Дэвид Хелфанд

Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

David J. Helfand

THE UNIVERSAL TIMEKEEPERS Reconstructing History Atom by Atom

© David J. Helfand, 2023

© Измайлов В. А., перевод на русский язык, 2024

© Издание на русском языке, оформление. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2024

КоЛибри®

Благодарности

Недавно я в пятидесятый раз посетил ежегодную встречу выпускников, и будет уместно, если сначала я выражу благодарность факультету физики Амхерст-колледжа, который полвека тому назад, в 1970-х годах, номинировал меня на членство в почетном научном обществе Sigma Xi. Это событие (вкупе с внесением ежегодных взносов) позволило мне шесть раз в год получать журнал The American Scientist. Как я отмечаю в десятой главе, в этом журнале была одна особенно увлекательная статья, которая пробудила мой интерес к тому, как мы можем воссоздать историю – и доисторические времена – при помощи атомов.

По прошествии еще нескольких лет и после прочтения еще нескольких статей в этом журнале и других изданиях я собрал достаточно материала, чтобы разработать курс для студентов Колумбийского университета, изучающих гуманитарные науки. Этот курс я назвал «Летописцы Вселенной». В какой-то момент я даже надеялся, что он, объединивший несколько научных дисциплин, когда-нибудь сумеет развиться в профилирующий предмет, который я на протяжении десятилетий пытался добавить в учебный план Колумбийского университета. Этого не случилось, но цели своей я в конце концов достиг – благодаря курсу, вдохновившему меня на написание последней книги, «Руководство по выживанию в эпоху дезинформации: научные привычки разума» (A Survival Guide to the Misinformation Age: Scientific Habits of Mind). И все же я по-прежнему преподаю «Летописцев», а поэтому должен особо упомянуть моих студентов в осеннем семестре 2022 года – им так пришлась по душе возможность получить бонусные баллы, что они прочли книгу и исправили в ней множество орфографических ошибок, предоставив читателям найти оставшиеся, которых, полагаю, все же будет немного. Самым проницательным корректором, с большим отрывом, оказалась, в частности, Кэролайн Николсон.

Кроме того, я в большом долгу перед двумя анонимными рецензентами, которые предложили мне добавить к книге глоссарий и помогли прояснить ряд описаний, присутствующих в тексте.

Особенно неожиданное и благотворное воссоединение с Нессой Брайс, моей бывшей студенткой из канадского Квест-Юниверсити, и ее сестрой Мэгги привело к одному из наиболее волнительных и радостных моментов в работе над книгой: созданию чудесных иллюстраций. От них обеих я невероятно много узнал о том, как визуализировать научные концепции, и они легко и свободно сочетали научные догадки, техническое мастерство и эстетическое чувство, превращая цифровые данные в настоящие истории. Если вам когда-нибудь потребуется наглядно представить научную идею, рекомендую без промедления связаться с ними на BeyondBoundsCreative.com.

Миранда Мартин, редактор, на протяжении всей работы была неизменно любезна и весела, а Дженнифер Кру из Издательства Колумбийского университета заслуживает отдельной признательности за рекламную историю для публикации – настолько оригинальную, что я не мог и представить подобной. Она сказала: «Мой отец первым из людей увидел атом». (И это правда: Альберт Кру изобрел современный просвечивающий растровый электронный микроскоп.)

И, наконец, как и всегда (по крайней мере на протяжении последних сорока четырех лет), я благодарю Джаду – моего главного критика, эксперта и постоянную спутницу.

Вступление

На 99,9999999999995 % они – это пустое место. Практически идеальное ничто.

Но из них сложено все, что вы видите, осязаете, обоняете и чувствуете. Они питают вас и одевают. Их движение позволяет вам ощущать теплоту и холод. Они рождают ваши надежды, мечты и воспоминания. Они существуют в величественном одиночестве и в сложнейших скоплениях. Они рассказывают о времени. И они могут раскрыть тайны прошлого, которых нам без их помощи ни за что не раскрыть.

Я говорю об атомах.

Вероятно, вы никогда их не видели, даже несмотря на то, что они пронизывают весь наш мир. И это неудивительно, если осознать, что они – не просто по большей части пустота, но очень, очень крошечные частички пустоты, и для того, чтобы создать простое маковое зернышко, требуется 15 миллионов триллионов атомов.

Однако благодаря тому, что мы научились напрямую взаимодействовать с этими частичками почти абсолютной пустоты, мы можем задать им сокровенные вопросы, изменить их внутреннее состояние и прочесть их сложную историю. Как ты попал на страницу этого средневекового бревиария? Когда тебя нанесли на стену пещеры, изобразив ланий круп? Насколько холодно было вокруг, когда ты выпал снежинкой на гренландский ледник? Где ты был, когда Земля еще только формировалась из протопланетного диска, который вращался вокруг новорожденного Солнца? Чем занимался ты сам и что делали твои друзья в первые три минуты существования Вселенной?

И атомы, если их уговорить, охотно отвечают:

Со средневекового молитвенника, слегка смущенно: «Меня добавили чуть позже, в 1896 году».

Со стены пещеры: «17 150 лет тому назад, плюс-минус десять лет».

Из гренландского ледника, с глубины в километр: «–25,5 °C».

Из пояса астероидов: «Далеко от вашей жадной орбиты!»

С первозданного атома на вашем ногте: «Как раз хотел соединиться с симпатичным ядром дейтерия».

Как менялись со временем пищевые привычки человечества? Когда мы перешли к выращиванию зерновых, оставив жизнь кочевников? Когда и почему исчезли динозавры, господствовавшие на протяжении 180 миллионов лет? Как после образования Земли так быстро возникла жизнь, и почему все ее главные молекулы имеют левое направление? В какой момент истории Вселенной возникло Золото, из которого выковано мое обручальное кольцо?

Когда мы проведем испытания и расчеты, а также слегка растревожим и преобразим наших маленьких атомных историков, у нас появятся подробные ответы на эти и многие другие вопросы. Но сперва нам необходимо более формальное вступление.

В переводе с греческого слово atomos означает «неразрезаемый» или «неделимый», и в изначальном представлении атомы были именно такими – наименьшими неделимыми частичками материи, способными, в принципе, существовать. Две с половиной тысячи лет назад, когда с этой идеей познакомились на Западе, она представляла собой исключительно философскую метафору: мир состоял из огромного разнообразия веществ, и если кто-то, скажем, брал кусочек древесины и делил его пополам, потом снова пополам, и снова, и снова, и так далее, то в конце концов он мог бы дойти до мельчайшей деревянной частички, «атома» древесины. Конечно же, проверить эту идею не было никакой возможности, но безумной она не казалась.

В Древней Греции она уступила другому, более простому философскому взгляду. Согласно ему, материя состояла из различных соотношений всего лишь четырех элементарных субстанций: земли, воздуха, огня и воды. Как следствие, на Западе атомную картину мира во многом отвергали на протяжении почти двух тысяч лет. Но в XVI веке в западной мысли снова появилось представление об атомах, бережно сохраненное в исламском мире. Сперва атомы были реабилитированы в глазах церкви как творение Господа, а потом, в XVIII столетии, стали предметом эмпирических исследований.

Сегодня мы сохранили понятие о фундаментальных строительных блоках, или, можно сказать, «кирпичиках» вещества, но оставили идею об их неделимости. Более того, нам во всех подробностях известны составляющие части любого атома – это сложное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов (которые и сами построены из еще более фундаментальных элементов, названных кварками), и отрицательно заряженные электроны, которые движутся по орбите вокруг ядра и принадлежат к другой категории частиц – к так называемым лептонам. А кроме того, изменилось даже наше наглядное представление об этих составляющих как о «частицах», иными словами, как о кусочках вещества, занимающих определенное место в пространстве и перемещающихся с определенной скоростью, – ему на смену пришла парадоксальная квантовая химера фазовых волн.

Но пока что мы не станем обращать внимания на эти сложности и просто скажем, что мы вновь восстановили представление об атоме (или о точно установленном сочетании атомов) как о мельчайшей единице любого вещества. К тому же теперь нам известно, что история Вселенной и всего, что в ней содержится, записана в определенном расположении фундаментальных атомных составляющих – лептонов и кварков, – которые входят в состав строительных блоков всего нормального вещества в современном космосе. И поскольку мы постигли физические законы, управляющие поведением этих частичек, мы можем прочесть эту историю – точно так же, как можем читать исторические документы, написанные людьми, зная правила грамматики и синтаксиса. Впрочем, хотя атомам не свойственна предвзятость, от которой порой страдают историки, у них есть свои особые предпочтения, и когда мы, в попытке добиться от них исторической правды, будем устраивать им перекрестный допрос, нам придется отнестись к этому с должным вниманием.

Впрочем, важнее то, что атомные «историки» позволяют нам проникнуть в эпохи намного более древние, чем те, о которых повествуют наши самые первые письменные хроники, благодаря чему мы, если можно так выразиться, обретаем способность «исчислить» доисторические времена. Более того, атомы раскрывают историю нашей планеты еще до того, как на сцене появились люди, – благодаря им перед нами предстают и хронология климата Земли, и эволюция ее атмосферы, и зарождение жизни, и появление Солнечной системы. Атомы могут рассказать нам даже свою собственную историю, вплоть до возникновения их составляющих частиц в первые несколько секунд Большого взрыва.

Как мы уже говорили, атомы крошечны – триллионы могут танцевать на головке булавки, не отдавливая друг другу ноги. Более того, их внутреннее строение – это сложный танец заряженных частиц, ритм которого дает нам возможность распознать их в пространстве, простирающемся на миллиарды световых лет. Примечательно, что атомы, которые мы там видим, – это те же самые атомы, из которых мы состоим.

Как же выглядят эти крошечные частички почти абсолютной пустоты? Скажем, если бы я положил на пороге моего офиса, который располагается в Манхэттене, на углу 120-й улицы и Бродвея, теннисный мяч – символ ядра атома Водорода (самый простой вариант), – то его электрон оказался бы на орбите примерно в двух километрах, где-то между 96-й и 145-й улицами; быстрым шагом вы дошли бы туда за полчаса. И что бы вы увидели? По всей вероятности, ничего, поскольку: 1) электрон в таком масштабе намного меньше песчинки (в сущности, по крайней мере в 100 000 раз) и 2) он бы летал вокруг со скоростью 2170 километров в секунду, представая перед вами размытым облаком мимолетной вероятности, и ваш шанс застигнуть его был бы, вероятнее всего, очень мал.

И все же мы настолько хорошо знакомы с атомами, что можем в поразительной степени управлять их поведением, а это, в свою очередь, делает возможной современную жизнь. Например, атом под номером 55, Цезий, определяет основу нашей системы времени: 1 секунда в точности составляет 9 192 631 770 колебаний световой волны, излученной при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния этого атома^1. Именно на этом основана система GPS в вашем телефоне, которая при помощи орбитальных атомных часов – набирающих погрешность в 1 секунду за 32 000 лет – сообщает вам, где находится ближайшее кафе. Более того, сам ваш телефон, состоящий, как и весь остальной мир, из атомов, работает лишь потому, что вы способны манипулировать атомными составляющими точно и надежно, снова и снова. Еда, которую вы едите; лекарства, которые вы принимаете; топливо, которое вы сжигаете, когда ведете машину, – все это работает лишь благодаря тому, что мы способны контролировать перераспределение атомов.

И даже несмотря на то, что атомы можно уничтожить (позже мы поговорим о последствиях их гибели и их трансформации), они представляют собой поразительно прочные строительные блоки, которые в земных условиях склонны сохранять свои свойства до бесконечности. Атомы, составляющие ваше тело, – это те самые атомы, что проникают в вас с потребляемой пищей, выпиваемой водой и вдыхаемым воздухом (из расчета 50 миллиардов триллионов на грамм). Характер нашей еды, в свою очередь, зависит от растений, находящихся на нижней ступени пищевой цепи, а если точнее, то от того, какие атомы они вобрали в себя из воздуха и через корни из почвы. Атомный состав воздуха и почвы меняется в ходе геологических и биологических процессов, происходящих на земной поверхности, а с недавнего времени – и коллективного воздействия нашего вида. Атомы, освобожденные и преображенные этими процессами, изначально, 4,567 миллиарда лет тому назад, были собраны из межзвездного газопылевого облака, сформировавшего нашу Солнечную систему. А возникли они задолго до того, как попасть в это облако, – в ходе еще более ранних процессов, восходящих к первым мгновениям Большого взрыва.

В этой книге нам предстоит совершить головокружительное путешествие и познакомиться с исчисленной историей Вселенной за последние 13,8 миллиарда лет. В этом нам поможет ряд историй, главную роль в которых неизменно будут играть атомы. Как мы еще увидим, в нашей драме примут участие девяносто четыре актера, известных как элементы, и для того, чтобы воздать им должное, их имена на протяжении всей книги будут написаны с прописных букв.

Замечательная стабильность этих атомов и уникальные характерные черты, которые каждый из них открывает внимательным наблюдателям, позволят нам показать всю историю во впечатляющих подробностях. При помощи атомов мы присвоим верные даты творениям человеческого гения, проследим историю сельского хозяйства и питания людей, соберем по крупицам картину того, как менялся климат в минувшие времена, и благодаря этому сумеем понять, что может ждать нас в будущем, а также воссоздадим историю нашей Солнечной системы и самой Вселенной. Мы раскроем подделки произведений искусства, установим происхождение украденных статуй и определим причины смерти наших древних собратьев (а также то, что они ели на завтрак в тот день, когда их застигла смерть). Мы вычислим, какой была температура Земли 100 000 лет назад, и соотнесем это с составом ее атмосферы в то время. Мы установим, когда сформировалась наша планета и Луна, и отметим на нашем календаре время происхождения жизни. Теперь, когда мы в совершенстве понимаем атомную структуру и множество ее вариаций, мы можем почти в прямом смысле слова воссоздать историю поатомно.

Атомы ведут свою летопись и в органическом, и в неорганическом мире, и где бы мы их ни встретили – в зубной эмали; в растениях и крошечных планктонных оболочках; в капельках застывшей лавы, изверженной вулканами; в горных породах, зародившихся глубоко под землей, и в пузырьках воздуха, заточенных, словно в ловушке, в антарктическом льду, – они свидетельствуют об истории. Часто они говорят правду напрямую, но иногда в их происхождении есть секреты, которые мы должны раскрыть, прежде чем сможем полностью им доверять. Однако пусть даже нам время от времени потребуется проводить подробный перекрестный допрос, атомы будут нашими верными проводниками по самым разным сферам – от нашего искусства до нашей диеты, от изменчивого климата до планетарных катастроф и от происхождения жизни до рождения Вселенной.

Глава 1

Призыв свидетелей истории

У стражей не было ног. Две ростовые статуи из песчаника, изображавшие служителей храма, на протяжении двадцати лет охраняли вход в нью-йоркском Метрополитен-музее и приветствовали всех гостей, приходивших в галереи Юго-Восточной Азии. Эти скульптуры были образцом искусства кхмеров в X веке, но их точное происхождение оставалось неизвестным. Что же случилось с ногами? Прошу вызвать свидетеля Скандия!

Благодаря исследованию камбоджийских песчаных карьеров, проведенному на атомном уровне, наши стражи в конце концов смогли возобновить свое служение уже с ногами, найденными в Кохкере, у западных врат столицы Джаявармана IV (глава 7).

1258 год принес Европе много несчастий. Цены выросли до заоблачных высот, везде царил голод, скот и людей по всему континенту губили моровые поветрия – и если бы все ограничилось только этим! В средневековых хрониках упоминается очень необычная погода, стоявшая летом 1258 года. Ришар из Санса в 1267 году писал о ней так:

Столь непроницаемой была завеса туч, закрывших летнее небо, что никто не мог с уверенностью сказать, лето или осень сейчас на дворе. Сено, в том году неизменно мокрое из-за сильных ливней, никак не просыхало, поскольку не могло впитать тепло Солнца: столь плотным был облачный покров.

Что случилось? Анализ атомов древесины с Бали и капель лавы, найденных под шапками антарктических ледников, проведенный в рамках «судебной экспертизы», позволяет установить виновника: это индонезийский вулкан Самалас (глава 11).

Прогулка по горам может пойти крайне неудачно. В сентябре 1991 года двое немцев, отправившихся в Альпы, наткнулись недалеко от итало-австрийской границы на поразительно хорошо сохранившееся тело, выступавшее из льда на краю ледника. Они предположили, что это погибший турист, и уведомили власти.

Их гипотеза оказалась верной – но когда Этци, «ледяной человек», был наконец освобожден из снежной ловушки и дату его гибели удалось установить при помощи атомного анализа, оказалось, что в свой последний поход, приведший к его смерти, он отправился примерно 5200 лет тому назад.

Исследование частично мумифицированного тела Этци позволило совершить захватывающие открытия в истории европейского медного века. Его одежда, орудия и другие личные принадлежности, пища в его желудке и кишках, его татуировки и даже его прекрасно сохранившаяся ДНК позволили детально воссоздать его эпоху. Впрочем, дополнительный отчет, полученный от двух родственников Стронция, раскрывает его историю еще подробнее, позволяя нам определить место его рождения и составить хронику его путешествия в Альпах в тот роковой день (глава 10).

Катастрофы планетарного масштаба происходят не только в фильмах. Палеонтологическая летопись показывает, что несколько раз за прошедшие пятьсот миллионов лет на Земле внезапно происходили события, приводившие к исчезновению многих (а иногда и большинства) видов растений и животных, а затем следовал период, на протяжении которого появлялись новые виды и занимали место ушедших. Самым знаменитым из этих массовых вымираний в популярной культуре стало вымирание динозавров, на первый взгляд совершенно внезапное. Разрыв в палеонтологической летописи, случившийся 65 миллионов лет назад, впервые был отмечен в XIX веке, и о его причине с тех пор ведутся споры. Впрочем, теперь мы знаем, что произошло.

Как только место на свидетельской трибуне займет Иридий, мы увидим, что динозавры умерли вследствие катаклизма, вызванного столкновением нашей планеты с блуждающим астероидом. Наши атомные историки позволяют воссоздать эту космическую катастрофу и ее последствия во всех подробностях (глава 12).

Ты есть то, что ты ешь, – в прямом смысле слова. Из атомов, которые вы глотаете каждый день, от тех, что присутствуют в оладьях на завтрак, до тех, что находятся в бокале вина, который вы выпиваете за обедом, строятся структуры вашего тела – ваши зубы и кости, клетки вашей кожи и нейроны. Какие-то из этих атомов остаются с вами на всю жизнь, в то время как от других мы избавляемся за считаные дни. Но все они – все 3000 триллионов триллионов атомов, составляющие вас, образуют «летопись» того, какую пищу вы ели, а равно также того, когда и где вы это делали.

Затребовав отчет от Углерода, Азота и других элементов, мы можем воссоздать историю диеты и сельского хозяйства на протяжении более 10 000 лет и составить карту распространения цивилизации по всему миру (глава 10).

Некоторые дни рождения достойны упоминания. Я родился 7 декабря, в «день, навеки покрытый позором» (хотя об этом сказали спустя несколько лет после позорного события). В пять лет это был для меня очень большой праздник, но сегодня он кажется намного менее значимым. А вот моя жена родилась 23 февраля, в дату поистине важную – в этот день взорвалась относительно близкая к нам сверхновая, а в последний раз до этого такое событие случалось в 1604 году, за пять лет до изобретения телескопа. Для астронома, изучающего останки взорвавшихся звезд, это знаменовало событие всей жизни (не говоря уже о гарантии, что я уже никогда больше не забуду день рождения жены). Но в большой картине мира подобные даты не имеют особой важности.

Подобно этому, неизвестна и точная дата рождения Солнечной системы, и, полагаю, можно утверждать, что она тоже не имеет особого значения. Но исследование того, как возникла наша родная планетная система и как она впоследствии эволюционировала, позволит нам совершить немало открытий и понять, почему она выглядит так, а не иначе, и насколько часто другие подобные системы могут встречаться в космосе.

Когда Рубидий и Свинец взаимно дополнят свои истории, мы не только узнаем возраст Земли с точностью до доли процента, но и, призвав на помощь Алюминий, сможем в какой-то мере представить, что происходило в окрестностях нашей системы еще до того, как сформировалось Солнце (глава 15).

У всех историков есть родители. В конце концов, атомы, которые станут нашими проводниками – нашими свидетелями истории, – должны были откуда-то появиться. Примечательно, что мы знаем историю их происхождения довольно подробно. У нас было всего три элемента, и ничего больше, когда Вселенная достигла почтенного возраста в три минуты; оставшиеся, числом девяносто один, создавались с тех пор в звездах и в катастрофических взрывах – и так уже продолжается на протяжении 13,8 миллиарда лет. Но нам известно даже то, откуда появились три первых вида атомов.

Если старательно расспросить аномально тяжелые ядра Водорода и легкие ядра Гелия, которые мы видим в далеких галактиках, мы сможем узнать, какими были условия во Вселенной в далеком прошлом, вплоть до миллионной доли секунды до начала самого времени. Атомные историки – невероятно точные наблюдатели (главы 16 и 17).

Глава 2

Осмысление атома: от философии к науке

Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все же прочее есть мнение.

Демокрит

Природа не терпит пустоты.

Аристотель

И Демокрит, и Аристотель часто высказывались о природе материального мира. У Аристотеля он состоял из четырех «элементов»: земли, воздуха, огня и воды. В представлении Демокрита материя строилась из бесконечного разнообразия крохотных неделимых частичек, названных «атомами». Но ни одно из этих описаний не подходило под современное определение слова «модель». Они были рождены исключительно «полетом мысли» – и не было даже намека на чувство, которое бы призывало немедленно проверить, соответствуют ли эти мысли реальному миру. Это были философские предположения, более близкие к размышлениям о том, чем заняты боги, о том, вечны ли души, и о том, как движение наделяет мысль бытием. Со всей уверенностью можно заявить, что они не имели никакой связи с наукой.

И тем не менее сочинения, в которых идет речь о древних философских традициях, полны заявлений, провозглашающих подобные мысли синонимами того, что мы подразумеваем под словами «научная модель». Вот лишь один пример: «Британский ученый Джон Дальтон известен нам как создатель современной атомной теории. Но на самом деле индийский мудрец Канада сформулировал атомную теорию намного раньше»1. Подобные реплики раздражают меня до невозможности. Прежде всего я недоволен тем, насколько неверно их авторы используют слово «теория» – или, если быть более великодушным, мне действует на нервы то, что они применяют два совершенно различных определения слова «теория» и не подчеркивают разницу. В цитате, приведенной выше и взятой из краткого обзора, опубликованного в издании International Journal of Research and Analytical Reviews^2, термин «теория» в первом случае имеет современное, научное значение: проверяемая модель материального мира, построенная на основе ряда измерений и прогнозирующая то, как можно проводить будущие испытания, чтобы подтвердить (или опровергнуть) эту модель^3. Второе использование слова «теория» в данной цитате ближе к греческому слову theoria, обозначающему «размышление» или «умозрительное построение». Уравнивать версию «атомной теории», которую предложил Канада, с теорией Дальтона – это абсурд.

Атомы в Индии

Тем не менее, поскольку эта глава названа «Осмысление атома», мы можем посвятить абзац или два взглядам Канады, разъясненным в трактате Вайшешика-сутра. В нем индийский мыслитель постулирует наличие в мире фундаментальной частицы, ану (хотя по причинам, которых я так и не смог понять, все последующие толкователи этих сутр говорят об этой частице как о парману). Так или иначе, существуют четыре типа ану: земля, вода, огонь (или свет) и воздух, причем первая пара имеет массу, а вторая – нет. Все ану сферичны, неделимы, вечны и недоступны восприятию. Они могут соединяться, формируя диады, триады и тетрады. Об их существовании известно (по крайней мере Канаде), поскольку земля имеет запах, вода – вкус, огонь позволяет видеть, а воздух можно ощутить. Воззрения Канады были основаны на доверии впечатлениям, полученным в опыте.

Это и есть «атомная теория», постулированная примерно в 600–200 годах до нашей эры – да, мы правда не знаем, когда жил этот человек, а предполагаемый период охватывает 400 лет! Некоторые индийские авторы выступают за более раннюю дату, поскольку это позволит им заявлять о первенстве – ведь так индийцы опередят греческую атомную «теорию» (о которой мы еще поговорим). У нас есть толкование Вайшешика-сутры, созданное примерно в 200 году до нашей эры, так что сам трактат, по всей видимости, написан раньше. Текст не упоминает о буддийской философии, из-за чего некоторые склонны считать, что он возник прежде 430-х годов до нашей эры, когда писания Будды стали широко известны. Лично мне этот аргумент кажется довольно натянутым: я вполне мог написать свою книгу об атомах и тоже ни разу не упомянуть о Будде. К сожалению, установление дат рождения и смерти пока что во многом зависит от образа мыслей, а не от получения объективных данных. Если бы у нас был хотя бы ноготь Канады или одна-единственная страница его сутры, записанной, по всей вероятности, на пальмовых листьях или на коре, мы могли бы использовать атомное датирование и выяснить день его рождения с точностью до двух десятков лет. Подробнее об этом мы поговорим чуть позже.

Атомы в Греции и Риме

Версия событий, согласно которой «все зародилось в Греции», начинается с Левкиппа, жившего в V столетии до нашей эры – а может быть, и не жившего вовсе, как решительно утверждает Диоген Лаэртский, создавший биографии греческих философов 700 лет спустя. (С этой необходимостью полагаться на ненадежных историков-людей будет покончено, как только мы сумеем привлечь к работе наши атомы.) Если же Левкипп существовал (в чем, помимо прочих, нас уверяет Аристотель), то он основал школу в Абдерах, во Фракии, примерно в 700 км к северо-востоку от Афин (если добираться по суше) и к западу от Дарданелл. Там он впервые постулировал атомную теорию вещества и взял ученика, ставшего самым ревностным защитником этой модели: местного уроженца, Демокрита, родившегося в богатой семье примерно в 460 году до нашей эры (впрочем, эта дата тоже оспаривается, однако на сей раз лишь на десяток лет, не больше).

Жизнь Демокрита была долгой и полной событий. Некоторые утверждают, что он прожил сто девять лет, хотя чаще пишут, что чуть меньше, до девяноста. Он много путешествовал, побывал, помимо прочего, в Египте и в Вавилоне, и это интересно, поскольку в его годы держава Ахеменидов (или Первая Персидская империя) простиралась на всей территории от европейских Балкан до долины Инда, и под ее властью находились и Египет, и вся Малая Азия. Более того, говорят, что отец Демокрита принимал у себя царя Ксеркса, когда тот проходил через Фракию – тогда царю еще только предстояло потерпеть поражение при Марафоне, восторжествовать над спартанцами в Фермопилах, устроив кровавый триумф, и окончательно отступить после разгрома при Микале, в битве, которая произошла 27 августа 479 года до нашей эры (любопытно, что мы настолько точно знаем даты сражений, но не можем верно определить века жизни философов). От кого же Демокрит получил свою атомную модель – от Левкиппа или Канады? Поскольку я не знаком ни с санскритом, ни с древнегреческим, в данном вопросе я плохой судья, и, полагаю, мы никогда об этом не узнаем.

Впрочем, мы знаем, что в греческой версии атомы также рассматривались как неделимые («неразрезаемые») и тоже двигались в пустом пространстве. И более того, в отличие от индийской версии (и от более поздних моделей Платона и Аристотеля), здесь не было и намека на экономность: вместо четырех типов атомов было бесконечно много, они обретали самые разные формы, и из них создавались различные объекты материального мира.

Следующим западным философом, принявшим атомную модель, был Эпикур, родившийся в 341 году до нашей эры, когда главным мыслителем эпохи был Аристотель. Он выступал сторонником радикально материалистического взгляда на Вселенную – в его мире не было ни богов, ни платоновских «идей», ни душ, ни какой-либо загробной жизни, которой стоило бы бояться. Сегодня «эпикурейцем» называют человека, который наслаждается (возможно, чрезмерно) роскошной едой и возлияниями, и это предполагает гедонизм, который никогда не входил в философию Эпикура.

Свои воззрения, связанные с атомами, Эпикур перенял у Демокрита. У него они двигались независимо от макроскопических объектов, которые из них состояли (мы сегодня считаем точно так же). Но он сократил количество атомов с бесконечности, о которой говорил Демокрит, до конечного числа – оно определялось тем изобилием сочетаний, в которые они могли вступить, и это объясняло, почему число веществ в мире ограничено.

Материалистическую философию Эпикура широко принимали в древнегреческом и древнеримском мире, и ее апофеозом стало замечательное произведение «О природе вещей» (De Rerum Natura), опубликованное примерно в 60 году до нашей эры. Автором его был римский поэт Лукреций. В этом описании многих сторон природы, поразительно современном, говорится и об атомах, обладающих способностью менять направление (лат. clinamen) – эта способность была призвана ввести свободную волю в мировоззрение поэта, в ином отношении детерминистическое.

Как прекрасно сказано в книге Стивена Гринблатта «Резкий поворот: как мир стал современным» (The Swerve: How the World Became Modern), поэма Лукреция утверждает следующее.

Элементарных частиц бесконечно много, но они ограничены в формах и размерах. Они подобны буквам алфавита, дискретному набору, способному сочетаться в бесконечное множество предложений. Сочетания первоначал, или семян всех вещей, как и в случае с алфавитом, делаются в соответствии с кодом. Как далеко не все буквы и слова могут образовать логичные связи, так и далеко не все частицы могут сочетаться со всеми остальными всеми возможными способами. Одни первоначала легко и спокойно сцепляются с другими, другие взаимно отвергают друг друга и противостоят друг другу. Лукреций не уверял, что знает тайный код материи. Но, по его словам, важно было понять, что этот код существует и что его, в сущности, можно исследовать и постичь при помощи человеческой науки^4.

Как мы еще увидим, к настоящему времени мы сумели в достаточной мере понять этот код, во многом именно так, как это и представлял Лукреций.

К эпохе Галена (II век нашей эры) атомизм на Западе жил и процветал как контрапункт к философии Аристотеля, но из-за связи с атеизмом – наследия Эпикура – христиане подвергли его анафеме, и с начала IV века, когда христианство по воле Константина стало официальной религией угасающей Римской империи, учение об атомах было забыто в Европе на тысячу лет. Прекрасная поэма Лукреция, с ее эмпирической и открыто атеистической философией, была утрачена, и только в 1417 году Поджо Браччолини снова нашел ее в одном немецком монастыре^5.

Во Флоренции времен Ренессанса древнегреческая и древнеримская философия нашла благодатную почву, но христиане нанесли ответный удар еще до того, как закончился век. В 1494 году процветающая светская Флоренция пала и перешла под власть монаха-доминиканца Джироламо Савонаролы. Он изгнал правящий род Медичи и установил пуританское господство, устроив, помимо прочего, знаменитый «Костер тщеславия» – публичную церемонию сожжения, на которую горожане, поощряемые властями, несли произведения светского искусства, книги, косметику и много чего еще. В том году проповеди Савонаролы, произнесенные в дни Великого поста, были полны шумных тирад, направленных против древних философов и их последователей: «Слушайте, женщины! Они говорят, что этот мир был сделан из атомов – из крохотных частичек, летящих по воздуху. Смейтесь, женщины, над занятиями этих ученых людей!»6

И хотя правление Савонаролы окончилось в том же году, после чего костер подготовили уже для него лично, изгнание атомов из западного мира, совершенное им, длилось еще полтора столетия.

Атомы в исламском мире

Несмотря на «исчезновение» атомов в Европе, индийские мудрецы по-прежнему продолжали спорить о строении вещества в мельчайших масштабах, и расцвет философии, науки и математики в исламском мире помог этим спорам не угаснуть. Не до конца понятно, откуда проистекало возникшее в VII веке исламское понятие джавхар («субстанция») – с индийского Востока или с греческого Запада; вполне возможно, что из обоих источников. Позднее исламский философ Авиценна (также Ибн Сина, 980–1037) критиковал атомистов своей эпохи. Впрочем, его аргументы станут ясным примером того, что корни спора уходили скорее не в область физики, а в философию. Авиценна признавал, что мельчайшая единица вещества, сохраняющая все его свойства, вполне могла существовать; иными словами, он допускал мысль о физически неделимых единицах материи. Но он, вопреки атомистам калама, решительно противился идее о том, что эти мельчайшие единицы были ровно так же неделимы концептуально. Теперь нам известно, что атомы и молекулы действительно представляют собой мельчайшие единицы, обладающие всеми характеристиками того вещества, которое они составляют, а также мы знаем, что атомы можно разобрать на составляющие субатомные частицы, но вряд ли Авиценна имел в виду именно такую модель.

Возвращение Ренессанса

Атомной модели пришлось довольно долго ждать своего возрождения в Европе – оно случилось лишь в позднем Ренессансе, когда Пьер Гассенди (1592–1655), многое заимствовав у Демокрита, Эпикура и Лукреция, разработал свою атомную теорию вещества. Ее принципы, опять же, были по большей части философскими, и в основе ее лежала прежде всего метафизика, а не физика в том смысле, в каком ее понимаем мы, но в ней было одно ключевое отличие от древних теорий: все атомы в ней были сотворены Богом. Это устраняло с атомного мировоззрения порчу атеизма и позволяло ему войти в эпоху, заставшую зарождение современной науки. Гассенди, в отличие от Аристотеля, не испытывал никаких проблем с идеей пустоты, которую предполагало существование атомов, – возможно, благодаря тому, что он был знаком с экспериментами Галилея, Торричелли и Паскаля, измерявших давление воздуха при помощи барометров (несомненно, он повторил все эти эксперименты в 1650 году)7. В представлении Гассенди атомы, как и у Эпикура, обладали размером, массой и формой, и в то время как два первых свойства ограничивались небольшим диапазоном, форм было великое множество, они отличались большим разнообразием и, конечно же, все они были дарованы Богом при Сотворении мира.

В XVII веке появился фундаментально новый подход к обретению «знания» – по-латински scientia, как в сентенции Фрэнсиса Бэкона, прозвучавшей в 1597 году: Nam et ipsa Scientia potestas est («Итак, знание само по себе – сила»). Подход Бэкона требовал проведения экспериментов (наблюдения и измерения), а также индуктивного мышления для построения моделей естественного мира. Эмпирический подход к знанию имел прецеденты в философских школах Канады (о котором мы говорили выше) и греческих стоиков, а также в трудах исламского мудреца Авиценны, но появление моделей, явно доступных проверке при помощи опытов, ознаменовало совершенно новый подход к пониманию природы. Например, вывод Аристотеля (сделанный на чисто умозрительной основе), согласно которому тяжелые вещи падают быстрее легких, признавался на протяжении двух тысяч лет – и был опровергнут за тридцать секунд при помощи одного-единственного эксперимента: это произошло в 1586 году, когда Симон Стевин бросил два шара из Свинца, один из которых был в десять раз тяжелее другого, с церковной колокольни в Делфте и увидел, как они ударились оземь одновременно^8.

Появление науки об атомах

За два столетия современная наука (1600–1800) достигла немалого прогресса: удалось опытным путем установить, что у каждого вещества была мельчайшая единица, отражавшая все его свойства. Эксперименты Роберта Бойля с газами показали, что четыре аристотелевских «элемента» были вовсе не элементарными. Некоторые из них, например воду, можно было разложить на другие вещества – в случае воды на Кислород и Водород; впрочем, разъединить эти составляющие дальше не получалось. Как утверждал Бойль, именно последние вещества следовало называть элементами. В конце XVIII века Антуан Лавуазье, блестящий химик, чей творческий путь оборвала французская гильотина, первым установил, что в ходе химических реакций не происходит потери массы, и это навело его на мысль, что сами реакции представляли собой просто перераспределение вовлеченных элементов. Лавуазье, наряду с Джозефом Пристли, выделил Кислород как особенно химически активный элемент, и к 1789 году (при неизменной поддержке своей жены, Марии-Анны Польз) составил список из тридцати трех элементов, которые не удавалось разложить на составляющие никакими химическими средствами^9. Некоторые из элементов в этом списке (например свет и теплород) отражали недостаточное знание физики в ту эпоху, а другие, по сути, оказались сложными структурами из нескольких элементов, в те времена еще не разложенных на составляющие (к таким, например, относились барит, или тяжелый шпат, – минерал, представляющий собой соединение Бария, Серы и Кислорода [BaSO_4], и кремнезем [SiO_2]). Но указанные у Лавуазье Водород, Углерод, Азот, Кислород, Сера, Фосфор и более десятка металлов украшают Периодическую таблицу и в наши дни.

На заре XIX столетия были сделаны очень важные шаги, направленные на количественное измерение и заложившие основу для современной атомной теории вещества. Джон Дальтон установил, что сложные структуры возникали из сочетаний элементов, соотношения которых всегда были четко зафиксированы в плане веса; иными словами, 2 грамма Водорода всегда сочетались точно с 16 граммами Кислорода для образования воды. Это позволило высчитать относительные веса нескольких известных элементов, и тем самым Дальтон стал главным предвестником создания Периодической таблицы химических элементов, которую разработал Дмитрий Иванович Менделеев (см. гл. 4).

Примерно в то же время Лоренцо Авогадро установил, что равные объемы газов (при одинаковом давлении и температуре) содержат одинаковое количество атомов/молекул. Более того, он постулировал различие между атомами (назвав их «элементарными молекулами») и молекулами, составленными из различных элементов (отличие, которое упустил из виду Дальтон). К середине века Менделеев распределил шестьдесят три элемента, известных в то время (некоторые из тех, в которых прежде сомневались, уже были устранены), в Периодической таблице, что, в свою очередь, позволило предсказать наличие элементов, которые еще только предстояло открыть. 6 марта 1869 года Менделеев представил свою статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов» в Русское химическое общество. Так возникли современная химия и атомная модель, лежащая в ее основе.

Но о размерах и массе отдельных атомов химики имели такое же представление, как Левкипп или Лукреций. Ясно было только одно – то, что атомы были слишком маленькими, чтобы их увидеть. И пока большинство химиков продолжали свои поиски, стремясь открыть новые элементы и систематизировать знания о уже известных, многие физики XIX столетия по-прежнему пребывали в убеждении, что атомов не существует. Французский ученый Пьер Эжен Марселен Бертло, занимавший пост министра иностранных дел, зашел так далеко, что запретил преподавание атомной теории во Франции. Даже в 1897 году Эрнст Мах, уроженец Чехии, присутствуя на презентации, где Людвиг Больцман представлял свою кинетическую теорию атомов и молекул в газах, откровенно заявил: «Я не верю, что атомы существуют»10. Впрочем, создается впечатление, что его возражения были в большей степени философскими, а не основанными на физике.

Первые данные о размере и массе атомов появились в 1827 году, и пришли они из источника, который многие сочли бы маловероятным: от шотландского ботаника Роберта Брауна. Проводя исследования по опылению растений, он взвешивал пыльцевые зерна в воде, наблюдал за ними в микроскоп и увидел, что зерна представляли собой «частички… очевидно пребывающие в движении». Вместо того чтобы заключить, что это беспокойное движение было проявлением «жизненной силы», он повторил эксперимент сперва с пыльцевыми зернами, которые на протяжении одиннадцати месяцев выдерживались в алкоголе (после чего можно было с уверенностью сказать, что они мертвы), а потом – с камешками, истолченными в порошок. Одно и то же хаотичное движение наблюдалось во всех случаях. Браун наблюдал не что иное, как совокупный эффект случайных столкновений отдельных молекул воды с взвешенными частицами – несколько дополнительных соударений слева перемещали частичку вправо, а пара толчков снизу, следующих за ними, заставляла ее сдвинуться вверх на предметном стекле^11.

Как ни удивительно, Лукреций предвидел этот исход и его интерпретацию, предполагающую участие атомов, еще примерно за две тысячи лет до описываемых событий, и отразил это в книге «О природе вещей»:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света…

Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье

На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,

Что из нее познаешь ты материи также движенья,

Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора…

Первоначала вещей сначала движутся сами,

Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,

Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,

Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,

Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.

Так, исходя от начал, движение мало-помалу

Наших касается чувств, и становится видимым также

Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит^12.

Рис. 2.1. Случайное блуждание иногда называют «прогулкой пьяницы», вызывая в воображении образ опьяневшего завсегдатая бара, который выходит за порог заведения, спотыкается на каждом шагу и падает, но каждый раз поднимается и бредет неизвестно куда. Для случайных блужданий характерен тот факт, что расстояние от изначальной точки возрастает пропорционально квадратному корню из числа шагов. В данном случае «клиент» находится в трех метрах от начала пути после 5 шагов и в 6 метрах от начала после 5^2 = 25 шагов

Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн интерпретировал этот феномен в количественном отношении и вычислил размер и массу атомов. Частички, которые наблюдал Браун, испытывали примерно 100 триллионов столкновений в секунду, так что здесь требовался статистический подход. Эйнштейн показал, что, несмотря на равную вероятность, с которой частичка могла двинуться влево или вправо, общее расстояние, которое она проходит от начальной точки, возрастает пропорционально квадратному корню из величины прошедшего времени (рис. 2.1). Исходя из этого результата, он рассчитал число Авогадро – постоянное количество частичек газа в стандартном объеме этого газа, постулированное самим Авогадро примерно столетием ранее. Нам наконец-то удалось «увидеть» атом.

Более того, в последние несколько лет XIX века и в первое десятилетие XX столетия наблюдался стремительный прогресс в установлении физических свойств атомов, а кроме того, мы смогли опровергнуть их «неделимость» и открыть их составляющие части. В 1897 году Джозеф Джон Томпсон открыл электроны, показав, что они намного уступали атомам по размеру и массе^13. В 1909 году Эрнст Резерфорд и его сотрудники обнаружили атомное ядро, в котором пребывает положительный заряд и большая часть атомной массы^14. А после этого в течение нескольких лет появилась модель атома, которую разработал Нильс Бор. К современной форме этой модели мы и будем обращаться на протяжении всей данной книги (см. гл. 3)15. Тем временем в 1901 году Макс Планк ввел новую концепцию, которая описывала взаимоотношения между светом и веществом^16, а немногим позже, в 1905 году, Эйнштейн расширил эту идею, объяснив фотоэлектрический эффект^17. Эти события стали непосредственной причиной того, что в 1920-х годах расцвела квантовая механика – теория, описывающая поведение материального мира на атомном и меньшем уровне. Сегодня, спустя столетие, эта научная модель остается наиболее точной из всех когда-либо созданных и предоставляет нам прочную основу для того, чтобы воссоздать нашу историю, атом за атомом.

Глава 3

Атом: утилитарный взгляд

Фундаментальный принцип научного мировоззрения гласит, что существует материальная реальность, не зависимая ни от наших впечатлений, ни от наших попыток измерить и интерпретировать эти впечатления. Наука – это процесс, при помощи которого мы строим фальсифицируемые модели этой реальности, а затем проверяем, насколько точно они соответствуют природе. Его характер итеративен, и прогресс часто достигается не благодаря очередной гениальной догадке, а вследствие того, что нам удается доказать неправильность той или иной модели.

Изначально мы создавали научные модели в попытке объяснить (и предсказать) то, что представало перед нами в непосредственных впечатлениях – полет бейсбольного мяча, движение планет, наши ощущения запаха и вкуса, тепла и холода. Мы можем коснуться мяча, бросить его и поймать; мы видим шествие планет по ночному небу; мы можем вдохнуть аромат нашего кофе, почувствовать его вкус, отметить его температуру. Но когда речь заходит об атомах, у нас нет никакого интуитивного опыта. Мы не можем ни увидеть их, ни дотронуться до них, ни рассмотреть их движение. Однако научные методы применимы и здесь. Они позволяют нам построить подробную, доступную для проверки и фальсифицируемую модель с невероятной предсказательной силой – и тем самым заручиться помощью атомов в нашем стремлении воссоздать историю.

В данном случае наша модель не обязательно должна содержать все, что мы знаем об атомах, и, конечно же, не может вместить того, чего мы не знаем. Но эта модель должна в полной мере соответствовать известной нам физической реальности и описывать все характеристики атомов, имеющие ключевое значение для нашего проекта. В ее определении и заключается предмет данной главы.

Иерархия вещества

Давайте же начнем с того, с чего начинает любой младенец – с окружающего мира, который мы можем видеть и осязать. Такое впечатление, что существуют тысячи разных веществ, и каждое обладает различным цветом, запахом, текстурой, отражательной способностью… всего этого много, очень много. В нашем языке есть слова, призванные классифицировать вещи по назначению (столовые приборы: нож, вилка, ложка), по внешнему облику (блестящая, тусклая, чистая, грязная ложка), по материалу, из которого они сделаны (серебряная, стальная или пластиковая ложка), и по сотням других категорий. Но если бы я попросил вас ограничиться, скажем, лишь тремя категориями – широчайшей группировкой из возможных – и охватить все, что вы когда-либо видели или чувствовали, вы бы, скорее всего, согласились, что такими категориями станут три состояния вещества: твердое тело, жидкость и газ^1.

Подобное распределение не означает, что мы должны отказаться от более тонких разграничений в предложенных рамках. Серебряная ложка отличается от пластиковой и на ощупь, и по весу; более того, такие ложки по-разному реагируют на тепло, когда вы опускаете их в кофе, а также стоит сказать, что цена их замены, если вы случайно выкинете их в мусорное ведро, будет различаться. Но у них есть нечто общее: и серебряная, и пластиковая ложка – это твердые тела, и вы не можете их сжать и изменить их форму (по крайней мере без значительных усилий).

С другой стороны, кофе, хотя его тоже нельзя сжать, демонстрирует качественное отличие – он сам собой принимает форму контейнера, в который его наливают; жидкость без усилий вмещается и в кофейник с широким дном, и в более узкую кофейную чашечку.

И, наконец, есть почти прозрачный пар, поднимающийся над кипящим кофе. Если вы попытаетесь его схватить, то можете почувствовать его тепло, но раскройте ладонь – и вы ничего в ней не обнаружите. Газ просто рассеивается.

Давайте на минутку станем на точку зрения Демокрита и вообразим, что для каждого рода этих веществ существует мельчайшая единица – назовем ее пока что «частицей», – которая сохраняет свойства самого вещества. Как нам представить взаимодействие этих мельчайших единиц?

В твердом теле эти частички, должно быть, прочно закреплены на своем месте, поскольку, когда вы толкаете твердое тело, тянете его на себя или сжимаете, оно сохраняет форму. Конечно же, если приложить достаточную силу, вы можете вызвать перемену – согнуть ложку из Серебра и сломать пластмассовую, – но этим вы меняете не сам объем предмета, а только его форму. В твердых телах частички касаются друг друга – вы не можете силой приблизить их, и много сил уходит даже на то, чтобы изменить их взаимную ориентацию.

Поскольку сжать жидкость тоже нелегко^2, ее частицы, по всей видимости, тоже соприкасаются. Но между жидкостью и твердым телом есть явное различие. Первая способна легко менять свою форму – более того, она делает это, как только вы переносите ее из одного контейнера в другой. Это позволяет предположить, что, хотя ее частички по-прежнему находятся в соприкосновении, они могут свободно проскальзывать друг над другом и занимать относительно друг друга любые положения, в зависимости от того, какие из этих положений оказываются наиболее удобными.

И, наконец, остаются газы. Они очень рассеяны и по большей части невидимы, так что часто вы даже их не замечаете – вы ведь не чувствуете воздуха, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эту книгу? Но, конечно же, воздух в какой-то степени ощутим. Скажем, если вас застигла буря, вы можете ощутить, как он на вас давит, а иногда получается уловить запах газа (скажем, аромат кофе) – видимо, нечто все же входит с вашими чувствами в контакт.

Более того, газы также состоят из частиц, но таких, которые совершенно свободны от соседей и далеки от соприкосновения. Сжать газ относительно легко (представьте, как накачиваете велосипедную шину), поскольку между частичками много свободного пространства. Например, в атмосфере Земли частицы воздуха отделены друг от друга расстоянием, примерно в десять раз превышающим их диаметр, и могут свободно летать куда угодно, отталкиваясь друг от друга при встрече, словно бильярдные шары. Если вы накачаете шины своего велосипеда до рекомендуемой величины в 7,9 атмосферы, то вы только что сжали воздух в два раза во всех трех направлениях, так что расстояние, разделяющее частицы, теперь превышает их диаметр не в десять, а лишь в пять раз. Давление внутри вашей шины теперь в восемь раз больше, чем у окружающего воздуха, поскольку воздушные частицы ударяются о стенки шины в 2 × 2 × 2 раза чаще. Чтобы сконцентрировать водяной пар в жидкую форму, частицы должны сблизиться в 10 × 10 × 10 = 1000 раз, и именно поэтому вода в 1000 раз плотнее воздуха (примерно 10^3 кг/м^3 против 1 кг/м^3).

И вот что у нас получается. Три состояния, или «фазы», вещества не показывают фундаментальных различий в свойствах частиц, из которых это вещество состоит. Эти частицы просто могут находиться на четко определенных местах, слабо соприкасаться и проскальзывать друг над другом или свободно витать в пустом пространстве. Вода остается водой вне зависимости от того, пребывает ли она в твердой форме (лед), жидкой (вода) или газообразной (пар), а переходы между этими формами – это лишь вопрос изменения взаимных пространственных отношений, в которые вступают между собой частички воды.

Температура: мера движения

В рассуждении о переходах, которые вещество может совершать между различными состояниями, мы должны ненадолго отклониться от прямого пути и поговорить, во‐первых, о нашей модели для понимания тепла, а во‐вторых, о системе измерений, которую мы используем для его описания. Как нам известно из повседневного опыта, твердая форма воды (лед) – холодная, а газообразная форма (пар) – горячая. Но что такое «холодный» и «горячий»? Оказывается, это просто слова, необходимые нам, чтобы выразить характер относительного движения наших элементарных частиц: горячий = быстрый, а холодный = медленный. То, что мы называем температурой, – это просто непосредственная мера средней энергии движения, также называемой «кинетической энергией» (см. гл. 4) этих частиц.

Элементарные частицы воды в кубике льда соприкасаются друг с другом. Они закреплены на месте, но вибрируют (если угодно, дрожат) со скромным количеством энергии в расчете на частицу. Если поднять температуру, частицы будут вибрировать быстрее. Если повысить ее до достаточного уровня, то связи, удерживающие частицы на местах, разорвутся, и тогда частички смогут свободно скользить друг над другом, а мы получим жидкость. Это происходит, когда температура достигает 32 °F, или 0 °C. Продолжая нагревать воду, мы заставляем частицы двигаться быстрее и быстрее, до тех пор, пока, при 212 °F или 100 °C, они не разлучатся с соседями окончательно и не получат возможность свободно улетучиться прочь в форме газа.

При той или иной температуре не все частицы вещества движутся с абсолютно одной и той же скоростью; некоторые перемещаются быстрее, чем все в среднем, а некоторые – медленнее. Распределение скоростей (или, более точно, кинетических энергий = ½ mv^2) отражено в виде кривых, представленных на рис. 3.1. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее нуля, распределение немного асимметрично, а несколько частиц движутся намного быстрее среднего значения (например, если одна ничего не подозревающая частичка водяного пара получит удар от четырех других, пришедших слева, она с высокой скоростью устремится вправо). Но в общем и целом энергия большинства частиц не превышает среднее значение более чем в два раза^3.

Температурные шкалы, которыми мы пользуемся для измерения энергии частиц, как и большая часть единиц измерения, условны. Нулевую отметку на шкале Фаренгейта определил в 1724 году сам Фаренгейт – она обозначала самую холодную температуру, которой он смог добиться, смешав воду, лед и соль (письменные свидетельства не сообщают, сумел ли он в ходе этого эксперимента изготовить хотя бы немного мороженого). Определение градуса, данное им, было совершенно произвольным, из-за чего точка замерзания воды на его шкале пришлась на отметку в 32 °F, а точка кипения – на отметку в 212 °F. Даже эти величины применяются лишь на уровне моря (например, в Денвере вода закипает при 190 °F, а в Ла-Пасе, Боливия, – при 203 °F)4. Стоградусную шкалу (также называемую шкалой Цельсия) изобрел двумя десятилетиями позже шведский астроном Андерс Цельсий. На ней точку замерзания и кипения воды разделили 100 градусов; для сравнения, на шкале Фаренгейта эти две отметки разделены промежутком в 180 градусов, тем самым каждый градус Цельсия равен 9/5 (180/100) градуса Фаренгейта.

Обе эти шкалы были приняты задолго до того, как мы поняли, что же на самом деле измеряет «температура». Теперь, когда нам известно, что она представляет собой меру кинетической энергии частиц, единственной разумной шкалой могла бы стать такая, на которой нулевая отметка обозначала бы состояние полной остановки их движения (v = 0, следовательно, кинетическая энергия = 0). Эта шкала, благоразумная с точки зрения физики, названа в честь лорда Кельвина – создателя современной модели для нашего представления о тепле. Он принял градуировку, предложенную Цельсием, так что точку замерзания воды и точку ее кипения на уровне моря по-прежнему разделяли 100 градусов, но точка нулевого движения была установлена на отметке в –273,16 °C. Поэтому мы говорим, что вода замерзает при 273 К (строго говоря, эти единицы измерения называются не градусами Кельвина, а кельвинами) и закипает при 373 К. Температура поверхности Солнца – 5780 К, а комфортная температура в комнате составляет 68 °F = 20 °C = 293 K.

Эта модель обладает невероятной объяснительной силой. Например, если вы выпекаете печенье с шоколадной крошкой, то ваша духовка, скорее всего, установлена на температуру в 190 °C. Если вы откроете дверцу, чтобы посмотреть, готово ли печенье, и случайно коснетесь подставки, на которой располагается противень, то получите ожог. Почему? Просто частицы, из которых состоит металл противня, вибрируют с высокой скоростью, из-за чего со всей силы врезаются в частицы вашей кожи и разрывают их на части, превращая их… ну, в обожженные частицы кожи. Но постойте, почему вы вообще можете сунуть руку в духовку, нагретую до 190 °C? Разве частицы воздуха не движутся с такой же быстротой? Да, движутся, но, как уже говорилось выше, в расчете на каждый квадратный сантиметр вашей кожи их в воздухе в 1000 раз меньше, и пусть даже он может повредить несколько частичек вашей кожи, вы все равно избавитесь от них через несколько дней, так что никакого вреда не будет. Впрочем, если бы вы оставили руку в духовке не на краткую секунду, а, скажем, на 20 минут (иными словами, продержали бы ее там в 1000 с лишним раз дольше), то ваша рука действительно бы стала похожа на подгорелое печенье с шоколадной крошкой. Заметим, что вы реально чувствуете тепло духовки, когда суете туда руку. Так происходит именно потому, что частицы воздуха в духовке летают намного стремительнее, чем частицы воздуха в комнате, и их более энергичные соударения с вашей кожей приводят к тому, что вы ощущаете «тепло».

Рис. 3.1. Кривые, отражающие распределение скоростей частиц воды при 0 °C и 100 °C. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее 0 м/с, обе кривые усечены слева. Вертикали представляют средние скорости, которые из-за усечения оказываются немного выше самой распространенной. Обратите внимание, что средняя скорость частиц в кипящей воде составляет примерно 640 м/с, или 2300 км/ч (!), а некоторые движутся в несколько раз быстрее

Получается, что моя недавняя реплика – о том, что вы не «чувствуете» воздух, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эти строки, – не совсем соответствует реальному положению дел. Вы чувствуете воздух, поскольку его температура определяет скорость, с которой его частицы ударяются о вашу кожу. Эта скорость может доходить до триллионов раз в секунду, и именно благодаря этому, в свою очередь, возникает испытываемое вами ощущение тепла, холода или «подходящей» температуры.

Эта модель также объясняет, как ваша посуда ухитряется высохнуть (то есть испарить все капельки воды, которые на ней находятся), когда вы оставляете ее просушиться на ночь, – даже несмотря на то, что температура в комнате (на что я очень надеюсь) никогда не достигает точки кипения воды (100 °C). В среднем скорость частиц воды на посуде равна скорости частиц в воздухе, поскольку они постоянно соударяются и уравновешивают свои энергии. Их средняя скорость намного меньше той, какая необходима, чтобы перевести частицу воды из жидкой формы в газообразную. Впрочем, не будем забывать, что существуют некоторые частички воды (и воздуха), которые движутся намного быстрее средних значений, и они могут достигать скорости высвобождения; именно эти стремительные частицы и теряет капля. Когда это происходит, средняя скорость частиц падает (если вычесть самые быстрые, то среднее значение понизится). Если бы на этом все и закончилось, то утром вам потребовалось бы полотенце для кухонной посуды. Но в вашей комнате – просторном хранилище воздушных частиц – все еще содержатся некоторые из быстрых частиц, и когда они соударяются с водой, оставшейся в капле, средняя скорость снова возрастает, и высокоскоростной конец распределения заполняется вновь (рис. 3.1). Эти молекулы воды, в свою очередь, тоже могут улетучиваться, и процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не превратится в газ, благодаря чему утром вы сможете убрать с подставки сухую посуду.

Эта тепловая модель также объясняет, почему мы потеем. Наше тело так тонко настроено, что оно работает при температуре примерно в 37 °C, и любое отклонение от этой величины вызывает немедленный отклик. Если мы активно занимаемся спортивными упражнениями, то обращаем химическую энергию, запасенную в мышцах, в избыточное тепло, от которого телу необходимо избавиться. Один механизм, предназначенный для этого, задействует наши потовые железы, из-за чего на нашей коже появляются капельки воды. Частицы кожи, покачиваясь немного сверх меры – если говорить о том, как это «воспринимает» наше тело, – передают часть своей энергии частицам воды, заставляя самые быстрые улетучиваться и тем самым уносить энергию с кожи, остужая последнюю. При нанесении ацетона на кожу мы чувствуем холод, поскольку точка его кипения намного ниже, чем у воды (всего лишь 56 °C), поэтому при нормальной температуре тела многие из частиц ацетона начинают двигаться достаточно быстро и переходят в газообразную форму, унося с собой колебательную энергию ваших частиц и заставляя кожу почувствовать холод.

И абсолютно все, от того, почему остывает вода в ванной^5, до того, почему земная атмосфера не падает вниз^6 (подсказка: она падает), а также от того, почему нагревается ваш велосипедный насос^7, до того, почему ваш кондиционер остужает комнату^8, объясняется этой моделью, в которой температура представляет собой просто меру скорости движения частиц.

Те самые «частицы» – атомы и молекулы

Теперь настало время снова вернуться к изначальной теме главы. Нужно сказать, что до сих пор мы игнорировали все, что мы знаем о внутренней структуре атомов, и принимали древнегреческую идею, согласно которой каждое вещество обладает мельчайшей единицей – именно их я на протяжении всей нашей беседы именовал частицами. Но что именно собой представляют частицы, составляющие серебряную ложку или каплю воды? Демокрит и Левкипп утверждали, что они «неделимы» (напомню, от греческого atomos – «неразрезаемый») и существуют в бесконечном множестве размеров и форм, чем легко объяснялось наличие миллионов различных веществ, составляющих наш мир. Теперь нам известно, что обе гипотезы неверны. Атомы вовсе не обладают неделимостью, а миллионы веществ состоят из особых сочетаний девяноста четырех уникальных строительных блоков^9.

То, что я называл «частицами», – это либо один из девяноста четырех типов таких единообразных блоков, которым мы, пренебрегая этимологией, присвоили имя «атомов», или одна из миллионов «молекул», четко определенных сочетаний, в которые атомы вступают друг с другом. Серебро – это один из девяноста четырех базовых «кирпичиков», и атомы Серебра, соединяясь, могут создать серебряную ложку. Вода – это сочетание двух базовых «кирпичиков», Водорода и Кислорода, которые в пропорции 2:1 формируют молекулу H_2O.

Золото в ваших кольцах, Вольфрам в нити накала (если вы еще помните лампы накаливания) и Кремний в чипах вашего телефона – это примеры одного соответствующего из девяноста четырех базовых строительных блоков, которые мы в совокупности называем элементами (подробнее см. гл. 4). Выдыхаемый вами воздух, по большей части диоксид Углерода (CO_2), алкоголь в вашем бокале (C_2H_6O) и песок, из которого был сделан этот бокал (SiO_2), – это молекулы, объединенные в фиксированные сочетания и призванные создать неисчислимые сложные структуры, из которых и состоит наш мир. Молекулы могут оказаться очень непростыми: в одной только молекуле ДНК, составляющей первую человеческую хромосому, присутствуют тринадцать миллиардов атомов, и все они соединяются друг с другом, следуя точной закономерности, а она, в свою очередь, представляет собой часть кода, благодаря которому вы – это вы.

Разделить неделимое: строительные блоки атомов

Итак, мы уже отметили, что атомы, несмотря на происхождение термина, можно разделить. Они сделаны из более фундаментальных строительных блоков, подразделенных на два семейства – это лептоны и кварки. Их удерживают воедино четыре фундаментальных взаимодействия, которые передаются при помощи еще одного семейства частиц – бозонов. Если составить перечень всех лептонов и кварков, которые нам удалось открыть, вместе с их антиматериальными двойниками, и добавить к ним бозоны, переносящие взаимодействия, мы получим список из тридцати одной «фундаментальной» частицы^10 – и это звучит так, будто они не слишком-то фундаментальны! Многие физики полагают, что нам необходимо спуститься еще на один уровень в строении вещества, и мы обнаружим, что все эти различные частицы – на самом деле проявления крошечных вибрирующих «струн»11. Но пока что наша модель для мельчайших величин, существующих в природе, насчитывает тридцать один объект, и впредь мы будем называть такие объекты фундаментальными частицами.

На рис. 3.2 показана иерархия вещества, начиная от общих состояний, о которых мы говорили в начале этой главы, – твердое тело, жидкость, газ – до молекул и атомов, а потом – от атомов до их составляющих частей. Кроме того, показано число сочетаний частиц на каждом уровне.

Рис. 3.2. Строение вещества, начиная с чашки кофе, в которой присутствуют твердое тело, жидкость и газ, при этом все они состоят из молекул, а те, в свою очередь, созданы из особых сочетаний атомов, которые и сами состоят из более фундаментальных частиц. Число типов частиц на каждом уровне обозначено как n; обратите внимание, что четвертое состояние вещества (не показанное на рисунке) – это плазма, в которой атомы разрываются на части. Представлено лишь первое из трех поколений фермионов

Большая часть рис. 3.2, как и вопрос о том, существует ли еще более глубокий уровень материи, выходит за пределы нашего исследования, поскольку нам в данный момент необходима просто надежная и точная модель атомов, из которых состоит космос. С первых микросекунд возникновения Вселенной имеют значение лишь несколько фундаментальных частиц, и их примерно полдесятка: это электроны (e или e—) и их антиматериальные двойники, позитроны (e+ или e+***); нейтрино, ассоциируемые с ними (ve и ve); а также «верхние» (u) и нижние (d) кварки и переносчики взаимодействий. Поговорим обо всех по очереди.

Электрон, открытый в 1897 году, неизмеримо мал (меньше 10–18 м, миллионная триллионная доля метра в диаметре), наделен крохотной (но определенно измеримой) массой в 9 × 10–31 кг и несет отрицательный электрический заряд –1, установленный нами произвольно как единица заряда на атомном уровне. Его антиматериальный двойник, позитрон, обладает такими же размером и массой, но, как и все античастицы, характеризуется противоположным зарядом, +1. Вещество и антивещество не очень хорошо сочетаются – более того, когда электрон встречается с позитроном, они взаимно уничтожают друг друга во вспышке света. Все атомы в современной Вселенной содержат электроны, но нам не следует забывать и о позитронах, поскольку в ходе естественных процессов, как мы еще увидим, могут рождаться и они, а сами эти процессы сыграют ключевую роль в воссоздании наших историй.

Электроны и позитроны входят в группу фермионов (см. рис. 3.2), в которой каждая частица обладает еще одним дополнительным свойством, важным для нашего повествования – это свойство с причудливым именем «спин». Представьте, что все подобные частицы – это крошечные волчки, способные вращаться лишь по часовой стрелке или против нее с амплитудой в ±½ (опять же, это произвольно выбранная шкала атомных единиц, на которой бозоны, переносчики взаимодействий, имеют спин 1 или 2). С другими частицами они вступают в гравитационное (поскольку обладают массой), электромагнитное (поскольку имеют заряд) и слабое ядерное взаимодействие (поскольку у них есть свойство, называемое «лептонным числом» ±1).

Нейтрино (ve) были обнаружены только в 1956 году, хотя ученые постулировали их существование еще за десятилетия до этого, пытаясь объяснить исчезновение энергии в определенных ядерных реакциях. Нейтрино обладают крошечными размерами и еще меньшей массой; ее верхний предел составляет примерно 1/600 000 от массы электрона. Они электрически нейтральны, и для них характерен спин с амплитудой ±½. Поскольку они могут откликаться лишь на гравитацию (очень слабо, при условии их крошечной массы) и на слабое ядерное взаимодействие, они почти не взаимодействуют с обычным веществом. За время, которое вы затратите на прочтение этой фразы, 20 000 триллионов нейтрино, излученных Солнцем, пройдут через ваше тело, а вы этого даже не заметите. Это окажется правдой даже в том случае, если вы читаете эту страницу ночью, когда Солнце находится на другой стороне Земли, поскольку нейтрино проходят прямо через земную толщу и достигнут вас, пройдя через пол. Они играют главную роль в некоторых радиоактивных распадах и будут важны, когда мы применим атомные ядра в роли часов, чтобы составить карту наших будущих исторических экскурсов.

В современной Вселенной есть еще одно семейство фермионов, кварки, которые никогда не оказываются в одиночестве; они всегда связаны в пары или триплеты (см. рис. 3.2). Важное значение для нас имеют два определенных кварка, которые сочетаются, формируя протоны и нейтроны – кварки u и d. Ученые впервые постулировали их существование в 1960-х годах, а впоследствии подтвердили и описали его в многочисленных экспериментах, проведенных на ускорителях частиц. Кварки имеют дробные заряды: u = + 2/3 и d = – 1/3, их массы составляют примерно 4,0 и 9,4 массы электрона соответственно, и, как фермионы, они также имеют спин ± 1/2. Все кварки обладают дополнительной уникальной характеристикой: они реагируют на сильное ядерное взаимодействие благодаря своему четвертому свойству, которое мы называем «цветовым зарядом».

Многие сочетания этих и четырех других разновидностей кварков возможны в принципе и могут на мгновения возникать в лабораториях. Но для нашего мира важны два – это триплет uud, образующий протон, и триплет udd, благодаря которому создается нейтрон. Простое суммирование даст нам заряды этих составных частиц: uud — +2/3 + 2/3 – 1/3 = +1 для протона и udd – + 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0 для нейтрона. Их спины, сочетаясь, дают чистую величину в ± 1/2. Но с их массами дело обстоит совершенно иначе.

