Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Любопытно, что радиоуглеродное датирование костей пещерного медведя, найденных в пещере среди двухсот с лишним скелетов, в сущности, показывает совпадения с первым диапазоном дат. Эти огромные существа были крупнее современных гризли, достигали до 4 метров в длину и весили более 900 килограммов, так что вряд ли они могли бы стать добрыми друзьями для людей-художников – возможно, у них была договоренность об использовании апартаментов на условиях таймшера.

Эти даты получили независимое подтверждение при помощи термолюминесцентных исследований. В нескольких местах пещеры известняк, в природных условиях имеющий бежевый цвет, стал красным после пожара (неизвестно, случайного или намеренного). Как мы уже отмечали, нагревание вещества высвобождает захваченные электроны, обнуляя часы радиационного поражения. Термолюминесценция позволила установить возраст

двух образцов, взятых из разных частей пещерного комплекса, и оценить его в 36 900 и 34 300 лет до настоящего времени с погрешностью от 2000 до 3000 лет – но в пределах первого периода «углеродных» дат, полученных выше⁶. Самая древняя из этих дат приходится на период, наступивший через несколько тысячелетий после того, как современный homo sapiens прибыл в Европу.

Недавно начали звучать мнения, согласно которым искусство, зародившееся в Европе, более чем вдвое старше современных оценок и создано не сапиенсами, а неандертальцами. Возраст красных отметин в испанской пещере (далеких от изящных изображений животных в гротах Шове и Ласко) составляет 65 000 лет. Однако некоторые авторы поставили под сомнение как артефакты, так и датировку⁷.

Недавние открытия, совершенные на индонезийском острове Сулавеси, затмили даже европейские рисунки, в древности которых не было никаких сомнений. Хотя возраст пигментов не устанавливали напрямую, убедительнейший метод радиоизотопного датирования позволяет определить нижнюю границу возраста рисунков благодаря изучению природных минеральных отложений, скопившихся на поверхности произведения искусства после его завершения⁸.

В этом нам помогают спелеотемы (от греческого spelaion [ «пещера»] и thema [ «отложение»]) – это собирательное название сталагмитов, сталактитов и натеков, которые медленно накапливаются по мере того, как вода просачивается в пещеру, унося с собой растворенные минералы на пути через вышележащую почву и горные породы. Как и сама пещера, образования состоят в основном из CaCO₃, но содержат и множество других микроэлементов. В частности, в капающей воде регулярно присутствует легкорастворимый Уран, а вот Тория в ней нет.

Как мы уже отмечали, все изотопы Урана радиоактивны, и конечный итог их ряда распада – свинец. Но одновременно они также производят Торий (²³⁰Th), для которого характерен довольно долгий период полураспада (75 500 лет), поэтому можно ожидать, что часть этого промежуточного продукта распада будет присутствовать в веществе спелеотема. Ряд распада выглядит так:

Учитывая их короткий период полураспада,²³⁴Th и ²³⁴Pa практически отсутствуют в образце образований, но соотношения ²³⁴U и ²³⁰Th к ²³⁸U дают прямую информацию о том, когда образовался натек.

Как и при проведении любых подобных измерений (мы это уже поняли), важно учитывать возможные отклонения. Например, если в слое породы обнаружится некоторое количество ²³⁰Th – от занесенной ветром пыли, частички которой столкнулись с затвердевающими спелеотемами, – то возраст, который мы получим, будет слишком древним, поскольку избыток ²³⁰Th предполагает, что распад ²³⁸U длился дольше. К счастью, здесь есть и «противоядие» – мы можем измерить соотношение ²³⁰Th к ²³²Th. Период полураспада ²³²Th в три раза превышает возраст Земли, так что первичный Торий все еще существует в коре планеты, однако из-за постоянного поступления ²³⁰Th в результате распада Урана соотношение ²³⁰Th к ²³²Th на поверхности составляет около 0,835. Поэтому в спелеотеме с более значительным соотношением ²³⁰Th к ²³²Th большая часть тория должна возникать в результате распада Урана – если соотношение

больше 20, на загрязнение приходится самое большее 0,825/20, или 4 %. В спелеотемах, образцы которых мы получили с Сулавеси, это соотношение было еще больше: от 29 до 369, что указывает на незначительное загрязнение.

