Возраст ландшафта
Каков возраст мира? Мы непосредственно ощущаем промежутки времени, встречающиеся в нашей жизни. Кратчайший промежуток времени, который мы можем ощутить, примерно равен одной десятой секунды. Это длительность щелчка пальцами. Естественные единицы времени, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, суть день и год; кроме того, мы понимаем, что имеется в виду, когда говорят о длительности человеческой жизни. Памятники письменности позволяют нам вернуться к событиям давностью до 5000 лет. Это возвращает нас к эпохе шумерской цивилизации, древнейшему периоду, оставившему эти памятники. Итак, 5000 лет — это наиболее длинный период, на который распространяется прямой опыт человека. Если мы хотим изучить хронологию событий, предшествовавших истории человека, надо применить непрямые методы.
Крупные природные образования вокруг нас — холмы, реки, океаны, равнины и т. д. — мало изменились за эти 5000 лет. Но существовали ли они вечно? Очевидно, нет. Ветер и непогода работали над ними.
Возьмем, например, такую гору, как Маттерхорн, находящуюся в Альпах между Италией и Швейцарией. Она возвышается непосредственно над окружающей ее местностью примерно на 2000 м и в основании имеет около 2000. Следовательно, она состоит, грубо говоря, из 2·109 м3 горных пород.
Площадь склонов равна, тоже по грубой оценке, 107 м2. Капризы погоды — дождь, лед и бури — постепенно отламывают здесь и там кусочки породы, в основном вследствие замерзания воды в трещинах, и вся громада постепенно разрушается. Сколько времени должно пройти, чтобы совсем разрушить гору и сравнять ее с окружающей местностью? Сделаем простой расчет. Разумно предположить, что в среднем от каждого квадратного метра породы в год отламывается кусок размером в несколько сантиметров. Следовательно, за один год с Маттерхорна осыплется примерно 103 м3 породы. Через миллион лет половина горы разрушится. Жизнь такой горы, как Маттерхорн, должна длиться около нескольких миллионов лет.
К аналогичным выводам мы приходим, изучая количество наносов, которое выносится реками в моря. Можно измерить количество измельченной горной породы, песка и почвы, увлекаемое дождями с земли и переносимое реками в моря за год. Если равномерно распределить это количество по всей площади, с которой его собирает вода, текущая в реках, то получится весьма тонкий слой, толщиной около 1/300 см. Однако за миллион лет это даст слой толщиной 30 м. Так как уносимая реками порода не поступает равномерно отовсюду, а только с тех участков, где есть уклон, мы видим, что за миллион лет дожди и непогода могут уничтожить холмы во много сот метров высотой и существенно изменить ландшафт. Итак, можно считать, что возраст ландшафта, который мы видим вокруг себя, достигает миллионов лет.
Выветривание и размывание — это разрушительные силы, выравнивающие поверхность Земли, Если бы на нее не действовали другие силы, весь мир был бы плоским, так как горы и холмы были бы разрушены за несколько миллионов лет. Однако работают и восстанавливающие силы, которые медленно, но постоянно изменяют поверхность Земли. Внутренние части Земли все время находятся под высоким давлением, так как на них давят вышележащие наружные слои. Иногда это давление уменьшается в одном месте или увеличивается в другом (рис. 8).
Рис. 8. Поверхность Земли подобна куску ткани.
Изменения давления приводят к смещению поверхности вверх и вниз, при этом образуются высокие плато и глубокие впадины. Иногда возникают боковые смещения, тогда поверхность Земли искривляется и образуются горные кряжи и долины, как на куске материи, если сдвигать ее с двух противоположных сторон. Непрерывно происходит смена горообразования и последующего разрушения гор в результате эрозии. Мы живем в период, отделенный только несколькими миллионами лет от времени весьма интенсивного горообразования; вот почему поверхность Земли покрыта в настоящее время горами столь разных размеров. Так, через 50 миллионов лет Земля станет значительно площе и однообразнее, если за это время не произойдет никаких новых горообразовательных процессов.
