Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Окрестности Кохкера, расположенные за сто километров от знаменитых храмов Ангкор-Вата, особенно интересны тем, кто изучает историю кхмеров. Сражаясь за власть с другими претендентами на трон – сыновьями прежнего, уже умершего правителя, – Джаяварман IV в 921 году перенес в Кохкер столицу, которая прежде находилась в Ангкоре. Соперники властелина умерли в 928 году, и он правил единолично до самой своей смерти в 941 году. Его детально продуманная новая столица была завершена менее чем за двадцать лет, и это наводит на мысль, что Джаяварман IV располагал немалым капиталом и рабочей силой. Источником сырья для построек и скульптур, украсивших новый город, стали те самые карьеры, в которых Каро спустя долгие столетия добывал свои образцы. Поэтому образец камня, из которого были созданы коленопреклоненные стражи, мог бы пролить свет на их происхождение.

Впрочем,

еще до того, как было принято непростое решение отсечь от статуй образец для анализа, вмешалась традиционная археология. Ноги стражей были найдены у западных ворот главного храма в Кохкере. В соответствии с соглашением, подписанным в 2013 году, музей вернул обе статуи, и они могли вновь охранять столицу Джаявармана IV, как делали это на протяжении 1100 лет.

Испанский фальсификатор

В 1930 году Метрополитен-музей планировал совершить серьезную покупку и приобрести одну средневековую картину – «Обручение святой Урсулы». Ее автором считался кастильский художник Хорхе Инглес – по крайней мере, именно так полагал английский историк искусства и бывший директор британской Национальной портретной галереи сэр Лайонел Каст. На картине изображена счастливая чета в окружении многочисленной свиты у древнего замка, а на заднем плане по водной глади плывут корабли. Размеры картины – примерно 76 x 60 см, она нарисована на дереве и отличается характерными трещинами, как и можно ожидать от произведения, которому уже пятьсот лет; во всех иных смыслах она в прекрасном состоянии. За нее запрашивали 30 000 британских фунтов, поэтому, прежде чем дать согласие, попечительский совет Метрополитен-музея решил обратиться за консультацией к независимому специалисту – графу Умберто Ньоли, выдающемуся историку искусства и, по совместительству, агенту музея по закупкам. А уже сам Ньоли обратился к Белль да Коста Грин, которая заведовала библиотекой Моргана, расположенной на Манхэттене, в четырех километрах к югу от Метрополитен-музея.

Грин сочла картину подделкой, и музей отклонил покупку. Зная, кому изначально приписывали авторство, Грин в порыве вдохновения окрестила создателя «Испанским фальсификатором». Впрочем, сейчас полагают, что настоящий фальсификатор, скорее всего, работал в Париже в конце XIX – начале XX века. Его имя пока неизвестно, но он явно плодовит: в наши дни он считается автором более 350 произведений, многие из которых находятся в коллекциях самых прославленных музеев мира (включая Метрополитен-музей и библиотеку Моргана).

И анализ Грин, и первоначальное подтверждение Каста были основаны на соображениях, касавшихся истории искусства. О разногласиях среди экспертов мы еще поговорим. Более того, некогда Грин подтвердила подлинность иллюстрированного средневекового служебника, приобретенного библиотекой Моргана двадцатью годами ранее, а впоследствии признала этот артефакт работой того же фальсификатора.

Так есть ли способ, при помощи которого наши беспристрастные историки-атомы могут дать нам окончательный ответ о происхождении этих произведений искусства? Да, есть. Он называется авторадиографией, или, если быть точным, нейтронно-активационной авторадиографией. Как вы помните, нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому на их полет в космосе не влияют ни электроны, ни протоны, ни магнитные поля, с которыми они могут столкнуться. Но им очень удобно в атомном ядре, в мощных объятиях сильного ядерного взаимодействия. Конечно же, добавление нейтрона к атомному ядру не меняет идентичность атома – и ¹²C, и ¹³C по-прежнему представляют собой Углерод, – но оно создает новый изотоп, который может проявлять или не проявлять склонность к радиоактивному распаду (например, ¹³C + n =¹⁴С, который, как мы видели в главе 6, будет испытывать бета-распад).

