Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

чрезвычайно чувствителен к едва уловимым химическим изменениям, поэтому к его помощи прибегали во многих областях искусства и археологии. Одно из самых замечательных его применений – попытка расположить в хронологическом порядке недатированные заметки и рисунки Галилея, связанные с развитием его теории движения. Желая оценить точный состав чернил в датированных письмах и финансовых документах и сравнить его с составом на недатированных страницах заметок Галилея о физике движения, группа итальянцев сопоставила соотношения элементов (Цинк/Железо, Медь/Железо, Цинк/Медь, Железо/Свинец) и сумела сгруппировать документы по едва заметным изменениям в содержимом чернильницы Галилея, тем самым во многом углубив наши знания об одном из важнейших творцов современной науки8.

Неразрушающие методы невероятно обогащают сферу истории искусства, поскольку дают нам возможность напрямую обратиться к атомам и молекулам, из которых оно состоит, благодаря чему мы можем установить происхождение произведений, обнаружить подделки, а также представить, при помощи каких техник создавался тот или иной шедевр, и установить время его возникновения. Подобный подход к священным текстам и артефактам, а также к архитектурным и художественным творениям как исторических, так и доисторических времен позволит расширить границы нашего «атомного воссоздания» человеческих стремлений – и проникнуть в эпохи, предшествующие возникновению современной цивилизации.

Глава 8

Углеродные часы: установление дат

«Радиоуглеродное датирование предполагает, что ранний Коран древнее Мухаммеда»1. Этот заголовок мелькал по всему миру летом 2015 года, рождая ужас в мусульманском мире, интерес среди историков и раздражение во мне. Эта история – не пример мошеннических уловок, подобных тем, какие мы раскрывали в предыдущей главе, а просто следствие вопиюще плохого написания заголовков в сочетании с одной из моих любимых мозолей – неумением считать. Однако этот инцидент позволит нам показать в действии очень важную технику датирования, о которой мы будем часто говорить в последующих главах и которая, таким образом, представляет собой следующий шаг в нашем стремлении превратить атомы в безупречных историков.

Датирование пергамента

В начале 2015 года в библиотеке Бирмингемского университета были найдены несколько листов Корана, в том числе части 18, 19 и 20-й сур (глав). Они находились внутри другой древней копии Корана, приобретенной в 1920-х годах. Лаборатория Оксфордского университета, располагавшая радиоуглеродным ускорителем, использовала крошечный фрагмент пергамента из этих фолиантов и обнаружила, что они созданы в период, охватывающий время с 568 по 645 год нашей эры. Поскольку пророк Мухаммед жил с 570 по 632 год, автор заголовка, ориентированный на кликбейт, счел оправданным написать: «Радиоуглеродное датирование предполагает, что ранний Коран древнее Мухаммеда», таким образом «предполагая», что эта версия исламского священного текста могла появиться прежде пророка, получившего ее в откровении. Это антинаучное «предположение» – и ниже я объясню почему. Но сначала давайте посмотрим, как можно однозначно датировать документ возрастом в четырнадцать веков с точностью до нескольких десятилетий.

Как описано в главе 6, 14C представляет собой радиоактивный изотоп Углерода, претерпевающий бета-распад до 14N. Период его полураспада составляет 5730 лет (неопределенность периода полураспада – менее 1 %). Поскольку в основе всех живых существ на Земле лежат молекулы, содержащие Углерод, они в ходе своей жизни постоянно поглощают этот атом из окружающей среды (растения впитывают CO2 из воздуха, животные поедают растения или других травоядных). В главе 10 мы подробнее поговорим о том факте, что 14С тяжелее гораздо более распространенного 12С, поэтому растения неохотно усваивают его при построении своих молекул, но тем не менее в них неизбежно содержится некоторая доля более тяжелого изотопа.

Как только растение или животное умирает, оно перестает поглощать Углерод из окружающей среды. Два стабильных изотопа, 12C и 13C, остаются неизменными, но 14C всегда распадается, и если не ввести его из внешнего источника, его количество медленно, но верно уменьшается по сравнению с его стабильными собратьями. Через 5730 лет (один период полураспада) соотношение 14C/12C составит половину того, каким оно было при жизни существа. Как указано в главе 6, количество атомов N, оставшихся после определенного периода времени T с момента смерти N(T), устанавливается количеством окружающих атомов на момент смерти N(T = 0), умноженным на дробь (½), возведенную в степень T/t½:

N(T) = N(T = 0) × (½)T/t½,

где t½ – период полураспада изотопа. По истечении одного периода полураспада T = t½, поэтому T/t½ = 1, (½)1 = (½), и, таким образом, N(t1/2) = N(T = 0) × (½) – остается половина атомов. Если можно измерить количество атомов14C в образце и знать, сколько их было вначале, то мы сможем инвертировать уравнение и найти Т – возраст объекта. В древнем Коране присутствовало 84,3 % от изначального количества атомов 14C, благодаря чему удалось вычислить то время, когда он был создан – с этого момента до 2015 года прошло 1408 лет; иными словами, он появился примерно в 607 году нашей эры.

У вас, наверное, уже появились вопросы. Во-первых, как можно узнать, сколько атомов 14С было в живой овце, шкура которой пошла на пергамент? Во-вторых, если период полураспада 14C составляет всего 5730 лет, как вообще может оставаться этот изотоп, когда Земле 4,5 миллиарда лет? И, наконец, как измерить соотношение 14C/12C на крошечном клочке пергамента? Учитывая, сколь важно датирование при помощи 14C во многом, о чем мы будем говорить дальше (не говоря уже о радиоизотопном датировании как таковом), стоит потратить немного времени и ответить на каждый из этих вопросов.

Откуда берется 14С?

Итак, почему 14С все еще существует в окружающей среде? В главе 6 мы упоминали о том, что этот изотоп встречается редко; это примерно одна триллионная часть количества 12С в мире. Но если бы мы располагали лишь первоначальным количеством 14C, возникшим во время формирования планеты, к настоящему времени его бы точно не осталось – если бы мы захотели возвести дробь (½) в степень, показатель которой равен отношению возраста Земли к периоду полураспада изотопа, пришлось бы умножить ½ × ½ 797 033 раза, и это число оказалось бы настолько близко к нулю, что для наших целей их вполне можно уравнять.

На самом деле наш запас 14C постоянно пополняется, поскольку нашу атмосферу бомбардируют частицы чрезвычайно высокой энергии, проникающие из космоса, – так называемые космические лучи, открытые в 1911 году австрийским физиком Виктором Гессом, совершившим ряд рискованных измерений на большой высоте, куда он поднимался на аэростате. Космические лучи состоят из электронов, протонов и тяжелых атомных ядер, ускоренных в межзвездном пространстве до скоростей, близких к скорости света (см. гл. 16), так что, несмотря на свою ничтожную массу, они несут огромную энергию. У самых энергичных космических лучей, обнаруженных на Земле, в одном протоне умещается сила подачи профессионального теннисиста.

Когда частица космического излучения, на протяжении многих тысячелетий странствовавшая по