Застывшее время. Научные подходы к датированию

в 1:21, , рубрики: возраст земли, методология, Научно-популярное, радиоактивность, радиоуглеродный анализ

Застывшее время. Научные подходы к датированию - 1
Сегодняшний рассказ будет о методологии науки, в частности о том, каким образом мы можем устанавливать возраст археологических находок, какие основные методы при этом используются и какие физические принципы и процессы лежат в их основе.
Прелесть научных методов датировок состоит в том, что они взаимодополняемы и взаимопроверяемы, то есть с помощью одного метода мы можем проверить корректность другого и наоборот, при необходимости внося в него поправки. Также эти «часы» перекрывают огромный временной диапазон – около 9 порядков (на самом деле больше, но для исторических целей «быстрые» часы бесполезны, масштабы эволюционного времени захватывают семь или восемь порядков).
Это можно сравнить с работой опоздавших криминалистов, где нет непосредственных свидетелей с «места преступления», и нашедших лишь его следы.

В науке имеется много вещей, недоступных прямому наблюдению. В этом и состоит одна из причин недоверия и сопротивления науке на «бытовом» уровне. Сегодня, несмотря на всё увеличивающийся разрыв в знаниях между «учёными» и «простыми людьми», необходимо прикладывать значительные усилия, чтобы у людей не складывалось впечатления a la «эти учёные сами не могут ничего объяснить, потому что пользуются данными таких же учёных, взявших эти данные с потолка». К сожалению, именно такое мнение бытует за пределами науки, в частности, среди многочисленных «опровергателей» истории – где-нибудь на кухне или в гараже. Разумеется, сомнения в науке полезны, ведь любая теория, претендуемая на научность, должна быть принципиально фальсифицируемой. Беда в том, что для того, чтобы поставить под сомнение нижеописанные методы, необходимо сфальсифицировать факты из биологии, физики, геологии, археологии, истории и химии.
Все часы можно условно разделить на две категории – отсчитывающие (например, колебания маятника или кварцевого кристалла в бытовых часах) – или измеряющие (например, время течения каких-либо нециклических процессов). И те и другие часы в некоторые (по счастью, нужные нам) моменты могут или «обнуляться» или останавливаться, фиксируя события. Начнём с самых «быстрых» часов.

Дендрохронология.

Застывшее время. Научные подходы к датированию - 2
В нужном нам масштабе, например, историческом, очень удобными являются отсчитывающие часы, используемые в дендрохронологии – это годовые кольца деревьев. К примеру, по ним можно определить, в каком году срубили дерево, которое было использовано для постройки дома или сооружения культа несколько веков назад (на самом деле, имеется непрерывная дендрохронологическая шкала порядка 11500 лет).
Как работает этот метод? Многие знают, что для определения возраста недавно срубленного дерева нужно подсчитать кольца в его стволе, считая внешним кольцом настоящее время. Кольца отражают изменения скорости роста в разные сезоны года — летом или зимой, в сухой сезон и в сезон дождей, и особенно ярко выражены в высоких широтах, где сильная разница между сезонами. При этом, для определения возраста не требуется срубать дерево. Можно высверлить отверстие до середины дерева и извлечь образец. Но простой подсчёт колец не покажет, в каком веке бревно из вашего дома или мачты вашего корабля было живо. Если необходимо датировать давно мёртвую древесину, вам придётся посмотреть на характерный узор из колец. Так же, как само наличие колец означает годовые циклы, так и некоторые года бывают хуже, чем другие, поскольку погода меняется каждый год: засуха замедлит скорость роста, а дождливый год её ускорит; бывают холодные и тёплые года, и даже годы Эль Ниньо или извержения Кракатау. Годы с плохими климатическими для дерева условиями производят более узкие кольца чем хорошие. И узор из узких и широких колец в конкретном регионе, созданный конкретной последовательностью разных лет, является характерным «отпечатком», который точно маркирует годы образования этих колец, узнаваемым от дерева к дереву. Кроме того, всегда можно взять образец материала из нужного кольца для радиоуглеродного датирования (об этом ниже).
Всё это, конечно, хорошо, но редкие из нынеживущих деревьев были живы в Петровские времена, уже не говоря о бронзовом веке или ранее. Существуют деревья, которые живут тысячелетия, но большинство из них вырубается на древесину, когда им нет и ста лет. Как же создаётся справочная коллекция колец для более древних времен? Я думаю, что Вы уже догадались.
Застывшее время. Научные подходы к датированию - 3
Перекрытия. Канат может быть и стометровой длины, но отдельные волокна в нём намного короче. Чтобы использовать принцип перекрытия, вы берёте справочные образцы узоров, дату которых можно установить по современным деревьям.
Затем вы ищете узор старых колец современных деревьев и определяете соответствия узора среди младших колец давно мёртвых деревьев. Затем идентифицируете узор старых колец этих давно мёртвых деревьев, и ищете тот же узор в молодых кольцах еще более старых деревьев, и т.д. На практике этот метод используется только в археологических сроках, в масштабах нескольких тысяч лет.
Кстати, это — не единственная система, которая обещает точность до года. Осадочные слои откладываются в ледниковых озерах. Как и годичные кольца, они меняются по сезонам и теоретически, здесь может быть использован тот же самый принцип, с той же степенью точности. У кораллов также есть годичные кольца, как и у деревьев. Они были использованы для определения даты древних землетрясений. Большинство других доступных нам систем датирования, включая все радиоизотопные методы, точны только в пределах погрешности, которая пропорциональна масштабу измеряемого времени.