Начиная с 1960-х годов графитовый ядерный реактор Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной на Лонг-Айленде, в штате Нью-Йорк, применялся для исследования картин с использованием нейтронной активации. Он генерирует множество нейтронов (от миллионов до триллионов на квадратный сантиметр за секунду), скорость которых достаточно скромна. (Как правило, они обладают энергией 0,025 эВ, и быстрота их перемещения сравнима со скоростью молекул воздуха в замкнутом помещении, поэтому их называют «тепловыми нейтронами».) Крошечная часть этих нейтронов сталкивается лоб в лоб с ядром атома на картине, захватывается благодаря сильному взаимодействию и превращает изначальный атом в его более тяжелый изотоп.

Например, 11-й элемент, Натрий, встречается в природе только в виде своего единственного стабильного изотопа (²³Na). Его ядро, захватив нейтрон, становится радиоактивным ядром ²⁴Na, неустойчивым и склонным к бета-распаду – в стремлении обратно к долине стабильности новый атом испускает электрон, уравнивает количество протонов и нейтронов и сдвигается на одну ступень вверх в Периодической таблице к 12-му элементу, Магнию (²⁴Mg). Период полураспада в данном случае составляет 15 часов. Как и в большинстве подобных распадов, ядро Магния остается в возбужденном состоянии, затем испытывает гамма-распад и переходит в основное состояние, испуская фотоны с энергиями 2,75 и 1,37 Мэ В. Эта реакция записывается так:

²³Na + n -> ²⁴Na -> ²⁴Mg* + e^— + ?_e*** -> ²⁴Mg + + ? (2,75; 1,37 МэВ)

Добавление одного нейтрона к большинству стабильных изотопов влечет похожую цепочку событий. Обратите внимание на итог: (1) электрон, обладающий высокой энергией, улетает с картины, (2) испускаются гамма-лучи с очень своеобразными энергиями, характерными для нового элемента, и (3) исходный атом превращается в новый, расположенный на одну ступень выше в Периодической таблице.

Нас могло бы обеспокоить то, что нейтронное облучение меняет элементы потенциально драгоценного произведения искусства. Но сколько таких атомов меняется?

Устроители Брукхейвенского проекта анализировали семь работ, приписываемых «Испанскому фальсификатору». Картины располагали на расстоянии 60 см от реактора и облучали на протяжении примерно 90 минут, направляя на каждый их квадратный сантиметр около 1 миллиарда (10⁹) нейтронов за секунду. На шестидюймовой (15 см) странице иллюминированной рукописи это в общей сложности более 1000 триллионов (10¹⁵) нейтронов. Впрочем, напомним, что, если нейтрон не оказывается на расстоянии 10^–14 см от ядра, он вообще не подпадает под влияние сильного взаимодействия и поэтому проходит прямо через картину. Принимая во внимание крошечный размер мишеней, 99,9999999999 % нейтронов пролетают сквозь нее, и только пять или шесть из каждого триллиона атомов на картине преображаются в результате нейтронного захвата.

Чтобы представить, насколько это незначительно, вообразите склад, занимающий целый квартал Нью-Йорка (ок. 80 x 275 м). Высота этого склада – двадцать этажей, и он полностью заполнен синими шариками, каждый из которых представляет один атом на картине. Нейтронное облучение превращает пять или шесть шариков в красные. Если бы 2000 человек работали по восемь часов в день, пять дней в неделю и ухитрялись бы каждую секунду хватать по одному синему шарику и выбрасывать его в окно, тогда на то, чтобы найти пять красных шариков, им потребовалось бы более шестидесяти лет. А если бы склад находился рядом с Центральным парком, выброшенные шарики заполонили бы весь парк по колено. Так что вполне справедливо назвать авторадиографию неразрушающим методом анализа.

После образования радиоактивных ядер их периоды полураспада оказываются различными. Но нужно точно выяснить, где именно на каждой картине расположены определенные элементы, поэтому на ее лицевую сторону накладывают кусочек пленки с тем расчетом, чтобы улетающие электроны делали его видимым. Пленку оставляют на то или иное время, отмеряя различные интервалы после облучения, – так выявляют присутствие разных элементов с разным периодом полураспада. В произведениях «Испанского фальсификатора» исследователей интересовали такие элементы (с соответствующими периодами полураспада): Марганец (2,58 часа), Медь (12,7 часа), Натрий (15 часов), Мышьяк (26,3 часа), Золото (2,7 дня), Хром (27,7 дня), Ртуть (46,7 дня), Сурьма (60,2 дня) и Цинк (244 дня)². Пленку накладывали по прошествии определенного времени после воздействия (в скобках указан срок): спустя один день (на один день), спустя четыре дня (на два дня), спустя семь дней (на два дня) и спустя двадцать два дня (на пять дней).