Кажется очевидным, что масса трех кварков должна просто составлять сумму масс каждого отдельного кварка. Согласно таким расчетам, масса протона должна была бы оказаться в 4,0 + 4,0 + 9,4 = 17,4 раза больше массы электрона. Но, взвесив протон, мы получим совершенно иной результат: его масса превышает массу электрона в 1836 раз, иными словами, она в сто с лишним раз больше простой суммы отдельных масс (и эквивалентна 1,67 × 10–27 кг). Откуда берется вся эта избыточная масса? Ее источник – «клей», благодаря которому кварки соединяются воедино. Как мы уже говорили, кварки – это уникальные обитатели «зоопарка частиц», поскольку только они реагируют на сильное ядерное взаимодействие. Точно так же, как и дополняющее его слабое ядерное взаимодействие, оно имеет свои особенности, поскольку существует только на масштабах, сравнимых с размерами атомного ядра (примерно 10–14 м, 1 % от триллионной доли метра). Кварк, проходящий мимо протона, скажем, в 5 % от триллионной доли метра, не отреагирует совершенно никак.

Это радикально отличается от других взаимодействий, знакомых нам по повседневной жизни, а именно электромагнитного и гравитационного – их дальность неограниченна. Чем дальше друг от друга располагаются два объекта, обладающие массой или зарядом, тем слабее воздействие электромагнетизма и гравитации, которому они подвергаются, но само оно не исчезает. Нептун находится на расстоянии в 4,5 миллиарда километров от Солнца, и сила притяжения воздействует на него в 900 раз слабее, чем на Землю, но он тем не менее движется по орбите вокруг Солнца из-за их взаимного гравитационного взаимодействия. Оба ядерных взаимодействия, напротив, просто исчезают за пределами атомного ядра.

И именно глюоны, сами по себе не обладающие массой, но в изобилии переносящие энергию, увеличивают массу протона в сто с лишним раз по сравнению с простой суммой масс составляющих его кварков (сюда вносит свой вклад и кинетическая энергия самих кварков, болтающихся в своем маленьком мешочке). У нейтрона, по сравнению с протоном, один из u-кварков заменен на немного более тяжелый d-кварк, и сам нейтрон тоже слегка массивнее (на 0,14 %). За исключением атома Водорода, ядро которого составляет один-единственный протон, все остальные атомы, о чем мы подробно поговорим чуть позже, содержат как протоны, так и нейтроны, соединенные вместе.

Ядро

Сердце атома и его сущность, воплотившая в себе все его своеобразие, – это ядро, тугой маленький шарик из протонов и нейтронов, упакованных в пространстве, диаметр которого равен всего нескольким триллионным долям миллиметра^12. Здесь, где все положительно заряженные частицы находятся в такой тесноте, электростатическое отталкивание, которое испытывают протоны по отношению друг к другу, огромно, но сильное ядерное взаимодействие оказывается сильнее и удерживает частицы, не позволяя им разлететься.

Своеобразие атома определяется количеством его протонов, и все возможности, от 1 до 94, представлены в природе. Количество протонов называется атомным номером и символически записывается как подстрочный индекс, предшествующий химическому символу элемента. У Углерода это выглядит так: 6С. Поскольку у каждого элемента есть уникальный символ, а также уникальное количество протонов, подобная система обозначений в каком-то смысле избыточна, и подстрочный индекс часто не указывают: если это атом Углерода, то у него шесть протонов, а если у атома шесть протонов, то это Углерод.

Другие обитатели ядра – нейтроны. Они электрически нейтральны и не усиливают электростатическое отталкивание, однако вносят свой вклад в большую часть притяжения, обусловленного сильным ядерным взаимодействием, и тем самым помогают стабилизировать ядро. У самой легкой пары из десятка элементов число протонов и нейтронов, как правило, примерно равно, но по мере того как мы восходим все выше в иерархии и добираемся до более тяжелых элементов с большим количеством протонов, приходится добавлять дополнительные нейтроны, чтобы противостоять уже упомянутым силам электростатического отталкивания: например, у Урана 92 протона обычно сопровождаются 146 нейтронами.

Обратите внимание на слово «обычно» в последнем предложении. В то время как число протонов однозначно определяет, какой именно перед нами элемент, у числа нейтронов нет столь явно выраженной «обязанности». В главе 5 мы еще поговорим о том, что в ядре того или иного элемента может присутствовать разное количество нейтронов. Более того, этот факт станет критически важным по мере того, как мы начнем применять атомы для воссоздания истории.

Атом

Теперь, когда мы разобрались с ядром, нужно только добавить электроны, и мы получим завершенный атом. Для этого требуется сделать так, чтобы положительно заряженное ядро привлекло к себе свиту из отрицательно заряженных электронов, и в этом ему помогает электромагнетизм: противоположности притягиваются. Поскольку заряды протона и электрона в точности равны и противоположны по знаку, у нейтрально заряженного атома количество электронов совпадает с количеством протонов: у Водорода один электрон, у Углерода шесть, у Кислорода восемь, а у Урана девяносто два.

Повторим, что два взаимодействия, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, – это гравитация и электромагнетизм. Гравитационное взаимодействие, которое, в сущности, представляет собой отклик на свойство вещества, называемое массой, позволяет вам стоять на земле (и сидеть на стуле) и ощущается в вашей жизни как довлеющая сила – даже Майкл Джордан в свои лучшие годы мог подпрыгнуть вверх не более чем на 120 см. Электромагнитное взаимодействие, происходящее благодаря положительным и отрицательным зарядам, рождает свет, служит основой химических реакций, движет стрелкой компаса и заряжает ваш телефон, но вы почувствуете его только в том случае, когда пройдете по ковру, коснетесь металлической дверной ручки и получите краткий удар током. На основе такого опыта можно предположить, что гравитация сильна, а электромагнетизм слаб.

И если мы сделаем такое предположение, то окажемся в высшей степени неправы. На самом деле электромагнитное взаимодействие в триллион триллионов триллионов (это не опечатка, в 10^36 раз) сильнее гравитации. Ключевая разница между двумя этими фундаментальными силами заключается в том, что у гравитации только один знак – она всегда притягивает, – в то время как в электромагнитном взаимодействии участвуют два заряда, положительный и отрицательный, которые в обычных условиях, причем в масштабах от одного-единственного атома до планеты, совершенно нейтрализуют друг друга. Но если бы ваш положительный заряд превышал отрицательный на тысячную долю (0,1 %), а ваша супруга, у которой отрицательный заряд на 0,1 % превышал бы положительный, показалась бы на пороге комнаты в трех метрах от вас, чтобы сказать, что ужин готов, вы двое притянулись бы друг к другу с такой силой, что Земля сошла бы со своей орбиты. Следовательно, абсолютное равенство и противоположные знаки зарядов электрона и протона позволяют стабильной Вселенной существовать.

При наличии столь огромной притягивающей силы между частицами атома можно было бы ожидать, что любой блуждающий электрон, которому не посчастливится оказаться неподалеку от атомного ядра, в то же мгновение будет затянут туда, точно в воронку. Но на атомном уровне все работает совсем иначе. Электрон (как, в сущности, и все фундаментальные частицы) ведет себя по законам квантовой механики – нашей высокоточной модели, призванной описывать мир мельчайших явлений. Можно сказать, что даже слово «частица» в макроскопическом масштабе этого термина здесь неуместно, поскольку электрон – это не отдельная локализованная данность, подобная песчинке; его лучше всего охарактеризовать как размазанное «вероятностное облако», окружающее весь атом. Другими словами, электрон не присутствует постоянно «где-то», а находится везде в пределах своего очень ограниченного мира.

Исследование квантового мира – это увлекательная тема, которой посвящено множество книг, однако нам незачем углубляться в этот предмет. Наша цель – использовать атомы, чтобы выявить поддельные произведения искусства; выяснить, как наши предки научились выращивать кукурузу; представить, как выглядела укрытая льдом Земля 400 000 лет назад; и узнать, как появилась Солнечная система. Таким образом, все, что нам нужно, – это модель атома, которая бы точно содержала все характеристики, необходимые для наших экспертно-криминалистических обращений к истории мира. Такую модель нам еще сто с лишним лет назад предоставил датский физик Нильс Бор.

Вероятно, вы видели эту хрестоматийную картинку (см. рис. 3.3), в которой атом представлен как миниатюрная Солнечная система и вокруг ядра, расположенного в центре, вращаются, подобно планетам, электроны. Мы примем ее, но тем не менее важно помнить об ограничениях аналогии с Солнечной системой. Во-первых, в Солнечной системе тела взаимодействуют посредством гравитации, в то время как электроны удерживаются на месте электромагнитными силами. Во-вторых, протяженность орбит значительно различается, и тогда как планеты движутся по ним на расстояниях, которые от 41 до 3200 раз превышают диаметр Солнца, протяженность первой электронной орбиты в атоме Водорода превышает диаметр протона в 24 000 раз, и для атомов это соотношение размеров совершенно типично (вспомните теннисный мячик на 120-й улице и электрон на 145-й).

Рис. 3.3. Репрезентация боровской модели для атома Углерода, содержащая главные характеристики, необходимые нам, – протоны и нейтроны ядра и четко определенную систему электронов, движущихся вокруг ядра по орбите. Обратите внимание, что рисунок выполнен в условном масштабе; если бы размеры реального ядра совпадали с изображенными, то электроны следовало бы отобразить примерно в 300 метрах от него

Рис. 3.4. У атома Водорода только один электрон, и этот электрон может перемещаться по орбите вокруг протона лишь на особых, точно заданных расстояниях. Они определены допустимыми длинами волн электрона (см. гл. 4) и соответствуют его конкретным энергиям (см. рис. 4.5, где приведены численные значения этих энергий). Если электрон получит необходимое количество энергии – либо благодаря столкновению с другой частицей, как в случае а, либо поглотив фотон, как в случае в, то он сможет перескочить на одну из допустимых орбит, и в этом случае его называют «возбужденным». В дальнейшем он вновь вернется в основное состояние, испустив излишек энергии в форме света (случаи б и г). Обратите внимание, что чем значительнее скачок, тем больше выделяется энергии и тем короче длина волны света (б в сравнении с г). В люминесцентных лампах атомы газа, присутствующие в трубке лампы, при помощи столкновений переводятся в возбужденное состояние, благодаря чему при возвращении электронов в основное состояние возникает свет

Атом Водорода настолько прост, насколько это возможно, – ядро, состоящее из одного протона, и один-единственный электрон на орбите. В нормальных условиях этот электрон остается на своей орбите, о границах которой мы говорили выше, но если по атому ударяет другая частица или рядом оказывается странствующая световая волна подходящего цвета, электрон может перейти на другую, более высокую орбиту, расположенную дальше от ядра. Но он не может перемещаться везде, где захочет, а ограничен лишь определенными, четко заданными расстояниями (см. рис. 3.4). В других атомах, где электронов больше, для каждого из них установлен набор особых дистанций. Такая система орбит играет очень важную роль в том, как атомы взаимодействуют друг с другом и со светом, что позволяет нам распознавать их по всей Вселенной. Об этих системах мы поговорим в следующей главе, в которой объясним устройство Периодической таблицы, ставшей украшением стен в каждом школьном классе, где изучают химию.

Молекула

Теперь мы совершим последний шаг в нашем восхождении от фундаментальных частиц к частичкам вещества, из которых состоит наш узнаваемый мир, и поговорим о молекулах. Как мы уже упоминали, молекула – это сочетание двух и более атомов, одинаковых или различных, сцепленных в особом, четко зафиксированном соотношении. Кислород, который мы вдыхаем, – это молекула Кислорода, в которой соединены два атома, О_2 (подстрочный индекс обозначает число атомов данного рода в молекуле), а выдыхаемые нами углекислый газ (CO_2) и водяной пар (H_2O) – это сочетание трех атомов (где подстрочные «единички» для Углерода и Кислорода подразумеваются, но не указываются; см. рис. 3.5).

Молекулы могут оказаться сложными. Витамин С состоит лишь из двадцати атомов трех типов – C_6H_8O_6, а вот витамин B_12 (также известный как цианокобаламин) – уже из атомов шести типов: C_63H_88CoN_14O_14P. Самая длинная молекула вашей ДНК, как мы уже отмечали, содержит миллиарды атомов.

И хотя у атомов нет ни крючков, ни проушин, ни шарниров, которые представляли себе древние греки, распределение их внешних электронов уникально для каждого из девяноста четырех элементов, и эти электронные конфигурации управляют связями, в которые склонен вступать тот или иной атом. В следующей главе мы объясним, почему некоторые из них постоянно задействуют режим «привлечения», другим компания требуется не так сильно, а третьи вообще предпочитают пребывать в одиночестве и вполне этим довольны. Орбиты электронов, соединяясь, слегка меняют расположение, укрепляют связи, создают тем самым особое трехмерное пространство и наделяют молекулу всеми своими свойствами, которые можно ощутить извне, – например такими, как вкус, аромат, цвет, текстура и плотность, иными словами, всем тем, что отличает воду от песка, а гранат от брокколи.

Впрочем, в то время как чистая вода (H_2O) и чистый песок (SiO_2) состоят из одной молекулы, в гранатах и брокколи много самых разных молекул, определяющих их структуру и другие характеристики. Более того, многие вещества в нашей повседневной жизни представляют собой смешение различных атомов и молекул; например, воздух – это смесь молекул N_2, O_2, H_2O, CO_2 и множества других, не столь важных, а кроме того, в нем присутствуют атомы Аргона, Неона, Гелия, Криптона и так далее. В вашем бокале пино-нуар по большей части содержится H_2O, но там есть и целое собрание других молекул, наделяющих его восхитительным ароматом.

Рис. 3.5. Наглядное представление молекулы углекислого газа, на котором указано линейное распределение трех атомов и двойные связи между ними (вверху) в сравнении с изогнутой структурой молекулы воды (внизу)

Можете насладиться этим вином, поскольку наша задача завершена. Начав с грубейшей классификации мира как состоящего из твердых тел, жидкостей и газов, теперь мы знаем, что эти состояния вещества зависят от смешения частиц, которые содержатся в них, соприкасаясь друг с другом или находясь друг от друга вдалеке, а также либо могут свободно двигаться, либо прочно удерживаются на своих местах. В каждом из этих трех состояний вещество, в свою очередь, состоит из молекул, а они создаются из определенных соотношений строительных блоков, называемых атомами, которых насчитывается девяносто четыре. Атомы формируются благодаря особым сочетаниям электронов, протонов и нейтронов, а две последние частицы состоят из трех кварков каждая.

Все эти подробности уводят нас очень далеко от воззрений Демокрита на атомный мир, но основная мысль остается прежней: Вселенная состоит из определенного набора основных «кирпичиков», которые обладают уникальными внутренними свойствами и вступают в бесчисленное множество сочетаний, создавая все богатство нашей реальности. Эти «кирпичики» мы, взяв термин Платона, назвали элементами^13, и теперь мы готовы исследовать все девяносто четыре их разновидности – и позволить им выступить нашими проводниками к далеким и минувшим временам.

Глава 4

Элементы: наш набор «кирпичиков»

Элемент – одно из тел, на которые разложимы другие тела, но неразделимое в самой своей сути^1.

Аристотель

По мере того как в XVIII столетии и в начале XIX века накапливалось все больше свидетельств существования атомов, становилось ясно, что строительные блоки некоторых веществ, в отличие от сотен изучаемых субстанций, не получалось разложить на более базовые формы. Антуан Лавуазье, уделив внимание этим несократимым субстанциям, дал своему трактату, изданному в 1789 году, название «Начальный учебник химии» и перечислил в нем тридцать три элемента. Некоторые из них, как мы уже отмечали, такие как «свет» и «теплород» (последний считался флюидом, переносившим тепло), появились в результате неверного понимания природы вещества и энергии, а другие оказались молекулами, состоящими из нескольких элементов; впрочем, двадцать три элемента были истинными и признаются такими и в наши дни.

Как мы упоминали в третьей главе, модель атома, которую предложил Нильс Бор, содержит все характеристики, необходимые нам, чтобы завербовать атомы на службу истории. Их основная структура, подобная планетарной, показана на рисунке 3.3. Здесь мы расширим базовую модель и покажем, что у атома также есть оболочки и подоболочки, а также поговорим о том, по каким законам их заполняют электроны. Так мы, в свою очередь, объясним и устройство Периодической таблицы химических элементов, и подготовим сцену для исчисления тех межатомных взаимодействий, которые и составляют всю нашу Вселенную.

К 1869 году, когда Дмитрий Менделеев опубликовал свою важную систематизацию элементов, его таблица содержала шестьдесят три субстанции и предсказывала появление еще нескольких. В то время единственными известными свойствами элементов был их относительный вес (вычисленный на основе соотношений масс, в которых они сочетались с другими элементами), а также готовность вступать в такие соотношения и проявляемая при этом избирательность. Свои предсказания о существовании новых элементов и возможности их обнаружения Менделеев основывал на закономерностях, проявленных в свойствах известных элементов, которые, в соответствии с их поведением, указывались в одинаковых столбцах, а возрастающий номер в строке отражал увеличение массы. Это распределение, создаваемое без знания размера, массы или внутренней структуры атома, не говоря уже о каком-либо понимании того, что было причиной их поведения, оказалось пророческим, и мы сохраняем его по сей день как Периодическую таблицу химических элементов (см. рис. 4.1).

Элементы в столбцах слева в высшей степени активны химически. Водород легко взрывается (прекрасный пример – катастрофа «Гинденбурга»2), а Литий (Li), Натрий (Na) и Калий (K) полыхнут пламенем, если уронить их в пробирку с водой. Они любят соединяться с элементами из предпоследнего столбца справа, которые тоже охотно вступают в химические реакции, и предпочитают формировать очень стойкие сложные соединения, например соль (NaCl). Но элементы, занявшие самый правый столбец, никакими «уговорами» не объединить ни с их соседями, ни с любым другим элементом таблицы^3. Чтобы понять, почему поведение различных групп атомов столь радикально отличается, нам потребуется представить модель Нильса Бора в количественном отношении и рассмотреть квантовую природу атомного мира.

Рис. 4.1. Периодическая таблица химических элементов. Показаны атомные номера и символы для каждого из 118 типов атомов. Шкала полутонов и толщина контуров призваны проиллюстрировать природу электронных оболочек, речь о которых пойдет ниже. В самом левом столбце каждая строка обозначает начало нового энергетического уровня, но n = 3 и n = 4 частично совпадают (иными словами, за элементом под номером 18, Аргоном [Ar], имеющим три электронные оболочки [n = 3], следуют Калий [K] и Магний [Mg], у которых по четыре электронных оболочки [n = 4], после чего у элементов 21–30 вновь n = 3). Совмещения усложняются по мере того, как мы движемся все дальше, вследствие чего строки 57–71 и 89–103 располагаются в самом низу таблицы. Подробнее см. рис. 4.3 и 4.4

Как мы отмечали в третьей главе, электроны не похожи на планеты (равно как и на уменьшенные песчинки). Они действуют в квантовом мире, и это означает, что их поведение представляет собой сочетание тех свойств, которые мы приписываем частицам, а также тех свойств, которые мы приписываем волнам. И частицы, и волны могут передавать энергию (эту концепцию мы более подробно изучим в дальнейшем) из одного места в другое. Если я брошу вам бейсбольный мяч, а вы его поймаете, то вы почувствуете боль из-за кинетической энергии (энергии движения), которую я сообщил мячу, совершив бросок. По мере того как частица перемещается с места на место, она переносит с собой энергию. Точно так же ее переносит и волна, хотя в этом случае в движении какого-либо вещества от меня к вам нет необходимости. Если мы оба возьмемся за концы веревки, я могу резко дернуть свой конец вверх и вниз, и волна, прошедшая через веревку, передаст это движение вашей руке, в то время как частицы веревки, которые я держу в своей ладони, останутся на месте.

Рис. 4.2. На рис. а полная длина волны умещается между двумя закрепленными концами струны. На рис. б между ними умещаются две полных длины волны (обертон на октаву выше). Но на рис. в и г мы видим, что иные длины волн – слегка увеличенная и слегка укороченная – невозможны, поскольку нарушается условие, согласно которому концы струны должны оставаться неподвижными

Рамка 4.1. Уровни энергии Водорода

Длина волны частицы в квантовой механике определяется как h/mv, где m – это масса частицы, v – ее скорость, а h – постоянная Планка = 6,63 × 10–34 Дж·c.

Радиус орбиты электрона в атоме Водорода: r = 5,29 × 10–11 м

Масса электрона: m = 9,11 × 10–31 кг

Скорость электрона на орбите: v = 2,18 × 10^6 м/с (примерно 0,7 % скорости света)

Таким образом, длина волны электрона составляет:

6,63 × 10–34 Дж·c / (9,11 × 10–31 кг × 2,18 × 10^6 м/с) = = 3,3 × 10–10 м

Длина окружности орбиты электрона составляет 2π × 5,29 × 10–11 м, что в точности равняется длине волны электрона в квантовой механике – орбита определяется одной целочисленной волной, охватывающей ее пределы.

Кинетическая энергия электрона = 1/2 mv^2 = 1/2 × 9,11 × × 10–31 кг × (2,18 × 10^6 м/с)2 = 2,16 × 10–18 Дж.

2,16 × 10–18 Дж × 1 эВ / 1,6 × 10–19 Дж = 13,6 эВ, это и есть энергия связи на энергетическом уровне с номером n = 1 для H.

Длина волны электрона на энергетическом уровне с номером n = 2 точно в два раза больше, и вследствие этого то же самое справедливо для длины окружности его орбиты, благодаря чему радиус можно выразить как 2r. Напряженность электрического поля ослабевает как 1/квадрат расстояния, так что 1/(2r)2 = ¼ от энергии связи на энергетическом уровне с номером n = 1; то есть 1/(2r)2 = = 13,6 эВ/4 = 3,4 эВ.

Это означает, что при переходе с n = 2 на n = 1 выделяется энергия, равная разнице в 10,2 эВ, что мы и наблюдаем.

Таким образом, при n = 3 => 13,6 эВ/9 = 1,51 эВ; при n = 4 => 13,6 эВ/16 = 0,85 эВ и так далее (см. рис. 4.5).

Любую волну описывают две количественные характеристики – расстояние между двумя смежными гребнями (длина) и стремительность, с которой волна движется вперед (скорость). Если закрепить концы струны, скажем, между нижним порожком гитары и вашим пальцем, прижимающим ее на определенном ладу гитарного грифа, в этот интервал смогут встроиться лишь определенные длины волн, соответствующие «ноте», которую вы решите сыграть (см. рис. 4.2). Если удвоить длину струны, вы получите ноту на октаву^4 ниже, поскольку теперь в промежутке идеально умещается волна вдвое большей длины.

Если немного расширить эту аналогию, электроны могут существовать только при таком расположении внутри атома, при котором между ними и ядром оказывается целое число длин их волн (см. рамку 4.1, в которой делается расчет для атома Водорода). В итоге электроны могут находиться на орбитах на определенных расстояниях от атомного ядра. Вследствие этого основные оболочки обозначаются как n = 1 для оболочки, ближайшей к ядру, n = 2 для следующей по направлению от ядра, n = 3 для еще более далекой и так далее. Как мы увидим впоследствии, эти оболочки соотносятся со строками Периодической таблицы.

И все же, пусть даже принцип «одна волна – одна оболочка» совершенно справедлив и истинен, с точными конфигурациями этих охватывающих волн все оказывается чуть более затруднительным, поскольку существует второе число, которое мы в силу необходимости должны присвоить каждому электрону. Оно соотносится с формой его орбиты (его орбитальным моментом, если говорить на языке физики). Мы обозначаем это число как l, и оно принимает значения 0 (для сферической формы), 1 (три орбиты, по форме напоминающие гантели, идущие в направлениях x, y и z), а потом – 2, 3, 4 и так далее, причем по мере возрастания значений числа орбиты становятся все более сложными. Эти незначительные различия в формах орбит у той или иной оболочки называются подоболочками, или подуровнями. И, наконец, как мы отмечали в третьей главе, каждый электрон подобен маленькой юле, которая вращается либо по часовой стрелке, либо против. Этот параметр мы определили как спин: s = + ½ или s = – ½.

В квантовом мире действует абсолютное правило: хотя все электроны обладают в точности одной и той же массой и в точности одним и тем же зарядом, никакие две частицы в атоме не могут быть во всех отношениях идентичными; иными словами, ни у каких двух электронов не могут полностью совпасть значения чисел n, l и s. Более того, каждой оболочке позволено иметь лишь определенное число подоболочек: на энергетическом уровне с номером n = 1 число l = 0; при n = 2 возможны значения l = 0 и l = 1; при n = 3 число l может равняться 0, 1 и 2 и так далее. Наконец, каждая форма орбиты (определяемая значением l) может содержать 2 × (2l + 1) электронов, где первая «2» призвана указать на один электрон со спином +½ и один со спином —½, а выражение в скобках отражает число возможных орбитальных форм, доступных на каждом l-уровне. Это распределение гарантирует, что двух одинаковых электронов не существует. Все подробности прояснит схема на рис. 4.3.

Теперь, разобравшись с номенклатурой, мы можем описать конфигурацию электронов в любом атоме, указав число мест, занятых в каждой оболочке и подоболочке. Например, для Хлора, представленного на рис. 4.3, мы бы записали конфигурацию как 1s^22s^22p^63s^23p^5 – в данном случае обычные числа указывают на энергетические уровни n, буквы – на обозначения числа l, а степенные показатели – на число электронов, занимающих каждую оболочку. Обратите внимание, что все подоболочки заполнены до отказа, как у любого нормального атома в спокойном состоянии, за исключением самой внешней 3p-подоболочки, на которой у нас как раз заканчиваются электроны: у Хлора 17 протонов, а значит, должно быть 17 электронов, отчего на 3p-подуровне остается пустое место. В случае, когда все электроны в атоме располагаются настолько близко к ядру, насколько это возможно, мы говорим об «основном состоянии» атома.

Рис. 4.3. Строение электронных оболочек у элементов Периодической таблицы. Значения n показывают энергетические уровни и соответствуют номеру строки в левой части таблицы. Заметим, что начиная с n = 3 подоболочки последующих энергетических уровней частично совпадают друг с другом. Подуровни s, p, d и f соотносятся с различными значениями числа l, призванного выразить орбитальный момент атома; этот показатель определяет форму электронных орбит (l = 0, 1, 2 и 3)

Рис. 4.3 (продолжение). Каждый подобный уровень может содержать 2 × (2l + 1) электронов. Стрелки (указывающие вверх или вниз) соответствуют допустимым спиновым квантовым числам (s = +½ или s = —½). Ни у каких двух электронов не могут совпасть все три квантовых числа n, l и s; круги показывают возможные расположения, которые согласуются с данным правилом. У Водорода, изображенного слева, всего лишь один электрон, занимающий положение 1s^1. У Хлора, с семнадцатью электронами (правый столбец), заполнены два свободных места на 1s-подуровне; два – на 2s-подуровне, шесть – на 2p-подуровне; два – на 3s-подуровне и пять свободных мест из шести на 3p-подуровне. Шкала полутонов, которая в данном случае выстроена в соответствии со значениями главного квантового числа n, нумерующего энергетические уровни, совпадает со шкалой полутонов в Периодической таблице (рис. 4.1)

Здесь содержится ключ к сродству того или иного элемента с другими или к отсутствию такого сродства: атомы любят заполнять свои оболочки. Хлор в этом почти преуспел: еще один электрон, и все будет в полном порядке. Даже если ему удастся обзавестись хотя бы одним электроном, переняв его от какого-нибудь иного атома, все будет лучше, чем эта зияющая брешь на 3p-подуровне. Он мог бы заимствовать одинокий электрон у Водорода и преобразиться в сильную соляную кислоту, HCl; мог бы захватить почти столь же одинокий электрон с самой внешней оболочки Натрия, занявшего третью строку Периодической таблицы, и образовать соединение NaCl, известное нам под названием поваренной соли; или мог бы даже вступить в реакцию с Калием из четвертой строки, и создать хлорид калия, KCl – заменитель соли для тех, кто находится на строгой бессолевой диете.

Обратите внимание, что у Аргона (Ar), элемента, идущего в Периодической таблице вслед за Хлором, количество протонов на один больше – и, следовательно, у него настолько же больше электронов, что позволяет ему заполнить 3d-подоболочку. Благодаря этому Аргон становится одним из надменных и самовлюбленных атомов, совершенно равнодушных к любым попыткам установить с ними контакт, поскольку его внешний подуровень заполнен и у него нет необходимости ни делиться своими электронами с другими атомами, ни перенимать электроны у них – он и так чувствует себя совершенно самодостаточным. Все элементы в самом правом столбце Периодической таблицы называются «благородными газами», что указывает на их абсолютное нежелание связываться с остальным простонародьем.

Благодаря этой системе проясняется структура трех первых строк Периодической таблицы. Электронная конфигурация у Водорода – 1s^1, у Гелия (He) – 1s^2; Водород пребывает в поиске, а Гелий вполне спокоен и доволен жизнью. Следующие восемь элементов во второй строке – это Литий (1s^22s^1 – можно сказать, что он в отчаянии); Бериллий (1s^22s^2 – ему уже слегка получше); Бор (1s^22s^22p^1 – здесь у нас гордый одиночка); Углерод (1s^22s^22p^2 – может поделиться двумя электронами и взять напрокат четыре, так что есть где развернуться); Азот (1s^22s^22p^3 – прекрасно сочетается с двойником: у него три электрона на самой внешней оболочке или три свободных места, в зависимости от того, как посмотреть, – вспомните это, когда дойдете до конца главы); Кислород (1s^22s^22p^4 – будет только счастлив присоединиться к двум Водородам); Фтор (1s^22s^22p^5 – тоскует по одинокому спутнику) и Неон (1s^22s^22p^6 – доволен как слон). Потом мы начинаем снова, с третьей строки, где у нас оказывается Натрий (1s^22s^22p^63s^1 – все как у Лития и Водорода), и так далее (рис. 4.4). Итак, в столбцах Периодической таблицы обозначены атомы со сходными конфигурациями внешних электронных уровней, каждый из которых примерно одинаково стремится поделиться своими электронами или принять их от другого элемента, в то время как строки указывают на то, что мы перемещаемся на другую орбиту, расположенную дальше от ядра.

Обратите внимание, что в четвертой строке структура таблицы меняется, поскольку в действительности 4s-подуровень находится немного ниже 3d-подуровня, способного вместить 2 × (2 × 2 + 1) = 10 электронов (см. рис. 4.4). Именно поэтому четвертая строка начинается с Калия и Кальция, у которых конфигурация самой внешней оболочки, учитывая количество электронов, записывается, соответственно, как 4s^1 и 4s^2, а за ними следуют Скандий (…4s^23d^1), Титан (4s^23d^2), другие элементы вплоть до Цинка (…4s^23d^10), и лишь после этого у нас появляется Галлий с электронами на 4p-подоболочке (…4s^23d^104p^1). Пятая строка воспроизводит ту же самую модель: у элементов, с которых она начинается, есть электроны на 5s-подуровне, потом совершается переход к 4d-подуровню, и лишь после ее заполнения мы вновь возвращаемся к 5p-подуровню (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Строение электронной оболочки, представленной на рис. 4.3, для девяноста четырех элементов, встречающихся в природе. Каждый электрон отмечен символом элемента, у которого он оказывается самым внешним (также указаны атомные номера). Например, у Алюминия (Al) 13 электронов, и самый внешний находится на 3p-подуровне, о чем свидетельствует запись 3p^1. Шкала полутонов и толщина линий совпадают с рис. 4.1 и 4.3

В шестой строке все становится еще сложнее, поскольку 4f-подуровень (способный содержать до 14 электронов) вкрадывается между 6s-подуровнем и 5d-подуровнем, вследствие чего за Барием (…6s^2) следуют четырнадцать так называемых «лантаноидов» (отмеченных в таблице астериском), а потом располагаются Лютеций (…5d^1) и Гафний (…5d^2). Эта система повторяется в седьмой строке после 88-го элемента (Радий, 7s^2). Сюда украдкой пробирается Актиний со своим электроном (5f^1), а вслед за ним мы находим пять самых тяжелых элементов из всех, какие только встречаются в природе, и еще двадцать четыре, которые нам удалось создать (впрочем, лишь на краткое время) в лаборатории. Срок существования первых пяти искусственно произведенных элементов варьируется от нескольких столетий до года, следующие девятнадцать живут от нескольких месяцев до всего лишь кратких миллисекунд, и неудивительно, что ни один из них не продается в сети Walmart. В теории остров стабильности предполагается у 126-го элемента, но если учесть, что нынешний рекордсмен, Оганесон, располагается в таблице под номером 118, а срок его существования составляет меньше двух десятых долей секунды, то добраться до этого острова, вероятно, будет невозможно.

Правила, изложенные выше, могут на первый взгляд показаться произвольными, но у них есть реальные основания в нашей математической модели квантового мира, и они позволяют нам предсказывать закономерности поведения, отраженные в Периодической таблице химических элементов. Однако для наших целей нам, по большей части, не нужны подробности, о которых нам известно благодаря постижению квантовой механики. Нам необходима модель, которая бы позволила рассчитывать срок жизни атомов, использовать его в наших интересах и интерпретировать. Принципы, о которых мы говорили в этой главе, дают для этого основу, и чтобы применить их в воссоздании истории, нам нужно лишь понять, как они связаны с понятием энергии.

Энергия

Энергия – это фундаментальная концепция в построенных нами моделях материального мира, и она неразрывно связана с атомами в том виде, в каком мы пытаемся осмыслить их суть. В отличие от некоторых других терминов, принятых в физике, формальное определение энергии очень близко к тому значению, в каком мы используем это слово в повседневной речи: энергия представляет собой способность совершать работу – толкать или тянуть; производить движение, сопротивляться ему или менять его скорость или направление; преображать вещество из одной формы в другую. Огромная практическая польза нашего представления об энергии заключается в том, что, хотя энергия и предстает во множестве обликов и охотно меняет формы, ее нельзя ни создать, ни уничтожить. В физике мы говорим о том, что энергия сохраняется.

В каждом из четырех фундаментальных взаимодействий проявляются разные формы энергии. Гравитация заставляет объекты, обладающие массой, приближаться друг к другу. Каждая частица, присутствующая на Земле, притягивает все остальные земные частицы, поэтому мы говорим, что наша планета обладает гравитационной энергией – и эта энергия эквивалентна той, которая необходима, чтобы разобрать ее, частица за частицей, и направить все эти частицы в бесконечность. Именно такое количество энергии высвободилось в то время, когда все планетезимали ранней Солнечной системы срослись и сформировали Землю. Остаток этой энергии сегодня проявляется во внутренней температуре нашей все еще остывающей планеты, равной 6000 К. Если вы, удерживая какой-нибудь предмет над поверхностью Земли, отпустите его, он упадет «вниз»; таким образом, он обладает потенциальной гравитационной энергией, поскольку притягивается к центру Земли (именно так определяется направление «вниз»). Плотины ГЭС и водяные мельницы работают, захватывая эту потенциальную энергию по мере того, как вода, устремляясь вниз, рождает электричество или вращает водяное колесо.

Электромагнитное взаимодействие проявляет энергию самыми разными способами. Благодаря ему вращается стрелка компаса, а высокоэнергичные частицы, излученные Солнцем, наводятся на Северный полюс, рождая северное сияние. Колебания электронов в проводах заряжают наши фонарики и телефоны и вращают колеса электропоезда. Свет – это высшая форма электромагнитной энергии, волна колеблющегося электрического и магнитного поля, которая мчится сквозь пространство со скоростью в 300 000 км/с (см. рамку 4.2, где кратко описаны длина волны света, энергии и соответствующие температуры). Две частицы, одна из которых характеризуется положительным зарядом, а другая отрицательным, притягивают друг друга и, по аналогии с гравитацией, обладают потенциальной электрической энергией, когда находятся во взаимном отдалении, и электрической энергией связи, когда соединены. Энергия, которая высвобождается (или поглощается), когда атомы меняют свое взаимное расположение, чтобы сформировать (или расщепить) молекулы, – тоже электромагнитная по своей природе, – называется химической энергией.

Ядерные взаимодействия, уже из названия которых следует, что они ограничены масштабами атомного ядра, безраздельно господствуют в своем «царстве» и производят энергии связи, сила которых невероятна и которые, при высвобождении, могут порождать высокоскоростные частицы или фотоны и преображать атомы того или иного рода в другой. Даже масса как таковая представляет собой форму запасенной энергии, и если она высвобождается при встрече частиц вещества и антивещества или при образовании нового атомного ядра, при этом может выделиться огромное количество энергии, что отражено в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc^2, где m – масса, а c – скорость света. И Солнце, и атомные электростанции – это примеры преобразования массы в энергию.

Как мы отмечали в третьей главе, тепло – это тоже форма энергии, представленная движением частиц, из которых состоит вещество. Такая энергия движения как на микроскопическом (колеблющиеся атомы), так и на макроскопическом (мчащийся пассажирский поезд) уровне называется кинетической энергией и равна произведению половины массы движущегося объекта на квадрат его скорости (Ek = ½ mv^2).

Рамка 4.2. Электромагнитный спектр

У электромагнитной волны энергия обратно пропорциональна длине волны (чем короче длина волны, тем быстрее колебания, и это, в свою очередь, свидетельствует о большей энергии). В частности:

E = hc/λ, где обозначено следующее:

E = энергия волнового пакета, так называемого фотона (в джоулях)

h = постоянная Планка, основная константа природы = 6,63 × 10–34 Дж·c

c = скорость света, еще одна константа, в вакууме равная 3 × 10^8 м/с

λ = длина волны света (расстояние между двумя соседними гребнями)

Для процессов, происходящих на атомном уровне, несколько практичнее выражать энергии не в джоулях, а в электронвольтах, эВ:

1 эВ = 1.6 × 10–19 Дж; 1 кэВ = 10^3 эВ; 1 МэВ = 10^6 эВ

Любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение с длиной волны, обратно пропорциональной температуре. Чем выше значение T, тем быстрее движутся частицы и тем меньше, в свою очередь, длина волны λ:

λmax = 0,0029 м/T [K], где:

λmax = пик спектра, где излучается максимальное количество энергии

0,0029 м = константа, используемая для того, чтобы получить результат в метрах

T [K] = температура, измеренная в кельвинах.

Спектр (в каком-то смысле произвольно) разделен на неравные доли, которым присвоены различные имена, хотя, в сущности, это непрерывный диапазон, не ограниченный ни с какой стороны.

В то время как для измерения всех остальных физических свойств американцы (и жители Бермудских островов) используют устаревшие английские единицы (дюймы, футы, мили, фунты, кварты и так далее), для энергии даже в Америке приняли метрическую систему. Самая известная единица ее измерения – это калория, которую можно найти на этикетках, маркирующих пищевые продукты от мороженого до сырных палочек. Одна килокалория (именно в них измеряется калорийность, и исторически они назывались «большими» калориями, а в английском обозначаются с заглавной C, Calorie^5) – это мера энергии, необходимой для того, чтобы повысить температуру 1 литра воды на 1 °C (как видите, везде метрическая система). Таким образом, количество килокалорий, указанное на этикетках, – это мера химической энергии, запасенной в упаковке, и как только вы переварите всю еду, заключенную в эту упаковку, энергия высвободится в форме тепла, пойдет на формирование жировых клеток и так далее.

Скорость, с которой используется энергия, называется мощностью, и привычная нам единица измерения мощности также метрическая – это ватт. 1 ватт призван обозначить энергию в 1 джоуль, использованную за 1 секунду, где джоуль (выводимый из формулы кинетической энергии, равной произведению массы на квадрат скорости) равен 1 кг м^2/с^2; примерно столько энергии тратит килограммовая курица на спокойное перемещение. В одной килокалории 4184 Дж (этот странный коэффициент появился в результате того, что калориям давали самые разные определения – сложно усмотреть очевидную равноценность, сравнивая нагрев воды и куриную прогулку).

Большая часть килокалорий, потребляемых вами, идет на то, чтобы повысить вашу температуру, подняв ее с той, которая характерна для окружающего пространства (примерно 20 °C), до той, при которой ваше тело работает наилучшим образом (37 °C). Поскольку ваше тело по большей части состоит из воды, то легко рассчитать, что при массе, скажем, в 65 кг для достижения этой цели – иными словами, для увеличения температуры на 37° – 20° = 17 °C – потребуется 1100 ккал. И вдруг оказывается, что в пинте мороженого «Бен и Джерри» как раз 1100 ккал (это указано прямо на этикетке). Так что же, выходит, вам нужно просто съесть пинту «Бен и Джерри», и все будет хорошо?

Это было бы правдой, если бы вы не теряли энергию на обмен с окружающей средой, а также если бы она не требовалась вашему сердцу, чтобы прокачивать кровь по телу, и если бы ваши нейроны не пребывали в крайнем возбуждении по мере того, как вы читаете эти строки. На самом деле для того, чтобы сохранять температуру вашего тела в ее оптимальном рабочем диапазоне при условии постоянного излучения энергии, и для того, чтобы поддерживать все остальные функции вашего тела, вы используете энергию примерно с той же скоростью, с какой ее использует 100-ваттная электрическая лампочка: 100 джоулей в секунду. Это означает, что ваша общая потребность в энергии за день составляет 100 Дж/с × 60 сек/мин × × 60 мин/ч × 24 часа/день = 8 640 000 Дж. Если мы переведем это в килокалории, то получим 8 640 000 Дж × 1 ккал/4184 Дж = = 2065 ккал в день, – примерно столько вы и получаете при стандартной диете.

Энергия, которая поддерживает в вас жизнь, прошла долгий и богатый событиями путь. Изначально, сотни тысяч лет назад, она была испущена в ходе ядерной реакции, происходившей в недрах Солнца, тысячи лет блуждала в его глубинах, потом вырвалась на свободу с его поверхности, в виде света помчалась к Земле, достигла ее меньше чем за восемь минут, потом ее впитал лист растения, чтобы запустить фотосинтез и сформировать химические связи, потом этот лист склевала курица и энергия, заключенная в нем, преобразилась в мясистое крылышко, а это крылышко, в свою очередь, съели вы, и у вас в животе химические связи вновь перестроились, породив согревшее вас тепло – иными словами, формы энергии, от ядерной и электромагнитной до химической и кинетической, выглядят совершенно по-разному, но ее величина остается неизменной.

Энергия связи электрона

Теперь, когда мы уплели пинту «Бена и Джерри» и поняли, что такое энергия, мы можем вернуться к электронам, движущимся в атомах по четко заданным образцам, и посмотреть, как они взаимодействуют со светом, с соударяющимися частицами и с соседними атомами, с которыми они, с той или иной степенью вероятности, могли бы объединиться и образовать молекулы.

Каждая из электронных оболочек и подоболочек, о которых мы говорили выше, соотносится с определенным количеством «энергии связи». Поскольку сила электрического притяжения ослабевает с увеличением расстояния, электроны, расположенные ближе всего к ядру, связаны наиболее прочно. Мы исчисляем эти взаимодействия, определяя энергию связи как равную той энергии, которая потребовалась бы, чтобы полностью освободить электрон из атома; такой процесс называется «ионизацией», а атом, который в результате получает заряд, – «ионом». Поскольку есть все логические основания назвать электрон с нулевой энергией связи свободным (он ведь не давал клятву верности своему бывшему спутнику-ядру), мы характеризуем энергии связи как отрицательные; иными словами, нам, чтобы получить ноль, нужно прибавить энергию к отрицательной величине.

Схема энергетических уровней Водорода показана на рисунке 4.5. Электрон в 1s-состоянии обладает энергией связи –13,6 эВ (см. рамку 4.1), где эВ обозначает «электронвольт»; 1 эВ – это крошечное количество энергии, подходящее для разговора об отдельных атомах и их составляющих, и он равен 1,6 × 10–19 Дж. Если бы я сообщил этому электрону Водорода +13,6 эВ, он стал бы свободным (ионизированным). Если бы я сообщил ему +14 эВ, то он бы сперва использовал первые +13,6 эВ, чтобы освободиться, а потом ускользнул бы с кинетической энергией 0,4 эВ. Если бы я сообщил ему 25 эВ, он бы умчался прочь со скоростью 2000 км/с и через секунду прибыл бы из Нью-Йорка в Миннеаполис.

Энергию к беспокойному электрону можно передать двумя способами. Если достаточно близко промчится фотон с энергией, равной 14 эВ, электрон может захватить его, уничтожить и преобразовать его электромагнитную энергию в кинетическую, необходимую для высвобождения. Есть и альтернатива: с атомом может столкнуться другой атом, молекула или субатомная частица, скажем, еще один электрон; опять же, если его кинетическая энергия больше чем 13,6 эВ, электрон может высвободиться.

Любой фотон или соударяющаяся частица, энергия которой не доходит до 13,6 эВ, вероятнее всего, просто пройдет мимо атома или отскочит, ничего не изменив. Впрочем, пусть даже у атома Водорода всего один электрон на 1s-подуровне, более высокоуровневые оболочки все же существуют, и если освещающий фотон или соударяющаяся частица будут обладать как раз подходящим количеством энергии, электрон может перейти в «возбуждение» и перескочить из основного состояния на один из более высоких уровней. Например, если рядом промчится фотон, имеющий точно 10,2 эВ, он, скорее всего, будет захвачен и уничтожен, поскольку именно такое количество энергии требуется электрону, чтобы перескочить на 2s-подуровень, оставив 1s-подуровень временно пустым. В случае, если с электроном соударяется частица, ее кинетическая энергия просто должна быть больше чем 10,2 эВ, поскольку электрон может вобрать необходимое ему количество, а вторгшаяся частица – отскочить и унести остаток энергии с собой. Отлетающая частица уже будет двигаться медленнее, поскольку отдала часть своей энергии электрону, поэтому такое столкновение мы называем неупругим (поступившая энергия не равна выделенной, потому что ее отчасти поглотил электрон, см. рис. 3.4).

Рис. 4.5. Схема энергетических уровней для атома Водорода, показывающая энергии связи на различных n-уровнях (подуровни не указаны в целях простоты). Электрон может поглотить энергию соударяющейся частицы или пакета световых волн, если кто-либо из них обладает достаточным количеством энергии, чтобы помочь электрону подняться на один из допустимых верхних уровней. Когда электрон вновь опускается вниз, он либо рождает свет, либо сообщает соударяющейся частице дополнительную энергию в количестве, соответствующем разнице в энергии между уровнями. Уровень, помеченный как 0 эВ, соответствует электрону, утратившему все связи с ядром; этот процесс мы называем ионизацией

Теперь электрон на 2s-подуровне Водорода находится в «возбужденном» состоянии. Электрон – частица в какой-то мере простая, и это состояние у него длится недолго. Если оставить его в покое, то в среднем через 0,125 секунды он снова перескакивает обратно в основное состояние, на 1s-подуровень. Этот соскок производит энергию, и появляется возможность унести ее в форме фотона с энергией 10,2 эВ – возбужденный атом может создать свет. Кроме того, это свет с очень специфической энергией, уникальной для разделения энергетических уровней в атоме каждого вида, и это позволяет нам распознавать атомы Водорода, Гелия и Углерода по всей Вселенной.

Альтернативный путь для снятия возбуждения – столкновение. В плотной среде атом может сотни раз в секунду подвергаться ударам со стороны своих соседей, а любой случайный удар способен вбить электрон обратно в основное состояние. В этом случае по-прежнему следует учитывать те самые 10,2 эВ энергии: она переходит в нанесшую удар частицу, благодаря чему происходит сверхупругое столкновение, в котором отлетающая частица обретает энергию, забрав ее у электрона.

У атома Водорода много уровней (в принципе, их количество бесконечно), и каждый отделен от других точно определенным количеством энергии. Переходы вверх и вниз между каждой парой уровней возможны (хотя некоторые более вероятны, нежели другие, и продолжительность существования на каждом возбужденном уровне чрезвычайно различается), поэтому энергий, при обладании которыми фотоны и соударяющиеся частицы могут создать условия, вызывающие перескок электрона, очень много, и они весьма разнообразны.

В более сложных атомах с большим количеством электронов допускается еще больше переходов. Внутренние уровни атомов с высоким атомным номером, таких как Уран, имеют очень прочные связи, поскольку каждый из десятков протонов в ядре привлекает ближайшие электроны, вследствие чего энергии связи превышают значения в тысячи электронвольт. Самые внешние электроны у большинства атомов удерживаются, в некоторой степени, столь же прочно, как электрон в атоме Водорода, поскольку для электрона, расположенного дальше всего от центра, любой атом в каком-то смысле подобен Водороду – каждый из электронов, находящихся ближе к ядру, нейтрализует один положительный заряд, так что одинокий внешний электрон эффективно воздействует лишь на один такой заряд. Например, в атоме Урана самые близкие к ядру электроны обладают энергией связи 115 000 эВ, а у самого дальнего от ядра (расположенного на 6d-уровне) энергия связи составляет 16,8 эВ – она лишь на 24 % больше, чем у единственного электрона в атоме Водорода.

Энергия связи ядра

В главе 3 мы говорили о том, как в атомном ядре, где проявляются все четыре фундаментальные силы, притяжение, рожденное сильным ядерным взаимодействием, преодолевает электростатическое отталкивание положительно заряженных протонов, втиснутых в тесное пространство, создавая тем самым сердце атома. Стабильность атомного ядра можно определить, если измерить интенсивность этой притягивающей силы, обусловленной сильным взаимодействием, вычесть отталкивающую электрическую силу и найти чистую энергию, с которой частицы притягиваются друг к другу, – энергию связи ядра. Она представляет собой то количество энергии, которое потребовалось бы вам, чтобы разорвать все протоны и нейтроны и пустить их по ветру. Точно так же, если учесть, что энергия преобразуется из одной формы в другую, энергия связи ядра показывает то количество энергии, которое выделяется, когда частицы объединяются, чтобы сформировать ядро. Это аналогично энергии связи электронов, описанной выше, но из-за интенсивности сильного ядерного взаимодействия, а также из-за того, что ядро занимает намного меньшее пространство, энергии связи ядра намного больше – вместо диапазона от 1 до 100 000 эВ, которые мы наблюдали у электронов, энергия связи ядра колеблется от 1 млн до 9 млн эВ для каждой ядерной частицы. Общая энергия связи ядра Углерода, имеющего шесть протонов и шесть нейтронов, составляет 92,1 миллиона электронвольт (МэВ), в то время как шесть его электронов обладают общей энергией связи в 632 эВ – разница в энергии между гуляющей по двору курицей, которую я чуть раньше привел в пример, и мотоциклом «Харлей-Дэвидсон», мчащимся со скоростью 120 км/ч.

Более того, электронвольт – невеликая единица измерения энергии, так что в масштабах, к которым привыкли люди, даже 92 миллиона – это немного. Но атомы тоже невелики, и если добавить энергию связи ядра в атомы Углерода в чешуйке графита, она будет соответствовать энергии пассажирского поезда с шестью вагонами, который весит 680 тонн и несется вперед со скоростью в 130 км/ч! Именно поэтому ядерные превращения – независимо от того, происходят ли они на атомной электростанции или в бомбе, – настолько мощнее химических реакций, в которых взаимодействие каждого атома с его ближайшим окружением производит примерно в 10 000 000 раз меньше энергии.

Энергию связи любого ядра можно рассчитать, просто взвесив его (или, выражаясь более точно, измерив его массу). Можно было бы подумать, что такое измерение даже не понадобится, поскольку нам известно число протонов и нейтронов в каждом ядре, поэтому мы могли бы просто сложить сумму масс составляющих частиц и вычислить итоговую. Но, как показал нам Альберт Эйнштейн, масса – это просто иная форма энергии, и вся эта энергия, связывающая ядро воедино, должна откуда-то поступать. На самом деле это «откуда-то» и есть масса: E = Δmc^2, где E – это энергия связи ядра, Δm – разница между суммой масс составляющих частиц и массой самого ядра, а c – скорость света.

Мы произвольно выбрали атом Углерода, чтобы определить единицу атомной массы (разумно названную «атомной единицей массы» и получившую аббревиатуру а. е. м.). Выстроив шкалу таким образом, чтобы атом Углерода обладал массой в 12 а. е. м., мы можем провести расчеты, подобные тем, что приведены в рамке 4.3, и найти энергию связи ядра Углерода. Определив сумму составляющих атома, мы увидим, что общая масса превышает 12 а. е. м. на 0,8 %. Впрочем, когда мы соединяем все составляющие, эта избыточная масса выделяется в форме энергии – мы подробнее обсудим это в главе 16. Именно поэтому сияют звезды. Обратив массу в энергию при помощи уравнения Эйнштейна, мы получим 92,1 миллиона электронвольт энергии связи для атома Углерода – сверхскоростной пассажирский экспресс в чешуйке графита.

На шкале, где масса Углерода составляет 12 а. е. м., отдельный протон имеет массу 1,00728 а. е. м., а нейтрон – массу 1,00867 а. е. м. Так, шесть протонов обладают массой

6 × 1,00728 а. е. м. = 6,04368 а. е. м. приходится на протоны,

и шесть нейтронов лишь немногим тяжелее

6 × 1,00867 а. е. м. = 6,05202 а. е. м. приходится на нейтроны.

Но нам нельзя забывать об электронах. Их масса очень мала, но она не нулевая и составляет 9,1 × 10–31 кг для каждого электрона, так что шесть электронов добавляют

6 × 0,000548 а. е. м. = 0,00329 а. е. м.,

и тем самым общая масса частиц, составляющих атом, равна 12,0989 а. е. м.

Если мы вычтем из этого числа 12,000 и произведем преобразование в единицы энергии, то получим

0,0989 а. е. м. × 1,66054 × × 10–27 кг/а. е. м. × (2,99792 × 10^8 м/с)2 = 1,476 × × 10–11 Дж/1,6022 × 10–13 Дж/МэВ = 92,1 Мэ В.

Энергия химической связи

Заключительная тема, требующая нашего внимания в этой главе, касается понимания процесса, благодаря которому формируются молекулы. Путем исключения можно со всей очевидностью установить, что атомы связываются в молекулы благодаря электромагнитной силе – гравитация чрезвычайно слаба, чтобы играть важную роль на атомном масштабе, а два других взаимодействия, сильное ядерное и слабое ядерное, не проявляются за пределами ядра. И все же как взаимодействующие электроны – все отрицательно заряженные и тем самым взаимно отталкивающие друг друга – образуют прочные связи между атомами?

Разгадка кроется в эффективном распределении электронных волн вокруг ядра, а также в стремлении атомов к симметрии, которая рождается благодаря заполненным электронным оболочкам. Хороший пример – атомы Водорода и Кислорода в воде. Каждый атом Водорода, имеющий лишь один электрон, был бы гораздо счастливее, если бы его 1s-подуровень был бы либо заполнен (с двумя электронами), либо пуст (без электронов). Атом Кислорода имеет конфигурацию 1s^22s^22p^4 и хотел бы заполнить два своих оставшихся свободных места на 2p-подуровне. Так совершаются браки на атомных небесах. Каждый из атомов Водорода может поделиться своим электроном с атомом Кислорода, так что его 2p-подуровень оказывается более заполненным. Тем временем, когда электроны в большей степени сосредотачиваются вокруг атома Кислорода, он приобретает, в среднем, слегка отрицательный заряд, тогда как оба атома Водорода становятся слегка положительно заряженными. А положительные и отрицательные заряды притягиваются (см. рис. 3.5).

Это асимметричное распределение заряда в молекуле воды, называемое полярностью, оказывается причиной многих важных свойств воды. Во-первых, благодаря ему ее молекулы притягиваются друг к другу (положительный конец – к отрицательному; отрицательный, в свою очередь, – к положительному…), и возникает то, что мы называем поверхностным натяжением. Его примером может стать пленка на лужице, достаточно прочная для того, чтобы некоторые насекомые могли в прямом смысле слова ходить по воде. Так объясняется и способность воды растворять практически все: электрические силы разрывают слабые связи, посредством которых молекулы других веществ скрепляются друг с другом. Благодаря этой характерной черте вода становится столь важной для жизни – она растворяет химические элементы любого рода и переносит их, протекая через стебель растения или кровеносный сосуд. Кроме того, полярность проясняет и еще одно необычное свойство, которым обладает вода, – в твердой фазе она менее плотная, чем в жидкой (то есть лед плавает на поверхности воды).

Для создания воды нужно в прямом смысле слова «сжечь» газообразный Водород, H_2 (он сочетается с газообразным Кислородом, O_2) в ходе реакции, представленной в следующем виде:

2H_2 + O_2 → 2H_2O + 19,2 эВ

Иными словами, каждые две молекулы H_2 (четыре атома Водорода в целом) связываются с одной молекулой O_2 (двумя атомами Кислорода), чтобы создать две молекулы воды (два соединения H_2O), и в процессе выделяют 19,2 эВ энергии. В среднем это означает, что каждая связь O – H в молекуле воды обладает энергией связи, равной 19,2 эВ/4 = 4,8 эВ. Это типично для энергий связи в сравнительно простых молекулах, которые, как правило, охватывают диапазон от 1 до 10 эВ. Одну из самых прочных простых связей мы обнаружим в молекулах Азота, составляющих большую часть нашей атмосферы – на то, чтобы разорвать связь N_2, нужно затратить 9,8 эВ. И это проблема, поскольку Азот неимоверно важен для жизни растений. Растения не могут расщепить Азот, содержащийся в воздухе, и доверяют эту задачу бактериям, которые живут на их корнях, а бактерии используют Кислород как источник энергии и разрывают с его помощью связь N_2, благодаря чему атомы Азота становятся пригодными для растений (см. гл. 10).

Как мы отмечали чуть раньше в этой главе, асимметричное распределение заряда в молекуле позволяет молекулам притягиваться друг к другу. У воды это притяжение сравнительно сильное и составляет 0,42 эВ на молекулу в жидком состоянии – иными словами, именно столько энергии нужно добавить, чтобы разорвать связи между молекулами воды при переходе из жидкого состояния в газ (можно выразиться иначе: чтобы вскипятить воду и получить пар). Для перехода воды из твердой фазы в жидкую (таяние льда) нужно частично разорвать связи и позволить молекулам проскальзывать друг над другом. На это уходит в семь раз меньше энергии (0,06 эВ на молекулу).

Итак, мы завершили цикл, пройдя от начала главы 3 к концу главы 4. Мы начали с того, что разделили всю материю на три группы в зависимости от ее состояния и увидели, что эти состояния, или фазы, определяются лишь прочностью связей между элементарными частицами. Теперь мы понимаем, что на превращение твердого тела в жидкость, а жидкости – в газ требуется примерно 0,05 эВ и 0,5 эВ, а для разложения частиц на соответствующие атомы – примерно 5 эВ на связь. Расщепление атомов на электроны и ядро требует от 15 до 150 000 эВ, разрушение ядра на протоны и нейтроны – 5–10 миллионов эВ, а распад протонов на кварки происходит при затрачивании 50 миллионов эВ. Шкала энергий охватывает значения, доходящие до 1 миллиарда, но принципы остаются неизменными: от кварков и лептонов до кубиков льда иерархия вещества, которой управляют четыре фундаментальных взаимодействия, связывает элементарные частицы в девяносто четыре базовых «кирпичика», придающие облик нашему миру. И хотя нам все-таки удалось разделить эти «неделимые» атомы, они стали нашими добрыми знакомыми, и мы хорошо изучили их внутренний мир и внешние связи. Теперь осталось лишь кратко поговорить о степени их родства и о времени жизни в главах 5 и 6, и мы будем готовы вместе с ними отправиться в путешествие по давно минувшим временам.

Глава 5

Изотопы: разновидности элементов

Теперь, когда мы обрисовали уникальный статус девяноста четырех типов атомов, из которых состоят миллионы веществ, определяющих, как выглядит наш мир, пришло время немного все усложнить: не все атомы Углерода одинаково похожи, и то же самое можно сказать об атомах Водорода, Кислорода или, скажем, Урана. Каждый из девяноста четырех элементов существует в двух или нескольких разновидностях, которые мы назвали «изотопами».

«Изос» в переводе с греческого означает «одинаковый», а «топос» – место^1. Все атомы Углерода находятся на «одинаковом месте» в Периодической таблице, и, как вы помните, это означает, что у них полностью совпадают атомные номера и распределение электронов, так что они ведут себя совершенно одинаково во всех химических реакциях. Как нам уже известно, если число электронов у них одинаково, тогда одинаковым должно быть и число их протонов – только при выполнении этого условия они окажутся электрически нейтральными. Действительно, все именно так: атомный номер каждого атома Углерода – шесть, что указывает на шесть его протонов и шесть электронов.

Таким образом, единственный оставшийся показатель, благодаря которому мы можем отличить разновидности Углерода, – это число нейтронов, присутствующих в каждом ядре, поскольку эти частицы нейтральны и никак не влияют на электрически заряженные компоненты. И именно в числе нейтронов, присутствующих в каждом атомном ядре, мы увидим различия. Если бы вы взяли обрезок ногтя и разобрали его атом за атомом, вы бы обнаружили, что примерно 45 % в нем составляли атомы Углерода. Но если бы вы очень аккуратно отсортировали атомы по массе в крошечные ведерки, для Углерода вам понадобилось бы три. Около 98,93 % атомов Углерода оказались бы в ведерке с атомной массой в 12 а. е. м. Большая часть из оставшихся 1,07 % обладала бы массой 13 а. е. м., а примерно один атом из триллиона весил бы 14 а. е. м. Можно было бы подумать, что нечто, существующее в виде одной части из триллиона, вряд ли вообще покажется на свет, но важно помнить, что атомы крохотны; с одного обрезка вашего ногтя в ведерко под номером 14 соберется более миллиарда атомов.

Таким образом, изотопы Углерода различаются по числу нейтронов, содержащихся в их ядре, а внешне отличия проявляются в массе атома (изначально названной «атомным весом»). Мы указываем на них, помечая символ атома массовым числом (число протонов плюс число нейтронов), которое выглядит как предшествующий надстрочный индекс: для трех самых распространенных изотопов Углерода мы получим 12C, 13C, 14C (иногда их также записывают как C‐12, C‐13, C‐14).

В общей сложности есть еще двенадцать изотопов Углерода, и они варьируются от 8C (всего с двумя нейтронами) до 22C (который может похвастаться колоссальным числом нейтронов – их шестнадцать), но ни один из этих изотопов – ни сотворенный в лаборатории, ни возникший в природе – не отличается долгой жизнью; время жизни 11С в среднем составляет примерно 20 минут, а все остальные существуют не более 20 секунд (некоторые – намного меньше, как, например, 8С со временем жизни 0,000000000000000000002, или 2 × 10–21 с). 14С также склонен к распаду, но он разрушается достаточно неспешно, и этот срок измеряется тысячелетиями. Склонность некоторых ядер спонтанно преображаться в другой изотоп – основа радиоактивности, предмет следующей главы и ключ к датированию давно минувших событий.

Поэтому мы говорим, что Углерод обладает двумя стабильными изотопами (12C и 13C) и тринадцатью нестабильными, или радиоактивными. Это не значит, что стабильные изотопы совершенно неспособны на изменения. Если мы достаточно сильно ударим по их ядру – либо другими частицами, либо протонами с чрезвычайно высокой энергией, – мы можем возбудить их и даже преобразовать в другие ядра. Но если оставить их в покое, они будут существовать сами по себе и останутся неизменными на протяжении срока, который по меньшей мере в миллиард раз превышает возраст Вселенной, – они очень стабильны^2.

Открытие изотопов

Точно так же, как химики в первые десятилетия XIX века ввели концепцию атомов, обладающих различной массой и характерными свойствами, физики в первые два десятилетия XX века открыли, что элементарный атом может существовать в разных состояниях массы. К 1920 году два независимых потока мысли сошлись, и было установлено существование изотопов.

Первое направление исследований затрагивало радиоактивные^3 элементы, расположенные в конце Периодической таблицы, – Торий и Уран. Уран добывают из минерала под названием настуран – вещества, используемого как краситель в стеклоделии еще со времен Римской империи. В форме элемента Уран в 1789 году выделил немецкий аптекарь Мартин Клапрот, назвав его в честь Урана – первой планеты, которую в том же десятилетии, только чуть раньше, впервые наблюдал в телескоп Уильям Гершель. А в 1828 году шведский химик Йёнс Берцелиус выделил Торий – новый элемент, один из восьми^4, которые он открыл в своей лаборатории за три десятилетия XIX века.

В 1896 году Антуан Анри Беккерель по счастливой случайности обнаружил радиоактивность Урана (см. гл. 6), а вслед за этим, в 1898 году, в компании радиоактивных элементов наравне с ним оказался и Торий (его радиоактивность установили Герхард Шмидт и, независимо от него, Мария Кюри). С этого началось еще более активное изучение обоих элементов. Вскоре стало очевидно, что в руде наравне с ними присутствовали и другие радиоактивные элементы, предварительно получившие названия мезоторий (из ториевых руд) и ионий (из ураниевых руд). Однако попытки выделить два новых элемента при помощи химических средств обернулись неожиданностью: ионий не отличался от самого Тория, а мезоторий в химическом отношении казался идентичным Радию, расположенному на две ступени ниже в Периодической таблице. Английский химик Фредерик Содди подвел итог сложившейся ситуации в 1910 году: «…элементы, имеющие различные атомные веса, могут обладать одинаковыми [химическими] свойствами»5. Иными словами, атомы с идентичными электронными конфигурациями (определяющими их химические свойства) и тем самым располагающие одинаковым числом протонов (что определяет их место в Периодической таблице) могут иметь разные массы («атомные веса»).

С учетом того, что относительный атомный вес играл ключевую роль в определении долей каждого типа атома в сложных веществах – и поэтому был важен для распознавания самих элементов, – этот вывод в какой-то степени приводил в замешательство. Последнее слово в этом споре прозвучало с появлением новой технологии – масс-спектрометра. 1 декабря 1919 года Фрэнсис Астон, физик, работавший в Кавендишской лаборатории в Кембридже, опубликовал статью с описанием своего «спектрографа положительных лучей»6. В этом устройстве использовалось сочетание электрических и магнитных сил, призванное на основании удельного заряда отклонить «положительные лучи», испущенные различными веществами (теперь мы называем эти «лучи» ионами), на отдельные приемники. Работая с Неоном, Астон показал, что поток, в котором все ионы обладали одинаковым зарядом, разделялся надвое, и массы атомов в двух потоках составляли 20 и 22. В последующие годы при помощи своего устройства он исследовал десятки различных элементов и определил 212 особых изотопов, способных существовать в природных условиях.