Радиоизотопы.

Для тех, кто благополучно успел забыть физику, вначале расскажу базовые сведения о строении вещества и о том, что такое радиоизотопы, поскольку здесь мы имеем дело с физическими процессами.
Вся материя состоит из элементов, которые химически взаимодействуют с другими элементами. В природе существует 92 элемента минус технеций, немного больше, если считать искусственно синтезированные элементы. Атомная теория строения вещества, которую, я думаю, принимают даже креационисты, говорит нам, что элементы состоят из характерных атомов, являющихся наименьшими частицами, на которую можно разделить элемент, чтобы он не перестал быть этим элементом. На что похож атом, например азота, или меди, или углерода? На стоячую волну. Можно лишь использовать модели, чтобы помочь визуализировать атом. Все мы помним со школы планетарную модель атома, предложенную Нильсом Бором. Сегодня она является устаревшей, но в качестве модели подойдёт для наших целей. Роль «Солнца» играет ядро, а вокруг него вращаются электроны, играющие роль планет. Как и в солнечной системе, почти вся масса атома содержится в ядре («Солнце»), и почти весь объём занимает пустое пространство, отделяющее электроны («планеты») от ядра. Электроны ничтожны по сравнению с ядром, а пространство от них до ядра огромно по сравнению с размерами и того и другого.
Застывшее время. Научные подходы к датированию - 4
В состав атома входят три вида частиц, по крайней мере, в модели Бора. С электронами мы уже знакомы. Две другие частицы, значительно большие, называются протонами и нейтронами, и они находятся в ядре и их размер почти одинаков. Количество протонов постоянно для любого конкретного элемента и равно количеству электронов. Это число называется атомным номером и пишется в нижнем индексе возле названия элемента. Это уникальная характеристика элемента, и в списке атомных номеров знаменитой периодической системы [Менделеева] нет никаких пробелов. Каждому номеру в ней соответствует ровно один и только один элемент. Элемент с атомным номером 1 — водород, 2 — гелий, 3 — литий, и так далее, до 92 у урана.
Протоны и электроны несут электрический заряд противоположного знака. Мы называем один из них положительным, а другой отрицательным, в соответствии с произвольным соглашением. Эти заряды важны, при образовании химических связей элементов друг с другом, главным образом через взаимодействие электронов. Протоны в атоме связаны в ядре с нейтронами и не имеют заряда, и они не участвуют в химических реакциях. Нейтроны, протоны и электроны в любом элементе точно такие же, как и в любом другом. Нет такого понятия как протон кислорода, или электрон калия, или нейтрон меди. Протон — он везде протон, а вот делает атом меди медью то, что в нём ровно 29 протонов (и 29 электронов). То, о чём мы думаем в повседневном смысле как о меди, является вопросом химии. Химия — танец электронов. Вся её суть заключается во взаимодействии атомов через свои электроны. Химические связи легко разрушаются и заново создаются, потому что только электроны отделяются или обмениваются в химических реакциях. Силы притяжения внутри атомных ядер гораздо могущественнее. Вот почему «расщепление атома» звучит так зловеще, но оно может происходить в «ядерных» (в отличие от химических) реакциях, и радиоактивные часы основаны на них.
У электронов незначительная масса, таким образом, полная масса атома, его «атомная масса», равна суммарному числу протонов и нейтронов. Как правило, она чуть более чем вдвое превышает атомный номер, потому что обычно в ядре, как правило, больше нейтронов, чем протонов. Атомная масса пишется верхним индексом возле обозначения элемента в периодической таблице. В отличие от числа протонов, число нейтронов в атоме не является уникальной чертой элемента. Атомы любого конкретного элемента могут быть в различных «версиях», называемых изотопами, различающихся количеством нейтронов, но всегда с одинаковым количеством протонов. У некоторых элементов, таких как фтор, есть только один встречающийся в природе изотоп. Атомный номер фтора — 9, а его атомная масса 19, из чего ясно, что у него 9 протонов и 10 нейтронов. У других элементов существует несколько изотопов. У свинца пять распространённых изотопов. У них одинаковое число протонов (и электронов) — 82, что является атомным номером свинца, но с различной атомной массой — от 202 до 208. У углерода три изотопа, встречающихся в природе. Углерод-12 это обыкновенный углерод с одинаковым количеством нейтронов и протонов — по 6. Существует также углерод -13, слишком короткоживущий для наших целей, и углерод -14, который редок, но не настолько, чтобы быть полезным для датировки органических образцов.
Следующий важный теоретическим фактом является то, что не все изотопы являются стабильными. Свинец-202 является нестабильным изотопом, а свинец-204, -206, -207 и -208 — стабильными. «Нестабильный» означает, что атомы спонтанно распадаются во что-то другое, с предсказуемой скоростью, хотя и в непредсказуемые моменты. Предсказуемость скорости распада — ключ ко всем радиометрическим часам. Синоним для слова «нестабильный» — «радиоактивный». Есть несколько видов радиоактивного распада, пригодных в качестве часов, в которых участвуют нейтроны. При одном виде (β--распад) нейтрон превращается в протон. Это означает, что атомная масса остается та же (у протонов и нейтронов одинаковая масса), а атомное число увеличивается на единицу, таким образом, атом становится иным элементом, на одну ячейку правее в периодической системе. Например, цезий-55 превращается в барий-56. При другом виде радиоактивного распада (β+-распад) наоборот — протон превращается в нейтрон. Атомная масса вновь остаётся та же, но на этот раз атомное число уменьшается на единицу, а атом становится следующим элементом левее в периодической системе. Третий вид радиоактивного распада (электронный захват) имеет тот же результат. Протон способен захватить один из электронов оболочки своего атома и превратиться в нейтрон (испустив нейтрино). Опять же, нет никаких изменений в атомной массе, атомный номер уменьшается на один, и атом превращается в следующий элемент левее в периодической системе. Существует также более сложный вид распада, при котором атом испускает так называемую альфа-частицу. Она состоит из двух нейтронов и двух протонов, «склеенных» вместе (или ядро атома гелия без электронов). Это означает, что атомная масса уменьшается на четыре, а атомный номер понижается на два. Атом превращается в тот элемент, который находится на две ячейки левее в периодической таблице. Пример альфа-распада — превращение очень радиоактивного изотопа урана-238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) в торий-234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).
Теперь к сути дела. Каждый нестабильный изотоп распадается с точно известной скоростью, для каждого изотопа своей. Во всех случаях распад экспоненциальный. Общепринятой мерой скорости распада является «период полураспада». Это время, затраченное на распад половины его атомов. Период полураспада одинаков и не зависит от того, сколько атомов уже распалось. Например, период полураспада (T½) углерода-14 составляет 5730±40 лет. На 2010 год предельный возраст образца, который может быть точно определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, то есть около 10 периодов полураспада 14C. За это время содержание 14C уменьшается примерно в 1000 раз (около 1 распада в час на грамм углерода) и мы должны будем обратиться к более медленным часам.

