Глава тринадцатая. Измерение больших промежутков времени

Путешествие в прошлое

Археологи изучают далекое прошлое, исследуют возникновение, развитие и гибель древних культур. По различным находкам - орудиям труда, одежде, предметам домашнего обихода, вооружению - археологи узнают, как жили люди многие тысячи лет назад. Археологические находки позволяют также судить о связях между различными древними народами. Определение возраста археологических находок имеет при этом первостепенное значение для выяснения влияния одного народа на другой и решения ряда других важных археологических задач.

Как определяется возраст археологических находок?

Высокие курганы разбросаны по великой русской равнине. В них погребены воины в полном вооружении, каждый со своим боевым конем. Много .различных предметов положено в могильники этих людей, чтобы, согласно их верованиям, они и в загробной жизни ни в чем не нуждались. Эти курганы рассказывают нам об отдаленном прошлом нашей страны, о жизни и культуре сарматских племен, населявших несколько тысяч лет назад обширные пространства от Карпат на западе до Памира и Алтая на востоке.

Раскопки в Неаполе Скифском около Симферополя знакомят нас с более поздним историческим периодом. Здесь археологические находки свидетельствуют о существовании культуры скифов городского характера. Возраст скифских курганов обычно определяют по типу погребения и погребальным предметам местной работы, но иногда в курганах находят и привозные вещи: глиняные сосуды греческой работы, китайские ткани, зеркальце китайской работы... Эти вещи позволяют более точно установить время жизни скифа, погребенного в кургане.

По археологическим находкам в районах Приднепровья удалось узнать о так называемой трипольской культуре - о людях, живших около 5000 лет назад. Найденные археологами фигурки домашних животных, мотыги из рога оленя, ножи и серпы из кремня, кремневые наконечники стрел, остатки обмазки глинобитных жилищ, каменные зернотерки, множество статуэток позволили узнать, на каких диких животных охотился древний человек, какими домашними животными он владел, каким было его хозяйство и как складывались его верования.

Не так давно в Узбекистане археологи нашли погребенный в песках город. Раскопки его дали возможность многое узнать о высокой культуре древнего Хорезма. Обгорелые остатки крепости и жилищ позволили много веков спустя прочесть историю его гибели и узнать как и когда нашествие кочевников положило конец благосостоянию и мощи древнего Хорезма.

Еще более далеки от нас события, происходившие в древнем Египте. Они отделены от нас многими десятками веков, но неутомимые археологи находят пути для того, чтобы и в этом случае ответить на вопросы: что, как и когда?

В древнем Египте особое внимание уделялось погребению. Бальзамирование тела умершего и богатое убранство гробницы (различными предметами или их изображениями), согласно египетским верованиям, было необходимо для удобного и приятного существования его тени. Ведь древние египтяне верили, что человек состоит из трех частей: тела, искры божьей и тени, которая соединяет тело с искрой божьей. Египетские жрецы учили, что после смерти человека его тень еще тысячи лет бродит по земле. В точности похожая на человека, но только будто сотканная из тумана, тень может ходить, говорить и первые несколько сот лет должна питаться, потом ей достаточно лишь изображений пищи. Главное для тени - тело, в котором она жила раньше. Если оно не сохранилось, то тень тоскует и бродит неприкаянной по земле.

Эти взгляды заставляли древних египтян создавать грандиозные города мертвых, занявшие целый край западной пустыни, и строить огромные пирамиды, внутри которых располагались усыпальницы фараонов. Ныне эти города мертвых позволили многое узнать о давно минувшей жизни. Сопоставление отрывочных записей различных событий, терпеливое их изучение позволяют ученым восстановить историю древней жизни. Однако лишь тогда, когда удается уверенно датировать хотя бы отдельные важнейшие события, вся картина далекого прошлого приобретает достаточную последовательность и достоверность.

Установить даты археологам помогают исторические памятники и древние хроники, содержащие записи различных событий: войн и стихийных бедствий, смены царей и царских династий и т. д. Особенно удачно, когда одно и то же событие отмечается несколькими независимыми источниками или само событие таково, что мы можем точно определить время, когда оно произошло. Так, например, из древней китайской летописи известно о двух незадачливых астрономах по имени Хи и Хо, которые в 2200 г. до нашей эры не предсказали своевременно затмения Солнца и за эту провинность лишились голов. Сопоставление летописи с современным вычислением этого затмения дает точную метку времени и позволяет проверить, насколько правильно древние китайские летописцы отсчитывали время.

Однако археологам далеко не всегда так легко удается определить время исследуемых событий. Наоборот, чаще всего это оказывается совсем не просто. Между тем определение возраста археологических находок является совершенно необходимым условием для получения уверенных заключений об истории древних народов. Можно ли найти метод для непосредственного определения возраста археологических находок? Существуют ли часы для отсчета тысячелетий? Да, такие часы существуют, причем нескольких различных типов. Однако о том, каковы они, какой у них принцип действия и в каких пределах они работают, мы расскажем несколько далее.

А теперь заглянем еще дальше. Если б мы могли перенестись всего лишь на 10 000 лет назад, то обнаружили бы, что на земле нет ни городов, ни деревень; небольшие группы людей ютятся в пещерах, со всех сторон их подстерегают опасности. Страшные, непонятные им силы природы властвуют над ними. Плохо вооруженные, они охотятся на одних зверей и сами с трудом защищаются от других. Эти люди не имели письменности и не оставили почти никаких памятников.

Еще дальше в глубь веков! Как трудно узнать человека в этом существе с низким покатым лбом, обросшем волосами, облаченном в звериную шкуру. Полусогнувшись так, что руки иногда касаются коленей, сжимая дубину или каменный топор, пугливо крадется доисторический человек - предшественник гордо распрямившегося современного человека, владыки природы.

Для того чтобы разобраться в последовательности и смене этих давно минувших форм жизни, нужно определить их возраст. Как же это сделать?

Заставить заговорить вещи и даже камни.