В ходе своих экспериментов Астон выяснил, что в том случае, когда изотопы одного и того же элемента были отделены друг от друга, каждый из них обладал атомным весом, очень близким к целому числу на шкале, рассмотренной нами в прошлой главе, где Углерод имел точно 12 единиц, а Водород – 1. Так, например, встречающийся в природе Хлор, атомная масса которого давно была измерена и составляла 35,45 массы Водорода, на самом деле представлял собой смесь двух разных изотопов элемента: 75,77 % Cl‐35 и 24,23 % Cl‐37^7. Когда в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, значение «правила целых чисел» Астона стало очевидным: атомный вес (или, если говорить в привычных нам сегодня терминах, атомная масса) – это просто сумма протонов и нейтронов, которые содержатся в ядре. Различные изотопы можно отличить по числу нейтронов, которые присутствуют в ядре наравне с четко установленным числом протонов (атомный номер), определяющим место каждого элемента в Периодической таблице (рис. 4.1).

Инвентарь изотопии

Каждый элемент от номера 1 (Водород) до номера 82 (Свинец) – за исключением двух случаев – имеет по меньшей мере один стабильный изотоп. У двадцати шести элементов есть только один (к таким, например, относятся Бериллий (4-й элемент); Фтор (9-й элемент); Натрий (11-й элемент); Алюминий (13-й элемент) и так далее^8); рекордсмен – Олово (50-й элемент), у которого десять стабильных изотопов. Эти восемьдесят элементов в общей сложности содержат 254 изотопа, никогда не проявлявшие какой бы то ни было нестабильности.

Впрочем, среди восьмидесяти двух первых элементов выделяются два, которые не обладают стабильной формой: это Технеций (номер 43) и Прометий (номер 61). Два наиболее долгоживущих изотопа Технеция – это 97Te и 98Te, оба они в среднем способны существовать примерно 4,2 миллиона лет, однако самый распространенный изотоп (обнаруживаемый, наряду с Ураном, в настуране^9) – это 99Te, присутствующий в мельчайшей концентрации примерно в 1 часть на 4 триллиона, и при этом срок его жизни – лишь 211 000 лет. Это означает, что со времен возникновения Земли – а это случилось 4,57 миллиарда лет тому назад, – Технеция просто не могло остаться, и эти изотопы, по всей вероятности, возникли в ходе естественных процессов, о которых мы поговорим в главе 6. Прометий, подобным образом, в крошечных количествах встречается в урансодержащих материалах; наиболее стабильный его изотоп – 145Pm, среднее время жизни которого составляет лишь 17,7 года.

После Свинца (номер 82) ни один из встречающихся в природе элементов (номера 83–94) не имеет даже одного стабильного изотопа, хотя некоторые из них отличаются завидной долговечностью и многое повидали еще с возникновения Солнечной системы. Рекордсменом в данном случае станет Висмут‐209 (83-й элемент) с установленным сроком существования в 1,9 × 10^19 лет, что более чем в миллиард раз превышает возраст Вселенной – он еще долго нас не покинет. Двое других изотопов-долгожителей из этой части Периодической таблицы – это Торий‐232 со временем жизни в 14 миллиардов лет (в пределах нескольких процентных пунктов от возраста Вселенной) и Уран‐238, срок жизни – 4,47 миллиарда лет, почти ровесник Земли. Как мы увидим в главе 6, «время жизни» в данном случае – это не конкретное число. Точно так же, как у людей средняя продолжительность жизни не означает, что каждый умирает в 78,6 года – много кто перешагнул этот рубеж, – поэтому вполне можно предположить, что какие-то из этих трех элементов присутствовали на Земле с самых первых дней ее формирования. Если учесть радиоактивные изотопы, которые обладают как стабильной, так и нестабильной формой, то в общем итоге у нас тридцать четыре различных изотопа, нестабильные, но способные прожить более ста миллионов лет. Эти неустойчивые, но долговечные изотопы удачно названы «первичными», поскольку они присутствовали в облаке, благодаря сгущению которого возникла Солнечная система.

Для других девяти самых тяжелых элементов характерен намного меньший срок существования – от 80,8 миллиона лет у Плутония‐244 (номер 94) до всего лишь 22 минут у Франция‐223 (номер 87). Даже десятки дополнительных нейтронов, которые пытаются удержать их ядра от распада, не могут преодолеть огромное электростатическое отталкивание протонов, стиснутых в крошечном пространстве. Эти (и прочие) изотопы, встречающиеся в природе, возникли не из материи, сформировавшей Землю, а постоянно образуются благодаря разрушению долгоживущих радиоактивных изотопов других элементов. Опять же, если учесть все виды элементов, порожденных непрестанно протекающим ядерным распадом, то на Земле таких изотопов пятьдесят три.

Таким образом, общее число изотопов, которые мы можем обнаружить в естественных условиях среди девяноста четырех элементов, составляет 339. Выражение «в естественных условиях» слегка обманчиво, поскольку оно относится к очень ограниченной сфере природы, представленной нашей Землей. В ядерных реакторах, полыхающих в недрах массивных звезд, в яростных взрывах, которыми оканчивается их жизнь, и в других колоссальных энергетических событиях, происходящих в космосе, например таких, как слияние двух нейтронных звезд, несомненно, возникает еще больше разновидностей изотопов (см. гл. 16). Однако все эти разновидности отличаются кратким временем жизни в сравнении с возрастом Земли, и в минералах, скрытых в земной коре, ни одна из них не присутствует.

Искусственные изотопы

Конечно же, многие из веществ современного мира не встречаются в естественных условиях – мы сами сочетаем элементы, формируем новые молекулы и создаем все эти вещества, от полиэтилена для пакетов, в которых носим бакалейные товары, до хлорфторуглеродов, на которых работают наши кондиционеры, и стрептомицина, призванного уничтожать бактерии. Все эти продукты проходят череду химических взаимодействий, представляющих собой перераспределение и соединение атомов в особых пропорциях посредством взаимного воздействия электронов друг на друга. Энергии, возникающие при данных реакциях, измеряются в электронвольтах (эВ) на молекулу (гл. 4). А если повысить энергию в десять миллионов раз или около того, возможно ли преобразить элементы, превратив один в другой, или даже создать совершенно новые изотопы?

Трансмутация элементарных форм была одним из высших стремлений алхимии, которую практиковали в Китае, Индии, Европе и арабском мире в донаучную эпоху. Само слово пришло к нам из средневекового арабского al-khīmiyā, где «аль» – это артикль, а последнее слово происходит от древнегреческого khemia, в буквальном смысле – «искусство превращения металлов». Первые письменные свидетельства об этой практике, в чем есть определенная ирония, приписываются автору, творившему под псевдонимом Демокрит (историкам он известен как Псевдо-Демокрит) из эллинистического Египта в I веке нашей эры. Цели алхимии выходили далеко за пределы набившего оскомину клише о превращении Свинца в Золото – алхимики искали и эликсир бессмертия, и лекарство от всех болезней (его называли «панацеей», от греческих слов pan [ «все»] и akos [ «лекарство»]). Конечно же, они не преуспели – ведь у них отсутствовала технология, позволяющая увеличить энергию в миллионы раз.

Однако в начале 1934 года, менее чем за два года до того, как был открыт нейтрон и мы наконец-то составили картину атомного ядра, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии Кюри) создали первые «искусственные» изотопы, устроив бомбардировку стабильных изотопов быстрыми ядрами Гелия – так появились неизвестные прежде изотопы Азота, Фосфора и Кремния. Это воплощение мечтаний древних алхимиков было признано уже в следующем году, когда ученые удостоились Нобелевской премии по химии. За последние девяносто лет были созданы не только новые изотопы, но и двадцать четыре совершенно новых элемента, поэтому помимо девяноста четырех атомов, встречающихся в природе, современная Периодическая таблица включает еще и элементы, созданные в искусственных условиях и занимающие ячейки с 95 по 118. Общее число изотопов уже перешло за 3330, время жизни 620 из них превышает час, и некоторые из них играют важную роль в медицине, производстве энергии и других технических областях.

Интересные изотопы

Неудивительно, что физикам-ядерщикам интересны все изотопы. Но есть среди них и такие, интерес к которым более широк, поскольку их можно применить в технологии – а также, как мы еще увидим в последующих главах, при воссоздании истории. В основе всей живой материи лежит Углерод, и три его изотопа, встречающиеся в естественных условиях, приносят огромную пользу во множестве областей – с их помощью можно выявить подделки при продаже старого вина, определить возраст старинных построек или произведений искусства, выяснить диету, которой следовали люди в давние времена, и записать историю климата в доисторическую эпоху. Тяжелые стабильные изотопы Водорода (2H) и Кислорода (18O) также играют важную роль в установлении температуры и скорости выпадения осадков в далеком прошлом. Кроме того, 18O – это ключевой предшественник Фтора‐18, при помощи которого делаются снимки позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).

Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для диагностики, так и для лечения. Помимо 18F, в визуализирующих исследованиях играли свою роль Азот‐13, Кобальт‐60, Галлий‐67, Технеций‐99, Палладий‐103, Рутений‐106, Индий‐111, Йод‐123, Йод‐125 и Йод‐131, Цезий‐137, Иридий‐192 и Таллий‐201, вводимые в организм путем инъекции или глотания. Благородные газы Криптон‐81 и Ксенон‐133 используются для ингаляций, а Стронций‐89, Иттрий‐90, Йод‐131, Самарий‐153 и Лютеций‐177 – для борьбы с определенными раковыми опухолями и для паллиативного лечения боли в костях, сопровождающей разнообразные заболевания. Среднее время жизни ряда этих изотопов исчисляется минутами, поэтому их создают прямо на месте эксплуатации и используют немедленно, пока еще не успел произойти их распад на другие изотопы, непригодные для медицинских целей.

Топливом в ядерных реакторах служат Уран или Плутоний, хотя в настоящее время развивается новое поколение ториевых реакторов. Как правило, в природных условиях Уран, преобладающую форму которого представляет долгоживущий изотоп 238U, необходимо «обогащать», чтобы повысить содержание не столь долговечного и более легкого 235U и вывести его на уровень от 3 до 5 % в зависимости от типа реактора^10. Внутри реакторов часть 238U превращается в 239Pu, что также вносит свой вклад в производимое тепло. Кроме того, 238U становится источником энергии для отправки миссий в дальний космос, где солнечные панели уже непрактичны, поскольку аппараты улетают слишком далеко от Солнца. И хотя в применении Тория‐232 в качестве ядерного топлива есть несколько потенциальных преимуществ – помимо прочего, его намного больше на Земле, он дает меньше ядерных отходов и его побочные продукты сложнее использовать в военных целях, – ни одного коммерческого ториевого реактора еще не построено.

Изотопы затронули даже геополитику. В 1958 году Луиза Рейс и ее муж Эрик, встревоженные влиянием американских и советских ядерных испытаний, в те дни происходивших в атмосфере ежемесячно, помогли основать гражданский комитет Большого Сент-Луиса по ядерной информации – а потом, в сотрудничестве со стоматологическими школами, входившими в состав Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Сент-Луисского университета, провели исследование, собрав у юных жителей Сент-Луиса более 300 000 молочных зубов и замерив содержание в этих зубах радиоактивного изотопа Стронция‐90, который, как было известно, возникал в ходе ядерных испытаний. В Периодической таблице химических элементов Стронций располагается прямо под Кальцием и, таким образом, обладает похожим распределением внешних электронов, благодаря чему при проглатывании легко заменяет Кальций в костях и зубах.

Среднее время существования Стронция – 28,8 года, поэтому более ¾ этого изотопа, став частью зубов и костей, подвергнется радиоактивному распаду в течение жизни человека (и это будет сопровождаться довольно неприятным высвобождением жесткого излучения внутри тела). В 1963 году Г. Розенталь, Дж. Гилтер и Дж. Бёрд^11 смогли показать, что у детей, рожденных в 1957 году, уровень 90Sr в зубах был в десять раз выше, чем у тех, кто родился в 1951-м; к 1963 году показатели различались уже в пятьдесят раз^12. Эти данные были опубликованы в то время, когда президент Джон Кеннеди вел с Советским Союзом переговоры о запрете испытаний ядерного оружия в атмосфере. И многие полагают, что именно благодаря результатам исследований соглашение было ратифицировано в сенате очень быстро – всего через семь недель после того, как его 5 августа 1963 года, за день до восемнадцатой годовщины атомной бомбардировки Хиросимы, подписали в Москве.

Глава 6

Радиоактивность: невозмутимые часы

В главе 5 я ввел понятие «радиоактивных» изотопов и говорил об их «среднем времени жизни». Поскольку эти понятия играют ключевую роль в нашем стремлении воссоздать историю при помощи атомов, важно уже сейчас подробнее обсудить этот момент и уточнить некоторые нюансы.

Открытие радиоактивности

«Радиоактивность» никак не связана с радиоволнами. Слово происходит от латинского radiatio («сияние», связано со словом «радиус», как спицы колеса, «сияющие» от ступицы) и actif (старофранцузское от латинского activus, «деятельный»). Его придумали в 1898 году Пьер и Мария Кюри, исследовавшие удивительное открытие, которое двумя годами ранее совершил Анри Беккерель. Напомним, он сумел обнаружить, что от Урана (а также от Полония и Тория, как впоследствии выяснили Пьер и Мария) исходили высокоэнергетические лучи… неведомой природы.

В 1892 году Беккерель, пойдя по стопам деда и отца, стал третьим представителем династии, возглавившим кафедру физики в Национальном музее естественной истории (на самом деле эту кафедру с 1838 по 1948 год непрерывно занимали четыре поколения Беккерелей). Прежде всего его интересовал феномен фосфоресценции, наблюдаемый в таких явлениях, как светящиеся в темноте фрисби и звездочки, наклеенные на потолки в детских спальнях. Фосфоресценция происходит в тот момент, когда подсвеченному объекту передается энергия, и он сияет (часто другим цветом) еще долго после того, как освещение прекратится. Если перевести это на «язык атомов», то мы поймем, что свет, направленный на объект, заставляет электроны перескакивать в возбужденное состояние, в котором они остаются на протяжении долгого времени, прежде чем соскочить на другой энергетический уровень (и тем самым испустить свет с другой длиной волны).

Вслед за поразительным открытием Вильгельма Рентгена, который в ноябре 1895 года обнаружил всепроникающие невидимые «X‐лучи», Беккерель предположил, что эти лучи, по всей видимости, связаны с фосфоресценцией и что вещества, с которыми он работал – например урановые соли, – могли бы испускать их под действием яркого солнечного света. В конце февраля 1896 года он подготовил эксперимент: обернул стеклянную фотопластинку несколькими слоями черной бумаги (призванной помешать прямому воздействию света), положил образец соли на верхушку мальтийского креста и на несколько часов оставил соль под ярким солнечным светом. Когда фотопластинку достали, то на ней, в полном соответствии с теорией фосфоресценции, предложенной Беккерелем, оказался образ креста: под действием солнечного света соли Урана начали испускать лучи, и те засветили пленку везде, кроме тех мест, где металлический крест преградил им путь.

Потом было несколько пасмурных дней, и гипотеза не подтвердилась, – но это привело к эпохальному открытию. Вот что говорил по этому поводу сам Беккерель:

«Из числа предшествующих экспериментов некоторые были подготовлены еще в среду, 26-го, и в четверг, 27 февраля, и поскольку солнце в те дни появлялось лишь время от времени, я держал аппаратуру наготове и вернул коробочки в темноту, в ящик письменного стола, оставив лепешку урановой соли на месте. Поскольку солнце так и не появилось ни в те дни, ни в последующие, я проявил фотопластинки 1 марта, ожидая, что изображения будут едва заметны. Но вместо этого их очертания предстали невероятно четкими»1.

В направленном источнике света совершенно не было необходимости – урановые соли самопроизвольно испускали излучение высокой энергии, которое прошло сквозь слои черной бумаги, воздействовало на фотопластинки и отобразило силуэт креста, даже несмотря на то, что все это происходило в темном ящике письменного стола!

Вскоре после того, как об этом открытии стало известно, Пьер и Мария Кюри, а также Эрнест Резерфорд и многие другие обнаружили, что радиоактивные материалы порождали излучение трех различных типов, названных по трем первым буквам греческого алфавита: альфа, бета и гамма. К 1900 году их природа уже была установлена.

«Альфа-лучи», в сущности, представляли собой ядра Гелия (как нам уже известно, это два протона и два нейтрона, соединенные сильным ядерным взаимодействием). «Бета-лучами» оказались высокоскоростные электроны – отрицательно заряженные частицы, которые за три года до этого открыл Джозеф Томпсон, а «гамма-лучами», как удалось выяснить, – световые фотоны с очень высокой энергией (и короткой длиной волны). Поскольку все это происходило более чем за десять лет до того, как Резерфорд открыл атомное ядро, происхождение этих различных «лучей», как и источник их очень высоких энергий, оставались под завесой тайны. Сегодня мы понимаем радиоактивность как процесс, при котором неустойчивое ядро претерпевает три вида спонтанных превращений, направляющих его к большей стабильности.

В поисках стабильности

Как мы отмечали в главе 3, атомное ядро – это поле битвы между электростатическим отталкиванием множества положительно заряженных протонов, втиснутых в крошечное пространство, и влиянием сильного ядерного взаимодействия, которому подвергаются как протоны, так и нейтроны и которое, оказываясь мощнее отталкивания, связывает ядерные частицы воедино. У каждого элемента, тип которого определяется числом протонов, есть оптимальное количество нейтронов, действующих как буфер и позволяющих ядру достичь стабильности (впрочем, как отмечалось в главе 5, существует более десятка элементов, у которых нет неизменно устойчивого ядра). Наиболее выгодное соотношение протонов и нейтронов наглядно отображено на рис. 6.1, где мы указываем «долину стабильности». Заметим, что она неуклонно отходит от пропорции 1:1 по мере того, как возрастает атомный номер (число протонов) и добавляется лишний нейтронный «клей», необходимый, чтобы удержать ядро от взрыва.

Если ядро оказывается за пределами этой долины стабильности, оно стремится в нее вернуться и «скатиться по склону» в энергетически более комфортное место. Семь различных путей, доступных для этого, показаны на рис. 6.2. Мы говорим об этих процессах как о радиоактивном «распаде», хотя он, в сущности, не проявил какой-либо переход ни к смерти, ни к разложению – по крайней мере в большей степени, чем в изначальном ядре; кроме того, жизнь конечного элемента намного более безмятежна и стабильна. Вероятно, слово «превращение» подошло бы в данном случае намного лучше, но ради связности изложения мы последуем принятым правилам, а также не станем отходить от стандартных терминов и назовем изначальный радиоактивный элемент «материнским», а продукт его распада – «дочерним».

Альфа-распад

Взглянем на график. Когда тяжелое ядро находится ниже черты стабильности (изгибающейся вверх), оно может приблизиться к устойчивому положению, если двинется вниз по диагонали к атомным номерам с меньшим значением. Именно к этому превращению и ведет альфа-распад: элемент выбрасывает из ядра два протона и два нейтрона – «альфа-частицу» (она же ядро Гелия) – и соскакивает на две позиции ниже в Периодической таблице, например: 238U → 234Th + 4α. Обратите внимание на то, что атомная масса (число протонов плюс число нейтронов) в обеих частях уравнения остается одинаковой (212 = 208 + 4), как и число положительно заряженных частиц (92 = 90 + 2). При любом радиоактивном распаде эти два числа должны сохраняться: ни заряд, ни массовое число нельзя ни создать, ни уничтожить.

Кроме того, всегда должна сохраняться энергия. При реакции, описанной выше, выделяется 4,3 миллиона электронвольт (МэВ) энергии по мере того, как ядро переходит от неустойчивого состояния к формированию более тесных связей – иными словами, если говорить образно, по мере его скатывания по склону холма в долину стабильности. Как показано в главе 4, эта энергия достигается за счет масс двух результирующих ядер, сумма которых немного меньше массы изначального ядра (Δm в E = Δmc^2, или, в данном случае, 0,46 %).

Альфа-распад наиболее важен для группы тяжелых ядер, изотопы которых располагаются намного ниже границы стабильности. Начиная с элементов, чей атомный номер превышает 50, – скажем, таких как 52Te (Теллур) и 53I (Йод), – у изотопов, состояние которых и близко нельзя назвать устойчивым, все сильнее возрастает вероятность альфа-распада; например,127I – это первый стабильный изотоп, а у изотопов 113I, 112I, 111I, 110I и 108I (которым до устойчивого состояния не хватает от 14 до 19 нейтронов) вероятность распада через альфа-канал составляет 0,00003 %, 0,0012 %, 0,09 %, 17 % и 90 % соответственно. Чем дальше изотопы от стабильного состояния, тем выше их склонность совершенно внезапно «соскакивать» на два места вниз в Периодической таблице. Эта черта проявляется у них вплоть до Свинца, последнего элемента с хоть сколь-либо устойчивыми изотопами – его первый значительный альфа-распад происходит в изотопе, у которого на четырнадцать нейтронов меньше, чем у легчайшего стабильного изотопа, 204Pb.

Рис. 6.1. График всех известных изотопов с отображением числа протонов в ядре каждого элемента, указанного в соотнесении с числом его нейтронов. У большинства элементов существует один или несколько стабильных изотопов, у которых соотношение протонов и нейтронов оптимально, а также один или несколько радиоактивных (нестабильных) изотопов, у которых оно далеко от долины стабильности (она представлена самыми темными тонами, обратите внимание на врезку на рисунке), поэтому неизбежно производится корректировка, осуществляемая через радиоактивный распад. Примерно у десяти легчайших элементов n = p, и это оптимально; более тяжелым элементам для стабильности необходима «набивка» добавочными нейтронами

Начиная с Висмута (атомный номер 83), легчайшего элемента без стабильных изотопов, альфа-распад случается еще чаще. К примеру, у 209Bi, изотопа, средний срок существования которого поразителен и превышает возраст Вселенной более чем в миллиард раз, альфа-распад происходит сам собой – просто весьма нечасто. То же самое справедливо для трех самых недолговечных элементов среди двенадцати самых тяжелых и при этом не имеющих стабильных изотопов (это Астат, Франций и Актиний) – все их долгоживущие формы претерпевают альфа-распад.

Можно вывести общий принцип, согласно которому альфа-распад ограничен сферой более тяжелых элементов, но из него есть одно важное исключение. Бериллий, элемент под номером 4, представляет собой исключение еще из одного правила, гласящего, что легкие элементы наиболее стабильны, когда обладают равным числом протонов и нейтронов: стабильный изотоп Бериллия – не 8Be, а 9Be. На самом деле 8Be претерпевает альфа-распад, разделяясь на два ядра 4He. Это играет решающую роль в том, как звезды производят энергию и проживают свою жизнь. После того как они тратят миллиарды лет на слияние Водорода и создание Гелия и как только звездное ядро начинает по большей части состоять из последнего элемента, ядра Гелия не могут слиться и образовать 8Be, поскольку такое ядро незамедлительно (в прямом смысле, за 0,000000082 секунды) разрушается снова, претерпевая альфа-распад. Этот процесс имеет очень серьезные последствия для угасания звезд и для создания химических элементов. И о том и о другом мы поговорим в главе 16.

Бета-распад

Признание того, что бета-частицы – это всего-навсего электроны, не вызвало сколь-либо необычайного удивления на фоне представлений об атоме в начале XX столетия. В то время преобладала модель, в которой атом мыслился как «рождественский пудинг» из положительно заряженного теста с отрицательно заряженными электронами, подобными изюминкам (или, если угодно, кусочкам чернослива), благодаря чему он становился нейтральным и тем не менее содержал в себе единственную субатомную частицу, известную в те дни, а именно электрон. Требовался лишь некий процесс, происходящий в недрах атома и способный извергнуть эти изюминки-электроны, придав им высокую скорость. Но если вы до сих пор внимательно следили за моим повествованием, то вас должна была бы обеспокоить сама идея бета-распада: в нашей современной модели атома в ядре нет электронов! И не забывайте, когда речь заходит о радиоактивном распаде, мы говорим о превращении ядра!

И здесь нам на помощь снова приходит знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc^2. Масса и энергия взаимно заменяют друг друга, и если у вас достаточно энергии, вы можете создать некоторую массу. При условии, что масса электрона крошечна, сформировать его не настолько сложно. В перерасчете на единицы энергии масса электрона составляет 0,511 МэВ, а энергии связи ядра, как мы видели, колеблются в пределах от десятков до тысяч Мэ В. Впрочем, здесь тоже необходимо следовать определенным правилам. Выше мы уже упоминали о том, что нам необходимо сохранять заряд, массовое число и энергию.

Кроме того, есть еще одно правило: нам нужно сохранить не только число протонов и прибавленных к ним нейтронов, но и равно так же оставить неизменным число лептонов – это класс частиц, к которым принадлежат электроны и нейтрино (см. гл. 3). Эта задача становится легче благодаря существованию античастиц, которые, по определению, «отменяют» нормальные частицы. Можно без проблем создать электрон и антиэлектрон (позитрон), если вы располагаете излишком энергии в 2 × 0,511 МэВ или 1,022 МэВ и можете ее свободно потратить, – мы получим один отрицательный и один положительный заряд, нейтрализующие друг друга, а также один лептон и один антилептон, которые также взаимно уничтожатся (и при этом мы совершенно не меняли общее число протонов и нейтронов). До тех пор пока массовое число и заряд бережно уравновешены, мы можем создать один электрон и одно антинейтрино, что также обеспечит нам и сохранение лептонного числа.

Оказывается, что именно последний процесс (и другой, обратный ему, в ходе которого создаются один позитрон и одно нормальное нейтрино) характерен для бета-распада. В сущности, он может проходить тремя различными путями, и все они направлены на то, чтобы переместить атомное ядро ближе к счастливой долине стабильности. Если в ядре слишком много нейтронов, как у изотопа 12B, можно изящно решить проблему, выпустив электрон (а также антинейтрино, чтобы сохранить лептонное число), благодаря чему происходит эффективное преобразование нейтрона в протон и электрон. Обретая дополнительный протон, ядро поднимается на одну ступень в Периодической таблице, и Бор превращается в Углерод. В то же время к нему добавляется нейтрон, и соотношение нейтронов и протонов из 7:5 (слишком много нейтронов) превращается в 6:6 (все уравновешено).

Этот процесс идет не только в ядрах, похожих на 12B. Любой нейтрон, которому не посчастливится оказаться за пределами крепких объятий сильного взаимодействия, претерпит распад, и реакция 0n → 1p + –1e + v продлится в среднем 880 секунд (примерно 15 минут). В пределах ядра временные рамки такой реакции варьируются в невероятной степени: у 12B она проходит за 0,02 секунды, а у 14С – за 5730 лет.

Эта ветвь бета-распада, в которой материнский элемент избавляется от электрона и тем самым сокращает соотношение протонов и нейтронов, перемещает изотоп из положения над границей стабильности вниз и вправо, ближе к ней. Изотопы, расположенные под границей, напротив, движутся вверх и влево, вкатываясь в долину стабильности, – и им, как следствие, требуется противоположный процесс, иногда называемый обратным бета-распадом. Например, 12N, у которого слишком мало нейтронов (соотношение 5:7), может попытаться обрести устойчивость, эффективно преобразив протон в нейтрон: 12N → 12C + e+ + ν, и мы получаем счастливый Углерод с соотношением 6:6 и соблюдением всех законов сохранения (заряд, массовое число, энергия и лептонное число). Так, при помощи бета-распада и обратного бета-распада радиоактивные изотопы на протяжении всей Периодической таблицы переходят в более стабильные формы, а предпочтение варианта зависит от того, на какой стороне долины они находятся.

Третий путь бета-распада – захват электрона – также позволяет получить более устойчивое ядро. Если в облаке, полном электронов, один из них оказывается слишком близко от ядра, его может затянуть внутрь, и тогда протон преобразится в нейтрон, как при обратном бета-распаде, а изотоп переместится ниже границы и станет ближе к стабильному состоянию. Пример, при помощи которого мы сможем это показать, – Бериллий‐7. В его ядре слишком много протонов и недостаточно нейтронов, поэтому оно охотно захватывает пролетающий по орбите электрон: 7Be + + e– → 7Li + ν, после чего резко спускается на одну ступень и создает более удобное соотношение нейтронов и протонов, 4:3.

Гамма-распад

Последний тип «излучения», испускаемого радиоактивными ядрами, – высвобождение гамма-лучей – на самом деле оказывается единственным из трех, который в точности соответствует смыслу слова «излучение», поскольку это просто свет с высокой энергией. Он возникает точно так же, как и в том случае, когда электроны испускают свет с низкой энергией – благодаря переходу из возбужденного состояния в более спокойное. Из главы 4 мы помним о том, что, когда электрон, движущийся по орбите вокруг ядра, поглощает фотон или когда по нему ударяет подлетающая частица, он может вобрать эту энергию и перескочить в возбужденное состояние. По прошествии некоторого времени (в действительности, возможно, довольно краткого) он может вновь соскочить обратно и испустить собственный фотон. В атомном ядре есть аналогичные уровни энергетического возбуждения (см. рис. 6.2), доступ к которым оно может получать либо тогда, когда поглотит фотон с подходящей энергией или претерпит столкновение с пришедшей извне частицей, либо в том случае, если оно подвергнется альфа- или бета-распаду, который оставит ядро в возбужденном состоянии. А поскольку все энергии в ядре в миллионы раз больше тех, благодаря которым электроны удерживаются на своих орбитах, мы и получаем в той части спектра, где располагается гамма-излучение, фотоны не с несколькими электронвольтами (видимый свет), а с миллионами электронвольт (МэВ).

Спонтанное и вынужденное деление

Существует еще одна ярчайшая форма ядерного преобразования, которая сдвигает ядро не на несколько ступеней вверх или вниз в Периодической таблице, а перемещает его поразительно далеко от изначального положения, разрывая надвое или на несколько частей. В естественных условиях этот процесс наблюдается только у изотопов Тория‐232, Урана‐235, Урана‐238, Плутония‐239 и Плутония‐240, и даже в этих случаях он чрезвычайно редок. Например, у 238U он происходит лишь в 0,000054 % случаев, когда схождение в долину стабильности начинается с нормального альфа-распада. Впрочем, такой распад намного более распространен в рукотворных элементах, которые в Периодической таблице находятся выше Плутония. Например, 250Cm, изотоп Кюрия, элемента с атомным номером 96, спонтанно делится примерно в 74 % случаев, предпочитая эту заманчивую альтернативу и альфа- (18 %), и бета-распаду (8 %).

Рис. 6.2. Схематичное представление семи типов ядерного распада: альфа-распад, бета-распад, обратный бета-распад, захват электрона, гамма-распад, вынужденное деление и спонтанное деление. У тяжелых ядер отмечены их атомная масса, атомный номер и химический символ. У легких ядер, вовлеченных в бета-распад, подробно показаны числа протонов и нейтронов. Над каждой проиллюстрированной реакцией приведены уравнения распада

При спонтанном делении ядро никогда не распадается на равные части, однако может порождать самые разные элементы, которые располагаются ближе к середине Периодической таблицы. Кроме того, следует добавить, что некоторые нейтроны часто не могут найти себе приют ни в том ни в другом фрагменте, что приводит к последней из семи форм распада: вынужденному делению. Нейтроны нейтральны, поэтому без проблем проникают в атомное ядро, и когда они оказываются внутри тяжелого нестабильного ядра, может начаться хаос. В большинстве реакций деления, вызванного нейтронами, появляется два больших осколка и несколько нейтронов-скитальцев, хотя иногда, менее чем в 1 % случаев, создается три отдельных фрагмента.

Также реакцию деления может запустить фотон с достаточно высокой энергией, разорвав ядро на части, а еще она может начаться, когда в ядро ударяет частица с высокой энергией, отличная от нейтрона. Но наиболее эффективны именно относительно медленные нейтроны. Поскольку в ходе каждой реакции деления создается, как правило, не один, а несколько нейтронов, эти избыточные нейтроны способны, в свою очередь, запустить новые реакции деления, высвободив еще больше энергии и еще больше нейтронов. Благодаря этому реакция может стать самоподдерживающейся, и если мы возьмем ее под контроль, внимательно отслеживая число созданных нейтронов, то получим атомную электростанцию, способную генерировать электричество, причем объемы топлива при этом составят одну десятимиллионную от тех, какие предполагаются в процессах, подразумевающих химические реакции, – скажем, при сжигании угля, нефти или газа. Но если мы позволим этим реакциям умножаться без ограничений, тогда нас ждет взрыв атомной бомбы, подобной той, что стерла с лица земли Хиросиму.

Как мы уже говорили, ядро Урана при делении (238U или 235U) в большинстве случаев разделяется на две неравные части. Изотопы с меньшей массой сосредоточиваются вокруг атомной массы со значением 95 в пределах от 80 до 110, в то время как часть с большей массой – вокруг массы со значением 135, в диапазоне от 125 до 155 (см. рис. 6.3). Поскольку эти два фрагмента возникают из материнского ядра, богатого нейтронами (например, у 238U соотношение нейтронов и протонов 146:92), у обоих дочерних изотопов оказывается очень много нейтронов и оба они располагаются выше долины стабильности (см. рис. 6.1). Таким образом, продукты реакции деления сами по себе оказываются радиоактивными и, как правило, претерпевают серию бета-распадов, чтобы приблизиться к долине стабильности. Стронций‐90, о котором мы упоминали в главе 5, – это пример радиоактивного продукта деления. Некоторые из этих видов долговечны и создают те самые проблемы с радиоактивными отходами, которые становятся неотъемлемой частью производства ядерной энергии и о которых политикам так трудно рассуждать^2.

Другая форма превращения ядра противоположна делению, и именно благодаря ей возникли все элементы, за исключением первозданных Водорода и Гелия: это ядерный синтез. Беседу об этом процессе мы отложим до главы 16, где поговорим о создании самих элементов в ядрах массивных звезд.

Рис. 6.3. Есть много способов, при помощи которых реакция деления (вынужденного или спонтанного) может расщепить тяжелое ядро. Кривые отражают частоту, с которой при делении Урана‐235 испускаются фрагменты с различной массой. Изотопы с меньшей массой приблизительно сосредоточены вокруг атомной массы со значением 95 в пределах от 80 до 110, в то время как часть с большей массой – вокруг массы со значением 135, в диапазоне от 125 до 155

Время жизни и полураспад

На протяжении главы 5 я говорил о «среднем времени жизни» различных радиоактивных изотопов. Поскольку именно скорость распада предоставляет нам важнейшие часы для воссоздания истории, важно как можно более точно определить, что именно я имею в виду под «средним временем жизни». Для этого нам сперва придется признать главный факт, имеющий отношение к радиоактивному распаду: в фундаментальном плане это вероятностный процесс.

Это означает, что, если в моем распоряжении есть только одно радиоактивное ядро, я никак не смогу предсказать, когда оно распадется. Его распад может произойти в следующее мгновение – или не произойти в течение миллиона лет. И причина моего неведения – не в недостатке подходящих средств или в невозможности зафиксировать историю данного конкретного ядра. Это фундаментальное неведение, представляющее собой существенную характеристику любого по-настоящему случайного процесса.

Если я подброшу (правильную) монетку, у меня нет никакой возможности определить, «орлом» она упадет или «решкой». Это случайный процесс. Если на первый раз выпадет «орел», у меня по-прежнему совершенно отсутствует знание о том, каким будет исход следующего броска. Более того, даже если я выброшу пять «орлов» кряду, вероятность выпадения «орла» или «решки» при шестом броске составит те же самые 50 на 50. Принять этот последний исход, возможно, будет непросто – ведь если вы выбросите пять «орлов» кряду, у вас непременно возникнет чувство, что шанс получить «решку» при следующем броске будет выше чем 50:50. Это чувство называется «заблуждением игрока» и оказывается главным источником доходов всех мировых казино – поскольку это неправда. Этот процесс абсолютно случаен, у него есть два возможных равноценных исхода, и при каждой реализации шанс любого из этих исходов составляет точно 50 %. Даже если бы я выбросил двадцать «орлов» кряду – возможность того, что такое случится, менее одного шанса на миллион, – то вероятность выпадения «орла» при следующем броске по-прежнему равняется точно 50 %.

Подобно этому, радиоактивный распад – действительно случайный процесс, и у него есть два исхода, вероятность каждого из которых составляет 50 %: ядро либо распадается, либо нет. И ничто – даже в принципе – не позволит мне предсказать, когда начнется распад. Если вам кажется, что это противоречит здравому смыслу, поверьте, вы не одиноки. Для Эйнштейна был неприемлем тот факт, что естественный процесс может быть совершенно случайным, и он считал, что наша неспособность предсказать распад – это результат несовершенства нашей модели, призванной объяснить, по каким законам работает микромир. Последние тридцать лет своей жизни он провел в поисках альтернативной модели и так ее и не нашел. Наша модель, квантовая механика, существует уже почти сто лет, и по точности предсказаний, сделанных благодаря ей, она явно превосходит любую модель материального мира и победоносно прошла любые испытания, какие только мы смогли ей предложить. Конечно, остается и возможность того, что Эйнштейн все-таки прав и что более глубокий уровень знания мог бы раскрыть нам сокровенные тайны радиоактивного распада, но пока что эмпирический вердикт понятен и однозначен: в самой своей основе распад – это вероятностный процесс.

Впрочем, то, что процесс случаен, вовсе не значит, что мы ничего не можем сказать о его возможных исходах. Если у меня есть сто монет и я подброшу их все одновременно, то я с уверенностью могу предсказать, что примерно половина из них выпадет «орлом», а другая половина – «решкой». Это предсказание будет неточным – очень часто «орлы» и «решки» не разделяются в соотношении «пятьдесят на пятьдесят». Однако исход, при котором число «орлов» варьируется, скажем, от сорока пяти до пятидесяти пяти, намного вероятнее, чем тот, при котором оно принимает значения от семидесяти пяти до восьмидесяти пяти. А как насчет вероятности выпадения ста орлов? Она составляет примерно 1: 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 – если бы 8 миллиардов жителей Земли подбрасывали монеты по сто раз в минуту, то в среднем для совершения попытки, при которой выпало бы сто «орлов», потребовалось время, в 200 раз превышающее возраст Вселенной.

Точно так же, если передо мной на столе рассыпано множество идентичных радиоактивных ядер, я не в силах предвидеть, что произойдет с каждым из них, но с определенной уверенностью могу сказать, как много времени пройдет до того момента, когда распадется половина из них (иными словами, когда появятся «решки»). Временной промежуток, за который распадется половина ядер в нашей пробе, различается у каждого радиоактивного изотопа, но легко измерим у большинства из них и называется периодом полураспада изотопа. Давайте рассмотрим, что именно обозначает эта величина для радиоактивных атомов, взятых в качестве образца.

Предположим, что в полдень, когда я запускаю часы, в моем распоряжении, на лабораторном столе, находятся 10 000 атомов радиоактивного изотопа. Если период полураспада этого изотопа составляет один час, то в 13:00 у меня останется примерно 5000. Вряд ли их будет точно 5000 – в конце концов, это случайный процесс, и точно так же вряд ли получится добиться выпадения ровно пятидесяти «орлов» при ста бросках монеты. Но их будет приблизительно 5000.

У этих 5000 ядер нет ни памяти, ни чувства времени, и они, безусловно, не знают, когда именно я начал за ними наблюдать. Поэтому вероятность распада каждого из них за час составляет 50:50, и это истинно для всех ядер данного изотопа. Таким образом, в 14:00 останется примерно 2500 – за этот час распадется примерно половина от тех 5000, которые оставались в 13:00. В 15:00 число сократится до 1250, а в 16:00 их будет всего 625.

Число атомов, оставшихся в то или иное время, распадается по экспоненте, как показывает кривая, изображенная на рис. 6.4. Все обстоит точно так же, как при броске монет. Вероятность выпадения одного «орла» составляет 50 %. Вероятность двух «орлов» кряду – 25 %, поскольку равноценны все четыре следующих возможности: «орел-орел» (ОО), «орел-решка» (ОР), «решка-орел» (РО) и «решка-решка» (РР), и только одна из них дает желаемый исход (два «орла»). Вероятность выпадения трех «орлов» кряду влечет восемь возможных исходов: ООО, ООР, ОРО, ОРР, РРР, РРО, РОР, РОО, и только один из этих восьми будет для нас успешен (три «орла» кряду). В теории вероятностей есть правило, согласно которому для независимых событий (таких, как подбрасывание монетки или радиоактивный распад) мы рассчитываем вероятность всех трех событий в совокупности (первого, И ТАКЖЕ второго, И ТАКЖЕ третьего), просто перемножая вероятности совершения каждого из событий. В этом простом случае, где каждая из вероятностей составляет ½, вероятность получить n «орлов» кряду рассчитывается по формуле P(n) = (½)n.

В том случае, когда речь идет о радиоактивных ядрах, действует та же самая логика. Просто представим, что каждое ядро в нашей пробе за период полураспада один раз бросает монетку. Тогда половина получит «решку» и распадется, а другая половина, у которой выпадет «орел», продолжит жить. По истечении очередного периода полураспада (еще один бросок) прекратит существование еще одна половина ядер и так далее. Таким образом, можно записать, что число ядер, оставшихся в какой-либо момент времени T, в сравнении с числом, которым мы располагали в самом начале эксперимента, когда T = 0, находится по формуле:

N(T) = N(T = 0) × (½)T/t½,

где t½ – период полураспада изотопа. Если рассмотреть вышеупомянутый случай при T = 4 часа и t½ = 1 час, то N(4 часа) = 10 000 × (½)4/1 = 10 000/16 = 625. К полуночи T/t½ составит 12/1, а (½)12 = 1/4096, поэтому можно ожидать, что распад не коснется только 10 000/4096, или примерно 2–3 ядер; к 03:00, по всей вероятности, из первоначальной пробы не останется ни одного ядра.

Периоды полураспада у радиоактивных изотопов варьируются в огромных пределах, начиная от 0,0000000000000000000000023 секунды (2,3 × 10–23 с, или 23 йоктосекунды) у Водорода с шестью нейтронами (7H) до 2 200 000 000 000 000 000 000 000 лет (2,2 × 10^24 лет, или 2,2 йоттагода – да, йоттагод – это очень долгий год) у Теллура‐128. В общем, время жизни приблизительно коррелирует с тем, насколько далеко от границы стабильности располагается изотоп; например, такие изотопы, как Теллур‐124, Теллур‐125 и Теллур‐126, очень уютно устроились в долине стабильности, а 128Te находится недалеко от нее, в то время как у Водорода стабильны лишь 1H и 2H, а 7H – очень далеко от кривой.

Рис. 6.4. Экспоненциальный распад радиоактивного источника. Один период полураспада – это время, необходимое для того, чтобы произошел распад 50 % образца. В течение следующего периода полураспада распадется 50 % того, что осталось. Таким образом, на горизонтальной оси, представляющей время на графике с периодами полураспада, мы видим, что по истечении пяти периодов полураспада остается лишь 1/2 → 1/4 → 1/8 → 1/16 → 1/32 образца

Невозмутимые часы

Причина, по которой радиоактивные изотопы столь полезны в раскрытии тайн прошлого, заключается в том, что скорость их распада практически неизменна и постоянна. На Уран, взятый в качестве образца, можно лить кислоту, нагревать его до миллиона градусов, замораживать почти до абсолютного нуля, поместить его в сильное электрическое и магнитное поле, переехать его танком – можно делать с ним все что угодно, и вы не измените период полураспада ни на йоту. Мало где еще, как в природе, так и в технологии, можно найти столь надежный хронометр.

К помощи этих радиоактивных часов мы обращаемся разными способами. Более обстоятельный рассказ ждет нас в будущих главах. В двух словах, если известно число атомов, существовавших в начальный момент, нужно просто посчитать оставшиеся атомы в момент наблюдения и, зная период полураспада, применить вышеупомянутое уравнение для нахождения T. Например, живое дерево поглощает из воздуха все обычные изотопы Углерода и встраивает их в свои молекулы целлюлозы. После того как дерево срубают, в нем остаются 12C и 13C, а остаток 14С начинает претерпевать полураспад. И если мы найдем бревно, бывшее частью древней постройки, и обнаружим, что в нем присутствует лишь половина от ожидаемого уровня 14С, то мы будем знать, что это дерево срубили 5730 лет тому назад. (В главе 8 мы поговорим об этом подробнее и внесем в этот метод датирования ряд необходимых корректив.)

Бывают случаи, когда изначальное число атомов в интересующем нас объекте неизвестно. Но если мы имеем дело с простой формой распада, при которой один радиоактивный изотоп превращается в один стабильный и ни один из них не содержался в изначальном образце, мы можем просто взять соотношение этих изотопов и считать время с графика, как на рис. 6.5. Это называется «аккумулирующие часы». Если мы не знаем ни числа материнских, ни числа дочерних ядер, можно посчитать их соотношение, найти стабильные изотопы радиоактивных видов и при помощи кривой, известной как изохрона, установить возраст объекта (подробности см. в главе 15). Выбрав изотопы с подходящим периодом полураспада – от сотен до десятков тысяч лет для предметов быта и искусства, от тысяч до миллионов лет – для изучения климата и вплоть до миллиардов лет – для исследования происхождения Солнечной системы и Вселенной, мы получим часы, которые позволят нам определять время на протяжении всей космической истории.

Рис. 6.5. По мере распада материнского ядра количество дочерних ядер возрастает в прямой пропорции. Например, по истечении одного периода полураспада образец будет состоять на 50 % из материнских ядер и на 50 % из дочерних. Если предположить, что ни одно из дочерних ядер не ускользнуло (и что их не было изначально), то мы, измерив точное соотношение материнских ядер к дочерним, получим на временной оси уникальную точку, позволяющую установить возраст образца. В данном случае вертикальная линия пересекается с кривыми в точках, соответствующих 20 % для материнских ядер и 80 % для дочерних, так что возраст образца составляет 2,3 периода полураспада

Выше я упоминал о том, что часы «почти» невозмутимы, но можете свободно игнорировать это «почти» во всех интересных случаях, о которых мы будем говорить. Самое важное исключение – это форма распада, названная захватом электрона. Как мы помним, это происходит, когда один из электронов, перемещающихся по атомной орбите, оказывается слишком близко к ядру и попадает в захват, тем самым нейтрализуя один из протонов и превращая его в нейтрон. Поскольку для того, чтобы один из электронов очутился слишком близко к ядру, у атома в принципе должны быть электроны, то само ядро, которое их захватывает, можно стабилизировать, если ионизировать атом и резко сорвать все электроны с орбит. Есть и не столь драматичный путь – просто изменить орбиты электронов, окружив атом другими атомами или молекулами. Например, период полураспада с захватом электрона у Бериллия‐7 удалось продлить на 0,9 %, когда атом 7Be был окружен атомами Палладия^3. Однако в большинстве случаев мы будем совершенно счастливы, если ошибка в точности наших датировок не превысит 1 %, так что какого-то повода для тревоги здесь нет. И, наконец, наблюдаемый период полураспада ядра можно поменять, если изменить скорость протекания самого времени – например, ускорив частицу до величин, близких к скорости света, или сумев подвести ее к горизонту событий черной дыры. Согласно теории относительности Эйнштейна, время замедляется в обоих случаях, и вследствие этого нам, наблюдателям, покажется, что полураспад ядра длится дольше. Первый эффект был продемонстрирован в опытах по ускорению частиц; эксперимент с черной дырой пока еще предстоит. Впрочем, ни одно из этих условий не будет иметь отношения к историям, которые мы будем воссоздавать.

Теперь, когда мы сформировали представление о мире субатомных частиц, ядер, атомов и молекул, мы готовы обратиться к помощи этих крошек в нашем проекте. Так пусть же эти истории наконец прозвучат.

Глава 7

О кражах и подделках: судебная история искусств

Ведущие мировые музеи хранят в своих коллекциях средневековые картины, богато иллюстрированные хоровые книги и красочные миниатюры XV века, изображенные, в чем нет сомнений, на 500-летнем дереве, покрывалах и пергаменте. Как могут краски оставаться столь яркими по прошествии половины тысячелетия? Ральф Альберт Блейклок, американский живописец, живший в XIX веке, создал сотни картин, но продавались они настолько плохо, что он впал в тоску и окончил свои дни в государственном приюте. В дальнейшем цены на его произведения взлетели до небес – но все ли они принадлежали его кисти? В 1990-х и начале 2000-х годов на аукционах за общую сумму в $36 млн были проданы примерно пятьдесят произведений, в число создателей которых вошли немецкий сюрреалист Макс Эрнст, экспрессионист Генрих Кампендонк и французский мастер Фернан Леже, а также другие художники первых десятилетий XX века. Какой таинственный коллекционер собрал столь обширную галерею? А в чем загадка кхмерских стражей, в незапамятные времена лишившихся ног? Все это тайны – но их можно раскрыть, если задать вопрос свидетелям-атомам.

Безногие стражи

В конце 1980-х годов, когда Метрополитен-музей впервые приобрел двух коленопреклоненных служителей, их головы были отделены от торсов. Дирекция приобретала все фрагменты, какие было возможно, и со временем, за пять лет, собрала четыре отдельные части, а в 1993 году стражей наконец-то восстановили. Однако найти ноги так и не удалось.

Тем временем Федерико Каро, сотрудник научного отдела музея, изучал песчаные карьеры в центральной Камбодже. Двадцать образцов, взятых из карьеров возле Кохкера, и еще двадцать с лишним с плато Кулен – гор, разделивших Кохкер и Ангкор, – позволили ему оценить крошечные концентрации двадцати трех различных элементов, начиная от номера 4, Бериллия, до номера 92, Урана. Он показал, в чем именно эти следовые элементы были схожи со своими «собратьями» из других песчаных карьеров, откуда брали материал для кхмерских городов и храмов тысячу лет назад. Но кроме того, данные помогли установить, что концентрация, в которой присутствовали элемент номер 21, Скандий, и элемент номер 23, Ванадий, составляла лишь десять и шестьдесят миллионных долей. Эти пропорции слегка отличались от соотношения, характерного для других ангкорских храмов, поэтому можно было предположить, что песок для этих построек поступал из разных карьеров^1.

Окрестности Кохкера, расположенные за сто километров от знаменитых храмов Ангкор-Вата, особенно интересны тем, кто изучает историю кхмеров. Сражаясь за власть с другими претендентами на трон – сыновьями прежнего, уже умершего правителя, – Джаяварман IV в 921 году перенес в Кохкер столицу, которая прежде находилась в Ангкоре. Соперники властелина умерли в 928 году, и он правил единолично до самой своей смерти в 941 году. Его детально продуманная новая столица была завершена менее чем за двадцать лет, и это наводит на мысль, что Джаяварман IV располагал немалым капиталом и рабочей силой. Источником сырья для построек и скульптур, украсивших новый город, стали те самые карьеры, в которых Каро спустя долгие столетия добывал свои образцы. Поэтому образец камня, из которого были созданы коленопреклоненные стражи, мог бы пролить свет на их происхождение.

Впрочем, еще до того, как было принято непростое решение отсечь от статуй образец для анализа, вмешалась традиционная археология. Ноги стражей были найдены у западных ворот главного храма в Кохкере. В соответствии с соглашением, подписанным в 2013 году, музей вернул обе статуи, и они могли вновь охранять столицу Джаявармана IV, как делали это на протяжении 1100 лет.

Испанский фальсификатор

В 1930 году Метрополитен-музей планировал совершить серьезную покупку и приобрести одну средневековую картину – «Обручение святой Урсулы». Ее автором считался кастильский художник Хорхе Инглес – по крайней мере, именно так полагал английский историк искусства и бывший директор британской Национальной портретной галереи сэр Лайонел Каст. На картине изображена счастливая чета в окружении многочисленной свиты у древнего замка, а на заднем плане по водной глади плывут корабли. Размеры картины – примерно 76 × 60 см, она нарисована на дереве и отличается характерными трещинами, как и можно ожидать от произведения, которому уже пятьсот лет; во всех иных смыслах она в прекрасном состоянии. За нее запрашивали 30 000 британских фунтов, поэтому, прежде чем дать согласие, попечительский совет Метрополитен-музея решил обратиться за консультацией к независимому специалисту – графу Умберто Ньоли, выдающемуся историку искусства и, по совместительству, агенту музея по закупкам. А уже сам Ньоли обратился к Белль да Коста Грин, которая заведовала библиотекой Моргана, расположенной на Манхэттене, в четырех километрах к югу от Метрополитен-музея.

Грин сочла картину подделкой, и музей отклонил покупку. Зная, кому изначально приписывали авторство, Грин в порыве вдохновения окрестила создателя «Испанским фальсификатором». Впрочем, сейчас полагают, что настоящий фальсификатор, скорее всего, работал в Париже в конце XIX – начале XX века. Его имя пока неизвестно, но он явно плодовит: в наши дни он считается автором более 350 произведений, многие из которых находятся в коллекциях самых прославленных музеев мира (включая Метрополитен-музей и библиотеку Моргана).

И анализ Грин, и первоначальное подтверждение Каста были основаны на соображениях, касавшихся истории искусства. О разногласиях среди экспертов мы еще поговорим. Более того, некогда Грин подтвердила подлинность иллюстрированного средневекового служебника, приобретенного библиотекой Моргана двадцатью годами ранее, а впоследствии признала этот артефакт работой того же фальсификатора.

Так есть ли способ, при помощи которого наши беспристрастные историки-атомы могут дать нам окончательный ответ о происхождении этих произведений искусства? Да, есть. Он называется авторадиографией, или, если быть точным, нейтронно-активационной авторадиографией. Как вы помните, нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому на их полет в космосе не влияют ни электроны, ни протоны, ни магнитные поля, с которыми они могут столкнуться. Но им очень удобно в атомном ядре, в мощных объятиях сильного ядерного взаимодействия. Конечно же, добавление нейтрона к атомному ядру не меняет идентичность атома – и 12C, и 13C по-прежнему представляют собой Углерод, – но оно создает новый изотоп, который может проявлять или не проявлять склонность к радиоактивному распаду (например, 13C + n =14С, который, как мы видели в главе 6, будет испытывать бета-распад).

Начиная с 1960-х годов графитовый ядерный реактор Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной на Лонг-Айленде, в штате Нью-Йорк, применялся для исследования картин с использованием нейтронной активации. Он генерирует множество нейтронов (от миллионов до триллионов на квадратный сантиметр за секунду), скорость которых достаточно скромна. (Как правило, они обладают энергией 0,025 эВ, и быстрота их перемещения сравнима со скоростью молекул воздуха в замкнутом помещении, поэтому их называют «тепловыми нейтронами».) Крошечная часть этих нейтронов сталкивается лоб в лоб с ядром атома на картине, захватывается благодаря сильному взаимодействию и превращает изначальный атом в его более тяжелый изотоп.

Например, 11-й элемент, Натрий, встречается в природе только в виде своего единственного стабильного изотопа (23Na). Его ядро, захватив нейтрон, становится радиоактивным ядром 24Na, неустойчивым и склонным к бета-распаду – в стремлении обратно к долине стабильности новый атом испускает электрон, уравнивает количество протонов и нейтронов и сдвигается на одну ступень вверх в Периодической таблице к 12-му элементу, Магнию (24Mg). Период полураспада в данном случае составляет 15 часов. Как и в большинстве подобных распадов, ядро Магния остается в возбужденном состоянии, затем испытывает гамма-распад и переходит в основное состояние, испуская фотоны с энергиями 2,75 и 1,37 Мэ В. Эта реакция записывается так:

23Na + n → 24Na → 24Mg* + e— + νe*** → 24Mg + + γ (2,75; 1,37 МэВ)

Добавление одного нейтрона к большинству стабильных изотопов влечет похожую цепочку событий. Обратите внимание на итог: (1) электрон, обладающий высокой энергией, улетает с картины, (2) испускаются гамма-лучи с очень своеобразными энергиями, характерными для нового элемента, и (3) исходный атом превращается в новый, расположенный на одну ступень выше в Периодической таблице.

Нас могло бы обеспокоить то, что нейтронное облучение меняет элементы потенциально драгоценного произведения искусства. Но сколько таких атомов меняется?

Устроители Брукхейвенского проекта анализировали семь работ, приписываемых «Испанскому фальсификатору». Картины располагали на расстоянии 60 см от реактора и облучали на протяжении примерно 90 минут, направляя на каждый их квадратный сантиметр около 1 миллиарда (10^9) нейтронов за секунду. На шестидюймовой (15 см) странице иллюминированной рукописи это в общей сложности более 1000 триллионов (10^15) нейтронов. Впрочем, напомним, что, если нейтрон не оказывается на расстоянии 10–14 см от ядра, он вообще не подпадает под влияние сильного взаимодействия и поэтому проходит прямо через картину. Принимая во внимание крошечный размер мишеней, 99,9999999999 % нейтронов пролетают сквозь нее, и только пять или шесть из каждого триллиона атомов на картине преображаются в результате нейтронного захвата.

Чтобы представить, насколько это незначительно, вообразите склад, занимающий целый квартал Нью-Йорка (ок. 80 × 275 м). Высота этого склада – двадцать этажей, и он полностью заполнен синими шариками, каждый из которых представляет один атом на картине. Нейтронное облучение превращает пять или шесть шариков в красные. Если бы 2000 человек работали по восемь часов в день, пять дней в неделю и ухитрялись бы каждую секунду хватать по одному синему шарику и выбрасывать его в окно, тогда на то, чтобы найти пять красных шариков, им потребовалось бы более шестидесяти лет. А если бы склад находился рядом с Центральным парком, выброшенные шарики заполонили бы весь парк по колено. Так что вполне справедливо назвать авторадиографию неразрушающим методом анализа.

После образования радиоактивных ядер их периоды полураспада оказываются различными. Но нужно точно выяснить, где именно на каждой картине расположены определенные элементы, поэтому на ее лицевую сторону накладывают кусочек пленки с тем расчетом, чтобы улетающие электроны делали его видимым. Пленку оставляют на то или иное время, отмеряя различные интервалы после облучения, – так выявляют присутствие разных элементов с разным периодом полураспада. В произведениях «Испанского фальсификатора» исследователей интересовали такие элементы (с соответствующими периодами полураспада): Марганец (2,58 часа), Медь (12,7 часа), Натрий (15 часов), Мышьяк (26,3 часа), Золото (2,7 дня), Хром (27,7 дня), Ртуть (46,7 дня), Сурьма (60,2 дня) и Цинк (244 дня)2. Пленку накладывали по прошествии определенного времени после воздействия (в скобках указан срок): спустя один день (на один день), спустя четыре дня (на два дня), спустя семь дней (на два дня) и спустя двадцать два дня (на пять дней).

Одна из рукописей, бревиарий XV века, приобретенный библиотекой Моргана в 1900 году – еще до того, как должность заведующей заняла Грин, – содержит двенадцать календарных картин и шесть иллюстраций, на одной из которых изображена сцена с Марией Магдалиной. Книге на самом деле 600 лет, и предполагалось, что, хотя листья и цветы, украшающие поля каждой страницы, оригинальны, миниатюры добавил «Испанский фальсификатор». Авторадиограммы показали, что синяя краска, которой рисовали цветы на кайме (содержащая Медь), отличалась от синей краски, использованной для неба (содержащей Натрий), хотя на вид они были совершенно одинаковы. Пусть даже периоды полураспада этих двух изотопов схожи, вследствие чего можно было бы ожидать равной интенсивности, Медь обладает гораздо большей способностью поглощать нейтроны и, следовательно, проявляется более интенсивно. Синий пигмент, в котором присутствовала Медь, был доступен в средние века, но голубое небо, по всей видимости, изображали ультрамарином (химическая формула Na_7Al_6Si_6O_24S_3), пигментом, содержащим Натрий и впервые произведенным в XIX веке.

На пленке, экспонированной через семь-девять дней после облучения, видна разница между зелеными листьями, окаймляющими картину, и зеленой травой на иллюстрации – интенсивность последней не столь велика. К моменту экспозиции от 22 до 27 дней зеленая трава совершенно инертна, а листья на границе все еще активны. Это значит, что пигмент, при помощи которого создавалась иллюстрация, содержит Мышьяк; его период полураспада составляет всего 26,3 часа, так что за 22 дня прошло двадцать таких периодов и осталась только одна миллионная часть наведенной радиоактивности^3. И действительно, Мышьяк входит в состав парижской зелени (ацето-арсенит меди). Впервые она стала доступной художникам в 1818 году и считалась лучшим зеленым пигментом на протяжении XIX века. Однако она ядовита, и в начале XX века от нее отказались^4.

Засветка пленки меняется, поскольку электроны вылетают «строго по графику», который, как отмечалось выше, соответствует различным периодам полураспада наведенных радиоактивных изотопов. Но кроме того, конечные продукты распада остаются в возбужденном состоянии и быстро испускают гамма-лучи, энергии которых соответствуют уникальному набору возбужденных ядерных состояний того или иного элемента и благодаря проявлению определенных характеристик однозначно свидетельствуют о его присутствии. Однако, поскольку эти фотоны испускаются в случайных направлениях, невозможно определить, из каких областей картины они произошли. Поэтому авторадиографическая пленка и спектрометр, распределяющий гамма-лучи по энергии, работают в тандеме: спектрометр подтверждает присутствие Мышьяка, а пленка показывает, где именно он находится. Что касается иллюстрации Марии Магдалины в бревиарии, то гипотеза о том, что рамки были оригинальными, а иллюстрация – поддельной, подтвердилась.

Творческое наследие Блейклока

Перемены в составе пигментов, использованных художниками, или датировка дерева или холста, на которых написаны их картины, помогают обнаружить подделку, когда авторы самих произведений уже давно ушли в мир иной (см. гл. 8). Однако поддельные произведения современных художников нужно исследовать более аккуратно, хотя можно применить некоторые из тех же неразрушающих методов.

Считается, что среди американских художников чаще всего подделывают работы Ральфа Альберта Блейклока. Свой творческий путь он начал в Нью-Йорке в 1870-х годах, вернувшись из трехлетнего путешествия по американскому Западу. Блейклок был в основном самоучкой, и хотя его ранние работы напоминают «Школу реки Гудзон», со временем он развил уникальный романтический стиль, типичный пример которого – дивные пейзажи, залитые лунным светом. Но хотя он писал очень много картин, продавать их он не умел совершенно, и работа не давала ему средств, необходимых для того, чтобы прокормить и одеть свою жену и девятерых детей. В 1891 году у него случился нервный срыв, и к 1899 году его навсегда поместили в лечебницу. После его ухода со сцены успех его работ у критиков резко возрос, как и продажи картин, начавших приносить четырех-, а затем и пятизначные суммы. Из-за такого высокого спроса и отсутствия постоянного предложения быстро стали распространяться подделки, которыми, помимо других, занималась и его дочь Мэриан (впоследствии ее тоже поместили в приют для душевнобольных).

В 1970-х годах Морис Коттер и его коллеги провели обширное исследование произведений Блейклока и его современников, в том числе и ряда известных подделок^5. Авторадиографии, а также рентгеновскому облучению подверглись в общей сложности сорок пять картин. Рентгенография картины работает так же, как в рентген-кабинете: фотоны рентгеновского излучения проходят через картину и обнаруживаются на другой стороне – либо на пленке, либо, что более вероятно в наши дни, на электронном детекторе. Как и с изображением сломанной кости, видимой сквозь кожу и мышцы, рентгеновские лучи могут выявить скрытые слои картины; кроме того, поскольку каждый атом поглощает рентгеновские лучи с определенными энергиями – в соответствии с промежутками, разделяющими энергетические уровни его внутренних электронов, – становится возможным опознать химический элемент.

Оценку подлинности творческого наследия Блейклока команда Коттера начала с картины «Восход луны» из коллекции Смитсоновского института, автором которой, несомненно, был сам художник. Рентгеновский снимок произведения показал технику, характерную для работ Блейклока – в ней на картину в качестве основы наносились при помощи мастихина неравномерные слои свинцовых белил, отчасти для сглаживания шероховатой поверхности дерева, а отчасти – в качестве подмалевка. В «Восходе луны» детали, которым предстояло превратиться в ярчайший лунный свет, были изображены самым толстым слоем белой краски. Поскольку Свинец эффективно поглощает рентгеновские лучи (вспомните тяжелый фартук, который стоматолог кладет вам на колени, когда делает рентген зубов), самые плотные слои на рентгеновском снимке кажутся темными.

Авторадиограмма, сделанная через несколько часов после облучения, выявила пигмент на основе Марганца, нанесенный поверх свинцовых белил для сохранения комковатого вида. Другая рентгенограмма, сделанная спустя несколько дней, показала, что в картину был добавлен пигмент, содержащий Мышьяк, – возможно, его внесли деревянным концом кисти, чтобы подчеркнуть свет, проникающий сквозь деревья. Еще одно изображение, полученное в период от четырнадцати до двадцати четырех дней после облучения, показало тонкий слой пигмента, содержащего Ртуть, – художник нанес его кистью для достижения красноватого оттенка, работая в технике лессировки. Такие завершающие тоновые слои типичны для зрелых работ Блейклока.

Еще одно из произведений, изученных авторами, – картина «Женщина в красном», написанная маслом по холсту. Рентген показывает, что, в отличие от работ Блейклока, слой грунтовки очень тонкий, поэтому ткань холста по-прежнему хорошо видна. На рентгенограмме, сделанной через девять-девятнадцать дней после облучения, красное платье женщины насыщено до предела. Причиной этого считают распад радиоактивного изотопа Ртути 203Hg, который формируется при захвате нейтрона наиболее распространенным стабильным изотопом 202Hg и затем разрушается до 203Tl; пигмент киноварь – сульфид ртути (HgS). Краски нанесены совершенно по-другому, чем в «Восходе луны». В левом нижнем углу картины на рентгенограмме видна частично соскобленная подпись. Сравнение с подписанной работой Мэриан Блейклок не оставляет сомнений в том, что в данном случае дочь заменила свою подпись подписью отца.

Ральф Альберт Блейклок, запертый в государственной гомеопатической больнице Миддлтауна в округе Ориндж, штат Нью-Йорк, не подозревал о стремительном взлете своей славы живописца. В 1916 году одна из его пейзажных картин была продана на аукционе за 20 000 долларов (более полумиллиона в современных ценах), что на тот момент было рекордом для американского художника. Репортер New York Tribune нашел Блейклока и впервые за семнадцать лет привез его на Манхэттен. Уже по прошествии тридцати лет журналист вспоминал, что несколько «своих» произведений, выставленных в галерее, Блейклок причислил к подделкам. Но в отчете о посещении галереи репортер решил не упоминать этот факт, поскольку сомневался в ясности мышления художника и не желал портить приятную историю^6.

Немецкие подделки и PIXE

В ноябре 2011 года Вольфганг Бельтракки, а также его жена, свояченица и ее муж были признаны виновными в подделке четырнадцати картин европейских сюрреалистов и экспрессионистов, проданных на предположительно авторитетном арт-рынке за более чем 16 миллионов евро (22 миллиона долларов на бирже по курсу 2011 года). В число предъявленных обвинений не попали еще как минимум сорок четыре подделки, выявленные немецкими следователями; подобные цифры возводят это дело в ранг крупнейшего мошенничества в сфере искусства за последние семьдесят пять лет.

