В этой книге, посвященной радиоактивности, речь пойдет, конечно, не о радиоизотопных часах — не об устройствах, черпающих энергию для движения часовой и минутной стрелок из энергии радиоактивного распада, а о том, как с помощью радиоактивности ученые сумели восстановить события прошлого, иногда недавнего, иногда очень далекого…
* * *
История, с которой начинается эта глава, в свое время была сенсационно известной. Она отмечена многими особенностями, отличающими ее от происшествий подобного рода. Начавшись как детектив высокого накала, она затем быстро сошла со страниц газет и экранов телевидения. Для того же чтобы узнать, чем она завершилась, мне пришлось покопаться в годовых подшивках научных, именно научных, журналов.
В протокольном изложении история выглядит так:
В августе 1957 года чета Ионссонов продала свой дом на окраине Акранеса вместе с прилегающим к нему наделом сыну пастора, молодому Ауздеерсону. Продажу дома старики Ионссоны задумали задолго до описываемых событий: вот уже год, а то и больше, Ионссоны охотно рассказывали каждому, кто соглашался их послушать, что им уже трудно самим обрабатывать землю. Вот и решили Ионссоны скоротать остаток дней в Рейкьявике возле сына и внуков.
В конце августа Ионссоны, увязав нехитрый скарб, уехали в Рейкьявик, где их спустя две недели без труда разыскал полицейский комиссар и, предъявив обвинение в преднамеренном убийстве, отвез в комиссариат и заточил стариков — поодиночке! — в тюремные камеры.
Для столь суровой меры у комиссара основания в общем-то были. После отъезда Ионссонов из Акранеса новый владелец надела решил расширить домик, поскольку в ближайшее время ждал увеличения семьи по меньшей мере на одного члена. Выбрав место для пристройки, он начал долбить мерзлый грунт, чтобы соорудить яму для фундамента, и очень скоро наткнулся на мертвое тело, закопанное примерно метрах в пяти от старого фундамента.
Неизвестный был зверски убит — его горло было располосовано буквально до шейных позвонков — и спрятан в высшей степени тщательно: над зловещей могилой, как клятвенно утверждал пасторов сын, нельзя было обнаружить даже следов захоронения. Впоследствии экспертиза подтвердила, что злоумышленники сумели каким-то неизвестным криминалистике образом так утрамбовать почву, что о недавнем злодеянии нельзя было и подумать.
Преступление было совершено недавно: тело сохранилось очень хорошо; в полуоткрытых глазах убитого можно было даже уловить выражение тяжелого ужаса. Судебные эксперты подтвердили, что убийство произошло за несколько дней, от силы за пару недель, до отъезда четы Ионссонов в Рейкьявик. Так, впервые представителями власти были сведены вместе — факт убийства и имя Ионссонов.
На допросах Ионссоны проявили упорство, которое поначалу было трудно ожидать от немощных стариков. На вопросы, каким образом на их подворье очутился закопанный мертвец, старик презрительно плевал на выскобленный цементный пол комиссариата, фру же только отворачивалась от комиссара и безучастно глядела в окно на тусклое исландское небо. Когда же фру Ионссон показали сделанную крупным планом фотографию убитого, она тут же упала в обморок, настолько глубокий, что врачи провозились с ней часа четыре.
Но ведь не знать, что делается у них в усадьбе, старики, никогда не отлучавшиеся с подворья, не могли!
Между тем в деле было столько неясного, что у бедняги инспектора пухла голова. Неясно было, как тщедушные Ионссоны могли справиться с крепышом, каким, судя по всему, был убитый; возможность привлечения соучастника категорически отрицалась соседями, у которых жизнь Ионссонов была на виду. Неясно было, как сумели старики так ловко и, главное, так умело спрятать тело. Неясно было, почему, несмотря на тщательнейший осмотр, ни в доме, ни в подворье нельзя было обнаружить никаких улик.
По настоянию корреспондентов газет и телевидения, нахлынувших в тихий Рейкьявик из Дании, Норвегии и даже из Франции, комиссар вынужден был разрешить пресс-конференцию. Стариков на протяжении часа закидывали вопросами: кто же все-таки резал незнакомца — господин или фру Ионссон или, быть может, как всегда в их жизни, они действовали рука об руку? Сколько крови вылилось из ужасной раны на горле убитого? Куда дели Ионссоны землю после того, как закопали несчастного?
Старики молчали, глядя на всех с выражением раздражающего безразличия.
Скоро на дело Ионссонов стали накручиваться новые загадки. Во-первых, никак не могли прийти к соглашению судебно-медицинские эксперты: суд не смог бы вынести аргументированное решение, располагая заключениями экспертов, одни из которых утверждали, что убийство произошло дня за два до захоронения, а другие склонялись к двум… месяцам. Между тем на теле убитого были признаки, которые одинаково работали на обе версии.
Затем комиссар получил письмо от известного археолога Гуннара Аурланда, который писал, что, внимательно рассмотрев в газетах фотографии убитого, пришел к бесспорному выводу, что надетое на нем платье относится по покрою к XIV веку и, скорее всего, украдено из исторического музея. Дирекция музея через газету категорически опровергла не только факт кражи, но и отвергла самое предположение о ее возможности.
Тогда, похоже падкий на саморекламу Сандерссон, другой археолог, в беседе с корреспондентом «Рейкьявик-ранк» предлагает новую версию. Скорее всего, уверенно заявил он, старики Ионссоны вместе с убитым организовали предприятие по фальсификации старинных одежд с тем, чтобы выгодно сбывать их местным и заокеанским любителям старины. Судя по одеяниям, которые зачем-то напялил перед смертью их сообщник, поднаторели они в этом деле здорово. Ну, а затем, известное дело, чего-то там не поделили и…
Когда инспектор вызвал старого Ионссона из одиночки и пересказал ему эту хитроумную версию, зорко следя за выражением лица хладнокровного преступника, старик заскорузлым пальцем обидно громко постучал по голому инспекторову черепу и, не вымолвив ни слова, побрел в камеру.
