Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Раствор, важнейший структурный компонент каменных и кирпичных зданий, впервые использовали в Древней Месопотамии и Древнем Египте более 4000 лет назад. Если быть точным, то неверно утверждать, что раствор никогда не был живым. Он сделан из известняка, который состоит из спрессованных скелетов крошечных океанских существ, называемых фораминиферами (с которыми мы снова встретимся в главе 11), кораллов и раковинных моллюсков. Когда эти существа умирают и падают на дно океана, накапливаются толстые слои, которые в ответ на движения тектонических плит Земли сжимаются в горные породы и выдвигаются на сушу. Основной химический компонент этих ракушек (и, следовательно, самого известняка) – кальцит, молекула с одним атомом Кальция, одним атомом Углерода и тремя атомами Кислорода: CaCO₃. Вот что нужно сделать, если мы хотим приготовить раствор из этого сырья:

1. Нагреть известняк до температуры не ниже 900 °C для получения негашеной извести.

2. Влить воду для получения полужидкой суспензии извести и, возможно, добавить немного щебня или песка.

3. Уложить влажный раствор между кирпичами или камнями стены, а затем дождаться, пока он затвердеет (обычно на это уходит несколько дней или недель).

В химическом плане на этих этапах происходит следующее:

1. Нагревание известняка удаляет углекислый газ (CO₂), превращая CaCO₃ в CaO (негашеную известь).

2. Последующее присоединение H₂O к CaO приводит к появлению CaO₂H₂.

Рис. 9.1. Этапы приготовления и затвердевания раствора. Известняк нагревают до температуры более 900 °C, чтобы удалить CO₂ и получить негашеную известь. При смешивании негашеной извести с водой и песком формируется раствор. По мере высыхания раствора H₂O испаряется, и ей на смену приходит CO₂ из воздуха, превращая смесь в известняк

3. Раствор затвердевает, выделяя воду (H₂O) в атмосферу (сохнет), и поглощает CO₂ из воздуха, снова превращаясь в CaCO₃ (см. рис. 9.1).

Последний этап – ключ к углеродному датированию: строительный раствор «вдыхает» CO₂, как и растения. За считаные дни или недели он завершает этот процесс и фактически «умирает» (перестает дышать). Все, что нужно сделать, чтобы определить время нанесения раствора, – это подсчитать атомы ¹⁴C и ¹²C и определить их соотношение, как при обычном углеродном датировании.

Потенциал этого метода датирования был признан в 1960-х годах, но первые попытки его применения оказались в основном безуспешными – прежде всего из-за примесей, ставших частью раствора и способных резко исказить результаты. Например, несгоревшие кусочки известняка, оставшиеся в растворе, имеют нулевое соотношение ¹⁴C/¹²C. Поскольку за миллионы лет, в течение которых формировался известняк, весь изотоп ¹⁴C распался, такой материал указывал на невероятную древность – примеси значительно снижали соотношение ¹⁴C/¹²C. Более того, в песке или другом крупнозернистом песчанике, которые добавляли в раствор перед его применением, могли содержаться частицы известняка или другого углеродосодержащего материала – и из-за этого в расчет соотношения тоже вкрадывалась ошибка¹.

Аландские церкви

В 1980-х годах археолог Кеннет Густавссон и физик Хогне Юнгнер решили определить возраст каменных церквей и францисканского монастыря на Аландских островах, архипелаге у берегов Финляндии. Никаких письменных упоминаний об их строительстве не существовало, хотя высказывались предположения о том, что их построили примерно в 1450 году нашей эры. Радиоуглеродная лаборатория Хельсинкского университета датировала образцы строительного раствора, собранные на острове Кёкар, и установила удивительную дату – 1280 год нашей эры. Последующие раскопки вокруг церкви обнаружили украшения, примерно соответствующие этому более раннему периоду.