Калий-аргоновый метод

Изотопом, часто используемым в масштабе эволюционного времени, является калий-40 с периодом полураспада в 1,26 млрд. лет, и он будет использован в качестве примера для объяснения в целом идеи радиоактивных часов. Эти «часы» называют калий-аргоновыми, поскольку аргон-40 (он на ячейку левее в периодической системе) является одним из элементов, в которые распадается калий-40 (другим, в результате другого вида радиоактивного распада, является кальций-40, находящийся на единицу правее в периодической системе). Если начать с некоторого количества калия-40, то через 1260 миллионов лет половина калия-40 распадётся в аргон-40. Это называется периодом полураспада. Ещё через 1,26 миллиарда лет распадётся половина того, что осталось (1/4 от исходного) и так далее. За промежуток времени более короткий, чем 1,26 миллиарда лет, распадётся соответственно меньшее количество исходного калия. Предположим, что у нас есть некоторое количество калия-40 в закрытой системе, без аргона-40. После того, как прошли несколько сотен миллионов лет, учёный наталкивается на это замкнутое пространство и измеряет относительные пропорции калия-40 и аргона-40. Из этой доли, независимо от абсолютных количеств, зная период полураспада калия-40 и предполагая, что аргона вначале не было, можно оценить время, прошедшее с момента запуска процесса, то есть, с того времени, как часы «были обнулены». Заметьте, что мы должны знать соотношение родительского (калий-40) и дочернего (аргон-40) изотопов. Более того, как говорилось ранее, необходимо, чтобы наши часы были обнулены.
Но что имеется в виду под «обнулением»? Процесс кристаллизации.
Как и все радиоактивные часы, используемые геологами, калий-аргоновый отсчёт времени работает только для так называемых магматических пород. Магматические породы затвердевают из расплавленных горных пород — подземной магмы в случае гранита, лавы из вулканов в случае базальта. Когда порода затвердевает, она кристаллизуется и формирует гранит или базальт. Эти, как правило, небольшие, прозрачные кристаллы, как кварц, слишком малы, чтобы выглядеть как кристаллы для невооруженного глаза. Некоторые из них, такие как полевые шпаты и слюда, содержат атомы калия. Среди них есть атомы радиоактивного изотопа калия-40. Когда кристалл формируется в момент отвердевания магмы (система «закрывается»), присутствует калий-40, но нет аргона (предполагается, что пузырьки этого газа, если они были, поднялись к поверхности жидкой лавы и смешались с атмосферным воздухом). Часы «обнуляются» в том смысле, что в кристалле нет атомов аргона. По прошествии миллионов лет калий-40 медленно распадается, и, один за другим, атомы аргона-40 заменяют в кристалле атомы калия-40 и остаются в нём, как в ловушке. Накапливающееся количество аргона-40 является мерой времени, прошедшего с момента кристаллизации. Но эта величина имеет смысл только тогда, когда выражается как соотношение калия-40 к аргону-40. Когда часы были обнулены, соотношение составляло 100% в пользу калия-40. Через 1,26 млрд. лет соотношение будет 50 на 50. Спустя ещё 1260 млн. лет, половина оставшегося калия-40 превратится в аргон-40, и так далее. Промежуточные пропорции показывают промежуточные времена, с момента, когда кристаллические часы были обнулены. Таким образом, измеряя соотношение 40K/40Ar в куске магматической породы сегодня, можно сказать, когда порода кристаллизовалась. Магматические породы, как правило, содержат много различных изотопов, и не только калий-40. Положительным моментом является то, что магматические породы в данном куске затвердевают одновременно, обнуляя все часы, что очень удобно для датировки. Однако во время кристаллизации минерала может происходить захват аргона извне. Как отличить этот аргон от того, что образовался позднее в ходе распада изотопа 40K? Можно исходить из предположения, что захваченный аргон имел такое же соотношение изотопов 40Ar / 36Ar, как в современной атмосфере. Измерив количество 36Ar, можно затем вычислить количество «чистого» радиогенного аргона 40Ar.