Следствие прочно зашло в тупик. С одной стороны, бесчеловечно убитый незнакомец, квалифицированно зарытый на бывшей усадьбе Ионссонов. С другой — полное отсутствие мотивов преступления и полная неясность относительно личности убитого, хотя за эти недели полиция перешерстила едва ли не каждого из 116 тысяч исландских жителей. Тупик…
* * *
Автор был бы невысокого мнения о сообразительности своих читателей, а сам проявил бы высшую степень наивности, если бы полагал, что читатели давно не смекнули, в чем здесь дело. Разумеется, старики Ионссоны к убийству не имеют ни малейшего отношения. А поскольку при описании обстоятельств «преступления» настойчиво, даже назойливо, подчеркивается, что убитый был облачен в одежды XIV века, то скорее всего он в том далеком веке и был убит, а тело его каким-то образом сохранилось.
Что ж, может быть, читатели и правы. Но почему об этой детективной истории рассказывается в книге, посвященной радиоактивности?
* * *
Часто сам изобретатель не способен предугадать, какое применение найдет его открытие.
Эдисон считал, что фонограф станет отличным прибором для документальной записи последней воли умирающего. Дескать, неутешные внуки смогут представить нотариусу валик с записью невнятного шепота дедушки, а затем уже с чистой совестью вступить во владение наследством.
Попов, сконструировав первый радиоприемник, предположил, что это будет отличная штука для предсказания погоды: прибор улавливал грозовые разряды на большом расстоянии.
Паркеч, отыскав способ приготовления целлулоида, этой первой, и надо сказать, прекрасной пластмассы, очень обрадовался и запатентовал свое открытие как материал для изготовления бильярдных шаров.
Либби изучал распределение на поверхности Земли радиоактивного изотопа углерода и вообще не предполагал, что это исследование найдет хоть какое-нибудь практическое применение. По крайней мере, в ближайшие тысячи лет.
Исследования Либби нашли применение в «ближайшие» семь лет. Но, пожалуй, обо всем этом следует рассказать по порядку.
Со всех сторон на Землю льется непрерывный поток космического излучения. Все живое на планете надежно защищено от губительного действия космических лучей толщей атмосферы. Космические лучи, сталкиваясь с атомами газов, входящих в состав атмосферы, поглощаются ими. До поверхности земли доходит лишь ничтожная часть излучения Вселенной, к тому же настолько ослабевшая от продирания через несколько десятков километров атмосферы, что ни человеку, ни иным живым существам никакого вреда этим излучением причинено быть не может.
(Можно, впрочем, дать радиационной «устойчивости» живого вещества и иное объяснение: жизнь на Земле возникла и развивалась на радиоактивном фоне, и поэтому установившийся уровень излучения является для всего живого на планете нормой, и мы, естественно, называем этот радиоактивный фон незначительным.)
Теперь попробуем «проникнуть в слов внутреннюю сущность». Космические лучи поглощаются молекулами газов, входящих в состав атмосферы, — так было сказано несколькими строками ранее. А что означает слово «поглощается»? Бессмысленно в данном случае обращаться, как это часто и правильно делают, к «Толковому словарю русского языка». Там мы найдем только, так сказать, физиологически-гастрономическое значение этого слова. А между тем, поглощать можно не только пироги.
Когда нашим телом «поглощаются» солнечные лучи, мы ощущаем вполне четкое физическое следствие — нагревание; нетрудно усмотреть и следствие химическое — загар.
Когда чувствительным слоем фотопленки поглощаются рентгеновы лучи, наступает распад молекул серебра и возникает изображение, «нарисованное» атомами металлического серебра.
Когда атмосферой поглощаются космические лучи, протекают ядерные реакции.
Космические лучи, сталкиваясь с атомами газов верхних слоев атмосферы, производят такое разрушительное действие, что из атомных ядер вылетают нейтроны. А где имеются свободные нейтроны, эти идеальные снаряды для атомной бомбардировки, там возникают ядерные реакции.
Заинтересуемся одной из них — захватом свободных нейтронов ядрами атомов азота. Сама реакция несложна:
H 14 7 N + 1 0 n = 14 6 C + 1 1 H
Нижние индексы — это порядковые номера химических элементов, или, говоря точнее, заряд ядра. Вот почему индекс при нейтроне — нуль. Именно нулю равен заряд нейтрона — нейтральной, незаряженной частицы. Как видим, сумма порядковых номеров частиц, вступающих в реакцию (7 + 0), равна сумме порядковых номеров продуктов этой реакции (6 + 1).
Верхние индексы — атомные массы участников ядерной реакции. И здесь, разумеется, сумма атомных масс атомов, вступивших в реакцию, строго равна сумме атомных масс продуктов реакции. Обращаю внимание на то, что углерод имеет не привычную для каждого, знакомого с азами химии, атомную массу 12, а 14. Таким образом, при этой ядерной реакции образуется тяжелый изотоп углерода. И все дело в том, что этот изотоп, углерод-14, радиоактивен. Он распадается, выбрасывая из ядра одну бета-частицу, и превращается при этом в азот. Период полураспада углерода-14 составляет 5570 лет. Запомните эту величину. Если не точно, то хотя бы приблизительно. Очень скоро она нам понадобится.
Установить факт образования в атмосфере радиоактивного изотопа углерода было делом физики. Для ответа на вопрос, что же происходит с этим углеродом дальше, следует обратиться к химикам.
Химия дает на этот вопрос быстрый и уверенный ответ. Образовавшийся из азота углерод-14 тотчас же соединяется с кислородом воздуха, образуя углекислый газ. Вот почему некоторая часть углекислого газа атмосферы радиоактивна. «Некоторая часть»? А какая именно?
Здесь вмешиваются геофизики. Они поясняют, что, судя по всему, интенсивность космического излучения не изменялась последние несколько миллионов лет. Поэтому можно быть уверенным, что за единицу времени — скажем, за год или десять лет, кому как удобнее считать, — в атмосфере образуется строго постоянное количество углерода-14. Ну, а поскольку величина периода полураспада тоже постоянна, и к тому же невелика сравнительно с геологическими периодами, то очевиден вывод, что содержание углерода-14 в атмосфере не изменяется.