Картины были проданы на аукционе в Германии в начале 1990-х годов, и их подлинность была подтверждена историками искусства. В некоторых торгах участвовал аукционный дом Christie’s, что повысило доверие к работам. Комик Стив Мартин купил одно из произведений художника Генриха Кампендонка за 850 тысяч долларов.

Жена Бельтракки придумала хитрую историю о происхождении картин, решив убедить всех в том, что ее дедушка, Вернер Йегерс, купил их в начале XX века у немецкого еврейского арт-дилера искусства Альфреда Флехтхайма, чей бизнес забрали нацисты в 1930-х годах. Ходили слухи, что Йегерс спрятал свою коллекцию в горной пещере недалеко от Кёльна, чтобы ее не украли или не уничтожили нацисты (считавшие произведения того периода «дегенеративными»). На самом деле Йегерс ни разу в жизни не купил ни одного произведения искусства, хотя Бельтракки зашли настолько далеко, что сделали фотоснимки в старинной одежде с висящими на фоне поддельными картинами.

Другая картина Кампендонка, проданная на аукционе Lempertz в Кёльне в 2008 году за 2,5 миллиона долларов, помогла раскрыть мошенничество, когда новый владелец изучил ее с помощью рентгеновского излучения, индуцированного протонами (PIXE). PIXE – еще один полностью неразрушающий метод, основанный на преимуществах уникального «отпечатка пальца», который характерен для каждого атома в наборе определенных длин волн, создаваемых переходами его электронов. При помощи ускорителя PIXE создает пучок протонов с энергией (обычно достигающей нескольких миллионов электронвольт), достаточной для ионизации атомов картины, которая происходит вследствие того, что один из электронов, расположенных ближе всего к центру, насильно срывается со своей орбиты. В ответ внешние электроны каскадом спускаются вниз, заполняя дырку и излучая волны определенной длины, уникальные для каждого элемента. Хотя можно добиться этого и другим путем, осветив картину достаточно энергичными рентгеновскими фотонами (это так называемая рентгеновская флуоресценция), метод PIXE лучше в том плане, что позволяет непрерывно менять энергию излучения и таким образом выбирать глубину, на которую проникнут протоны (благодаря чему получается исследовать различные слои краски, а также определять размеры холста и толщину наложенного лака). Кроме того, можно сфокусировать луч, чтобы осветить определенные микроскопические участки произведения искусства; стандартные размеры луча настолько малы, что составляют всего 0,2 мм (в несколько раз больше ширины человеческого волоса).

Исследование картины Кампендонка, проведенное при помощи PIXE, показало, что в ней содержалось значительное количество Титана, входящего в состав «титановых белил» – пигмента, впервые произведенного спустя семь лет после предположительного создания картины, и тем самым это позволило классифицировать ее как однозначную подделку. При этом сам метод не оказывает на картину совершенно никакого влияния – конечно, если не принимать во внимание ее стоимость.

Применение PIXE

Фальсификаторов интересуют и объемные артефакты. Например, в Китае высоко ценятся нефритовые изделия, найденные в древних гробницах. После тысяч лет соприкосновения с почвой и водой белый нефрит покрывается люминесцентной патиной, известной в Китае как «белая куриная кость». Такой вид придают и современным подделкам, для чего их замачивают либо в соляной (HCl), либо в серной кислоте (H_2SO_4), после чего остается явный избыток Хлора или Серы, легко выявляемый при помощи сканирования по методу PIXE. Скажем, в то время как в древних нефритовых артефактах концентрация Хлора составляет от 0,01 до 0,036 %, в современных подделках она в десять раз выше – от 0,1 до 0,36 %7.

Анализ PIXE чрезвычайно чувствителен к едва уловимым химическим изменениям, поэтому к его помощи прибегали во многих областях искусства и археологии. Одно из самых замечательных его применений – попытка расположить в хронологическом порядке недатированные заметки и рисунки Галилея, связанные с развитием его теории движения. Желая оценить точный состав чернил в датированных письмах и финансовых документах и сравнить его с составом на недатированных страницах заметок Галилея о физике движения, группа итальянцев сопоставила соотношения элементов (Цинк/Железо, Медь/Железо, Цинк/Медь, Железо/Свинец) и сумела сгруппировать документы по едва заметным изменениям в содержимом чернильницы Галилея, тем самым во многом углубив наши знания об одном из важнейших творцов современной науки^8.

Неразрушающие методы невероятно обогащают сферу истории искусства, поскольку дают нам возможность напрямую обратиться к атомам и молекулам, из которых оно состоит, благодаря чему мы можем установить происхождение произведений, обнаружить подделки, а также представить, при помощи каких техник создавался тот или иной шедевр, и установить время его возникновения. Подобный подход к священным текстам и артефактам, а также к архитектурным и художественным творениям как исторических, так и доисторических времен позволит расширить границы нашего «атомного воссоздания» человеческих стремлений – и проникнуть в эпохи, предшествующие возникновению современной цивилизации.

Глава 8

Углеродные часы: установление дат

«Радиоуглеродное датирование предполагает, что ранний Коран древнее Мухаммеда»1. Этот заголовок мелькал по всему миру летом 2015 года, рождая ужас в мусульманском мире, интерес среди историков и раздражение во мне. Эта история – не пример мошеннических уловок, подобных тем, какие мы раскрывали в предыдущей главе, а просто следствие вопиюще плохого написания заголовков в сочетании с одной из моих любимых мозолей – неумением считать. Однако этот инцидент позволит нам показать в действии очень важную технику датирования, о которой мы будем часто говорить в последующих главах и которая, таким образом, представляет собой следующий шаг в нашем стремлении превратить атомы в безупречных историков.

Датирование пергамента

В начале 2015 года в библиотеке Бирмингемского университета были найдены несколько листов Корана, в том числе части 18, 19 и 20-й сур (глав). Они находились внутри другой древней копии Корана, приобретенной в 1920-х годах. Лаборатория Оксфордского университета, располагавшая радиоуглеродным ускорителем, использовала крошечный фрагмент пергамента из этих фолиантов и обнаружила, что они созданы в период, охватывающий время с 568 по 645 год нашей эры. Поскольку пророк Мухаммед жил с 570 по 632 год, автор заголовка, ориентированный на кликбейт, счел оправданным написать: «Радиоуглеродное датирование предполагает, что ранний Коран древнее Мухаммеда», таким образом «предполагая», что эта версия исламского священного текста могла появиться прежде пророка, получившего ее в откровении. Это антинаучное «предположение» – и ниже я объясню почему. Но сначала давайте посмотрим, как можно однозначно датировать документ возрастом в четырнадцать веков с точностью до нескольких десятилетий.

Как описано в главе 6, 14C представляет собой радиоактивный изотоп Углерода, претерпевающий бета-распад до 14N. Период его полураспада составляет 5730 лет (неопределенность периода полураспада – менее 1 %). Поскольку в основе всех живых существ на Земле лежат молекулы, содержащие Углерод, они в ходе своей жизни постоянно поглощают этот атом из окружающей среды (растения впитывают CO_2 из воздуха, животные поедают растения или других травоядных). В главе 10 мы подробнее поговорим о том факте, что 14С тяжелее гораздо более распространенного 12С, поэтому растения неохотно усваивают его при построении своих молекул, но тем не менее в них неизбежно содержится некоторая доля более тяжелого изотопа.

Как только растение или животное умирает, оно перестает поглощать Углерод из окружающей среды. Два стабильных изотопа, 12C и 13C, остаются неизменными, но 14C всегда распадается, и если не ввести его из внешнего источника, его количество медленно, но верно уменьшается по сравнению с его стабильными собратьями. Через 5730 лет (один период полураспада) соотношение 14C/12C составит половину того, каким оно было при жизни существа. Как указано в главе 6, количество атомов N, оставшихся после определенного периода времени T с момента смерти N(T), устанавливается количеством окружающих атомов на момент смерти N(T = 0), умноженным на дробь (½), возведенную в степень T/t½:

N(T) = N(T = 0) × (½)T/t½,

где t½ – период полураспада изотопа. По истечении одного периода полураспада T = t½, поэтому T/t½ = 1, (½)1 = (½), и, таким образом, N(t1/2) = N(T = 0) × (½) – остается половина атомов. Если можно измерить количество атомов^14C в образце и знать, сколько их было вначале, то мы сможем инвертировать уравнение и найти Т – возраст объекта. В древнем Коране присутствовало 84,3 % от изначального количества атомов 14C, благодаря чему удалось вычислить то время, когда он был создан – с этого момента до 2015 года прошло 1408 лет; иными словами, он появился примерно в 607 году нашей эры.

У вас, наверное, уже появились вопросы. Во-первых, как можно узнать, сколько атомов 14С было в живой овце, шкура которой пошла на пергамент? Во-вторых, если период полураспада 14C составляет всего 5730 лет, как вообще может оставаться этот изотоп, когда Земле 4,5 миллиарда лет? И, наконец, как измерить соотношение 14C/12C на крошечном клочке пергамента? Учитывая, сколь важно датирование при помощи 14C во многом, о чем мы будем говорить дальше (не говоря уже о радиоизотопном датировании как таковом), стоит потратить немного времени и ответить на каждый из этих вопросов.

Откуда берется 14С?

Итак, почему 14С все еще существует в окружающей среде? В главе 6 мы упоминали о том, что этот изотоп встречается редко; это примерно одна триллионная часть количества 12С в мире. Но если бы мы располагали лишь первоначальным количеством 14C, возникшим во время формирования планеты, к настоящему времени его бы точно не осталось – если бы мы захотели возвести дробь (½) в степень, показатель которой равен отношению возраста Земли к периоду полураспада изотопа, пришлось бы умножить ½ × ½ 797 033 раза, и это число оказалось бы настолько близко к нулю, что для наших целей их вполне можно уравнять.

На самом деле наш запас 14C постоянно пополняется, поскольку нашу атмосферу бомбардируют частицы чрезвычайно высокой энергии, проникающие из космоса, – так называемые космические лучи, открытые в 1911 году австрийским физиком Виктором Гессом, совершившим ряд рискованных измерений на большой высоте, куда он поднимался на аэростате. Космические лучи состоят из электронов, протонов и тяжелых атомных ядер, ускоренных в межзвездном пространстве до скоростей, близких к скорости света (см. гл. 16), так что, несмотря на свою ничтожную массу, они несут огромную энергию. У самых энергичных космических лучей, обнаруженных на Земле, в одном протоне умещается сила подачи профессионального теннисиста.

Когда частица космического излучения, на протяжении многих тысячелетий странствовавшая по Галактике, врезается в атомное ядро в верхних слоях атмосферы Земли (примерно в 30 км над поверхностью), она разбивает ядро на составляющие его частицы, высвобождая множество нейтронов. Эти быстрые нейтроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомными ядрами, превращая их в новые изотопы и другие элементы. В частности, быстрый нейтрон (n), столкнувшись с атомом Азота (14N, преобладающим компонентом атмосферы), может выбить протон и занять его место в ядре:

n + 14N → 14C + p.

В ядре по-прежнему четырнадцать частиц, но на один протон меньше, поэтому атом перемещается с седьмого на шестое место в Периодической таблице и превращается в 14C. Скорость образования 14C в ходе этого процесса примерно постоянна, и если учесть естественную скорость распада изотопа, мы получим то соотношение, которое и наблюдаем в воздухе сегодня, когда на каждый триллион ядер^12C приходится одно ядро 14C.

Я говорю, что скорость «примерно постоянна», но этого недостаточно для точного датирования. И хотя в наши дни я могу измерить ее непосредственно, откуда мне знать, какой она была 1400 лет назад, прежде чем мы хотя бы вообразили космические лучи, не говоря уже о радиоактивных изотопах? На самом деле скорость образования частиц меняется и предсказуемо, и непредсказуемо по трем различным причинам, и датирование при помощи изотопа^14C практично только потому, что у нас есть независимый способ определения этой скорости.

Изменчивая скорость образования частиц

Первое, что следует учесть, – это скорость, с которой космические лучи из дальнего космоса достигают Земли. Ее значение будет колебаться в зависимости от очень долгих временных масштабов, поскольку Солнечная система обращается вокруг центра Галактики (примерно раз в 240 миллионов лет) и проходит через разные области космоса. Если нам случится миновать место недавнего звездного взрыва – основного места образования космических лучей, – то дождь из частиц высокой энергии усилится, и вместе с этим возрастет скорость образования 14C. Однако в интересующих нас временных рамках (от тысяч до десятков тысяч лет) можно с уверенностью предположить, что скорость, с которой межзвездные космические лучи прибывают в окрестности Земли, достаточно постоянна.

Второй фактор, определяющий уровень воздействия этих лучей на атмосферу, – это интенсивность магнитного поля Земли и активность Солнца. Космические лучи по определению представляют собой заряженные частицы (с положительным или отрицательным зарядом), а такие частицы энергично взаимодействуют с магнитным полем. Более того, напряженность магнитного поля Земли (которое заставляет стрелку вашего компаса поворачиваться, указывая на север) достаточно велика, чтобы полностью отклонить некоторые космические лучи и направить многие другие вдоль своих силовых линий на Северный и Южный полюса, рождая полярное сияние.

Оказывается, напряженность (и даже направление) магнитного поля Земли непостоянна. Поле, созданное турбулентными потоками в расплавленной части земных недр, то усиливается, то ослабевает и меняет свое положение: в настоящий момент Северный магнитный полюс находится в 395 км к югу от географического Северного полюса, сместившись на 570 км к северу и на 810 км на запад за последние двадцать лет^2.

Однако для проникновения космических лучей важнее напряженность поля. За последние два столетия она уменьшалась примерно на 6 % за столетие^3; чем слабее поле, тем больше космических лучей достигает поверхности Земли и тем сильнее возрастает образование 14C. Если эта тенденция сохранится, поле исчезнет в течение следующих нескольких тысяч лет. Если взглянуть на происходящее в более долгих временных масштабах, то мы увидим, что наблюдаемые в последнее время колебания не являются чем-то необычным, а нынешняя напряженность аналогична средней за последние 7000 лет. Было показано, что за еще более долгое время (от сотен тысяч до десятков миллионов лет) поле исчезает и снова возвращается, меняя полярность, при этом Южный магнитный полюс находится рядом с географическим Северным полюсом и наоборот. Это не имеет значения для интересующей нас скорости образования частиц 14C, поскольку из-за сравнительно короткого периода полураспада данный изотоп бесполезен для датирования, когда возраст объекта намного превышает 50 000 лет.

Уровень активности Солнца играет роль и в регулировании количества космических лучей, прибывающих на Землю. В период особо сильной активности солнечный ветер выходит за пределы земной орбиты, сводя к минимуму количество космических лучей, достигающих атмосферы, и отклоняя их в космос. Когда Солнце сравнительно спокойно, его магнитное влияние уменьшается, и на нас ливнем проливаются космические лучи. Изучая другие радиоактивные изотопы, возникающие под влиянием космического излучения, такие как Бериллий (10Be, t½ = 1,6 миллиона лет), мы можем составить график изменений солнечной активности, способной, помимо прочего, влиять на климат Земли (см. гл. 11).

Однако если говорить об активности нашей звезды, то существует противоположная тенденция, которую также необходимо учитывать. Когда Солнце активно, сильные вспышки на его поверхности выбрасывают на Землю протоны и электроны в форме солнечных космических лучей. Поскольку частота вспышек возрастает и ослабевает по мере одиннадцатилетнего цикла, интенсивность которого сильно меняется на протяжении столетий, она также оказывает влияние на образование 14С. Однако этот эффект относительно невелик: максимальный вклад Солнца в формирование межзвездных космических лучей обычно составляет от менее 1 до 5 %.

И, наконец, свой след в концентрации 14C, который придется учитывать будущим историкам и археологам, за последние два столетия оставила человеческая деятельность. Мы получаем уголь, нефть и природный газ из растительного материала, который оказался в земных недрах примерно 100 миллионов лет назад или еще раньше. Сжигание этого ископаемого топлива в наши дни приводит к выбросу Углерода в атмосферу (в форме CO_2) и изменению соотношения содержания его изотопов. Мы подробнее изучим этот эффект в главе 11, но сейчас отметим, что этот очень старый ископаемый Углерод не содержит 14C – весь радиоактивный изотоп давным-давно распался. Поэтому в 2200 году историки вполне могли бы заключить, что артефакты современной цивилизации старше, чем на самом деле, поскольку соотношение 14C/12C в современной атмосфере понизилось под влиянием антропогенного фактора.

Однако есть еще один сопутствующий эффект, который будущим ученым также придется принять во внимание. С 1950 по 1963 год над землей прошло огромное количество ядерных испытаний. Великое множество нейтронов, образующихся при каждом взрыве, вступило во взаимодействие с Азотом – подобно тому, как это делают нейтроны, рожденные под воздействием космических лучей, – и произвело несколько тонн 14C. Концентрация 14C в атмосфере увеличилась почти вдвое, достигнув пика примерно в 1965 году. По мере того как Углерод медленно смешивался с землей и морской водой, интенсивность ослабевала, так что к 2021 году оставшийся избыток в атмосфере приблизился к нулю и продолжил снижаться из-за сжигания ископаемого топлива (см. гл. 11)4.

Если бы знания о скорости образования 14C нам предоставляли только эти факторы (изменение магнитного щита, солнечная активность и антропогенное влияние), нам пришлось бы смириться со значительной неопределенностью в возрасте объектов при датировке: с точностью установить исходное соотношение 14C было бы довольно трудно. К счастью, мы можем воспользоваться другими природными явлениями, которые позволяют нам оценить интенсивность образования 14C за последние 55 000 лет, что значительно повышает достоверность нашего датирования.

Углеродная «калибровка»

Как и все другие живые существа, деревья поглощают Углерод, содержащийся в воздухе, и создают из него свою древесину, в которой около 50 % массы приходится на Углерод. В умеренных зонах деревья имеют заметные годичные кольца, каждый год добавляя слой древесины к обхвату. Поэтому они представляют собой идеальный календарь: самый внешний слой относится к текущему вегетационному периоду, следующий – к прошлому году, третий – к двухлетней давности и так далее. Изучение этих годичных колец называется дендрохронологией. Поскольку деревья – это то, что они едят (подробнее об этом см. гл. 10), соотношение изотопов Углерода в древесине того или иного кольца дает точную меру их соотношения в воздухе в соответствующем году.

Хотя многие деревья живут менее ста лет, есть и такие, у которых этот срок гораздо дольше. Гигантская секвойя с Западного побережья США может жить более 2000 лет, а среди остистых сосен высоких Скалистых гор встречаются живые экземпляры возрастом более 5000 лет. С помощью небольшого полого сверла, приростного бурава, можно взять образец с каждого из пяти тысяч годовых колец этих деревьев и непосредственно измерить в каждом из них соотношение 14C/12C. Мертвые деревья, сохранившиеся в древних постройках или погребенные в илистом дне рек или болот, оказываются очень полезными для специалистов в дендрохронологии: сопоставление их кольцевых узоров в точках совпадения с живыми деревьями позволило создать непрерывную летопись, уходящую в прошлое на 13 910 лет^5 от настоящего времени^6. Каждый год в ней представлен образцом древесины, который показывает соотношение изотопов Углерода. Аналогичная «калибровка» с использованием коралловых рифов и слоистых океанских и озерных отложений дает возможность продлить эту летопись, которую мы заполняем благодаря Углероду, еще дальше в прошлое, и датировать объекты возрастом до 55 000 лет. В дальнейшем в образце, как правило, становится слишком мало атомов 14C, чтобы можно было надежно подсчитать соотношение.

За последние два тысячелетия поправки к возрасту, установленному путем радиоуглеродного датирования с использованием изотопа 14С, менялись от положительных к отрицательным: поправка на древность в наши дни (это означает, что частицы 14С формировались недостаточно быстро, поэтому его меньше в годичном кольце, а значит, его было меньше и в воздухе, и мы делаем вывод о более древнем возрасте); поправка на юность на отметке в 116 лет до настоящего времени (подразумевается, что частиц возникало слишком много и что их больше, чем нам следовало бы ожидать, поэтому мы предполагаем, что распад происходил реже и, следовательно, что изотопы моложе); поправка на древность на отметке в 142 года до настоящего времени; поправка на юность на отметке в 180 лет до настоящего времени и так далее, вплоть до отметки в 2421 год до настоящего времени (471 г. до н. э.), после чего для возраста 14C делается поправка на юность до самого конца летописи, завершающейся на отметке в 55 000 лет до настоящего времени. Расхождение составляет 200 лет на отметке в 2657 лет до настоящего времени, 400 лет на отметке в 4136 лет до настоящего времени и 600 лет на отметке в 5015 лет до настоящего времени, хотя неопределенность поправки составляет всего ±15 лет – иными словами, мы можем определить возраст объекта, которому около 5000 лет, с точностью до 0,3 %. В конце кольцевой летописи, на отметке в 13 910 лет до настоящего времени, поправка на юность при радиоуглеродном датировании с использованием изотопа 14C составит 1848 ± 28 лет. Избыток 14C (предполагающий более юный возраст) продолжает расти примерно до периода, отстоящего от нашего времени на 25 000 лет; в это время поправка составит около 4300 лет. Пиковое превышение происходит около 39 000 лет назад (5000 лет поправки), а затем падает до половины этого несоответствия на отметке в 50 000 лет до настоящего времени. Неопределенность в этом возрасте составляет примерно ±350 лет, что все же значительно лучше точности в 1 %.

Эти точные данные с высоким разрешением позволили обнаружить почти неуловимые эффекты в атмосферной концентрации 14C. Например, существует небольшая, но твердо установленная разница между Северным и Южным полушариями. Небольшие изменения наблюдались и в местах, где подъем глубинных вод океана выносит воду (и растворенный CO_2) на поверхность. В этой воде, которая на протяжении долгих тысячелетий не имела возможности газообмена с атмосферой, наблюдается низкое соотношение 14С из-за доли, претерпевшей распад, и при попадании в воздух она снижает содержание изотопа 14С в окружающей среде.

Существуют даже аномалии 14C, выявленные в течение одного года, такие как событие Мияке 774–775 годов, во время которого произошел внезапный всплеск концентрации 14C на 1,2 % (более чем в двадцать раз превышающий типичные колебания от года к году)7. Начало этого события не установлено, но можно с уверенностью сказать, что оно заняло меньше года; после этого внезапного повышения концентрация 14C постепенно вернулась к нормальному уровню примерно за двадцать пять лет. В качестве еще одного доказательства того, что некое событие, произошедшее в 774 году нашей эры, привело к попаданию в атмосферу многих частиц высокой энергии, можно вспомнить, что в керне антарктического льда наблюдается совпадающий выброс радиоактивного изотопа Бериллия‐10, также возникающего в ходе взаимодействия космических лучей с атмосферой. Любопытно, что в «Англосаксонской хронике» за этот год говорится:

В том году нортумбрийцы изгнали своего короля Элреда из Йорка на Пасхальной неделе и выбрали вождем Этельреда, сына Мулла, который правил четыре зимы. Также в тот год в небесах являлось алое распятие после заката^8.

Наиболее вероятное объяснение этого всплеска в образовании 14С – грандиозная солнечная вспышка, возможно, в сто раз более мощная, чем самая крупная из тех, какие наблюдались в наше время (событие Кэррингтона 1859 года – см. гл. 11, где мы поговорим о разрушительных последствиях, которые такое событие могло бы иметь в наши дни). «Алое распятие» можно объяснить драматичным появлением северного сияния (в сочетании с разумной дозой средневекового воображения).

Установление точного возраста по древесным кольцам помогает решить трудную проблему – определить соотношение 14C/12C на момент гибели растения или животного и внести в датировку при помощи изотопа 14C поправку, после которой точность датирования составляет примерно десять-двадцать лет. Поэтому полученные значения возраста имеют погрешность в несколько десятых процента или меньше за всю историю человеческой цивилизации.

Измерение крошечных образцов

Теперь подошло время вернуться к датировке нашего древнего Корана. Последний вопрос заключается в том, как подсчитать количество присутствующих в образце атомов 14C. В 1946 году, когда Уиллард Либби изобрел радиоуглеродное датирование, это можно было сделать только одним способом – подсчитав число высокоскоростных электронов, испускаемых при бета-распаде каждого атомного ядра (электроны имеют широкий диапазон энергий, значения которых сосредоточены вокруг отметки примерно в 50 000 эВ). Учитывая, что период полураспада 14C равен 5730 годам (или около 3 миллиардов минут), потребовалось бы 6 миллиардов ядер 14C для хотя бы одного распада в минуту (поскольку половина из них распадается за один период полураспада). Начнем с того, что среднее соотношение 14C/12C составляет 1 к триллиону, а значит, нужно будет провести измерения 10 000 распадов, чтобы снизить статистическую погрешность до уровня 1 %9. Таким образом, для этого метода потребуется образец пергамента массой не менее 15 граммов – столько весят несколько рукописных страниц^10. Ни один директор музея не захочет знать возраст драгоценного предмета в своей коллекции настолько сильно, чтобы позволить увезти его в физическую лабораторию ради неизвестно каких нечестивых целей.

Для современного радиоуглеродного датирования при помощи изотопа 14C требуются значительно меньшие образцы, а атомы подсчитываются напрямую, без необходимости дожидаться их распада, благодаря использованию ускорительного масс-спектрометра (вспомните, как в главе 5 мы упоминали это устройство, которое изобрел Фрэнсис Астон). Углерод извлекают, превращая его в графит (с помощью сжигания или химических методов), затем ионизируя атомы и ускоряя их до высоких энергий. Несомненно, это требует разрушения образцов, но они в тысячи раз меньше, и их масса измеряется не в граммах, а в миллиграммах.

Пучок атомов высокой энергии проходит через магнитное поле, которое распределяет атомы по массе, при этом более массивные изотопы отклоняются не так сильно (см. рис. 8.1). Всего 0,01 грамма материала достаточно, чтобы получить миллионы атомов 14C в образце возрастом 35 000 лет^11. Как мы увидим в последующих главах, ускорительный масс-спектрометр – это бесценный инструмент для подсчета как стабильных, так и радиоактивных изотопов, используемых для воссоздания истории.

Рис. 8.1. Принцип действия ускорительного масс-спектрометра. Образец испаряется, а его атомы ионизируются, поэтому все они представляют собой положительно заряженные ионы. Ими выстреливают вправо, где они попадают в магнитное поле (оно направлено перпендикулярно странице и представлено маленькими кружками). Заряженные частицы отклоняются магнитным полем, и величина отклонения зависит от массы иона. Таким образом, детекторы для сбора можно размещать на разном расстоянии от источника ионизации и распределять ионы разной массы по детекторам в зависимости от последней

Возраст Корана

Теперь, когда мы объяснили, как образуются атомы 14C, а также подробно поговорили о точном определении скорости их образования и описали способы их подсчета, можно вернуться к нашему обманчивому заголовку, с которого началась эта глава. Напомним, что период, установленный при помощи радиоуглеродного датирования, пришелся на время с 568 по 645 год нашей эры. Во-первых, нам следует установить, что означает этот диапазон: это утверждение, согласно которому истинный возраст с вероятностью 95 % окажется в этих пределах и с вероятностью 5 % – либо древнее, либо моложе. Если бы мы хотели добиться достоверности более 99 % (минимум, который принимается в физике), пришлось бы расширить диапазон до 549–663 годов нашей эры^12 (вспомним, что Мухаммед умер в 632 году). Более того, дата отмечает не годы написания рукописи, а время, когда умерла овца, коза или теленок, из чьей шкуры был изготовлен пергамент.

У нас нет метода, позволяющего датировать чернила. Впрочем, мы обстреляли манускрипт рентгеновскими лучами, возбудив электроны в молекулах чернил, сумели пронаблюдать, как они возвращаются на свои места (испуская фотоны с уникальными длинами волн, специфическими для каждого элемента, который содержался в чернилах), и так установили, что красные чернила – это свинцовый сурик (такие применялись по крайней мере с 300 г. до н. э.), а коричневые – это железо-галловые чернила, в которых сульфат Железа смешан с экстрактом дубовых галлов (наростов на древесных листьях, возникших в ходе деятельности личинок ос; такие чернила используются с начала V века). Ничего необычного в этом нет. Направляя на страницы свет с разной длиной волны (как видимый свет, так и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, недоступное человеческому зрению), ученые показали, что на этом пергаменте, в отличие от многих старых манускриптов, нет никаких следов присутствия каких-либо предыдущих записей – все выглядит так, словно шкуру изначально готовили исключительно для этой цели.

Хотя первоначальная версия Корана передавалась устно, известно, что халиф Абу Бакр имел письменную копию, сделанную между 632 и 634 годами нашей эры, сразу после смерти Мухаммеда^13. Говорят, что последующий халиф Усман поручил записать окончательную версию Корана, изданную во время его правления, между 644 и 656 годами. И 634 год, и 644 год находятся в пределах приемлемого возраста, полученного посредством радиоуглеродного датирования, и пергамент вполне могли изготовить за несколько лет до того, как его использовали, поэтому нет абсолютно никакого противоречия с датой рукописи и приписыванием ее слов Мухаммеду. Анализ действительно позволяет предположить, что эти страницы взяты из одного из самых ранних письменных Коранов, и это делает их очень ценными – но он не дает оснований сомневаться в авторстве священной книги.

За последние семьдесят пять лет при помощи радиоуглеродного датирования было проанализировано множество самых разных веществ, что позволило ответить на тысячи вопросов, охватывающих самые разные области – историю искусства и археологию (см. гл. 9), питание и сельское хозяйство (см. гл. 10); историю нашего климата (см. гл. 11); состояние океанов и многие другие сферы. Все, что когда-то было живым (и даже в одном случае неживым – см. гл. 9), – честная добыча: кость, уголь, пергамент, кожа, лен и другие натуральные ткани, морские ракушки, пчелиный воск, остатки вина, пыльца…14 Но раз уж мы заговорили о религии, я завершу эту главу рассказом об одном из наиболее известных и противоречивых артефактов, к которым применялось радиоуглеродное датирование – о Туринской плащанице.

Туринская плащаница: исторический обман

Этот вытканный «в елочку» льняной плат площадью в 4 квадратных метра, на протяжении пятисот с лишним лет прославляемый как погребальный саван Христа, хранится в Туринском соборе с 1578 года. Там он оказался почти через полвека после того, как едва не сгорел в пожаре, случившемся в часовне Шамбери в Савойе – древнем герцогстве, расположенном на границе Франции, Италии и Швейцарии. На ткани заметно слабо проявленное негативное изображение человека с бородой и длинными прямыми волосами, что любопытным образом соответствует средневековым изображениям Иисуса. На руках и ногах – выцветшие красные «пятна крови»15.

За последние 125 лет (начиная с первых фотографий Туринской плащаницы, сделанных в 1898 году, на которых изображение более четко просматривалось на негативах) прошло бесчисленное множество научных и не очень научных исследований. Однако наиболее определенный результат, с моей точки зрения, был получен в 1988 году. Небольшие образцы ткани были отправлены в три ведущие лаборатории радиоуглеродного датирования – в Швейцарскую высшую техническую школу в Цюрихе, Оксфордский университет и Университет Аризоны. Все независимо датированные образцы показали, что лен для ткани был собран в период между 1260 и 1390 годами нашей эры.

Оказывается, эти даты просто подтверждают то, что уже и так следовало из письменных исторических источников. Первое упоминание о плащанице относится к 1350-м годам – и из него мы узнаем, что она оказалась очень прибыльной реликвией для настоятеля местной церкви, призывавшего паломников со всего христианского мира увидеть ее. Епископ Анри де Пуатье был настолько этим раздражен (неизвестно, то ли из зависти, то ли из более чистых побуждений), что начал расследование в отношении погребальной плащаницы и призвал прекратить демонстрации.

Три десятилетия спустя его преемник, Пьер д’Арси, воспрепятствовал повторному выставлению плащаницы и послал папе в Авиньон письмо, в котором, в частности, говорилось:

Дело, о Ваше Святейшество, обстоит так. Спустя некоторое время… декан особой коллегиальной церкви, а именно в Лире, ложным и обманным путем, охваченный страстью сребролюбия, не из какого-либо благочестивого побуждения, а только из корысти добыл для своей церкви некое полотно, хитро расписанное… и художник, нарисовавший его, в подтверждение истины свидетельствовал о том, что это произведение создано человеческим искусством, а не сотворено и не даровано чудесным образом^16.

Итак, у нас есть возраст, рассчитанный при помощи радиоуглеродного датирования и полностью соответствующий времени, когда появились первые упоминания о плащанице, и есть документальное свидетельство – и можно было бы подумать, что этого хватит, чтобы положить конец этому многовековому мошенничеству. Но споры по поводу плащаницы не утихают. Неважно, что ни один саван с Ближнего Востока, созданный в I веке, не выткан «елочкой»; неважно, что молекулярный анализ «крови» показал, что это оксид железа (пигмент, который использовали художники в Средние века); и неважно, что правая рука изображения простирается до анатомически невозможной длины, чтобы незаметно прикрыть гениталии фигуры, – нескончаемое множество исследований по-прежнему «свидетельствует» о подлинности плащаницы^17.

Но атомы не лгут, и на них не влияют человеческие чувства. Поэтому я склонен верить им, пока мы продолжаем воссоздавать историю человечества и историю Вселенной до того, как она вообще была обеспокоена человечеством.

Глава 9

История без слов: известь, Свинец и экскременты

Подтверждение возраста датированных документов по их атомным составляющим вполне отвечает нашим целям, а логичность и последовательность свидетельствуют о том, что наши методы предоставляют достоверную и ценную информацию. Однако в случае, когда не существует никаких документальных свидетельств – скажем, записи могут потеряться или же сам объект может относиться к культуре дописьменных народов, – наши историки-атомы проясняют истину лучше всего. В этой главе мы разгадаем исторические загадки самых разных эпох, начиная с конца XVII века и заканчивая некоторыми из самых ранних культурных артефактов, созданных людьми почти 50 000 лет назад, а также орудиями гоминид, которые более чем в десять раз древнее.

Возраст раствора

В главе 8 мы узнали, как с помощью 14C можно датировать практически все, что когда-то было живым и хорошо сохранилось. Здесь же мы в первую очередь поговорим об уникальном случае, когда радиоуглеродное датирование применили к инертному строительному материалу, а именно к известковому раствору. А потом мы увидим, к каким научным прозрениям позволил прийти этот метод – и, среди прочего, развенчаем миф о викингах, датируем средневековые церкви в Финляндии и наведем порядок в хронологическом расположении архитектурных шедевров Римской империи в годы ее расцвета и упадка.

Раствор, важнейший структурный компонент каменных и кирпичных зданий, впервые использовали в Древней Месопотамии и Древнем Египте более 4000 лет назад. Если быть точным, то неверно утверждать, что раствор никогда не был живым. Он сделан из известняка, который состоит из спрессованных скелетов крошечных океанских существ, называемых фораминиферами (с которыми мы снова встретимся в главе 11), кораллов и раковинных моллюсков. Когда эти существа умирают и падают на дно океана, накапливаются толстые слои, которые в ответ на движения тектонических плит Земли сжимаются в горные породы и выдвигаются на сушу. Основной химический компонент этих ракушек (и, следовательно, самого известняка) – кальцит, молекула с одним атомом Кальция, одним атомом Углерода и тремя атомами Кислорода: CaCO_3. Вот что нужно сделать, если мы хотим приготовить раствор из этого сырья:

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

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

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

В химическом плане на этих этапах происходит следующее:

1. Нагревание известняка удаляет углекислый газ (CO_2), превращая CaCO_3 в CaO (негашеную известь).

2. Последующее присоединение H_2O к CaO приводит к появлению CaO_2H_2.

Рис. 9.1. Этапы приготовления и затвердевания раствора. Известняк нагревают до температуры более 900 °C, чтобы удалить CO_2 и получить негашеную известь. При смешивании негашеной извести с водой и песком формируется раствор. По мере высыхания раствора H_2O испаряется, и ей на смену приходит CO_2 из воздуха, превращая смесь в известняк

3. Раствор затвердевает, выделяя воду (H_2O) в атмосферу (сохнет), и поглощает CO_2 из воздуха, снова превращаясь в CaCO_3 (см. рис. 9.1).

Последний этап – ключ к углеродному датированию: строительный раствор «вдыхает» CO_2, как и растения. За считаные дни или недели он завершает этот процесс и фактически «умирает» (перестает дышать). Все, что нужно сделать, чтобы определить время нанесения раствора, – это подсчитать атомы 14C и 12C и определить их соотношение, как при обычном углеродном датировании.

Потенциал этого метода датирования был признан в 1960-х годах, но первые попытки его применения оказались в основном безуспешными – прежде всего из-за примесей, ставших частью раствора и способных резко исказить результаты. Например, несгоревшие кусочки известняка, оставшиеся в растворе, имеют нулевое соотношение 14C/12C. Поскольку за миллионы лет, в течение которых формировался известняк, весь изотоп 14C распался, такой материал указывал на невероятную древность – примеси значительно снижали соотношение 14C/12C. Более того, в песке или другом крупнозернистом песчанике, которые добавляли в раствор перед его применением, могли содержаться частицы известняка или другого углеродосодержащего материала – и из-за этого в расчет соотношения тоже вкрадывалась ошибка^1.

Аландские церкви

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

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

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

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

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

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

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

Кроме того, при помощи коллег эта команда смогла развенчать миф о том, что каменную башню в Ньюпорте, штат Род-Айленд, построили викинги в XI столетии (на самом деле это был фундамент ветряной мельницы, возведенной в 1680 году), а также определила возраст римского амфитеатра в испанской Мериде (он был построен спустя век после того, как на его стене появилась надпись, сделанная в 8 г. до н. э., и, таким образом, не предшествовал римскому Колизею, а возник после него). Еще ученые воссоздали историю виллы, расположенной в современной Португалии, в Торре-де-Пальма, в 70 км к западу от Мериды. Часовня и алтарь появились в ней примерно в 340 году нашей эры, когда Римской империей правил Константин II, сын императора, принявшего христианство. Но в 580 году, много лет спустя после падения империи, когда у власти находились вестготы, постройка значительно расширилась – очевидно, большая часть технологий, созданных римлянами, сохранялась еще долго после того, как их империя перестала существовать.

Накопление Свинца

Даже в те периоды, о которых существует множество исторических записей, наши знания о прошлом часто довольно скудны. А там, где нет достоверной информации, открывается простор для спекуляций. Один из таких примеров – набившее оскомину утверждение о том, что Свинец, содержащийся в питьевой воде Древнего Рима, ускорил упадок империи, поскольку римляне широко применяли Свинец в строительстве и изготовлении посуды, но не имели возможности определить, сколько его они потребляют, и даже не догадывались о его пагубном воздействии. Несколько лет назад Х. Делиль и его коллеги провели всестороннее исследование, наконец-то прояснившее истину, а также пролившее свет на историю Рима в имперские годы и после окончательного падения^2.

Существует четыре стабильных изотопа Свинца (Pb). 204Pb – первичный, оставшийся от формирования Земли, и на его долю приходится примерно 1,4 % природных месторождений этого элемента. Остальные три изотопа – это конечные точки радиоактивных рядов распада таких элементов, как Уран – 238U → 206Pb и 235U → 207Pb – и Торий (232Th → 208Pb). Они составляют примерно 24 %, 22 % и 52 % свинцовой руды соответственно, хотя точные соотношения зависят от концентрации их материнских ядер и тем самым служат маркерами геологического расположения тех мест, откуда они произошли.

Свинец использовался для различных целей более 9000 лет. Благодаря низкой температуре плавления, составляющей всего 328 °C, он становится самым простым из металлов, выплавляемых из его руды (так называемого галенита, или сульфида свинца, PbS). Изначально из него делали небольшие скульптуры и украшения, а потом начали применять в самых разных культурах и в самых разных сферах – и как стимулятор, и в косметике, и как противозачаточное средство, и как подсластитель, и даже для изготовления гробов. В Древнем Риме из-за высокой пластичности и устойчивости к коррозии его, что совершенно неудивительно, выбрали в качестве материала для разветвленной сети акведуков и труб, снабжавших водой столицу (и другие города империи). Латинское слово, обозначающее Свинец, – plumbum^3, отсюда и английское слово plumb, обозначающее сантехнику, и химический символ самого элемента, Pb. Более того, в период расцвета империи объем производства выплавленного свинца на рудниках в Англии, Испании, на Балканах и в Малой Азии оценивался в 80 000 тонн в год. За время существования империи было использовано около 15 миллионов тонн – это количество настолько велико, что оно оставило след на ледяной шапке Гренландии (см. гл. 11), где, по оценкам, в период с 300 года до нашей эры по 500 год нашей эры было отложено около 400 тонн переносимого по воздуху свинцового загрязнения.

Хотя Плиний Старший (среди прочих) пишет о токсичности свинцовых паров, документальных свидетельств отравления свинцом в Древнем мире не так много, и вряд ли кому-то могло прийти в голову, что свинцовые трубы и цистерны (не говоря уже о кухонной утвари и контейнерах для вина) способны причинить какой-либо вред. И, конечно же, никто не мог оценить содержание Свинца в воде или вине. Именно здесь вступает в игру история, рассказанная атомами.

Делиль и его коллеги провели прямое измерение содержания Свинца в римской воде на протяжении тысячи лет, для чего пробурили и извлекли два 13-метровых керна из отложений в гавани императорского Рима в Порте и из канала, соединяющего гавань и Тибр. Кроме того, исследователи получили образцы Свинца из современного русла Тибра и из пяти труб римской эпохи. Содержание изотопов Свинца определяли в общей сложности в девяноста пяти образцах, взятых с разных глубин в керне и из различных мест русла и труб. Возраст глубин отбора определяли при помощи радиоуглеродного датирования органического материала, присутствующего в кернах.

Если отразить соотношения 204Pb, 207Pb и 208Pb к 206Pb на графике, то нам откроется поразительная картина. До того как в Порте возникла гавань, построенная примерно в 100 году нашей эры, эти соотношения были постоянными, и их значения походили на те, что характерны для этой местности в наши дни, – это природный Свинец, содержащийся в водах Тибра и происходящий из двух источников: от эрозии вулканических пород с Альбанских холмов к югу от Рима и из известняков в верховьях реки в Апеннинах на востоке. Однако уже в 112 году, сразу же после появления гавани, значения всех трех изотопных соотношений возрастают, что указывает на осаждение воды, насыщенной свинцом, из труб (в них – самые высокие соотношения изотопов из всего набора полученных данных). Запасы свинца достигают пика в 200–250 годах нашей эры, затем падают до среднего уровня на протяжении 250 лет, до начала VI века, а потом, до 800 года нашей эры, повышаются снова, прежде чем вернуться к исходному фоновому уровню. Эти явные сдвиги соответствуют вполне определенным событиям в истории Римской империи: созданию гавани около 100 года нашей эры, сокращению населения в III–IV веках и ремонту системы водоснабжения, который провел Флавий Велизарий, византийский полководец, отвоевавший Рим у готов в 538 году. После того как Рим в 846 году разграбили арабы, система водоснабжения окончательно разрушилась, и соотношение изотопов Свинца в реке вернулось к естественным фоновым значениям.

Исследователи провели количественный анализ содержания Свинца и подсчитали, что через свинцовые трубы римлян проходило 3 % общего стока Тибра, из-за чего в имперский период концентрация Свинца возросла в сорок раз. Хотя такой уровень загрязнения может показаться пугающим, он меньше того количества, с которым мы живем сегодня. Если судить по немногочисленным доступным образцам костей (обратите внимание, что примерно 90 % Свинца, поступившего в организм, в конечном итоге остается в костях, поэтому они представляют собой хороший показатель общего воздействия), то мы увидим, что уровень потребления Свинца у жителей Рима и других городов по всей империи составлял примерно 45 % от уровня, который мы обнаружим у современных европейцев. Видимо, для объяснения падения Рима нам следует искать другие причины, помимо отравления свинцом.

Первое искусство

Самые ранние художественные творения человека, созданные задолго до появления письменности, можно встретить на стенах пещер и других скальных поверхностях. В 1940 году мальчишки, следуя за собакой через подземный ход, обнаружили в пещере Ласко «художественную галерею», в которой представлены сотни красочных рисунков, изображавших животных доисторической Европы. Одна из первых важных проверок пригодности метода радиоуглеродного датирования, созданного Либби, для установления возраста произведений искусства состоялась в 1951 году, и для испытания был взят образец древесного угля из пещеры; это позволило вычислить возраст в 15 500 лет до настоящего времени (см. гл. 8). Датирование двух других образцов выявило, что они созданы 16 000 и 17 200 лет назад. Совсем недавно при помощи ускорительного масс-спектрометра был датирован фрагмент рога северного оленя, найденный в пещере, и его возраст составил от 18 600 до 18 900 лет до настоящего времени. Обратите внимание, что все это – не образцы, взятые с самих рисунков, а второстепенные объекты, и «разброс» более чем в 3000 лет тревожит своей неточностью.

Как мы упоминали во введении, у наших атомных историков нет культурных предубеждений, свойственных людям. Но у них, если можно так сказать, есть свои «характерные черты», мешающие нам воссоздавать с их помощью количественную историю. В 1990 году Дж. Расс и его коллеги представили метод, позволяющий искусно обойти одно из таких свойств, проявляющихся при работе с раствором, – мы говорим о загрязнении образца древним неорганическим Углеродом. (Поскольку большая часть наскального искусства в мире находится в известняковых пещерах, даже миллиграммовые образцы краски, взятые со стены, могут содержать загрязняющий Углерод из подстилающей породы.) Расс и его коллеги применили новый метод к наскальной живописи в районе Биг-Бенд реки Рио-Гранде на юго-западе Техаса^4.

Большинство пигментов, при помощи которых создавались наскальные рисунки (например, оксиды железа и марганца), – неорганические и поэтому не содержат полезного Углерода. Но сами по себе они не держатся на стене, поэтому их приходится смешивать с материалами, которые их растворяют и одновременно прилипают к поверхности. Химический анализ образцов пещерного искусства, собранных со всего мира, показал, что в качестве таких растворителей применялись кровь, моча, молоко, мед, яйца, растительные масла и растительные смолы. Конечно же, все это органические вещества, и их можно использовать для радиоуглеродного датирования. Хитрость заключается в том, чтобы извлечь только органический Углерод и не пропустить неорганический Углерод с поверхности породы.

Исследователи использовали вакуумную камеру, сперва откачав из нее весь воздух, а затем заполнив ее чистым газообразным Кислородом (O_2). Если поместить образец в камеру и нагреть его до 100 °C, все органические (углеродсодержащие) соединения окисляются до воды (H_2O) и углекислого газа (CO_2). Относительно слабые химические связи органических молекул при этой температуре рвутся после столкновений с высокореактивными атомами Кислорода, но ни один атом Углерода, входящий в состав известняка (CaCO_3), не задействуется (напомним, что для отделения CO_2 от известняка необходимо нагреть последний как минимум до 900 °C). Прямой отбор материалов, использованных для творчества, позволяет однозначно установить возраст угля, костей или других второстепенных свидетельств. Затем вода и CO_2 извлекаются из камеры «методом холодного пальца» (вода замерзает при 0 °C, а CO_2 – при –78 °C). Всего из остаточного CO_2 было извлечено 12 мг чистого Углерода. Его возраст, установленный с помощью ускорительного масс-спектрометра, составил 3865 ± 100 лет до настоящего времени, в полном соответствии с широким диапазоном, которого можно было ожидать на основе археологических данных этого периода.

Древние и древнейшие

На протяжении многих десятилетий считалось, что самые старые рисунки, украшавшие стены пещер, находятся в Европе. После открытия пещер Ласко множество других подобных мест было открыто в Испании, Франции и других европейских странах. В 1994 году огромную пещеру нашли на юге Франции, в Шове, возле небольшого города Валлон-Пон-д’Арк, в 65 километрах к северу от Авиньона. Радиоуглеродное датирование позволило предположить, что произведения искусства, обнаруженные там, создавались в течение двух разных периодов: первый отстоял от настоящего времени на 33 000–37 000 лет, а второй – на 28 000–31 000 лет^5.

Любопытно, что радиоуглеродное датирование костей пещерного медведя, найденных в пещере среди двухсот с лишним скелетов, в сущности, показывает совпадения с первым диапазоном дат. Эти огромные существа были крупнее современных гризли, достигали до 4 метров в длину и весили более 900 килограммов, так что вряд ли они могли бы стать добрыми друзьями для людей-художников – возможно, у них была договоренность об использовании апартаментов на условиях таймшера.

Эти даты получили независимое подтверждение при помощи термолюминесцентных исследований. В нескольких местах пещеры известняк, в природных условиях имеющий бежевый цвет, стал красным после пожара (неизвестно, случайного или намеренного). Как мы уже отмечали, нагревание вещества высвобождает захваченные электроны, обнуляя часы радиационного поражения. Термолюминесценция позволила установить возраст двух образцов, взятых из разных частей пещерного комплекса, и оценить его в 36 900 и 34 300 лет до настоящего времени с погрешностью от 2000 до 3000 лет – но в пределах первого периода «углеродных» дат, полученных выше^6. Самая древняя из этих дат приходится на период, наступивший через несколько тысячелетий после того, как современный homo sapiens прибыл в Европу.

Недавно начали звучать мнения, согласно которым искусство, зародившееся в Европе, более чем вдвое старше современных оценок и создано не сапиенсами, а неандертальцами. Возраст красных отметин в испанской пещере (далеких от изящных изображений животных в гротах Шове и Ласко) составляет 65 000 лет. Однако некоторые авторы поставили под сомнение как артефакты, так и датировку^7.

Недавние открытия, совершенные на индонезийском острове Сулавеси, затмили даже европейские рисунки, в древности которых не было никаких сомнений. Хотя возраст пигментов не устанавливали напрямую, убедительнейший метод радиоизотопного датирования позволяет определить нижнюю границу возраста рисунков благодаря изучению природных минеральных отложений, скопившихся на поверхности произведения искусства после его завершения^8.

В этом нам помогают спелеотемы (от греческого spēlaion [ «пещера»] и thema [ «отложение»]) – это собирательное название сталагмитов, сталактитов и натеков, которые медленно накапливаются по мере того, как вода просачивается в пещеру, унося с собой растворенные минералы на пути через вышележащую почву и горные породы. Как и сама пещера, образования состоят в основном из CaCO_3, но содержат и множество других микроэлементов. В частности, в капающей воде регулярно присутствует легкорастворимый Уран, а вот Тория в ней нет.

Как мы уже отмечали, все изотопы Урана радиоактивны, и конечный итог их ряда распада – свинец. Но одновременно они также производят Торий (230Th), для которого характерен довольно долгий период полураспада (75 500 лет), поэтому можно ожидать, что часть этого промежуточного продукта распада будет присутствовать в веществе спелеотема. Ряд распада выглядит так:

Учитывая их короткий период полураспада,234Th и 234Pa практически отсутствуют в образце образований, но соотношения 234U и 230Th к 238U дают прямую информацию о том, когда образовался натек.

Как и при проведении любых подобных измерений (мы это уже поняли), важно учитывать возможные отклонения. Например, если в слое породы обнаружится некоторое количество 230Th – от занесенной ветром пыли, частички которой столкнулись с затвердевающими спелеотемами, – то возраст, который мы получим, будет слишком древним, поскольку избыток 230Th предполагает, что распад 238U длился дольше. К счастью, здесь есть и «противоядие» – мы можем измерить соотношение 230Th к 232Th. Период полураспада 232Th в три раза превышает возраст Земли, так что первичный Торий все еще существует в коре планеты, однако из-за постоянного поступления 230Th в результате распада Урана соотношение 230Th к 232Th на поверхности составляет около 0,835. Поэтому в спелеотеме с более значительным соотношением 230Th к 232Th большая часть тория должна возникать в результате распада Урана – если соотношение больше 20, на загрязнение приходится самое большее 0,825/20, или 4 %. В спелеотемах, образцы которых мы получили с Сулавеси, это соотношение было еще больше: от 29 до 369, что указывает на незначительное загрязнение.

Есть еще один повод для беспокойства: возможность того, что 238U и/или 234U могли вымыться из спелеотема уже после его образования. В таком случае установленный возраст также оказался бы слишком древним, ведь мы бы недооценили количество Урана, присутствующего в образце. Поскольку подобному выщелачиванию наиболее подвержен внешний слой породы, может случиться так, что самый внешний слой покажется самым старым, хотя на самом деле, если учесть постепенное наслоение капающей минерализованной воды, он должен быть самым молодым. Исследователи проверили это, взяв пять срезов спелеотема снаружи внутрь (самый внутренний слой был ближе всего к пигментам), и возраст неизменно увеличивался по мере продвижения внутрь, как и следовало ожидать от нормального накопления натеков.

Таким образом, анализ искусства Сулавеси дал нам очень надежную дату: произведения искусства появились на стенах более 43 900 лет назад, с неопределенностью всего в несколько столетий. Выходит, они значительно древнее любых подлинных наскальных рисунков из Западной Европы, обнаруженных на сегодняшний день. Впрочем, споры о первенстве бесплодны. У нас и так не было никаких сомнений в том, что люди, обладая уникально большим мозгом и склонностью к языку, занимались символической репрезентацией своего мира за десятки тысячелетий до того, как начали устраивать стоянки и запустили – 10 000 лет назад – проект, который мы обычно называем «цивилизацией».

Каменные орудия

Задолго до того, как наши предки-гоминиды обратились к художественным занятиям, они изготавливали орудия труда, в основном из камня. Споры ведутся вокруг (1) того, что считать орудием (камень с несколькими сколами, по всей видимости, проходит критерии, установленные большинством археологов), и (2) кто нашел самые древние из них. На момент выхода этой книги в печать рекорд держат «орудия» из раскопок в Эфиопии – им 2,5 миллиона лет^9. В большинстве случаев датировку проводят не по самим орудиям, а благодаря геологическим методам стратиграфии – исследователи отмечают, в каком слое горной породы или вулканического пепла найдены те или иные орудия и датируют этот слой, соотнося его с каким-то геологическим процессом. Один из полезных методов определения возрастов в миллионы лет – запись инверсий магнитного поля, о которых мы говорили ранее (глава 8); эти инверсии оставляют слабый след в горных породах.

Более прямой и точный метод определения возраста минералов, ассоциируемых с каменными орудиями, основан на очень редкой форме радиоактивного распада, о которой мы упоминали в главе 6: спонтанном делении^10. Хотя несколько тяжелых изотопов в принципе могут претерпевать спонтанное деление, только 238U испытывает его достаточно часто, чтобы оставить сигнатуру, – и даже у этого изотопа оно происходит менее одного раза на миллион по сравнению с предпочтительным альфа-распадом. Поскольку ядро распадается на два неравных осколка, и оба при этом более тесно связаны, выделяется много энергии, обычно около 170 Мэ В. Большая ее часть проявляется в виде кинетической энергии осколка, и они отлетают друг от друга, поскольку взаимные положительные заряды заставляют их отталкиваться, как только они вырываются из цепкой хватки сильного взаимодействия. Это смещает атомы и молекулы по прямой, пока они не остановятся, и хотя ширина треков, возникших вследствие разрушения, составляет всего несколько нанометров, их длина может достигать нескольких миллиметров^11.

Треки слишком узкие, чтобы их можно было увидеть под световым микроскопом, но с помощью химических веществ, вытравливающих линии вдоль всего пути, их ширину можно увеличить до микрометров и, таким образом, сделать их видимыми. В дальнейшем остается просто подсчитать количество треков и определить количество произошедших делений, пропорциональное количеству атомов Урана в образце и времени, прошедшему с тех пор, как кристалл в последний раз был достаточно горячим, чтобы отжечь (иными словами, залечить) шрамы, оставленные треками. У цирконов температура отжига составляет около 240 °C.

Измерить количество 238U в образце позволяют два подхода. Самый непосредственный – испарить часть образца с помощью лазера, пропустить материал через масс-спектрометр и напрямую подсчитать атомы Урана. Второй заключается в облучении образца нейтронами из реактора (как при авторадиографии) и вызвать деление 235U в образце (вероятность деления 235U в сотни раз выше, чем 238U). Затем нужно подсчитать треки, возникшие при делении, применить известное соотношение 235U/238U (1:138) и сделать вывод о количестве присутствующих атомов Урана. В попытке определить возраст каменных орудий из различных мест на индонезийском острове Флорес (который недавно прославился благодаря найденным там скелетам, похожим на хоббитов), М. Дж. Морвуд и его коллеги пришли к выводу, что им от 800 000 до 900 000 лет. Это интересно, поскольку позволяет предположить, что homo erectus – гоминид, доминировавший в этот период и, вероятно, ставший предком «хоббитов» homo florensiensis, – был способен пересечь многие километры водных пространств, чтобы добраться до острова^12.

Датирование экскрементов

Род Homo, к которому мы принадлежим, впервые отделился от шимпанзе в Африке, и произошло это от 6 до 8 миллионов лет тому назад. От этой ветви пошло множество видов, часть которых покинула Африку и распространилась по Европе и Азии, однако Северная и Южная Америка до самого недавнего времени оставались недоступными для Homo. Наш вид, homo sapiens, возник около 300 000 лет назад, также в Африке^13, и мигрировал на север и восток примерно 70 000–150 000 лет назад (точная дата довольно спорна). Возраст зубов homo sapiens из болгарской пещеры, рассчитанный при помощи радиоуглеродного датирования, составил 46 000 лет^14. Однако в Западном полушарии людей не было еще 20 000 лет назад.

Точная дата проникновения человека на американский континент стала предметом оживленных дискуссий. Принято считать, что миграция началась во время последнего ледникового периода, когда в наземных ледниках скопилось так много океанской воды, что уровень моря был почти на 120 метров ниже, чем сегодня, благодаря чему возник травянистый сухопутный мост между Сибирью и Аляской. Тем не менее огромные ледники вдоль Скалистых гор в Канаде и на северо-западе США препятствовали свободному переходу по суше до тех пор, пока ледники не начали отступать в конце ледникового периода около 13 000 лет назад.

На протяжении большей части прошлого столетия археологи полагали, что первыми людьми, заселившими Северную Америку, были представители культуры Кловис. Ее назвали в честь заостренных наконечников каменных копий, впервые найденных в 1929 году недалеко от Кловиса, штат Нью-Мексико, а затем – по всей Северной Америке и даже на юге, вплоть до Венесуэлы^15. Следы животного белка, присутствующие в некоторых местах, позволили при помощи радиоуглеродного датирования установить возраст в 13 000 лет, в полном соответствии с датировкой слоев отложений, в которых они были обнаружены.

Но со временем мы получали все больше доказательств более раннего проникновения в Америку «предшественников» культуры Кловис. В частности, артефакты, найденные в пещерах на Тихоокеанском Северо-Западе, указывают на более раннюю культуру изготовления орудий, в которой производились более тупые и массивные наконечники копий, причисленные к так называемой западной традиции обработки наконечников (Western Stemmed Tradition, WST). В нее, помимо прочего, входят орудия, имевшие сходство с артефактами, найденными в Сибири. Косвенные данные позволяют установить, что они древнее культуры Кловис на период от тысячи до двух тысяч лет. В 2007 году Деннис Дженкинс и его коллеги обнаружили копролиты (сохранившиеся экскременты) в пещерах Пейсли в Орегоне и при помощи радиоуглеродного датирования установили, что их возраст превышает 14 000 лет^16. Анализ ДНК показал, что копролиты принадлежали людям. Но некоторые археологи задавали вопрос, не могло ли обращение человека с артефактами загрязнить образец отходов животного происхождения современными человеческими молекулами.

В 2020 году Дженкинс и его коллеги под руководством Лизы-Мари Шиллито проанализировали несколько из тех копролитов, в которых ранее обнаружили человеческую ДНК, на предмет липидов – жировых соединений, вырабатываемых организмом, которые не растворяются в воде и, следовательно, не проникают в образцы человеческих останков и не уходят из них. Они обнаружили, что внутренние области копролита несомненно содержат человеческие липиды, и это окончательно разрешило спор о загрязнении. Возраст одного образца, с точностью определенный при помощи радиоуглеродного датирования, составил 14 650 лет с неопределенностью менее столетия^17. Это согласуется со сценарием, завоевавшим доверие в археологических кругах, согласно которому кочующие племена из Сибири по меньшей мере еще 15 000 лет назад начали проникать в Америку не по суше, а вдоль побережья современных США и Канады. Недавнее термолюминесцентное исследование горных пород, отложенных ледниками на прибрежном маршруте, позволяет предположить, что эти породы были вскрыты отступающим льдом еще 17 000 лет назад, оставив свободным путь по морскому побережью^18.

Примеры, приведенные в этой и двух предыдущих главах, – это лишь малая часть из тысяч способов, при помощи которых мы обращаем себе на службу атомы и изотопы и воссоздаем творческую деятельность наших предков, а также изучаем их жизнь «без прикрас». Моя любимая творческая деятельность – хорошо поесть, поэтому, прежде чем выйти за пределы антропоцентрических тем, в следующей главе мы рассмотрим историю человеческого питания и сельского хозяйства, раскрытую нашими историками-атомами.

Глава 10

Ты есть то, что ты ешь

Атом за атомом, это правда в прямом смысле слова: вы – это ваша еда. Атомы в ваших костях, зубах, эритроцитах, волосяных фолликулах и нейронах когда-то находились в бублике, стакане апельсинового сока или глотке свежего воздуха, вы проглатывали их или вдыхали в течение всей вашей жизни (или, возможно, на протяжении жизни вашей матери, но сегодня в вашем теле осталось очень мало ее атомов). Разумеется, все эти поглощенные атомы не останутся с вами на всю жизнь, иначе вы бы росли без ограничений. Некоторые выводятся из организма примерно в течение дня после того, как из них извлечены полезные компоненты и/или запасенная энергия, пошедшие во благо вашему организму. Другие встроены в структуры, которые служат дольше жизненного срока, – к таким, например, относится зубная эмаль. Третьи всасываются в органы или циркулирующие жидкости, время оборота которых варьируется от дней до десятилетий.

Эпителиальные клетки (кожи, кровеносных сосудов, слизистой оболочки кишечника и т. д., каждая из которых состоит примерно из 300 триллионов атомов) отслаиваются всего за пять дней, тогда как стромальные клетки (обнаруженные, например, в костном мозге, лимфатических узлах и яичниках) заменяются в среднем только раз в шестнадцать лет^1. В любой момент ваше тело состоит примерно из 3 000 000 000 000 000 000 000 000 000, или 3000 триллионов триллионов, атомов (представьте мировой склад, полный маковых семян), но они находятся в постоянном состоянии потока, а то, что вы едите, пьете и вдыхаете, определяет их относительные показатели^2.

Какие именно это атомы? Пять наиболее распространенных – Кислород (61,4 % вашей массы), Углерод (22,9 %), Водород (10 %), Азот (2,6 %) и Кальций (1,4 %) – составляют более 98 % вашего общего веса. Следующие десять по распространенности (Фосфор, Сера, Калий, Натрий, Хлор, Магний, Железо, Фтор, Цинк и Кремний) дают нам более 99,99 % – у вас есть около 1 г Кремния (0,0014 %), а все остальные элементы присутствуют в еще меньших следовых количествах. Однако не забывайте, что 0,0014 % от 3000 триллионов триллионов – это по-прежнему огромная цифра (40 миллиардов триллионов, если быть точным); даже шестидесятый по распространенности элемент, Вольфрам, насчитывает около 850 миллионов триллионов атомов, так что их достаточно много. И не забывайте, что у большинства элементов могут присутствовать несколько изотопов. Кстати, благодаря соотношению последних можно получить подробный отчет о ваших пищевых привычках. Так они позволяют нам пронаблюдать эволюцию сельского хозяйства и питания людей.

Сорок лет назад я прочитал одну статью, посвященную этой теме, и она показалась мне столь изящно простой и в то же время столь умной и столь идеально выразившей научный подход к миру, что вызвала во мне интерес к тому, как применить изотопы для воссоздания истории, – и этот интерес остался со мной на всю жизнь. Статья под названием «Изотопы Углерода, фотосинтез и археология» (Carbon Isotopes, Photosynthesis, and Archeology) появилась в журнале American Scientist, выходившем раз в два месяца в обществе Sigma Xi^3. Ее автор, Николас ван дер Мерве, в то время работал на кафедре археологии Кейптаунского университета в его родной Южной Африке. Получив образование в Йельском университете, с 1966 по 1974 год он был профессором антропологии в Государственном университете Нью-Йорка в Бингемтоне, а потом отправился в Южную Африку, чтобы занять должность в Кейптауне. В 1988 году он приехал в Соединенные Штаты, получив профессорскую должность в Гарвардском университете, на кафедре имени Лэндона Клея, и с тех пор занимался археологией, науками о Земле и планетологией, а в 2000 году вернулся в Кейптаун, где он по сей день – почетный профессор естествознания. Его историю я расскажу в первом разделе этой главы.

Растения – это их пища

Важно отметить, что вы не уникальны. Растения тоже состоят из того, что поедают. Независимо от вашей диеты, именно они служат основой вашей пищевой цепи. Они поглощают воздух и впитывают воду и минералы через свои корни, образуя фруктозу, целлюлозу и другие молекулы, составляющие растительный материал, так что соотношение изотопов в воздухе и почве отражается на их соотношении в растительном веществе и, в конечном итоге, в вашем организме. Впрочем, здесь, как всегда, необходимы тщательные измерения. Процесс фотосинтеза, при котором растения используют солнечный свет для производства своих молекул, в сущности, проводит в отношении некоторых изотопов политику дискриминации, причем ее конкретные способы зависят от вида растения. Опять же, способы, при помощи которых ваше тело обрабатывает потребляемую вами еду, меняют соотношение изотопов, поскольку пища превращается в кости, кровь и нейроны. Каждый шаг в этом процессе изменения изотопного состава, так называемом фракционировании, легко измерить, поэтому отслеживание этого – простая задача. Если сопоставить это с невозмутимыми часами поглощенных вами радиоактивных элементов, изотопный состав окаменелых костей дает нам возможность напрямую воссоздать историю того, как люди выбирали пищу, а также позволит проследить, от каких методов охоты и ведения сельского хозяйства они зависели.

В годы аспирантуры ван дер Мерве работал в Йельской радиоуглеродной лаборатории, где совершил поразительное открытие: он понял, что с помощью радиоуглеродного датирования можно определять происхождение железных орудий и других археологических артефактов. Процесс выплавки железа из руды начался по крайней мере еще в 1800 году до нашей эры в Хеттской империи и независимо в Китае к 600 году до нашей эры. Он требует нагрева руды до температуры более 1200 °C, для чего, в свою очередь, нужен древесный уголь. В ходе нагрева Углерод из древесного угля диффундирует в расплавленное Железо и составляет, в зависимости от достигнутой температуры, от 0,05 до 5 % готового продукта. Именно при помощи этих атомов Углерода (в частности, радиоактивного изотопа 14C) можно определить возраст Железа.