Однако есть проблема. Ископаемые крайне редко встречаются в магматической породе. Они формируются в осадочных породах, таких как известняк и песчаник, которые не являются застывшей лавой. Они встречаются в слоях грязи, ила или песка, постепенно отлагающихся на дне моря, озера или реки. Песок или ил уплотняется в течение многих веков и твердеет, как камень. Останки, попавшие в осадочную породу, имеют шанс фоссилизироваться (сохраниться как ископаемое). Хотя только небольшая часть трупов становится ископаемыми, осадочные породы — единственные, которые содержат ископаемые, о которых стоит говорить.
К сожалению, эти породы не могут быть датированы с помощью радиоактивности. Вероятно, отдельные частицы ила или песка, входящие в состав осадочных пород, содержат 40K и другие радиоактивные изотопы, но, к сожалению, эти часы бесполезны, потому что они не обнулены должным образом, или обнулены в различное время. Каждая песчинка имеет часы, обнуленные в своё время, вероятно, задолго до формирования этих пород и захоронения ископаемых, которые мы пытаемся датировать. Так, с точки зрения хронометрирования, осадочная порода — сплошной беспорядок. Лучшее, что мы можем сделать, и это довольно хорошее «лучшее» — это использовать возраст вулканических горных пород, которые находятся вблизи осадочных пород или внедрены в них.
Для датировки ископаемого не требуется в буквальном смысле найти его запрессованным между двумя плитами магматических пород, хотя это отличный способ для иллюстрации принципа. Фактически, используется более утончённый метод. Узнаваемые слои осадочных пород встречаются по всему миру. Задолго до того, как радиоактивное датирование было открыто, эти слои были идентифицированы и названы: кембрийский, ордовикский, девонский, юрский, меловой, эоцен, олигоцен, миоцен. Девонские отложения узнаваемы как девонские, не только в Девоне (графство на юго западе Англии, давшее им их название), но и в других регионах. Они явно похожи друг на друга, и они содержат те же виды ископаемых. Геологам уже давно известен порядок, в котором откладывались названные отложения. До появления радиоактивных часов мы просто не знали, когда они образовались. Мы могли расположить их по порядку, потому что, очевидно, более древние отложения, как правило, лежат ниже более молодых отложений. Девонские отложения, например, старше отложений каменноугольного периода (названного так потому, что каменный уголь часто встречается в этом слое), и мы знаем это, потому что в тех частях мира, где эти два слоя встречаются в одном месте, девонский слой лежит под каменноугольным (исключения встречаются в местах, где мы можем сказать, исходя из других свидетельств, что породы были наклонены, или даже перевёрнуты). Редко бывает так, чтобы обнаружился полный набор слоёв — от Кембрийского в нижней его части до современных на самом верху. Но, поскольку слои являются столь узнаваемыми, можно определить их относительные возрасты, выстраивая друг за другом и собирая их как паззл по всему миру.
Застывшее время. Научные подходы к датированию - 5
Вернемся к датированию. Поскольку относительный порядок проименованных осадочных слоёв хорошо известен, и один и тот же порядок обнаруживается во всем мире, можно использовать магматические породы, которые лежат выше или ниже осадочных слоев, или которые внедрены в них, для датирования проименованных осадочных слоёв, и, следовательно, окаменелостей внутри них. Нам не обязательно искать магматические породы в окрестностях того или иного отдельного ископаемого для его датировки. Мы можем сказать, что наши ископаемые относятся к, скажем, концу девонского периода, по их позиции среди слоёв. И мы знаем по радиоактивному датированию магматических пород, обнаруженных в связи с девонскими слоями по всему миру, что девонский период закончился около 360 миллионов лет назад.
Калий-аргоновые часы — только одни из многих часов, доступных геологам, которые используют тот же принцип в различном масштабе времени. Более быстрые часы, такие как углерод-14, работают несколько иным способом по интересной причине, а именно — его запасы постоянно пополняются. Роль углерода-14 в датировании несколько иная, чем у более долгоживущих изотопов. В частности, что означает «обнулить эти часы»?