Радиоактивность — часы Вселенной
Сколько времени продолжалась эта смена горообразования и атмосферной эрозии гор? Как измерить промежутки времени, в течение которых совершались великие геологические события? Для этой цели мы должны применить естественные часы, которые идут так медленно, что по ним можно прочитать долгие промежутки времени. К счастью, природа снабдила нас очень медленным, мерно идущим процессом, который можно использовать для измерения времени. Речь идет здесь о явлении радиоактивности, странном явлении, открытом в 1896 г. французским ученым Анри Беккерелем. Но как же радиоактивность можно использовать в качестве часов?
Когда была открыта радиоактивность, она казалась весьма загадочной, так как опровергала исконную веру всех ученых в неизменяемость химических элементов. Явление радиоактивности показало, что некоторые элементы изменяются. Радиоактивное вещество превращается в другое вещество. Атомы таких элементов распадаются, испуская лучи, и становятся атомами других элементов.
В качестве примера рассмотрим радиоактивный рубидий. Рубидий — сравнительно редкий металл, сходный с натрием и калием. В природе найден рубидий двух сортов (два «изотопа»). Они отличаются друг от друга по весу: один имеет атомный вес 85, другой — 87; радиоактивен более тяжелый изотоп. Кусок чистого Rb87 испускает характерное для него излучение, природа которого для нас сейчас несущественна. (Этот элемент представляет большой интерес для медиков, так как может применяться для лечения рака.) Важнее всего тот факт, что атом Rb87 превращается в атом другого элемента, а именно в атом стронция. Это превращение происходит медленно и непрерывно, с постоянной скоростью, и его нельзя ни ускорить, ни замедлить каким-либо внешним воздействием. Каждый год известная часть рубидия превращается в стронций. Для Rb87 эта часть чрезвычайно мала, она составляет только 1,6·10-11 в год. Это значит, что за год в стронций превращается одна сотая от миллиардной части Rb87. Большинство природных радиоактивных веществ превращается столь же медленно. «Постоянная распада» урана равна 2·10–10 в год, т. е. за год превращаются только две десятимиллиардные части урана. Калий 40, тоже радиоактивный элемент, имеет постоянную распада, равную 0,7·10-9 в год.
Наши знания о радиоактивности значительно углубились после изобретения ускорителей частиц до высоких энергий. В таких устройствах малые частицы ударяют с большими энергиями по атомам разных веществ и производят изменения в этих атомах. Например, при бомбардировке обычно нерадиоактивные элементы превращаются в новые элементы, которые, как правило, не встречаются в природе и очень часто радиоактивны. Таким способом можно производить новые, «искусственные» радиоактивные вещества, очень ценные для физических и медицинских исследований. Большинство из них превращается в другие элементы гораздо быстрее, чем естественные радиоактивные элементы. Например, можно получить радиоактивный натрий (атомный вес 24), который превращается в магний со скоростью 6 % в 1 час.
Возраст материи
Теперь мы приходим к первому фундаментальному заключению о шкале космических времен: Земля не могла существовать бесконечно давно. На Земле есть объекты, которые не могли находиться на ней извечно. Если бы Земля существовала бесконечно длительное время, мы не могли бы обнаружить на ее поверхности радиоактивных веществ, таких, как Rb87, уран и калий. Действительно, если бы возраст Земли был гораздо больше, чем 1010 лет, все естественно-радиоактивные вещества, которые мы перечислили, распались бы почти полностью в свои дочерние продукты и их нельзя было бы обнаружить Мы должны предположить, что процесс, в котором образовались эти элементы, больше не продолжается.
Каков же тогда возраст Земли? Рассматривая постоянные распада природных радиоактивных веществ, мы видим, что все они меньше одной миллиардной в год. Искусственные же радиоактивные материалы, которые мы производим сами, имеют, однако, всевозможные постоянные распада. У некоторых из них постоянные распада очень малы (миллионные доли в год), у других распад происходит очень быстро — например, половина вещества распадается за десятые доли секунды. Найдены всевозможные скорости распада в этих пределах. Однако в природе встречаются только элементы со скоростью распада меньше нескольких биллионных долей в год. Объяснение очень просто: элементы, распадающиеся быстрее, не встречаются в природе потому, что они уже успели распасться за время существования Земли.