Недавно в Испании была открыта пещера, которая в течение многих тысяч лет служила обиталищем то для людей, то для зверей. Они жили в ней, умирали, а земля, слой за слоем, прикрывала их останки. Множество всяких остатков образовало в этой пещере холм высотой 13,5 метра, поднимающийся с ее дна почти до самого свода. Сначала на небольшой глубине были обнаружены треугольные кинжалы из бронзы. Люди, которые их оставили, жили 2000 лет назад. Несколько глубже были найдены различные вещи и скелеты. Еще глубже - кости северного оленя и сделанные из кости резцы. Затем снова скелеты. Еще на два метра ниже было найдено много каменных ножей и сверл, оставленных людьми, жившими 10 тысяч лет назад. На один метр глубже лежали кости носорога и пещерного медведя. А на самом дне пещеры были найдены грубо выделанные каменные топоры и скребки, сделанные около 50 тысяч лет назад.

Процесс наращивания слоя земли идет медленно. Исследования показали, что в этой пещере для увеличения слоя земли на четверть дециметра требовался целый век.

Археологические находки, обнаруженные в различных частях света, позволили постепенно выяснить основные вехи развития человека и его культуры. Удалось установить, что 30-40 тысяч лет назад жили так называемые кроманьонские люди, имевшие продолговатый объемистый череп, широкое лицо и необычайной силы жевательные мышцы. Археологами найдены скелеты этих людей, а также изготовленные ими разнообразные орудия труда и рисунки животных на стенах пещер.

Неандертальские люди, жившие 50-70 тысяч лет назад, занимали среднее место между обезьяной и человеком. Их колени были всегда несколько согнуты. Лоб у них был скошен назад, подбородка почти не былo. Скелеты этих людей рассказали нам о том, как они выглядели; принадлежавшие им каменные орудия - топоры, ножи, шарообразно обтесанные камни, сверла и т. п.- позволили нам узнать, на какой ступени развития они находились. Существовавшие несколько сот тысяч лет назад питекантропы ходили так же прямо, как и мы, но голова их была значительно больше похожа на обезьянью, чем на человеческую. Они имели резко выступающие надбровные дуги и лоб, так круто уходящий назад, что в скошенном черепе умещалось мозга вдвое меньше, чем у современного человека.

В 1960 г. в Олдувейском ущелье в Танганьике (Африка) археологи супруги Мэри и Луис Лики нашли остатки еще более примитивного человека, который получил название Homo habilis ("человек умелый"). Этот человек в качестве орудий применял гальки с оббитым краем. Датирование пород, взятых из того слоя, где он был найден, позволило установить, что он жил около 2 миллионов лет назад.

Если заглянуть еще дальше, то можно проследить эпохи, когда еще не было человека и только гигантские растения и огромные животные населяли Землю.

Историю Земли принято разделять на отдельные большие этапы. Последний из них назван кайнозойской эрой, или эрой "новой жизни". Он длится уже около 55 миллионов лет. В конце кайнозойской эры появился человек и живем мы.

Кайнозойской предшествовала мезозойская эра, или эра "средней жизни", длившаяся приблизительно 135 миллионов лет. Это было время, когда на Земле стояло вечное лето. Климат тогда был настолько теплым и ровным, что в находимых ныне окаменевших деревьях той эпохи нельзя различить колец, так как деревья росли равномерно круглый год.

В мезозойскую эру властителями Земли на суше, в воде и в воздухе были пресмыкающиеся. Гигантские ящеры достигали огромных размеров, например, бронтозавр весил около 30 тонн, раз в пять больше, чем современный африканский слон. Длина бронтозавра равнялась 20 метрам, так что взрослому человеку нужно было бы сделать 30 шагов, чтобы пройти от его морды До хвоста. К концу мезозойской эры стало холоднее. В период оледенения все эти гиганты погибли.

Палеозойская эра, или эра "древней жизни", началась около 600 миллионов лет назад и окончилась 340 миллионов лет назад. Это было в общем спокойное, теплое время, лишь изредка прерывавшееся похолоданиями.

В начале палеозойской эры жизнь была только в океанах, в которых жили ракообразные существа - трилобиты и археоциаты - организмы, промежуточные между губками и кораллами. Археоциаты имели известковый скелет и длинные, похожие на корни волокна, с помощью которых они прикреплялись к подводным камням. Затем в морях появились рыбы, а растения и вслед за ними некоторые животные переселились на сушу. К концу палеозойской эры живые существа окончательно завоевали материки, размножились и упрочились на суше. Сырые дремучие леса из гигантских папоротников и хвощей покрыли Землю. В морях к этому времени трилобиты и археоциаты вымерли, но рыбы чрезвычайно размножились и дали большое разнообразие видов.

Еще более ранние периоды жизни на Земле называют эозойской эрой, или эрой "зари жизни". Первые материки и океаны появились на Земле около 1,5 миллиарда лет назад. В пластах, которые образовались около 700 миллионов лет назад, уже имеются остатки довольно сложных форм живых существ. Таким образом, вероятно, что около 1 миллиарда лет назад или даже несколько раньше на Земле возникла жизнь и первые скопления живых существ - крохотные комочки живого, похожего на студень вещества протоплазмы - появились в тепловатых водах океанов.

Тщательные розыски, кропотливые исследования позволили палеонтологам по остаткам древней жизни, а иногда только по неясным ее следам - отпечаткам на камнях - постепенно, шаг за шагом, разобраться в пути ее развития. Многочисленные сопоставления позволили выяснить последовательность развития различных форм жизни и, хотя и довольно приблизительно, установить их хронологию.

Успехи, достигнутые палеонтологами, нашли практическое применение в горнорудной промышленности. Знание возраста горных пород является одним из средств для уяснения характера горных образований и расположения в них руд, что важно как при поисках, так и при эксплуатации полезных ископаемых.

Возрастной метод в геологии уже получил широкое распространение и часто является решающим при поисковых работах и составлении геологических карт.

Примеров, подтверждающих это, можно привести много, рассмотрим лишь один. В 1929 г. в Приуралье у селения Верхне-Чусовские Городки была получена нефть. д. В. Блохин, производивший геологическое изучение местности, расположенной примерно на 500 км южнее, обнаружил в этом районе горные породы такого же типа и возраста, как и нефтеносные земли Йерхне-Чусовских Городков. Тогда он предложил вести бурение на нефть. В 1932 г. на глубине 800 м нефть была обнаружена. Так благодаря определению возраста горных пород был открыт Ишимбаевский нефтяной район.