Поразительные заявления требуют необычайно убедительных доказательств, а если учесть упомянутые выше проблемы с датировкой строительного раствора, то утверждение, согласно которому возраст объектов на 170 лет отличался от общепринятых археологических представлений, требовало независимой оценки. Дополнительные свидетельства о более ранней дате строительства предоставил еще один метод, основанный на тех же космических лучах, под влиянием которых образуется изотоп ¹⁴C: термолюминесценция. Суть термина заключена в его названии: свет («люмен»), рожденный от тепла («термо»). Когда формируется кристаллическое вещество – будь то природный или рукотворный кристалл, такой как керамика, – его номинально идеальная структура неизбежно содержит дефекты: атомы или молекулы, расположенные не совсем в нужном месте, и/или примеси, нарушающие правильную кристаллическую структуру. Эти дефекты способны создавать небольшие электронные ловушки, в которых могут застревать свободные электроны, блуждающие по веществу.

Обычно электроны связаны со своими атомами. Но космические лучи, проникая в вещество, могут ионизировать множество атомов и позволить нескольким освободившимся электронам просочиться в материал. Кроме того, такой же эффект оказывают естественные радиоактивные изотопы, которые содержатся в материале и распадаются за счет высвобождения высокоскоростных электронов. Поэтому с течением времени и увеличением продолжительности воздействия все больше электронов оказывается в ловушках. Если добавить достаточно энергии и освободить их, они смогут снова сочетаться с атомами, у которых отсутствуют электроны, и излучать свет.

Чтобы определить возраст объекта (в данном случае керамической черепицы из францисканского монастыря), мы просто нагреваем материал до высокой температуры (приблизительно 500 °C) и заставляем атомы вибрировать достаточно сильно, чтобы высвободить электроны из ловушек, а затем фиксируем количество света, излучаемого электронами при их воссоединении с атомами. Интенсивность света пропорциональна общему воздействию радиации, которое, в свою очередь, прямо пропорционально возрасту объекта.

Поскольку количество центров захвата и глубина ловушек уникальны для каждого вещества, необходимо откалибровать образец, подвергая его воздействию известного количества радиации в течение известного интервала времени, а затем повторить эксперимент по термолюминесценции. Когда этот метод применили к черепице на острове Кёкар, оказалось, что ее произвели в XIII веке, что соответствовало дате изготовления раствора, рассчитанной при помощи радиоуглеродного датирования и определенной как 1280 год.

Благодаря этому успеху был запущен более масштабный проект, на сегодняшний день охвативший все восемь крупных церквей Аландских островов. В одной из них, в Йомале, по древесным кольцам удалось установить, что деревья для колокольни срубили в 1281 году нашей эры, а строительный раствор на стенах церкви укладывали в 1279–1290 годах – это замечательное совпадение однозначно определило дату строительства. Более того, похоже, что все восемь церквей были построены за два десятилетия, в период с 1280 по 1300 год. Историки предполагают, что на островах, расположенных на полпути между современным Стокгольмом в Швеции и Турку в Финляндии (в 130 километрах от каждого), наблюдался всплеск экономической активности, и в то время из этих мест поставляли древесину и известковый раствор для строительства двух упомянутых городов.

Чтобы получить такие точные данные, потребовалось усовершенствовать технологию обращения с раствором. Необходимо было обеспечить более тонкое просеивание для удаления примесей; провести бомбардировку образца электронами и по характерным длинам волн испускаемого света выявить любой посторонний материал, а также тщательно отобрать пробы самых внешних слоев высохшего раствора, где загрязнение, как правило, оказывалось наиболее низким. Высокая достоверность полученных дат позволила междисциплинарной команде, в состав которой вошли Дж. Хейл (археолог), Дж. Хайнемайер (физик), Л. Ланкастер (археолог), А. Линдроос (геолог) и А. Рингбом (историк искусства), составить подробную историю аландских церквей, а также различных пристроек и элементов, которые добавились в ходе реконструкций, проведенных за их 750-летнюю историю.