Оказывается, лучший древесный уголь получается из недавно срубленной зеленой древесины. В своем письме, написанном в 1750 году до нашей эры, Хаммурапи, царь Вавилона, наставляет своего слугу, начальника углежогов, «рубить только зеленую древесину»4. Нулевая точка времени для дерева, из которого производился древесный уголь, определена – оно срублено непосредственно перед тем, как диффундировать в Железо.

Ван дер Мерве доказал, что может успешно датировать древние железные артефакты, определив возраст (100 ± 80 г. н. э.) 230 граммов железных гвоздей из римского форта в Шотландии, построенного при Агриколе в 83 году нашей эры, а также фрагментов чугуна из гробницы в китайском Хотане (430 ± 80 г. до н. э.), созданных в период Воюющих царств, который продлился с 480 по 221 год до нашей эры.

К 1970-м годам ван дер Мерве решил добавить в свои археологические поиски стабильный изотоп Углерода 13C наряду с датированием при помощи радиоактивного изотопа 14C. Как мы еще увидим, этот более тяжелый и устойчивый родственник наиболее распространенного изотопа^12C играет невероятно важную роль. Итоги своих исследований изотопов Углерода ван дер Мерве подвел в статье, неизменно вызывавшей мой интерес.

Начнем эту историю с того, что делают растения. Их «цель» в жизни – создавать растительный материал, в том числе такие молекулы, как глюкоза (C_6H_12O_6), сахароза (C_12H_22O_11) и амилоза (C_6H_10O_5), а затем соединять их в длинные цепи целлюлозы, лигнина и других молекул, образующие главные структурные компоненты клеточных стенок растений. Для создания этих молекул растения используют разные пути фотосинтеза, но фундаментальные принципы одни и те же. Лист вдыхает CO_2 из воздуха и в присутствии H_2O использует энергию солнечного света, чтобы разорвать связь CO_2, выпустить O_2 (вещество, которым мы дышим) обратно в атмосферу и ввести C в органические молекулы, которые необходимо построить. Чтобы получить даже самую простую молекулу глюкозы (C_6H_12O_6), необходимо множество шагов, но если говорить о соотношениях изотопов, то это первый шаг в процессе, который отличает различные механизмы, к которым прибегают растения.

C3 против С4

Более 90 % всех видов растений следуют C3-фотосинтезу, в ходе которого три атома Углерода из трех разных молекул CO_2 связываются в цепочку. Этот путь возник несколько миллиардов лет назад, когда концентрация CO_2 в атмосфере была намного выше, чем сегодня, а концентрация O_2 – ниже. Примерно 30 миллионов лет назад, когда концентрация CO_2 значительно снизилась (а миллиарды лет фотосинтеза подняли уровень O_2 до современных значений), развился более эффективный C4-фотосинтез, при котором уже на первом этапе связывается не три, а четыре атома Углерода. Это оказалось особенно выгодным в более жарком и сухом климате, поэтому несмотря на то, что C4-растения составляют менее 3 % всех растений, произрастающих сегодня на Земле, именно они отвечают за производство примерно 25 % мирового растительного материала. Кроме того, целых 46 % сельскохозяйственного производства зерна связано с тем, что кукуруза, сорго и просо используют C4-фотосинтез^5. Третий механизм, который с эволюционной точки зрения также появился довольно поздно, называется CAM‐фотосинтез (звучит как скороговорка: кислотный метаболизм толстянковых). Он обеспечивает первый этап фотосинтеза у остальных 6 % растений (в первую очередь у кактусов и суккулентов, в том числе и у важных компонентов тропических коктейлей с зонтиком, таких как агава текильная и ананасы).

Молекулы атмосферного CO_2 отражают соотношение изотопов Углерода, о котором мы говорили в главе 4: 98,9 % содержат 12C, 1,1 % – 13C и один из триллиона – 14C. Напомним, что все изотопы элемента химически идентичны; то есть молекула 12CO_2 химически неотличима от молекулы 13CO_2, и ее атом Углерода будет вести себя точно так же, когда эту молекулу разобьет на части сгусток солнечной энергии и она послужит для создания сахарозы или чего-то еще. Однако единственная отличительная особенность молекулы 13CO_2 состоит в том, что она тяжелее, чем ее «сестрица» 12CO_2, а тяжелые предметы движутся медленнее – как может подтвердить бывший марафонец, впоследствии набравший немало килограммов. «Раздобревшие» молекулы 13CO_2 не столь проворны, как их более легкие родственницы.

Рис. 10.1. Распределение соотношений 13C/12C для С3-растений (светло-серый) и С4-растений (темно-серый). Распределения не перекрывают друг друга и достигают пиковых значений примерно на уровне –2,0 % и –0,5 % соответственно по сравнению с содержанием 13C в воздухе. Отрицательные величины указывают на то, что все растения, о чем подробно говорится в тексте, не проявляют особой склонности к усвоению более тяжелого и медленного изотопа 13C, но на более кратком пути C3-фотосинтеза эта черта выражена в большей степени

Как следствие, когда C3-растение начинает поглощать CO_2, чтобы начать процесс фотосинтеза, оно легче находит более быстрые молекулы 12CO_2 – они всегда под рукой, в то время как «ленивые» и более тяжелые изотопы появляются не так часто. В результате материал C3-растений содержит в среднем на 1,95 % меньше 13C, чем было в окружающем воздухе^6. C4-растениям, с другой стороны, приходится проявлять терпение, поскольку им необходимо собрать четыре молекулы CO_2 и разделить их еще до того, как завершится первый этап процесса. Хотя они тоже «недолюбливают» медленные молекулы 13CO_2, они не могут позволить себе быть настолько привередливыми, и в результате дефицит 13C в их целлюлозе составляет всего лишь 0,55 %7 (см. рис. 10.1).

Если вернуться к теме этой главы – ты есть то, что ты ешь, – то следовало бы ожидать, что в вашем организме будет разное соотношение изотопов 13C/12C в зависимости от того, какие растения вы потребляете в пищу – C3 или C4. Однако переваривание пищи и превращение ее в ткани тела – это, помимо прочего, химический процесс, на каждом этапе которого проявляется то же самое избирательное отношение как в пользу тяжелых атомов, так и против них. По сути, преобразование растительного материала в костный коллаген увеличивает исходное соотношение на +0,51 %, возрастание мышечной массы увеличивает его на +0,36 %, а образование жира снижает его на –0,30 %. Выше мы уже упоминали о том, что эти значения химической дискриминации называются коэффициентами фракционирования. Таким образом, в костях любителя растительной пищи, состоящей из C3-растений, соотношение 13C/12C будет меньше, чем в воздухе, на –1,95 % + 0,51 % = –1,44 %, в то время как у того, кто потребляет исключительно C_4-растения, оно составит –0,55 % + 0,51 % = –0,04 %, что, в принципе, можно приравнять к нулю – такое же соотношение наблюдается и в воздухе, из которого в конечном итоге произошел Углерод.

Если вы не вегетарианец, все немного сложнее, но принципы остаются теми же. Мясо – это мышцы, и если вы едите каре ягненка, вскормленного на С3-растениях, то соотношение изотопов 13C/12C, потребляемых вами, составит всего лишь –1,95 % (из растения) + 0,36 % (от преобразования в мышцы ягненка) + 0,51 % (от превращения в кость внутри вас) = –1,08 % по сравнению с воздухом.

Эти небольшие различия в процентах могут показаться столь тривиальными, что их невозможно измерить, но помните, что атомы крохотны. Даже если взять 1 грамм (0,04 унции) кости, атомов 13C будет на миллион триллионов меньше^8, чем ожидалось, – и это немаленькое расхождение. И благодаря тому, что мы способны деконструировать образцы материалов и разделять их на атомные и изотопные составляющие, эти, казалось бы, небольшие отличия помогают нам успешно разгадывать тайны прошлого.

История кукурузы

Кукуруза появилась в высокогорьях южной Мексики – в те времена и в тех краях ее называли «маис». Ученые постепенно сходятся во мнении, что она произошла от теосинте, цветущей травы, произраставшей только в данной местности. На вид теосинте значительно отличается от современной кукурузы с горсткой семян (зерен), сгруппированных на толстом стебле, но имеет поразительное генетическое сходство с последней. Многие авторы предполагают, что селекция теосинте, начатая еще 9000 лет назад местными охотниками-собирателями, привела к тому, что кукурузу начали выращивать еще прежде 4000 г. до н. э.; более того, при помощи радиоуглеродного датирования удалось установить, что самые древние кукурузные початки, найденные в пещере Гила-Накиц в Оахаке, Мексика, оставались там с 4235 года до нашей эры, то есть появились 6250 лет назад^9.

К тому времени, когда европейцы прибыли в Новый Свет, кукуруза была основным продуктом питания коренных народов Северной и Южной Америки и стран Карибского бассейна. Сегодня это, безусловно, ведущая зерновая культура в мире: в урожае 2018–2019 годов на нее пришлось 1100 миллионов метрических тонн, или примерно 43 % всего мирового производства зерновых культур^10. Как получилось, что этот злак, выращиваемый в безвестной горной долине на юге Мексики, достиг всемирного признания? Ключевую роль в поисках ответа на этот вопрос сыграют изотопы Углерода.

Почти вся естественная растительность, покрывающая Северную и Южную Америку, – как деревья, так и травы, а также кусты черники, картофель, помидоры, кассава, маниока (подробнее о маниоке позже) и другие продовольственные культуры, произрастающие в Америке, – это C_3-растения. Кукуруза – C_4-растение, причем единственное съедобное растение такого рода, присутствующее в Новом Свете. Поэтому по костям коренных народов мы, в принципе, можем определить, когда эта новая культура вошла в их диету.

Именно это сделали ван дер Мерве и его помощник Дж. Фогель. Они изучили пятьдесят с лишним скелетов, обнаруженных в Иллинойсе, Огайо и Западной Виргинии, и при помощи радиоуглеродного датирования установили, что их возраст колеблется в пределах от 3000 года до нашей эры до 1300 года нашей эры. Для всех останков старше 500 года нашей эры соотношение изотопов 13C/12C сосредоточилось вокруг значений около –1,45 %. Этого можно было ожидать от диеты, состоящей исключительно из C3-растений, со средним соотношением –1,95 %, к которому добавился коэффициент фракционирования костного коллагена, составляющий +0,5 %.

Однако в случае, когда возраст скелетов датируется периодом от 600 до 1200 года нашей эры, соотношение 13C/12C в останках устойчиво растет, достигая к концу этого времени среднего значения –0,45 %; иными словами, оно возрастает на целый 1 % (см. рис. 10.2)11. Оно не достигает нулевого значения, которого можно было бы ожидать от растительной диеты, состоящей только из C4-растений, поскольку даже если у вас есть восхитительный новый источник белка, крахмала и сахара, это не означает, что вы должны непременно отказаться от употребления черники, помидоров и других овощей и перестать время от времени баловать себя жареной олениной. Измеренное соотношение позволяет нам рассчитать долю С4-растений в диете коренных жителей штата Огайо в период, который начался за 5000 лет до нашего времени, а закончился 800 лет назад. Примечательно, что всего за несколько столетий этот показатель увеличился с 0 % (эпоха до кукурузы) до более чем 70 %.

Рис. 10.2. Соотношение 13 C/ 12C в костях коренных американцев, обитавших на Среднем Западе США, отображенное как функция времени за период с 4000 г. до н. э. по 1500 г. н. э. Обратите внимание на быстрый рост количества скелетов, возраст которых датирован 1000 г. н. э. Шкала справа показывает долю диеты, поступающую из C4-растений. Эта доля практически равна нулю на протяжении первых 5000 лет, а затем, в течение нескольких столетий, возрастает до более чем 70 %, что указывает на выращивание кукурузы

В те годы, когда ван дер Мерве преподавал в Бингемтоне, штат Нью-Йорк, он смог повторить этот эксперимент на ряде человеческих ребер, найденных при раскопках в северной части штата Нью-Йорк и датированных 2500–100 годами до нашей эры, а также на еще одном комплекте, в котором кости были отнесены к периоду, длившемуся с 1000 по 1500 год уже нашей эры. Опять же, в более древних костях, как и ожидалось, наблюдалось соотношение –1,4 %, характерное для диеты, в основном состоящей из C3-растений с добавлением небольшого количества мяса. В то же время в последней группе было заметно постепенное увеличение от –0,95 до –0,65 %, что свидетельствовало о растущей зависимости от C4-кукурузы – впрочем, она проявлялась не так сильно, как в Огайо, и возможно, причиной тому был несколько более краткий вегетационный период в северной части штата Нью-Йорк. К настоящему времени подобные исследования проведены по всей Северной и Южной Америке, благодаря чему мы смогли нанести на карту весь процесс распространения кукурузы из горной долины в Оахаке и превращения ее в доминирующую сельскохозяйственную культуру в Новом Свете.

«Ты есть то, что ты ешь» – новые истории

Анна Рузвельт получила докторскую степень на факультете антропологии Колумбийского университета в 1977 году, когда я приехал в Колумбийский университет. Не прошло и нескольких лет, а раскопки, которые она вела в Венесуэле, в долине Ориноко, уже стали причиной жарких споров среди специалистов, изучающих археологию Амазонки. В то время ученые склонялись к мысли о том, что кукуруза не играла никакой роли в жизни цивилизаций тропических лесов Южной Америки в доисторические времена (1500–3000 лет тому назад). Напротив, утверждали, что местное население зависело от «системы тропических дождевых лесов», основанной на выращивании маниоки и кассавы, бывших источниками крахмала, и дополненной охотой и рыболовством для получения белка^12.

Однако раскопки, проведенные Анной Рузвельт, показали, что крупные вождества того периода с их высокой плотностью населения не могли поддерживаться одной только системой тропических лесов, потому что (1) животных было слишком мало, (2) в сезон дождей, когда реки были слишком бурными, ловить рыбу было невозможно, и (3) корнеплоды гнили во влажное время года. Вместо этого она предположила, что 2500 лет тому назад в эти места завезли кукурузу, которая и обеспечивала белок, необходимый в тех случаях, когда охоты и рыбалки было недостаточно. Такие взгляды встретили решительное сопротивление со стороны известных ученых в этой области.

Этот спор мог бы перейти в разряд «академических», которые развиваются только по мере смерти участников, но на помощь пришли изотопы Углерода. Большую часть тропической растительности составляли C3-растения, а анализ костей животных того периода показал, что те немногие C4-травы, которыми они в принципе могли питаться, снижая тем самым соотношение 13C/12C, не оказывали никакого влияния, поскольку черепахи, рыбы и крупные грызуны, которых ели коренные жители, потребляли в основном материал C3-растений.

Однако оставался очень важный вопрос. Была ли культивированная маниока растением C3 или C4? Проблему решила поездка из Бингемтона на пуэрто-риканский рынок в Нью-Йорке, где мы купили два пирожных с маниокой; весь путь туда и обратно занял семь часов. Соотношение 13C/12C составило –1,9 %, как и ожидалось для стандартного C3-растения. Однако два скелета с берегов реки Ориноко, которые были найдены в Пармане, в нескольких сотнях километров вверх по течению от Карибского моря, и возраст которых составил 2800 лет, удивили исследователей: соотношение 13C/12C в костях составляло –1,9 % – иными словами, оно оказалось таким же, как и при потреблении чистых C3-растений, без добавления +0,5 %, которого можно было бы ожидать с учетом формирования костей.

Еще одно измерение изотопных соотношений, которое провели Э. Медина и П. Минчин, решило эту загадку^13. Ученые показали, что у самой земли в тропическом лесу соотношение атмосферных 13C/12C было на 0,5 % ниже, чем на верхушках деревьев, поскольку воздух, захваченный у земли густым пологом, обогащается гниющим растительным материалом, у которого и так наблюдается дефицит изотопа^13 C^14. Эти дополнительные полпроцента просто компенсируют те +0,5 %, которые мы должны были бы добавить в расчете на костный коэффициент фракционирования – и тем самым мы получаем ожидаемый результат для диеты с высоким содержанием C_3-растений. Это хороший пример разумной осторожности, которую следует соблюдать, когда мы пытаемся выяснить истину, обращаясь к изотопной летописи. Во введении мы уже отмечали, что атомы позволяют избежать культурных предубеждений, свойственных историкам, но подвержены множеству физических и химических воздействий, каждое из которых необходимо тщательно оценить, прежде чем делать окончательные выводы.

А как насчет костей более позднего периода, отнесенных примерно к 400 году нашей эры, когда процветали главные вождества? Они показали среднее значение, равное –0,33 %, что даже ниже, чем у их любящих кукурузу собратьев из Северной Америки, и это подтверждало, что их диета примерно на 80 % состояла из кукурузы. Quod erat demonstrandum^15 – гипотеза Рузвельт подтвердилась.

Другие изотопы и диета

Природа биологических процессов заключается в построении сложных молекул из простых строительных блоков. В ходе этого процесса, как мы уже отмечали на примере Углерода, искажаются изотопные соотношения, что дает нам ключ к разгадке происхождения «кирпичиков». Но Углерод – не единственный элемент, для которого это справедливо. Например, Азот, следующий элемент в Периодической таблице и четвертый по распространенности в организме, также имеет два стабильных изотопа: 14N и 15N. Как и в случае с Углеродом, более тяжелый изотоп встречается гораздо реже, составляя всего 0,64 % Азота в нашей атмосфере, где преобладающим компонентом оказывается N_2 (составляющий почти 78 % воздуха). Атомы Азота необходимы многим биологическим молекулам, но ни растения, ни животные не могут использовать обильный атмосферный N_2, поскольку разорвать связь между двумя атомами слишком трудно. Чтобы Азот стал биологически полезным, его требуется «зафиксировать» (иными словами, разбить на части и встроить в другие молекулы, которые биологические системы могут разобрать на части и обратить себе на пользу). Эта роль отведена нескольким видам бактерий, называемым диазотрофами^16. Некоторые из них живут в симбиозе на корнях растений, относящихся к семейству бобовых (горох, фасоль, клевер, люцерна, арахис и т. д.), и активно преобразуют бесполезный атмосферный N_2 в полезные формы Азота, помогая этим растениям превзойти своих соседей. Когда бобовые умирают (или их вспахивают), фиксированный Азот высвобождается в почву, где может служить удобрением и стимулировать рост растений, лишенных этих полезных бактерий.

Цианобактерии, которые изначально имели облик сине-зеленых водорослей и изменили Землю, внедрив в нашу атмосферу огромное количество Кислорода, также отлично удерживают Азот, особенно в океане. В то время как бактерии бобовых могут фиксировать на клеверном поле до 90 кг Азота на акр в год, у цианобактерий на коралловых рифах этот показатель составляет до 250 кг Азота на акр в год (это различие важно, о чем мы подробнее поговорим в этой главе).

В отличие от Углерода, большинство растений не особо избирательно относятся к более тяжелому изотопу Азота. Его содержание в большей части растительного материала колеблется в пределах ±0,5 % от показателя, характерного для воздуха, если растения выращиваются с использованием искусственных удобрений (при производстве синтетических удобрений используется атмосферный N_2). Однако натуральные удобрения (например навоз) имеют более высокие значения 15N, что может смещать соотношение изотопов в растениях в положительную сторону от нуля. Более того, мы еще скажем, что это различие можно использовать для опознания настоящих органических культур.

Травоядные животные, в том числе все те, которых мы растим на мясо, встраивают атомы Азота из пищи в свои белковые молекулы. Однако животные также постоянно выделяют соединения, содержащие Азот; например, молекула мочевины с химической формулой CO(NH_2)2 содержит два атома Азота. Этот процесс выделения благоприятствует более легкому изотопу 14N, поэтому доля более тяжелого изотопа^15N в тканях и жидкостях животных примерно на 0,3–0,4 % выше по сравнению с той, которая содержится в потребляемой ими пище.

Так, у травоядных средние значения соотношения 15N/14N составляют +0,5 %. Хищники (которые обычно поедают травоядных) – это второй этап концентрации изотопа 15N, поскольку они также преимущественно выделяют более легкую форму атома, что дает среднее соотношение +0,8 %. Исключение из этого правила – океан, где пищевая цепь имеет на несколько ступеней больше, чем на суше, от планктона в основании до плотоядных рыб и морских млекопитающих, которых едим мы. Начиная с фитопланктона со значениями 15N/14N от +0,5 до +0,7 %, мы поднимаемся по цепочке к питающемуся им зоопланктону (от +0,8 до +1,0 %), к мелким рыбкам, пищей которым служит зоопланктон (от +1,1 до +1,3 %), потом – к более крупным хищным рыбам, которых едим мы, таким как лосось и тунец (от +1,4 до +1,7 %), а далее – к тюленям и косаткам, которые едят крупную рыбу (от +1,8 до +2,0 %)17.

Это несоответствие между морепродуктами, с одной стороны, и наземными растениями и животными – с другой позволяет нам воссоздать диету доисторических народов. М. Шёнингер, М. де Ниро и Х. Таубер обнаружили, что у обитателей прибрежных районов от Калифорнии до Дании соотношение 15N/14N в костях во времена неолита составляло от +1,5 до +2,0 %. Учитывая дополнительный уровень концентрации у этих людей (которые также выделяют мочевину), можно предположить, что большая часть их диеты состояла из рыбы со скромной примесью растений (и, возможно, птиц или млекопитающих)18. Напротив, как у мексиканских, так и у европейских земледельцев соотношение изотопов Азота составляло от +0,8 до +1,1 %, причем в первом случае соотношение 13C/12C наблюдалось на уровне –0,7 % (из-за кукурузы, C_4-растения), а во втором – от –1,8 до –2,1 % (из-за С_3-растений, входящих в диету).

Исследователи обнаружили один загадочный результат для аборигенов Багамских островов: у них соотношение 15N/14N вместо почти +2,0 % колебалось от +1,0 до +1,3 %, несмотря на очевидное изобилие местной рыбы и нехватку земли для выращивания сельскохозяйственных культур. Однако, как и в случае с Углеродом из тропических лесов, мы всегда должны внимательно отслеживать искажающие факторы. Как отмечалось выше, коралловые рифы густо заселены цианобактериями, усердно фиксирующими Азот. Из-за этого запасы 15N в окружающей воде истощаются быстрее, что ведет к появлению рыб (и, в конечном итоге, костей), которые по соотношению изотопов Азота близки к травоядным животным на суше.

Сера – еще один элемент, необходимый для жизни (седьмой по распространенности в организме – 0,2 %), и он имеет четыре стабильных изотопа. Преобладающий – 32S, но 4,25 % Серы приходится на более тяжелый изотоп 34S (доля двух других, 33S и 36S, значительно меньше 1 %). Две наиболее распространенных формы Серы на поверхности Земли – это Сера из магматических (вулканических) пород и молекула сульфата SO_4, обнаруженная в океане. Соотношение 34S/32S в первой форме, подобно соотношению изотопов Азота в атмосфере, определяет нулевую точку, тогда как для сульфата, найденного в морской воде, это соотношение выше на +2,1 %. Животные не выделяют Серу, в отличие от Азота, поэтому соотношения изотопов Серы по всей пищевой цепи сходны с соотношениями в конечном источнике (горные породы/почва или морская вода). Поэтому соотношение изотопов Серы может служить вторичным показателем доли морепродуктов в диете, независимо от аномального соотношения изотопов Азота, обнаруженного у рифовых рыб.

Современное применение изотопных отношений

Я рискую показаться заезженной пластинкой, но тем не менее повторю: мы – это то, что мы едим. За последние пятнадцать лет соотношения стабильных изотопов Углерода, Азота и Серы стали частью исследований, посвященных изучению питания и здоровья людей. Одно из таких еще в 2007 году проводили Б. Бухардт, В. Банч и П. Хелин. В нем сравнивались соотношения изотопов в обрезках ногтей, собранных у сообщества инуитов в северной Гренландии (восемьдесят два образца) и у группы, живущей в Дании, в том числе у нескольких гренландцев, переселившихся туда^19. Изотопные соотношения всех трех элементов сильно коррелировали друг с другом и заметно различались у двух групп (см. рис. 10.3).

Как и ожидалось, у инуитов, чья диета богата рыбой и морскими млекопитающими, значения всех трех показателей были высокими, тогда как у жителей Дании (будь то датчане или гренландцы) они оказались гораздо ниже, поскольку в их диете было больше овощей и травоядных животных. У двух датских веганов наблюдался самый низкий уровень Азота – отражение чисто растительной диеты без концентрации более тяжелого изотопа, характерной для животных.

Рис. 10.3. Корреляции 13C и 15N,34S и 13C и 34S и 15N у выборки инуитов из северной Гренландии, гренландцев, переехавших в Данию, коренных датчан и двух датчан-веганов, полученные Бухардтом и др. (2007) по образцам ногтей. Обратите внимание, что у гренландцев, переехавших в Данию, соотношения полностью совпадают с коренными датчанами – так проявляется преобладающее влияние диеты. Например, у гренландцев, которые едят в основном рыбу и хищных морских млекопитающих, значения 15N и 13C высоки, в то время как у датчан-веганов они оказываются одними из самых низких, как и ожидалось при растительной диете. Напомним, что растения избирательно усваивают более тяжелые изотопы, а животные концентрируют в своих телах более тяжелый 15N

Исследователи даже показали, какой эффект на соотношение изотопов в организме оказывают диетические вмешательства в реальном времени. Они на двадцать восемь дней перевели четырех добровольцев, двух мужчин и двух женщин, с их обычной диеты, в которой преобладали C3-растения и животный белок, на диету, богатую C4-растениями и белком, получаемым из морепродуктов, и обнаружили отчетливые изменения в прядях волос испытуемых, поскольку новая диета «перезагрузила» изотопные соотношения: соотношение 13C/12C изменилось на +0,85–0,90 %, а соотношение 15N/14N – на +0,15–0,22 % процента в одной пряди волос по мере ее месячного роста.

Еще один интересный пример того, насколько сильно изотопные соотношения зависят от диеты и состояния организма, – изменение изотопного соотношения Азота, происходящее в случаях недостаточного поступления пищи (особенно белка). Этот эффект был впервые отмечен в экспериментах на животных: у только что вылупившихся перепелов, которых держали на строгой диете, соотношение 15N/14N было на +0,19 % выше, чем у их братьев и сестер, которым разрешалось есть столько, сколько они хотели^20, – поскольку организм, ограниченный в еде, разрушал собственные белки и выделял отходы, обогащенные легким изотопом. Этот эффект впоследствии наблюдался у больных анорексией, начинавших программу восстановления: в образцах волос виден систематический градиент от кончиков (от момента, предшествующего входу, «самый болезненный» период) к корням («самое здоровое» время до выхода из программы восстановления).

Яркая иллюстрация – ежемесячное взятие проб у беременной, страдавшей от тяжелой утренней тошноты в первом триместре. Она похудела на 5,5 кг, но ко времени рождения ребенка выздоровела, и вес увеличился на 8 кг по сравнению с первоначальным. В период утренней тошноты соотношение изотопов Азота в ее организме резко поднялось на целых +0,10 %, а затем снизилось до –0,16 %, поскольку ее вес восстановился, когда она достигла полного срока вынашивания (см. рис. 10.4)21.

По мере того как мы получали все больше данных, некоторые ученые начали рассматривать изотопные соотношения как инструмент для изучения не только питания, но и болезней. Например, используя диеты с различными уровнями C_4-сахаров (к таким относятся и кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы, и тростниковый сахар), К. Кук и его коллеги обнаружили соответствующие изменения в соотношении 13C/12C в глюкозе крови после еды^22. П. Пэйтел и его коллеги выяснили, что существует обратная корреляция между потреблением рыбы, показателем которого служит низкое соотношение изотопов Углерода, и риском диабета^23. Печень – место производства мочевины и синтеза белка – процессов, в ходе которых Азот разделяется на фракции. К. Петцке и его соавторы выявили, что у пациентов с циррозом печени (дегенеративным заболеванием) соотношение изотопов Азота в волосах было на –0,32 % ниже, чем у здоровых людей^24.

Рис. 10.4. Измерение соотношения 15N/14N в организме беременной по сравнению с соотношением в воздухе в зависимости от времени (зачатие соответствует нулевой неделе). Также на графике указан вес женщины. Утреннее недомогание в первом триместре привело к ярко выраженному похуданию и одновременно к резкому повышению соотношения изотопов Азота, которое изменилось, как только начался набор веса (Reitsema, 2013)

Тяжелые изотопы Водорода (на долю 2H в настоящее время приходится около 0,02 % всего Водорода) и Кислорода (доля 18O – примерно 0,25 % от уровня 16O), присутствуя в воде (H_2O), делают ее «тяжелой». В роли «посредников» они позволяют точно определять температуру и место выпадения осадков (см. ниже и главу 11). Но кроме того, фракционирование, происходящее при образовании воды в ходе метаболических реакций, приводит к систематическому появлению других фракций тяжелой воды, более высоких, чем те, которые присутствуют в воде, поступающей в наш организм с пищей и напитками. Поскольку диабет вызывает обезвоживание и, следовательно, заставляет в большом количестве потреблять питьевую воду, было показано, что у мышей с индуцированным диабетом соотношения 2H/1H и 18O/16O на –0,13 % и –0,27 % ниже, чем у их здоровых собратьев. Хотя этот эффект еще не установлен у больных диабетом, Т. Куо и его коллеги показали соотношения более легких изотопов у пациентов с заболеваниями почек^25.

У Кальция пять стабильных изотопов, из которых преобладает 40Ca (96,9 %), а большую часть остальных составляет 44Ca (2,1 %). Процессы фракционирования приводят к тому, что в человеческих костях наблюдается избыток более легкого изотопа по сравнению с его соотношением в пище, тогда как и мягкие ткани, и моча содержат больше тяжелого изотопа. При остеопорозе костные минералы повторно поглощаются и выводятся с мочой, в которой из-за этого оказывается больше легких изотопов, чем обычно. Поэтому анализ мочи обеспечивает простой и неинвазивный способ мониторинга потери костной массы.

Наконец, соотношения изотопов можно использовать и при судебно-медицинских экспертных исследованиях, связанных с маркировкой пищевых продуктов. Как отмечалось выше, предполагается, что органические культуры выращиваются с использованием только натуральных удобрений (то есть отходов животноводства), и поскольку такие отходы содержат больше тяжелого 15N, в органических культурах должны наблюдаться более высокие значения 15N/14N, чем в культурах, выращиваемых с использованием искусственных удобрений. Чистый клеверный мед должен иметь соотношение 13C/12C, соответствующее C3-растениям; любое отклонение предполагает подмешивание (гораздо более дешевого) кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы или тростникового сахара. Точно так же и бренди, дистиллированный из C3-винограда, не должен иметь признаков обогащения дистиллированным спиртом из хлебного зерна.

Путешествие Этци: сила изотопов

В сентябре 1991 года, путешествуя в Альпах недалеко от итало-австрийской границы, двое немецких туристов наткнулись на человеческий торс, заметный под кромкой отступающего ледника. Решив, что это, должно быть, давно пропавший без вести турист, они уведомили власти. В каком-то смысле они были правы, но когда тело достали и установили его возраст при помощи радиоуглеродного датирования, выяснилось, что прогулка, во время которой погиб Этци – такое имя получил «найденыш», – состоялась 5200 ± 70 лет назад^26. Подробный анализ этого частично мумифицированного тела позволил совершить захватывающие открытия, связанные с одеждой, орудиями и диетой европейцев медного века. Однако к нашему разговору об изотопах имеет отношение та удивительная точность, с которой мы можем определить место рождения Этци и его последующих странствий.

Во введении к этой главе мы уже отмечали, что самые долговечные атомы в организме человека находятся в зубной эмали. Слои этого твердого вещества, называемого апатитом, состоят из кристаллического фосфата кальция (в первую очередь Ca_5(PO_4)3(OH). Они откладываются по мере роста постоянного зуба, начиная с рождения и примерно до пятилетнего возраста.

В Периодической таблице химических элементов непосредственно под Кальцием находится Стронций, поэтому их свойства, о чем мы говорили в главе 4, достаточно схожи, и Стронций легко приходит на смену Кальцию в кристаллах апатита. В отличие от зубной эмали, время обновления атомов в человеческих костях составляет десять или двадцать лет. Таким образом, эмаль свидетельствует о том, где человек родился, а кости – о том, где он провел пару последних десятилетий взрослой жизни. Например, Этци на момент смерти было примерно сорок пять лет.

Вольфганг Мюллер и его коллеги исследовали четыре геологические провинции в северо-восточной Италии и охарактеризовали их по соотношению изотопов Стронция и Свинца – 87Sr/86Sr и 206Pb/204Pb соответственно. Местные растения поглощают эти почвенные минералы, а когда кто-то поедает растения, минералы становятся частью его зубов, что дает нам возможность судить о месте рождения Этци. Анализ эмали его клыков (с соотношением 87Sr/86Sr, равным 0,7215) позволил исключить две геологические провинции.

Затем исследователи изучили соотношение 18O/16O в зубной эмали. Из дождевых туч первой выпадает более тяжелая вода, содержащая 18O, из-за чего соотношение изотопов Кислорода уменьшается по мере удаления от источника испарения (в данном случае от Средиземного моря). Эмаль показала, что в детстве, когда ему было от трех до пяти лет, Этци пил воду с соотношением –1,1 % по сравнению со стандартным значением. Это исключает южные геологические провинции (ближайшие к океану), где эти значения намного больше, а значит, Этци родился в окрестностях долины Эйсак, примерно в 25 км к северу от современного Больцано.

Анализ бедренных костей Этци показывает, что содержание в них Стронция 87Sr/86Sr значительно отличается от его зубов: 87Sr/86Sr = 0,7177. Кроме того, в небольших кусочках слюды, обнаруженных в его желудке – предполагают, что они находились там вместе с недавно съеденным молотым зерном, – наблюдается соотношение Аргона 40Ar/39Ar. Это позволяет предположить, что от места своего рождения он перебрался примерно на 25 км к западу, в края, недалеко от которых в наши дни находится Мерано, а свой последний приют нашел в 25 километрах к северо-западу от современной австрийской границы. Так по мельчайшим атомам можно рассказать историю Этци по прошествии пяти тысячелетий с момента его смерти^27.

Изотопные соотношения одинаково хорошо применимы не только к людям, но и к другим существам, благодаря чему нам открыты и их жизненные истории. Недавно М. Вуллер и его коллеги^28 воссоздали жизнь шерстистого мамонта, обитавшего на Аляске 17 100 лет назад, еще до того, как первые люди добрались до Северной Америки. Соотношения 87Sr/86Sr, 18O/16O, 15N/14N и 13C/12C, зафиксированные на 2,5-метровом бивне, позволили исследователям выстроить картину мест, в которых находился мамонт на протяжении всех двадцати восьми лет его жизни, с недельными интервалами. Соотношение Стронция и Кислорода в бивне было таким же, как и в растениях, служивших мамонту пищей, что, в свою очередь, отражало характер местной природы.

ДНК выявила одну Х‐хромосому – перед нами оказался мужской экземпляр. Первые полтора года он жил вблизи реки Юкон, скитаясь от полуострова Сьюард до дельты, а следующие четырнадцать лет провел в странствиях, преодолев более 1000 км, в основном к югу от хребта Брукс. Пятнадцать лет – это примерно тот возраст, когда молодые самцы изгоняются из матриархального стада (по крайней мере, у современных слонов) и отправляются в путь самостоятельно. Наш мамонт расширил свой ареал. Когда ему было девятнадцать, двадцать, двадцать два и двадцать три года (но не двадцать один, не двадцать четыре и не двадцать пять), соотношение Стронция раз в год систематически падало, что свидетельствует о сезонной миграции. Последние два года он провел к северу от хребта Брукс. Резкий скачок соотношения 15N/14N в конце жизни указывал на то, что он, вероятно, умер от голода (вспомните беременных с утренним недомоганием).

В аналогичном исследовании 13 200-летнего мастодонта из Индианы также удалось засвидетельствовать заметное изменение ареала обитания животного в период, когда ему было от двенадцати до четырнадцати лет и пришла пора покинуть родное стадо. Используя зависящее от температуры соотношение 18O/16O, Дж. Миллер и его коллеги пришли к выводу, что мастодонт возвращался на северо-восток Индианы каждый год весной или в начале лета, и на его клыках остались боевые шрамы, полученные в течение по крайней мере последних восьми лет – по всей видимости, во время стычек за самок; он умер от колотой раны в голову в последнем бою, не дожив до своего тридцатипятилетия^29. Подобные исследования открывают путь к детальному воссозданию жизни крупной фауны Северной Америки незадолго до вымирания, которое произошло в конце последнего ледникового периода, когда люди проникли на континент.

Изменения в соотношениях изотопов, которые мы обсуждали, невелики. Как правило, они измеряются в десятых долях процента – или, иными словами, в тысячных долях. Значение 0,1 % в большинстве случаев настолько мало, что вы вполне могли бы его проигнорировать: если бы счет вашей кредитной карты, на котором лежало 850 долларов, уменьшился бы на 85 центов, вы бы, наверное, даже этого не заметили. Однако если речь идет об оценке изотопного содержания, то такая величина, во‐первых, легко измерима, а во‐вторых, раскрывает очень многое и позволяет нам получить сведения об истории диеты и сельского хозяйства – недоступные в ином случае, – а также предлагает по-новому взглянуть на питание и болезни наших предков и на историю их жизни и мира вокруг них.

Глава 11

Палеоклимат: измерение температуры Земли в давние времена

В 1975 году Уоллес Брокер^1, мой покойный коллега из Колумбийского университета, опубликовал в журнале Science статью под названием «Изменение климата: стоим ли мы на пороге резкого глобального потепления?»2. В том году глобальная температура была на 0,03 °C ниже среднего показателя за XX век; среднее значение за предыдущие десять лет в точности совпадало со среднемноголетним. Брокер предсказал, что современные тенденции «по истечении примерно десяти лет сменятся выраженным потеплением, причиной которого станет углекислый газ». Кроме того, он предсказал, что «тенденция, в соответствии с которой экспоненциальный рост содержания углекислого газа в атмосфере становится значимым фактором, останется неизменной и к началу следующего столетия выведет среднюю планетарную температуру за пределы, наблюдавшиеся в течение последнего тысячелетия»3. В сущности, с 1977 года, по прошествии полутора лет с момента публикации статьи, и по сей день глобальная температура каждый год превышала среднемноголетнюю с постоянным повышением на 0,14 °C за десятилетие – и так продолжалось до 2015 года, после чего потепление ускорилось. В 2020 году температура была на целый градус Цельсия выше средней температуры XX века – этот показатель на Земле был выше, чем за несколько тысяч минувших лет.

Если учесть типичные условия, характерные для десятилетия, предшествовавшего 1975 году, то станет ясно, что Брокер не высказывал предположение о будущем, экстраполируя существующую тенденцию, а делал четкий и точный прогноз, в основе которого лежала физика. В этой главе мы уделим внимание выявлению температур в далеком прошлом – это поможет увидеть, что может ждать нас в будущем. Поэтому, наверное, стоит потратить немного времени и понять, что именно определяет температуру Земли (или любой планеты).

Настройка термостата

Есть очень простое уравнение, позволяющее вычислить температуру любого объекта, будь то планета или ваша невестка:

Входящая энергия = исходящая энергия

Более 99,97 % энергии, поступающей на поверхность Земли, приходит к нам от Солнца^4. В главах 3 и 4 мы уже говорили о том, что именно температура на поверхности Солнца становится мерой того, насколько быстро там движутся атомы (в основном ионы), и скорость этих частиц определяет длину волны излучаемого ими света. Температура поверхности Солнца составляет 5780 К, отчего излучается желто-зеленый свет с длиной волны около 500 нанометров, который находится в самом центре октавы длин волн, доступных нашему зрению^5.

Атмосфера Земли почти полностью прозрачна для волн такой длины, поэтому сквозь нее проходит почти вся эта энергия, за исключением той части, которую облака отражают обратно в космос. С дополнительной порцией, достигающей Земли, происходит то же самое – она уходит в космические пространства, отскакивая от ледяных щитов, пустынь и других блестящих поверхностей. Никакая часть этого отраженного света не вносит вклад в энергетический баланс нашей планеты. В общей сложности около 69 % энергии Солнца, падающей на верхние слои атмосферы, поглощается Землей, а оставшийся 31 % отражается в космос.

Если бы этим все и ограничилось, Земля становилась бы все жарче и жарче, как духовка без термостата. Чтобы поддерживать достаточно стабильную температуру, наша планета должна излучать обратно в космос ровно то же количество энергии, которое она поглощает, – и она это делает. Однако у излучаемой энергии – по сравнению с поглощаемой – есть одно невероятно важное отличие. Поскольку температура Земли (в среднем) составляет 16 °C = 289 К, наша планета излучает эту энергию на длинах волн значительно более высоких, чем те, на которых к ней приходит энергия от Солнца с температурой 5780 К. Поскольку Земля примерно в двадцать раз холоднее, пик исходящего света приходится на инфракрасную часть спектра, со средней длиной волны в двадцать раз выше, или около 10 000 нанометров. И атмосфера не прозрачна для всех этих длин волн. В частности, молекулы водяного пара (H_2O), углекислого газа (CO_2), озона (O_3), метана (CH_4), закиси Азота (N_2O) и других веществ, содержащихся в воздухе, поглощают часть исходящих длин волн и излучают их обратно к земной поверхности.

Опять же, если бы происходило только это, мы оказались бы в духовке. Но наличие слоя поглощающих газов, отбрасывающих обратно излишек энергии, приводит к тому, что поверхность нагревается (напомним, что энергию необходимо сохранять, она не может просто так взять и исчезнуть). Из-за этого молекулы океана и суши, в свою очередь, вибрируют немного более энергично, повышая температуру и сокращая длины излучаемых волн до тех пор, пока они не станут достаточно короткими, чтобы пройти сквозь преграду и уйти в космос. Это явление называется парниковым эффектом, поскольку стекло теплицы примерно так же пропускает солнечный свет, но оказывается частично непрозрачным для исходящего инфракрасного излучения и, таким образом, нагревает воздух внутри теплицы. Если бы не атмосферный покров, средняя температура Земли составляла бы около –5 °C, и планета, вероятно, представляла бы собой заледеневший мир, на котором жизнь вполне могла бы никогда не возникнуть. Парниковый эффект, как одеяло в промозглый вечер, – вещь хорошая.

Однако хорошего может быть слишком много. Если холодным вечером вы укроетесь пятью одеялами, то, скорее всего, через час проснетесь в поту – вы заблокировали все тепло, которое пытается покинуть ваше тело в форме инфракрасного излучения, и поскольку ваша пищеварительная система беспечно работает, высвобождая энергию из того мороженого, которое вы съели на десерт, ваша температура начинает повышаться.

Глобальное потепление, предсказанное Брокером, представляет собой именно такое явление. Углекислый газ выбрасывается в атмосферу, когда атомы Углерода в ископаемом топливе (давно вымершие растения, поглощавшие CO_2 из воздуха 100 с лишним миллионов лет назад, в эпоху динозавров) сгорают (иными словами, соединяются с O_2) и снова выделяют углекислый газ, CO_2. А растущее количество молекул атмосферного CO_2 действует подобно лишнему одеялу. С начала промышленной революции, начавшейся в конце XVIII века, мы выбросили в атмосферу примерно 1000 миллиардов тонн CO_2. Поэтому, как и предсказывал Брокер, температура земной поверхности возрастает до уровня, которого не наблюдалось уже долгие тысячи лет.

Хотя изменение температуры на 1 °C может показаться не очень значительным, его последствия уже очевидны – это и более интенсивные и долгие периоды аномальной жары, и лесные пожары от Амазонки до Сибири, и более сильные шторма, и таяние ледников, и повышение уровня моря, и изменение характера засухи, вполне способной подорвать сельскохозяйственное производство, необходимое для того, чтобы прокормить 8 миллиардов человек, живущих на планете. Как отмечалось выше, рост температуры, похоже, ускоряется, и лучшие современные модели предсказывают, что, если мы продолжим идти нынешним путем, среднее повышение глобальной температуры составит как минимум 4 °C к концу нынешнего столетия. Прогнозируемый рост температуры приведет к колоссальным потрясениям во всем мире, в том числе и к вынужденной миграции сотен миллионов людей; к массовой нехватке продовольствия; к повышению уровня моря на метр и более, что приведет к затоплению многих прибрежных городов; и ко многим другим пагубным последствиям. Насколько мы уверены в этих предсказаниях?

Рамки этой книги не позволяют нам во всех подробностях оценить климат Земли и рассмотреть модели, которые бы позволили сделать прогноз о его будущей эволюции. Климатическая система сложна, и нужно тщательно учитывать взаимодействие многих параметров. Основное ограничение в построении климатических моделей – относительная нехватка качественных данных, с помощью которых мы можем их проверить. Сведения о температуре, измеренной непосредственно, получены лишь за последние 140 лет, а об осадках, засухах, составе атмосферы и других важных факторах нам известно еще меньше. Безусловно, нам очень пригодились бы более подробные записи о климате минувших эпох, с которыми можно было бы сравнивать наши модели будущего. К счастью, наши историки-атомы дают нам множество таких данных, позволяя судить о том, что происходило миллионы лет назад. В этой главе они поведают свои истории. Но сперва мы ответим вот на какой вопрос: откуда берется весь дополнительный CO_2, попадающий в атмосферу?

Откуда взялся новый CO_2?

Прямые измерения содержания CO_2 в атмосфере начались в 1958 году^6. За последние шестьдесят пять лет количество молекул CO_2 выросло с 315 на каждый миллион частиц воздуха до 420 миллионных долей (ppm), то есть стало на 33 % больше^7. Из некоторых письменных свидетельств, о которых мы поговорим позже в этой главе, нам известно, что такие изменения происходили в далеком прошлом, задолго до появления человека: уровень CO_2 был и намного выше, чем в наши дни, и намного ниже. Так откуда же наша уверенность в том, что именно человеческая деятельность, в частности сжигание ископаемого топлива (и тропических лесов), стала причиной недавнего подъема? Может быть, это колебание вызвано теми же естественными механизмами, которые вели к значительным изменениям в прошлом? Как это уже стало привычным в наших исторических экскурсах, убедительные доказательства нам предоставят изотопы Углерода.

В главе 10 мы видели, что растения – это их пища, и большая часть того, что они едят, – это CO_2. Но подробный рассказ о фотосинтезе позволил нам увидеть, что они далеко не беспристрастны в еде, – поглощая молекулы CO_2 из воздуха и встраивая их в свои молекулы, они неохотно усваивают медленные и тяжелые изотопы 13C и 14C. В главе 8 мы также видели, как деревья (в основном C3-растения) становятся идеальным календарем для изучения прошлого: каждое годичное кольцо соответствует определенному году, а наша общая летопись уходит в прошлое почти на 14 000 лет. Соотношение 14C/12C в отдельных годичных кольцах позволило нам точно определить скорость образования радиоактивного изотопа Углерода и повысить точность радиоуглеродного датирования. А теперь настало время обратиться к соотношению стабильных изотопов 13C/12C и к соотношению 14C/12C, чтобы однозначно опознать источник растущей концентрации CO_2 в атмосфере.

Поскольку 13C и 12C – стабильные изотопы и общее количество каждого из них в окружающей среде постоянно, то можно ожидать, что соотношение 13C/12C в куске старой древесины будет таким же, как и в современном живом дереве. И действительно, если изучить годичные кольца деревьев и аналогичные годичные кольца кораллов возрастом от тысячи и более лет, то мы увидим, что соотношение 13C/12C остается неизменным и составляет более 1 части на 10 000, – примерно до 1800 года.

Промышленная революция конца XVIII – начала XIX века ознаменовала появление нового крупного источника выбросов CO_2 в атмосферу – сжигания ископаемого топлива. Сначала, в последние десятилетия XVIII века, жгли уголь, затем, в 1820-х годах, – природный газ, а потом, в 1860-х годах, – нефть, благодаря чему произошел взрывной рост обрабатывающей промышленности и производства стали, создавших современный мир. Все эти три вида топлива производятся из материала растений (а также небольшого количества водорослей и планктона), существовавших в период от 360 до 66 миллионов лет назад (см. гл. 12). Как и их современные сородичи, древние С3-растения, произраставшие густыми лесами, избирательно относились к поглощению 13CO_2, вследствие чего в их ископаемых останках наблюдается низкое соотношение 13C/12C. Сегодня мы ежегодно сжигаем около 40 миллиардов тонн этих древних растений с дефицитом 13C, а значит, общее соотношение 13C/12C в атмосфере должно снижаться.

И именно это мы видим, когда анализируем соотношение изотопов в старой древесине. Начиная примерно с 1800 года содержание 13C в атмосфере неуклонно снижается, и темпы этого снижения ускоряются по мере того, как мы используем все больше ископаемого топлива. Доиндустриальный уровень содержания CO_2 в атмосфере составлял 280 частей на миллион, тогда как сегодня он составляет 420 частей на миллион – иными словами, он возрос на 50 %. Между тем соотношение 13C/12C снизилось на 0,22 % с 1750 года по настоящее время из-за выброса молекул топлива, обедненных 13C^8.

Откуда нам известно, что дело в ископаемом топливе, а не в современных растениях? Они также избирательно поглощают 13C, поэтому, когда они умирают и/или сгорают, они также выделяют в атмосферу CO_2, обедненный изотопом 13C. Ответ на этот вопрос нам дает еще более тяжелый изотоп 14C. Поскольку он движется медленнее, чем^13CO_2, вероятность попадания 14CO_2 в молекулы растений еще меньше. Но, как мы видели в главе 8, в них достаточно радиоактивного изотопа, чтобы с его помощью мы могли определить пределы колебаний в скорости его образования и установить возраст 14C. Однако возраст самых молодых видов ископаемого топлива составляет 66 миллионов лет. Это означает, что прошло 66 000 000 лет/5 731 год = 11 518 периодов полураспада: таким образом, в ископаемом топливе не осталось никаких атомов 14C. Поскольку мы наблюдаем резкое снижение содержания 14CO_2 на 4 % за десятилетие, становится очевидным, что новый CO_2 в атмосфере поступает из источника, гораздо более бедного 14CO_2, чем современные растения.

К сожалению, из-за небольшого осложнения мы не можем сделать этот вывод на основе непосредственных наблюдений, отчего нам и приходится обращаться к моделям. В главе 8 мы уже говорили о том, что испытания ядерного оружия, проходившие с 1950 по 1963 год, привели к огромному выбросу 14C по всей планете, и первоначально весь он находился в атмосфере. Этот искусственный избыток ассимилировался растениями, почвой и океанами на протяжении шестидесяти последних лет, поэтому количество 14С неуклонно снижается до фонового уровня. Когда эта книга выйдет в печать, мы как раз пройдем границу, которая наблюдалась в 1950 году. Тогда уровень уже был ниже, чем до начала Промышленной революции – из-за того, как много ископаемого топлива мы потребили до этого срока, – и подсчеты показывают, что резкий подъем 14C, вызванный ядерными испытаниями (бомбовый эффект), сократился до нескольких процентных пунктов от первоначального значения, а к 2030 году он полностью исчезнет, после чего снижение, вызванное сжиганием ископаемого топлива, будет продолжаться примерно на 3,5 % за десятилетие^9.

Столь высокие темпы снижения невозможно объяснить умеренной избирательностью, с которой современные растения поглощают 14С. Причиной может стать лишь то, что в атмосферу добавляется CO_2, полностью лишенный этого радиоактивного изотопа, – иными словами, его источником оказываются давно умершие растения в ископаемом топливе, и деятельность человека однозначно меняет химический состав атмосферы Земли.

Температуры со времен последнего ледникового периода

Мы уже говорили о том, что климатическая система сложна, и если мы хотим расширить свои скромные записи о климате прошлого, где пока что зафиксированы лишь события минувшего века, то нам необходимы заменители термометров и гигрометров, которыми мы не располагали ни тысячу, ни десять тысяч, ни сто тысяч лет тому назад. Один из лучших индикаторов, позволяющих нам изучить всю историю человеческой цивилизации, – это соотношение изотопов в древесных кольцах.

Как мы отмечали в главе 8, годичные кольца представляют собой идеальный календарь. При помощи живых и давно умерших деревьев нам удалось построить полную летопись, охватывающую период от 13 900 лет до конца последнего ледникового периода. Самый простой показатель климата – это ширина кольца: как правило, чем оно шире, тем лучше условия роста в соответствующем году (более высокие температуры, достаточное количество воды – хотя есть и предостережения, о которых мы еще упомянем). В качестве показателя часто служит и плотность древесины, но прямой подсчет атомов в каждом кольце позволяет получить больше количественных данных. Отбирая образцы древесины из кольца, соответствующего нужному году, мы можем использовать стабильные изотопы Кислорода, Углерода и Водорода и с их помощью определить температуру и интенсивность осадков, – как если бы в том месте, где росло это дерево, у нас была небольшая метеостанция, записывающая эти числа на будущее.

Соотношение 18O/16O – основная величина, позволяющая нам определять температуру. Как и в случае с любым изотопным соотношением, о которых мы говорили прежде (C, N и т. д.), нам необходимо установить произвольный эталон. Здесь им служит так называемый Венский стандарт океанской воды (VSMOW)10 – образец, собранный в океане на глубине в несколько сотен метров, из которого удалены все соли и другие химические вещества. Значение для 18O/16O составляет 2005,2 ppm, или почти 0,20 %.

Как уже, наверное, очевидно, молекула воды, состоящая из H_2 18O, будет тяжелее и, следовательно, медленнее, чем молекула, состоящая из H_2^16O. Из этого можно сделать два вывода: (1) более тяжелой молекуле труднее перейти из жидкого состояния в газообразное (иными словами, испариться), и (2), как отмечалось в главе 10, если она все же испарится и поднимется к облакам, где остынет (и, таким образом, замедлится еще больше), ей легче найти «подружек», к которым она сможет прилипнуть и снова создать каплю воды, которая в конечном итоге выпадет в виде дождя или снега. То же самое можно сказать и о молекуле воды, в состав которой входит дейтерий – стабильный тяжелый изотоп Водорода (2H); впрочем, в последнем случае эффект слабее, поскольку меньше разница масс^11.

Таким образом, содержание 18O тем выше, чем выше температура. Исследований, направленных на восстановление исторических температур при помощи данных об изотопах Кислорода в древесных кольцах, проводилось очень много. Т. Портер и его коллеги изучили 150-летнюю летопись (1850–2003 гг.) трех белых елей, растущих в дельте реки Маккензи на севере Канады^12. Сравнив свои результаты с данными о температуре, полученными благодаря термометрической съемке, которую проводили на метеостанции в близлежащем аэропорту Инувик с 1957 по 2003 год, они показали, что наблюдалась тесная корреляция между измеренной температурой и значениями 18O, при этом два набора данных частично совпадали. Это позволило исследователям продлить температурную летопись до 1850 года; общее соотношение 18O/16O варьировалось от +1,7 % до +2,3 % по сравнению с VSMOW и ясно возрастало с 1970 по 2000 год, причем в последний год количественные показатели температуры были выше, чем в любой другой момент за 150-летний период. Вывод, сделанный авторами, заключается в том, что с 1950 по 2000 год температура в этом арктическом регионе поднялась на 1,0 °C, что вдвое превышает рост, зафиксированный на протяжении того же периода в более низких широтах, и согласуется с тенденцией к более выраженному потеплению в Арктике, которую нам удалось недавно пронаблюдать.

Те же исследователи измерили и соотношение 13C/12C, при помощи которого можно оценить влажность. Деревья вдыхают CO_2 через устьица, крошечные поры, расположенные на нижней стороне листьев. Однако устьица – это улица с двусторонним движением: проходящие через них газы не только проникают внутрь листьев, но и выходят из них. В то время как в ходе фотосинтеза эти шлюзы используются для поглощения CO_2 и выделения O_2, по этому пути может выходить и H_2O. Этот процесс называется транспирацией, и он очень важен для дерева, потому что потеря воды создает отрицательное давление, которое втягивает воду от корней до листьев; более того, он жизненно необходим для растущего слоя древесины (и сбора кленового сиропа для блинчиков). Если относительная влажность высока и осадков много, то поры остаются открытыми, не причиняя дереву вреда. Но в засушливых условиях дерево теряет через устьица слишком много воды, поэтому отверстия закрываются. Из-за этого CO_2 попадает в лист с трудом, так что дереву приходится быть менее привередливым к предпочитаемым изотопам Углерода. Недавняя «калибровка» этого эффекта, образцами для которой послужили деревья из немецкого Шварцвальда, показала увеличение соотношения 13C/12C на 0,17 % на каждые 10 % снижения относительной влажности^13.

Воссоздание климата по кольцам деревьев на протяжении всей истории позволяет выявить небольшие, но важные колебания средней температуры, оказавшие огромное влияние на ход истории человечества. Но реконструкции годичных колец, основанные не на детальном изотопном анализе, а просто на их ширине или плотности древесины, не обходятся без доли справедливой критики, поскольку рост деревьев определяется сложной взаимосвязью различных факторов. Например, было показано, что с потеплением климата до некоторой оптимальной температуры ширина колец действительно увеличивается, но затем, по мере дальнейшего повышения температуры, начинает уменьшаться – вероятно, вследствие теплового стресса, вызванного чрезмерной транспирацией и нехваткой воды. Кроме того, на ширину годичных колец могут влиять перемены в густоте леса и другие внешние факторы^14.

Рис. 11.1. Температурная аномалия (отличие от среднемноголетнего значения) в Северной Европе за последние 2000 лет получена по годичным кольцам и подтверждена сравнением с другими записями (ледяные керны, ракушки, пещерные отложения и т. д.) со всего мира. Наиболее значительные отклонения – это подробно задокументированный Средневековый теплый период (600–1200) и Малый ледниковый период (1450–1800) (Loehle et al.)

В 2007 году Крейг Лоэл решил воплотить в жизнь свой смелый замысел^15, рассмотреть другие показатели температуры и выяснить, соответствуют ли temperature records температурной летописи, о которой позволяли судить годичные кольца. Он провел впечатляющие исследования, изучая все, что мог найти, – споры пыльцы, глубоководные отложения (отличный индикатор температуры морской поверхности, которую устанавливают по соотношениям 18O/16O в CaCO_3-раковинах фораминифер), ледяные керны (см. ниже), пещерные отложения и множество других образцов со всего мира, – и обнаружил прекрасное соответствие с европейской температурной летописью, созданной благодаря годичным кольцам за последние 2000 лет. Его окончательный график воспроизведен на рисунке 11.1.

Начиная примерно с 600 года нашей эры и на протяжении более 600 лет температура постоянно превышала среднемноголетний показатель, достигнув максимальных значений в период с 900 по 1050 год. Поэтому не случайно в исландских сагах говорится, что Эрик Рыжий возглавлял группу бесстрашных викингов, основавших поселение в Гренландии в 985 году нашей эры (дата подтверждена с точностью до нескольких десятилетий при помощи радиоуглеродного датирования артефактов, найденных на этом месте). Пятнадцать лет спустя его сын Лейф Эриксон (сын Эрика – так по сей день образуются исландские фамилии) исследовал побережье Северной Америки. В последующие десятилетия общая численность викингов в Гренландии достигла нескольких тысяч человек; они держали коров, овец и коз. В 1126 году была основана католическая епархия, и в конечном итоге на острове построили пять церквей.

Однако к 1200 году температура вернулась к среднемноголетнему уровню, упав на 0,6 °C, где она колебалась в течение двух столетий, после чего резко снизилась в 1400 году и достигла минимума на 0,5 °C ниже среднего к 1450 году. Последним письменным документом, найденным в Гренландии, была церковная запись о браке в 1408 году. Считается, что к 1450 году колония погибла (или покинула огромный остров), и несмотря на множество теорий, объясняющих ее упадок, вероятно, что ему в значительной степени способствовало снижение температуры. Каждое лето викингам требовалось заготовить достаточно сена, чтобы прокормить животных в суровые зимы, а в таком маргинальном климате даже изменение всего на один градус может означать разницу между достаточным запасом и голодной смертью.

Не случайно и то, что даже с учетом снижения технологического уровня и общих раздоров, охвативших Европу после падения Римской империи, в период с 1000 по 1300 год были построены великие готические соборы и прошло несколько крестовых походов. Благоприятный климат позволил выращивать высокие урожаи, люди смогли зарабатывать на жизнь не только земледелием, и тем самым возник избыток рабочей силы. В XVI–XVII веках температура по-прежнему падала, и точно так же не случайно и то, что многие жители Северной Европы решили предпринять опасное путешествие и начать жизнь с чистого листа в Новом Свете.

Более того, период с 1450-го по начало 1800-х годов называют Малым ледниковым периодом. Средние температуры были на 0,5–0,6 °C ниже среднемноголетнего уровня и полностью не восстановились до 1900 года. Хотя самый холодный период длился с 1500 по 1700 год, 1816-й тоже был аномально холодным, поскольку за год до этого случилось извержение вулкана, самое крупное почти за 800 лет. Индонезийский вулкан Тамбора выбросил в верхние слои атмосферы Земли слой отражающего вещества, закрыв солнечный свет, из-за чего температура упала, и максимальный уровень снижения достигал 1 °C. 6 июня в Нью-Йорке выпал снег, а позже в том же месяце в Нью-Джерси целую неделю стояли морозы. Неурожай в Европе, Северной Америке и Китае привел к резкому росту цен на продовольствие и к голоду.

Малый ледниковый период, а также температурный минимум в начале 1800-х годов совпали с периодами необычно низкой активности солнечных пятен. Здесь также стоит заметить, что через несколько десятилетий после того, как Галилей открыл темные пятна на поверхности Солнца, они практически исчезли почти на целое столетие. В главе 8 мы уже говорили о том, что менее активное Солнце чуть слабее защищает нас от космических лучей, воздействующих на атмосферу, и это, в свою очередь, влияет на образование радиоактивных изотопов. В частности, содержание относительно долгоживущего изотопа (по сравнению с 14C) Бериллия‐10 (10Be), упомянутого в главе 8, можно измерить как во льду, так и в глубоководных кернах. Его пиковые значения в три раза превышают среднее как в XVII веке, так и в первых десятилетиях XIX столетия, когда количество солнечных пятен находилось на самом низком уровне за последние 300 лет^16.

Хотя мы знаем, что Солнце примерно на 0,1 % тусклее, когда количество солнечных пятен достигает минимума за одиннадцатилетний солнечный цикл, эта перемена не столь велика, чтобы вызвать глобальное похолодание. Однако климатическая система – сложное явление, и петли обратной связи могут усилить даже небольшие изменения. Например, ультрафиолетовое излучение от активного Солнца может быть на 2–3 % выше (по сравнению с общим изменением интенсивности излучения всего на 0,1 %), а дополнительный озон в верхних слоях атмосферы (O_3), производимый этим усиленным ультрафиолетом, способен серьезно изменить характер атмосферной циркуляции и тем самым оказать влияние на климат.

Кроме того, деревья по всему миру помогают нам оценить влияние климата на историю неграмотных народов. Например, на юго-западе Америки соотношение изотопов в древесине позволило понять причину заброшенности жилищ на скалах Меса-Верде. Люди время от времени жили в этих краях, и первые селения возникли еще 10 000 лет назад. Но примерно с 1150 года нашей эры началось масштабное строительство города, руины которого мы видим сегодня, – в нем проживало более 20 000 человек. Как показывает летопись годичных колец, с 1276 по 1289 год нашей эры царила долгая засуха, и ближе к концу этого периода город был заброшен. Обширный город в каньоне Чако, расположенный в ста шестидесяти километрах к югу, с его пятиэтажными жилыми домами на 600 комнат и огромными церемониальными кивами, вмещающими сотни людей, был покинут за столетие до этого. Причиной тому тоже стала засуха, сильнейшая за последние 1200 лет. Она длилась несколько десятилетий, а самое засушливое время пришлось на 1146–1155 годы нашей эры^17. Обратите внимание на совпадение этих засух, оказавших решающее влияние на культуру, со Средневековым теплым периодом, о котором говорилось выше.

И в качестве последнего примера того, как получать данные о климате при помощи деревьев, мы упомянем интересную реконструкцию температуры в северной Финляндии, доходящую до 138 года до нашей эры. В ней наблюдается довольно явное понижение в среднем на 0,31 °C за тысячу лет – конечно, до тех пор, пока недавнее быстрое потепление, вызванное деятельностью человека, всего за четыре десятилетия не компенсировало эту тенденцию с избытком^18. В дальнейшем мы еще поговорим о том, что долгосрочные климатические сводки, полученные благодаря исследованию льдов Гренландии и Антарктики, позволяют предположить, что нас ждет резкое похолодание в течение следующих десяти тысячелетий. То, что вместо этого мы наблюдаем быстрое потепление, идущее с беспрецедентной скоростью, говорит о масштабах воздействия людей на планету.

Дендрохронология не только играет невероятно важную роль в точном измерении скорости образования 14C, благодаря чему значительно повышается точность радиоуглеродного датирования, но и непосредственно предоставляет данные о климате минувших эпох. Именно поэтому она и сумела обрести столь важную роль в воссоздании мировой истории на протяжении всего развития человеческой цивилизации.

Долгосрочные климатические влияния

Как однозначно показывают приведенные выше данные, деятельность человека существенно меняет температуру нашей планеты. Однако мы знаем, что в прошлом происходили гораздо большие колебания температуры. За последний миллиард лет мы видели и Землю-снежок, почти полностью покрытую льдом, и полностью тропическую Землю с пальмами, растущими в Гренландии. Очевидно, что природные силы тоже могут влиять на энергетический баланс Земли. Поэтому мы, прежде чем пойти дальше, рассмотрим основные причины изменения температуры за последний миллион лет до вмешательства человека.

Движением Земли в космосе управляет гравитационное влияние Солнца. Наша планета совершает полный оборот по своей слегка эллиптической орбите раз в 365,24255 дня. Но Земля и Солнце – не единственные тела в Солнечной системе. Земля испытывает взаимные притяжения и толчки со стороны Луны, Венеры, Юпитера и других планет, что становится причиной едва уловимых и приблизительно периодических изменений в форме ее орбиты, в наклоне оси вращения относительно плоскости этой орбиты и в ориентации ее оси в пространстве (см. рис. 11.2). Величину этих эффектов и их связь с климатом Земли впервые рассчитал сербский инженер, математик и астроном Милутин Миланкович.