Крупнейшие геологи уже давно отмечали важность определения возраста горных пород как для теоретической, так и для практической геологии. Академик В. А. Вернадский в своих работах подчеркивал важность определения длительности геологических процессов и возраста геологических формаций. Академик В. А. Обручев писал, что "...руководящую роль при поисках новых месторождений полезных ископаемых играет знакомство с геологическими процессами, которые в минувшие периоды жизни Земли создавали эти месторождения и создают их, конечно, и в настоящее время...". "Наличие каких же полезных ископаемых мы можем предполагать в горной стране?.. Ответ будет зависеть от возраста этой страны" (В. А. Обручев, Основы геологии, 1947, стр. 287, 293-294).

Когда ученые, исследуя минувшие эпохи, пользуются пластами земной коры как ступеньками, ведущими в прошлое, то остатки живых организмов служат для них метками для определения возраста, являются как бы окаменелой хронологией. Но, увы, этот основной для геологов палеонтологический метод определения возраста горных пород вследствие имевших место в древние времена массовых переселений живых организмов не всегда надежен и сам нуждается в опоре на другие, более точные методы.

А если пойти еще дальше и проследить те эпохи истории Земли, когда на ней еще не было жизни? Как и когда складывался лик Земли? Что может служить для Установления опорных дат этой эпохи? Какие "часы" пригодны для этого?

Радиоуглеродные часы

Ни одни из описанных нами ранее часов не годятся для измерения столь больших промежутков времени и датирования давно минувших событий. Ведь часы, изготовленные человеком, в геологических масштабах времени появились сравнительно недавно, некоторые несколько тысячелетий, а другие лишь несколько десятков лет назад. Использование изготовленных человеком часов для непрерывного отсчета времени не насчитывает и нескольких сот лет.

Часы - вращающаяся вокруг своей оси Земля и часы - Земля, вращающаяся вокруг Солнца, работают уже миллиарды лет, однако отсчет по ним начался лишь несколько тысяч лет назад и, как мы теперь доподлинно знаем, велся нерегулярно, с провалами и сбоями.

Ученые разработали метод отсчета времени по годичным кольцам деревьев, но эта шкала времени простирается не очень далеко (до нескольких тысяч лет) и имеет ограниченное применение. Отложения ленточных глин, песка, солей также дают возможность отсчета времени. Все эти методы учеными изучались и использовались. Однако часы, основанные на этих процессах, оказались очень неточными.

Имеется еще ряд методов измерения больших промежутков времени. Целая группа таких методов основана на изучении смены различных форм жизни. На протяжении веков и тысячелетий одни виды растений и животных сменяли другие. Каждый из этих видов существовал более или менее продолжительное время. Многие виды существовали одновременно. Однако большинство из них, пережив период расцвета и широкого распространения, затем по разным причинам погибали и уступали место другим.

Изучив последовательность, в которой происходила смена одних видов другими, и хотя бы приблизительно определив продолжительность существования каждого из них, можно таким образом составить шкалу времени. Такие часы основаны на сопоставлении различных событий между собой и, следовательно, показывают относительное время. Они дают возможность уверенно определять последовательность разных явлений. Однако эти часы оказываются очень неточными при датировании отдельных событий, или, как часто говорят, определении возраста этих событий. Тем не менее и в настоящее время эти методы во многих случаях оказываются полезными и широко применяются.

В начале нашего века для отсчета больших промежутков времени были разработаны "радиоактивные часы". Именно они позволили определять возраст различных объектов исследования с приемлемой точностью, получать даты давно минувших событий и, в конечном счете, лучше разобраться в истории жизни на Земле, формировании самой Земли и даже развитии Солнца и звезд. Очень существенной особенностью радиоактивных часов является то, что с их помощью для археологических находок, горных пород и других объектов исследования определяется абсолютный возраст; абсолютный в том смысле, что он находится по некоторым свойствам (радиоактивности) данного образца и непосредственно для данного образца, между тем как в методах относительной хронологии возраст данного образца определяется из сопоставления его с другими объектами, например остатками спор и пыльцы растений, раковинами различных типов и т. д.

"Радиоактивными часами" называют метод или, вернее, целую группу очень мощных методов, в которых явление радиоактивного распада ядер различных изотопов используется для определения больших промежутков времени. Проведенные исследования радиоактивных веществ показали, что скорость их распада не зависит от изменений окружающей температуры и давления по крайней мере в тех пределах, которые достижимы в земных лабораториях. Таким образом, процесс радиоактивного распада с успехом может быть использован для отсчета промежутков времени.

Интервал времени, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое, называют периодом полураспада. Распад различных радиоактивных изотопов происходит с существенно различной скоростью, например: период полураспада висмута-212 равен 60,5 минутам, урана-238-4,5 миллиардам лет, а углерода-14-5568 годам. Таким образом, для измерения различных объектов и разных интервалов времени имейся достаточно широкий выбор подходящих изотопов. Тем не менее при использовании радиоактивных часов Для отсчета больших промежутков времени обнаружились специфические и серьезные трудности. Потребовалось много труда и научной выдумки для того, чтобы достигнуть той степени понимания используемых процессов, которая позволила эти трудности преодолеть.

Между тем принцип измерения больших промежутков времени с помощью радиоактивных часов очень прост. В некоторой мере он подобен принципу работы огненных часов, в которых соответствующим образом приготовленная палочка горит с постоянной и заранее известной скоростью. Зная начальную длину палочки, скорость ее сгорания и измерив длину несгоревшей ее части, можно без особого труда определить, сколько прошло времени от того момента, когда палочка была зажжена. Именно так и поступали в древности.

Рассмотрим работу радиоактивных часов, основанных на использовании радиоуглерода С¹⁴. При определении Промежутков времени радиоуглеродными часами начальное содержание в образце С¹⁴ и скорость его распада считаются заранее известными, а измеряется количество углерода-14, оставшееся в образце к моменту измерений.

Скорость распада радиоуглерода ученые определили с помощью соответствующих лабораторных исследований специально приготовленных препаратов С¹⁴. Так как эта скорость не зависит от условий хранения препарата (температуры, давления и т. д.), то нет сомнений в том, что найденной ее величиной можно пользоваться при изучении любых образцов.