Углерод

Из всех химических элементов этот кажется, наиболее важный для жизни, без которого жизнь на любой планете представить труднее всего из-за его замечательной способности к формированию цепочек, колец и других сложных молекулярных структур. Он вводится в пищевые цепи с фотосинтезом, процессом, при котором зелёные растения (и некоторые бактерии и животные) поглощают молекулы углекислого газа из атмосферы и используют энергию солнечного света, чтобы объединить атомы углерода с водой, создавая сахара. Весь углерод во всех живых существах происходит, в конечном счете, посредством растений, из углекислого газа в атмосфере. И он возвращается обратно в атмосферу когда мы выдыхаем, когда мы выделяем, и когда мы умираем.
Большая часть углерода в углекислом газе атмосферы это углерод-12, который не радиоактивен. Однако, примерно один атом на триллион является радиоактивным углеродом-14. Он распадается достаточно быстро, с периодом полураспада 5730 лет, как уже говорилось, в азот-14. Для биохимии растений нет разницы между этими двумя изотопами. Для растений углерод – всего лишь углерод. Таким образом, растения включают оба этих вида атомов углерода в сахара в той же самой пропорции, в какой они присутствуют в атмосфере. Углерод, входящий в состав атмосферы (вместе с такой же пропорцией атомов 14C) быстро (по сравнению с его периодом полураспада) распространяется через пищевую цепь, когда растения поедаются травоядными, травоядные хищниками и так далее. Все живые существа, будь то растения или животные, имеют примерно равное соотношение 14C/12C, которое является тем же самым соотношением, что и в атмосфере.
Застывшее время. Научные подходы к датированию - 6
Итак, когда эти часы обнуляются? В момент, когда живое существо, будь то животное или растение, умирает. В этот момент оно отсекается от пищевой цепи, и от притока свежего 14C. С течением столетий 14C в трупе, или куске дерева, или части ткани, или иной органики постоянно распадается в азот-14. Поэтому соотношение 14C/12C в образце постепенно падает ниже стандартного соотношения, которое живущие существа делят с атмосферой. В конце концов, останется только 12C или, точнее, содержание 14C будет слишком малым, чтобы его измерить. И соотношение 14C/12C может быть использовано для расчета времени, которое прошло со дня смерти существа, отрезанного от пищевой цепи, и его обмена с атмосферой.
Застывшее время. Научные подходы к датированию - 7
Это очень хорошо, но это работает только потому, что идет непрерывное пополнение запаса 14C в атмосфере. Без этого 14C с коротким периодом полураспада давно бы исчез с лица Земли, вместе со всеми другими естественными короткоживущими изотопами. 14C является особенным, потому что он непрерывно создается космическими лучами, бомбардирующими атомы азота в верхних слоях атмосферы.
Застывшее время. Научные подходы к датированию - 8
Азот — самый распространённый газ в атмосфере, и его атомное число 14, такое же, как и у углерода-14. Различие лишь в том, что у углерода-14 6 протонов и 8 нейтронов, тогда как у азота-14 7 протонов и 7 нейтронов (нейтроны, помните, имеют почти ту же массу, что и протоны). Частицы космических лучей способны, бомбардируя протон в ядре атома азота, превратить его в нейтрон. Когда это происходит, атом становится углеродом-14, который стоит на одну ячейку левее, чем азот, в периодической системе. Скорость этого преобразования примерно постоянна (зависит от колебаний солнечной активности) и поэтому радиоуглеродное датирование работает. К счастью, у нас есть точная калибровка колебаний поставки 14C в атмосферу, и мы можем ввести поправку на них, чтобы уточнить наши вычисления возраста. Помните, что, примерно для того же самого временного диапазона, покрываемого датированием по радиоуглероду, есть альтернативный метод датирования древесины — дендрохронология, который абсолютно точен до года. Глядя на датируемые по радиоуглероду возрасты деревянных образцов, возраст которых независимо установлен датированием с помощью годичных колец, мы можем откалибровать эту колеблющуюся ошибку в датировании по углероду. Теперь мы можем использовать эти калибровочные измерения, когда мы возвращаемся к органическим образцам, для которых у нас нет данных годичных колец (для большинства).
Застывшее время. Научные подходы к датированию - 9

Датирование по радиоуглероду – сравнительно недавнее изобретение, оно было предложено Уиллардом Либби в 1946 году (Нобелевская премия по химии, 1960). В первые годы требовались существенные количества органического материала для этой процедуры. Только, в 1970-х техника, называемая масс-спектрометрией, была адаптирована для датирования, и сейчас необходимы только крошечные количества органического вещества. Это произвело революцию в археологическом датировании. Самым известным примером является Туринская плащаница. Поскольку на этом пресловутом куске ткани оказался запечатлён, кажется таинственным образом, лик бородатого, человека (причём, по неясной причине, почему-то в цилиндрической проекции), многие люди надеялись, что он может происходить со времен Иисуса. Она впервые появляется в исторической летописи в середине четырнадцатого века во Франции, и никто не знает, где она была до этого. Она находилась в Турине с 1578, и в Ватикане с 1983 года. Когда масс-спектрометрия сделала возможным датирование по крошечному образцу плащаницы, а не значительному куску, который был бы необходим прежде, Ватикан позволил отрезать маленькую полосу. Она была разделена на три части и отправлена в три ведущих лаборатории, специализирующиеся на радиоуглеродном датировании, в Аризоне, Оксфорде и Цюрихе. Работающие абсолютно независимо, не сравнивая записей, эти три лаборатории представили свои отчёты о дате, когда лён, из которого соткана ткань, умер. Лаборатория Аризоны указала на 1304, Оксфорд — на 1200, и Цюрих — 1274 годы нашей эры. Все эти даты в пределах погрешности, совместимы друг с другом и с датой 1350 года, в котором саван впервые упомянут в истории. Датирование плащаницы остаётся спорным, но не по причинам, которые ставят под сомнение саму технику радиоуглеродного датирования. Например, углерод в саване мог быть внесён пожаром, который произошёл в 1532 г. Это хороший пример, чтобы проиллюстрировать метод и тот факт, что, в отличие от дендрохронологии, он не обладает точностью до года, только до столетия или около.