За день Земля совершает оборот вокруг оси вращения, направленной в настоящее время на Полярную звезду, но эта ориентация мимолетна. В течение примерно 23 000 лет ось очерчивает круг на небе, подобно тому как колеблется ось волчка, прежде чем тот упадет. Этот динамический эффект называется прецессией. Это было бы ничем не примечательно (если только вы не астронавигатор), если бы орбита Земли не была эллиптической, из-за чего планета в течение года то приближается, то удаляется от Солнца. Времена года определяются тем, какое полушарие наклонено к Солнцу (см. рис. 11.2 а). И если Земля находится ближе к нему, когда к Солнцу наклонено Южное полушарие (как это происходит сегодня), то южные широты получают немного больше энергии, чем Северное полушарие спустя полгода, когда оно наклонено к Солнцу, но находится немного дальше. Учитывая период прецессии, эта ситуация изменится чуть более чем через 11 000 лет, когда Северное полушарие одновременно будет наклонено к Солнцу и ближе к нему в течение лета.

Рис. 11.2. (а) Прецессия равноденствий. Вращающаяся Земля притягивается гравитационным воздействием со стороны Луны, Солнца, Юпитера и других планет, так что ее ось вращения медленно меняет направление, в котором она указывает, точно так же, как вращающийся волчок раскачивается в ответ на гравитационное притяжение Земли. Совокупный эффект этой прецессии состоит в том, что расположение лета и зимы на орбите Земли меняется местами примерно за 11 000 лет, завершая один полный цикл за период от 19 000 до 23 000 лет. (б) Поскольку орбита Земли эллиптическая, прецессия либо усиливает, либо подавляет разницу в получаемом сезонном солнечном свете (подробности см. в тексте). (в) Два других орбитальных эффекта, составляющие циклы Миланковича. Величина наклона орбитальной оси Земли меняется от 22,1° до 24,5° и обратно за 41 000 лет. Более резкие наклоны приводят к более резким сезонным колебаниям. (г) Кроме того, форма орбиты Земли становится более (до 5,8 % отклонения круга) и менее (до 0,5 % отклонения от круга) эллиптической за период, охватывающий примерно 100 000 лет. При более эллиптической орбите возрастает варьирование солнечного света в зависимости от сезона (подробности см. в тексте)

С течением времени меняется не только направление земной оси под влиянием прецессии, но и величина наклона оси Земли. В настоящее время она находится на расстоянии 23,44° от перпендикуляра к плоскости орбиты Земли – Солнца. Наклон будет медленно уменьшаться до минимума в 22,1°, а затем снова постепенно возрастет и достигнет максимума в 24,5°, прежде чем вернуться к своему текущему значению. Интенсивность времен года зависит от величины наклона, поэтому этот процесс также может повлиять на долгосрочный климат. Один цикл от минимального наклона до максимального и обратно занимает 41 000 лет.

Наконец, меняется форма самой орбиты. Сегодня наша эллиптическая орбита на 1,67 % отличается от идеального круга. Даже это небольшое искажение уменьшается и достигнет минимума всего в 0,5 % от круга, а затем снова увеличится до максимального значения в 5,8 %. В этом верхнем пределе разница в количестве солнечной энергии, падающей на Землю между наименьшим расстоянием, на котором она оказывается при максимальном приближении к Солнцу, и наибольшим, которого она достигает шесть месяцев спустя, гораздо более значительна, чем сегодня (12 % против 3 %). Как мы увидим, это оказывает существенное влияние на температуру Земли. Время, необходимое для перехода от максимума к минимуму и обратно, составляет примерно 100 000 лет.

Температура и атмосфера за минувший миллион лет

Циклы, о которых мы говорили, измеряются десятками и сотнями тысяч лет, и понятно, что если мы хотим судить о климате и изучить климатическую историю Земли в долговременном плане, то нам нужны «посредники» с гораздо большей памятью, чем у деревьев. К счастью, такие посредники существуют в трехкилометровом слое гренландского льда и в еще более глубоком слое, укрывшем Антарктический континент. Эти ледники образовались из снега, который накапливался постепенно, год за годом, тысячелетие за тысячелетием. Он несет в себе изотопные характеристики океанской воды, из которой произошел, и тем самым позволяет напрямую измерить мировую температуру более чем за миллион лет.

Более того, крошечные пузырьки воздуха, замороженные во льду, позволяют нам понять, какой была земная атмосфера на момент их возникновения – как если бы у нас был дальновидный химик, который собирал бы ампулы с газом каждый год на протяжении тысячи тысячелетий, датировал их и оставлял бы для нас. Кроме того, лед фиксирует радиоактивные изотопы, возникшие под влиянием космических лучей, что позволяет нам оценить активность Солнца на протяжении периода, охват которого в сто раз превышает пределы летописи годичных колец. Тонкие отложения вулканической пыли от далеких извержений позволяют нам расширить хронику геологической истории нашей планеты, а грязь из таких далеких регионов, как пустыня Гоби, обнаруженная во льдах Гренландии, указывает на усиление и ослабление штормовых условий. Некоторые даже предполагали, что в ледяной летописи могут присутствовать изотопы от ближайших взорвавшихся звезд.

Чтобы прочесть эту историю, очень долгую и полную драматических событий, мы просто пробуриваем во льду вертикальную шахту и извлекаем керн диаметром около 10 см и длиной от одного до нескольких метров. Керны каталогизируются и часто временно хранятся в снежной пещере, вырытой недалеко от места бурения. В конце концов их перемещают в постоянное место хранения, например, в хранилище ледяных кернов Национального научного фонда в Лейквуде, штат Колорадо, где в помещении объемом 1560 кубических метров при температуре –36 °C содержится 17 километров льда. Именно сюда приезжают ученые со всего мира, чтобы извлечь образцы из ядер и изучить множество оберегаемых ими тайн.

Один из важных параметров, который нам удается узнать благодаря льду – история температуры на протяжении долгого времени. Как и при работе с деревьями, мы используем соотношения тяжелых и легких изотопов Кислорода и Водорода. Венский стандарт определяет начальное значение в океане, из которого вода испаряется, образуя облака. Как отмечалось выше, более тяжелому изотопу 18O немного сложнее освободиться от своих жидких соседей, поэтому в возникающих облаках соотношение 18O/16O примерно на 0,8–1,0 % ниже, чем в воде, из которой они появились. По мере того как облако дрейфует на север или юг и остывает, его водяной пар снова конденсируется в капли дождя. Более тяжелые и медленно движущиеся молекулы воды, содержащие 18O, уплотняются быстрее и выпадают раньше, в результате чего в облаках становится еще меньше тяжелого изотопа. К тому времени, когда они достигают Гренландии или Антарктиды, содержание 18O в выпадающем там снеге может быть на 5,0 % ниже.

Конечно, точные значения зависят от температуры: чем она выше, тем быстрее колеблются молекулы H_2 18O и тем легче им освободиться и взлететь. При ее повышении на каждые 1,5 °C содержание 18O увеличивается примерно на 1 миллионную долю, или на 0,05 % от обычного значения. Такое изменение легко измерить, поэтому мы можем восстановить среднюю температуру с точностью до доли градуса по всей длине керна, даже если он возник 800 000 лет тому назад, как керн с «Купола С», добытый в ходе Европейского проекта по отбору ледяного керна в Антарктиде (EPICA)19. Это соотношение в недавно образовавшемся льду на 3,4 % ниже стандартного, в то время как на пике последнего ледникового периода, который пришелся на время от 25 000 до 30 000 лет назад, оно было на 4,6 % ниже нормы^20. Это соответствует глобальному изменению температуры примерно на 10 °C. Величины для Гренландии и Антарктиды, хотя и получены в разных частях океана, прекрасно соответствуют друг другу; наибольшее расхождение составляет 0,05 %, а более типичное – менее 0,015 % (или 0,4 °C).

Еще один невероятно важный показатель, измеренный в ледяных кернах, – это состав атмосферы в захваченных воздушных пузырьках. Один пузырек диаметром 1 мм содержит около 10 000 триллионов молекул воздуха, поэтому даже следовые компоненты (например N_2O, содержание которого составляет 0,3 миллионной доли) будут представлены миллиардами молекул. Благодаря этому мы можем с высокой точностью измерить состав. Результаты поразительны. Например, уровень метана, сильнодействующего парникового газа, увеличивался и уменьшался каждые 100 000 лет синхронно с тем, как менялась форма орбиты Земли, и его доля варьировалась от 400 до 600 миллиардных долей. Но примерно в 1820 году его количество начало резко возрастать, и сегодня его концентрация составляет 1920 миллиардных долей – иными словами, она возросла на 380 %21. Картина с N_2O аналогична, хотя и с более скромным увеличением на 30 %.

Интереснее всего обстоит дело с CO_2. За последние 450 000 лет его минимальная концентрация на пике ледникового периода составляла 180 миллионных долей (и оставалась неизменной в течение последних четырех 100 000-летних циклов с точностью до 2 %). После достижения этого минимума наблюдается быстрый (по геологическим меркам) рост до 280 миллионных долей. Затем, в течение нескольких тысяч лет, он начинает снижаться к следующему минимуму, с рядом отклонений и колебаний. Однако примечателен тот факт, что, если мы поместим температуру, о которой могли судить по хронике изменений 18O, и концентрацию CO_2 на одном и том же графике, они почти идеально совпадут (см. рис. 11.3)22. В этих флуктуациях видна характерная «подпись» всех трех орбитальных циклов – прецессии через каждые 23 000 лет, изменения наклона оси по прошествии 41 000 лет и преобладающего изменения формы орбиты через каждые 100 000 лет.

Рис. 11.3. История климата Земли за последние 450 000 лет, поведанная антарктическими льдами. Левая ось и черная линия показывают изменение концентрации CO_2 в атмосфере. Концентрация CO^2 циклически меняется от 180 ppm до 280 ppm с периодом примерно 100 000 лет (толстые черные штрихи). Правая ось и серая линия показывают среднюю температуру, полученную на основе анализа соотношения 18O/16O. Степень, в которой совпадают значения температуры и концентрации CO_2, поразительна. На рисунке также указаны периоды, соответствующие двум другим циклам Миланковича (изменение наклона оси – 41 000 лет и прецессия – 23 000 лет), оба из которых также учтены в представленных данных. Обратите внимание, что последние 10 000 лет, в течение которых развивалась современная цивилизация, – это наиболее стабильный период за последние полмиллиона лет. Нынешняя концентрация CO_2 намного выше, чем была на протяжении миллионов лет

Единственное исключение из этой тесной корреляции, которое мы можем наблюдать, относится к нынешней эпохе. Концентрация CO_2 сегодня составляет 420 миллионных долей, что на 50 % превышает уровень, характерный для доиндустриальных межледниковых периодов, однако температура всего на 1 градус Цельсия выше. Мы уже знаем, откуда взялись все эти дополнительные молекулы, – но почему мы не видим повышения температуры на 10 °C, как предсказывает график на рисунке 11.3? В прошлом температура и содержание CO_2 так тесно коррелировали, что это убедительно свидетельствует о причинно-следственной связи. Почему у нас все еще не наступила невыносимая жара? Ответ кроется в том, что мировой океан способен поглощать огромную энергию.

Интенсивность, с которой Земля получает энергию от Солнца, – мы имеем в виду ее усредненное значение, не зависящее от времени суток, широты и сезона, – составляет 342 Вт/м^2 (это чуть меньше, чем шесть 60-ваттных лампочек, расположенных над каждым квадратным метром Земли). Как мы уже говорили, 31 % этой энергии отражается обратно в космос, оставляя 236 Вт/м^2 для нагрева планеты. Все парниковые газы, которые мы добавили в атмосферу за последние 250 лет, в конечном итоге увеличили это значение чуть более чем на 3 Вт/м^2; иными словами, покровный эффект излишка CO_2, CH_4 и других газов эквивалентен увеличению энергии Солнца на 1,25 %. Может показаться, что 3 Вт/м^2 – это не столь значительная величина, но если учесть всю поверхность Земли и суммировать итог за год, общая чистая энергия увеличится на 50 миллиардов триллионов джоулей (5 × 10^22 Дж). Поскольку для повышения температуры атмосферы на 1 градус требуется всего лишь 0,004 % этой энергии, почему вокруг так до сих пор и не стало теплее?

Теплоемкость воды в четыре раза больше, чем у воздуха. Если выразиться иначе, то для того, чтобы поднять температуру литра воды на 1 градус, требуется в четыре раза больше энергии, чем для такого же повышения температуры литра воздуха. А океаны содержат намного больше молекул, чем атмосфера, – примерно в 1 миллион раз больше, поэтому земная вода способна поглощать в 4 миллиона раз больше энергии. Конечно, она не может сделать этого мгновенно, потому что только верхние слои океана подвергаются непосредственному воздействию дополнительного тепла, производимого молекулярными покровами. Но, по оценкам, более 93 % дополнительного тепла, которое Земля получила за последние пятьдесят лет, было поглощено океаном^23. Более того, температура поверхности моря отражает это, поднявшись в среднем на 1,5 °C с 1900 года^24. Вода способна вбирать огромную энергию, и это объясняет, почему температура воздуха выросла всего на «скромный» 1 °C.

Однако потепление океана не обходится без последствий. Во-первых, поскольку все эти молекулы воды движутся быстрее, они занимают больше места. За последнее столетие уровень моря на наших глазах поднялся на 25 сантиметров, и половина этого повышения вызвана тепловым расширением нагревающейся воды. Потепление воды ускоряет и таяние океанского льда, уменьшая отражательную способность планеты и вызывая дальнейшее повышение температуры.

Этот тип взаимодействия, при котором результат влияет на первоначальную причину, называется петлей обратной связи. В нашем случае петля положительна: нагревающаяся вода растапливает больше льда, уменьшая отражательную способность и увеличивая поглощенное тепло, что приводит к большему нагреву воды и большему таянию льда; так следствие усиливает причину. Несмотря на все смысловые оттенки слова «положительный», такая обратная связь обычно плоха; это приводит к ситуации побега (как в «Ученике чародея»). Иногда следствие ослабляет причину, создавая петлю отрицательной обратной связи: потепление океанов ведет к большему испарению воды, из-за чего образуется больше облаков, а они отражают больше солнечного света, поэтому поглощается меньше энергии и океаны становятся холоднее. Петли отрицательной обратной связи стабильны: если подтолкнуть систему в одном направлении, то возникнет сопротивление, и результат будет обратным. Одна из принципиальных трудностей моделирования климата Земли кроется именно в том, что многие части системы связаны десятками петель отрицательной и положительной обратной связи.

Повышение температуры океана оказывает немало других влияний. Например, большая часть морской жизни очень чувствительна к температуре, и потепление океанов влечет самые разные последствия: от обесцвечивания (то есть гибели) коралловых рифов до вынужденной миграции омаров Новой Англии в воды Канады; с 1996 по 2014 год вылов омаров в штате Нью-Йорк и на юге Новой Англии сократился на 97,7 %25. Колебания температуры океана приводят к перезагрузке экологического равновесия, затрагивая все живое – от планктона, основы пищевой цепи, до синих китов, крупнейших существ, когда-либо живших на Земле, – а кроме того, влияют на модели миграции и, как мы увидим в главе 13, радикально изменяют глобальный характер циркуляции воды и воздуха, в значительной степени меняя сам климат как таковой.

Погода и климат

Если говорить о влиянии людей на нашу атмосферу, то важно различать погоду и климат. Погода подразумевает изменения местных атмосферных условий в масштабах от минут до лет. В нее входят такие явления, как бури, теплые фронты, засухи и похолодания. Если вы задумываетесь о том, не захватить ли вам сегодня на прогулку зонтик или не стоит ли купить более теплую парку на предстоящую зиму, то вы принимаете решения, основываясь на погоде.

Климат предполагает глобальные изменения, происходящие во временных масштабах от десятилетий до тысячелетий и более. Ледниковые периоды, средневековый теплый период и нынешний сорокапятилетний период постоянно возрастающих температур – это изменения климата. Решения о покупке дома на берегу моря или сельскохозяйственных угодий в Канаде – это те решения, в основе которых должно лежать знание климатических тенденций (автор определенно избегает первого и подумывает о втором).

Связывать какой-либо конкретный ураган, снежную бурю или сезонную засуху непосредственно с переменой климата, как правило, неразумно. Долговременные изменения, безусловно, влияют на погодные условия, повышая вероятность экстремальной жары и дождей, но утверждение: «Как же жарко, черт побери, – наверное, из-за глобального потепления» не согласуется с точными определениями погоды и климата. К тому же «глобальное потепление» не означает конец холодных зим и метелей, несмотря на «снежок» сенатора Инхофа в зале сената^26. Более того, глобальные климатические модели предсказывают, что по мере нагревания планеты погода в средних широтах будет становиться все более холодной и штормовой. Недавно мы смогли показать прямую связь между глобальным потеплением и зимней метелью в Европе, в чем нам очень помогли наши друзья-изотопы.

В конце февраля и начале марта 2018 года Европа страдала от сильных снежных бурь, нарушивших жизнь на всем континенте. Они достигли даже Рима, и город был укрыт белым одеялом – второй раз за тридцать пять лет. Геохимик Ханна Бейли из Университета Оулу в Финляндии и ее коллеги^27 проанализировали изотопный состав снега и водяного пара в воздухе, сдуваемом с Баренцева моря к северу от Финляндии. В обоих случаях наблюдалось поразительное изменение соотношения 2H к 18O на 1,6 % за один день (19 февраля), за которым последовал рост до 3,1 % примерно через месяц. Поскольку у 18O есть два дополнительных нейтрона, а у 2H – только один,2H_2^16O испаряется легче, чем 1H_2^18O (хотя оба – медленнее, чем^1H_2^16O). Это позволило исследователям заключить, что по меньшей мере 88 % снегопадов в Европе произошло из-за испарившейся воды Баренцева моря, а само ее испарение стало возможным только из-за резкого сокращения морского ледяного покрова – это прямое следствие глобального потепления. Ученым удалось показать, что неуклонное сокращение морского ледяного покрова в регионе (потеря льда на 60 % за предыдущие сорок лет) непосредственно повлекло устойчивое увеличение максимума снегопадов в марте по всей Европе, и они предсказывают, что через пятьдесят лет, когда Баренцево море будет свободным ото льда, сильные зимние снегопады по всей Европе будут нормой – да, сенатор Инхоф, в условиях стабильно теплеющего мира.

Вулканы, солнечные бури и взрывные звезды

Историки-атомы, добытые в ледяных кернах, позволяют нам воссоздать историю климата Земли на протяжении миллиона лет. Они повествуют о естественных колебаниях глобальной температуры до 12 °C, вызванных изменениями орбиты Земли и усиленных переменами в составе атмосферы, а также о многочисленных петлях обратной связи, которыми сопровождаются эти явления. Более того, они раскрывают беспрецедентное и стремительное воздействие обширного геохимического эксперимента, который человеческая деятельность оказывает на атмосферу в наши дни, и позволяют нам проверить наши модели и понять, какое влияние этот эксперимент окажет на будущее планеты.

Снег – не единственное, что выпадает на ледяные шапки. Пыль, поднятая ураганами в пустыне, может оставаться в воздухе неделями и преодолевать тысячи километров, прежде чем «выпадет» из атмосферы (например, пыль из Сахары нередко достигает Флориды). Точно так же соль из океанских брызг во время штормов попадает в воздух и оседает на льду. Вулканы, способные извергнуться, могут выбросить более четверти триллиона тонн газов, камней, пепла и стеклянных осколков в стратосферу, на высоту в 30 километров над землей, где те дрейфуют по всему земному шару и выпадают через несколько лет. Кроме того, вулканы часто выделяют много сернистых газов (в первую очередь SO_2), которые, достигая стратосферы, вступают в реакцию с водой с образованием H_2SO_4 (серной кислоты), а она, в свою очередь, конденсируется в блестящие капли, отражающие солнечный свет обратно в космос, прежде чем он сможет согреть Землю. В конце концов вещество оседает на землю, оставляя на льду слой серосодержащих соединений. (Под воздействием ультрафиолетового излучения, изобильного в нижних слоях стратосферы, над озоновым слоем, серная кислота окисляется и превращается в сульфат – SO_4.) И, наконец, радиоактивные изотопы, возникшие под воздействием космических лучей, такие как 10Be и 14C, и даже более редкие изотопы, созданные взорвавшимися звездами, тоже оседают на лед, чтобы когда-нибудь поведать свои истории.

Поучительный пример обращения к ряду «посредников» для уточнения наших исторических реконструкций – работа М. Сигла и его соавторов^28. Они использовали оценки летних температур по древесным кольцам, в которых измерялось соотношение 18O; отслеживали в ледяных кернах с обоих полюсов содержание сульфатов (SO_4), рожденных в извержении вулканов; сравнивали концентрацию изотопа 10Be во льду и концентрацию 14C в деревьях – и оказалось, что с 1250 года нашей эры деревья свидетельствовали о снижении температуры по прошествии одного-двух лет с момента крупных извержений (мы проводили такие измерения непосредственно после извержения Пинатубо в 1991 году). Но для предшествующих 2000 лет между датой извержения (измеряемой по льду) и охлаждением Земли (измеряемому по деревьям) наличествовал семилетний интервал, а кроме того, наблюдалось семилетнее смещение между двумя выбросами 10Be в 775 и 987 годах нашей эры и аналогичным резким повышением содержания 14C в летописи годичных колец (заметное по всему миру в 782 и 994 годах нашей эры соответственно). Так мы получили убедительные доказательства того, что в ледяную хронологию закралась ошибка протяженностью в семь лет, причем случилось это примерно 800 лет тому назад.

Новая последовательность датировок допускает в летописях ледяных кернов намного меньшую погрешность, составляющую всего год или два, причем она охватывает время вплоть до 2500 лет назад. За этот период было зафиксировано 283 отдельных вулканических явления, достаточно крупных, чтобы оставить свой след в Гренландии и/или Антарктиде. Примерную широту извержений можно определить по относительной силе сульфатных следов на двух полюсах. И хотя только восемьдесят одно извержение (29 %) считается произошедшим в тропиках, на них приходится почти две трети общего воздействия на климат за последние 2500 лет. Пять из этих извержений – в 426, 44 годах до нашей эры, 536, 1257 и 1458 годах нашей эры – оставили более сильный сульфатный след, чем индонезийское извержение Тамборы в 1815 году, повлекшее год без лета. События 426 года до нашей эры и 1257 года нашей эры произвели почти вдвое больший эффект, чем Тамбора, что предполагает выброс примерно 40 кубических километров вещества.

Событие 1257 года недавно было отождествлено с вулканом Самалас, также находящимся в Индонезии. Свидетельства, написанные на древнеяванском языке на пальмовых листьях, повествуют о разрушительном извержении вулкана, произошедшем еще до того, как завершился XIII век. Радиоуглеродное датирование показало, что древесина, найденная у подножия в наносных породах на острове Ломбок, примерно в 160 км к востоку от Бали, где расположен вулкан, соответствует извержению 1257 года. Кроме того, осколки стекла, образовавшиеся в результате взрывных извержений вулканов, найдены как на острове, так и в ледяных шапках на расстоянии 10 000 км. В них наблюдается одинаковое содержание SiO_2 (от 69 до 70 %) и Na_2O+K_2O (от 8,0 до 8,5 %), что подтверждает их происхождение из одного источника. Очевидно, что это извержение было событием мирового масштаба, и его воздействие на климат было очень значительным^29.

Оценки похолодания в Центральной и Северной Европе летом 1258 года составляют 1 °C (вспомним, что случилось с викингами при таком понижении температуры). В хрониках того времени 1258 год описан так:

Что же сказать о произрастаниях земли в тот год, когда погода была так поразительно несвоевременна, что солнечный жар, даже в малости, был не в силах достичь до земли, и плоды того лета едва могли поспеть, если вообще созревали. Столь непроницаемой была завеса туч, закрывших летнее небо, что никто не мог с уверенностью сказать, лето или осень сейчас на дворе. Сено, в том году неизменно мокрое из-за сильных ливней, никак не просыхало, поскольку не могло впитать тепло Солнца: столь плотным был облачный покров.

Ришар из Санса, 1267

Прекрасно задокументированный отчет о социальных потрясениях, вызванных погодой, среди которых упоминаются и гиперинфляция цен на еду, и голод, и болезни среди скота и людей по всей Европе и на Ближнем Востоке, и полное лунное затмение (возможное только тогда, когда в земной стратосфере находится толстый слой пыли), нам предоставил Ричард Стотерс^30.

Вулканическую летопись ледяных кернов можно расширить гораздо дальше во времени. А. В. Курбатов и его коллеги изучили хроники антарктических льдов, которым 12 000 лет, и выявили, что за период с 10 000 до 500 года до нашей эры произошло семьдесят два крупных извержения. Самое крупное одиночное извержение в этот период (насколько можно судить по концентрации SO_4 во льду) произошло 7881 год назад; разумеется, никаких письменных свидетельств о нем не сохранилось^31.

Стоит упомянуть и совпадение пиковых значений 10Be и 14C в 775 и 987 годах нашей эры, обнаруженных, соответственно, в ледяных кернах и годичных кольцах и использованных в исследовании Сигла^32 для точного определения календарного возраста ледяных кернов. Чем было вызвано внезапное увеличение количества космических лучей, из-за которого так быстро и резко ускорилось образование этих радиоактивных изотопов? Дальнейшее изучение ледовой летописи, проведенное Ф. Михальди и его помощниками, добавило к этой истории еще один изотоп, Хлор‐36 (36Cl), и предоставило убедительные доказательства для ответа^33. Как и 14C, 36Cl существует в соотношении примерно 1 к триллиону по сравнению с двумя своими стабильными изотопами, 35Cl и 37Cl (мы говорили о них в главе 5); кроме того, он формируется в атмосфере под влиянием космических лучей.

Исследователи обнаружили, что относительные количества трех изотопов соответствуют тому, чего следует ожидать от солнечных космических лучей. Однако они пришли к выводу, что масштаб солнечной вспышки, необходимой для столь значительного возрастания численности, должен был превосходить самую сильную солнечную бурю за всю историю наблюдений, – ей стало событие Кэррингтона 1 и 2 сентября 1859 года^34. Оно имело глобальные последствия: полярным сиянием можно было любоваться даже на юге Карибского бассейна, а в Новой Англии было так светло, что в полночь можно было читать на улице газету^35. Почти все телеграфные системы в мире вышли из строя из-за токов огромной силы, наведенных в магнитном поле Земли. Если бы столь грандиозное событие, не говоря уже о более масштабном, произошло бы в сегодняшнем мире, зависимом от спутников и электронных устройств, это стало бы катастрофой. По оценкам Лондонского Ллойда, ущерб от такого события составит от 0,6 до 2,6 триллиона долларов только для экономики США^36. Это тот случай, когда мы очень надеемся, что прошлое – это не анонс будущего.

И, наконец, пришло время кратко коснуться вопроса о еще более отдаленных событиях, повлиявших на летопись ледяных кернов. Взрывное разрушение звезды за считаные часы высвобождает больше энергии, чем Солнце способно произвести за все 10 миллиардов лет своей жизни (см. гл. 16). Поэтому даже несмотря на то, что самые близкие подобные события, зарегистрированные за последние 2000 лет, происходят в сотни миллионов раз дальше Солнца, их огромная энергия все равно может повлиять на Землю. В частности, всплеск рентгеновских лучей, падающий на верхние слои атмосферы, ионизирует большую часть Азота до N_2+, который, в свою очередь, соединяется с Кислородом в ряде этапов с образованием нитрат-ионов (NO_3—). За последние сорок лет звучали различные заявления о том, что во льду обнаружены выбросы NO_3, соответствующие звездным взрывам, которые произошли в 1006, 1054, 1572 и 1604 годах нашей эры – но нам так и не удалось найти убедительных доказательств их правоты ни в одном из независимых исследований ледяных кернов.

Поскольку во всей нашей Галактике каждое столетие взрывается лишь несколько звезд, ждать нам, скорее всего, придется долго – более миллиона лет, если судить по летописи ледяных кернов, – прежде чем ближайшее подобное событие действительно озарит небо. Однако недавно трое исследователей из Национальных институтов здравоохранения связали увеличение содержания редкого изотопа Железа‐60 (60Fe) в глубоководном керне с прохождением нашей планеты вблизи скопления звезд, которое могло вызвать несколько взрывов, случившихся примерно 2,5–3 миллиона лет назад. Ближайший такой взрыв был бы как минимум в тридцать раз ближе, чем те, о которых нам известно из исторических хроник, и воздействие на Землю было бы в 900 раз сильнее^37. Поскольку 60Fe – это радиоактивный изотоп, его период полураспада составляет 2,6 миллиона лет, и примерно половина частиц, полученных нами от этих взрывов, все еще сохранилась. На Земле нет источника этого изотопа – весь присутствующий в настоящее время 60Fe поступает в виде крошечной доли из примерно 10 000 тонн межпланетной и межзвездной пыли, которая ежегодно опускается на Землю^38.

И все же, благодаря титаническим усилиям, 60Fe недавно обнаружили в антарктическом снеге. Команда из Германии собрала 500 кг снега со своей антарктической исследовательской станции (всему ему менее двадцати лет) и перевезла его в замороженном виде в Мюнхен. Там ученые расплавили его, тщательно профильтровали, пропустили безводные компоненты через масс-спектрометр и обнаружили пять атомов 60Fe (из 50 000 триллионов триллионов атомов, составляющих исходный образец снега). Таким образом, скорость аккреции 60Fe составляет около трех атомов на квадратный фут (примерно 30 на 1 кв. м.) в день, или менее 0,6 миллиграмма (масса двух маковых семян) по всей Земле в год. Тщательно сравнивая количество 60Fe с другими изотопами, исследователи методично исключали образование частиц из метеоритного материала Солнечной системы, а также влияние ядерных испытаний и других антропогенных последствий – и наконец сделали вывод, что эти атомы рождены из межзвездного облака газа и пыли, через которое сейчас проходит Солнечная система. Они отмечают, что создание многолетней летописи, в которой фиксировалась бы концентрация 60Fe, позволило бы определить области космоса, через которые прошла Солнечная система, вращаясь вокруг центра Галактики^39.

Другие климатические «посредники»

Годичные кольца деревьев и ледяные керны – далеко не единственные источники сведений о климате далеких эпох. Годовыми слоями обладают и коралловые рифы – вот к кому прекрасно подходит фраза «ты есть то, что ты ешь»! В них остаются изотопные следы, свидетельствующие о температуре океана, об элементах, возникших под действием космических лучей, и о химическом составе воды, в которой они растут. Есть еще фораминиферы^40, одноклеточные организмы, заключенные в крошечные раковины из кальцита (CaCO_3). Их формы и размеры необычайно многообразны, а состав их популяций очень чувствителен к температуре и кислотности океана. Когда они умирают и падают на дно, то накапливаются слоями, как и лед, а керны, пробуренные и извлеченные со дна океана, предоставляют нам непрерывную летопись, в которой зафиксированы температура поверхности моря и химический состав океана. Черви и другие существа, обитающие в океанских глубинах, немного портят годовые слои, но радиоуглеродное датирование позволяет устанавливать точный возраст на протяжении по крайней мере 50 000 лет. Соотношение 18O/16O в раковинах повторяет картину, обратную тому же соотношению во льду, поскольку чем ниже температура, тем меньше тяжелого изотопа испаряется и тем больше его остается в океане, – иными словами, поэтому чем холоднее, тем больше 18O в раковинах и тем меньше 18O во льду^41.

Океанские керны могут раскрыть перед нами страницы исторической хроники в сто с лишним раз более долгой, чем самые глубокие ледяные керны. Недавно ученые из Японии извлекли из океана, с глубины почти в 6 км, образец керна длиной 75 метров, в котором содержалось вещество возрастом примерно в 100 миллионов лет. Они нашли в отложениях множество видов бактерий и, накормив их обедом, увидели, как те начали расти и делиться – конечно, это не совсем «Парк Юрского периода», но все-таки это живые существа из той же эпохи, ожившие в наше время^42.

Мы можем расширить климатическую летопись, хотя и гораздо более приближенно, до момента возникновения жизни на Земле, произошедшего 3,9 миллиарда лет назад (см. гл. 13). В истории Земли было много ледниковых периодов или, возможно, правильнее сказать, – ледниковых эр, перемежаемых долгими периодами, когда на планете вообще не было никакого льда. Антарктида покрылась льдом примерно 34 миллиона лет назад, хотя обширные ледники в Северном полушарии появились всего 3 миллиона лет назад. До образования нынешнего антарктического ледяного щита Земля была свободна ото льда на протяжении 200 с лишним миллионов лет. Одно из самых сильных оледенений произошло в период, охватывающий время от 720 до 635 миллионов лет назад, когда Земля превратилась в гигантский снежный ком, почти полностью покрытый льдом. За этим последовал теплый период, продолжавшийся почти 200 миллионов лет, – именно в нем, кстати, случился кембрийский взрыв (540 миллионов лет назад), после которого многоклеточная жизнь стала обычным явлением и впервые вышла на сушу. Эти длительные колебания климата были вызваны в первую очередь тектоникой плит – движением континентов, которые сталкивались и снова распадались, плавая в вязкой жидкой мантии Земли.

Как описано выше, действие орбитальных периодов Земли проявляется медленно, на временных масштабах от десятков до сотен тысяч лет. И для того, чтобы полностью осмыслить множество самых разных факторов, отвечающих за климат нашей планеты, и тем самым увериться в нашей способности предсказывать ее будущее, нам нужны еще более продолжительные климатические летописи. Наши атомные историки, найденные в годичных кольцах, ледяных кернах, коралловых рифах и океанских отложениях, дают нам заглянуть в хронику минувших времен, задолго до появления первых homo sapiens. Сам наш вид возник как сила природы, и наша совокупная деятельность меняет климат с беспрецедентной скоростью. И именно здесь важно подчеркнуть, насколько важна роль палеоклиматической летописи, которая позволяет нам оценить и, возможно, даже смягчить наше воздействие – и, таким образом, сделать наше собственное будущее не столь неопределенным.

Глава 12

Гибель динозавров: атомный взгляд

В главе 11 мы привлекли особое внимание к тому, что беспрецедентны не масштабы нынешних изменений температуры Земли, не протяженность ее ледниковых щитов и не химический состав ее атмосферы. Скорость, с которой происходят перемены, – вот что поражает и тревожит, ведь то, что прежде занимало десятки тысячелетий, теперь совершается за десятки лет. Однако даже это стремительное изменение не уникально в истории Земли. Впрочем, в последний раз, когда произошло нечто подобное, существа, преобладавшие на планете в то время, не просто обеспокоились – событие, о котором мы будем говорить, ознаменовало их гибель.

Шестьдесят шесть миллионов лет назад астероид диаметром 10 км упал недалеко от побережья полуострова Юкатан в Мексике. Последствия этого удара уничтожили 75 % жизни на суше и в океанах по всей планете – от диатомовых водорослей до динозавров. Как всегда, мы можем обратиться к нашим атомным историкам, чтобы точно датировать это событие и выявить, к чему оно привело, начиная с нескольких минут после столкновения и заканчивая последствиями, которые проявились лишь многие тысячелетия спустя.

История жизни на Земле

В 1860 году, через год после публикации книги Чарлза Дарвина «Происхождение видов», Джон Филлипс, профессор Оксфорда и президент Лондонского геологического общества, прославившийся тем, что представил первую геологическую хронологию, в которой соотносились окаменелости и слои горных пород, опубликовал книгу под названием «Жизнь на Земле: ее происхождение и преемственность» (Life on the Earth: Its Origin and Succession). Изучая морские окаменелости, он пришел к выводу, что в геологической летописи проходит граница между мезозойской и кайнозойской эрами, – между периодами, которые мы сегодня называем меловым и палеогеновым, – и показал, что несколько родов^1, которые были многочисленными до конца мезозойской эры, впоследствии полностью исчезли из летописи окаменелостей^2.

В последующее столетие количество и разнообразие окаменелостей, собранных по всему миру, быстро возрастало, и вскоре был признан тот факт, что часто целые семейства родственных видов, живших в одну эпоху, внезапно исчезали в следующую. Эти вымирания отмечали историю жизни с того самого момента, как 540 миллионов лет, после кембрийского взрыва, произошел расцвет многоклеточных организмов. Хотя о точном числе таких событий спорят по сей день, ученые согласны с тем, что пять из них можно квалифицировать как «массовые вымирания» – иными словами, такие этапы в истории жизни, когда по крайней мере половина всех существующих видов исчезает в геологический момент (длящийся менее нескольких миллионов лет). Эти катастрофы произошли примерно 445, 370, 250, 201 и 66 миллионов лет назад.

Потенциальные причины массового вымирания многочисленны и широко обсуждаются. В качестве причин называют как засвидетельствованные геологические события, происходившие на Земле, – плато-базальты (см. ниже), глобальное похолодание и потепление, резкие изменения уровня моря, вызванные ледниковыми периодами или тектоникой плит, а также инверсии геомагнитного поля (глава 8), – так и астрономические причины, такие как столкновение с астероидом или кометой и взрывы ближайших звезд. Третий комплекс вариантов предполагает перенаселение и чрезмерное потребление, устроенное каким-либо видом. Некоторые утверждают, что в настоящее время мы переживаем шестое массовое вымирание, вызванное одним из таких видов – а именно нами самими^3.

Самое недавнее вымирание (если исключить нынешнее) – это вымирание, впервые выявленное Филлипсом, которое, как мы теперь установили, произошло 66 миллионов лет назад (см. ниже). Оно привело к внезапному исчезновению всех нептичьих динозавров, властвовавших на планете более 200 миллионов лет, а вместе с ними пропали 75 % всех других видов растений и животных. В летописи окаменелостей эта точка названа границей мелового и палеогенового периодов (K-Pg), по названию двух геологических эпох, для которых она служит разделительной линией^4. Как и в случае с другими массовыми вымираниями, причина этой радикальной трансформации жизни на Земле остается предметом многочисленных споров. Но исследование, начатое в конце 1970-х годов молодым геологом из Беркли, привело к появлению поразительной гипотезы, получившей широкое признание в наши дни, после сорока лет сосредоточенных усилий. Она гласит, что динозавры погибли в результате удара астероида о Землю – и наши историки-атомы позволяют подробно воссоздать это космическое столкновение и его последствия.

Поиски виновника

В Периодической таблице химических элементов Осмий, Иридий и Платина занимают соответственно 76, 77 и 78-й номера. Это одни из самых тяжелых элементов со стабильными изотопами. Они редки во Вселенной (см. гл. 16), а на поверхности Земли встречаются еще реже, потому что, как и многие другие тяжелые элементы, опустились в ядро планеты во время расплавленной стадии ее формирования. Более того, считается, что источником значительной части этих элементов, обнаруженных сейчас на Земле, служит дождь из измельченного метеоритного материала – межпланетной пыли, который сбрасывает на поверхность Земли из космоса около 10 000 тонн в год.

Поскольку скорость накопления этой пыли в Солнечной системе считается очень стабильной, по содержанию редких металлов можно измерить скорость седиментации в кернах океанических отложений и в слоях горных пород, некогда скрытых в морских глубинах и с тех пор поднявшихся вверх, на землю. Эти элементы можно сравнить с постоянно тикающими часами. Если скорость седиментации высока и на дно океана за короткое время опускается много отложений, эти тяжелые элементы распределятся по слою породы неплотно, потому что у них не будет времени для накопления. Когда же скорость седиментации низкая, их концентрация будет выше, поскольку за тот же период накопится меньше океанического мусора. Уолтер Альварес проявил интерес к тому, может ли это явление послужить в качестве часов для изучения эпохи на границе K-Pg.

В Апеннинских горах, примерно в 160 километрах к северу от Рима, недалеко от города Губбио, есть обнажение слоистого известняка. Раньше он находился на дне океана, но выдвинулся на сушу, когда африканский континент, движущийся на север, столкнулся с европейским. В этих породах содержатся сведения о накоплении отложений на морском дне за период, охвативший время от 185 до 30 миллионов лет назад. Внимательное изучение слоев, прилегающих к границе K-Pg, показывает, что и фораминиферы (одноклеточный планктон, заключенный в крошечные раковины), и их собратья-кокколиты, подобные растениям, претерпевают полную популяционную метаморфозу в пределах сантиметра или двух от пограничного слоя; практически все виды, обнаруженные ниже границы, внезапно исчезают, а выше этой линии их заменяют уже другие виды. Сама граница отмечена слоем глины толщиной в сантиметр. Альварес заинтересовался скоростью седиментации в слое глины (которая, как известно, варьируется от 0,01 до 3 миллиметров в столетие). Была ли скорость на этой резкой границе выше или ниже, чем в соседних слоях породы?

Он извлек образцы горных пород чуть выше и чуть ниже пограничного слоя, а также семь образцов со всей длинной (325-метровой) летописи мелового периода и два из глиняного слоя. Образцы подверглись нейтронно-активационному анализу – да, точно так же, как картины, о которых мы рассказывали в главе 7: их облучали нейтронами, чтобы вызвать образование радиоактивных изотопов и измерить испускаемые гамма-лучи, энергия которых позволяла связать изотопы с конкретными элементами. Всего было исследовано двадцать восемь различных элементов – от обычных, таких как Алюминий и Железо, до редких, таких как Лютеций и Тантал. И хотя двадцать семь элементов на протяжении всей долгой истории породы менялись медленно и параллельно – в том числе в пограничном слое, – один из них выбивался из колеи.

Исключением был Иридий. В большинстве слоев горных пород, взятых как образец, его концентрация составляла около 0,3 миллиардной доли. Это сопоставимо с тем, что удалось обнаружить другим исследователям в иных осадочных породах, и просто служит отражением того факта, что из космоса непрерывно изливается материал, богатый Иридием. А вот в пограничном слое глины это значение составило 9,1 миллиардной доли, иными словами, увеличилось в 30 раз (3000 %)! Ни у одного из остальных двадцати семи элементов количество не изменилось даже в 2 раза! На высоте 10 см над пограничным слоем уровень Иридия упал в 10 раз, а на 1 метр выше границы уровни вернулись к норме.

Чтобы проверить, не вызвана ли эта аномалия каким-то странным локальным процессом, Альварес и его команда проанализировали тот же слой, залегавший на границе K-Pg, в образцах из обнажения в Дании, в 1600 километрах к северу. Эти осадочные слои залегали в значительно более мелких водах, поэтому несколько отличались по составу от пород Губбио, но слой глины на границе снова был чистым. При этом фоновый уровень Иридия вдали от границы показал содержание, равное 0,26 миллиардной доли, а на самой границе концентрация подскочила на 16 000 %! Представьте, что вместо маленького стакана воды, который вы ожидаете найти, вам в руки падает 40-литровая канистра – вот примерно такое сравнение будет в данном случае подходящим. В своей статье 5 Альварес также приводит неопубликованный результат исследований, согласно которому в образце из Новой Зеландии, расположенной на другом конце света, обнаружено аналогичное резкое увеличение содержания Иридия прямо на границе K-Pg.

После того как были рассмотрены все возможные источники этой поразительной аномалии, напрашивался только один вывод: по всей видимости, произошло не внезапное изменение скорости седиментации, а внезапное изменение скорости аккреции – иными словами, весь этот лишний Иридий пришел из космоса. Принимая во внимание то, что только в этом слое Иридий был распространен по всему миру, и то, что его концентрация, измеренная в упавших на Землю метеорах, составляла примерно 500 миллиардных долей, исследователи сочли, что прилетевший «виновник» должен был иметь диаметр около 7 км и массу около 300 миллиардов тонн. Зная стандартную относительную скорость между Землей и любым приближающимся астероидом, легко вычислить кинетическую энергию такого столкновения: она составит примерно 100 миллиардов триллионов джоулей, что в 10–20 миллиардов раз больше энергии атомной бомбы, уничтожившей Хиросиму в конце Второй мировой войны. Такое событие, безусловно, должно было отразиться на всем мире, и история о том, как в течение нескольких недель после удара погибла значительная часть всех живых существ на Земле, звучала вполне правдоподобно.

Впрочем, эта гипотеза гибели динозавров все же была спорной. Более того, первым автором статьи, в которой сообщалось об этих результатах, был не Уолтер Альварес, а его отец Луис Альварес, недавно получивший Нобелевскую премию по физике (и проделавший большую работу по опознанию Иридия). Интересно, насколько легко было бы опубликовать статью, если бы не репутация первого автора? Я хорошо помню коллоквиум, на котором мы говорили об этой гипотезе. Луис Альварес провел его осенью 1980 года на физическом факультете Колумбийского университета. Нобелевские лауреаты нашего факультета (все трое) сидели, как обычно, в первом ряду. Вопросы были резкими и агрессивными, и в конце выступления многие из моих коллег вышли, качая головами и как бы говоря: «Разве не печально, как великие умы угасают с возрастом?» (Луису тогда было всего семьдесят.) Мне же, напротив, показалось, что метеорная гипотеза звучит великолепно!

За последние сорок лет доказательств, подтверждавших правоту этой гипотезы, становилось все больше, и наконец их количество стало ошеломляющим. Ее главный конкурент – гипотеза о массивных извержениях вулканов, которые происходили на протяжении миллионов лет и привели к образованию платобазальтов – траппов плато Декан, расположенных на западной окраине Индии. Возможно, извержения действительно оказали долгосрочное воздействие на климат, учитывая большие выбросы CO_2, которые, судя по всему, должны были сопровождать такой выброс лавовых потоков, но в том, что смертельным ударом для динозавров стал именно астероид, нет никаких сомнений.

Место столкновения

Когда Альварес и его коллеги выдвинули гипотезу о столкновении, отсутствовало одно важное доказательство: кратер. Астероид размером около 10 км, ударившийся о Землю с ожидаемой скоростью, должен был оставить кратер глубиной не менее 20–30 км и шириной более 160 км. Небесные тела Солнечной системы, лишенные атмосферы и жидкой воды, такие как Луна, Меркурий, Марс и спутники внешних планет, имеют множество кратеров такого размера и даже более широких и глубоких. Но из-за непрестанных эрозионных воздействий воды и ветра – не говоря уже о медленном смещении тектонических плит – кратеры на поверхности Земли остаются незаметными на протяжении очень долгого времени (с геологической точки зрения). Знаменитый ударный кратер к востоку от Флагстаффа, штат Аризона, диаметром менее полутора километров и глубиной 180 м, как полагают, был образован космическим булыжником диаметром около 30 м. Ему примерно 50 000 лет, не больше. Поскольку эрозия и дрейф континентов играли свою роль в тысячу с лишним раз дольше, считалось, что даже гораздо больший кратер, ожидаемый от астероида-убийцы, вряд ли получится найти.

Однако за два года до того, как Уолтер Альварес открыл аномалию Иридия, несколько инженеров, работающих в мексиканской национальной нефтяной компании Pemex, сопоставили карту аномалий магнитного поля, составленную ими в ходе полетов над полуостровом Юкатан, с данными о гравитационных аномалиях^6, собранными десятилетиями ранее, и обнаружили, что оба набора данных «очерчивают» идеальный круг – кольцевую структуру диаметром 180 км с центром недалеко от северного побережья Юкатана. Поскольку данные исследования были запатентованы, результат не был опубликован в научной литературе, и потребовалось еще десять лет, прежде чем свидетельства, собранные со всего Карибского бассейна, и керны, пробуренные в скалах Юкатана, позволили однозначно назвать кратер Чикшулуб^7 местом рокового события.

Так мы определили, «где» все произошло, но «когда» и «что именно» случилось, еще только предстояло установить. Четыре десятилетия и сотни научных исследований, проведенных в разных точках мира, воссоздали тот судьбоносный день с поразительной точностью.

Датирование события

Дату удара устанавливали при помощи нескольких методов. Один из старейших методов геологического датирования предполагает сравнение пары соотношений изотопов Урана и Свинца. Другие требуют измерять Калий и Аргон, а также Рубидий и Стронций. В каждом случае долгоживущий радиоактивный изотоп распадается на материнское и стабильное дочернее ядро – так называемое радиогенное ядро – и относительное количество каждого из них в образце показывает возраст.

Цирконы – это минералы, содержащие 40-й элемент, Цирконий. Их структура выражается формулой ZrSiO_4. Цирконы образуются при высоких температурах в процессе вулканической активности или ударных столкновений. Они необычайно стабильны, а их размеры варьируются от долей миллиметра до сантиметра и более. Важная особенность кристаллизации этих минералов состоит в том, что они легко встраивают в свою кристаллическую структуру атомы Урана, но категорически не приемлют Свинец. А два природных изотопа Урана, 238U и 235U, в ходе многоступенчатых процессов альфа- и бета-распада превращаются в 206Pb и 207Pb соответственно (в последнем случае оба изотопа стабильны).

Рис. 12.1. Конкордия Урана и Свинца. Кривая линия представляет возраст отношений Pb/U, рассчитанный на основе соответствующих периодов полураспада двух изотопов Урана. Прямая линия соответствует точкам измеренных данных для наблюдаемых соотношений, указывая на то, что различные количества радиогенного Свинца утекли из измеренных образцов. Пересечение двух линий отмечает точку отсутствия потери Свинца и, следовательно, реальный возраст

Измерив отношения 235U/207Pb и 238U/206Pb и отобразив их на горизонтальной и вертикальной осях графика, можно получить так называемую конкордию, или кривую времени. Поскольку нам известны периоды полураспада 238U (4,47 миллиарда лет) и 235U (710 миллионов лет), эти соотношения дают уникальный возраст. Например, если взять образец возрастом ровно 1 миллиард лет и начать с 1,0 грамма каждого изотопа Урана (в природе столько не найти, но в целях иллюстрации полезно), можно ожидать, что в образце все еще будет присутствовать (½)1/4,47 238U, или 0,857 г, а вместе с этим накопится 0,143 г 206Pb, поэтому соотношение 206Pb/238U составит 0,167. Если бы мы измеряли 235U с его более коротким периодом полураспада, то осталось бы (½)1/0,710, или всего 0,377 г, поэтому ожидаемое соотношение составит 1,65 (см. рис. 12.1).

Если часть Свинца со временем вытечет из образца, на конкордии, вопреки ожиданиям, это соотношение не отразится. Поскольку оба изотопа Свинца будут вытекать с одинаковой скоростью (здесь нет химической дискриминации), оба соотношения уменьшатся – количество Свинца будет ниже, чем ожидалось, но количество Урана останется неизменным. Поскольку 238U распадается медленнее, недостающий 206Pb даст более значительный дробный эффект, и измеренные значения окажутся еще ниже конкордии. Для различных образцов циркона, потерявших разное количество Свинца, на одной диаграмме можно построить линию «дискордии», или «несогласованности». Верхняя точка пересечения двух линий позволит оценить истинный возраст выборки.

Всего через несколько лет после открытия кратера Чикшулуб Т. Крог, С. Камо и Б. Бохор^8 при помощи уран-свинцового метода измерили возраст кристаллов циркона, обнаруженных в пограничном слое K-Pg в Колорадо. У этих кристаллов просматривались серьезные деформации, вызванные ударными волнами. Их возраст был установлен на отметке 65,5 ± 3,0 млн лет, что соответствует более ранним оценкам, полученным при помощи калий-аргонового (см. ниже) и рубидий-стронциевого методов (см. гл. 14). Кроме того, исследователи выяснили, что первоначальное образование этих кристаллов циркона, возникших в результате столкновения на глубине около 30 км в земной коре, произошло 545 млн лет назад. Построив дискордию, ученые пришли к выводу, что во время выброса этих цирконов утекло некоторое количество Свинца, и предположили, что эта потеря была связана с нагревом кристаллов в облаке пламени, которое сопровождало удар, а потом подняло их на большую высоту, прежде чем в конечном итоге отбросить на тысячи километров.

Другой давний и в конечном счете более точный метод радиоактивного датирования основан на распаде Калия. Калий (символ элемента K) имеет два стабильных изотопа (39K и 41K) и один радиоактивный изотоп природного происхождения 40K с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет. У него существует две формы распада: обратный бета-распад и распад с захватом электрона (см. гл. 6):

40K → 40Ca + e+ + ve (89 %),

а также:

40K + e– → 40Ar + ve (11 %).

Аргон – один из благородных газов. Он не вступает ни в какие химические реакции и при земных температурах всегда находится в газообразном состоянии. Когда горная порода либо пребывает в форме горячей лавы, извергаемой из вулкана, либо оказывается расплавленной от жара, рожденного столкновением, газ, прежде захваченный в породе, может свободно улетучиться. Но по мере того, как порода затвердевает и блокирует все свои атомы, каждый захват электронов, производимый изотопом 40K, приводит к тому, что одинокий атом газообразного Аргона попадает в клетку, выстроенную из окружающих молекул горной породы. В сущности, это позволяет нам применить простой метод «накопительных часов», описанный в главе 6. Простой подсчет количества атомов 40K и 40Ar и установление соотношения позволяет нам определить уникальную точку на кривой распада материнских ядер и накопления дочерних (см. рис. 6.6) и непосредственно установить возраст. Однако на практике это предполагает некоторые допущения и большую осторожность при проведении измерений.

Во-первых, как отмечалось в главе 11, Аргон – это третий по распространенности элемент в атмосфере Земли, и мы должны предположить, что в минерал, когда тот охлаждается из жидкого состояния в твердое, не проникает воздух; в противном случае начальное содержание 40Ar не было бы нулевым, как того требует метод «накопительных часов»9. Более того, нужно тщательно выбирать исследуемый кристалл, следя за тем, чтобы в нем не было никаких трещин, через которые может вытечь радиогенный Аргон. Здесь не обойтись без тщательной обработки, при которой породу измельчают, после чего вручную отбирают отдельные кристаллы и осторожно их нагревают, чтобы удалить из воздуха любой поверхностный Аргон, а затем их помещают в вакуумную печь, куда добавляют точно известное количество 38Ar – и расплавляют образец, чтобы высвободить все захваченные газы (H_2O, CO_2, Ar и др.). Посторонние газы вымораживают жидким Азотом, а оставшийся Аргон направляют в масс-спектрометр, разделяющий изотопы. Любой присутствующий 36Ar может поступать только из воздуха (где он составляет 0,334 % от общего количества Аргона), поэтому его содержание позволяет вычислить абсолютное значение для поправки на воздух и вычесть соответствующее количество каждого изотопа. Оставшееся количество 38Ar добавляется только для точности измерений, а отношение этого количества к 40Ar показывает, сколько радиогенных атомов присутствует в образце.

Недавно была разработана новая версия основного метода, которая несколько упрощает процесс и снижает погрешности измерений. В ее основе лежит то преимущество, что между Калием и Аргоном существует еще одна родственная связь через реакцию

39K + n → 39Ar.

В данном случае 39Ar претерпевает бета-распад и разрушается до 39К с периодом полураспада, составляющим всего 269 лет; даже в молодой породе возрастом 10 000 лет останется только один из 100 миллиардов атомов 39Ar, а у образца возрастом 66 миллионов лет оставшееся количество равно нулю. Метод предполагает, что кристалл сперва бомбардируют нейтронами для получения 39Ar, а затем измеряют относительные количества 36Ar, 38Ar, 39Ar и 40Ar, что позволяет одновременно оценить загрязнение воздуха и количество присутствующего в породе Калия и тем самым установить возраст.

А теперь поговорим о тектитах – стеклянных шариках размером от миллиметра до сантиметра, которые возникли в результате сильного нагрева, вызванного ударной волной после столкновения Земли с астероидом, и теперь разбросаны по всему Карибскому региону в слоях горных пород, связанных с границей K-Pg. При помощи калий-аргонового датирования коллекции тектитов с Гаити П. Ренн и его коллеги установили наиболее точную дату падения астероида Чикшулуб (66,038 ± 0,04 млн лет назад) с замечательной точностью 0,06 % (или всего 32 000 лет) – это сравнимо с тем, как если бы вы вспомнили, когда проснулись этим утром, с точностью до 20 секунд^10. Далее они сравнили эту дату с другими, рассчитанными на основе изучения бентонитов – кристаллов глинного минерала из Хеллс-Крик, штат Монтана, время появления которых совпадало со скачком Иридия на границе K-Pg, и установили возраст 66,043 ± 0,04 миллиона лет, что в полной мере соответствует данным, полученным при помощи тектитов, найденных в пяти тысячах километров от этого места. Дата вымирания динозавров – одна из наиболее точно известных во всей геологии.

Если это покажется вам недостаточно точным, у нас есть даже данные о месяце, когда произошел удар. Формация Типот-Рок в Вайоминге, известная благодаря одноименному скандалу в администрации Гардинга, содержит все геологические признаки – увеличенное количество Иридия; минералы, образовавшиеся при ударе; тектиты и так далее, – свойственные другим месторождениям, расположенным на границе K-Pg по всему миру. Во время столкновения с астероидом эта территория была покрыта широким и мелким внутренним морем. Джек Вулф извлек окаменелые листья кувшинок из слоя отложений, совпадающего с границей K-Pg, и показал, что они имели искаженные, сломанные жилки – ему удалось воспроизвести этот эффект, поместив современные листья кувшинок в морозильную камеру. Вулф предположил, что к замерзанию растений привела «импактная зима» (см. ниже), которую вызвали обломки пород, заполонившие стратосферу в результате столкновения. Учитывая репродуктивную стадию, которой достигли различные виды водных растений, он пришел к выводу, что удар, должно быть, произошел в начале июня^11. Подробный отчет об этом роковом дне мы приведем чуть позже.

Стремительное изменение климата

В ходе масштабных извержений вулканов, произошедших трижды за последнее столетие (Агунг в 1963 году, Эль-Чичон в 1982-м и Пинатубо в 1991-м), в стратосферу проникало огромное количество выбросов, достигавших такой высоты, что они окружали земной шар и вызывали падение глобальной температуры с 0,10 до 0,25 °C в течение нескольких лет после каждого события. В каждом из этих взрывных извержений объемы выброса составили более 10 кубических километров (около 25 миллиардов тонн) вещества. В главе 11 мы говорили о том, что в исторические времена происходили еще более крупные извержения, – скажем, одно из таких случилось в 1257 году нашей эры. Оно имело место в Индонезии, и, по оценкам, объемы выбросов составили 40 кубических километров вещества, что вызвало коллапс сельского хозяйства следующим летом, поскольку солнце в небе так и не появилось. Как полагают, удар Чикшулуба был в 2500 раз сильнее – он произвел 100 000 кубических километров выбросов.

И кроме того, астероид попал в самое неудачное для динозавров место – в участок, богатый ангидритом (CaSO_4) и его водонасыщенной формой, которую мы называем гипсом. В результате в стратосферу поднялось примерно 300 миллиардов тонн серы, которая соединилась с водой, образовав серную кислоту H_2SO_4, и конденсировалась в крошечные капли с высокой отражающей способностью. В течение десятилетия или около того эти капли, в сочетании с огромным количеством пыли и сажи, уменьшили количество солнечного света, достигавшего поверхности Земли, на 80–90 %. Фотосинтез практически прекратился, а температура воздуха резко упала. Однако большая теплоемкость глубоких океанов могла противостоять внезапным и сильным изменениям температуры. Океаны оставались теплее воздуха, что создало идеальные условия для формирования гигантских яростных штормов, а они, в свою очередь, еще дольше удерживали в воздухе частицы пыли.

Хотя резкое вымирание морских видов на границе K-Pg – это явный признак внезапных драматических изменений, после него все ископаемые, такие как фораминиферы, при помощи которых мы измеряли температуру океана в главе 11, погибли и поэтому недоступны. Не так давно Дж. Веллекоп и его коллеги обошли это ограничение и получили прямые данные о температуре морской поверхности в горных породах долины реки Бразос, протекающей в Техасе, примерно в 1200 километрах от места удара^12. Им удалось извлечь липиды глицерол-диалкил-глицерол-тетраэфира (GDGT), производимые морскими организмами типа Thaumarchaeota. Эти организмы входят в царство архей – одноклеточных существ, не имеющих ядра и представляющих собой одну из трех основных ветвей жизни на Земле. Сложные органические жирные кислоты, которые производят Thaumarchaeota, образуют клеточные мембраны архей. Их молекулярная структура очень чувствительна к температуре окружающей среды – в течение нескольких часов они реагируют на любое изменение последней. Извлекая эти соединения из пограничного слоя K-Pg, исследователи обнаружили, что средняя температура поверхности моря внезапно падает с 30 °C до 23 °C в пределах 1 см отложения, а затем, примерно на 20 см выше пограничного слоя, возвращается к своему прежнему значению. Этот резкий температурный переход полностью соответствует «импактной зиме», вызванной падением астероида.

Достигнув уровня, характерного для нее перед столкновением, температура продолжает возрастать до 32,5 °C, затем останавливается на высоте 85 см выше границы в образце отложений, и снова снижается до 30 °C. Это также согласуется с одним из ожидаемых последствий. Когда огненное облако, возникшее при ударе, испарило большую часть Мексиканского залива, в атмосферу было выброшено огромное количество водяного пара, а также более 1 триллиона тонн CO_2 из кальцита (CaCO_3) и других минералов и углеводородов, составлявших значительную долю остальной части залива в том месте, где произошел удар. Внезапный выброс парниковых газов привел к наблюдаемому повышению температуры, которое, по всей видимости, сохранялось по крайней мере на протяжении тысячелетия. С конца XVIII столетия, когда началась эпоха промышленного развития, антропогенный выброс CO_2 в атмосферу достиг сопоставимого уровня (приблизительно 1 триллион тонн), а наблюдаемое повышение температуры на границе K-Pg аналогично тому, какое предсказывают современные климатические модели на конец нашего века.

87Sr/86Sr в морской воде

Еще один интересный признак столкновения астероида получен в результате анализа изотопов Стронция (38-й элемент), который имеет четыре стабильных изотопа: 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,86 %), 87Sr (7,00 %) и 88Sr (82,58 %). Содержание 87Sr на самом деле со временем растет (очень медленно), поскольку он возникает в результате бета-распада Рубидия‐87, период полураспада которого составляет 48,8 миллиарда лет. (Это означает, что с тех пор, как образовалась Земля – а это произошло 4,5 миллиарда лет назад, – распалось только 6,3 % 87Rb, поэтому, когда я говорю «медленно», я имею в виду «очень медленно».) Датирование при помощи рубидий-стронциевого метода сыграет важную роль в будущих главах, поэтому стоит уже сейчас потратить немного времени и изучить взаимосвязь этих двух изотопов. Для наших целей важно отметить, что Стронций находится непосредственно под Кальцием в Периодической таблице и, следовательно, химически подобен ему, благодаря чему становится прекрасным заменителем Кальция в маленьких раковинах фораминифер, состоящих из CaCO_3.

В веществе земной коры Стронций составляет около 370 миллионных долей (ppm), а 87Sr присутствует в концентрации 25,9 ppm (7 % от общего количества). Рубидий встречается реже, его концентрация достигает 90 ppm, а изотоп 87Rb сегодня составляет 27,83 % от общего количества; в ту эпоху, когда формировалась Земля – с учетом той части, которая к настоящему времени уже распалась, – на его долю приходилось 29,16 % из 91,62 ppm Рубидия, присутствующих в то время (единственный другой изотоп, 85Rb, стабилен, поэтому он не меняется со временем). Это означает, что распад 87Rb дает нам лишь 1,68 ppm современного 87Sr, и даже через миллион лет доля дополнительного изотопа 87Sr, который добавится в результате распада 87Rb, составит всего 0,00035 ppm – это совершенно ничтожная величина. Поэтому любое внезапное изменение соотношения 87Sr/86Sr должно иметь какую-то внешнюю причину.

В морской воде концентрация Стронция и Рубидия сильно отличается от тех, которые характерны для горных пород на суше: у Стронция она составляет 8,1 ppm, а у Рубидия – 0,12 ppm. Но океан очень большой, и если перевести эту долю в абсолютные величины, то окажется, что всего в нем 11 триллионов тонн Стронция и 0,77 триллиона тонн именно изотопа 87Sr. Поэтому для того, чтобы изменить общее соотношение 87Sr/86Sr, необходимо добавить огромную долю одного изотопа к другому. Сегодня соотношение 87Sr/86Sr в морской воде равно 0,7091, тогда как соотношение, поступившее в море в ходе эрозии наземных пород, приближается к 0,716. Таким образом, любое значительное увеличение соотношения 87Sr/86Sr в океанах предполагает невероятное усиление эрозии.

Именно об этом говорят некоторые исследователи, изучавшие соотношения изотопов Стронция на границе K-Pg. Анализ раковин фораминифер, найденных в слоях горных пород, показал, что содержание 87Sr/86Sr постепенно увеличивается – от 0,7077 за 10 миллионов лет до границы до 0,7078 на границе^13. Это объясняется последовательным возрастанием площади суши, происходившим в тот период под влиянием тектоники плит (больше земли – больше возможностей для эрозии горных пород). Ряд измерений проведен и на самой границе, и они не очень хорошо согласуются друг с другом, хотя все они, похоже, свидетельствуют о небольшом, но резком увеличении – оценки этого скачка варьируются от 0,0002^14 до лишь четверти этого числа. Но, опять же, если мы обратим внимание на цифры, упомянутые выше, то увидим, что даже меньшее изменение соотношения, равное 0,00005, требует добавления примерно 5 миллиардов тонн дополнительного 87Sr. Если учесть, сколь скромным оказалось возрастание 87Sr в наземных породах, которые, по всей видимости, стали источником этого избытка, то нам потребуется в общей сложности 65 миллиардов тонн Стронция из эродированных пород или 175 триллионов тонн горных пород в целом^15.

Создается впечатление, что эрозия была огромной и внезапной – но Земля велика. Континентальная кора имеет общую массу 2 × 10^22 кг, и наша величина – это лишь 0,001 % от общей массы (эквивалент – сантиметр на слое породы толщиной в полтора километра). Но что могло вызвать столь резкую перемену скорости эрозии? Очевидные виновники – это два последствия столкновения с астероидом.

Во-первых, ударная волна, прошедшая по всему миру, скорее всего, превратила большую часть N_2 в воздухе в азотную кислоту (HNO_3) – и ее стало примерно 60 миллиардов тонн. Выше мы уже говорили о том, что из-за большого скапливания ангидрита на месте столкновения в стратосферу попало огромное количество выбросов, в конечном итоге превратившихся в серную кислоту (H_2SO_4). Недавние извержения вулканов позволили нам установить, что эти кислоты порождают кислотные дожди, которые идут на протяжении нескольких лет, постепенно осаждаясь из атмосферы. По одной из оценок, на каждый квадратный метр Земли выпало несколько литров сильнокислых дождей, и этого хватит, чтобы увеличить скорость эрозии и объяснить резкий скачок соотношения 87Sr/86Sr.

Другие свидетельства удара

Катастрофический сценарий подтверждается и множеством других свидетельств. По всему Мексиканскому заливу вблизи пограничного слоя K-Pg залегает песчаник – сжатые слои песка, отложенные на территории, удаленной от моря. Их тщательное изучение показало, что в них, за исключением самого верхнего слоя, нет ни одного маленького червячного следа, повсеместного для всех отложений песчаника всех возрастов по всему миру. Это свидетельствует об очень быстром осаждение, чего и следовало ожидать от огромных цунами (высотой до полутора километров), вызванных столкновением Земли и астероида. Кроме того, в данном случае мы зафиксировали еще и резкое повышение уровня Иридия в илистом слое прямо поверх песчаника. Это объясняется тем, что тяжелые крупицы песка оседали первыми, а уже вслед за ними шла мелкозернистая грязь и соединенное с ней измельченное в порошок вещество астероида^16.