Либби определяет точное содержание радиоактивного углерода в атмосфере. Он конструирует очень сложную установку для измерения слабой радиоактивности. Одно описание ее занимает 22 страницы убористого шрифта. Затем Либби принимается за измерение радиоактивности углекислого газа, добытого из атмосферы в самых различных областях нашей планеты и на самых разнообразных высотах.
Результаты опытов совпадают. В грамме обычного углерода, выделенного из углекислого газа, содержится такое количество углерода-14, которое дает за минуту 16 распадающихся атомов. Запомним и эту величину.
Для интересующихся замечу, что такое количество распадов указывает на ничтожно малое в весовом выражении содержание углерода-14 в обычном углероде, имеющем атомную массу 12. На грамм углерода-12 приходится одна десятимиллиардная доля грамма (10-10 грамма) углерода-14.
Интересно, а попадает ли радиоактивный углерод на поверхность Земли? Ответ на этот вопрос приходится искать у биологов.
Биологи отвечают определенно: да, попадает. Как же может быть иначе? Растения поглощают углекислый газ. Углекислый газ превращается хлорофиллом растений в сложные химические соединения. Эти соединения откладываются в клетках. Вот почему в тканях растений находится радиоактивный углерод.
Но растения не только поглощают углекислый газ, они его также выдыхают. Поэтому, вдыхая и выдыхая углекислый газ, растения постепенно приобретают такое же относительное содержание углерода-14, каким характеризуется углекислый газ атмосферы. Иными словами: если выделить из любого растения — безразлично, из придорожного лопуха или из гигантской секвойи — грамм углерода, то окажется, что в этом грамме каждую минуту будет распадаться 16 атомов углерода-14.
Но в растениях не завершаются странствования углерода-14 по планете. Ему еще предстоит принять участие в следующем этапе путешествия, которое мы условно назовем «трава — овца — волк».
Овца, поедая траву на лужайке, с каждым граммом обычного углерода усваивает 10-10 граммов углерода-14. Так как овца ест много травы, причем делает это каждый день, то постепенно все клетки ее организма приобретают такое же относительное содержание углерода-14, как и атмосфера или растения.
Но в какую-то роковую ночь приходит беда: пробравшийся в овчарню голодный волк кладет конец жизненному пути бедной овцы.
Конечно же, одной овцой серый не удовлетворится. Спустя несколько дней он разыщет очередную жертву. Словом, волк нахватается радиоактивного углерода в достаточном количестве, чтобы его клетки также приобрели равновесное содержание этого изотопа.
Надеюсь, нет нужды пояснять, что ничего не изменилось бы, если бы я вместо цепочки со звеньями «трава — овца — волк» описал цепочку «капуста — коза — тигр», или «морковка — заяц — лиса», или «кукуруза — корова — человек». Важно другое: все живое на нашей планете, вся фауна и флора, содержит радиоактивный углерод. Причем в строго постоянном отношении к обычному углероду-12: в грамме углерода, выделенного из любого биологического объекта, будет происходить в минуту 16 распадов углерода-14[4]Впрочем, сегодня приходится отказаться от слов «строго постоянное», да и с 16 распадами в минуту сейчас дело обстоит иначе. В результате испытаний атомного вооружения за последние несколько десятилетий резко повысилось содержание углерода-14, так сказать, техногенного происхождения, то есть в результате деятельности человека. Поэтому различают биологический материал, сформировавшийся до эры атомного оружия и после. Относительное содержание радиоуглерода в этих образцах существенно различается.
.
Это если организм живет. А если он погиб? Вот, скажем, нашего волка настигло возмездие. Удачливый охотник всадил серому пулю в бок. Подпрыгнул хищник, перекувырнулся через голову и испустил дух. Не рыскать теперь серому по деревням, не резать бедных овечек. Прекратилось поступление в организм хищника органических веществ, содержащих радиоактивный углерод.
И вот с этого момента содержание углерода-14 в мертвом организме начинает уменьшаться: пусть медленно, почти наполовину за шесть тысячелетий, но углерод-14 неотвратимо распадается.
Если спустя 5570 лет кто-нибудь доберется до костей волка и вздумает определить, сколько радиоактивного углерода содержится в них, то обнаружит, что грамм углерода, выделенного из костей, будет давать уже не 16 распадов в минуту, а только 8. На грамм углерода-12 приходится, таким образом, уже не 10-10 граммов углерода-14, а вдвое меньше.
Все, что шутки ради было пояснено на примере волка, относится к любому животному или растительному организму. Пока организм живет, он участвует в постоянном обмене радиоактивным углеродом с другими животными или растениями, с углекислым газом воздуха. Но после гибели организма относительное содержание радиоуглерода в тканях начинает непрерывно уменьшаться.
Все, о чем только что рассказывалось, есть по сути физическое обоснование идеи радиоуглеродных часов. Действительно, определив количество радиоуглерода в остатках животного или растения, можно установить, когда этот организм прекратил свое существование. Последняя фраза звучит хотя и точно, но в общем-то довольно казенно. Попробуем поэтому наполнить ее живым содержанием.
* * *
Радиоуглеродные часы. Заводит их сама природа, следит за медленным движением стрелок человек. Но чтобы научиться читать часы природы, человек должен был вооружиться новейшими достижениями физики, химии, биологии и многих других наук, которые замысловато сплелись здесь в проблеме радиоуглеродных часов.
* * *
Вернемся к временно покинутой нами чете стариков Ионссонов, которые все еще сидят в городской тюрьме Рейкьявика, не в силах не только опровергнуть свалившееся на них чудовищное обвинение, но и уразуметь его.
Странные одежды на убитом привлекли внимание еще многих ученых, и вскоре видный датский биолог Тольдсон направляет правительству Исландии открытое письмо, в котором пишет, что убитый отошел в лучший мир наверняка за много веков до того, как Ионссоны надумали менять местожительство. Случаи же, когда похороненные в северных широтах мумифицируются гуминовыми кислотами болотисто-торфяных почв, не столь уж редки. Более того, он, Тольдсон, может указать метод, с помощью которого следствие должно выйти из тупика. Если ему будет представлено немного «биологического материала», то он переправит его в Париж, где в институте Кюри действует установка для радиоуглеродного анализа.
