考古学是关于古代废物的科学，还是追求图坦克哈门坟墓之类的著名发现？不管你怎么看待它，今天的考古学比浪漫文学严格得多，这是21世纪一门学科，凭借物理学、化学、地质学和植物学，帮助发现我们已消逝的过去。
曾经在现场发现一件古老瓷器，迫切想知道谁用过它，用它干什么，是多久以前的事？考古学，研究人类的过去——人们曾经制造的或用过的实物。我们还可以通过观察生态记实——直接与人类活动有关的环境信息去发现当时的人们是怎样生活的。
第一步就是调查，盯住要进一步探明之处——这个场地技术含量可能是低的，但却是非常有用。一个小组一遍又一遍走过露天的现场（通常是犁过的），标出表面发现物的位置。你可能找到一些线索：或许是几块陶瓷碎片。画出这类发现物的大致分布图，有可能发掘出一堆或一些值得进一步调查研究的东西。
在空中向下看该地区，显然你就有机会标出由于风化或人类介入几乎要消失的细微结构的位置。如果你在夕阳西下时飞过潜在的地点，你就可能看到沟渠、山岗或甚至于中世纪的犁沟。随后这些都可以用航空摄影来记录。这些照片不仅可以显示阴影，而且还可以显示地面覆盖物的生长变化。在石基或墙上生长的作物或草从其屋顶和空气中得到的水份较少，会作为明亮干透的作物痕迹出现在现场。在古代，在地面有沟渠或围墙的地方，植物可能生长得很旺盛，这里会看到较黑的作物痕迹。于是可以看到具有特征的形状，例如有圆角的矩形罗马人碉堡，环绕欧洲青铜器时代古墓地的沟渠圈，或者标志着公元前500年不列颠铁器时代沉积物残余的盒形洼地。
土壤标志——在犁过的地点，地面颜色通常有差异。此外，航空遥感装置能够检测到在照片上没有显示出来的结构。例如，热成像揭示隐藏在地下的大型石头结构。从一架飞机上利用红外热成像照相机和专用胶片拍摄两种图像，一种在夜间拍摄，另一种在白天拍摄。由于石头比覆盖在它上面的薄土层冷却慢，比较这两种图像就会揭示大型石头建筑物的位置。同样，利用从红外线至紫外线的各种波长，你可以检测到在土壤或植被方面的差别。
有些考古学的探查方法是透过地面“观察”后，甚至能显示出埋藏在地下的是什么东西。在地面上方，拖一个轻便装置，可以利用穿透地面的雷达，沿着地平线移动，测绘该区域地表下层的三维剖面。短脉冲电磁能穿透土壤，并记录返回信号之间的差异。计算机程序分析作为一系列二维水平时间限幅的数据，并把它们绘制成图像。于是这些图像便构成该地点的三维照片。
测定电阻率是另一种以地面为基础的方法，能够补充用航空摄影法收集的信息。测量土壤对通过某特定区域的小电流的阻力，便可确定被掩埋的围墙或人工制品的位置。如果在某一部分土壤里有残墙断壁、地砖或其他石料的话，它要比无石头区域干燥，因此不容易传导电流。如把两对电线伸入地面，让电流从它们之间通过即可测出该区域的土壤阻力。大、小电阻合成的图谱将显示出许多不同的特征，例如储藏窑、沟渠和需作进一步调查研究的结构。
研究历史 了解土壤
每当发现一个结构或一个地点时，就可以开始挖掘。挖掘依据的原则是：土壤形成经历多少年，从而把活动和结构的残余物封闭在土壤下面。而在挖掘地区的地质信息也有助于澄清形成的特征中哪些是天然的，哪些是人们在那里生活和工作破坏造成的结果。为了探测天然特征，考古学家务必了解土壤的整个形成（风化）过程，而堆集的垃圾和废物也可形成地形和改变地形。例如，在中东，寻找古代沉积物的一个途径，就是注意传说——丘陵是在平原上隆起的。这些已经形成了几千年，正如用被阳光晒干的土砖建造的房子在原址再建造一样。土砖粉碎，形成一层土壤，从而提供一个平台，下一座房子就建在这个平台上。