Отсюда мы заключаем, что материал, составляющий Землю, существует в его нынешнем состоянии несколько миллиардов лет, во всяком случае не многим более. Естественный радиоактивный элемент с наименьшим временем распада, К40 (скорость распада — одна миллиардная в год), почти израсходовался; его содержание в естественном калий очень невелико (0,12 %). Поэтому «возраст» материала, составляющего нашу Землю, должен несколько превышать миллиард лет, быть может, он в 5 или в 10 раз больше, но не многим более.
Это был знаменательный момент в истории нашего познания мира, когда здесь, на Земле, мы нашли доказательство того, что Земля не существует извечно. Радиоактивные вещества — это только маленькая часть материала Земли. Они встречаются исключительно редко. Но само их существование свидетельствует о каком-то начале.
Что же происходило в этом начальном периоде? Конечно, Земля не могла находиться в состоянии, напоминающем нынешнее. В то время вещество, из которого состоит Земля, должно было находиться в условиях, обеспечивающих образование радиоактивных элементов. Такие условия мы создаём в наших больших ядерных ускорителях. Частицы и атомы должны были обладать огромными энергиями, их плотности достигали колоссальных величин, и сами они сталкивались друг с другом на больших скоростях. Температуры, при которых создаются эти условия, имеют порядок 100 миллионов градусов. У нас есть веские основания полагать, что такие условия существуют в центрах звезд, но не при обычных обстоятельствах, а когда звезды становятся неустойчивыми и взрываются. Взрывающиеся звезды называются новыми, потому что они внезапно появляются на небе и быстро, за несколько месяцев, тускнеют. Они встречаются не так уж редко. С помощью наших гигантских телескопов мы ежегодно можем найти 20 или 30 таких звезд среди 50 000 000 000 звезд Галактики
Итак, мы приходим к заключению, что материал, из которого состоит Земля, должен был подвергаться огромному ускорению и нагреванию (вероятно, во взрывающихся звездах) в период, закончившийся 5—10 миллиардов лет назад. Мы можем считать, что эти процессы обеспечили создание элементов, из которых состоит наше окружение. К этому времени относится образование многих радиоактивных и нерадиоактивных элементов, в том числе тех, которые мы можем сделать в наших ускорителях, а также некоторых других. Но с тех пор радиоактивные вещества с короткими временами распада давно распались и превратились в устойчивые, стабильные, элементы. Немногие долгоживущие естественные радиоактивные вещества — это последние свидетели того богатого событиями времени, когда образовались элементы — те элементы, из которых состоит Земля. Это последние искры, оставшиеся после величественного космического пожара, который 10 миллиардов лет назад создал элементы, окружающие нас на Земле.
Давность событий в истории Земли
Более подробный анализ процесса распада естественных радиоактивных элементов позволяет нам определять давность событий, происходивших значительно позже образования элементов. В большинстве случаев минерал, содержащий естественный радиоактивный элемент, содержит и продукт его распада. Например, в горной породе, содержащей рубидий, находится также и стронций, элемент, в который превращается радиоактивный рубидий. Сравнивая относительные количества обоих элементов в образце, мы можем определить, сколько времени рубидий находился в этой породе, или, другими словами, найти время, прошедшее с момента ее затвердевания. Расчет весьма прост. Каждый год 1,6·10-11 часть рубидия превращается в стронций, и отсюда можно заключить, сколько лет понадобилось, чтобы получилось наблюденное количество стронция.