Однако между радиоуглеродными и огненными часами аналогия оказывается не полной в том отношении, что через равные интервалы времени длина горящей палочки огненных часов уменьшается на определенные отрезки, т. е. по закону арифметической прогрессии, а количество радиоактивного вещества через равные интервалы времени уменьшается в определенное число раз, т. е. по закону прогрессии геометрической. Если в начальный момент длина палочки огненных часов равнялась А, а скорость ее сгорания В, то через 1,2,3 часа ее длина будет равняться А - 1В, А - 2В, А - 3В и т. д. Если количество радиоактивного вещества в начальный момент равнялось А, то через равные и характерные для каждого радиоактивного изотопа интервалы времени оно будет равняться ^l/₂A, ¹/₄A, ¹/₈A и т.д. Кривую, описывающую такое изменение величины, называют экспонентой. То, что количество имевшегося вначале радиоактивного вещества убывает с течением времени по экспоненте, никаких добавочных затруднений в отсчете времени не вызывает.

Труднее обстоит дело с определением начального содержания радиоуглерода в образцах. Как узнать начальное содержание радиоуглерода в материале, который никто специально не приготовлял и который тысячи или десятки тысяч лет пролежал в грунте, прежде чем ученый извлек его оттуда и назвал образцом?

Для ответа на этот вопрос потребовались разнообразные знания и многозвенная цепь остроумных и глубоких умозаключений. Перейдем к их рассмотрению.

Радиоуглеродный метод определения абсолютного возраста материалов органического происхождения был ; предложен в 1946 г. В. Ф. Либби. Им же были разработаны физические основы этого метода. Известно, что в земной атмосфере и океанах, в наземных растениях и животных, в морских организмах, в общем, во всей биосфере Земли, имеется радиоактивный углерод С¹⁴. Правда, его относительно немного. Если из какого-нибудь органического материала, например, куска дерева, путем сжигания получить углерод, то в нем обнаруживается характерное для С¹⁴ β-излучение. В качестве удобной количественной характеристики этого излучения вводят понятие об удельной активности, понимая под этим число распадов, происходящих за 1 мин в 1 г естественной смеси изотопов углерода. Для углерода, полученного из 1 только что срубленного дерева, удельная активность равна всего лишь 14 распадов на грамм в минуту. Между тем в 1 г углерода содержится около 5*10²² атомов.

Естественный углерод представляет собой смесь не скольких изотопов, в том числе двух стабильных: С¹² (98,9%) и С¹³ (1,1%), а также очень малого, равного лишь 1,07*10^-10 %, количества радиоуглерода С¹⁴. Однако предположение о том, что этот радиоуглерод является остатком того, который был на Земле в период ее образования, т. е. 4,5 миллиарда лет назад, совершенно невероятно. Ведь период полураспада С¹⁴ равен всего лишь 5568 годам. Если бы 4,5 миллиарда лет назад вся Земля целиком состояла из радиоуглерода, то и в этом случае к нашему времени его осталось бы в миллиарды миллиардов раз меньше, чем обнаруживается сейчас.

Почему же на Земле радиоуглерод не исчез, не вымер и обнаруживается ныне? Очевидно, лишь потому, что есть какой-то механизм, который его все время порождает.

Этот механизм ныне известен и заключается в следующем. На Землю непрерывным потоком приходят космические лучи. В их составе есть тяжелые незаряженные частицы: нейтроны. При прохождении через земную атмосферу нейтроны космических лучей взаимодействуют с ядрами атмосферного азота. При этом происходит следующая ядерная реакция (рис. 49): нейтрон, сталкиваясь с ядром азота, образует с ним промежуточную неустойчивую систему, которая спустя очень короткое время выбрасывает протон и превращается в ядро радиоактивного углерода-14.

Рис. 49. Схема образования и распада углерода-14

Вслед за перестройкой ядра довольно быстро происходит перестройка электронной оболочки и получается атом углерода, в химическом отношении идентичный любым другим углеродным атомам. Вступая в соединение с атомами кислорода, он окисляется до углекислого газа. Наряду с обычным углекислым газом воздуха он поглощается растениями, входит в состав углекислых солей, растворенных в океанах, и т. д. Таким образом, порожденный нейтронами космических лучей углерод-14 включается в биохимический круговорот жизни Земли.

Будучи радиоактивным, ядро атома углерода-14 через некоторое время распадается. При этом испускаются бета-частица (электрон) и антинейтрино, а ядро углерода-14 превращается в ядро стабильного азота-14.

Между тем всякий живой организм находится в состоянии непрерывного обмена с окружающей средой, поглощая одни вещества и выделяя другие. Поэтому представляется естественным предположение о том, что в живом организме удельная активность углерода должна быть такой же, как и в окружающей среде. Это заключение логично, но не бесспорно. К тому же оно представляет лишь одно звено довольно длинной цепи умозаключений, необходимых для отыскания начального содержания радиоуглерода в образцах.

Переберем же все эти звенья одно за другим: космические лучи вблизи от поверхности Земли содержат нейтроны. Эти нейтроны, взаимодействуя с азотом земной атмосферы, порождают радиоуглерод. Образовавшийся радиоуглерод окисляется до углекислоты, смешивается с обычной углекислотой атмосферы и таким образом включается в биохимический круговорот Земли. Все организмы в процессе обмена поглощают углекислоту и таким образом получают радиоуглерод.

Если в течение десятков тысяч лет интенсивность космического излучения, падающего на Землю, и соответственно плотность потока нейтронов вблизи от Земли, не изменялись;

если радиоуглерод, порожденный в земной атмосфере нейтронами космических лучей, разбавлялся в ней стабильным углеродом всегда в одинаковой мере;

если в земной атмосфере не было и нет иных нерегулярных источников радиоактивного и стабильного углерода;

если удельная активность углерода атмосферы не зависит от широты и долготы местности и высоты ее над уровнем моря;

если действительно относительное содержание радиоуглерода в живых организмах такое же, как и в атмосфере;

если все это так, то для определения начального содержания радиоуглерода в данном образце органического происхождения достаточно измерить его содержание в любой пробе нулевого возраста и органического происхождения, например, в только что срубленном дереве.