Комиссар не очень уразумел, при чем здесь какой-то радиоуглеродный анализ, но распорядился выдать уважаемому профессору требуемый «материал». Спустя три недели из Парижа прибыло письмо, прочитав которое комиссар велел немедленно освободить Ионссонов.
В экспертизе института Кюри было сказано, что присланный биологический материал по содержанию углерода-14 относится к 1360 году (с погрешностью 35 лет в ту или иную сторону). Даже с учетом погрешности непричастность Ионссонов к убийству была очевидной.
Остается добавить, что газеты не посчитали нужным и в двух строках сообщить о завершении исследования: история с Ионссонами ушла в прошлое и появились новые сенсации и новые герои газетных полос.
* * *
Быть может, самой отличительной особенностью современной науки является интеграция, объединение самых разнообразных ее областей. Достижения одной отрасли естествознания очень быстро становятся достижениями другой, на первый взгляд, не связанной с нею. И не только естествознания. Так, радиоуглеродные часы немедленно взяла на вооружение археология.
* * *
Итак, археологи. Что общего может иметь химик с этими одержимыми, роющимися в тысячелетней пыли под палящим солнцем. Разделять с ними радость по поводу найденного черепка? Хмурить лоб, размышляя над тайнами происхождения развалин, от которых только и осталось, что три выщербленных камня? Гадать, в каком веке была отчеканена эта монета?
Но плох тот естествоиспытатель, который неуважительно думает о представителях пусть неточной, но науки. Науки! А потом — почему не точной? Сегодня, когда даже поэзию поверяют кибернетикой, почему бы археологии не стать точной наукой? Для этого археологии нужно немного: строгий научный метод определения возраста (датировки) находимых при раскопках предметов. Так чем же плохи радиоуглеродные часы?!
Вот находят при раскопках кусочек обуглившегося дерева. Стоит определить его радиоактивность — и можно узнать, когда это дерево было срублено.
Выкопаны из древнего могильника человеческие кости. Надо из кусочка кости выделить незначительное количество углерода, и его радиоактивность скажет точно и определенно, когда умер обладатель этого скелета.
Найдены в пещере веревочные сандалии. Теперь археологам не надо спорить о том, когда были сработаны эти сандалии. Археологи обращаются к химикам. И те, определив углеродную радиоактивность волокон, говорят: третье столетие нашей эры.
Сегодня археологические находки, возраст которых точно установлен по радиоуглероду, не перечислить даже в объемистой книге. Их много, этих окаменевших кусочков дерева, обугленных зерен пшеницы, раковин улиток, костей скелетов человека и животных, веревок и тканей. И именно этим, точно фиксированным по возрасту находкам обязана археология своим вторым рождением.
Можно много рассказывать о замечательных открытиях, которые радиоуглеродный метод принес археологии, но… книга наша о радиоактивности.
Впрочем, об одной археологической находке все-таки умолчать не могу, уж слишком она интересна.
После того, как была открыта гробница фараона Тутанхамона, никакими находками в Египте археологов уже поразить было невозможно.
Что могло перевесить чашу весов, на которой лежали сотни золотых украшений из погребальницы самого молодого из египетских фараонов? Перевесили эту чашу несколько кусочков дерева, которые археологи нашли спустя 15 лет после того, как была раскопана пирамида Тутанхамона, при раскопке другого захоронения.
…Когда подняли плиту, полковник Грегг, руководитель раскопок, осторожно опустил в провал, который эта плита закрывала, электрический фонарь. Несколько мгновений он молча осматривал помещение.
— Ну, что там, мосье колонель, что же? — не в силах сдержать свое любопытство, завопил француз Шутье, ученый секретарь экспедиции.
Полковник поднял покрасневшее от прилива крови лицо, крепко зажмурил глаза, потряс головой и сказал кратко и убежденно:
— Не может быть!..
Шутье выхватил из рук полковника фонарь и кинулся к провалу. Заглянув в черное отверстие, мосье Шутье, несмотря на почтенный возраст и обилие присвоенных ему важных титулов, издал торжествующий вопль дикаря.
Полагаю, что ни один археолог на месте Шутье не вел бы себя более солидно. Еще бы! Посредине большого помещения, устланного каменными плитами, стоял египетский корабль. Один из тех кораблей, изображения которых в изобилии находили на пирамидах и памятных колоннах.
При раскопках в Египте находили многое: драгоценности и папирусы, гребни и броши, долговые расписки и счета, серпы и мотыги, глиняные чаши и обуглившиеся зерна. Но никогда не находили ничего из того, что могло бы свидетельствовать о мореходном искусстве египтян или хотя бы об их умении плавать по Нилу.
А между тем доказать, что изображения кораблей и лодок на пирамидах и храмах сделаны с натуры, было очень важно. Это позволило бы окончательно установить, что египтянам было известно искусство мореплавания, что, в свою очередь, дало бы возможность понять культурные связи Египта с другими странами.
И вот перед исследователями египетский корабль — погребальная ладья фараона. На ней мумию фараона везли по Нилу к месту погребения.
Погребальную ладью сфотографировали в различных ракурсах и торжественно увезли в Национальный музей истории Египта, предварительно, конечно, законсервировав специальными составами, потому что дерево на воздухе могло рассыпаться в порошок.
Но кусочек ладьи, совсем маленькую дощечку, полковник Грегг захватил с собой и привез в Чикаго. Это было не совсем законно. Но именно эта невинная «контрабанда» установила мир в клане египтологов. А примириться им было необходимо.
Находка в гробнице фараона с новой силой всколыхнула споры о датировке различных событий из истории Древнего Египта и, в частности, точном времени царствования фараона Сезостриса III.