Здесь есть только одна трудность. Не обязательно весь стронций в природе был раньше рубидием. В нее мог попасть стронций с самого начала. Есть очень изящный способ преодоления этой трудности. Стронций, образовавшийся из рубидия, — это особый стронций, а именно Sr87. В обычном, природном стронции содержится только 12 % изотопа Sr87, основная его часть состоит из изотопа Sr88 . Следовательно, нам нужно только измерить долю Sr88 в нашем образце. Если Sr88 отсутствует, то, значит, весь стронций образовался из рубидия. Если в нем содержится Sr88, то мы знаем, сколько обычного стронция находилось в образце, и можем определить, сколько Sr87 образовалось вследствие, радиоактивного распада.
Такие же измерения можно произвести с образцами горных пород, содержащими другие естественные радиоактивные элементы. Для этой цели широко использовалась радиоактивность калия и урана.
Естественные радиоактивные материалы являются не только свидетелями рождения Земли, их медленный, но мерно идущий распад позволяет измерять прошедшее время.
Измерение содержания продуктов радиоактивного распада, например стронция, образовавшегося из рубидия, позволило определять давность событий, которые попадают в неизученный период между миллионами лет (эрозия поверхности Земли) и многими миллиардами лет (образование элементов).
Когда бы ни произошло образование новых гор, когда бы ни начали накапливаться морские отложения, в радиоактивных элементах, содержащихся в таких веществах, начинают накапливаться продукты их распада, и, измеряя содержание накопившегося продукта, можно найти время наступления данного события. Это позволяет нам с разумной точностью определять давность геологических событий. Мы нашли, например, что Альпы и Гималаи весьма молоды, их возраст — всего лишь несколько миллионов лет (рис. 9).
Рис. 9. Вершина К2 в Гималаях (6470 м), которая считается второй по высоте в мире.
Скалистые горы в их настоящем виде старше, им около 60—100 миллионов лет. Возраст плоских хребтов Аппалачских гор приблизительно равен 250–300 миллионам лет, хотя действительная форма отдельных вершин на их поверхности неоднократно менялась с тех пор.
Возраст старейших горных пород, найденных до сих пор, достигает 2,6 миллиарда лет. Поэтому Земля никак не может быть моложе. По-видимому, она старше, но то, что теперь является поверхностью нашей планеты, изменилось так сильно, что теперь уже нельзя найти более древних пород. Различные слои горных и осадочных пород содержат окаменелые останки животных и растений. Таким образом, «расписание», или шкала времен, геологических формаций попутно дает и шкалу времен для развития жизни (рис. 10).
Рис. 10. Трилобит (Olenellus). Кембрийский период.
Мы нашли, что старейшие следы жизни насчитывают примерно 600 миллионов лет и принадлежат водорослям и губкам. Очевидно, что раньше должны были также существовать более примитивные формы жизни, но они не оставили никаких следов в горных породах. По оценкам, примитивные бактерии должны были жить не менее миллиарда лет назад. Находят рыб и моллюсков, существовавших 300 миллионов лет назад, пресмыкающиеся появились примерно 275 миллионов лет назад. Им должно было предшествовать появление деревьев и цветов, которые существуют уже около 400 миллионов лет. Млекопитающие развились только 150 миллионов лет назад, а человек существует едва лишь миллион лет. Так радиоактивные часы помогли нам датировать и развитие различных форм жизни.
Возраст Земли и планет
То и дело из внешнего пространства в атмосферу влетают куски вещества. Большинство этих объектов — они называются метеоритами, — попадая в атмосферу, испаряется вследствие сильного разогрева, наступающего при очень быстром их движении в воздухе. Но некоторые большие частицы достигают поверхности Земли (рис. 11).
Рис. 11. Метеоритный кратер в пустыне Аризона. Вероятно, этот метеорит упал несколько десятков тысяч лет назад. Диаметр кратера — около 1200 м, глубина 195 м. Кратер образовался при падении огромного метеорита, состоящего из железа и никеля.
Эти объекты, а также пути, по которым они пришли, подвергались внимательному изучению. Возможно, что метеориты не приходят очень издалека. Быть может, это раздробленные остатки одной или нескольких малых планет, разрушившихся когда-то, на заре образования нашей солнечной системы.