Известно много различных часов, которые можно использовать, и они работают лучше всего на различных, но перекрывающихся временных масштабах. Радиоактивные часы могут быть использованы для независимой оценки возраста одного и того же куска породы, если помнить, что все часы были обнулены одновременно, когда этот кусок породы кристаллизовался. Когда такие сравнения были сделаны, различные часы были сопоставлены друг с другом — в рамках ожидаемых пределов погрешности. Это даёт большую уверенность в правильности часов. Таким образом, взаимно откалиброванные и проверенные на известных породах, эти часы можно с уверенностью применять к интересным проблемам датирования, таким как возраст самой Земли. В настоящее время установленный Клэром Паттерсоном в 1956 г. возраст в 4,55±0,05 млрд. лет является оценкой, на которой сходятся несколько различных часов.

История установления возраста Земли

Как раз в это время [1946 г.] Гаррисон Браун из Чикагского университета разработал новый метод подсчета изотопов свинца в породах вулканического происхождения (т. е. тех, которые в отличие от осадочных пород прошли через плавление). Понимая, что работа будет крайне скучной, он перепоручил ее юному Клэру Паттерсону в качестве диссертационного проекта. Особенно замечательно то, что он обещал Паттерсону, что определить возраст Земли этим новым способом — сущий пустяк. В действительности на это потребуются годы.
Паттерсон начал работу в 1948 году. В сравнении с захватывающим воображение вкладом Томаса Миджли в прогресс человечества определение Паттерсоном возраста Земли выглядит более чем скромно. На протяжении семи лет — сначала в Чикагском университете, а затем, с 1952 года, в Калифорнийском технологическом институте — он работал в стерильной лаборатории, делая очень точные измерения соотношений свинца и урана в тщательно отобранных образцах древних пород.
Сложность измерения возраста Земли заключалась в том, что требовались очень древние породы с кристаллами, включающими свинец и уран, примерно того же возраста, что и сама планета. Более молодые образцы дают искажения в сторону более позднего времени. Но на Земле редко находят действительно древние породы. В конце 1940-х годов никто до конца не понимал почему. В действительности, и это весьма удивительно, лишь вступив в космический век, удалось внятно объяснить, куда делись на Земле все древние породы. (Ответ дает тектоника плит, до которой мы, разумеется, еще доберемся.) Паттерсону же между тем пока оставалось лишь пытаться разобраться в этих вещах, располагая весьма ограниченным набором образцов. В конце концов ему пришла в голову оригинальная мысль: можно восполнить нехватку образцов, используя породы внеземного происхождения. И он обратился к метеоритам.
Паттерсон выдвинул весьма сильное и, как оказалось, верное предположение, что многие метеориты представляют собой остатки строительных материалов, сохранившихся с ранних времен существования Солнечной системы, и потому внутри них мог сохраниться более или менее нетронутым первичный химический состав. Измерьте возраст этих странствующих камней — и вы получите (с неплохой точностью) возраст Земли.
Как всегда, все оказалось не так просто, как это может показаться из нашего беглого описания. Метеориты встречаются весьма редко, и достать их образцы не так-то легко. Кроме того, разработанная Брауном методика измерений оказалась крайне сложной в деталях и требовала значительной доработки. Ко всему прочему, с образцами Паттерсона постоянно возникали проблемы из-за того, что они бесконтрольно загрязнялись большими дозами содержащегося в атмосфере свинца каждый раз, как только попадали на воздух. Именно это обстоятельство заставило его в конечном счете создать стерильную лабораторию — первую в мире, если верить по крайней мере одному из источников.
Паттерсону потребовалось семь лет упорного труда, чтобы только собрать и оценить образцы, предназначенные для окончательной проверки. Весной 1953 года он привез свои образцы в Аргоннскую национальную лабораторию в штате Иллинойс. Там ему выделили время на масс-спектрографе последней модели — приборе, способном обнаруживать и измерять самое незначительное количество урана и свинца, упрятанное в древних кристаллах. Когда наконец Паттерсон получил результаты, он так разволновался, что сразу отправился на родину в Айову и попросил мать поместить его в больницу на исследование, так как подумал, что у него случился сердечный приступ.
Вскоре на конференции в Висконсине Паттерсон объявил окончательный возраст Земли — 4550 миллионов лет (плюс-минус 70 миллионов лет) — «цифра, остающаяся неизменной и через пятьдесят лет», как восхищенно замечает Макгрейн. После двухсотлетних попыток Земля наконец обрела возраст.
Почти сразу Паттерсон сосредоточил внимание на насыщавшем атмосферу свинце. Он был поражен, обнаружив, что даже то немногое, что было известно о воздействии свинца на человека, почти неизменно оказывалось либо неверным, либо вводящим в заблуждение. И неудивительно: ведь на протяжении сорока лет все исследования о воздействии свинца финансировались исключительно производителями свинцовых присадок.
В одном из таких исследований врач, не имевший специальной подготовки в области патологии, связанной с химией, взялся за пятилетнюю программу, в ходе которой добровольцам предлагалось вдыхать или глотать свинец в возрастающих количествах. Затем у них проверялись моча и кал. К несчастью, доктор, видимо, не знал, что свинец не выделяется с отходами жизнедеятельности. Наоборот, он накапливается в костях и крови — именно из-за этого он так опасен, — а ни кости, ни кровь не проверялись. В результате свинцу было выдано свидетельство полной безвредности для здоровья.
