Крис Терни - Terni_Kosti_skalyi_i_zvezdyi._Nauka_o_tom_kogda_chto_proizoshlo.395719
Резерфорд проверил это предположение на практике. Нагрев кусок минерала под названием торианит, он собрал выделившийся гелий и подсчитал, что данный образец должен был сформироваться по меньшей мере 500 млн лет назад. Теория Кельвина была разбита в пух и прах. А ведь Резерфорд взял не самый древний образец камня, так что возраст получился минимальным.
Со временем физики установили целую серию различных элементов, образующихся при распаде урана, — так называемую «цепочку распада». Важно отметить, что единственным известным тогда изотопом урана был 238U, чей период полураспада равнялся 4,5 млрд лет. Наконец у ученых появилась машина времени, способная перенести их к заре времен. Геологи обрели способ определить возраст Земли.
¤
До сих пор я старался избегать научных определений изотопов — с непривычки они могут показаться тяжеловатыми. Однако теперь мы вплотную подошли к тому моменту, когда без них не обойтись, иначе будет непонятно, как все-таки определили возраст Земли. Дальше разные изотопы одних и тех же элементов пойдут сплошным потоком, поэтому будьте внимательны, не перепутайте. Следите за верхними индексами перед всеми нашими U и Pb. А я постараюсь свести их количество к минимуму.
В 1905 г. американский ученый Бертрам Болтвуд выяснил, что конечным продуктом цепочки распада урана является свинец. И у него возникла идея нового способа датировки горных пород. К 1906 г. Болтвуд раздобыл 26 образцов различных горных пород, которые намеревался датировать ураново-свинцовым методом.
Метод основывается на том, что по мере прохождения атомом цепочки распада радиоактивный распад принимает разные формы. Переход атомов из одной формы в другую сопровождается выбросом гелия, электронов или других форм энергии, и в конечном итоге появляется стабильный изотоп свинца — 206Pb. Исходя из того, что изначально, при кристаллизации минералов, в образцах свинец не содержался, Болтвуд, измерив соотношение между ураном и свинцом, подсчитал, что данные куски породы образовались около 570 млн лет назад. Теперь минимальный возраст Земли, определенный Резерфордом, уже не казался таким нелепым.
Доводить дело до конца — причем почти в одиночку — и вычислять возраст Земли с помощью радиоактивных изотопов выпало британскому геологу Артуру Холмсу. Начиная с 1911 г. он работал над определением возраста Земли и созданием временной шкалы для всех открытых учеными геологических рубежей, которые оставались без датировки. Возраст Земли по-прежнему мог оказаться абсолютно любым. И если измышления епископа Ашшера в расчет уже не брали, то у Кельвина в некоторых кругах еще находились сторонники. К 1931 г. Холмс утверждал, что возраст Земли располагается где-то в промежутке от 1460 млн до 3000 млн лет.
К концу 1920-х Резерфорд обнаружил еще один, доселе неизвестный изотоп урана — 235U, дающий при распаде свою собственную стабильную разновидность свинца, 207Pb. Помимо него был открыт еще один изотоп свинца — 204Pb, не являвшийся, впрочем, продуктом распада урана. Его концентрация со времен образования Земли никак не изменилась. Что бы ни происходило с ураном, на количестве 204Pb это не отражалось никак.
И тогда пришло осознание одного очень важного фактора. Поскольку период полураспада 235U составляет 704 млн лет, он распадается в шесть раз быстрее 238U. То есть в конечном итоге чем старше образец породы, тем выше изначальное содержание 235U и тем больше образуется 207Pb. Учитывая, что два разных изотопа урана образуют разные изотопы свинца, соотношение 207Pb к 206Pb тоже будет расти со временем. Поэтому для определения возраста уже не требовалось знать количество урана, достаточно было подсчитать соотношение разных изотопов свинца. В теории, разумеется. Все упиралось в необходимость выяснить изначальное соотношение на момент формирования Земли, до того, как на их количество повлиял распад урана. Требовалась отправная точка — образец, не содержащий уран.
Холмс взял образец из Гренландии. Предполагалось, что содержащийся в нем свинец не является продуктом радиоактивного распада, и поэтому образец отражает состояние Земли на момент формирования. В 1946 г. Холмс определил минимальный возраст Земли как 3000 млн лет, но в 1947 г. скорректировал его до 3400 млн. Путем обратной проекции своих результатов во времени он вычислил, что распад урана начался 4500 млн лет назад, и установил тем самым верхний предел возраста планеты.