Во многих местах мира, от Европы до Новой Зеландии, с глиной, отмечающей границу K-Pg, смешивается сажа от сгоревшего органического вещества. Венди Вольбах и ее коллеги оценивают общее количество сгоревшего Углерода в 70 миллиардов тонн, что сравнимо с 10 % всего растительного материала, присутствующего сегодня на Земле^17. Это свидетельство глобального лесного пожара подтверждается резким снижением доли 13C в морских раковинах по обе стороны границы. Напомним, что растения не столь охотно поглощают 13C при фотосинтезе, поэтому внезапный выброс CO_2 из сгорающих растений приведет к уменьшению содержания 13C в атмосфере и океане (примерно то же самое мы наблюдаем сегодня при сжигании ископаемого топлива). Кроме того, выше границы K-Pg неожиданно возрастает количество папоротниковых спор – это знак того, что на земле, где прекратился пожар, восстанавливается растительная жизнь (которая часто начинается с видов, подобных папоротникам).

Другие исследователи выступали против гипотезы о глобальном разрушении и считали, что сажа возникла в результате масштабных пожаров, вызванных сгоранием ископаемого Углерода (угля и нефти) на месте столкновения и рядом с ним (напомним, что именно здесь добывала нефть компания Pemex). Против представления о глобальных лесных пожарах приводился и еще один довод: предполагаемое отсутствие древесного угля в пограничных слоях. Тем не менее повторный анализ частиц древесного угля, присутствующих в слое, и детальное моделирование как изначального огненного облака (которое могло непосредственно воспламенить весь растительный материал в радиусе свыше 2400 км), так и падения обломков из верхних слоев атмосферы, способных вызвать пожары в любой точке мира, позволяет предположить, что, хотя планета и не сразу окуталась дымом, повсеместные пожары были обычным явлением^18. Более того, месяцы тьмы, наставшие после столкновения, по всей видимости, погубили большую часть флоры, сделав ее более уязвимой для лесных пожаров, вызванных ударами молний.

Недавно в Северной Дакоте был обнаружен богатый тайник окаменелостей, прямое свидетельство катастрофы, в мгновение ока уничтожившей жизнь. Исследователи описывают свою находку так: «Этот слой был переполнен спутанной массой пресноводных рыб, наземных позвоночных, деревьев, веток, бревен, морских аммонитов и других морских существ… У нас даже есть одна рыба, которая ударилась о дерево и разломилась пополам». Во внутренностях некоторых рыб оказались скрыты крошечные стеклянные шарики, выброшенные в результате удара и попавшие в жабры^19. Прямо над этими окаменелостями находится слой пыли, богатый Иридием. Авторы утверждают, что скопление окаменелостей было вызвано сейшей – похожей на цунами волной. Изучив окаменелые отложения и измерив современные сейши, причиной появления которых, как сегодня известно, становятся землетрясения, ученые подсчитали, что высота волны превышала 10 метров, и ее породило землетрясение магнитудой от 10 до 11,5 балла – проявление ударной волны от столкновения, которое случилось на расстоянии в 3000 километров, причем между самим событием и прибытием волны прошло от шести до тринадцати минут. Более крупные стеклянные шарики, образовавшиеся в результате удара, и другие обломки упали примерно через пятнадцать минут после столкновения, поэтому мы находим их выше слоя окаменелостей. Мелкая пыль, обогащенная Иридием, осела еще позже, о чем свидетельствует ее присутствие над веществом выброса. Эта находка позволяет нам ярко представить картину хаоса, последовавшего за этим взрывом мощностью во много миллионов мегатонн.

От случайного наблюдения резкой перемены в летописи морских окаменелостей в 1860 году (Филлипс) до геохимического исследования этой границы в 1980 году (Альварес и др.) и прямых записей хаотического разрушения в 2019 году (Де Пальма и др.20) перед нами раскрылась драма последнего массового вымирания. Наши историки-атомы позволили установить дату катастрофы, определить место разрушительного удара и восстановить последовательность событий – от нескольких минут после падения астероида до тысячелетия спустя, когда жизнь восстанавливалась на суше и в море. В этой жизни уже не было места динозаврам, правившим Землей в течение двухсот миллионов лет, и экологическая ниша опустела, благодаря чему смогли процветать маленькие пушистые млекопитающие, от которых 66 миллионов лет спустя произошел вид, сумевший воссоздать эту волнительную историю в мельчайших подробностях.

Глава 13

Эволюция: от метеоритов до цианобактерий

В главах 3 и 4 мы уже показали, что девяносто четыре элемента, обнаруживаемые нами на Земле, идентичны тем, которые встречаются во Вселенной. Все звезды, планеты и газопылевые облака состоят из одного и того же вещества, хотя и взятого в разных пропорциях. Если бы я сумел собрать хороший образец вещества со всей нашей Галактики, то оказалось бы, что из каждого миллиона атомов 923 346 приходится на Водород, 74 980 – на Гелий, 812 – на Кислород, 470 – на Углерод, а доля остальных девяноста элементов составила бы менее 100 миллионных долей (ppm), иными словами, менее 0,01 %. Причину столь радикальной асимметрии в распределении мы раскроем в главе 16.

В Солнечной системе баланс столь же значительно смещен в сторону двух легчайших элементов: доля H + He составляет 99,86 %, при этом содержание Кислорода и Углерода – соответственно 477 и 326 ppm; Азот (102) и Неон (100) едва перешагнули отметку в 100 ppm. Это неудивительно, поскольку наша Солнечная система сформировалась из исходного материала Галактики.

Однако на поверхности нашей планеты дела обстоят совершенно иначе. С нее улетучиваются почти все изначальные атомы Водорода и Гелия – самые легкие частицы движутся быстрее всего (см. гл. 3 и далее) и, в данном случае, достаточно быстро, чтобы покинуть Землю, если только Водород не связан с Кислородом в воде или с некоторыми другими атомами в газе или минерале. Поэтому Кислород – это наиболее распространенный элемент в земной коре (467 100 ppm), за ним следуют Кремний (276 900 ppm), Алюминий (80 700 ppm), Железо (50 500 ppm), Кальций (36 500 ppm), Натрий (27 500 ppm), Калий (25 800 ppm), Магний (20 800 ppm), Титан (6 200 ppm), Водород (1400 ppm) и Фосфор (1300 ppm), а все остальное составляет менее 1000 ppm (0,1 %). Обратите внимание, что Углерод, четвертый по распространенности элемент во Вселенной, присутствует в концентрации всего 900 ppm (0,09 %)1.

Поскольку 71 % Земли покрыт океаном, мы завершим перечисление, указав содержание элементов в морской воде: Водород (66 444 ppm), Кислород (32 945 ppm – примерно в соотношении 1:2 с Водородом, поскольку почти все их соединения представлены в виде H_2O), Хлор (3400 ppm), Натрий (2100 ppm – хлорид натрия, NaCl – одна из солей в соленой воде), Магний (330 ppm – MgCl – еще одна соль), Сера (170 ppm), и все остальное меньше 100 ppm, в том числе и Углерод, на долю которого приходится всего 19 ppm. Повторим, что Углерод, «строительный блок жизни», – это четвертый по распространенности элемент во Вселенной, но, к сожалению, на поверхности Земли он довольно истощен.

Химические предшественники

Помимо того что физика всех атомов – их массы, изотопы, энергетические уровни электронов и так далее – одинакова во всем космосе, идентична и их химия (притяжение и отталкивание других атомов, сила связей и тому подобное). В сущности, мы обнаружили более 200 молекул в межзвездном пространстве и во внешней атмосфере звезд, более холодных, чем Солнце, причем самые крупные молекулы содержат до семидесяти атомов. Все эти молекулы встречаются и на Земле^2. Большая их часть состоит из трех наиболее распространенных во Вселенной элементов, способных образовывать связи: это Водород, Кислород и Углерод. Более того, 75 % трех- и четырехатомных молекул содержат Углерод, как и почти все из восьмидесяти восьми более крупных молекул (кроме одной, исключение – SiH_4). Многие молекулы, странствующие в космосе, распространены и на Земле, в том числе вода (H_2O), формальдегид (H_2CO), аммиак (NH_3), этанол (CH_3CH_2OH), ацетон (C_2H_6CO) и мочевина (N_2H_4CO). Химически наша планета едина со Вселенной^3.

Но, несмотря на все эти атомные и молекулярные сходства, на Земле есть кое-что уникальное, по крайней мере на данный момент. На ней есть жизнь.

Если исходный материал, как и способы сочетаний, везде одинаковы, то в чем же нюанс? Почему наша бледно-голубая точка – единственное место, где зародилась жизнь?

Мы, конечно, не уверены в своей «неповторимости». В Солнечной системе есть несколько близких к нашей планете мест, где возможно возникновение жизни: недра Марса, теплые соленые океаны под ледяными шапками Европы, спутника Юпитера, и Энцелада, спутника Сатурна или озера жидкого метана на Титане. Ни одно из них нам так до сих пор и не удалось тщательно исследовать.

Прошло всего двадцать пять лет с тех пор, как мы обнаружили, что наша Солнечная система не уникальна. У большинства из сотен миллиардов звезд в нашей Галактике есть свои планетные системы. К моменту выхода этой книги в печать подтверждено существование более 5000 планет, и каждый день открываются новые. Иногда новые миры очень похожи на Землю по размеру и плотности, а некоторые из них находятся на таких расстояниях от своих материнских звезд, что на них, как ожидается, будут преобладать температуры, подобные земным. Нам даже удалось распознать в атмосферах некоторых из этих планет воду и углекислый газ, хотя подробно изучить их очень сложно: вести наблюдение за планетой земного типа, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, в окрестностях Солнца в сотне световых лет от нас – это как рассматривать лампочку на рождественской елке мощностью 0,5 Вт на фоне нью-йоркской Таймс-сквер, освещенность которой в двадцать раз больше, причем из Вашингтона, округ Колумбия. Найти микробов на такой планете мы сейчас не в силах, хотя, если их будет достаточно много, чтобы изменить состав атмосферы своей планеты, как это произошло на Земле, мы вполне можем совершить подобное открытие в ближайшее десятилетие.

Древнейшая жизнь

Впрочем, сейчас у нас только одна-единственная планета, на которой есть жизнь. Как быстро она возникла? И сколько времени потребовалось, чтобы появились существа, способные задать этот вопрос?

Как покажут наши атомные часы в главе 14, Земле 4,567 миллиарда лет. Из-за постоянного движения континентальных плит, которые сталкиваются, расходятся и меняют ландшафт, в наши дни на земной поверхности нет столь старых пород (по крайней мере среди обнаруженных – мы датируем образование Земли по возрасту метеоритов, о чем подробно рассказано в главе 15). Более того, самые древние кристаллы, найденные на Земле, – это цирконы (о них мы говорили в главе 12) из Западной Австралии. Как оказалось, возраст одного темно-фиолетового циркона диаметром всего 0,2 мм, установленный при помощи уран-свинцового датирования, составил 4,404 ± 0,008 миллиарда лет. Кроме того, в этом кристалле наблюдалось высокое соотношение 18O/16O, что позволило сделать вывод о наличии большого количества жидкой воды во время его формирования. Таким образом, менее чем через 170 миллионов лет после формирования планеты (на сегодняшний день это всего лишь 4 % ее жизни) у нас появились затвердевающая кора и океаны^4.

Эти крошечные кристаллы циркона пережили разрушение горных пород, в которых образовались. Древнейшие цельные породы континентальной коры были найдены около десяти лет назад в северной части Квебека в Канаде. Установить их возраст нам помогли два редкоземельных элемента: Самарий (Sm) и Неодим (Nd). Самарий, 62-й элемент, имеет пять стабильных изотопов и два очень долгоживущих радиоактивных изотопа: 147Sm (t½ = 105 миллиардов лет) и 148Sm, который живет в 75 000 раз дольше (пока что он практически неотличим от стабильного). 147Sm претерпевает альфа-распад до 143Nd. С момента возникновения Солнечной системы распалось лишь 2,9 % этого изотопа, но этого достаточно, чтобы увеличить количество 143Nd в метеорах, обнаруженных сегодня, по сравнению с более молодыми земными породами, в которых Самарий присутствовал не так долго и, таким образом, произвел меньше Неодима. Определять возраст горных пород нам помогают «изохроны» – немного сложная процедура, которую мы объясним в главе 14, когда будем говорить о рождении Солнечной системы. Но применение этого радиоактивного хронометра к обнажениям магматических пород на севере Квебека дает возраст от 4,3 до 4,4 миллиарда лет. Они лишь немного моложе австралийских цирконов, и это также доказывает, что Земля уже тогда – спустя всего лишь 0,2 миллиарда лет после своего образования – была похожа на себя нынешнюю^5.

Сколько времени потребовалось, чтобы появилась жизнь? Как и следовало ожидать, поиск древнейших свидетельств жизни порождает немало споров и конкурентных предположений. На момент выхода этой книги в печать самая старая из этих гипотез основана на анализе соотношения изотопов Углерода в графите, обнаруженном в старых горных породах на канадском острове Ньюфаундленд. Уран-свинцовое датирование цирконов в этом обнажении, трансформированном из осадочных пород, показывает, что их возраст составляет 3,95 миллиарда лет. Исследователи извлекли Углерод из карбонатных пород, а также из найденного в камнях графита, и обнаружили, что соотношение 13C/12C в карбонате более чем на 2,5 % превышает соотношение в графите (–0,26 % против –2,82 % по сравнению со стандартным значением). Как мы показали в главе 10, в ходе химического встраивания Углерода из окружающей среды в свои молекулы живые существа систематически отвергают более медленный и тяжелый изотоп 13C. Изучив все геологические процессы, затронувшие эти породы за почти 4 миллиарда лет, исследователи пришли к выводу, что графит, по всей видимости, произвели одноклеточные организмы, извлекавшие питательные вещества непосредственно из окружающей среды (так называемые автотрофы)6. Впрочем, с такой трактовкой согласны далеко не все.

Менее спорны свидетельства, полученные в ходе изучения строматолитов – слоистых пород, которые образованы фотосинтезирующими бактериями в виде больших матов, содержащих триллионы организмов. Считается, что именно цианобактерии ответственны за появление большей части Кислорода в атмосфере Земли (см. ниже). Они создают такие структуры в соленой среде и сегодня (например, в Большом Соленом озере и подобных озерах с высоким уровнем солености, а также в морских лагунах). Возраст окаменелых австралийских строматолитов, по разным оценкам, доходит до 3,4–3,7 миллиарда лет, и в некоторых случаях в них наблюдается дефицит 13C, чего можно ожидать от фотосинтезирующих организмов.

Похоже, что жизнь не только возникла, но и распространилась в достаточной степени, чтобы оставить ископаемые свидетельства в период, охвативший время от 4 до 3,5 миллиарда лет назад. Это не такой уж и долгий срок, особенно если учесть, что в течение первых 100–200 миллионов лет Землю все еще бомбардировали камни из космоса и она по-прежнему охлаждалась из своей изначальной расплавленной формы. Как мы увидим в главе 16, Солнце останется относительно неизменным на протяжении 10 миллиардов лет, а значит, жизнь возникла всего лишь примерно за 6–8 % жизни нашей звезды. В каком-то смысле это неудивительно, поскольку нам известно, что все сырьевые материалы (органические молекулы, о которых мы говорили выше) присутствуют именно в газовых облаках, заполняющих межзвездное пространство, где рождаются новые солнечные системы. Естественно, здесь есть пропущенный этап – он заключается в том, как совершился переход от этого исходного материала к самовоспроизводящимся организмам, которые хранят информацию в своих молекулах ДНК и передают ее новым поколениям, – с накоплением случайных ошибок, которые ведут от цианобактерии к вам.

Левонаправленная жизнь

К настоящему моменту нас устраивает тот факт, что каждый из основных строительных блоков материи – элементов – имеет множество разновидностей, называемых изотопами. Более того, мы видели, насколько они полезны в воссоздании истории. Основные «кирпичики» можно объединять в миллионы различных комбинаций – молекул, каждая из которых обладает специфическими свойствами, зависящими от точного сочетания задействованных атомов. Но оказывается, что некоторые молекулы, даже состоящие из одинаковых комбинаций атомов, могут относиться к разным ароматам. Мы называем такие молекулы правосторонними и левосторонними, а само подобное представление – хиральностью.

Рис. 13.1. Правосторонние и левосторонние изомеры молекулы бутанола. Хотя две молекулы имеют одинаковую химическую формулу, невозможно повернуть одну из них так, чтобы она стала точной копией другой; как и ваши руки, они зеркально отражают друг друга (обратите внимание на расположение полосатого атома Кислорода)

Подозреваю, что ваши руки удивительно похожи. Но это не значит, что вы можете надеть на правую руку перчатку для левой руки – как бы вы ее ни вращали и ни скручивали, ваша правая рука туда не войдет. Ваши руки – зеркальные отражения друг друга. Так же и две молекулы с совершенно одинаковой химической формулой – одинаковым количеством атомов каждого типа с одинаковыми химическими связями – могут быть зеркальными отражениями. Один из простейших примеров – бутанол (C_4H_10O), бесцветный легковоспламеняющийся спирт, используемый в промышленном изготовлении пластмасс и смазочных материалов (см. рис. 13.1).

В биологических процессах точная форма молекулы имеет решающее значение. Именно она определяет, как молекула взаимодействует со своими соседями и как она ведет себя при движении по миру. Для тысяч различных белков в каждой вашей клетке характерна очень специфическая форма, определяющая их функции, и они могут складываться в сложные структуры, определяемые точным расположением их химических связей. Более того, хиральные молекулы, как и наши руки, имеют разную форму, и, следовательно, «левые» и «правые» молекулы обладают разными свойствами: например, левосторонняя версия карвона (C_10H_14O) пахнет мятой, а правосторонняя – тмином. Именно благодаря разной форме они захватывают и стимулируют разные рецепторы в носу и посылают в мозг разные сигналы. У аспартама, искусственного подсластителя, который в 200 раз слаще сахара, сладка только левосторонняя версия молекулы; версия «для правшей» безвкусна – опять же, разные формы предполагают блокировку разных рецепторов, посылающих разные сигналы в наш мозг.

Многие органические соединения тоже хиральны. К примеру, при использовании препарата под названием пеницилламин (C_5H_11NO_2S) для лечения острого ревматоидного артрита, а также других состояний необходимо соблюдать осторожность, выбирая и вводя только правосторонние молекулы, поскольку левосторонняя версия токсична – она блокирует действие незаменимого витамина B_6. Пожалуй, самый печально известный и трагический случай хиральности лекарства – талидомид. В конце 1950-х годов его продавали в Германии для облегчения утренней тошноты у беременных, и он стал причиной от 5000 до 10 000 тяжелых врожденных дефектов и сотен смертей младенцев^7. Эти проблемы вызывает только левосторонняя молекула, но поскольку в то время это было неизвестно, препарат продавался в виде так называемой рацемической смеси – равных количеств право- и левосторонних молекул (равная смесь – это то, что получается в типичном процессе химического синтеза любой молекулы)8.

Оказывается, мы – и я использую этот термин как можно более широко, подразумевая и Homo sapiens, и бактерий, и все, что между ними, – состоим из хиральных молекул. И все «мы» – левши.

Белки – это «рабочие лошадки» жизни. Благодаря им у клеток и органов есть структура; они реплицируют ДНК каждый раз, когда делится клетка; они действуют как катализаторы в химических реакциях; добывают, хранят и используют энергию; запускают реакцию и реагируют на раздражители; а также транспортируют молекулы внутри клеток и в межклеточном пространстве. Каждый из примерно 20 000 генов в вашей ДНК обеспечивает уникальный код для построения одного из этих белков. Код определяет порядок строительных блоков белка – биологических молекул, называемых аминокислотами. Вся жизнь на Земле использует всего двадцать различных аминокислот^9, и все хиральные аминокислоты – левосторонние.

Каждая аминокислота состоит из Водорода, Азота, Кислорода и Углерода, причем две из двадцати содержат один атом Серы. Их размер варьируется от десяти атомов (глицин: C_2H_5NO_2) до двадцати семи (триптофан: C_11H_12N_2O_2). Самый маленький из известных белков, получивший название TRP-Cage и состоящий всего из двадцати аминокислот (менее 500 атомов), был обнаружен в слюне ядозубов^10. Не спрашивайте, почему исследовали именно слюну ядозубов, но поскольку этот крошечный белок оказал нам неоценимую помощь в изучении того, как белки сворачиваются и принимают свою функциональную форму, я рад, что кто-то так решил – силу науки, движимой любопытством, никогда нельзя недооценивать. Самый крупный из известных белков – титин, играющий решающую роль в сокращении мышц. Он состоит из 34 500 аминокислот (более полумиллиона атомов), и у него 244 отдельных складчатых домена.

Все эти складки – как в TRP-Cage, так и в титине – происходят именно таким образом, потому что все хиральные аминокислоты имеют левостороннюю природу. Поскольку закономерности укладки (фолдинга) имеют решающее значение для функционирования белка, однонаправленность строительных блоков очень важна. Если бы маленькие белковые фабрики, рибосомы, могли бы выбирать из равного количества правосторонних и левосторонних аминокислот, они случайным образом захватывали бы примерно половину каждой, и каждый производимый ими белок был бы нефункциональным – он просто не мог бы свернуться в форму, необходимую для выполнения его задачи. Хотя в противостоянии левого и правого нет ничего особенного, важно то, что в любом организме должна преобладать только та или иная форма.

Откуда взялась хиральность?

Почему левосторонние аминокислоты столь повсеместно распространены – это предмет многочисленных споров. Самая простая гипотеза – случайность. Когда в первичном бульоне образовалась первая молекула, способная воспроизвести саму себя, она совершенно случайно выбрала левосторонние аминокислоты из смешения, в котором левосторонние и правосторонние молекулы пребывали в соотношении 50:50 (можно сказать, подбросила монетку), а остальное – уже история. Однако из этой гипотезы следует один любопытный вывод, и он заключается в том, что жизнь возникает редко – на этой большой планете это произошло только один раз за всю ее историю, которая насчитывает 4,567 миллиарда лет. Если бы все было иначе и жизнь возникала несколько раз, можно было бы ожидать, что некоторые виды произойдут от левосторонних молекул, а другие – от правосторонних.

Интересная подсказка, предлагающая альтернативную гипотезу происхождения нашей «левонаправленности», была найдена в метеоритном веществе. В сентябре 1969 года яркий огненный шар заметили в небе недалеко от небольшого городка Мерчисон в австралийском штате Виктория, примерно в 160 километрах к северу от Мельбурна. Всего с этого метеорита было собрано более 100 кг кусками размером до 7 кг. Метеорит принадлежал к относительно редкому классу углистых хондритов (их менее 5 %), которые считаются одними из первозданных тел в Солнечной системе. В них содержится много молекул Углерода, а также, как правило, вода.

Метеорит Мерчисон – один из наиболее изученных в мире. Когда в нем впервые обнаружили большое количество аминокислот (на уровне 100 ppm), возник спор о том, были ли они просто загрязнением, проникшим уже после того, как он упал на Землю (например, они могли попасть на куски метеорита, когда их поднимали с земли, или в ходе дальнейшего обращения). Измерение соотношения изотопов Углерода 13C/12C разрешило эту проблему: соотношение в урациле (C_4H_4N_2O_2), одной из аминокислот, более чем на 5 % превышало атмосферное, в то время как у наземных организмов оно, как правило, на 2 % ниже атмосферного, поскольку жизнь неохотно принимает тяжелые изотопы (см. гл. 10). В настоящее время в метеорите распознано в общей сложности более семидесяти аминокислот, в том числе восемь из двадцати, обнаруженных в живых существах, а также более 14 000 других органических соединений^11.

Однако интереснее всего в нынешнем контексте было другое открытие: оказалось, что аланин (C_3H_7NO_2), еще одна аминокислота, найденная в веществе метеорита, имел избыток «левых» молекул. Сперва это вновь вдохновило сторонников гипотезы о загрязнении, но в дальнейшем удалось показать, что в изовалине (C_5H_11NO_2), который не входит в число двадцати основных аминокислот, также присутствует избыток «левых» молекул. Это убедительно доказывало, что к такому предпочтению привел какой-то небиологический процесс. В метеорите, недавно упавшем в Коста-Рике, также содержался изовалин, в данном случае с 15-процентным избытком «левых» молекул^12.

В январе 2000 года, ознаменовав наступление нового тысячелетия (хотя и с опозданием на восемнадцать дней), огненный шар озарил утреннее небо на северо-западе Канады, над границей Британской Колумбии и территории Юкон. Предполагаемая масса приближающегося метеора составляла 66 тонн, хотя предполагается, что вся она, за исключением примерно 2 %, сгорела во время его пребывания в атмосфере еще до того, как он упал на лед озера Тагиш. В конечном итоге исследователи собрали около 10 кг фрагментов (только 1 % от общего количества выпавших обломков) и обнаружили, что такие аминокислоты, как треонин, серин, аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота, имеют поразительный избыток левосторонних молекул: 99 %, 80 %, 45 % и 50 % соответственно^13. Аланин был обогащен левосторонними молекулами только на 8 % (хотя они все равно неизменно присутствовали в избытке). В этих аминокислотах содержался повышенный уровень^13C, что исключало загрязнение. В ходе лабораторных исследований аспарагиновой кислоты удалось установить, что она может образовывать кристаллы, которые оказываются либо только левосторонними, либо только правосторонними, либо представляют собой равное смешение лево- и правосторонних молекул. А кроме того, выяснилось, что различные температуры и концентрации по-разному влияют на результат^14.

Кажется, что левосторонние аминокислоты всегда преобладают, хотя в большинстве случаев превышение скромное, если не считать проб, взятых на озере Тагиш. Достаточно ли этого небольшого смещения, чтобы уверенно утверждать, что вся жизнь – левонаправленная? В 2008 году Рон Бреслоу, мой покойный коллега из Колумбийского университета и бывший президент Американского химического общества, выступил на ежегодном собрании общества с докладом, в котором сообщил о том, как умеренный дисбаланс левых и правых молекул можно увеличить, создав условия, которые могли существовать на первобытной Земле. Вместе с Минди Левайн, аспиранткой Колумбийского университета (ныне она – профессор Род-Айлендского университета), он показал, что добавление предшественников аминокислот (фрагментов полных молекул) к раствору «левых» молекул приводит к образованию большего количества последних. Более того, если начать с раствора, содержащего лишь 5-процентный избыток «левых» аминокислот, равное количество «левых» и «правых» молекул будет кристаллизоваться и выпадать из раствора в осадок, оставляя преобладающую левостороннюю популяцию в воде^15. Получается, что небольшие излишки, доставленные метеоритами на Землю в ее самые ранние дни, могли возобладать среди предшественников жизни – и устремиться, словно каскад, к «левонаправленному» миру, в котором мы живем сегодня, 4,5 миллиарда лет спустя^16.

Возникает вопрос: почему в ранней Солнечной системе, в которой образовались метеоры, предпочтение отдавалось «левым» молекулам? Существует несколько объяснений, но у меня есть любимое. В главе 15 мы еще узнаем, что незадолго до того, как начала формироваться Солнечная система, недалеко от нас взорвалась звезда. Одно из последствий такого звездного взрыва – это коллапсирующее звездное ядро, имеющее плотность атомного, но длиной 10 км в поперечнике, нейтронная звезда (см. гл. 16). Эти удивительные объекты вращаются с невероятной скоростью (до пятидесяти раз в секунду), и их магнитное поле от 10 до 100 триллионов раз сильнее, чем у Земли. В результате вдоль их северных и южных магнитных полюсов в космос, точно луч от маяка, изливается излучение. Одно из свойств этого излучения заключается в том, что оно циркулярно поляризовано; то есть ориентация осциллирующих электрических и магнитных полей, которые мы обсуждали в главе 4, проходит по кругу по мере их движения в пространстве.

Свет одного из полюсов нейтронной звезды вращается по часовой стрелке, а свет другого полюса – против часовой. Свет с круговой поляризацией может вызывать колебания молекулярных связей и, если возбуждение становится слишком сильным, разрушать их. Правосторонние молекулы охотнее отзываются на вращение по часовой стрелке, и если бы полюс близкой к нам нейтронной звезды, вращающийся именно так, был направлен в сторону газопылевого облака, которому предстояло стать Солнечной системой, это могло бы методично разрушать больше «правых» молекул, чем «левых». Так может быть, именно благодаря этому произошло смещение, в результате которого сам характер жизни стал «левосторонним». Впрочем, даже несмотря на всю привлекательность этой яркой картины, она не может объяснить самые большие излишки, наблюдаемые в метеоритах, – по всей видимости, необходимы еще и процессы обработки, происходящие в родительском теле метеора и до, и, возможно, после его падения на Землю^17.

Выше я неоднократно называл «жизнь» левосторонней, но это применимо только к хиральным примерам среди двадцати аминокислот – главных «кирпичиков», из которых строятся белки. Код для построения этих аминокислот хранится в гигантской молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Спиральный остов молекулы ДНК, удерживающий кодирующие биты, представляет собой молекулу сахара (C_5H_10O_4), а все сахара, как выяснилось, – это правосторонние молекулы (иными словами, остов ДНК закручивается вправо). Пробьет ли это брешь в моих изящных рассуждениях о происхождении и избытке левосторонних аминокислот?

Нет, это не окажет никакого влияния. В 2004 году Сандра Пиццарелло из Университета штата Аризона объединила изовалин с избытком левосторонних молекул, обнаруженный в метеорите Мерчисон, с гликольальдегидом и формальдегидом – двумя молекулами, которые, как считалось, преобладали на молодой Земле. В результате химической реакции образовалась треоза (C_4H_8O_4), несколько более простой сахар, чем дезоксирибоза ДНК, который, как предположили ученые, мог быть предшественником самовоспроизводящихся молекул ДНК, составляющих в наше время основу жизни. Треоза, полученная из смеси Пиццарелло, имела 5-процентный избыток правосторонних молекул, возможно, предшественников «правонаправленного» мира сахаров, которые преобладают сегодня^18. Кроме того, недавно сообщили о том, что в Мерчисонском метеорите обнаружили рибозу (сахар, лежащий в основе РНК), и в ней тоже наблюдается большой избыток правосторонних молекул^19.

Несмотря на все эти заманчивые подсказки о происхождении жизни на Земле, мы по-прежнему далеки от полной картины. Как отмечалось выше, мы знаем, что это не заняло много времени, но мы не знаем, насколько быстро все произошло. Нам известно, что жизнь возникла по крайней мере однажды, но мы так и не смогли понять, произошло ли это хотя бы несколько раз пусть даже в нескольких местах (это важное соображение при рассуждениях о распространенности жизни в других местах Вселенной). И кроме того, мы не представляем, как именно произошел решающий первый шаг – переход от химических реакций, которые случаются по всему космосу, к биохимическим реакциям, до сих пор уникальным для Земли.

Эволюция с изначальных времен

В наши дни жизнь на Земле можно разделить на три отдельных надцарства: бактерии и археи – два домена одноклеточных организмов, не имеющих клеточного ядра, и эукариоты – домен, куда входят все остальные, от одноклеточных диатомей до человека. Мы направили немало усилий на то, чтобы описать нашего последнего универсального общего предка (LUCA)20 и установить его возраст – в первую очередь мы пытались опознать гены, наиболее распространенные во всех надцарствах, а затем, исходя из белковых продуктов, кодируемых ими, представить, на что был похож этот одноклеточный организм. К сожалению, на сегодняшний день не существует ни тикающих атомных часов, ни уникальной химической сигнатуры, способной помочь нам в этом поиске.

Однако ясно одно. Вскоре после того, как возникла жизнь, вступила в действие магия дарвиновского естественного отбора, и новые формы начали быстро осваивать самые разнообразные экологические ниши, доступные на планете, благодаря чему Земля, по сути, стала биологическим местом – таким, где жизнь формировала среду, а среда формировала жизнь. В следующей главе мы рассмотрим некоторые из этих симбиотических взаимодействий.

Глава 14

Что там, в воздухе? Эволюция земной атмосферы

То, что жизнь возникла на Земле, а не на другой планете Солнечной системы (предположим, что там она все-таки не возникла), – это не случайное совпадение. Сложные и довольно хрупкие молекулы жизни нуждаются в питательной среде, в которой они могли бы формироваться и развиваться. Самый важный момент – температура. Если слишком жарко, атомы и молекулы движутся быстро, и столкновения между быстрыми молекулами, скорее всего, разорвут их на части. Если слишком холодно, все конденсируется в твердую фазу, в которой атомы зафиксированы на месте, поэтому им трудно перемещаться и находить себе товарищей, с которыми можно соединиться, чтобы образовать молекулы.

Уравнение «поступившая энергия = выделенная энергия», представленное в главе 11, позволяет оценить температуру любой планеты, учитывая мощность ее родительской звезды и ее расстояние от этой звезды. Земля – единственная планета в Солнечной системе, на которой эта оценка температуры находится в зоне Златовласки – не слишком жарко и не слишком холодно. Однако, как отмечалось в главе 11, расчеты для голой Земли дают немного более прохладную температуру в –5 °C для большей части планеты. Наш атмосферный покров делает климат идеальным.

Атмосфера Земли находится в зоне Златовласки и по количеству воздуха, которым мы располагаем. Плотность атмосферы Венеры в 100 раз выше, а из-за неконтролируемого парникового эффекта (см. ниже) температура ее поверхности составляет почти 480 °C. Марс имеет только 1 % земной атмосферы, и поскольку он к тому же располагается дальше от Солнца, температура его поверхности составляет –60 °C. Наш воздух, простирающийся над поверхностью лишь на 1 % радиуса Земли и содержащий лишь 1 миллионную долю массы планеты, как раз подходит для создания оптимальных условий для формирования и развития сложных молекул. Так было не всегда, и более того, само существование жизни сильно изменило состав нашей атмосферы и продолжает делать это по сей день.

Первозданная атмосфера

Как отмечалось в последней главе, Солнечная система состоит преимущественно из Водорода и Гелия. Как следствие, в атмосфере каждой планеты изначально преобладали именно эти два элемента, а также простые молекулы, которые Водород может образовывать со следующими по распространенности элементами: Кислородом, Углеродом и Азотом: вода (H_2O), метан (CH_4) и аммиак (NH_3). Обратите внимание, что изобильно встречающийся Водород присоединяется к каждому атому с достаточным количеством друзей, чтобы заполнить пустоту на внешней электронной оболочке своих более тяжелых «спутников» – два его атома вступают в связь с Кислородом, три – с Азотом и четыре – с Углеродом, как показано в главе 3. Сегодня в земном воздухе содержится 77,9 % N_2, 20,9 % O_2 и 0,9 % Аргона. Пять изначальных атомов и молекул в совокупности составляют менее 0,25 % современной атмосферы Земли, и большая часть этой массы – это итог испарения H_2O из океанов, покрывающих 71 % планеты. Содержание Гелия составляет всего 5 миллионных долей (ppm); метана – 1,9 ppm; H_2–0,5 ppm; а на долю аммиака, впервые обнаруженного в воздухе только в 2016 году, приходится 0,000033 ppm. Что привело к таким радикальным изменениям?

Как говорилось в главе 3, все атомы находятся в движении, а температура – это всего лишь мера кинетической энергии атомов и молекул, составляющих вещество. Атмосферные частицы на любой планете движутся со скоростью, соответствующей ее температуре, – на Земле при средней температуре поверхности 16 °C их средняя скорость составляет примерно 450 м/с (1600 км/ч) для молекул N_2. На Земле эти стремительные частицы удерживает гравитация, сила которой на поверхности определяется массой и диаметром планеты. Как показывает тот факт, что мы отправили ракеты на Луну, на другие планеты и даже за пределы Солнечной системы^1, можно достичь достаточно большой скорости, чтобы навсегда освободиться от пут земного притяжения и оторваться от поверхности Земли, – такая скорость должна составить 11,2 км/с (40 320 км/ч). Любой атом или молекула, достигшая ее, покинет планету и никогда не вернется.

Средняя скорость даже самой легкой молекулы Водорода составляет всего 1,8 км/с (около 6275 км/ч), поэтому может показаться, что ни атомы, ни молекулы не в силах ускользнуть (по крайней мере, без помощи NASA). Но вспомните из главы 3, что, хотя многие молекулы группируются со средней скоростью, некоторые движутся гораздо быстрее (именно благодаря этому высыхает ваша посуда, оставленная на ночь на полке). Поэтому часть первозданного легкого H_2 улетучивалась уже изначально. Кроме того, не только столкновения с соседями позволяют частицам достигать высоких скоростей, есть и другие способы. Если атомы или молекулы получают энергию за счет поглощения высокоэнергетических фотонов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, или за счет столкновений с высокоскоростными частицами, выбрасываемыми нашей звездой, то может возникнуть планетарный ветер, который унесет в космос много атмосферного вещества. При этом самые легкие частицы увлекут за собой и ряд более массивных частиц, точно так же, как ветер может сметать более тяжелые пылинки.

В молодости наше Солнце было намного активнее, чем сейчас. Оно вращалось гораздо быстрее, создавая более сильное магнитное поле, которое, в свою очередь, поддерживало гигантские вспышки и сильный солнечный ветер, рождавшие хаос в первозданной атмосфере. Кроме того, постоянная бомбардировка Земли массивными астероидами, проходившая в течение первых нескольких сотен миллионов лет, могла испарить целые океаны, вытеснив облака пара в верхние слои атмосферы, где ультрафиолетовое излучение могло бы разъединить молекулы H_2O, позволяя Водороду уйти (см. ниже). 4 миллиарда лет назад большая часть первичной атмосферы исчезла. Доказательства утечки можно найти в соотношениях изотопов благородных газов; согласно этому сценарию, улетучивание более легких изотопов (и атомов) должно происходить свободнее. Более того, оказалось, что соотношение изотопов Неона 20Ne/22Ne на Земле составляет 0,102, что на 16 % ниже, чем в исходной солнечной туманности, из которой сформировались планеты и их атмосферы. Отношение Неона (атомная масса 20) к Аргону (атомная масса 40) на Марсе, Земле и Венере в каждом случае составляет лишь 1 % от того, какое характерно для Солнца, что указывает на предпочтительное высвобождение более легких атомов^2.

В то время как первичная атмосфера удалялась с планеты, извергающиеся вулканы и непрестанные столкновения с астероидами приносили к нам молекулы Азота (N_2), оксида Углерода (CO), углекислого газа (CO_2), воды (H_2O) и других молекул в меньших количествах. В океанах с жидкой водой CO_2 может вступать в реакцию с Магнием и Кальцием с образованием карбонатных пород – так забирается большая часть атмосферного CO_2 и запускается углеродный цикл, который остается активным и по сей день (атмосферный CO_2 → карбонаты в океане → известняк на дне океана → известняк на суше из-за тектоники плит → выветривание горных пород, вулканы → CO_2 в атмосфере и океанах).

Как мы установили в главе 13, жизнь на Земле процветала еще до того, как нашей планете исполнился миллиард лет и цианобактерии начали свою работу по новому преображению атмосферы, накачивая ее Кислородом. На протяжении миллиарда с лишним лет этот высокореактивный элемент сочетался с другими элементами на поверхности Земли и в океанах (особенно с Железом в виде Fe_3O_4 и Fe_2O_3), что привело к образованию полосчатых железистых кварцитов, источника большей части сегодняшней железной руды^3. В конечном итоге окисление железа и других элементов начало снижаться, а O_2, производимый фотосинтезирующими бактериями, стал накапливаться в атмосфере в ходе так называемой «Кислородной катастрофы», случившейся 2,5–2,4 миллиарда лет назад, когда атмосферный O_2 повысился от нуля до примерно 4 %. Это было фатальным для многих одноклеточных организмов, которые могли жить только в бескислородной среде, хотя некоторые из них, например археи, производящие метан, и анаэробная бактерия ботулизма (clostridium botulinum), выживают и по сей день.

Уровень атмосферного Кислорода оставался неизменным на протяжении еще более чем миллиарда лет, пока примерно 650 миллионов лет назад не начал повышаться после насыщения всеми металлами, с которыми он мог соединяться как на суше, так и в море. За следующие 100 миллионов лет он быстро возрос до 12 %, а потом произошел кембрийский взрыв – внезапный расцвет многоклеточных растений и животных в океане и появление первых растений на суше. Поскольку наземные растения теперь выделяли O_2 (и лишь немногие наземные животные вдыхали его), уровень продолжал расти, и примерно 280 миллионов лет назад достиг своего пика, – в те дни, когда огромная часть флоры на протяжении тысячелетий сгнивала и уходила под землю, чтобы превратиться в современные угольные пласты, он составлял 35 % атмосферы. Насекомые, которые поглощают Кислород непосредственно через панцирь и ограничены в размерах его концентрацией, достигли своего наивысшего расцвета: размах крыльев у стрекозоподобных видов превышал 60 см.

К этому времени Землю заселили земноводные и рептилии. Массивные извержения вулканов, которые произошли примерно 241 млн лет назад, вызвали резкое снижение содержания O_2 примерно до 15 % (и привели к крупнейшему массовому вымиранию за последние полмиллиарда лет). Затем содержание Кислорода медленно восстановилось, снова поднявшись примерно до 30 %, когда на Земле властвовали самые крупные динозавры, а затем, после удара астероида и мел-палеогенового вымирания, снова снизилось и примерно 25 миллионов лет назад оказалось на уровне в 21 %, который мы наблюдаем сегодня. Таким образом, на протяжении нескольких последних миллиардов лет действовала петля обратной связи, в которой состав атмосферы влиял на структуру жизни, а присутствие развивающейся жизни вело к изменению состава атмосферы.

Атмосферные изменения: термический максимум после катастрофы

Как мы видели в главах 12 и 13, изменения в микроэлементном составе атмосферы могут оказывать большое влияние на условия на поверхности Земли. Во многих исследованиях при помощи изотопной записи фиксировались серьезные изменения климата Земли, вызванные геологической и биологической активностью. Я уделю внимание только двум примерам: это период выраженного потепления, наставший примерно через 10 миллионов лет после столкновения с астероидом, уничтожившим динозавров, и конец последнего ледникового периода, наступивший 12 000 лет назад.

Палеоцен-эоценовый термический максимум – это одно из самых резких изменений климата Земли со времен образования Чикшулуба. О нем свидетельствует внезапное повышение температуры, совпадающее с резким изменением соотношения 13C/12C, указывающим на быстрый выброс большого количества Углерода в окружающую среду. Время этого события уточнили с помощью уран-свинцового датирования цирконов с острова Шпицберген в Северном Ледовитом океане – они появились на свет от 55,73 до 55,96 млн лет назад; примерно такая же цифра, 56,09 ± 0,13 млн лет назад, получена при помощи того же метода для цирконов из Венесуэлы^4.

В это время у фораминифер, обитающих на поверхности, наблюдается внезапное падение соотношения 13C/12C и в то же время возрастает соотношение 18O/16O, а соотношение 11B/10B снижается на 0,2 %. Наверное, вы уже догадались, что в первом случае причиной стало добавление Углерода из источника с иным, отличным от обычного соотношением изотопов. Второе соотношение мы использовали как показатель температуры. Элемент номер 5, Бор, – новичок среди наших изотопных детективов. У него только два стабильных изотопа, 10В и 11В, и их соотношение обычно составляет примерно 20 % к 80 %; официальный стандарт соотношения 11B/10B составляет 4,0437. Бор присутствует в морской воде в концентрации 4,5 ppm и входит в карбонатные раковины фораминифер с уклоном от 1,0 до 2,6 в сторону более легкого изотопа. Главное новое открытие, совершенное с его помощью, заключается в том, что его способность участвовать в формировании карбонатов – это прекрасный показатель того, насколько кислой оказывается среда, и это дает еще один способ, позволяющий определить количество CO_2 в атмосфере.

CO_2 слегка кислый, и поскольку примерно треть всего CO_2, который мы выбросили в атмосферу за последние два с половиной столетия, растворилась в океане, океан тоже становится более кислым в результате следующей химической реакции:

CO_2 + H_2O → H_2CO_3 → HCO_3— + H+ → CO_3–2 + 2H+,

где два иона Водорода – это индикаторы кислого раствора. Кислотность измеряется по шкале pH, на которой чистая вода имеет нейтральное значение 7,00, а сильная кислота, скажем серная, – 2,75. Шкала pH логарифмическая (как и шкала Рихтера при землетрясении), поэтому каждое целочисленное изменение означает увеличение количества ионов Водорода в 10 раз. В середине XVIII века, до сжигания ископаемого топлива, значение pH морской воды составляло 8,179, тогда как сегодня – 8,069. Это на первый взгляд скромное изменение соответствует увеличению количества ионов H— на 29 %, почти все из них происходят из недавно растворенного CO_2. Закисление океана уже влияет на рост кораллов и планктона.

В морской воде Бор пребывает в двух формах: B(OH)3 и B(OH)4—. Соотношение между ними во многом зависит от кислотности: при pH 7,5 соотношение нейтральной молекулы и иона составляет 12:1, а при pH 8,5–1:1. Отличается и изотопное соотношение двух молекул. При текущем pH, составляющем 8,069, B(OH)3 выше стандартного значения на 4,5 %, а B(OH)4– на 1,75 % (установлено для pH = 7,5).

Изучив керн океанских отложений из северо-восточной Атлантики, Маркус Гутъяр и его коллеги получили непрерывную хронику изотопных измерений, охватившую период, начавшийся за 300 000 лет до палеоцен-эоценового термического максимума и завершившийся спустя 500 000 лет после его окончания^5. Они обнаружили, что соотношение 13C/12C резко падает на 0,34 % и одновременно с этим на 0,17 % уменьшается соотношение 11B/10B, причем прежде на 0,12 % возрастает соотношение 18O/16O – предвестник повышения температуры примерно на 25 000 лет (опять же, вспомним о смысле слова «внезапный» в рамках геологического времени). Исследователи выяснили, что перемена в соотношении Бора подразумевает изменение pH примерно на 0,3, что соотносится с изменением количества ионов Водорода в два раза. Подобное происходило в кернах из Южной Атлантики и экваториальной части Тихого океана – значит, явление было глобальным. Закисление океана позволяет оценить, сколько нового Углерода в те времена должно было появиться в атмосфере. Его количество составляет 10 000 гигатонн – это примерно в десять раз больше, чем добавили мы, сжигая ископаемое топливо. Из-за этого концентрация CO_2 в атмосфере, по всей видимости, превысила 2000 миллионных долей, в пять раз превысив нынешние значения, и температура поверхности моря поднялась примерно на 5 °C. Ученые решили, что большая часть этих выбросов произошла в течение 50 000 лет после начала закисления.

Хотя тотальные выбросы CO_2 и связанные с ними изменения в атмосфере и океане намного больше, чем в нашем современном геохимическом эксперименте, скорость закисления в наши дни намного выше. Модель, построенная исследователями, предполагает, что начальная скорость поступления CO_2 соответствовала 1 гигатонне Углерода в год, а по прошествии 50 000 лет этот показатель снизился до менее 0,1 гигатонны. Наш текущий объем производства – 10 гигатонн в год, что в 10–100 раз превышает показатели, достигнутые во время палеоцен-эоценового термического максимума.

О том, какими именно были источники столь массового поступления Углерода в атмосферу, высказывалось великое множество предположений. Назывались самые разные, в том числе CO_2 от вулканов; CO_2 и CH_4 из тающей вечной мерзлоты; и CH_4 из гидратов метана – кристаллов, состоящих из метана и воды, похожих на лед и преобладающих на дне океана. У этих источников очень разные соотношения 13C/12C (+0,24 %, – 1,8 % и –5,6 % соответственно), поэтому изменение, наблюдаемое в палеоцен-эоценовом термическом максимуме, позволяет сделать вывод о том, какой из них наиболее вероятен. По оценкам, соотношение 13C/12C в новом Углероде составляет –1,1 %, так что, по всей видимости, основной вклад внесла вулканическая деятельность, и, возможно, меньший – другие факторы. Например, первоначальный выброс вулканического CO_2 из Североатлантической магматической провинции^6 – источника, на который предпочли сослаться исследователи, – мог нагреть Землю и вызвать эффект обратной связи, который привел к возрастанию выбросов CO_2 и метана из гниющих растений в тающую вечную мерзлоту. В нынешнюю эпоху, когда наблюдается быстрый рост содержания Углерода в атмосфере, такие усиливающиеся обратные связи тревожат все сильнее.

Атмосферные изменения: конец последнего ледникового периода

Над тем местом, где сегодня располагается мой офис, – это лаборатории Пупина в кампусе Колумбийского университета на Манхэттене, – двадцать тысяч лет назад была груда льда высотой свыше полутора километров. Это был кусок Лаврентийского ледникового щита, простиравшийся от канадской Арктики на юг до Нью-Йорка и Сент-Луиса и на запад до Скалистых гор (где он сливался с Кордильерским ледниковым щитом, занимавшим площадь 2,5 миллиона квадратных километров и накрывшим горы западной Канады до Сиэтла). Этот гигантский ледник начал формироваться 75 000 лет назад и наряду с крупными ледниками в Сибири и Северной Европе, а также меньшими в Патагонии и Гималаях содержал достаточно воды, чтобы понизить глобальный уровень моря более чем на 120 метров. В главе 11 мы уже говорили, что толчком и к этому событию, и к тем, которые ему предшествовали, стали изменения в нагреве Земли со стороны Солнца, вызванные сменой параметров земной орбиты. Впрочем, эти события не стали бы столь драматичными, если бы их не сопровождали сильные обратные эффекты на поверхности планеты.

Потом лед начал таять. Наклон оси Земли перемещался к максимальной величине, а цикл прецессии подходил к фазе, когда летом Северное полушарие оказывалось максимально близко к Солнцу, а эллиптичность орбиты приближалась к локальному максимуму. Все три эффекта вели к тому, что солнечный свет более интенсивно падал на крайний север. Оптимальные условия были достигнуты чуть менее чем 12 000 лет назад, когда ледниковые щиты разрушались окончательно, хотя началось это еще на 6000 лет раньше.

Легко подсчитать, насколько изменилась солнечная энергия, достигающая северных ледниковых щитов. Ее слишком мало, чтобы растопить весь лед. Но, как мы видели в главе 11, вместе с повышением температуры в атмосфере быстро растет и уровень CO_2. За следующие 5000 лет температура в Гренландии выросла почти на 9 °C, а концентрация CO_2 в воздухе – со 180 ppm до 280 ppm. Весь этот дополнительный CO_2 еще больше нагрел Землю из-за парникового эффекта (глава 11), в то время как земная поверхность, еще недавно скрытая льдами, поглотила больше солнечной энергии, чем отражающий лед, что создало петлю положительной обратной связи, которая, в свою очередь, привела к постоянному ускорению нагрева. Но было ли этих эффектов достаточно?

Скорее всего, нет, и это предполагает, что потребовались дополнительные петли обратной связи. Десять лет назад Дж. Дентон и его коллеги опубликовали комплексную модель, призванную описать конец последнего ледникового периода, и попытались принять во внимание сложные взаимодействия льда, воздуха, океанов и солнечного света^7. Для более четкого представления о невероятно важном периоде, охватившем время от 20 000 до 10 000 лет назад, они собрали впечатляющую коллекцию уже знакомых нам изотопных, атомных и молекулярных показателей. Это были и соотношения 18O/16O, измеренные в гренландском льду для установления температуры, а также в китайских спелеотемах и техасских пещерах, чтобы прояснить уровень осадков; и соотношения 2H/1H из антарктического льда, ставшие показателем температуры и концентрации атмосферного CO_2; и липиды глицерол-диалкил-глицерол-тетраэфира (GDGT) из глубоководных кернов из Северной Атлантики и у берегов Австралии, позволявшие определить температуру поверхности моря. Исследователи добавили и нового «посредника»: им стало соотношение Протактиния‐231 и Тория‐230 из керна у Бермудских островов, благодаря которому можно было выявить изменения в схеме циркуляции океана. И 231Pa, и 230Th с постоянной скоростью производятся в морской воде в ходе следующих распадов:

235U →231Th + α → 231Pa + e— + νe***, а также 234U → 230Th + α;

(t½ = 7 × 10^8 лет) (t½ = 25 лет) (t½ = 2,5 × 10^5 лет)

Их соотношение в морской воде 231Pa/230Th = 0,093. Оба прикрепляются к частицам воды, которые оседают на дно, но Протактинию для этого требуется в десять раз больше времени, поэтому он легко уносится глубинными течениями Атлантики еще до осаждения, из-за чего соотношение Pa/Th в отложениях понижается. Если глубинные течения прекратятся, оно вернется к значению 0,093^8.

Кроме того, исследователи также измеряли летнюю температуру в Патагонии на основе размеров ледников; изучали отложения мусора на дне океана, выпавшие из тающих айсбергов у побережья Португалии; и добывали опалы на морском дне неподалеку от Австралии. Опалы – это обычный кремнезем (Кремний и Кислород – SiO_2) с небольшим количеством воды (H_2O) (обычно от 6 до 10 %). Диатомеи, одноклеточные водоросли, при помощи ортокремниевой кислоты (H_4SiO_4), содержащейся в морской воде, создают крошечные опаловые раковины, которые, как и раковины фораминифер, накапливаются в океанских отложениях. Интенсивнее всего этот процесс идет в Южном океане, где имеет место сильный апвеллинг, переносящий питательные вещества (особенно Кремний) на поверхность, где их могут использовать водоросли. Поэтому содержание опалов в глубоководных кернах, как и соотношение Pa/Th, позволяет выявить схемы океанической циркуляции^9.

Эти десять «посредников» демонстрируют сложную картину, которая раскрывает перед нами самые важные события, произошедшие от 20 000 до 10 000 лет назад, когда началось разрушение огромных ледниковых щитов. Было два периода, один из которых охватывал время от 18 000 до 14 500 лет назад, а второй, более короткий – от 12 800 до 11 500 лет назад, и на их протяжении температура в Северном полушарии на самом деле снизилась, а количество осадков сократилось, поскольку большие части Северной Атлантики замерзали зимой. Однако в южном полушарии и CO_2, и температура росли. У берегов Австралии температура поверхности моря повысилась с 11 °C до 16 °C в первый период и почти до 20 °C во второй, а уровень CO_2 к концу второго периода вырос со значения в 185 миллионных долей, соответствующего ледниковому периоду, примерно до значения, предшествующего индустриальной эпохе (280 ± 15 ppm). В это же время резко менялась циркуляция вод мирового океана, и многие течения просто останавливались. Более короткий и более поздний период, охватывающий 1300 лет, поздний дриас (продолжительность которого была недавно установлена с замечательной точностью благодаря радиоуглеродному датированию и дендрохронологии и составила 12 807 ± 12 лет до настоящего времени)10 показывает, что для одного из наших температурных «посредников», соотношения 18O/16O, было характерно внезапное снижение на 0,7 % в начале периода и настолько же резкий рост в конце, причем оба перехода заняли менее чем несколько десятилетий (отрезвляющая мысль – сегодня такое быстрое изменение климата будет иметь разрушительные последствия).

Исследователи интерпретируют все эти данные в контексте модели, основанной на изменениях в циркуляции вод океана. С началом таяния огромных северных ледяных щитов в океан между Исландией и Норвегией проникло огромное количество пресной воды. Именно там протекает Гольфстрим, теплое соленое течение, которому в наши дни наконец-то удалось достаточно остыть, чтобы эта вода ушла в глубины, что, в свою очередь, определяет циркуляцию вод мирового океана. Стремительное вливание пресной воды с Европейского и Лаврентийского ледниковых щитов сделало воду Гольфстрима не столь соленой и, следовательно, менее плотной, поэтому лед не мог затонуть, из-за чего циркуляция океанских вод прекратилась. Теплая вода перестала идти к Северной Атлантике, и зимой та замерзла, отчего в Северном полушарии резко похолодало. Однако в Южном океане таяние морского льда вокруг Антарктиды уже шло полным ходом, и потепление продолжалось быстрыми темпами. Сложные петли обратной связи, в том числе изменения в характере атмосферной циркуляции, в конечном итоге переносят тепло на север, прекращая похолодания и способствуя дальнейшему таянию льда.

Этой картине соответствуют данные о двух кратких периодах повышения уровня моря, которое могло произойти только из-за таяния огромных ледников. Два выброса талой воды охватывают время от 14 700 до 13 500 лет назад и от 11 500 до 11 200 лет назад, и каждый из этих интервалов тесно связан с двумя периодами холода на севере. На протяжении первого периода уровень моря поднимался в среднем на 60 сантиметров за десятилетие, примерно в пятнадцать раз быстрее, чем в наши дни.

Даже несмотря на все эти ингредиенты, неясно, есть ли у нас полный рецепт, который освободит Землю от глобального ледникового периода. К счастью, новые ингредиенты (если так можно сказать) появляются и сейчас. На морском дне Баренцева моря к северу от Норвегии обнаружены кратеры диаметром до 1 км. Они образуются, когда рассеивающийся метан (CH_4), медленно поднимающийся вверх из глубоких (более 1 км) залежей нефти и/или газа, попадает в ледяные клатраты, образованные на глубине в несколько сотен метров ниже морской поверхности. Когда морская вода замерзла и стала частью глетчерного льда, его давление удерживало метан на месте. Но когда лед отступил, метан, освобожденный от гнета, вырвался, преодолел поверхность и через воду проник в атмосферу. Нам неизвестно, сколько метана выделилось в ходе этого процесса во всем мире, поскольку морское дно еще не столь подробно нанесено на карту и мы не можем увидеть все эти маленькие кратеры. Но измерения ледяных кернов показывают, что содержание метана в атмосфере увеличилось примерно вдвое с ледникового периода (350 ppm) до межледникового (700 ppm), и вполне возможно, что этот фактор, в числе прочих, способствовал потеплению, вызванному парниковым эффектом^11.

Будущее

Современный состав нашей атмосферы относительно стабилен. Очевидные исключения вызваны антропогенным воздействием, связанным с редкими, но важными газами – это углекислый газ (CO_2), закись Азота (N_2O), метан (CH_4) и хлорфторуглероды, которые усиливают парниковый эффект и нагреют планету на несколько градусов еще до конца века, если мы незамедлительно не примем меры по смягчению этих перемен. Легчайшие газы, которые могут достигать второй космической скорости, – Водород и Гелий – все равно улетучиваются, едва возникнув: Водород – в процессе диссоциации воды в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения (см. ниже), а Гелий – в ходе альфа-распада радиоактивных элементов в земной коре и океанах (напомним, что альфа-частицы – это всего лишь ядра Гелия). Скорость потерь Водорода составляет около 93 000 тонн в год, а утечка Гелия – 1600 тонн в год. Цифры могут показаться большими, но если учесть, что в океанах содержится 150 миллиардов триллионов тонн Водорода, это незначительный эффект… по крайней мере на данный момент^12.

В конце концов – через 7 миллиардов лет – Солнце расширится и станет красным гигантом, поглотив Меркурий и Венеру и опалив Землю. Однако нам не придется ждать так долго, чтобы увидеть еще одну масштабную трансформацию нашей планеты. Термоядерные реакции, происходящие в ядре, и сопутствующие изменения во внутренней структуре (глава 16) постепенно делают Солнце все ярче. Примерно через миллиард лет яркость нашей звезды повысится примерно на 10 %. Величина кажется скромной, но в десять раз превышает нагрев, вызванный парниковыми газами, которые мы добавили в атмосферу за двести лет. Более теплая поверхность Земли приведет к большему испарению H_2O из океанов. Но важнее всего то, как это отразится на высоте от 10 до 20 км над поверхностью Земли.

Тропосфера – это слой воздуха, который поднимается от земли примерно на 20 километров на экваторе и на 10 километров в средних широтах. Это слой, внутри которого рождается погода. На всем его протяжении температура неуклонно падает, составляя в среднем от 16 °C на поверхности до холодных –50 °C наверху. (На этих высотах в тропосфере летают самолеты, поэтому в следующий раз проверьте на мониторе полета температуру наружного воздуха.) Выше располагается стратосфера, простирающаяся вверх на 50–60 км. В ней температура снова повышается, достигая наверху примерно 0 °C. Именно в нижней стратосфере находится слой молекул озона (O_3), который не позволяет большей части ультрафиолетового излучения Солнца попасть в нижние слои атмосферы и на поверхность планеты^13.

Минимальная температура на границе тропосферы и стратосферы означает, что воздух там очень сухой. Во-первых, холодный воздух может содержать меньше водяного пара, чем теплый, а во‐вторых, большая часть водяного пара конденсируется в жидкость по мере того, как он поднимается и охлаждается в верхних слоях тропосферы, выпадая в виде дождя или снега, даже не достигнув границы. Поэтому в среднюю стратосферу поднимается очень мало воды. Это очень важно, потому что только там, над защитным озоновым слоем, ультрафиолетовое излучение Солнца может разрушить молекулы H_2O и позволить H_2 улетучиться.

Однако по мере того, как Солнце становится ярче, а пограничный слой нагревается, утечка Водорода из нынешней струйки спустя миллиард лет превратится в поток. В течение еще одного миллиарда лет большая часть океанов испарится, и Земля станет горячей, сухой и свободной ото льда. Еще через миллиард или два миллиарда лет вся вода исчезнет, и Земля станет напоминать Венеру, на которой этот процесс завершился в течение первого миллиарда лет существования Солнечной системы, после чего в атмосфере планеты начал преобладать CO_2, а температура ее поверхности достигла 460 °C. Жизнь, известная нам, исчезнет. Хорошая новость в том, что у нас еще много времени (в 10 000 раз больше, чем властвуют Homo sapiens), чтобы понять, что нам делать.

Глава 15

День рождения Солнца: формирование Солнечной системы

Моя бабушка по отцовской линии была белоруской и понятия не имела, когда у нее день рождения. Причиной тому была не утрата ума – она умерла в девяносто девять лет и сохранила ясность мышления до самых последних дней. Просто в конце XIX века в царской России крестьян не особо волновало, когда у них день рождения. Полагаю, то же самое можно сказать и о Солнечной системе: выяснение точной даты ее появления на свет – это не столь серьезная проблема. Впрочем, это удовлетворило бы праздное любопытство и помогло бы объяснить, почему планеты устроены так, как устроены, а также расширило бы сферу применения наших историков-атомов за пределами существования самой Земли. В сущности, благодаря им мы даже можем получить некоторое представление о том, что происходило в окрестностях нашей планеты до того, как возникло Солнце.

Сценарий формирования

Наша галактика, Млечный Путь, представляет собой совокупность более чем 100 миллиардов звезд, удерживаемых вместе взаимным гравитационным притяжением. Все началось с крошечного колебания избыточной плотности в удивительно однородной и чисто газообразной Вселенной. Постепенно, по прошествии, возможно, миллиарда лет или еще более долгого времени, эта порция дополнительной массы обрастала веществом, медленно наращивала массу и все сильнее притягивала к себе вещество из еще более далеких пределов. По мере сжатия изначальное случайное вращение становилось все быстрее – так фигуристка прижимает к себе руки, когда хочет ускорить вращение^1, – и со временем большая часть обычной материи сжалась в относительно тонкий диск, образовав галактику в форме вертушки, которую мы видим сегодня, с толщиной всего в несколько тысяч световых лет и диаметром 100 000 световых лет.

Сперва Млечный Путь состоял в основном из газа^2, но процесс его отделения от окружающей среды – обрастание крошечного случайного пика плотности все большим и большим количеством вещества – воспроизвелся в микрокосме по мере того, как в результате флуктуаций газового диска начали формироваться звезды. К настоящему времени, спустя 13 миллиардов лет, в звездах находится примерно 90 % галактического газа, и только 10 % осталось для формирования будущих поколений звезд и планет.

Если сказать, что население Галактики составляет более 100 миллиардов звезд, может показаться, что она очень многолюдна, но вряд ли это так. Если мы представим Солнце (диаметром свыше полутора миллионов километров) в виде апельсина в Нью-Йорке, то Земля, размером не превышающая песчинки, расположится на расстоянии 4,5 метра от него. Самая далекая планета, Нептун, будет с горошину и займет свое место в двух городских кварталах, а следующая звезда, по размеру и температуре подобная Солнцу, – и так удачно представленная вторым апельсином, – окажется в Миннеаполисе. На долю звезд приходится лишь 100-миллиардная триллионная доля (примерно 10–23) объема Галактики. Поэтому большая часть Млечного Пути – это то, что мы называем межзвездным пространством.

Это пространство не совсем пустое – там по-прежнему остается 10 % первозданного газа, из которого еще не образовались звезды. Это вещество, как и сама Вселенная, по большей части состоит из Водорода и Гелия, но они распределены неравномерно. Почти во всем межзвездном пространстве частицы газа находятся очень далеко друг от друга: всего 1 атом на 100–1000 кубических сантиметров (всего лишь один атом Водорода в литровом контейнере – эта плотность в 10 000 раз меньше, чем лучший вакуум, который мы можем создать в лаборатории). Температуры в этих областях колеблются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов кельвинов, поэтому большая часть атомов, находящихся там, ионизирована. Высокие температуры и низкие плотности создаются и поддерживаются звездными взрывами, которые мы рассмотрим в главе 16.

В нескольких процентах межзвездной среды (так мы называем вещество между звездами) газ охладился и сконденсировался до гораздо более высоких плотностей, которые составляют от 1 до 100 атомов на кубический сантиметр при температуре от 100 до 200 К. В нескольких процентах из этих процентов есть даже более плотные области – их температура не превышает 10 К, и на каждый их кубический сантиметр приходится от нескольких тысяч до десятков миллионов атомов. В этих плотных холодных облаках иногда возникают молекулы и обнаруживаются микроскопические пылинки, состоящие в основном из Углерода, Кремния и Железа, и здесь же может содержаться вещество, масса которого превышает массу Солнца во много раз, от сотен до миллиона. Именно здесь появляются на свет новые солнечные системы.

Опять же, все начинается с того, что небольшое случайное колебание плотности внутри одного из этих холодных темных облаков начинает прирастать за счет аккреции окружающего вещества. В центре формируется звездное ядро, окруженное вращающимся диском, который простирается на 100 миллиардов километров, а возможно, и еще дальше. Коллапсирующее облако, продолжая сжиматься и отделяться от окружающего вещества, становится протозвездной туманностью, предшественником новой солнечной системы. Обычно более 99 % вещества заканчивает свой путь в центральной звезде (99,86 % в случае нашей Солнечной системы), но окружающий диск все еще содержит примерно 3 триллиона триллионов тонн (3 × 10^27 кг) исходного материала, из которого образуются планеты, спутники, астероиды и кометы.