Паттерсон быстро установил, что в атмосфере находится — и фактически остается сегодня, потому что он никуда не девается, — огромное количество свинца. И около 90 % его, похоже, вышло из выхлопных труб автомашин. Но он не смог этого доказать. Ему требовалось найти способ сравнить нынешний уровень содержания свинца в атмосфере с уровнем, существовавшим до 1923 года, когда началось коммерческое производство тетраэтилсвинца. И тут он догадался, что ответ могут дать ледники.
Было известно, что в местах, подобных Гренландии, выпавший снег откладывается отдельными слоями (из-за сезонных колебаний температуры наблюдаются незначительные изменения в их окраске от зимы к лету). Отсчитывая эти слои и измеряя количество свинца в каждом из них, Паттерсон мог вычислить концентрацию свинца в земной атмосфере в любой период времени на протяжении сотен и даже тысяч лет. Эта идея легла в основу изучения ледниковых кернов, на котором во многом зиждется современная климатология.
Паттерсон обнаружил, что до 1923 года в атмосфере почти не было свинца, а после этого уровень содержания свинца неуклонно и опасно пополз вверх. Теперь делом его жизни стало добиться удаления свинца из бензина. Он стал постоянным и зачастую суровым критиком промышленного производства свинца и стоящих за этим интересов.
Кампания оказалась дьявольски трудной. «Этил» была мощной глобальной корпорацией и имела много высокопоставленных друзей. (Среди ее директоров были член Верховного суда Льюис Пауэлл и Гильберт Гровнор из Национального географического общества.) Паттерсон вдруг обнаружил, что средства на его научные исследования либо отозваны, либо выделяются с огромным трудом. Американский институт нефти расторг с ним контракт на исследования, Служба здравоохранения Соединенных Штатов, считавшаяся беспристрастным правительственным органом, тоже.
По мере того как Паттерсон все больше становился помехой для своего научного заведения, должностные лица свинцовых компаний частенько нажимали на попечителей Калифорнийского технологического института с целью заставить его замолчать или уйти. По словам Джейми Линкольна Китмана,153 писавшего в 2000 году в The Nation, руководство «Этила» предлагало пожертвовать средства на содержание в институте кафедры, если «Паттерсона уйдут». Дошло до абсурда, когда его, бесспорно, самого видного эксперта Америки по атмосферному свинцу, в 1971 году вывели из комиссии по вопросам свинцового загрязнения Национального научно-исследовательского совета.
Надо отдать должное Паттерсону, он остался тверд в своих убеждениях. И в конечном итоге его усилия привели к принятию Закона 1970 года «о чистом воздухе», а в 1986 году к полному изъятию из продажи в Соединенных Штатах этилированного бензина. Почти сразу содержание свинца в крови американцев упало на 80 %.154 Но из-за того, что свинец остается навсегда, у каждого современного американца содержится в крови в 625 раз больше свинца, чем у его соплеменника, жившего сто лет назад. Содержание свинца в атмосфере также продолжает увеличиваться, причем вполне законно, примерно на сто тысяч тонн в год, главным образом из-за его добычи, выплавки и промышленной обработки. В Соединенных Штатах также запретили применение свинца в малярных работах внутри помещений. «Через 44 года после большинства стран Европы», — замечает Макгрейн. Удивительно, что, несмотря на поразительную токсичность, свинцовый припой применялся в емкостях для продуктов питания аж до 1993 года.
Что касается «Этил корпорейшн», то она все еще процветает, хотя «Дженерал моторе», «Стандард Ойл» и «Дюпон» больше в ней не участвуют. (В 1962 году они продали свои акции компании «Албермэрл пейпер».) Согласно Макгрейн, еще в феврале 2001 года «Этил» продолжала утверждать, «что исследования не подтвердили, что этилированный бензин представляет опасность для здоровья человека или окружающей среды». На ее сайте в истории компании нет упоминания о Томасе Миджли, а просто содержится ссылка на первоначальный продукт, содержащий «определенные химические соединения».
«Этил» больше не производит этилированный бензин, хотя, согласно отчетам компании за 2001 год, продажа тетраэтилсвинца в 2000 году все еще приносила ей 25,1 млн долларов (из общей суммы 795 млн долл.), даже больше, чем в 1999 году (24,1 млн долл.), но меньше, чем в 1998 году (117 млн долл.). В своем отчете компания заявляет о решимости «максимально увеличить поступления от продаж тетраэтилсвинца, применение которого в мире продолжает постепенно сокращаться». «Этил» сбывает тетраэтилсвинец по всему миру по соглашению с английской фирмой «Ассошиэйтед Октел Лтд.».
Что касается другого наказания, оставленного нам Томасом Миджли, — хлорфторуглеродов, в Соединенных Штатах они были запрещены в 1974 году, но эти коварные невидимки ужасно живучи, и те, что попали в атмосферу раньше (например, в составе дезодорантов или лаков для волос), почти наверняка будут оставаться там и пожирать озон еще долго после того, как нас с вами не станет. Еще хуже то, что мы каждый год продолжаем добавлять в атмосферу огромное количество хлорфторуглеродов. Согласно Уэйну Биддлу,156 на рынок ежегодно попадает 27 миллионов килограммов этого зелья стоимостью полтора миллиарда долларов. Так кто его производит? Мы, то есть множество наших крупных корпораций, производящих его на своих зарубежных предприятиях. В странах третьего мира его не запретят до 2010 года.
Клэр Паттерсон умер в 1995 году. Он не получил Нобелевской премии за свои труды. Геологам ее не дают. Еще более странно, что полстолетия упорного, самоотверженного труда не принесли ему ни славы, ни маломальского признания. Можно бы привести веские доводы в подтверждение того, что он был самым влиятельным геологом двадцатого века. Однако кто слыхал о Клэре Паттерсоне? В большинстве учебников геологии о нем не упоминается. В двух свежих популярных книгах об истории определения возраста Земли ухитрились исказить его имя.
В начале 2001 года рецензент одной из этих книг в журнале Nature совершил еще одну поразительную ошибку, представив Паттерсона женщиной.
Как бы то ни было, благодаря трудам Паттерсона Земля к 1953 году обрела наконец возраст, с которым все могли согласиться.