Причины для споров были. Посудите сами. Один египтолог утверждает, что Сезострис III правил 2500 лет до нашей эры. Другой убежденно называет срок 5000 лет назад. Третий, посмеиваясь над двумя предыдущими, замечает, что споры здесь излишни: каждому очевидно, что Сезострис III правил 4250 лет назад. А четвертый и вовсе молчит: чего ему разговаривать с этими чудаками, которые не хотят признать тот несомненный факт, что Сезострис III умер незадолго до начала нашей эры.
В 1950 году полковник Грегг передал физикам кусочек дерева фараоновой ладьи весом 10 граммов. Спустя четыре дня был получен ответ. Возраст дерева 3600 лет с возможной ошибкой около 200 лет в ту или иную сторону. Так показали измерения радиоактивности углерода.
Это решило все. В клане египтологов воцарился мир. А в истории Древнего Египта появилась первая с несомненностью установленная дата. Впоследствии с помощью радиоуглерода установят немало дат не только в истории Египта, но и Ассирии, Ирана, Мексики.
Но к погребальной ладье фараона Сезостриса III у археологов и физиков отношение особое. И понятно почему.
* * *
Сегодня радиоуглерод служит не только археологии. Много и полезно работает он в геологии, металлургии, физике, химии, биологии… Но пора, пусть и от очень интересных проблем, связанных с углеродом-14, переходить к другим. Впрочем, устроим себе «переменку» и завершим рассказ о радиоуглероде веселой ноткой — историей, приключившейся в одном научно-исследовательском институте, и свидетелем которой был автор этой книги.
* * *
Склонный к литературным ассоциациям, заведующий лабораторией называл младшего научного сотрудника Диму Угличева гибридом Обломова с Дон Жуаном. Сравнение Диме очень льстило.
В среду шеф, ласково улыбаясь, давал Диме задание:
— Дмитрий Борисович, голубчик, надо раздобыть образцы современной флоры. А проще говоря, поезжайте за город и нарвите там травы и прочей растительности — нужно для точки отсчета измерить уровень радиоактивности в современных растениях.
Когда Диме давали какое-либо поручение, помещичья часть его натуры решительно подавляла испанского гидальго. Но шеф величал Диму по имени-отчеству, да еще присовокупил «голубчика». По лабораторным канонам это означало, что поручение следовало выполнять без проволочки. Поэтому Дима тут же записал в журнал отлучек: «Угличев — экспедиция в Измайлово для сбора опытного материала. Контрольный срок возвращения 15.00». Записано было, конечно, не по форме. Но начальство в журнал все равно не заглядывало, а при случае, показав журнал Лидочке, лаборантке из соседней лаборатории, можно было блеснуть своим тонким юмором.
Ждать этого случая долго не пришлось. Как только Дима, накинув плащ, выскочил в коридор, он столкнулся с Лидочкой. Поговорили всего ничего, но когда Дима посмотрел на висевшие над входом часы, то увидел, что до срока возвращения из Измайлова осталось 15 минут, и Дима, заглушив в себе испанца, выскочил на улицу. И тут же, воспользовавшись временной бездеятельностью гидальго, подал голос Илья Ильич Обломов: оказывается, травяную проблему можно решить здесь, на месте: на газоне, отделявшем институт от широкого и забитого транспортом проспекта, росли и трава, и лопухи в количествах, достаточных для трех НИИ.
В 14.55, за пять минут до обусловленного срока, Дима уже заходил в лабораторию с полной сумкой образцов.
Спустя два дня Дима, придя на работу, застал в лаборатории обстановку легкого производственного скандала.
Ответственный за радиоизмерения Иван Жанович, красный и растрепанный, то и дело погружался по пояс в разобранную установку. А шеф сидел тусклый, уставившись в портрет Амедео Авогадро[5]Авогáдро Амедéо (1775–1856) — итальянский физик и химик. В 1811 г. выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества.
, и нудно барабанил пальцами по пустой колбе.
Оказывается, забарахлила установка для измерения радиоуглерода. Это означало, что вся лаборатория — и готовящие образцы кокетливые лаборантки, и превращающий образцы в углекислый газ студент-заочник Дима-маленький, и вводящий этот газ в установку инженер Коль Колич, и проводящая измерения Варвара Николаевна — будут находиться в творческом простое, ожидая, когда Иван Жанович заставит установку работать.
Когда утром в установку ввели образцы углекислоты, полученной из принесенной Димой травы, прибор молчал. Точнее, прибор кое-что показывал. Но если поверить установке, следовало признать, что лопухи Дима сорвал не позавчера, а где-то в мезозое, причем не ближнем, а дальнем: углекислый газ, по показаниям приборов, практически не содержал радиоуглерода.
Замер показал, что трава была сорвана Димой даже не в мезозое, а палеозое. Шеф потерял чувство юмора. Мастер взмолился и попросил не пощады — какая тут пощада! — а всего лишь разрешения измерить активность эталона.
Как только эталон был введен в машину, та замигала лучезарно и деловито. Конечно, кто-то в чем-то когда-то напутал, и в прибор запустили что угодно, но только не углекислоту, полученную сжиганием собранных Димой образцов. Ну, это проверить нетрудно. Надо приготовить новый образец газа: сжечь траву — дело получаса. И тут выяснилось, что вся трава уже израсходована.
От досады шеф даже закаменел:
— Ну конечно, съездить за травой — не меньше четырех часов займет.
— Зачем четыре часа?! — зазвенел торжеством Димин голос. — А пять минут не хотите?
— Шутка? — вяло осведомился шеф.
— Да нет же! — полыхал энтузиазмом Дима, — я вам этой травы сейчас нарву столько, что не только на замер углерода — на стадо хватит!
— Это ссследует, Дмитрий Борисович, понимать в том ссмысссле, — сказал шеф свистящим шепотом, — в том ссмысссле, что вы ссорвали траву здесь, рядом с институтом?!
— Именно здесь! — гордо подтвердил Дима, не разобрав грозной шефовой интонации. — Произвел, так сказать, косметический покос газона!
Дальше уже был не диалог, а сплошной монолог: говорил один шеф, говорил горячо и много. Речь его приводить вряд ли стоит. Быть может, имеет смысл изложить кратко, конечно, то, что назавтра Дима рассказывал Лидочке.