Эта величина измерена и хорошо известна. Она такова, что дает 14 радиоактивных распадов в минуту на 1 г естественной смеси всех изотопов углерода.

После отмирания организма его углеродный обмен с внешней средой прекращается. Таким образом, моментом начала отсчета радиоуглеродных часов является смерть организма. Десятки тысяч лет назад какое-то дерево было повалено лавиной или ледником, какое-то животное погибло в бою или от землетрясения, и с этого момента в них содержание стабильного углерода не изменялось, а количество радиоуглерода непрерывно убывало с вполне определенной скоростью, так что через 5568 лет его осталось лишь ¹/₂ от первоначального, через 11 136 лет - лишь ¹/₄ и т.д.

Насколько все эти допущения правомочны? Ведь если хотя бы одно из них неверно, то разваливается вся Цепь заключений, а определяемый радиоуглеродный возраст оказывается иллюзорным.

Для суждения о правильности всех этих предположений Либби и другими авторами была проведена широкая экспериментальная проверка метода на различных образцах известного возраста. При этом оказалось, что в пределах погрешности измерений результат определений абсолютного возраста образцов не зависит от геомагнитной широты пунктов взятия проб и от высоты этих пунктов над уровнем моря. Это свидетельствует о достаточно быстром усреднении, происходящем вследствие перемешивания атмосферы.

Кроме того, оказалось, что если принять во внимание некоторые различия начальной удельной активности углерода в наземных и морских организмах, то результаты радиоуглеродного датирования не зависят также и от типа образцов.

Однако решающей проверкой правильности радиоуглеродных часов должно было быть сравнение их показаний с возрастом достаточно древних образцов, надежно определенным другим способом. Понятно, что осуществить такую проверку было совсем непросто, так как для этого нужно было располагать предметами органического происхождения, возраст которых был бы заранее достаточно точно известен и составлял бы многие тысячелетия.

Для контрольных измерений удалось отыскать семь различных образцов дерева:

1) Кусок ели, возраст которой был установлен по годичным кольцам ее ствола и таким образом датирован 580 г. нашей эры.

2) Кусок дерева от окаменелого гроба (Египет), который по историческим данным был датирован 200±150 г. до н.э. Таким образом, в 1949 г., т.е. тогда, когда производились указанные исследования, возраст этого образца составлял 2149±150 лет (знаки ± и цифра 150 указывают на точность определения возраста и показывают, что в данном случае он был известен приблизительно в пределах от 2000 до 2300 лет).

3) Кусок дерева от пола дворца в северо-западной Сирии, который по историческим данным был датирован 675±50 г. до н.э.

4) Внутренняя часть дерева секвой, годичные кольца которой соответствовали интервалу времени от 1031 до 928 г. до н.э. В 1949 г. это соответствовало среднему, возрасту, равному 2928±52 года.

5) Кусок доски от похоронного судна египетского царя Сезостриса. Этот образец по историческим данным был датирован 1800 г. до н.э.

6) Кусок доски из акации с гробницы Джосера в Саккаре, который по историческим данным был датирован 2700±75 г. до н. э. Таким образом, возраст этого образца составлял около 4650 лет,

7) Кусок кипарисовой доски из гробницы Снофру в Мейдуме, который по историческим данным был датирован 2625±75 г. до н. э. Таким образом, возраст этого образца равнялся около 4600 лет.

Проделанные радиоуглеродные измерения возраста этих образцов, как это видно из рис. 50, дали довольно хорошее совпадение расчетов с экспериментами и таким образом подтвердили догадку и расчет пытливого ума ученых.

Рис. 50. Вычисленная и измеренная удельная активность углерода образцов известного возраста. Точки соответствуют экспериментальным значениям абсолютного возраста, полученным радиоуглеродным методом; сплошная линия - расчетная

На основании указанных результатов В. Ф. Либби сделал вывод о справедливости следующих предпосылок, положенных им в основу радиоуглеродного метода:

1. Интенсивность космического излучения вблизи Земли, интенсивность потока нейтронов и соответственно удельная активность углерода в земной атмосфере по крайней мере в течение последних нескольких десятков тысяч лет постоянны.

Напомним, что удельной активностью углерода называют число радиоактивных распадов радиоуглерода, происходящих в 1 г углерода образца в 1 минуту.

2. Удельная активность углерода в живом организме данного типа одинакова и постоянна и, таким образом, является "мировой" постоянной биологического вещества.

3. После отмирания организма изменение в нем удельной активности углерода происходит по экспоненциальному закону, т. е. в соответствии с законом геометрической прогрессии.

Таким образом, казалось очевидным, что метод открывает возможность однозначного определения абсолютного возраста образцов органического происхождения. После этого многие исследователи стали широко и успешно применять радиоуглеродные часы для определения абсолютного возраста самых различных образцов.

Уточнение радиоуглеродного метода

Идея радиоуглеродного метода простая, но не бесспорная. Между тем в последующие годы, наряду с дальнейшими успехами метода, время от времени стали обнаруживаться и отдельные резкие отличия радиоуглеродных дат от тех, которые ожидались археологами и геологами в соответствии с их представлениями по тому или другому вопросу. При этом в части случаев радиоуглеродные даты в конце концов подтверждались, и археологам и геологам приходилось менять свои представления. Однако в другой части случаев неточными оказывались радиоуглеродные даты.

В то же время техника радиоуглеродных измерений и соответственно их точность были уже значительно улучшены, и ученые воспользовались этим для того, чтобы разобраться в тонкостях радиоуглеродного метода. При этом выяснилось, что ни одно из основных положений, сформулированных Либби, не выполняется точно и все они нуждаются в дополнительном анализе. В то же время оказалось, что удается сделать так, чтобы показания радиоуглеродных часов были достаточно точными и достоверными.

Для того чтобы в этом разобраться (а это интересно и даже поучительно), лучше всего, следуя истории развития этого метода, подвергнуть в нем сомнению каждый пункт. Действительно ли тысячи и десятки тысяч лет назад концентрация радиоуглерода в земной атмосфере была такой же, как и сейчас? Ведь если это не так, то отсчет времени становится неопределенным. Неопределенным в такой же мере, как если бы неизвестной была начальная длина палочки огненных часов.

