Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Существует четыре стабильных изотопа Свинца (Pb). ²⁰⁴Pb – первичный, оставшийся от формирования Земли, и на его долю приходится примерно 1,4 % природных месторождений этого элемента. Остальные три изотопа – это конечные точки радиоактивных рядов распада таких элементов, как Уран – ²³⁸U -> ²⁰⁶Pb и ²³⁵U -> ²⁰⁷Pb – и Торий (²³²Th -> ²⁰⁸Pb). Они составляют примерно 24 %, 22 % и 52 % свинцовой руды соответственно, хотя точные соотношения зависят от концентрации их материнских ядер и тем самым служат маркерами геологического расположения тех мест, откуда они произошли.

Свинец использовался для различных целей более 9000 лет. Благодаря низкой температуре плавления, составляющей всего 328 °C, он становится самым простым из металлов, выплавляемых из его

руды (так называемого галенита, или сульфида свинца, PbS). Изначально из него делали небольшие скульптуры и украшения, а потом начали применять в самых разных культурах и в самых разных сферах – и как стимулятор, и в косметике, и как противозачаточное средство, и как подсластитель, и даже для изготовления гробов. В Древнем Риме из-за высокой пластичности и устойчивости к коррозии его, что совершенно неудивительно, выбрали в качестве материала для разветвленной сети акведуков и труб, снабжавших водой столицу (и другие города империи). Латинское слово, обозначающее Свинец, – plumbum³, отсюда и английское слово plumb, обозначающее сантехнику, и химический символ самого элемента, Pb. Более того, в период расцвета империи объем производства выплавленного свинца на рудниках в Англии, Испании, на Балканах и в Малой Азии оценивался в 80 000 тонн в год. За время существования империи было использовано около 15 миллионов тонн – это количество настолько велико, что оно оставило след на ледяной шапке Гренландии (см. гл. 11), где, по оценкам, в период с 300 года до нашей эры по 500 год нашей эры было отложено около 400 тонн переносимого по воздуху свинцового загрязнения.

Хотя Плиний Старший (среди прочих) пишет о токсичности свинцовых паров, документальных свидетельств отравления свинцом в Древнем мире не так много, и вряд ли кому-то могло прийти в голову, что свинцовые трубы и цистерны (не говоря уже о кухонной утвари и контейнерах для вина) способны причинить какой-либо вред. И, конечно же, никто не мог оценить содержание Свинца в воде или вине. Именно здесь вступает в игру история, рассказанная атомами.

Делиль и его коллеги провели прямое измерение содержания Свинца в римской воде на протяжении тысячи лет, для чего пробурили и извлекли два 13-метровых керна из отложений в гавани императорского Рима в Порте и из канала, соединяющего гавань и Тибр. Кроме того, исследователи получили образцы Свинца из современного русла Тибра и из пяти труб римской эпохи. Содержание изотопов Свинца определяли в общей сложности в девяноста пяти образцах, взятых с разных глубин в керне и из различных мест русла и труб. Возраст глубин отбора определяли при помощи радиоуглеродного датирования органического материала, присутствующего в кернах.

Если отразить соотношения ²⁰⁴Pb, ²⁰⁷Pb и ²⁰⁸Pb к ²⁰⁶Pb на графике, то нам откроется поразительная картина. До того как в Порте возникла гавань, построенная примерно в 100 году нашей эры, эти соотношения были постоянными, и их значения походили на те, что характерны для этой местности в наши дни, – это природный Свинец, содержащийся в водах Тибра и происходящий из двух источников: от эрозии вулканических пород с Альбанских холмов к югу от Рима и из известняков в верховьях реки в Апеннинах на востоке. Однако уже в 112 году, сразу же после появления гавани, значения всех трех изотопных соотношений возрастают, что указывает на осаждение воды, насыщенной свинцом, из труб (в них – самые высокие соотношения изотопов из всего набора полученных данных). Запасы свинца достигают пика в 200–250 годах нашей эры, затем падают до среднего уровня на протяжении 250 лет, до начала VI века, а потом, до 800 года нашей эры, повышаются снова, прежде чем вернуться к исходному фоновому уровню. Эти явные сдвиги соответствуют вполне определенным событиям в истории Римской империи: созданию гавани около 100 года нашей эры, сокращению населения в III–IV веках и ремонту системы водоснабжения, который провел Флавий Велизарий, византийский полководец, отвоевавший Рим у готов в 538 году. После того как Рим в 846 году разграбили арабы, система водоснабжения окончательно разрушилась, и соотношение изотопов Свинца в реке вернулось к естественным фоновым значениям.