— Так вот, сидит шеф, взялся, бедняга, за голову и говорит: «Что делать будем, товарищи? Почему же наша трава не считает, как нужно?» Я и говорю шефу: «Надо, дескать, повторить измерение». «Правильно! — радуется шеф и просит: — Глубокоуважаемый Дмитрий Борисович, мне очень неудобно, вы уж извините меня, но соберите, пожалуйста, травку, да, да, здесь у института, зачем же тащиться далеко». «Ха-ха, — говорю я шефу, — ха-ха, не смешно. От кого угодно ждал я этого, но не от вас, шеф». Ох и растерялся же он! И говорит так жалобно: «А почему же нельзя здесь, у института, собрать траву?» — «Эх, шеф, шеф, кто же не знает, что эта трава для измерений не годится. Ведь здесь воздух насыщен углекислотой, образовавшейся от сгорания бензина. А бензин-то добыт из нефти, возраст которой не день и не два, а сотня-другая миллионов лет. Какой же там может быть радиоуглерод? Так вот, наша институтская трава поглощает именно этот углекислый газ и, естественно, не содержит радиоуглерода. Поэтому вам и показалось, что эта трава из мезозоя. Нет, шеф, траву для точки отсчета надо брать подальше от города!» — «Спасибо, — говорит тут шеф, — спасибо, Дмитрий Борисович. Не зря, видать, говорят: век живи, век учись!» — «Учитесь, — говорю, — мне не жалко!».
* * *
Сейчас будет рассказано о радиоактивных часах с заводом, гораздо более продолжительным, чем это позволяет радиоуглерод. И проблема, о которой пойдет речь, куда важнее, чем датировка даже самой интересной археологической находки. Потому что узнать, когда возникла наша планета и ее соседи по Солнечной системе — значит узнать очень многое об окружающем нас мире. А ведь это так важно для формирования научного мировоззрения.
* * *
Первые сведения о времени возникновения Земли содержатся в Ветхом завете. Там сказано, правда, кратко, но зато категорично, что Земля, как и весь остальной мир, была сотворена за 4004 года до рождества Христова.
Впоследствии архиепископ Иероним лишь самую малость подправил священную книгу. Он каким-то образом вычислил, что торжественный акт сотворения мира произошел не за 4004, а за 3941 год до того, когда в заброшенных яслях появился на свет младенец Иисус.
Епископ антиохийский Феофил не согласился с коллегой Иеронимом. Его преосвященство утверждал, что Земля гораздо старше и сотворена за 5515 лет до того события, в честь которого отмечается праздник рождества.
К дискуссии примкнул Августин Блаженный, который уточнил преподобного Феофила, придя к выводу, что наша планета на 36 лет старше, чем это представляется его оппоненту.
Всех переспорил архиепископ Асшер, который мудро вернулся к дате, указанной Ветхим заветом, внеся, правда, уточнение: Земля была сотворена в 9 часов утра 26 октября 4004 года до рождества Христова. Именно 26 октября и именно в 9 часов утра (вероятно, по Гринвичу?!).
Это сегодня можно позволить себе иронизировать над беспросветным невежеством иных церковных сановников. Попробовал бы кто-нибудь смеяться над ними прежде!
Спор о возникновении Земли — один из самых старых диспутов науки с церковью. Святая церковь могла подчас проявить христианскую терпимость и смирение даже в вопросах о догматах веры. Но в споре о происхождении Земли она была решительно, да что там решительно — воинственно непримирима!
История может припомнить об этом споре многое. И большей частью это будут очень неприятные воспоминания, потому, что и 1500 лет назад, и 400 лет, и даже в прошлом веке верх в споре брала церковь и только церковь. Там, где оказывались слабы схоластические аргументы, там, где не «срабатывали» цитаты из библии, там отлично делали свое дело костер или яд, клевета или нож, пуля или темница.
Святая инквизиция сожгла Джордано Бруно на громадном костре из сырых дров, и пепел этого костра всегда будет жечь сердце каждого честного человека.
Церковь не пожалела сил и вдохновения, чтобы организовать утонченную, поистине иезуитскую травлю Николая Коперника.
А уж над тем, чтобы превратить жизнь Галилео Галилея в сплошной ад, трудилась не одна сотня святых отцов, преуспев в своем деле немало.
Одерживать победы церкви было не так уж трудно. Что могла противопоставить наука твердолобию священнослужителей? Пусть гениальные, но догадки, только догадки о том, что Земля не может быть центром мироздания? Наблюдения неба с помощью несовершенных тогда приборов?
Лишь в прошлом веке, когда начался бурный расцвет точных наук, когда четко оформилось стремление обосновывать любой вывод математическими расчетами, — только тогда церковь дрогнула. Но о сдаче ею позиций речи быть не могло. Куда там! Разве только еще больше обострились отношения церкви с естествознанием.
Лорд Кельвин, один из самых выдающихся ученых прошлого столетия, был наиболее типичным представителем течения в науке, которое всякую «гармонию поверяет алгеброй». Кельвин считал, и, в общем, не без основания, что нет такого явления в природе, которое не может быть переведено на сухой и предельно точный язык математики.
Во второй половине прошлого века наука располагала уже достаточным количеством сведений об окружающем мире, чтобы Кельвин мог составить уравнения, где величиной «x» был обозначен возраст Земли. Нельзя не отметить, что рассуждения Кельвина были последовательны и логичны:
«Когда-то Земля была расплавленным жидким шаром. Постепенно она, отдавая тепло в мировое пространство, застывала. Масса Земли известна. Известны и ее размеры. Физика же позволяет определить, сколько времени потребуется для остывания шара такого размера и такой массы».
Величина «x», по вычислениям Кельвина, оказалась равной 24 миллионам лет. Ответ расстроил маститого исследователя. В то время ученые довольно ясно представляли, что возраст нашей планеты должен быть значительно большим. На это указывали данные многих наук и, прежде всего, геологии и палеонтологии.