Эти сомнения не напрасны. В 1958 г. де-Фриз, а затем Стайвер, Зюсс и др. показали, что удельная активность углерода в земной атмосфере уменьшается с увеличением активности Солнца. Этот эффект объясняется тем, что солнечные магнитные поля модулируют поток космических лучей, падающих на Землю. Такие исследования были доведены до нескольких тысяч лет назад, я при этом оказалось, что вариации удельной активности углерода не превышают 1-2% (рис. 51, кривая 1), что соответствует искажению абсолютного возраста, отсчитываемого с помощью радиоуглеродных часов, на 80-160 лет.

Рис. 51. Относительные изменения удельной активности углерода в прошлом: 1 - связанные с солнечной деятельностью, 2 - обязанные эффекту ядерных испытаний, 3 - обязанные промышленному эффекту

Однако не исключена возможность того, что в более отдаленном прошлом изменения удельной активности углерода в атмосфере Земли были более значительными, например, вследствие больших изменений климата Земли. Изучение этого вопроса представляет большой интерес.

Добавочным источником радиоуглерода в биосфере Земли является испытание ядерного и в особенности термоядерного оружия. Загрязнение атмосферы радиоактивным углеродом, произошедшее в результате ядерных испытаний над поверхностью Земли, имеет глобальный характер. Величина этого эффекта достигла значительной величины в сравнении со средней удельной активностью углерода за предшествующий период времени. Однако в настоящее время, в связи с запрещением ядерных испытаний в воздухе, величина ядерного эффекта имеет тенденцию к уменьшению. Так как эффект ядерных испытаний начал действовать лишь около 30 лет назад, то для датирования образцов старше этого возраста он не имеет значения (рис. 51, кривая 2).

Еще одной причиной нарушения постоянства концентрации радиоуглерода в биосфере Земли является разбавление природной смеси углерода стабильными изотопами. Такое разбавление обязано промышленным выбросам углекислоты в атмосферу. Вследствие перемешивания атмосферы эффект, в общем, имеет глобальный характер. Путем исследования древесных колец известного возраста Зюсс показал, что этот эффект начал действовать около 140 лет назад (рис. 51, кривая 3).

Таким образом, изменения удельной активности углерода в прошлом действительно имели место. Величина этих изменений в некотором интервале времени уже известна. Поэтому тогда, когда это возможно и нужно, в результаты измерений вводят соответствующую поправку и получают уточненное значение абсолютного возраста отобранных проб.

Теперь обсудим второе основное положение Либби. Действительно ли удельная активность углерода в живых организмах данного типа одинакова? Строго говоря, это не так. Килинг показал, что условия жизни данного организма в некоторой, хотя и небольшой мере влияют на концентрацию в нем радиоуглерода. Проистекающие из этого эффекта искажения в определении абсолютного возраста могут достигать нескольких сот лет.

Однако вскоре был найден выход и из этой трудности. Исследования показали, что когда у двух одновозрастных деревьев различается концентрация радиоуглерода (которую оценивают по отношению С¹⁴/С¹²), то отношение стабильных изотопов С¹³/С¹² тоже оказывается измененным. Причем сдвиг отношения С¹⁴/С¹² всегда в два раза больше, чем сдвиг отношения С¹³/С¹². Таким образом, независимое измерение отношения стабильных изотопов данного образца позволяет выяснить, есть ли изотопный сдвиг и какой он величины. Обычно он невелик и им можно пренебречь. Однако тогда, когда это нужно, вводят соответствующую поправку и получают уточненное значение абсолютного возраста.

Таким образом, удалось справиться с рядом трудностей, существенных в основном при датировании молодых образцов. Между тем при датировании очень древних образцов обнаружились трудности совсем особые. Анализ этих трудностей, позволивший очертить границы радиоуглеродного метода, или, если угодно, узнать, каким тысячелетием заканчивается "циферблат" радиоуглеродных часов, описан далее.

Границы радиоуглеродного метода

Вопрос о границах, в которых возможно и правомочно применение того или иного метода, всегда интересен и важен, Ведь очень часто самое существенное и новое лежит вблизи от них или даже за ними. Естественно, что у o ученых возникает желание раздвинуть эти границы. Так, например, геологам, пользующимся радиоуглеродным методом, очень нужно уметь датировать всё более древние образцы, так как это дает столь важную для них возможность проникнуть еще глубже в прошлое Земли.

Для физиков, ведущих дальнейшие разработки радиоуглеродного метода, вопрос о его границах не менее важен. Им нужно знать: достигнуты ли уже эти границы или еще нет? Является ли увеличение верхней возрастной границы радиоуглеродного метода вопросом только техническим, аппаратурным, или верхний возрастной предел радиоуглеродных часов ограничен особенностями самого метода?

Вопрос о нижней возрастной границе радиоуглеродного метода, по крайней мере в принципиальном отношении, решается просто и однозначно. Нижней границей является нулевой возраст. При современном техническом уровне радиоуглеродных измерений датировать образцы, имеющие небольшой возраст, можно с точностью до 50-30 лет. Таким образом, "циферблат" радиоуглеродных часов начинается от немного размазанного нуля.

То, что нуль радиоуглеродных часов несколько размазан, объясняется наличием погрешности измерений. Любой результат, полученный экспериментально, имеет некоторую погрешность, и радиоуглеродные даты в этом отношении не составляют исключения. Поэтому типичная запись отсчета радиоуглеродных часов содержит ту или иную дату и погрешность ее определения, например: Т =10 000 ± 70 лет. Такая запись означает, что истинное значение возраста образца с достаточно большой вероятностью лежит в пределах от 9030 до 1070 лет.

Можно ли снизить погрешность радиоуглеродных измерений? Да, но при этом нужно иметь в виду следующее: при радиоуглеродном датировании приходится исследовать образцы, обладающие очень малой радиоактивностью. Между тем измерительное устройство чувствительно и к другим излучениям, например к космическим лучам и радиоактивному излучению окружающих предметов. Величина этого постороннего, фонового излучения примерно такая же, как и измеряемого. Между тем уровень фона зависит от ряда причин и может несколько меняться. Поэтому для снижения погрешности измерений необходимо по возможности увеличить чувствительность прибора к измеряемому излучению и, наоборот, насколько это возможно, снизить его чувствительность к постороннему, фоновому излучению.