Критика

Итак, приверженцы «альтернативной истории» могут заявить, к примеру, что что-то неладно с калий-аргоновыми часами. Что, если современная очень малая скорость распада 40K действовала только после Ноева потопа? Если до него период полураспада 40K радикально отличался, и составлял, например, несколько веков, а не 1,26 миллиарда лет? Специальная оговорка в таком заявлении бросается в глаза. С какой стати законам физики меняться именно так, Ad Hoc —так удобно и так масштабно? Это выглядит даже более кричащим, если нужно сделать специальные взаимосогласованные оговорки по каждым из часов отдельно. В настоящее время все применяемые методы согласуются друг с другом в определении даты формирования Земли в диапазоне между четырьмя и пятью миллиардами лет назад. И они основаны на предположении, что период полураспада всегда один и тот же, что мы и фиксируем сегодня, как известные законы физики прямо предписывают им быть. Отрицатели истории должны были бы так поиграться с периодом полураспада всех изотопов в их разных пропорциях, чтобы они все согласовывались с тем предположением, что Земля образовалась 6000 лет назад. Это — то, что я называю специальной оговоркой. Здесь даже не упомянуты некоторые другие методы, например, «трековое датирование», которое также приводит к тому же результату. Следует принять во внимание огромные различия во временных масштабах различных часов, подумать о степени натянутости и сложности подгонки законов физики, которые были бы необходимы, чтобы заставить все часы согласоваться между собой в диапазоне нескольких порядков, что Земле 6000 лет, а не 4,55 миллиарда! Учитывая, что единственный мотив для таких подгонок — это желание поддержать миф о сотворении, принадлежащий частной группе племён бронзового века, неудивительно, что на это покупаются, в основном, невежественные люди.

Однако, ошибки бывают всегда. Захороненная органика может загрязняться посторонним углеродом, как «древним» (с низкой долей 14C), так и «молодым». В результате возникают, соответственно, «ошибки удревнения» и «ошибки омоложения». Кроме того, соотношение 14C/12C в атмосфере не постоянно. Например, хозяйственная деятельность человека и особенно ядерные испытания сильно сказываются на этой величине. Скорость образования 14C в верхних слоях атмосферы зависит от интенсивности космического и солнечного излучения, а это — величины переменные. Соотношение 14C/12C зависит и от общей концентрации CO2 в атмосфере, состав которой также меняется. Все эти естественные колебания, однако, не очень велики и они учитываются. По-настоящему серьёзную проблему представляет лишь возможность загрязнения образца посторонним углеродом. Ведь точность зависит и от «людей в поле» и от лаборанта. Именно тут пытаются скомпрометировать науку, заявляя: «Учёные определили возраст живой овцы в 15000 лет!», умалчивая о некорректной методологии — образец мог быть взят у животного, пасшегося возле шоссе. А углерод попадал в растения из выхлопов автомобилей, которые, сжигая продукты нефтеперегонки, высвобождают углерод из давно умерших организмов.

Что же касается «мезозойского молотка», «цепочки в каменном угле», «трилобита, раздавленного ботинком» — при самостоятельной оценке степени достоверности подобных «новостей» нужно иметь в виду, что должна быть ссылка на некую статью, где подробно описано – где, когда, кем и при каких обстоятельствах сделана находка. Сделана ли она самим учёным? Должен быть археологический контекст: слой, какие объекты находились рядом и так далее.
Информация, полученная через цепочку «свидетельских показаний» — самая недостоверная информация (хотя и принимается кое-где в судах). Типичный пример подобного искажения информации – детская игра «сломанный телефон». Я уже не говорю о нашем несовершенном восприятии и ненадёжной памяти.

Сверим часы

Неточность большинства методов абсолютной геохронологии не даёт оснований отрицать достоверность датировок в археологии, палеонтологии и эволюционной биологии (как это делают, например, сторонники креационизма, «Новой хронологии» Фоменко и других псевдонаучных концепций). Главное достоинство этих методов в том, что их много. И в подавляющем большинстве случаев они всё-таки дают сходные результаты, которые к тому же замечательно согласуются с данными относительной геохронологии (порядком расположения геологических слоёв). Если бы это было не так, говорить было бы не о чем! Это как с корабельными хронометрами: если он один, никак нельзя определить, когда он врёт; если их два — уже можно понять, что один из них врёт, неясно лишь, какой из двух, а если три или больше — точное время можно узнать практически всегда.

Именно по этой причине в научных исследованиях возраст объектов сегодня принято определять при помощи нескольких независимых методов. Если это правило нарушено, результат выглядит спорным для большинства специалистов.

Напоследок извиняюсь за несколько «капитанский» стиль изложения – оказалось, что 95% населения достаточно много людей не имеют представления о методах датировки. Да и самому было полезно разобраться в этой интересной теме.

Литература

1. Ричард ДОКИНЗ «Самое грандиозное шоу на Земле»
2. Сайт «Элементы»
3. Билл БРАЙСОН «Краткая история почти всего на свете»
4. Википедия

Автор: ra3vdx

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля