Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Углеродная «калибровка»

Как и все другие живые существа, деревья поглощают Углерод, содержащийся в воздухе, и создают из него свою древесину, в которой около 50 % массы приходится на Углерод. В умеренных зонах деревья имеют заметные годичные кольца, каждый год добавляя слой древесины к обхвату. Поэтому они представляют собой идеальный календарь: самый внешний слой относится к текущему вегетационному периоду, следующий – к прошлому году, третий – к двухлетней давности и так далее. Изучение этих годичных колец называется дендрохронологией. Поскольку деревья – это то, что они едят (подробнее об этом см. гл. 10), соотношение изотопов Углерода в древесине того или иного кольца дает точную меру их соотношения в воздухе в соответствующем году.

Хотя многие деревья живут менее ста лет, есть и такие, у которых этот срок гораздо дольше. Гигантская секвойя с Западного побережья США может жить более 2000 лет, а среди остистых сосен высоких Скалистых гор встречаются живые экземпляры возрастом более 5000 лет. С помощью небольшого полого сверла, приростного бурава, можно взять образец с каждого из пяти тысяч годовых колец этих деревьев и непосредственно измерить в каждом из них соотношение ¹⁴C/¹²C. Мертвые деревья, сохранившиеся в древних постройках или погребенные в илистом дне рек или болот, оказываются очень полезными для специалистов в дендрохронологии: сопоставление их кольцевых узоров в точках совпадения с живыми деревьями позволило создать непрерывную летопись, уходящую в прошлое на 13 910 лет⁵ от настоящего времени⁶. Каждый год в ней представлен образцом древесины, который показывает соотношение изотопов Углерода. Аналогичная «калибровка» с использованием коралловых рифов и слоистых океанских и озерных отложений дает возможность продлить эту летопись, которую мы заполняем благодаря Углероду, еще дальше в прошлое, и датировать объекты возрастом до 55 000 лет. В дальнейшем в образце, как правило, становится слишком мало атомов ¹⁴C, чтобы можно было надежно подсчитать соотношение.

За последние два тысячелетия поправки к возрасту, установленному путем радиоуглеродного датирования с использованием изотопа ¹⁴С, менялись от положительных к отрицательным: поправка на древность в наши дни (это означает, что частицы ¹⁴С формировались недостаточно быстро, поэтому его меньше в годичном кольце, а значит, его было меньше и в воздухе, и мы делаем вывод о более древнем возрасте); поправка на юность на отметке в 116 лет до настоящего времени (подразумевается, что частиц возникало слишком много и что их больше, чем нам следовало бы ожидать, поэтому мы предполагаем, что распад происходил реже и, следовательно, что изотопы моложе); поправка на древность на отметке в 142 года до настоящего времени; поправка на юность на отметке в 180 лет до настоящего времени и так далее, вплоть до отметки в 2421 год до настоящего времени (471 г. до н. э.), после чего для возраста ¹⁴C делается поправка на юность до самого конца летописи, завершающейся на отметке в 55 000 лет до настоящего времени. Расхождение составляет 200 лет на отметке в 2657 лет до настоящего времени, 400 лет на отметке в 4136 лет до настоящего времени и 600 лет на отметке в 5015 лет до настоящего времени, хотя неопределенность поправки составляет всего ±15 лет – иными словами, мы можем определить возраст объекта, которому около 5000 лет, с точностью до 0,3 %. В конце кольцевой летописи, на отметке в 13 910 лет до настоящего времени, поправка на юность при радиоуглеродном датировании с использованием изотопа ¹⁴C составит 1848 ± 28 лет. Избыток ¹⁴C (предполагающий более юный возраст) продолжает расти примерно до периода, отстоящего от нашего времени на 25 000 лет; в это время поправка составит около 4300 лет. Пиковое превышение происходит около 39 000 лет назад (5000 лет поправки), а затем падает до половины этого несоответствия на отметке в 50 000 лет до настоящего времени. Неопределенность в этом возрасте составляет примерно ±350 лет, что все же значительно лучше точности в 1 %.

Эти точные данные с высоким разрешением позволили обнаружить почти неуловимые эффекты в атмосферной концентрации ¹⁴C. Например, существует небольшая, но твердо установленная разница между Северным и Южным полушариями. Небольшие изменения наблюдались и в местах, где подъем глубинных вод океана выносит воду (и растворенный CO₂) на поверхность. В этой воде, которая на протяжении долгих тысячелетий не имела возможности газообмена с атмосферой, наблюдается низкое соотношение ¹⁴С из-за доли, претерпевшей распад, и при попадании в воздух она снижает содержание изотопа ¹⁴С в окружающей среде.

Существуют даже аномалии ¹⁴C, выявленные в течение одного года, такие как событие Мияке 774–775 годов, во время которого произошел внезапный всплеск концентрации ¹⁴C на 1,2 % (более чем в двадцать раз превышающий типичные колебания от года к году)⁷. Начало этого события не установлено, но можно с уверенностью сказать, что оно заняло меньше года; после этого внезапного повышения концентрация ¹⁴C постепенно вернулась к нормальному уровню примерно за двадцать пять лет. В качестве еще одного доказательства того, что некое событие, произошедшее в 774 году нашей эры, привело к попаданию в атмосферу многих частиц высокой энергии, можно вспомнить, что в керне антарктического льда наблюдается совпадающий выброс радиоактивного изотопа Бериллия-10, также возникающего в ходе взаимодействия космических лучей с атмосферой. Любопытно, что в «Англосаксонской хронике» за этот год говорится:

В том году нортумбрийцы изгнали своего короля Элреда из Йорка на Пасхальной неделе и выбрали вождем Этельреда, сына Мулла, который правил четыре зимы. Также в тот год в небесах являлось алое распятие после заката⁸.

Наиболее вероятное объяснение этого всплеска в образовании ¹⁴С – грандиозная солнечная вспышка, возможно, в сто раз более мощная, чем самая крупная из тех, какие наблюдались в наше время (событие Кэррингтона 1859 года – см. гл. 11, где мы поговорим о разрушительных последствиях, которые такое событие могло бы иметь в наши дни). «Алое распятие» можно объяснить драматичным появлением северного сияния (в сочетании с разумной дозой средневекового воображения).

Установление точного возраста по древесным кольцам помогает решить трудную проблему – определить соотношение ¹⁴C/¹²C на момент гибели растения или животного и внести в датировку при помощи изотопа ¹⁴C поправку, после которой точность датирования составляет примерно десять-двадцать лет. Поэтому полученные значения возраста имеют погрешность в несколько десятых процента или меньше за всю историю человеческой цивилизации.

Измерение крошечных образцов

Теперь подошло время вернуться к датировке нашего древнего Корана. Последний вопрос заключается в том, как подсчитать количество присутствующих в образце атомов ¹⁴C. В 1946 году, когда Уиллард Либби изобрел радиоуглеродное датирование, это можно было сделать только одним способом – подсчитав число высокоскоростных электронов, испускаемых при бета-распаде каждого атомного ядра (электроны имеют широкий диапазон энергий, значения которых сосредоточены вокруг отметки примерно в 50 000 эВ). Учитывая, что период полураспада ¹⁴C равен 5730 годам (или около 3 миллиардов минут), потребовалось бы 6 миллиардов ядер ¹⁴C для хотя бы одного распада в минуту (поскольку половина из них распадается за один период полураспада). Начнем с того, что среднее соотношение ¹⁴C/¹²C составляет 1 к триллиону, а значит, нужно будет провести измерения 10 000 распадов, чтобы снизить статистическую погрешность до уровня 1 %⁹. Таким образом, для этого метода потребуется образец пергамента массой не менее 15 граммов – столько весят несколько рукописных страниц¹⁰. Ни один директор музея не захочет знать возраст драгоценного предмета в своей коллекции настолько сильно, чтобы позволить увезти его в физическую лабораторию ради неизвестно каких нечестивых целей.

Для современного радиоуглеродного датирования при помощи изотопа ¹⁴C требуются значительно меньшие образцы, а атомы подсчитываются напрямую, без необходимости дожидаться их распада, благодаря использованию ускорительного масс-спектрометра (вспомните, как в главе 5 мы упоминали это устройство, которое изобрел Фрэнсис Астон). Углерод извлекают, превращая его в графит (с помощью сжигания или химических методов), затем ионизируя атомы и ускоряя их до высоких энергий. Несомненно, это требует разрушения образцов, но они в тысячи раз меньше, и их масса измеряется не в граммах, а в миллиграммах.

Пучок атомов высокой энергии проходит через магнитное поле, которое распределяет атомы по массе, при этом более массивные изотопы отклоняются не так сильно (см. рис. 8.1). Всего 0,01 грамма материала достаточно, чтобы получить миллионы атомов ¹⁴C в образце возрастом 35 000 лет¹¹. Как мы увидим в последующих главах, ускорительный масс-спектрометр – это бесценный инструмент для подсчета как стабильных, так и радиоактивных изотопов, используемых для воссоздания истории.

Рис. 8.1. Принцип действия ускорительного масс-спектрометра. Образец испаряется, а его атомы ионизируются, поэтому все они представляют собой положительно заряженные ионы. Ими выстреливают вправо, где они попадают в магнитное поле (оно направлено перпендикулярно странице и представлено маленькими кружками). Заряженные частицы отклоняются магнитным полем, и величина отклонения зависит от массы иона. Таким образом, детекторы для сбора можно размещать на разном расстоянии от источника ионизации и распределять ионы разной массы по детекторам в зависимости от последней