Для того чтобы уменьшить величину фона, приемник излучения (т. е. счетчик) окружают массивной защитой" устроенной из нескольких тонн свинца и 80-100 кг ртути. Это снижает фон в 6-8 раз. Кроме того, с помощью специальной электронной схемы сигналы, воспринимаемые прибором, сортируют, отбирая и сосчитывая лишь те, которые имеют определенную характерную для радиоуглерода энергию. Наконец, производят временной отбор сигналов. Для этого вблизи от измеряемого образца ставят уже не один, а два счетчика, воспринимающих излучение. Затем сшомощью специальной электронной схемы сосчитывают лишь те сигналы, которые появляются в обоих счетчиках одновременно. Помехи и шумы возникают нерегулярно и притом то в одном приемнике, то в другом, а сигналы от измеряемого образца возбуждают оба приемника одновременно. Поэтому такая схема позволяет почти без потерь сосчитать нужные сигналы и отсеять значительную часть ненужных. Все эти мероприятия позволяют снизить фон приблизительно в 20 раз.

Увеличение количества исследуемого вещества и увеличение длительности измерений также приводит к снижению погрешности результата измерений. При этом соответственно возрастают затраты труда и времени как на подготовку образцов, так и на их измерение. Однако, если это диктуется характером решаемой задачи, то на это приходится идти, так как таким образом можно снизить погрешность датирования молодых образцов вплоть до 20-10 лет.

Чем определяется верхняя возрастная граница радиоуглеродного метода? Каким тысячелетием кончается циферблат радиоуглеродных часов? Оказывается, что ответы на эти вопросы совсем не тривиальные; более того, по существу имеются две верхние возрастные границы.

Рассмотрим, почему это происходит. Если после отмирания дерево пролежит в земле около 50 000 лет, то содержание в нем радиоуглерода снижается в сотни раз. В таком образце остаточная активность радиоуглерода оказывается намного меньше фона. При этом даже тогда, когда длительность измерений доведена до нескольких суток, погрешность результата все же составляет не сколько тысяч, лет. Для более древних образцов погрешность оказывается еще больше и из-за малой точности измерения теряют смысл. Этим и определяется техническая верхняя возрастная граница радиоуглеродного метода.

Технической границей она нами названа потому, что в конечном счете ее величина определяется уровнем техники измерений. В настоящее время в большинстве радиоуглеродных лабораторий она составляет 40-50 тысяч лет. Техническую верхнюю возрастную границу можно отодвинуть увеличением количества измеряемого образца, 1 затягиванием длительности измерений или изотопным обогащением (например, путем термодиффузии). Все эти пути учеными уже испробованы и оказались пригодными, но очень трудоемкими. Используя их, удалось датировать отдельные древние образцы вплоть до 70000 лет.

При решении некоторых важных научных проблем трудности и длительность работы отступают на второй план и существенной считается лишь принципиальная возможность решения задачи. Поэтому так важно ответить на вопрос о том, до какого предела можно поднять верхнюю возрастную границу радиоуглеродного метода.

Обычно при определении абсолютного возраста радиоуглеродным методом учитывают лишь тот С¹⁴, который попал в организм из внешней среды, и, следуя Либби, считают, что после отмирания организма в нем имеет место лишь распад этого радиоуглерода. Ф. С. Завельский принял во внимание, что организмы (растения, животные) и сами содержат азот, а в сфере их обитания, т. е. у поверхности Земли, есть нейтроны. Отсюда следует, что внутри организмов при их жизни и после отмирания тоже образуется радиоуглерод.

Назовем С¹⁴, поглощенный организмом при его жизни из атмосферы, внешним радиоуглеродом, а тот С¹⁴, который образуется в самом организме как при его жизни, так и после отмирания, - собственным радиоуглеродом.

Полагая, что уменьшение количества внешнего радиоуглерода в образце происходит по экспоненциальному закону (рис. 52, пунктирная кривая J_вн) и наряду с этим имеет место накопление в нем собственного радиоуглерода (рис. 62, J_соб) мы неизбежно приходим к тому, что их сумма с течением времени изменяется по закону, отличному от экспоненциального (рис, 52, J_эксп). Отсюда ясно, что третье положение, сформулированное Либби, о том, чтов образцах уменьшение удельной активности углерода происходит по экспоненциальному закону, т.е. в геометрической прогрессии, не может считаться точным.

Рис. 62. Изменение активности углерода в образце с течением времени. J_вн-активность углерода, полученного из внешней среды, J_соб - 'собственная' активность, J_эксп - экспериментальная, т.е. измеряемая на опыте активность углерода

Между тем при определении абсолютного возраста измеряется именно это - суммарное или экспериментальное- значение удельной активности углерода образца. Легко понять, что если при этом не учитывается накопление собственного радиоуглерода, то найденное значение абсолютного возраста оказывается фиктивным.

Сколь велика совершаемая при этом ошибка? Она столь большая, что этот эффект нужно всегда учитывать, или столь малая, что им в любом случае можно пренебречь? Произведя соответствующие расчеты, Ф. С. Завельский показал, что абсолютный возраст образцов, определенный радиоуглеродным методом без учета образования в нем собственного радиоуглерода, действительно отличается от истинного. Однако для образцов, возраст которых меньше 50 000 и даже 70 000 лет, это различие столь малое, что им можно пренебречь. Это заключение наглядно демонстрирует рис. 52, на котором видно, что тогда, когда возраст образца составляет 70 000 лет, остаточная активность внешнего радиоуглерода (J_вн) в 20 с лишним раз больше активности собственного радиоуглерода (J_соб). Даже тогда, когда возраст образца равен 80 000 лет, J_вн в 5-6 раз больше, чем J_соб. Соответственно для образцов, возраст которых составляет около 80 000 лет, поправка на собственный радиоуглерод имеет величину около 1500 лет, или 2%. Для образцов, возраст, которых больше 90 000 лет, величина поправки на собственный радиоуглерод резко возрастает и достигает сначала десятков, а потом и сотен процентов^*.