Есть еще один повод для беспокойства: возможность того, что ²³⁸U и/или ²³⁴U могли вымыться из спелеотема уже после его образования. В таком случае установленный возраст также оказался бы слишком древним, ведь мы бы недооценили количество Урана, присутствующего в образце. Поскольку подобному выщелачиванию наиболее подвержен внешний слой породы, может случиться так, что самый внешний слой покажется самым старым, хотя на самом деле, если учесть постепенное наслоение капающей минерализованной воды, он должен быть самым молодым. Исследователи проверили это, взяв пять срезов спелеотема снаружи внутрь (самый внутренний слой был ближе всего к пигментам), и возраст неизменно увеличивался по мере продвижения внутрь, как и следовало ожидать от нормального накопления натеков.

Таким образом, анализ искусства Сулавеси дал нам очень надежную дату: произведения искусства появились на стенах более 43 900 лет назад, с неопределенностью всего в несколько столетий. Выходит, они значительно древнее любых подлинных наскальных рисунков из Западной Европы, обнаруженных на сегодняшний день. Впрочем, споры о первенстве бесплодны. У нас и так не было никаких сомнений в том, что люди, обладая уникально большим мозгом и склонностью к языку, занимались символической репрезентацией своего мира за десятки тысячелетий до того, как начали устраивать стоянки и запустили – 10 000 лет назад – проект, который мы обычно называем «цивилизацией».

Каменные орудия

Задолго до того, как наши предки-гоминиды обратились к художественным занятиям, они изготавливали орудия труда, в основном из камня. Споры ведутся вокруг (1) того, что считать орудием (камень с несколькими сколами, по всей видимости, проходит критерии, установленные большинством археологов), и (2) кто нашел самые древние из них. На момент выхода этой книги в печать рекорд держат «орудия» из раскопок в Эфиопии – им 2,5 миллиона лет⁹. В большинстве случаев датировку проводят не по самим орудиям, а благодаря геологическим методам стратиграфии – исследователи отмечают, в каком слое горной породы или вулканического пепла найдены те или иные орудия и датируют этот слой, соотнося его с каким-то геологическим процессом. Один из полезных методов определения возрастов в миллионы лет – запись инверсий магнитного поля, о которых мы говорили ранее (глава 8); эти инверсии оставляют слабый след в горных породах.

Более прямой и точный метод определения возраста минералов, ассоциируемых с каменными орудиями, основан на очень редкой форме радиоактивного распада, о которой мы упоминали в главе 6: спонтанном делении¹⁰. Хотя несколько тяжелых изотопов в принципе могут претерпевать спонтанное деление, только ²³⁸U испытывает его достаточно часто, чтобы оставить сигнатуру, – и даже у этого изотопа оно происходит менее одного раза на миллион по сравнению с предпочтительным альфа-распадом. Поскольку ядро распадается на два неравных осколка, и оба при этом более тесно связаны, выделяется много энергии, обычно около 170 Мэ В. Большая ее часть проявляется в виде кинетической энергии осколка, и они отлетают друг от друга, поскольку взаимные положительные заряды заставляют их отталкиваться, как только они вырываются из цепкой хватки сильного взаимодействия. Это смещает атомы и молекулы по прямой, пока они не остановятся, и хотя ширина треков, возникших вследствие разрушения, составляет всего несколько нанометров, их длина может достигать нескольких миллиметров¹¹.

Треки слишком узкие, чтобы их можно было увидеть под световым микроскопом, но с помощью химических веществ, вытравливающих линии вдоль всего пути, их ширину можно увеличить до микрометров и, таким образом, сделать их видимыми. В дальнейшем остается просто подсчитать количество треков и определить количество произошедших делений, пропорциональное количеству атомов Урана в образце и времени, прошедшему с тех пор, как кристалл в последний раз был достаточно горячим, чтобы отжечь (иными словами, залечить) шрамы, оставленные треками. У цирконов температура отжига составляет около 240 °C.