Исследователи провели количественный анализ содержания Свинца и подсчитали, что через свинцовые трубы римлян проходило 3 % общего стока Тибра, из-за чего в имперский период концентрация Свинца возросла в сорок раз. Хотя такой уровень загрязнения может показаться пугающим, он меньше того количества, с которым мы живем сегодня. Если судить по немногочисленным доступным образцам костей (обратите внимание, что примерно 90 % Свинца, поступившего в организм, в конечном итоге остается в костях, поэтому они представляют собой хороший показатель общего воздействия), то мы увидим, что уровень потребления Свинца у жителей Рима и других городов по всей империи составлял примерно 45 % от уровня, который мы обнаружим у современных европейцев. Видимо, для объяснения падения Рима нам следует искать другие причины, помимо отравления свинцом.

Первое искусство

Самые ранние художественные творения человека, созданные задолго до появления письменности, можно встретить на стенах пещер и других скальных поверхностях. В 1940 году мальчишки, следуя за собакой через подземный ход, обнаружили в пещере Ласко «художественную галерею», в которой представлены сотни красочных рисунков, изображавших животных доисторической Европы. Одна из первых важных проверок пригодности метода радиоуглеродного датирования, созданного Либби, для установления возраста произведений искусства состоялась в 1951 году, и для испытания был взят образец древесного угля из пещеры; это позволило вычислить возраст в 15 500 лет до настоящего времени (см. гл. 8). Датирование двух других образцов выявило, что они созданы 16 000 и 17 200 лет назад. Совсем недавно при помощи ускорительного масс-спектрометра был датирован фрагмент рога северного оленя, найденный в пещере, и его возраст составил от 18 600 до 18 900 лет до настоящего времени. Обратите внимание, что все это – не образцы, взятые с самих рисунков, а второстепенные объекты, и «разброс» более чем в 3000 лет тревожит своей неточностью.

Как мы упоминали во введении, у наших атомных историков нет культурных предубеждений, свойственных людям. Но у них, если можно так сказать, есть свои «характерные черты», мешающие нам воссоздавать с их помощью количественную историю. В 1990 году Дж. Расс и его коллеги представили метод, позволяющий искусно обойти одно из таких свойств, проявляющихся при работе с раствором, – мы говорим о загрязнении образца древним неорганическим Углеродом. (Поскольку большая часть наскального искусства в мире находится в известняковых пещерах, даже миллиграммовые образцы краски, взятые со стены, могут содержать загрязняющий Углерод из подстилающей породы.) Расс и его коллеги применили новый метод к наскальной живописи в районе Биг-Бенд реки Рио-Гранде на юго-западе Техаса⁴.

Большинство пигментов, при помощи которых создавались наскальные рисунки (например, оксиды железа и марганца), – неорганические и поэтому не содержат полезного Углерода. Но сами по себе они не держатся на стене, поэтому их приходится смешивать с материалами, которые их растворяют и одновременно прилипают к поверхности. Химический анализ образцов пещерного искусства, собранных со всего мира, показал, что в качестве таких растворителей применялись кровь, моча, молоко, мед, яйца, растительные масла и растительные смолы. Конечно же, все это органические вещества, и их можно использовать для радиоуглеродного датирования. Хитрость заключается в том, чтобы извлечь только органический Углерод и не пропустить неорганический Углерод с поверхности породы.

Исследователи использовали вакуумную камеру, сперва откачав из нее весь воздух, а затем заполнив ее чистым газообразным Кислородом (O₂). Если поместить образец в камеру и нагреть его до 100 °C, все органические (углеродсодержащие) соединения окисляются до воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂). Относительно слабые химические связи органических молекул при этой температуре рвутся после столкновений с высокореактивными атомами Кислорода, но ни один атом Углерода, входящий в состав известняка (CaCO₃), не задействуется (напомним, что для отделения CO₂ от известняка необходимо нагреть последний как минимум до 900 °C). Прямой отбор материалов, использованных для творчества, позволяет однозначно установить возраст угля, костей или других второстепенных свидетельств. Затем вода и CO₂ извлекаются из камеры «методом холодного пальца» (вода замерзает при 0 °C, а CO₂ – при –78 °C). Всего из остаточного CO₂ было извлечено 12 мг чистого Углерода. Его возраст, установленный с помощью ускорительного масс-спектрометра, составил 3865 ± 100 лет до настоящего времени, в полном соответствии с широким диапазоном, которого можно было ожидать на основе археологических данных этого периода.

Древние и древнейшие

На протяжении многих десятилетий считалось, что самые старые рисунки, украшавшие стены пещер, находятся в Европе. После открытия пещер Ласко множество других подобных мест было открыто в Испании, Франции и других европейских странах. В 1994 году огромную пещеру нашли на юге Франции, в Шове, возле небольшого города Валлон-Пон-д’Арк, в 65 километрах к северу от Авиньона. Радиоуглеродное датирование позволило предположить, что произведения искусства, обнаруженные там, создавались в течение двух разных периодов: первый отстоял от настоящего времени на 33 000–37 000 лет, а второй – на 28 000–31 000 лет⁵.