Однако уже после проделанного Холмсом гигантского труда стало известно, что на поверхности планеты ни один камень, даже из Гренландии, не отражает изначального состояния Земли. На ее поверхности происходят постоянные изменения, непрерывное разрушение и переработка горных пород. Гренландский образец Холмса выдал лишь минимальную границу возраста. По-прежнему требовался кусок камня, отражавший начальную стадию формирования Земли, но избежавший воздействия геологических процессов. К сожалению, найти такой на Земле не представлялось возможным.
В 1940-1950-х считалось, что вся наша Солнечная система формировались более или менее одновременно. Теперь мы знаем, что процесс этот был гораздо более сложным и занял десятки миллионов лет, однако пока для наших целей нас устроят такие представления. Смысл в том, что железные метеориты, как самое примитивное вещество в Солнечной системе, должны были сформироваться в числе первых. Медленно застывая и превращаясь в знакомую нам сегодня Землю, наша планета подвергалась непрерывной бомбардировке маленьких твердых небесных тел. Поскольку в железных метеоритах содержание урана стремится к нулю, рассуждали ученые, имеющийся в них свинец никак не может быть продуктом радиоактивного распада. А значит, по составу железных метеоритов можно вычислить то самое изначальное, исконное соотношение свинца, присутствовавшее в зарождающейся Солнечной системе — и в нашей планете.
К началу 1950-х американский геохимик Клэр Паттерсон, работавший в Калифорнийском технологическом институте, завершил исследование железного метеорита и определил средний состав свинца. В 1953 г. он пришел к выводу, что именно таким и было исконное соотношение, и, отталкиваясь от этих данных, получил возможность вычислить количество свинца, образовавшееся на Земле в результате уранового распада и срок его образования. Верхний предел возраста Земли получился 4600 млн лет.
Считать ли этот возраст истинным? Несмотря на всю логичность предположения, что метеориты формировались в одно время с нашей планетой, в 1950-х бесспорных подтверждений на этот счет не существовало. И в 1956 г. Паттерсон взялся доказать, что метеориты в исследованиях могут выступать в качестве представителей Земли. Он подверг анализу другие типы метеоритов, содержащие уран. В результате ему удалось выявить соотношение между 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb. Количество 204Pb, не являющегося продуктом распада урана, оставалось неизменным. Поэтому соотношение изотопов в различных метеоритах со временем увеличивалось, в зависимости от изначального содержания в них урана. В совокупности эти соотношения выстраивались в одну четкую шкалу. Затем Паттерсон пришел к выводу, что соотношение изотопов свинца на дне океана должно отражать средний состав по суше. Ведь океанское дно формируется из того, что приносят реки с подвергающихся эрозии континентов. Паттерсону удалось продемонстрировать, что шкала соотношений по океанским образцам совпадает со шкалой по метеоритам. Все они образовались примерно в одно и то же время. Так было окончательно доказано, что метеориты и Земля — ровесники.
Возраст 4600 млн лет, полученный после привлечения внеземных источников, кажется вполне похожим на правду. Прав был шотландский геолог Джеймс Хаттон — шкала времени уходит в бесконечность.
Эпилог
Время креационизма прошло
Часы остановились в темноте.
Томас Стернз Элиот (1888-1965)
В начале книги я выражал озабоченность тем, что наука не получает достаточного освещения. Меня всерьез пугает, что обществу невдомек, откуда берутся научные достижения и плоды знаний, которыми оно пользуется. И я по-прежнему считаю эту проблему существенной. Люди часто стонут, что научное изложение для них «слишком заумно», «слишком непонятно». И очень жаль. Наука — это безумно интересно, и я надеялся посредством этой книги поделиться с вами своим восторгом. У науки в запасе много такого, что помогло бы улучшить качество жизни на летающем в космосе каменном шарике под названием Земля. И необходимость в этом ощущается как нельзя более остро.
Наша планета стоит на пороге величайших испытаний. Количество вымирающих видов, по последним оценкам, пугающе огромно. Ежегодно от 25 000 до 50 000 видов пропадают с лица Земли навеки — многие из них даже не описаны должным образом. Трагические масштабы поневоле заставляют вспомнить о великих вымираниях древности, которые мы уже рассматривали. А если еще добавить перспективу катастрофических изменений климата, времена нам предстоят суровые.