挖掘的第一步，就是剥去上层土壤。挖沟时，要注意土壤颜色的每一变化，即一致性的变化。例如，在白垩土里，黑色区域可能表示木桩打入地面支撑屋顶的地方。木头腐烂时，它使土壤变色。挖沟时，不同地层被移到平面上。地层学（阐明地层的顺序与相对关系以及它们与地质时标的关系）为发现从动物骨头至陶瓷碎片等提供来龙去脉。在同一地层里发现的每一件人工制品很可能处于同一年代。在与船用铁钉、炭屑、橹柄配重和动物骨头同一地层发现的陶瓷饮杯可能表明，用该杯饮食的人穿着编织的衣服在船上生火、吃肉。在我们所举例子里的人工制品有可能是在铁器时代、晚古时代或中古时代存放的——或许甚至更近些。当然，某些东西可能是有意掩埋的。
一道沟不同层次发现物累积起来，考古学家就能构成关于过去的连贯图片。每件发现物必须作出标志，有些可以用来确定该地点的年代。
怎样确定人工制品的年代
有一组试验可以用来从被挖出的物体提取信息。陶瓷是一种关键的发现物。它是一种最普通的人工制品，常常用来区分产自哪一个年代。为了得到准确的年代，款式（特殊的形状和装饰）则是确定坛坛罐罐的年代和产生它的文化的一条线索。例如，某些罗马器皿根据款式特征确定的年代比通过技术手段测试更接近实际。
热致发光法是利用粘土制品中的天然弱放射现象可以确定其年代。如在焙烧的过程中，粘土会发射电子（电子被俘获在粘土的不规则晶格里），直至粘土被焙烧达到500℃以上时电子逐渐消失。为了确定其年代，把一件小样品磨成粉末，然后加热至一定温度把被俘获的电子释放出来。根据其释放电子数的多少，研究人员便能确定该制品被焙烧之后存在了多长时间。
在不加热情况下，也可确定其实物的年代。如一颗牙齿被加热的话，可能就会被毁坏。利用电子-旋转谐振技术，把磨成粉的样品放在磁场里，并用不同波长的电磁辐射对其轰击，可测定出哪些波长使电子产生振动以及它们吸收多少能量，研究人员就能估算出该样品的年代。
磁性除帮助查找地点外也可用来确定人工制品的年代。高温使粘土分子的磁力矩（偶极子）沿着与地球磁场相同的方向排列。在磁测定期间，这种有序排列会体现当地磁场谱的微细变化。为了确定它的年代，可以把从窑里取出的一个经过焙烧的样品的磁场的强度和方向与大约返回300年关于磁场的历史记载作比较，你甚至可以说出此窑自身最后使用的时间。但是，你怎样确定其他类型物体的年代？
在1960年，美国化学家威拉德·利比（Willard Libby）因提出准确测定考古学残余物年代的方法（放射性碳测定年代法）被授予诺贝尔奖。12年前，他宣布了测定有机体死亡年代的方法，这是一项准确测定有机物年代的技术。动物和植物活着时从大气吸收碳-14，死亡时这种过程便停止。放射性同位素以有规律的速度衰减，碳-14被认为具有大约5700年的半衰期——从不稳定的碳-14同位素到稳态碳。因此，测定在有机残余物中碳-14的数量，便知道它们在多久以前死亡。这项技术使考古学发生革命性变化。
放射性碳测定年代法得到的年代估计在某一范围内是正确的，而不是现存以前的实际年份。它可以表明某一样品是3000±100年，但这不意味着它的年龄是在2900年和3100年之间；而指的是，研究人员有67%把握肯定其实际年代是在这个范围内。用统计学语言来说，所谓的不确定性指的是一种“标准的偏差”。如果只有一个样品用这种方法测定年代，不会给考古学帮多少忙。年代可以是反常的，人工制品可能来自不正常的周期和地点。但是，有一组样品的年代落在同一概率范围内，则表明宽泛的年代是正确的。
随着考古研究的进展，有人认识到：太阳活动和地球磁场的变化影响着大气中二氧化碳的含量，利比关于大气中碳-14水平是稳定的假设受到了挑战。美国化学家汉斯·休斯（Hans Suess）利用已知年代的树木年轮提出关于放射性碳的不准确性的校正曲线。休斯借助于美国天文学家安德鲁·道格拉斯（Andrew Douglass）于1901年首创的年轮学了解树木年轮的年龄。休斯研究结果表明，放射性碳测定的年代可以偏离800年之多。