И вот лорд Кельвин, знаменитый Кельвин, славящийся своим пристрастием к математике, должен был признать, что в этом случае «неточные» геология и палеонтология (которые в то время были еще совсем не точными науками) в чем-то превосходят физику, даже усиленную математикой.
Тогда родилась мысль: не сыграть ли на солености Мирового океана? Ведь геологи хорошо знают, что вода в морях и океанах соленая не от того, что в ней селедки плавают, а потому, что реки, стекая в Мировой океан, увлекают с собой минеральные соли. Что и говорить — подход к расчету неточен, так сказать, уже по идее (соли-то в океан могут приноситься не только реками, а и другими путями, например, из действующих вулканов); неточным получился и ответ: океан образовался где-то между тремястами миллионами и миллиардом лет назад.
Но это возраст океана. А сколько наша планета существовала до того, как получила голубую мантию? Еще миллиард лет? Или впятеро, вдесятеро больше?
Можно было бы перечислить еще с дюжину попыток определить абсолютный возраст Земли. Но рассказ о каждой из них неизбежно заканчивался бы вопросительным знаком. Ни один из методов не давал хотя бы в малейшей степени достоверных результатов.
А возраст Земли науке надо знать с возможной точностью. Дело не только в том, что эта величина необходима астрономии, геологии, биологии и десятку других наук. Без решения вопроса о возрасте Земли не может быть выработано правильное научное мировоззрение. А тогда ничего нельзя сказать и о времени существования Солнечной системы, а следовательно, и Вселенной. Невозможно ничего предположить и о том, как образовалась Солнечная система. Становится абсолютно непонятной проблема развития звезд и галактик.
Многое, очень многое связано с величиной, которая в уравнении, составленном Кельвином, была обозначена через «x» да так иксом и осталась.
* * *
Разные они бывают, «иксы», в науке. Иные можно обойти, взяв в окружение. Рано или поздно такой «икс» прекратит сопротивление и сдастся. Если рано — хорошо, попозже — и тут особой беды нет.
Но есть проблемы, подобные крепостям, стоящим на стратегических дорогах: пока не возьмешь, дальше не двинешься. Проблема возраста Земли — «икс» именно такого сорта. Эту крепость надо было брать. И тут оказалось, что из всего арсенала возможного для этого штурма наиболее действенное вооружение — радиоактивные часы.
* * *
Как только было открыто явление радиоактивности и ученые справились с первым удивлением (а дивиться, как вы понимаете, было чему), возник вопрос: какие факторы влияют на скорость радиоактивного распада? Чтобы найти ответ на этот вопрос, радиоактивные элементы и их соединения
— нагревали до максимально возможных высоких и охлаждали до минимально возможных низких температур;
— подвергали действию высоких давлений;
— помещали в магнитные и электрические поля высокой и сверхвысокой напряженности;
— выдерживали в темноте и под сильнейшими источниками света.
Кроме того, проверяли, будет ли изменяться скорость радиоактивного распада элемента в зависимости от того, в состав какого химического соединения он входит. Например, радия в азотнокислой и сернокислой солях.
Без-ре-зуль-тат-но. Хотя — почему безрезультатно? Напротив, результат был получен, и очень важный: скорость радиоактивного распада постоянна и не зависит ни от одного из перечисленных и еще от многих не названных здесь внешних факторов[6]Уже потом, много лет спустя, стало ясно, в чем здесь дело. Оказывается, процессы радиоактивного распада, связанные с процессами, протекающими в атомных ядрах, характеризуются величинами энергий, во много раз превосходящими перечисленные энергетические воздействия, которые, в лучшем случае, могли подействовать на электронную оболочку атома, но никак не на его ядро.
.
Итак, скорость радиоактивного распада такая же характерная для каждого элемента константа, как его, скажем, температура плавления или атомная масса. Почему бы не использовать это обстоятельство для определения возраста Земли?
Первому пришла эта мысль в голову знаменитому советскому ученому, геологу и химику (точнее, геохимику) академику Вернадскому. И чем больше задумывался Вернадский над этой идеей, тем больше она ему нравилась.
В самом деле. Вот хотя бы элемент уран. Скорость распада его такова, что количество урана в земной коре уменьшается наполовину за 4,5 миллиарда лет. Срок, как видите, почтенный. Такой «завод» часов устраивает геологов — они давно предполагали, что в числе, выражающем возраст нашей планеты, фигурируют миллиарды. Неясно только, сколько должно быть этих миллиардов.
Атом урана, выбрасывая альфа-частицу, превращается в торий, торий — в радий и так далее, до тех пор пока не образуется свинец, который радиоактивностью не обладает.
Скорость распада урана постоянна? Постоянна. Не зависит ни от каких внешних причин? Не зависит. А раз так, то за определенное время (за миллион лет или за 100 миллионов — меньший масштаб времени здесь не уместен) из определенного количества урана должно образоваться совершенно определенное количество свинца. Вот сколько «определенностей»! Не очень красиво с точки зрения изящного стиля, но зато очень ласково звучит для уха физика или геолога: они так любят определенность!
Известны геологические часы, основанные на определении в породах соотношения калия и аргона. (При чем тут эта пара — калий и аргон — поймет каждый, кто читал предыдущую главу.) Чем древнее порода, тем больше калия-40 в ней распалось и тем больше, следовательно, накопилось аргона.
Хорошо работают и часы, основанные на парах рубидий — стронций и рений — осмий (при радиоактивном распаде рубидия-87 образуется стронций-87, а при распаде рения-187 — осмий-187).
На протяжении десятка-другого лет в лабораториях геохронологов (термин, по-видимому, не нуждающийся в разъяснении) шло накопление экспериментального материала, шли интересные, иногда захватывающе интересные данные.
В геохронологические лаборатории доставлялись образцы из различных районов планеты — горных массивов, глубоких штолен, дна океана. Определение соотношения радиоактивного элемента и продукта его распада позволило узнать, что…
— возраст гранитов может быть самым различным. Встречаются среди гранитов «ясельные» младенцы, насчитывающие каких-нибудь 200 миллионов лет. Попадаются зрелые мужи возрастом около миллиарда лет. Но не редки и дряхлые старцы в возрасте два миллиарда лет;
— встречаются породы (например, гнейсы), возраст которых приближается к 3 миллиардам лет;
— можно отыскать породы, возраст которых приближается к почтенной величине — 4 миллиарда лет;
— известны уже совершеннейшие «мафусаилы»[7]Мафусаил — в библейской мифологии дед Ноя, проживший 969 лет. Переносно «Мафусаилов век» — долголетие.
