳”，“放射性過程就開始啟動”，同位素衰變回氮。因此，研究人員將碳14的量與碳12和碳13的水平進行比較，以確定生物體死亡後經過了多少時間。
死亡生物體中碳14的量呈指數衰減，在大約5730年後降至初始值的一半。使用加速器質譜儀，研究人員可以很容易地測量樣品中的放射性碳。更棘手的任務是估計當生物體活著時，環境中應該存在多少放射性碳，這可以作為比較的基線。
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卡普里萊斯說：“太陽耀斑和其他事件會影響高層大氣中放射性碳的含量。” “而且，放射性碳在整個世界的分佈也[有]些許不同。” 基於來自樹木年輪、冰芯和其他來源的測量，研究人員設計了校準曲線，顯示環境中碳14的濃度如何隨時間變化。卡普里萊斯說，北半球、南半球和海洋環境都有單獨的校準曲線。為了獲得最精確的年代測定，他和其它考古學家還會考慮導致大氣放射性碳區域性變化的因素。
卡普里萊斯研究了最早的南美洲居民，他們從北方來到這裡，並在大約15000年前開始在整個大陸分散。在每個考古遺址，他和他的同事“只想知道人們何時在那裡”，他說。“他們在那裡待了多久？他們的居住強度是多少？” 為了重建一個遺址的時間線，卡普里萊斯補充說，“沒有比在骨骼、布料、種子和我發現的任何其他有機材料上使用放射性碳測年法更好的方法了”。但是，在超過約5萬年的遺址中，死亡生物體中的碳14幾乎都已衰變，因此研究人員必須轉向壽命更長的元素。
一些放射性元素起源於地球地幔，透過火山過程到達地表，並被困在土壤和岩石中的礦物晶體中。例如，在數百萬年的過程中，鈾235和鈾238會經歷多步衰變，變為鉛的同位素，這使它們成為古生物學的理想選擇：研究人員可以透過測量鉛同位素與鈾同位素的比率來確定樣品的年齡。但是，使用這種技術來測定數百萬年前生物（如恐龍）的化石年代遠非易事。聖克勞德州立大學的古生物學家莎拉·吉布森說：“化石本身通常無法直接測定年代。”她研究的是大約2.3億至1.5億年前，即中生代早期魚類的進化。
化石透過各種過程形成，其中最常見的過程稱為滲透礦化。當已故的生物體被埋葬時，滲透礦化可以儲存其堅硬的部分，例如骨骼。當水滲入遺骸時，水中的礦物質會填充骨骼中的縫隙，凝固成晶體結構，最終取代有機物質。當礦物質形成化石時，它們不再“新鮮”——內部的鈾已經衰變了數百萬年。試圖直接測定其年代會產生錯誤的結果——比生物體本身古老得多。因此，吉布森解釋說，科學家必須“依靠化石周圍或附近的地址地質構造”來計算它們的年齡。由於化石通常在沉積岩層中發現，古生物學家可以透過檢查沉積岩上方或下方的礦物質來測定它們的年代。
鋯石是一種在火成岩中常見的礦物，被證明特別有用。當鋯石在冷卻的岩漿中形成時，其晶體結構包含鈾，但不含鉛。因此，鋯石樣品中存在的任何鉛都必須是透過鈾的放射性衰變形成的。這一特徵使地質學家能夠測定火山灰流的年代，這些火山灰流像史前蛋糕層一樣散佈在沉積岩層中。在沉積岩中發現的任何化石都必須比下面的火山灰年輕，比上面的火山灰古老。
到目前為止，一切都很好。但是，如果沒有靠近化石的火山灰層怎麼辦？吉布森說：“這並不總是那麼簡單明瞭。” “在我曾在猶他州工作的化石遺址，我們必須從亞利桑那州[已經測定年代的岩層]向北追蹤[岩層]，並嘗試將[它們]與[猶他州]不同的地質構造聯絡起來。然後，我們可以根據相對位置估算出某物有多老或多年輕。” 這種方法很像將生日蛋糕的一層追蹤到蛋糕的另一側。在其他情況下，研究人員可以使用附近的“指示化石”來測定化石遺骸的年代，這些指示化石是已知在特定狹窄時間範圍記憶體在的物種的化石。另一種技術，磁性地層學，研究地球磁場在岩石中留下的磁性特徵，因為它的方向緩慢移動。
為了瞭解魚類解剖結構隨時間的變化，吉布森依賴於鈾鉛測年法、磁性地層學和指示化石的結果。然而，由於確定岩層年代存在困難，她自己不進行放射性測年。她說：“你不可能精通一切。這就是為什麼你要找能做這類工作的同事。” “我真的依賴其他地質學家和化學家的工作來弄清楚這些具體的日期。”
近幾十年來，隨著科學家對地球過去的瞭解越來越多，放射性碳測年法和鈾鉛測年法的準確性和精確度都得到了提高。事實上，研究人員今年釋出了放射性碳校準曲線的主要更新。從最早的動物到人類文明的興起，“我們都在共同努力，在彼此研究的基礎上，拼湊出時間的快照，”吉布森說。