对树干横切一刀，便看到生长年轮，每年两个年轮，每个年轮表明一个季节。如果气候是寒冷的——树木生长不快，年轮就窄。阳光充足，雨水多，温度高，年轮就宽。读生长年轮的顺序如同检查条形码：窄带和宽带组成的图谱表示年份。当树被砍倒时，该木材的碳-14“时钟”便开始运行，因此根据对已知年龄的树木切片进行放射性碳试验测定的年代被当作时标使用。
但是，对于人工制品来说，不只是年龄问题。例如，你怎样找到拥有它们的人？各种化学试验会给你提供一个窗口去了解，如当时他们怎样制造玻璃球项链用的玻璃，他们把动物饲养在何处？可以在从土壤挖掘出来的发现物上，也可以对土壤本身进行试验。大多数是在寻找物体（食物或其他有机物）的能说明问题的化学痕迹。例如，大量尿会提高土壤的氮含量。这种化学信号持续了几千年，可以揭示动物被饲养在何处。脂肪分子（即类脂物）也可以存活许多年——例如，作为在罐里的油脂残余物。虽然类脂物在大气中会迅速氧化，但是可以把它们所形成的化合物与现代脂肪作比较以了解它们来自何种动物。
气相层析-质谱测定法是把两种仪器结合起来分析有机物的方法。第一种仪器指示现有的物质数量，第二种仪器则使它的成份离子化，依靠质量把它们分开，给它们作出标记。两者结合起来，可以揭示比如说脂肪来自哪一类动物。对植物物质的痕迹所作的同样试验可以指出，哪些蔬菜被煮过，甚至哪一种植物树脂被当作香来烧。例如，在公元前14世纪埃及法老阿克赫纳藤（Akhenaten）统治时期就用过阿月浑子树的树脂。
化学家还给考古学提供了关于保存有机物的关键信息。这种残余物的状况是随着土壤化学成分尤其是它的酸度而变化的。泥炭地的腐植酸（植物在水中腐烂生成的）与骨头中钙反应生成可溶性化合物，因此身体中骨头和牙齿最终都变成这种泥炭。例如在北欧铁器时代举行宗教仪式时被淹死的人将溶化，但是皮肤和衣服可以残存下来，因为水中缺氧使细菌作用停止下来——剩下一个“皮囊”。
金属可以用几种方法来辨别。最简单的是用眼睛看。例如，铜与空气作用生成以绿色为特征的氧化物，称为腐蚀产物。于剑或钉形态的铁与空气和水起作用生成淡红色锈华，这些金属盐可以是古代金属物体残余物的全部。通常固结成皮的锈很厚，只有X射线才能揭示物体形状。X射线也能显示其中某一件物品是怎样制造的——例如，通过揭示连接部位得知空心青铜雕像是被拼接起来。
物理的方法也可以告诉我们许多关于古代植物、天气和其他环境因素。植物工作者能够辨别在土壤中发现的植物种子、草和坚果的碎片。在密西西比河以北的天然陡坡覆盖着巨大的土木工事的土墩和圆圈，这表明了当时人们吃着各种食物，捕鱼，并从附近森林收获山核桃坚果。
关于过去环境的更详细情况，可以从考古地点提取花粉的土壤样品（孢粉学）。根据各种花粉颗粒，可以推断在特定周期里生长的每种植物或树的种类和比例。瑞典科学家伦纳特·V波斯特（Lennart Von Post）指出：当气候比较温暖时，不同种类树盛行在一个区域，而以桦树为例，它则在较冷气候茁壮成长。分析在挖掘期间发现的花粉，不仅会指出人们可能用过哪些种类树作建筑物或作烧火木柴，还可揭开那时候的气候。孢粉学还可指出，人们是何时开采林地作为建筑材料以改变居住环境。
这种关于过去的科学的前景是什么？不是去调查研究某种显著特征，例如一所寺庙，一座坟墓或者一个简单的中古时代村庄，现在考古学家则把某个区域看作一个整体。村庄怎么“建”在这个区域里？住宅区或其周围的商业是什么情景？景色考古学反映生态学家和环境科学家的想法，因为发现物体与其环境之间的相互作用要比孤立地研究物种更有趣更实用。
然而，正如我们已经看到的，物理学和其他学科在考古学中的作用——这一学科是一个巨大的协作项目，也利用历史、人类学和许多其他学科。考古学家用于发现古代地点和年代或用于辨别物体的科学技术中，大部分只是在过去70年左右提出的，另外一些则是刚刚冒出地平线。
[New Scientist，2001年5月19日]