возрастом свыше четырех миллиардов лет.
Возраст горных пород и минералов, добытых в самых различных точках поверхности и недр нашей планеты, никогда не превышал 4,5 миллиарда лет. Интересно, что в тех случаях, когда представлялось возможным проверить возраст одного и того же образца по различным часам, всегда получались хорошо совпадающие результаты, что уже само по себе говорило о надежности часов.
С помощью радиоактивных геологических часов ученые сумели определить возраст земной атмосферы — не той, какую мы знаем сейчас: азот, кислород, немного аргона и углекислоты, такой атмосфера стала совсем недавно, каких-нибудь 400 миллионов лет назад. А вот газовая оболочка земли, как показал все тот же калиево-аргоновый метод, появилась у планеты все те же 4,5 миллиарда лет назад. Пока что можно считать это совпадением — не больше.
Бездну интересного доставило геохронологическое изучение метеоритов. Во-первых, возраст метеоритов можно определить такими же методами, как возраст земных пород. Но, кроме того, к небесным странникам применим иной метод исследования, позволяющий досконально узнать биографию метеорита. Бороздя Вселенную, метеориты подвергаются непрерывному обстрелу космическими лучами, которые, взаимодействуя с ядрами атомов метеоритного вещества, приводят к образованию в нем радиоактивных изотопов. Изучение этих изотопов позволяет узнать, сколько времени путешествовал небесный камень по космосу, прежде чем был притянут Землей, а также и то, когда произошло это событие.
Оба метода показали, что возраст подавляющего большинства небесных камней одинаков и составляет… 4,5 миллиарда лет. Случайность явно перерастала в закономерность.
12 сентября 1970 года был дан старт ракете, которая несла на себе советскую космическую автоматическую станцию «Луна-16» для исследования нашего спутника. Спустя четверо суток аппарат прилунился в северо-восточной части моря Изобилия. Еще через сутки «Луна-16» легла на обратный курс к Земле, неся на борту почти 100 граммов бесценного для ученых лунного грунта.
Годом ранее американские астронавты Армстронг и Олдрин посадили пилотируемый ими лунный отсек корабля «Аполлон-11» на равнине в районе Океана Бурь. Первое, чем занялись астронавты, выйдя на поверхность Луны, был сбор образцов лунной породы.
Как видим, главное, что интересовало исследователей нашего ближайшего небесного соседа, — это то, из чего он «сделан». Радиоизотопное исследование образцов лунного грунта должно было доставить ответ на самый жгучий вопрос: сколько лет Луне.
Давно известен закон, согласно которому категоричность суждений о предмете, явлении обратно пропорциональна уровню сведений о них. Поэтому в литературе — специальной и особенно научно-популярной — имеется довольно согласованная точка зрения на происхождение и природу нейтронных звезд, квазаров и радиогалактик, но о происхождении Луны спорят, притом довольно активно, чтобы не сказать яростно.
Существующие теории происхождения Луны можно разбить на три категории (автор книги не астроном, а химик, и только этим объясняется та самоуверенность, с какой он берется классифицировать астрономические проблемы).
Согласно теориям первой группы, Луна отделилась от Земли в одну из далеких геологических эпох и, таким образом, Луна, дитя Земли, должна быть гораздо моложе родительницы. Теории второй группы исповедуют противоположную точку зрения: Луна где-то там образовалась и уж потом, слоняясь по космосу, была притянута Землей и стала ее спутником. И наконец, третьи теории настаивают на том, что Земля и Луна возникли одновременно — в одной области солнечной системы и из одного «строительного материала».
Хотя теории первой группы, несомненно, самые романтические и открывают широчайшие возможности для литературно-мифологически-поэтических ассоциаций, но ошибочность их бесспорна. Расчеты показывают, что если бы Луна даже и родилась каким-то образом в недрах Земли, то отделиться от нее никак уж не смогла бы.
Таким образом, оставались две группы теорий, причем помочь в научном выборе между ними могло только прямое определение возраста лунных пород. Если химический состав и возраст лунных пород существенно отличается от земного, то с большим преимуществом побеждают теории захвата. А вот если химический состав и, особенно, возраст близки, то выигрывает третья группа теорий.
Лунная кора должна иметь возраст, очень мало отличающийся от возраста всего нашего спутника в целом. Это у нас, на Земле, верхние слои коры редко доживают до почтенного возраста, и за древними образцами приходится отправляться в глубокие шахты или скважины. На Луне же нет ничего из того, что разрушает ее кору: ни воды, ни атмосферы, ни человека. Только метеориты тревожат ее поверхность. Метеориты да редкие и не очень сильные лунотрясения.
Сегодня известен возраст пород, взятых примерно с десятка различных, далеко отстоящих друг от друга участков Луны. Среди них весьма быстро были обнаружены образцы возрастом 4,5 миллиарда лет (все те же 4,5 миллиарда лет!). Более древних образцов — а радиохронология позволяет заглянуть в глубь веков на многие-многие миллиарды лет — обнаружить не удалось.
Да, Земля и Луна — сестры одной крови, родившиеся примерно в одно время. А судя по метеоритам и по первоначальным сведениям о химическом и изотопном составе марсианских и венерианских пород, и вся солнечная система родились практически одновременно — вывод, принципиальную важность которого вряд ли нужно обосновывать.
* * *
Не сомневаюсь, что только что рассказанная история о том, как человек силой своего разума, опираясь на одно из самых замечательных открытий в истории науки — радиоактивность, сумел заглянуть в глубь веков так далеко и увидеть там так много, — эта история послужит еще одной и совсем не лишней иллюстрацией всеобъемлющей силы современного естествознания, опирающегося на прочный материалистический фундамент.