Возраст пород, составляющих метеориты, должен быть близок к возрасту самой солнечной системы; они возникли, вероятно, тогда же, когда из вещества «образовались» Солнце и планеты. Поэтому, определяя возраст обломков, мы, вероятно, узнаем и возраст нашей солнечной системы, или время образования планет. К счастью, метеориты иногда содержат следы радиоактивных веществ и продуктов их распада. Данные о количестве этих продуктов можно использовать для того, чтобы узнать, сколько времени радиоактивный элемент распадался в частице вещества в межпланетном пространстве. Полученные результаты хорошо согласуются друг с другом: все метеориты имеют, по-видимому, одинаковый возраст — около 4,5 миллиарда лет. Отсюда мы должны заключить, что столько же времени прошло с тех пор, как вещество «собралось» в Солнце и планеты нашей солнечной системы. Очень возможно, что столько же времени Земля и другие планеты существуют в виде больших шаров, обращающихся вокруг Солнца.
Возраст звезд
Можем ли мы определить возраст других звезд? Мы больше не можем применять радиоактивные часы, так как вещества, находящиеся вне солнечной системы, не достигают Земли. Наше единственное средство связи — свет. Однако, несмотря на отсутствие прямого контакта, астрономы пытались получить некоторую косвенную информацию о возрасте звезд. Иногда можно прийти к приближенным оценкам, тщательно исследуя цвет и яркость звезды и применяя наши новые представления о процессах, обеспечивающих создание запаса той огромной энергии, которая необходима для длительного поддержания свечения звезды. Отсюда находят, что возраст большинства звезд также измеряется миллиардами лет. Возраст некоторых групп звезд, вероятно, достигает 20–30 миллиардов лет, другие, по-видимому, моложе. Точно так же, как год служит удобной единицей для измерения длительности жизни человека, миллиард лет удобен для измерения возраста звезд. Старейшие породы на Земле насчитывают 2,6 миллиарда лет; солнечная система образовалась 4,5 миллиарда лет назад; наши естественные радиоактивные вещества образовались в звездных взрывах 5—10 миллиардов лет назад, и возраст большинства звезд также лежит в этих пределах.
Расширение Вселенной, которое мы рассматривали в предыдущей главе, тоже дает масштаб времени, в течение которого развивалась Вселенная: в настоящее время мы видим непрерывно удаляющиеся от нас. галактики, причем их скорость тем больше, чем дальше они находятся. Мы можем задать вопрос: если верно, что галактики удаляются друг от друга, то не было ли такого времени, когда они располагались теснее? Действительно, если расширение Вселенной происходило с той же скоростью, что и сейчас, то когда-то все галактики должны были находиться в одном месте. Поэтому их расширение, которое мы видим сейчас, не могло идти извечно. Когда же было это время скопления галактик? Напомним, что скорость удаления галактик примерно равна 30 км/сек на каждый миллион световых лет расстояния. Здесь весьма важно, что на прохождение миллиона световых лет со скоростью 30 км/сек требуется 10 миллиардов лет. Это значит, что расширение галактик не могло начаться при той же скорости намного раньше, чем 10 миллиардов лет назад. Прослеживая расширение в обратном направлении, мы должны заключить, что в какое-то время все галактики были сосредоточены, грубо говоря, в одном месте.
Мы снова получаем период, аналогичный другим космическим временам жизни. Что это значит для нас? Немногим более следующего: видимая Вселенная и материя, которую она содержит, 10 миллиардов лет назад были совсем не такими, как сейчас. Мир, как мы его знаем теперь, с составляющим его веществом, с его звездами и планетами, галактиками и системами галактик, существует 10 миллиардов лет. Сегодня никто не знает, в каком состоянии мир был ранее. Вещество, звезды и галактики возникают и исчезают. Все, что мы знаем, это общая длительность процесса — 10 миллиардов лет.
«Лестница времен»
Если возраст Вселенной принять за один день, то человечество существует только последние десять секунд.