^* (Завельский Ф. С., Еще одно уточнение радиоуглеродного метода, Доклады АН СССР, серия геол., т. 180, № 5, 1968.)

Теперь можно ответить на поставленные ранее вопросы. Разрабатывая в сороковые годы нашего века физические основы радиоуглеродного метода, Либби располагал измерительными приборами, которые позволяли определять абсолютный возраст образцов примерно до 20-30 тысяч лет. Имея дело с образцами не старше этого возраста, он был вполне прав, утверждая, что в них уменьшение удельной активности углерода с течением времени происходит по экспоненциальному закону.

И. Арнольд в 1954 г. уже упоминает о возможности образования радиоуглерода в самом образце, а Е. Олсон в 1963 г. оценивает влияние этого эффекта на отсчет радиоуглеродных часов и приходит к заключению о том, что в количественном отношении он несуществен. Учитывая уровень измерительной техники тех лет, такое заключение можно посчитать более или менее правильным.

Между тем в настоящее время техническая верхняя возрастная граница радиоуглеродного метода уже поднята до 50-70 тысяч лет и ставится вопрос о ее дальнейшем повышении. Из изложенного видно, что при датировании образцов, возраст которых больше 80-90 тысяч лет, кроме усовершенствования измерительной техники требуется также введение поправки на собственный радиоуглерод.

Для того чтобы узнать величину этой поправки, нужно определить содержание азота в образце и интенсивность нейтронного излучения грунта, в котором в течение десятков тысяч лет лежал образец. Однако в течение столь длительного хранения образца уровень нейтронного излучения грунта мог меняться. Понятно, что вследствие этого величина поправки определяется очень не точно. Поэтому когда в образце остаточная активность внешнего радиоуглерода становится меньше активности собственного радиоуглерода, то абсолютный возраст, определенный радиоуглеродным методом, становится неопределенным. Это обстоятельство кладет уже не технический, а принципиальный верхний возрастной предел увеличению отсчета тысячелетий радиоуглеродными часами.

Величина этого принципиального верхнего возрастного предела радиоуглеродного метода зависит от содержания азота в образце и от уровня нейтронного излучения грунта. Таким образом, для разных образцов она несколько различна. В среднем эта граница лежит около 100-120 тысяч лет.

Некоторые применения радиоуглеродных часов

Большое количество определений абсолютного возраста радиоуглеродным методом было проделано для образцов, взятых с торфяников. Их возраст ставился в соответствие с хронологией, основанной на исследовании пыльцы и спор древних растений. В общем, было получено достаточно полное соответствие между определением возраста по радиоактивному углероду и пыльцевому методу.

Остатки угля дали возможность с помощью радиоуглеродного метода датировать культурный слой пещеры Ласко (Франция), стены которой были покрыты доисторической живописью. Возраст этого слоя был определен в 15 500 ± 900 лет. Таким образом археологам были даны важные опорные даты.

Исследованию радиоуглеродным методом подверглись остатки древесного угля, найденные в доисторической стоянке человека, раковины, употреблявшиеся в качестве украшений доисторическими людьми, содержание желудка древнего животного и т. п.

Радиоуглеродным методом были исследованы образцы, взятые при раскопке отбросов, накопившихся против Храма Солнца в Перу. Возраст этих отбросов (раковин, веревок, цыновок, остатков животных) на разной глубине оказался различным - от нескольких сотен до десятков тысяч лет. Соответствующая датировка оказалась весьма важной при археологических исследованиях.

В Палестине около Мертвого моря были найдены свитки библии (книга Исайи). Радиоуглеродный анализ верхней обвертки свитка показал возраст 1917±200 лет.

Советские исследователи нашли на Таймыре довольно хорошо сохранившийся во льду труп мамонта. Для исследования его возраста радиоуглеродным методом были взяты сухожилия животного. В результате измерений относительного содержания радиоуглерода выяснилось, что мамонт пролежал во льдах Таймыра около 12 тысяч лет.

Десять с лишним лет назад антропологи были изрядно смущены находкой остатков пильтдаунского человека. Найденные череп и челюсть имели ряд признаков, взры-I вающих установившиеся представления об эволюции человека. Когда же с помощью радиоуглеродного метода определили абсолютный возраст этих находок и он оказался равным всего лишь около 500 лет, то стало ясно, что имела место мистификация или, если угодно, шутка.

В Северном Ираке была открыта Шанидарская пещера, в которой люди обитали в течение примерно 100 000 лет. Раскопки этой пещеры описаны Ральфом Солецким.

Вскрывая в этой пещере слой за слоем, ученые анализировали найденные предметы и определяли абсолютный возраст находок. В верхнем слое были обнаружены остатки общественных очагов, каменные ступки, остатки домашних животных. Этот слой охватывает время от современного до некоторой эпохи каменного века, а по радиоуглеродным часам оказалось, что его нижняя часть отстоит от нас на 7000 лет.

Во втором слое были найдены хорошо отточенные наконечники копий, костяные шила для шитья, куски графита с выгравированными на них рисунками, кучи раковин улиток. Возраст низа этого слоя был по радиоуглероду определен в 12 000 лет. Это средний каменный век. Находки позволили установить, как человек того времени жил, охотился, что ел и каким было его искусство.

Третий слой, тоже датированный радиоуглеродными часами, во времени занимал промежуток от 29 до 34 тысяч лет. Это древний каменный век. В этом слое были найдены различные кремневые орудия.

В самом нижнем, четвертом слое пещеры, простирающемся на глубину от 5 до 14 м, вплоть до коренных пород, ученые нашли останки давно вымершего неандертальского человека и его примитивные орудия. Радиоуглеродным методом возраст низа этого слоя не определялся. По ряду соображений ученые посчитали, что он составляет около 100 000 лет.

Эти примеры (а число их можно было бы значительно увеличить) показывают, где и как работают радиоуглеродные часы и сколь интересно и важно поднять их верхнюю возрастную границу.

В настоящее время радиоуглеродный метод определения абсолютного возраста уже широко применяется в различных археологических и геологических исследованиях и при построении соответствующих шкал времени является опорным.