Детали этого процесса выходят за рамки этой книги (и, по крайней мере частично, за пределы наших текущих знаний), но он явно носит восходящий характер: пылинки слипаются, образуя более крупные зерна; зерна слипаются, образуя крошечные камешки; камешки, собираясь вместе, образуют камни – и так далее. Рядом с Солнцем слишком жарко для образования льдов (например из воды, углекислого газа, аммиака), и многие из этих газов, наряду с преобладающими Водородом и Гелием, испаряются из внутренней части Солнечной системы (чем объясняется их отсутствие на Меркурии, Венере, Земле и Марсе). Однако дальше, между современными орбитами Марса и Юпитера, достаточно холодно, поэтому там эти льды могут замерзнуть и добавляются к накапливающимся планетезималям, достаточно быстро создавая ядра планет. Благодаря этому Водород и Гелий остаются связанными, что позволяет существовать газовым (Юпитер и Сатурн) и ледяным (Уран и Нептун) планетам-гигантам внешней Солнечной системы.

Почти весь материал исходного диска уносится на одну из планет, но гравитационные пылесосы не идеальны, и доля в 1 % вещества так и не находит планетарного дома. Эти фрагменты (каменистые и металлические астероиды во внутренней части Солнечной системы, ледяные объекты, подобные Плутону, и кометы, расположенные дальше от Солнца) хранят сведения о том, какой была Солнечная система в самые ранние дни ее существования. Когда один из них попадает на Землю в виде метеорита, мы можем подержать его в руках и посмотреть на кусочек первозданной Солнечной системы, а исследование его атомов позволяет определить его возраст и совершить экскурс в предысторию нашей колыбели.

Древнейшее вещество

Как отмечалось в главе 13, тектоника плит – это процесс динамический, она постоянно меняет форму поверхности Земли, и горных пород, заставших ранние дни существования планеты, у нас уже не осталось. Однако даже если бы не это вечное обновление, столкновения с расплавленной Землей настолько поменяли бы природу камней, что нам было бы гораздо труднее раскрыть загадку их происхождения. Поэтому метеориты – это более полезный, нетронутый образец, доступный нам для воссоздания истоков.

На Землю падают различные метеориты, состав и структура отражают их происхождение. Железные метеориты, которые по меньшей мере на 95 % состоят из Железа, Никеля и Кобальта, происходят из крупных тел (крупных астероидов или протопланет, не успевших стать планетами и погибших в столкновении); эти тела были достаточно массивны, чтобы расплавиться, а тяжелые металлы опустились к центру (такое разделение элементов по массе называется дифференциацией, и именно оно объясняет каменистую природу земной коры и железное ядро). Каменные метеориты, как следует из их названия, похожи на горные породы, состоящие в основном из минералов на основе Кремния и Алюминия; некоторые из них – это чистые камни и, по всей видимости, они не менялись с момента возникновения, в то время как в других, которые, возможно, произошли от дифференцированных астероидов, есть примеси металлов. Некоторое количество метеоритов происходит с Луны и Марса; когда большой метеор сталкивается с одной из этих планет, он выбрасывает осколки коры в космос, где они блуждают, пока не столкнутся с Землей.

Самые примитивные и наименее измененные метеориты, на долю которых приходится чуть менее 5 % от общего количества метеоритов, достигающих Земли, – это углеродистые хондриты. Иногда в них содержится много воды (от нескольких процентов до более 20 %), так что во время формирования они не могли нагреваться до высоких температур, иначе вода испарилась бы в космос. В главе 13 мы упоминали, что многие из них богаты органическими соединениями, в том числе аминокислотами. Однако сейчас нам интереснее всего то, что в них также присутствуют хондры и включения, богатые Кальцием и Алюминием (CAI), самые ранние твердые соединения, образовавшиеся в молодой солнечной туманности.

Хондры – это небольшие минеральные шарики размером от сотой доли миллиметра до 1 см в поперечнике. В основном они состоят из Кремния и Кислорода с примесями различных количеств Алюминия, Магния, Калия, Кальция, Фосфора, Хрома и других подобных элементов от номера 11 (Натрий) и номера 26 (Железо) в Периодической таблице (причину, по которой диапазон именно такой, мы раскроем в главе 16). Полагают, что хондры – это остатки пылинок из солнечной туманности, стремительно (за считаные минуты) расплавившихся при нагревании до температуры примерно 1000 К. Источник этого мгновенного нагрева неизвестен, но возможно, речь идет о солнечных вспышках; об ударных волнах во вращающемся диске вещества, в который они были впечатаны; о столкновениях с более крупными телами и так далее. После нагревания они снова уплотняются, обретают твердую форму и объединяются с крупными телами, врастая в жильную породу, скажем, астероида. Одни хондриты похожи на стекло (их молекулы расположены в неправильном порядке), другие – на кристаллы (их молекулы образуют в высшей степени правильную решетку).

CAI обнаружены только в углистых хондритах. Они похожи на хондры, но образуются, по-видимому, при более высокой температуре (более 1300 К); о том, что появилось раньше – хондры или CAI, – по-прежнему спорят, хотя недавние данные, о которых мы еще поговорим, предполагают, что последние возникли в первый миллион лет существования Солнечной системы. Они состоят из различных минералов, таких как анортит (CaSi_2Al_2O_8), перовскит (CaTiO_3), форстерит (Mg_2SiO_4) и многих других.

День рождения

Чтобы установить возраст столь древнего явления, как Солнечная система, требуются радиоактивные изотопы с длительным периодом полураспада (1 миллиард лет и более). Однако мы не можем применить метод простых «накопительных часов», в которых один радиоактивный изотоп распадается на стабильный дочерний изотоп, если мы не знаем, сколько дочернего изотопа было там изначально. Отсутствие геологов, которые могли бы застать формирование Солнечной системы, ставит нас в затруднительное положение. Но разрешить эту дилемму нам позволяет хитрый метод изохрон (буквально «равных времен»). В качестве примера я покажу изохронное построение на основе соотношения Рубидия и Стронция, при помощи которого определяли возраст хондр, а также многих горных пород с Земли и Луны (рис. 15.1). Результаты датирования по свинцово-свинцовому отношению, немного усложненному варианту этого базового метода, показывают наиболее точное время рождения Солнечной системы, и рассказ о них последует сразу же за этим первоначальным объяснением.

Рубидий‐87 (87Rb) подвергается стандартному бета-распаду с образованием Стронция‐87 (87Sr) путем выброса электрона и антинейтрино; период полураспада составляет 49 миллиардов лет. Проблема в том, что неизвестное количество 87Sr присутствует в образце еще до того, как радиогенные атомы этого изотопа начнут появляться после распада Рубидия. Чтобы решить эту проблему, мы также измеряем количество 86Sr, стабильного нерадиогенного изотопа, в образце. Алгебраические уравнения, необходимые для однозначного установления возраста выборки, указаны в примечаниях^3.

Рис. 15.1. Изохронная кривая для рубидий-стронциевого метода датирования. Наклон линии позволяет однозначно определить возраст рассматриваемого минерала, в данном случае по метеоритам, образовавшимся в момент рождения Солнечной системы (см. текст и вставку 15.1 в примечаниях)

С учетом того, насколько долгий период полураспада характерен для Рубидия, с момента возникновения Солнечной системы распалось менее 9 %. Но период полураспада Урана‐238 почти идеально соответствует времени, которое мы пытаемся измерить, – 4,5 миллиарда лет. Для метеоритных хондр и CAI наиболее точное время удалось установить с помощью вариации уран-свинцового метода (описанного в главе 9) – так называемого датирования по свинцово-свинцовому отношению.

Напомним, что 238U распадается до 206Pb, а 235U – до 207Pb. Кроме того, существует нерадиогенный изотоп свинца 204Pb. Построив график зависимости 207Pb/206Pb от 204Pb/206Pb (и приняв во внимание очень небольшие изменения начальных соотношений 235U/238U в солнечной туманности), можно построить изохроны и получить возраст CAI из метеорита Ефремовка, составляющий 4567,35 ± 0,28 миллиона лет, тогда как возраст хондр из других метеоритов варьируется от 4567,32 до 4564,71 миллиона лет^4. Помимо того что это число легко запомнить (4–5–6–7 миллионов лет назад), оно наводит на мысль, что CAI и самые ранние хондры образовались в одно и то же время – хотя формирование последних, возможно, продлилось дольше, более 2 или 3 миллионов лет. Точность этой даты заслуживает внимания: погрешность в 0,28 миллиона лет из общей суммы в 4567 миллионов лет эквивалентна тому, что вы можете узнать, сколько мне лет, с точностью до 1,5 дня, что невозможно ни с радиоизотопным датированием, ни без него!

Прежде начала

Помимо долгоживущих радиоактивных изотопов, присутствующих в ранней Солнечной системе и помогающих нам определить ее возраст, существуют также продукты распада гораздо более короткоживущих изотопов. Один из тех, чья роль была явно важной (но чье происхождение спорно), – это Магний (26Mg), который образуется при распаде Алюминия (26Al) с периодом полураспада всего 717 000 лет. В данном случае имеет место обратный бета-распад, который приводит к тому, что ядро опускается на одну ступень в Периодической таблице за счет испускания позитрона. Он происходит с выделением очень большого количества энергии и дает 4 миллиона электронвольт (МэВ) за один распад. Кроме того, Магний остается в возбужденном состоянии и впоследствии испускает фотон гамма-излучения с энергией 1,808 Мэ В.

Изотоп 26Al образуется в массивных звездах на различных стадиях ядерного синтеза (см. гл. 16). В редких, очень массивных звездах (масса которых более чем в тридцать-сорок раз превышает массу Солнца), 26Al может быть извлечен из недр и унесен в космос сильными звездными ветрами, характерными для таких звезд на поздних стадиях их жизни. У всех звезд, масса которых превышает массу Солнца более чем в 8,5–10 раз и которые заканчивают свою жизнь во взрыве, их 26Al распределяется по космосу вместе с другими элементами, порожденными звездой. Мы знаем, что эти процессы продолжаются в Млечном Пути и сегодня, поскольку наши гамма-телескопы обнаружили фотоны с энергией 1,8 МэВ от распада 26Mg. Это позволяет заключить, что в любой момент времени в межзвездном пространстве рассеяно около двух солнечных масс 26Al.

Если бы этот изотоп распределялся равномерно, то, учитывая огромный объем нашей Галактики, в любом определенном месте, например – в нашем протосолнечном облаке, находилось бы неизмеримо малое количество 26Al (менее 50 кг во всей туманности). Но поскольку в космологических масштабах времени период полураспада 26Al довольно короток, он не охватывает всю галактику равномерно, а концентрируется в регионах, где формируются звезды.

Единственный изотоп Алюминия, который живет более 10 минут – помимо 26Al, – это стабильная форма 27Al. Таким образом, соотношение 26Al/27Al в ранней Солнечной системе, которое мы можем вывести из современного уровня 26Mg и 27Al, составляет 26Al/27Al = 5 × 10–5 (хотя были получены и другие оценки, в два раза ниже, поэтому есть основания предполагать, что радиоактивные частицы могли распределяться неравномерно по всему диску). Это число интересно, потому что оно потенциально может решить другую загадку ранней Солнечной системы – проблему дифференциации астероидов.

Планета, подобная Земле, накапливает так много энергии от огромного количества планетезималей, падающих на нее во время формирования, что становится очень горячей – настолько, что может расплавить камни и позволить тяжелым элементам собраться в ядре, в то время как более легкие всплывают на поверхность. Это распределение по плотности и есть дифференциация, о которой мы упоминали в главе 12. Но для меньших тел, скажем для астероидов, диаметр которых не превышает десятков и сотен километров, гравитационной энергии, высвобождаемой во время аккреции, недостаточно, чтобы их расплавить, и мы могли бы ожидать, что они будут напоминать не гладкое тело с распределенными элементами, а груду обломков, сложенную из тех самых кусочков, из которых они сформировались. Однако мы находим как чисто металлические, так и чисто каменные метеориты, а значит, даже эти небольшие тела вскоре после возникновения каким-то образом тоже расплавились и провели дифференциацию. Впрочем, есть и другой, достаточно мощный источник энергии – теплота радиоактивного распада.

Даже при довольно большом содержании в 2,5 × 10–5 атомов 26Al на один атом 27Al (25 миллионных долей [ppm]) при радиоактивном распаде выделится 3000 джоулей энергии на грамм вещества. Этот уровень намного превышает гравитационную энергию аккреции, и его более чем достаточно, чтобы расплавить астероид и продолжить дифференциацию. Вопрос о происхождении такого избытка 26Al в ранней Солнечной системе остается спорным. Первоначальная идея заключалась в том, что массивная звезда, возникшая из того же облака, что и Солнце, взорвалась неподалеку, после чего в газовом облаке оказалось много радиоактивных изотопов, а у нашего облака, возможно, начался коллапс. Сегодня мы наблюдаем этот процесс в далеких межзвездных облаках, где рождаются новые звезды. Этот сценарий привлекателен еще и потому, что рисует перед нами заманчивую картину, в которой поблизости от нас могла бы возникнуть нейтронная звезда, способная повлиять на предпочтение «левых» аминокислот, которые мы встречаем во всей Солнечной системе (см. гл. 13). Однако против подобных представлений высказаны серьезные возражения. Во-первых, идея взрыва сверхновой прямо по соседству с нами априори неправдоподобна, когда во всей Галактике они происходят всего несколько раз в столетие, а во‐вторых, в большинстве моделей, которые согласуются с достаточным количеством 26Al, появляется слишком много Марганца‐23 и Железа‐60 – настолько много, что не удается объяснить низкое содержание их дочерних ядер в первичном материале Солнечной системы^5.

Есть и альтернативные гипотезы: предполагают, что Алюминий оседал на крошечных крупицах пыли, странствующих в межзвездном пространстве и созданных или далекой сверхновой, или ветрами от очень массивных звезд, о которых мы говорили выше (хотя следует отметить, что такие звезды также очень редки, поэтому аргумент неправдоподобности снова возникает на горизонте). Представление, согласно которому высокоэнергичные частицы молодого Солнца могли образовывать радиоактивные изотопы непосредственно в протопланетном диске, трудно соотнести с тем, что мы знаем об активности молодых звезд и о распространенности других короткоживущих изотопов. Возможно, в ближайшем будущем, когда мы научимся измерять мизерные количества редких изотопов и их дочерних продуктов, мы сумеем раскрыть эту тайну.

Как отмечалось ранее, хондры и CAI – это самое древнее твердое вещество, которым мы располагаем с момента рождения Солнечной системы, и они возникли примерно через миллион лет после формирования нашего протопланетного диска. Вероятно, Земле потребовалось примерно 10–20 миллионов лет, чтобы поглотить все вещество вблизи своей орбиты и достаточно остыть для образования твердой коры. Вскоре после этого большой протопланетный объект (возможно, размером почти с Марс) столкнулся с нашей планетой, и в космос было выброшено так много вещества, что появилась Луна. Потом был период относительного спокойствия, а затем, в период от 4,1 до 3,8 миллиарда лет назад, мы вступили в эпоху поздней тяжелой бомбардировки, на протяжении которой массивные тела продолжали врезаться в Землю, Луну и другие планеты. Но, как отмечалось в главе 12, цирконы, возраст которых достигает 4,4 миллиарда лет, доказывают, что в то время на поверхности Земли уже была жидкая вода, и к концу бомбардировки появляются первые признаки жизни.

Итак, атомы позволили нам воссоздать историю до первых лет существования Солнечной системы. За последние два десятилетия мы открыли тысячи внесолнечных планет, вращающихся вокруг своих звезд, и выходит, что наша история далеко не экстраординарна. И все же это наша история, и то, что мы можем столь точно датировать ее начало, не может не радовать. Теперь пришло время обратиться к истории самих историков, чтобы увидеть, как возникло особое и столь благотворное расположение лептонов и кварков, составляющих наш мир.

Глава 16

Создание звездной пыли: как построились «кирпичики»

У всех историков есть родители. Это в равной степени справедливо и для атомов, бывших нашими проводниками на протяжении всей этой книги. Более того, девяносто один элемент, с номерами от 4 до 94 – это родные братья, и родители у них одни: это первозданные Водород, Гелий и Литий, с которых началась Вселенная, хотя два последних элемента образуются и по сей день. Как мы увидим в главе 17, у них были предшественники, своего рода «бабушки и дедушки», хотя они и просуществовали всего несколько минут, прежде чем породить три легчайших ядра, составляющие исходный материал всего космоса.

То, что по прошествии 13 миллиардов лет примерно 99 % вещества во Вселенной все еще находится в форме Водорода и Гелия (глава 13), наводит на мысль, что создание всех остальных элементов – непростая задача. Это не должно удивлять, если вы вспомните, как устроено атомное ядро: группа положительно заряженных протонов, которые яростно отталкивают друг друга, сжимается в пространство размером менее одной триллионной сантиметра, прежде чем в дело вступает сильное взаимодействие, и даже его притягивающих способностей не хватает без «набивки» и дополнительного клея, которые появляются благодаря группе нейтронов, зажатых в той же тесноте.

Таким образом, создание атомных ядер требует экстремальных условий. Чтобы иметь возможность соединиться, ядерные компоненты должны оказаться очень близко друг к другу и двигаться с очень высокими скоростями, а значит, требуются высокие плотности и высокие температуры. В некоторых областях такие условия выполняются: к ним относятся аккреционные диски вокруг черных дыр, катастрофические столкновения двух нейтронных звезд и звездные ядра. И поскольку большинство из первых двадцати шести элементов (вплоть до Железа), составляющих более 99,9999 % атомов во Вселенной, заключено именно в ядрах звезд, с них мы и начнем нашу атомную генеалогию.

Звездные кузницы: все начинается с Гелия

Кажется, что размеры Солнца и Луны, каждый день появляющихся на небе, одинаковы^1. Однако причины этого постоянства различны. Луна – это твердое тело, ее сферическая форма обусловлена силой тяжести, а от коллапса ее удерживают электромагнитные взаимодействия между атомами и молекулами, из которых она состоит. Ее центральная плотность лишь примерно в два раза превышает среднюю, составляющую 3,35 г/см3 2. Солнце, напротив, – не твердое тело, а плазма, в которой электроны высвобождаются из своих ядер. Для состояния плазмы (глава 3) характерны совершенно иные показатели плотности и температуры, чем для твердого тела, такого как Земля или Луна. В фотосфере, слое Солнца, из которого излучается видимый нами свет, плотность примерно в восемь раз превышает плотность воздуха на Земле (всего 1 % плотности воды) – другими словами, через нее можно было бы пройти, приложив лишь незначительное усилие (если бы там не было так жарко). Однако в солнечном ядре плотность уже в 150 раз выше плотности воды, в семь раз выше самого плотного вещества на Земле (металлический Осмий, 76-й элемент) и в 15 000 раз выше плотности на поверхности Солнца. Температура претерпевает столь же резкий рост: от 5780 К на поверхности до 15 700 000 К в центре.

Поэтому Солнце – это не твердый объект. Оно находится в постоянном динамическом напряжении между гравитацией, которая пытается его сжать, и идущим изнутри тепловым давлением, которое выталкивает его наружу и расширяет. Поскольку мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет 380 триллионов триллионов ватт, оно должно было бы вскоре остыть – внутреннее давление понизилось бы, вызвав тем самым коллапс, – но этому препятствует ядерная печь в активной зоне, постоянно восполняющая потерянную энергию. Поэтому наше верное Солнце удерживается в хрупком равновесии при помощи двух фундаментальных природных взаимодействий: гравитации, тянущей его внутрь, и ядерного синтеза (происходящего благодаря сильному взаимодействию), толкающего его наружу.

Как и вся остальная Вселенная, Солнце в основном состоит из Водорода, который и становится основным топливом для ядерного реактора. Процесс проходит в три этапа (см. рис. 16.1). Во-первых, два протона – ядра Водорода – должны соединиться. Это сложно, поскольку тела, имеющие положительные заряды, взаимно отталкиваются, и чем ближе они сходятся, тем сильнее это отталкивание. Из главы 3 мы помним, что протоны должны оказаться на расстоянии 10–14 метра друг от друга, чтобы сильное ядерное взаимодействие взяло верх и соединило их вместе. Это случается не очень часто, а вероятность того, что это произойдет с тем или иным протоном, такова, что это должно происходить примерно раз в 10 миллиардов лет. К счастью, на Солнце много протонов, и поэтому, несмотря на эти до ужаса мизерные шансы, они сливаются примерно 92 триллиона триллионов триллионов (да, три раза: 92 × 10^36) раз в секунду:

1H + 1H → 2H + e+ + ve.

Следующий шаг в этом процессе будет быстрым, потому что дейтерий (2H) охотно вступает в реакцию и в течение нескольких секунд соединяется с другим протоном, образуя легкий изотоп Гелия:

2H + 1H → 3He + γ.

Последний шаг требует слияния двух ядер Гелия в реакции, которая записывается так:

3He + 3He → 4He + 1H + 1H,

и мы получаем преобладающий изотоп Гелия, а два высвобожденных протона могут снова вовлечься в синтез. В конечном итоге четыре протона превращаются в два протона и два нейтрона, связанные вместе, и создается очень стабильное ядро Гелия.

Рис. 16.1. Трехэтапный протон-протонный цикл, в ходе которого из четырех протонов образуется ядро 4He. В этой последовательности реакций рождается топливо для Солнца и большинства других звезд. См. пояснения в тексте

И, конечно же, выделяется энергия – очень много энергии – количество которой эквивалентно энергии связи ядра 4He. На первом этапе образовавшийся позитрон быстро находит электрон, с которым аннигилирует, высвобождая 1,022 миллиона электронвольт (МэВ) в виде двух фотонов; некоторую энергию уносят и нейтрино, а значит, этот шаг (который должен произойти дважды, чтобы образовались два ядра дейтерия) дает в общей сложности 2,884 Мэ В. Гелий‐3, 3He, более стабилен, чем дейтерий, поэтому при соединении он высвобождает еще больше энергии связи (вспомните, как это работает, из главы 3): 5,49 МэВ – и поскольку процесс происходит дважды, то для того, чтобы получить два ядра 3He, выделяется 10,98 Мэ В. На последнем этапе, который приводит к стабильному (и, следовательно, прочно связанному) 4He, выделяется 12,859 Мэ В. Чистый выход энергии по завершении всех трех этапов процесса – 26,73 Мэ В. Если принять во внимание, сколько раз в секунду это происходит (данные мы приводили выше), общая мощность выработки солнечной энергии («светимость» Солнца) составит 3,92 × 10^26 Дж/с, или 3,92 × 10^26 Вт (это много лампочек). Примерно 2,5 % этой энергии уходит вместе с нейтрино, поэтому мощность электромагнитного излучения (свет, рентгеновские лучи, фотоны ультрафиолетового излучения и так далее) равна 3,828 × 10^26 Вт.

Откуда берется энергия? В главе 3 мы писали о том, что масса преобразуется в энергию через E = mc^2 – образующееся ядро Гелия весит меньше, чем сумма его составляющих, поскольку масса теряется для создания энергии связи ядра, и вся эта термоядерная энергия высвобождается. Каждую секунду Солнце превращает около 600 миллионов тонн Водорода в 595,75 миллиона тонн Гелия, а 4,25 миллиона тонн вещества исчезают из Вселенной, вновь возникая в виде света. Для справки: 4,25 миллиона тонн вещества достаточно, чтобы заполнить поезд с углем протяженностью от Нью-Йорка до Монреаля (ок. 560 км). Щелкайте пальцами раз в секунду, и с каждым щелчком один из этих поездов исчезает.

На самом деле этот процесс несколько сложнее, потому что может произойти несколько других реакций (например,3He может найти 4He и ненадолго создать 7Be – см. рамку 16.1), но основная протон-протонная (pp) реакция производит 82 % солнечной энергии, а альтернативные цепочки – остальное. Однако эти реакции очень чувствительны к температуре и давлению в ядре звезды, а также к наличию ядер других элементов, таких как Углерод, Азот, Кислород и так далее. У звезд, которые на 30 % массивнее Солнца, температура ядра достаточно высока, чтобы начал преобладать другой термоядерный цикл (иллюстрацию CNO‐цикла см. в рамке 16.1 и на рис. 16.2). Но независимо от массы и температуры звезды большую часть своей жизни светят, превращая Водород в Гелий. За всю историю Вселенной, насчитывающую 13,8 миллиарда лет, 100 миллиардов триллионов звезд сумели преобразовать в Гелий примерно 2 % Водорода, так что нам еще предстоит долгий путь, прежде чем у нас закончится ядерное топливо.

Рамка 16.1. За пределами протон-протонного цикла (pp)

Энергия Солнца в основном рождается благодаря протон-протонному циклу (82 %), но примерно 18 % общей энергии дают несколько дополнительных реакций ядерного синтеза, а в более массивных звездах они становятся более важными. Некоторые из этих реакций перечислены здесь:

Ветвь ppII: дает примерно 16 % от общей энергии Солнца.

3He + 4He → 7Be + γ

7Be + e– → 7Li + νe

7Li + 1H → 4He + 4He

Ветвь ppIII: дает примерно 0,01 % от общей энергии Солнца.

3He +4He → 7Be + γ

7Be +1H → 8B + γ

8Be → 8Be + e+ + νe or 8Be → 4He + 4He

CNO‐цикл (углеродно-азотно-кислородный цикл) (см. рис. 16.2): дает примерно 2 % от общей энергии Солнца.

12C + 1H → 13N + γ

13N → 13C + e+ + νe (полураспад 10 минут)

13C + 1H → 14N + γ

14N + 1H → 15O + γ

15O → 15N + e+ + νe (полураспад 2 минуты)

15N + 1H → 12C + 4He

Рис. 16.2. Шестиэтапный CNO‐цикл, дающий примерно 2 % энергии Солнца, становится преобладающим источником энергии для звезд, которые всего на 30 % массивнее Солнца. Обратите внимание на важность двух кратких радиоактивных бета-распадов. Как и протон-протонный цикл, они приводят к тому, что четыре протона (1H) превращаются в одно ядро Гелия (4He), но Азот, Углерод и Кислород, играющие роль посредников, испускают три фотона, два нейтрино и два позитрона (которые, в свою очередь, взаимодействуют с электронами, аннигилируют и производят еще четыре фотона)

Звездные кузницы: что потом?

Синтез Гелия из Водорода – это улица с односторонним движением. В принципе, можно повернуть процесс вспять – разобрать ядро Гелия на составляющие его частицы (два протона и два свободных нейтрона, которые примерно через 15 минут распадутся обратно на протоны и испустят электрон и антинейтрино), но этот процесс редко происходит в ядрах звезд – ни ядерные столкновения, ни фотоны не имеют достаточно энергии, чтобы превысить энергию связи ядра Гелия в 26 МэВ и разорвать его на части.

В результате в ядре звезды в конечном итоге заканчивается топливо – когда весь 1H преобразуется в 4He, ядерный реактор выключается. Это нарушает динамический баланс между гравитационными и ядерными силами, который звезда поддерживала всю свою жизнь, и ее ядро начинает сжиматься. При этом слой Водорода, окружающий теперь полностью гелиевое ядро, нагревается и сжимается настолько сильно, что может расплавиться, и ядерный реактор повторно воспламеняется в оболочке вокруг коллапсирующего ядра. Все новое топливо, а также более высокие температуры и плотности, при которых оно производится, повышают скорость реакции, раздувая внешние слои звезды и увеличивая количество вырабатываемой ею энергии сначала в три раза, затем в 30, а затем в 300 раз. На этой стадии Солнце поглотит Меркурий и Венеру, а его внешние слои окажутся слишком близко к Земле, чтобы можно было чувствовать себя комфортно, – и только сгоревший пепел нашей планеты будет свидетелем того, что произойдет дальше.

К этому времени ядро становится достаточно горячим (100 миллионов К)3 и плотным, чтобы пепел первой реакции, 4He, стал топливом для нового процесса термоядерного синтеза, в котором три ядра 4He сливаются, образуя Углерод (12C):

4He + 4He +4He → 12C + γ.

Поскольку энергия связи у Углерода выше, чем у Гелия, при каждом таком синтезе выделяется 7,725 Мэ В. Запуск этой реакции ненадолго увеличивает светимость в 2000 раз по сравнению с текущей (это явление известно как гелиевая вспышка), но вскоре звезда приходит в новое равновесие, в котором происходит синтез He → C в ядре и H → He в окружающей оболочке, и это состояние остается стабильным около 150 миллионов лет (заметим, что это лишь немногим больше 1 % времени жизни звезды – конец близок).

В конце концов центр звезды превращается в чистый Углерод, и при остановке основного реактора он снова начинает сжиматься. Это притягивает больше свободного Водорода и Гелия в те зоны плотности и температуры, где эти элементы могут воспламениться, и светимость звезды снова резко возрастает в несколько тысяч раз по сравнению с первоначальной. Но такая конфигурация – инертное углеродное ядро, окружающая его оболочка He → C и горящая внешняя оболочка H → He – по сути своей нестабильно. С началом реакций оболочки раздуваются, тем самым понижая и температуру, и плотность ниже критического порога, и реакции прекращаются. Это, в свою очередь, заставляет оболочки сжиматься, повышая температуру и плотность до тех пор, пока порог слияния не будет преодолен и реакции не начнутся снова. Звезда начинает пульсировать, и ее расширенные внешние слои уносятся в космос.

Этот цикл включения-выключения повторяется примерно каждые 100 000 лет, по мере того как звезда теряет до 40 % своей массы, а ядро сжимается еще сильнее. В конце концов игра заканчивается, и то, что осталось от звезды, схлопывается в объект размером с Землю (примерно 1 % от первоначального диаметра Солнца). В этот момент электроны (мы во многом их игнорировали, но они должны присутствовать, чтобы уравновешивать положительные заряды ядер) оказываются настолько близко друг к другу, что вмешиваются правила квантовой механики и запрещают им сближаться. Вспомним из главы 4 о том, что никакие два электрона не могут иметь одинаковую энергию, угловой момент и спин, благодаря чему возникают энергетические оболочки и подоболочки Периодической таблицы. В данном случае весь звездный остаток превращается в гигантский макроскопический атом, в котором электроны заполняют триллионы энергетических уровней. Результирующая сила, называемая давлением вырождения электронов, достаточна, чтобы уравновесить внутреннюю силу гравитации для остатков звезд, масса которых не превышает 1,4 массы Солнца.

Такая звезда называется белым карликом. Ее плотность составляет примерно 1 тонну на чайную ложку – представьте себе внедорожник, сжатый до размеров кубика сахара. Единственный источник энергии, оставшийся у такой звезды, – это тепло, которое она сохранила в своей предсмертной агонии из беспорядочных ядерных реакций. Она становится подобна угольку в камине, медленно излучающему тепловую энергию в пространство – сперва, когда она впервые раскрывается, отбросив внешние слои, это происходит при температуре 100 000 К или еще более высокой, но постепенно, по мере излучения тепла, температура становится все меньше и меньше. В сущности, ее масса уже исключена из цикла рождения и смерти звезд в Галактике. И несмотря на вероятность того, что во время последних пульсаций звезды часть произведенного ею Углерода будет извлечена и выброшена в космос вместе с ее изначальными внешними слоями, вряд ли можно сказать, что это хоть в какой-то мере обогатит Вселенную новыми атомами.

Большинство звезд Млечного Пути изначально уступают Солнцу по массе, и все они следуют очень похожему жизненному циклу. Это кажется нелогичным, но чем меньше масса звезды, тем больше времени требуется для ее эволюции^4. Даже первое поколение звезд во Вселенной, начавших свою жизнь с массой менее 80 % массы Солнца, все еще находятся в фазе горения Водорода. Если бы все звезды следовали этому сценарию, мы бы просто не смогли его обсуждать, потому что первичный Водород, Гелий и Литий изменились бы только за счет добавления крошечной доли Углерода, а Галактика была бы усеяна трупами белых карликов. К счастью для нас, более массивные звезды живут более драматичной жизнью.

Звездные кузницы: вклад массивных звезд

Для звезд, масса которых уже в начале их жизни в несколько раз превышает массу Солнца, производство Углерода – это не конец пути. Излишек массы повышает плотность и температуру настолько, что часть Углерода на внешнем крае ядра может реагировать с Водородом в оболочке H → He и производить Азот посредством трех первых этапов CNO‐цикла (см. рамку 16.1). Кроме того, если температура становится достаточно высокой, ядра Гелия могут сливаться с Углеродом и образовывать Кислород, Неон и Магний (четные элементы 8, 10 и 12, к которым на каждом этапе добавляются два протона и два нейтрона: 12C + n × 4He → 16O, 20Ne и 24Mg, где n = 1, 2 или 3). Эти реакции чрезвычайно чувствительны к температуре: она соизмеряется как Т в сороковой степени (Т^40), так что ее повышение на 5 % приводит к увеличению скорости сгорания на 700 % и, следовательно, к такому же возрастанию в производстве энергии. Однако для звезд, исходная масса которых примерно в восемь раз больше массы Солнца, конечный результат один и тот же: пульсационная нестабильность, выброс внешних слоев и смерть, оставляющая лишь труп белого карлика. Опять же, часть недавно синтезированного вещества может попасть в космос во время предсмертной агонии звезд (поскольку белый карлик должен иметь массу менее 1,4 солнечной массы, большая часть исходной массы звезды теряется в процессе), но существенная доля этих элементов попадает «под замок» и никогда больше не принимает участия в циклах рождения и смерти звезд.

Однако у звезд, чья исходная масса вещества превышает восемь солнечных масс, жизнь гораздо более интересна. Как мы уже отмечали в этой главе, несмотря на то, что у них гораздо больше ядерного топлива, чем у звезд с меньшей массой, они используют его расточительно, генерируя энергию в тысячи и сотни тысяч раз быстрее, чем звезды «солнечного» типа. Поэтому их жизнь соразмерно короче – звезда с массой 25 солнечных масс живет менее 7 миллионов лет.

Как и для всех звезд, даже для такого гиганта, первый шаг – это синтез Водорода в Гелий. Он начинается, когда температура ядра достигает примерно 14 миллионов К, и длится примерно 6 миллионов лет. Потом, как и у Солнца, Гелий производит Углерод, что начинается при температуре в 100 миллионов кельвинов и длится всего 700 000 лет. Затем звездный Углерод превращается в Кислород, Неон и Магний, как в звездах с массой от 3 до 8 солнечных, начиная с температур 500 миллионов кельвинов, но на этом дело не заканчивается. Под воздействием жара, при температуре 1,2 миллиарда кельвинов, Неон также может превратиться в Магний. Но к этому времени образующиеся фотоны имеют настолько высокую энергию, что могут отделить ядро Гелия от ядер Неона и произвести больше Кислорода.

20Ne + γ → 16O + 4He

Именно поэтому Кислород стал третьим по распространенности элементом во Вселенной.

И процесс продолжается. Кислород и Неон становятся топливом при температуре 1,5 миллиарда кельвинов и образуют Серу, Кремний и Аргон; этот цикл завершается всего за 3 месяца. Затем, в последние несколько дней жизни звезды, Кремний становится топливом (при Т = 3 миллиарда К) и производит Железо (а также немного Хрома и Никеля). Поскольку Железо – это всего лишь 26-й элемент Периодической таблицы, можно предположить, что процесс способен продолжаться, создавая все более и более тяжелые элементы. Однако один изотоп Железа, 56Fe, представляет собой наиболее стабильное расположение протонов и нейтронов. До этого момента каждое новое образующееся ядро было более стабильным, чем его предшественник, и поэтому при реакции выделялась энергия, которая испускалась из ядра и удерживала звезду, не позволяя силам гравитации ее разрушить. Но когда мы добираемся до 56Fe, энергии больше не остается – добавление нейтрона, протона или ядра Гелия делает новое ядро менее стабильным, поэтому оно поглощает, а не излучает энергию.

Для звезды это становится катастрофой. После миллионов лет, в течение которых последовательность ядерных реакций генерировала вытекающую энергию, противостоящую гравитационному притяжению, наступает момент, и энергия внезапно начинает высасываться из центра звезды, когда та пытается сжечь Железо и превратить его в Кобальт. Менее чем за секунду ядро звезды, содержащее от 1 до 2 солнечных масс вещества, взрывается, превращаясь из тела размером с Землю в сферу размером с Манхэттен. В результате коллапса за эту секунду высвобождается больше энергии, чем Солнце произведет за всю свою 11-миллиардную жизнь. А большое количество энергии, высвободившейся в определенном месте в определенный момент времени, обычно называют взрывом – в данном случае мы называем его сверхновой: внешние слои звезды выбрасываются в космос со скоростью 30 000 км/с (примерно одна десятая скорости света, при которой можно за полсекунды добраться от Нью-Йорка в Сидней).

Именно в ходе этих событий все элементы, от Бериллия до Железа, созданные за короткую жизнь звезды, возвращаются обратно в межзвездное пространство. Некоторые из этих ядер радиоактивны, как и изотоп Алюминия 26Al, который сформировал астероиды в нашей Солнечной системе, о чем мы говорили в главе 15, и Титан‐44 (44Ti), обнаруженный при помощи спутника NuSTAR на месте недавних звездных взрывов^5. Непосредственные измерения продуктов распада этих изотопов и выявление в рентгеновском диапазоне электронных переходов от других стабильных элементов, возникавших на протяжении всей жизни звезды, однозначно свидетельствуют о том, что атомы тяжелее Лития образуются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых.

Как мы уже отмечали, для того чтобы сделать шестьдесят восемь элементов тяжелее Железа, требуется затратить энергию. Однако взрыв сверхновой дает много дополнительной энергии, и некоторые из этих элементов, более тяжелых (и гораздо более редких), производятся во время самого взрыва. В результате облака межзвездного газа, из которых формируются новые поколения звезд, обогащаются всем набором химических элементов, из которых состоят планеты и луны, кометы и астероиды, секвойи и студенты. И, как верно заметил Карл Саган в своей бессмертной фразе, все мы – звездная пыль.

Другие места создания элементов

Энергия, выделенная при взрыве ядра массивной звезды, становится одним из инициаторов звездного взрыва. Однако есть и второй взрывной механизм, способный как порождать множество новых элементов, так и распространять их в межзвездном пространстве. Мы уже говорили о том, что белые карлики имеют предел максимальной массы. Давление всех электронов, занимающих определенное место на их уникальных квантовых уровнях, – давление вырождения электронов – способно удержать звезду с массой менее 1,4 солнечной массы. Однако если добавить гравитационное притяжение чуть большей массы, это вытолкнет звезду за грань стабильности. Белые карлики, как правило, чувствуют себя вполне комфортно – они находятся ниже этого предела, поэтому просто тихо остывают и исчезают. Но если у белого карлика есть близкая звезда-спутник, которая может увеличивать массу до тех пор, пока карлик не достигнет ее предела, то в конце нас ждет грандиозный фейерверк.

У большинства звезд, в отличие от Солнца, есть звезда-спутник или даже несколько, поэтому то, что они обмениваются массой, хорошо известно. Однако на поверхности белых карликов вследствие этого постепенно накапливается слой нового материала, полученного от звезды-донора. Так продолжается до тех пор, пока толщина этого слоя не достигает примерно километра. В этот момент на поверхности запускается термоядерный взрыв, не только порождающий новые элементы, но и сметающий силой взрыва слой вещества, как минимум равный тому количеству, которое изначально украдено у звезды-спутника, а возможно, и превосходящий его, после чего масса белого карлика остается практически неизменной (или немного уменьшается). Впрочем, иногда она возрастает, и что становится тому причиной – то ли масса, пожертвованная нормальной звездой-спутником, то ли слияние двух белых карликов, движущихся по орбите вокруг друг друга, – нам еще предстоит определить. Но превышение предела в 1,4 солнечной массы вызывает волну ядерного горения, которая проносится по всей звезде, создавая новые элементы и разнося звезду на мелкие осколки.

В то время как массивные сверхновые производят много Кислорода и продуктов его горения, таких как Неон, Магний, Сера и Кремний, термоядерные сверхновые, о которых мы говорим сейчас, производят больше элементов, близких в Периодической таблице к Железу, поскольку синтез продолжается до самой стабильной ядерной формы во всей звезде. И хотя и в том и в другом случае образуются небольшие количества элементов тяжелее Железа, мы так и не можем с уверенностью судить о происхождении большинства более тяжелых элементов. Элементы с атомными номерами свыше 26-го распространены в гораздо меньшей степени, чем их собратья с малой массой (например, на каждые 1–10 атомов элементов с номерами от 44 до 94 приходится около 1 миллиона атомов Железа и 10 миллиардов атомов Водорода), поэтому процессы, порождающие их, могут быть достаточно редкими. Недавнее открытие, совершенное благодаря детекторам гравитационных волн^6, убедительно подтверждает существование как минимум одного нового источника тяжелых элементов.

Описывая выше смерть звезды массой 25 солнечных масс, я не упомянул о драматичной судьбе коллапсирующего ядра. Оно стремительно сжимается, минует порог вырождения электронов, не позволяющий погибнуть белому карлику, и все они сливаются с протонами, образуя нейтроны. Так рождается нейтронная звезда. Если белый карлик подобен гигантскому макроскопическому атому, то нейтронная звезда – это гигантское макроскопическое атомное ядро. Оно имеет ту же плотность, что и обычное атомное ядро, около 1 миллиарда тонн на кубический сантиметр (это все автомобили, грузовики и внедорожники в мире, сжатые до размеров кубика сахара), а радиус ее составляет примерно 10 километров (а не 10–14 метра). Поскольку нейтроны принадлежат к фермионам (частицы, которые имеют спин = ½ и сопротивляются тесному общению; см. гл. 3), подчиняются тому же закону, что и электроны, и занимают одинаковые квантовые состояния очень неохотно, – они делают это только в условиях, когда плотность гораздо выше и «давление вырождения нейтронов» останавливает неизбежный в противном случае гравитационный коллапс.

Нейтронные звезды – поразительные объекты, способные создавать множество явлений самого исключительного характера, обнаруженных нами во Вселенной за последние полвека. Более того, мне удалось сделать карьеру на изучении этих экзотических звезд, и я легко мог бы написать о них пару сотен страниц. К счастью для вас, дорогой читатель, я устою перед искушением. Однако недавний прорыв в создании тяжелых элементов связан именно с нейтронными звездами, поэтому сделать небольшое отступление все же придется.

О нейтронных звездах заговорили менее чем через два года после открытия самого нейтрона. Их существование предсказали Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, которые, проявив удивительный талант к предвидению, написали в 1934 году: «Со всей возможной сдержанностью мы выдвигаем идею, согласно которой сверхновая представляет собой переход обычной звезды в нейтронную звезду»7. Тридцать четыре года спустя Джоселин Белл, аспирантка Кембриджского университета, обнаружила некую странность в показаниях ленточного самописца, прикрепленного к ее радиотелескопу. Самописец служил для оценки мерцания внегалактических радиоисточников, сигналы которых проходили через межпланетную среду. Ускорив его, она увидела, что «странность» представляла собой последовательность пульсаций, разделенных на удивление постоянным периодом в 1,33733 секунды. Подтвердив, что этот сигнал действительно пришел с неба, и даже уделив внимание гипотезе о «маленьких зеленых человечках», команда из Кембриджа обнаружила в разных частях неба еще три импульсных сигнала с разными периодами и пришла к выводу, что они, должно быть, являются естественным астрономическим явлением. Объяснение появилось менее чем за год: источником сигналов были стремительно вращающиеся нейтронные звезды с магнитным полем, излучение которых, подобно лучу маяка, проходило над Землей один раз за оборот. Эти замечательные новые обитатели нашей Галактики получили имя пульсаров. Когда в центре остатка сверхновой, взорвавшейся в 1054 году нашей эры, был обнаружен такой пульсар, вращавшийся невероятно быстро, гипотеза Бааде и Цвикки подтвердилась.

Когда я поступил в аспирантуру, моим коллегой стал студент постарше, Рассел Халс. Свои диссертации мы защищали под научным руководством Джозефа Тейлора. Тогда прошло всего пять лет с тех пор, как были открыты пульсары, и многие вели поиск этих экзотических звезд. Халс и Тейлор задумали провести в обсерватории Аресибо, где находился крупнейший в то время радиотелескоп, самый чувствительный поиск за всю историю исследований. В частности, они пытались найти нейтронную звезду со спутником. Как отмечалось выше, у звезд довольно часто есть спутники, и в таких случаях у нас появляется возможность довольно точно измерить массы обеих звезд. В течение года ученые достигли своей цели, обнаружив PSR1913+16, пульсар с периодом вращения 0,059 секунды, совершающий оборот вокруг невидимого спутника (в роли которого, что практически несомненно, выступала еще одна нейтронная звезда) за каждые 7,75 часа. Это позволило измерить массу нейтронной звезды: она составила 1,441 солнечной массы, что, как и ожидалось, превышает максимальный предел для белых карликов.

Однако важнее то, что обнаружение двух объектов такой плотности, орбиты которых располагались так близко друг к другу, позволило провести новую проверку общей теории относительности. Революционные взгляды на гравитацию, представленные в публикации Эйнштейна в 1916 году, предполагали, что взаимное притяжение объектов, обладающих массой, возникает в результате искажений в ткани пространства-времени, которые и создаются этими массами. Представьте себе батут (как пространство-время), посреди которого находится шар для боулинга (массивный объект). Если мы покатим по батуту маленький шарик, он сам собой направится к шару для боулинга, но не из-за какого-то магического притяжения между двумя объектами, а потому, что он вынужден путешествовать по искривленному пространству-времени, созданному большим шаром. Более того, при движении объектов от них должны исходить волны зыби, расходясь по пространству-времени, как круги от камня, брошенного в пруд. Эйнштейн признал, что такие волны, наличие которых подразумевала его теория, действительно существуют, – но, вычислив их амплитуду, решил, что они слишком слабы и нам никогда не удастся их обнаружить. Однако он не учел ошеломляющего технического прогресса, которого нам предстояло достичь за столетие, и не думал, что мы, помимо прочего, сможем находить в космосе звезды размером с город на расстоянии тысяч световых лет.

Когда исследователи рассчитали амплитуду гравитационных волн, которые, в соответствии с ожиданиями, должны были порождаться двойной нейтронной звездой, результат показал, что эти волны будут забирать из системы энергию, вследствие чего ее 7,75-часовая орбита сократится примерно на 1 секунду в течение последующих четырех лет, а с течением времени этот эффект станет еще сильнее. И это замечательное предсказание было подтверждено точными данными; сегодня, почти через пятьдесят лет после открытия системы PSR1913+16, ее орбитальный период стал на 66 секунд короче, что с точностью до 0,3 % соответствует предсказанию Эйнштейна.

В 1970-х годах, когда делались эти наблюдения, небольшая группа ученых-провидцев уже планировала построить устройство для непосредственного обнаружения гравитационных волн. Их сорокалетние усилия привели к созданию лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) с двумя станциями в штатах Луизиана и Вашингтон. Это поразительное устройство способно уловить изменение в длине одного из своих 4-километровых рукавов, вызванное проходящей гравитационной волной, которая эквивалентна тысячной доле диаметра протона.

В августе 2017 года, всего через столетие после того, как Эйнштейн познакомил мир со своей новой теорией гравитации, детекторы LIGO уловили колебания длины рукавов. Они начались с частоты в сорок раз в секунду, а потом амплитуда и частота, усиливаясь на протяжении 30 секунд, возросли до почти 500 колебаний в секунду, после чего сигнал пропал. Тем самым мы засвидетельствовали последние полторы тысячи витков двух нейтронных звезд, которые завершились их слиянием в черную дыру, – такой была окончательная судьба двойного пульсара Халса-Тейлора. Две секунды спустя обсерватория Ферми, вращающаяся вокруг Земли, зафиксировала полусекундный всплеск гамма-лучей, а через несколько часов телескопы по всему миру сфокусировались на новой яркой «звезде», вспыхнувшей в Галактике на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас и отметившей место этого катастрофического события. В течение месяца новая звезда постепенно исчезла из поля зрения, но мы успели собрать данные, которые позволяют предположить, что возникло огромное количество тяжелых элементов – например, примерно 200 земных масс Золота и 500 земных масс Платины^8. В настоящее время LIGO проходит модернизацию, и скоро произойдет запуск детекторов гравитационных волн в Европе, Японии и Индии. Ожидается, что через несколько лет мы сможем наблюдать одно из этих событий примерно раз в неделю и сумеем «исчислить» ту важную роль, которую слияния нейтронных звезд играют в создании тяжелых элементов.

Есть и другие второстепенные процессы, благодаря которым появляются новые элементы. Новые ядра могут возникать в веществе дисков, вращающихся вокруг сверхмассивных черных дыр, хотя, поскольку на галактику приходится не более одной такой черной дыры, вряд ли этот источник может считаться значительным. Три самых легких элемента, Литий, Бериллий и Бор (3, 4 и 5-й элементы), в основном образуются в результате распада более тяжелых атомных ядер при столкновениях с космическими лучами – частицами сверхвысоких энергий, которые пронизывают межгалактическое пространство и ускоряются в остатках взорвавшихся звезд. За исключением первичного Водорода и Гелия, подавляющее большинство наших атомных историков рождаются после смерти звезд – обычных, белых карликов или нейтронных. Наша последняя задача – выяснить, откуда взялись Водород и Гелий. Мы переходим к Большому взрыву.

Глава 17

В начале

Если направить в космос радиоприемник, настроенный на длину волны от 1 см до 1 мм, то мы увидим энергию, идущую отовсюду. Характерная температура этого излучения – 2,725 К, чуть выше абсолютного нуля. Это небесное сияние удивительно однородно. Представьте себе топографическую карту неба, на которой наиболее насыщенные участки – это горы, самые бледные и едва заметные – долины, а в качестве среднего уровня мы возьмем высоту Эмпайр-стейт-билдинг (ок. 440 м от тротуара до верха антенны). На этой космической карте самая высокая гора будет подобна муравью, стоящему на вершине антенны, а самая низкая долина расположится примерно на 1 см ниже ее вершины. Этот сигнал, с его потрясающей однородностью, на которую накладываются крошечные флуктуации, представляет собой картину детства Вселенной (рис. 17.1).

Этот космический микроволновый фон был открыт в 1965 году^1. Его существование было предсказано еще за двадцать лет до этого: предполагали, что именно таким должен быть остаток изначального состояния горячей Вселенной, которое мы сейчас называем Большим взрывом. Он дает нам огромную массу сведений о том, какой была новорожденная Вселенная 13,8 миллиарда лет назад. Излучение, испущенное всего через 390 000 лет^2 после появления нашего пространственно-временного континуума, позволяет представить, в каких условиях, по всей видимости, начиналось само время.

Изначально Вселенная была очень горячей и очень плотной, и с тех пор она расширяется и остывает. По мере того как фотоны космического микроволнового фона движутся через пространство, протяженность которого непрестанно увеличивается, пики их волн отодвигаются все дальше и дальше друг от друга – и, соответственно, у волн возрастает длина и понижается энергия. Сегодня длина этих волн составляет около 1 миллиметра, хотя, когда они были излучены, она равнялась примерно 1 микрометру, иными словами, волны были в 1000 раз короче. Сегодня эти световые волны характерны для температуры чуть ниже 3 кельвинов – но в то время, когда они только устремились к нам, температура Вселенной доходила до 3000 кельвинов, то есть была в 1000 раз выше.

Рис. 17.1. Пространственное распределение температуры космического микроволнового фонового излучения по всему небу. Самые темные области отличаются от ярчайших лишь на 4 части из 100 000, но именно так отражаются колебания плотности и температуры, которые привели к возникновению нашей видимой современной Вселенной со всей ее сложной структурой

Почему же нас интересует именно этот конкретный момент истории Вселенной? Фотоны возникли не тогда – они существовали и прежде и обладали еще более высокой энергией. Но 3000 К – это температура, при которой электроны могут соединяться с протонами и ядрами Гелия, образуя атомы Водорода и Гелия. При более высокой температуре энергия окружающих фотонов возрастает до еще более высоких значений, благодаря чему они ионизируют электроны в тот самый момент, когда те присоединяются к ядрам, поэтому стабильные атомы не могут образоваться. Электроны, утратившие связь с ядром, движутся очень быстро (поскольку они почти в 2000 раз легче, менее массивны, чем ядра), постоянно сталкиваются с фотонами и отклоняются со своего пути. Таким образом, переход от свободных электронов к тем, которые связаны с ядрами, внезапно делает Вселенную прозрачной, и фотоны космического микроволнового фонового излучения могут направиться прямо к нашим детекторам, совершив путешествие длиной в 13,8 миллиарда лет, а мы ловим их и изучаем, как распределялась материя через 390 000 лет после Большого взрыва.

В космическом микроволновом фоновом излучении много фотонов. В каждом кусочке пространства размером с кубик сахара их насчитывается 411 единиц (да, в том числе прямо сейчас у вас на заднем дворе). Все они движутся со скоростью света (в конце концов, они – часть электромагнитного спектра), поэтому, когда вы выходите за дверь, около 50 триллионов из них обрушиваются вам на голову каждую секунду. Вы не чувствуете теплого свечения, потому что это фотоны с очень низкой энергией; им потребуется 3 года непрерывного воздействия, чтобы сравняться с энергией, которую вы получаете за секунду от лампочки мощностью 1 Вт, украшающей елочную гирлянду. Однако это огромное количество фотонов дает нам важную подсказку к разгадке происхождения всего сущего. Если мы сравним его с количеством протонов (или электронов – их количество одинаково) в современной Вселенной, ответ будет таким: на каждый протон приходится 1,6 миллиарда фотонов.

К сожалению, мы не можем точно предсказать, каким будет это число, но измерить его несложно. Оно говорит нам о том, что в возникшей Вселенной был почти идеальный баланс частиц вещества и антивещества, однако по непонятной нам причине совпадение было не совсем идеальным. На самом деле существовали 1 600 000 000 частиц антивещества и 1 600 000 001 частица вещества. 1,6 миллиарда тех и других вступили во взаимодействие и аннигилировали, создав все эти фотоны, а все звезды, планеты и галактики во Вселенной сегодня состоят из оставшихся частиц (из расчета одна на миллиард).

Мы не можем «увидеть», что происходило до появления первых атомов, но, как сказал Блез Паскаль: «Если наш взгляд здесь остановится, пусть наше воображение идет дальше»3. Мы можем прокрутить время вспять от момента, наставшего 390 000 лет тому назад, когда температура составляла около 3000 К и на кубический сантиметр приходилось около 1000 атомов (плотность была подобна той, какая характерна в наши дни для типичного межзвездного облака, но это намного превосходит лучший вакуум, который мы можем создать на Земле). Когда мы пройдем 99,99999999 % обратного пути и почти вернемся к началу, Вселенной исполнится всего три минуты (да, три наших минуты, 180 секунд).

Температура сейчас составляет 1 миллиард кельвинов (как в ядре массивной звезды), но плотность лишь примерно в десять раз превышает плотность воздуха. С этого момента и до того, как прошла одна секунда, возникают все наши ядерные «кирпичики». Протоны, которые появились еще раньше, сталкиваются достаточно сильно и иногда слипаются, образуя дейтерий (2H), Гелий (3He и 4He) и немного Лития (7Li и, возможно, даже следовое количество 6Li). Наблюдения показывают, что около 24,5 % вещества превращаются в 4He, 0,0035 % – в 2H, 0,001 % – в 3He и 5 из каждых 10 миллиардов частиц – в 7Li. Это, в свою очередь, позволяет нам представить, какими были условия, когда Вселенная достигла возраста в 1 секунду: плотность вещества составляла примерно одну десятую плотности воды, а температура – 10 миллиардов градусов; это точка, в которой фотоны теряют способность образовывать электрон-позитронные пары, так что соотношение фотонов и частиц материи фиксируется навсегда.

Нам незачем задерживаться, и мы продолжим путь. Через 10–4 секунды Вселенная достигает размера нашей Солнечной системы, и в ней «упакованы» все сегодняшние 10^78 частиц; температура составляет 1 триллион кельвинов, а плотность равна плотности атомного ядра. Как мы уже отмечали, в тот момент, когда кварки находятся в такой тесноте, возникает сильное взаимодействие, и они сливаются в триплеты, образуя протоны и нейтроны. До этого фотоны настолько энергичны, что могут разбить эти тройки на части, но по мере того, как Вселенная «остывает» до 1 триллиона градусов, это становится невозможным – протоны и нейтроны оказываются в безопасности, а свободные кварки изгоняются из космоса.

Конечно, до этого тоже происходит немало интересных событий. Когда Вселенной исполняется 1 микросекунда (10–6 с), ее температура составляет 10 триллионов кельвинов, а ее плотность в 1000 раз превышает плотность атомного ядра. Сложных частиц еще нет – у нас лишь главные строительные блоки: кварки, электроны, их античастицы и фотоны (плюс обилие малополезных нейтрино). Хотя космологические модели позволяют нам зайти в исследовании прошлого еще дальше, пока что нас вполне устроит Вселенная размером с большую звезду – очень горячая, очень плотная и состоящая исключительно из аморфных частиц. Вероятно, именно здесь раскрывается таинственная асимметрия между веществом и антивеществом, благодаря которой мы и получили материал, из которого сделано все на свете.

Эта модель описывает условия, очень далекие от нашей повседневной жизни – но это вовсе не безудержные спекуляции. Они основаны на хорошо известной нам физике, тщательно проверенной в наших лабораториях и в ускорителях частиц. Слияние кварков в протоны и нейтроны, аннигиляция вещества и антивещества, образование ядер атомов, помимо Водорода, формирование нейтральных атомов – все это хорошо изученные явления. Температура и крошечные флуктуации космического микроволнового фонового излучения, относительное содержание каждого из легких ядер и масштабная структура современной Вселенной – все это жестко ограничивает условия, преобладавшие в первые моменты существования космоса. В частности, мы представляем себе историю кварков и лептонов за все 13,8 миллиарда лет, миновавших с микросекунды (t = 10–6 с) до настоящего времени. И теперь, когда мы знаем ее, нам выпала честь обратиться к самим атомам, созданным из этих элементарных частиц, и попросить их поведать нам историю нашего мира.

Эпилог: История кварка

На протяжении всей этой книги присутствие, отсутствие, возбуждение и преображение крошечных атомов позволяло нам воссоздать истории, связанные с нашей культурой, нашей планетой и нашей Вселенной. Однако у каждого из них есть своя собственная история, и если учесть, насколько стабильны их составляющие, она восходит к началу времен. Сказка-притча, приведенная ниже, подведет итог всему, что нам удалось узнать.

Я – верхний кварк. Я родился на свет в хаотическом квантовом супе, когда Вселенной исполнилась одна микросекунда, и меня тут же привлекла – или, можно даже сказать, притянула – пара из двух кварков, верхнего и нижнего. Мы втроем тут же поладили, объединились, образовали неразрывную связь и стали одним из первых протонов во Вселенной. По прошествии ста долгих микросекунд наш протон лоб в лоб столкнулся с одним чересчур энергичным электроном, вследствие чего последний был незамедлительно поглощен, нейтрализовал наш положительный заряд и образовал нейтрон. Впрочем, когда Вселенной было уже тридцать секунд, мои спутники-кварки и я, заскучав в этом нейтральном состоянии, избавились от электрона (иными словами, наш нейтрон претерпел бета-распад) и вернулись к нашей фундаментальной «протонности».

Прошло еще несколько секунд, и случилось новое столкновение – к нам прикрепился другой нейтрон, образовав дейтерий. Но увы! Пара мгновений, и в нас влетел фотон (какая многолюдная вечеринка!) – и мы снова разлучились. Однако через минуту мы нашли новый нейтрон, и на этот раз связь стала более прочной – Вселенная расширилась, у фотонов растянулись длины волн, и ни одному из них уже не хватало энергии, чтобы оторвать нас друг от друга. Наш протон и нейтрон – настолько привлекательная пара, что все так и просятся к нам на вечеринку; через несколько секунд появляется еще одно ядро дейтерия, и мы быстро формируем ядерную семью из четырех частиц – стабильное ядро Гелия.

Так миновали сотни тысяч лет. Впрочем, я не унывал – мне было хорошо в ядре нашего Гелия. На вечеринках уже не так много гостей, и стало заметно прохладнее. По прошествии 390 000 лет, когда температура упала до нескольких тысяч кельвинов, мы захватили пару электронов, пролетевших мимо, и они обещали вращаться вокруг нас вечно. Правда, один время от времени ускользал, приблизившись к особо энергичному фотону, – но поскольку все электроны одинаковы, его вскоре сменял другой, и никто ни о чем не подозревал. Нашему атому Гелия было вполне достаточно двух его электронов, и соединяться с другими атомами он не хотел (на самом деле хотел, но не мог, но мы предпочитаем говорить об этом как о самоопределении). Так продолжался наш одинокий дрейф во все более широкой Вселенной.

Еще 400 миллионов лет, и мы оказались в облаке атомов Водорода и Гелия – оно было необычайно привлекательным и привлекло к себе примерно 10^68 атомов, создав огромную структуру, которую однажды назовут Млечным путем. В нем было просторно – ближайшие атомные соседи пролетали в сантиметре от нас. Так продолжалось 9 миллиардов лет, а потом соседей стало больше – поначалу двое, потом десять, потом десять тысяч, а следом и миллион «попутчиков» втиснулись в кусочек пространства размером с кубик сахара, который прежде был только нашим!

А потом все стало намного хуже. Мы падали и сжимались, падали и сжимались до тех пор, пока столкновения с нашими соседями не усилились настолько, что наши электроны оторвались и навсегда исчезли. Вскоре мы уже сталкивались с другими ядрами миллионы раз в секунду. Повсюду сливались друг с другом и протоны, образуя дейтерий, и ядра дейтерия, создавая наших слабых собратьев – ядра Гелия‐3, при слиянии которых возникали более правильные ядра Гелия, подобные нам. В конце концов вокруг нас остались лишь наши копии – триллионы сородичей. Стало еще жарче, возросла плотность, и мы так сильно столкнулись с двумя из них, что уже не могли уйти – мы оказались связаны в ядре Углерода.

По прошествии нескольких сотен тысяч лет нас вышвырнуло из этого кипящего котла со скоростью, составляющей десятую часть скорости света, в прохладную тьму межзвездного пространства. Там было слишком холодно – всего на 10 кельвинов выше абсолютного нуля, и медленно бредущие соседи, словно пытаясь согреться, вновь подходили все ближе друг к другу. Спустя миллион лет мы натолкнулись на крохотную пылинку, прилипли к ее поверхности – и там, на твердой почве, пришло время познакомиться с соседями. Мы пригласили в гости еще пять атомов Углерода, два атома Азота, два атома Кислорода и четырнадцать атомов Водорода – и это позволило нам выстроить долговременные связи (с характерной «левой» направленностью) и образовать лизин.

Прошло, наверное, 10 миллионов лет, и наше маленькое зернышко с громким стуком приземлилось на астероид шириной в два километра. Мимо пролетало множество других камней и валунов. Еще через 20 миллионов лет мы бухнулись на кору недавно возникшего места, называемого (по неизвестной причине) Землей. Все наконец-то успокоилось – похоже, в кои-то веки я нашел постоянный дом. Теперь я – верхний кварк в протоне в ядре Углерода в молекуле лизина на остывающей планете.

Однако настал день, когда я вдруг понял, что молекула, давшая мне приют, плавает в воде. Мимо проплыли несколько молекул аденина, и стоило им нас рассмотреть, как одна вцепилась в нас мертвой хваткой. Затем, словно в соответствии с каким-то невидимым планом, в цепочку встраивалось все больше аминокислот, подобных нашей, а сама она сворачивалась во всевозможные формы, пока мы не застряли в клеточной стенке археи. Но нет покоя для уставших. Клетка археи вскоре испустила дух и ушла на дно пруда, ее съел червь, червя склевала птица, и я попал в яичный желток – на миллиард лет.

В какой-то момент приютивший меня атом Углерода разорвал связь с товарищами, вырвался на свободу, и мы отправились искать новых друзей в кальците, из которого состояла раковина фораминиферы, плавающей в океане. Она так и плавала, пока не умерла и не утонула, оказавшись на океанском дне – на глубине в шесть с половиной километров. Там, внизу, все происходило очень медленно, но движение все-таки совершалось, и в конце концов я ощутил, как стало жарко, и нас внезапно и бесцеремонно выбросило из вулкана – так мы связались с двумя друзьями, атомами Кислорода, и смогли свободно бродить в атмосфере. Однажды зимой мы слишком близко подлетели к земле и оказались в ловушке – в воздушном пузыре, заключенном во льду, – где и провели 300 000 лет, прежде чем любопытная женщина с большой иглой освободила меня и принесла в холодную лабораторию.

Мы вылетели из окна, но тут нас подхватил древесный лист, довольно грубо разлучив с друзьями из Кислорода, а я смог присоединиться к нескольким братьям и сестрам из Углерода в цепочке из целлюлозы. Все шло мирно в течение ста лет или около того, пока не пришел человек с сверлом – и щепка, в которой мы были, не упала на лесную подстилку. Никто этого не заметил, а нас случайно проглотила проходившая мимо индейка, клюющая землю в поисках семян, и вскоре я вновь оказался в одной из длинных складчатых цепочек в бедре индейки. Так продолжалось, наверное, с полгода, пока на несколько часов не стало очень жарко, а затем, под аккомпанемент жевательных звуков и громких споров, мы еще раз перестроились, воссоединились с двумя друзьями – атомами Кислорода – и с легким вздохом улетели обратно в атмосферу, чтобы продолжить свой путь. Так странствуем по свету мы, верхние кварки.

Странствие моего кварка длится 13,8 миллиарда лет. Система, позволяющая нам узнать его историю, – наука, существует всего немногим более 400 лет, с того январского вечера, когда Галилео Галилей направил свой недавно изобретенный телескоп на ночное небо и начал проверять противоречивые гипотезы не посредством изящной риторики, а путем наблюдений и экспериментов. Галилей ничего не знал об атомах, но дал нам новый подход к Вселенной. Он показал, что это – великая книга, «написанная на языке математики», и утверждал, что мы сможем понять эту книгу, если выучим ее язык, иными словами, если поймем, что Вселенная – единая и такая разная – постижима^1.

Именно в духе Галилея мы применили наше представление о физике атомов к вопросам, связанным с историей искусства, археологией, химией, геологией и астрономией, чтобы обогатить и расширить наш взгляд на историю. Ряд тем, затронутых нами, имеет практическое применение: это проверка произведений искусства, диагностика заболеваний и исследование экстремальных климатических условий прошлого, благодаря которому мы можем предсказать будущее. Другие моменты – скажем, знание того, когда коренные народы научились сажать кукурузу или как именно атом Углерода в вашем ногте создавался в недрах звезды, – не повлияют ни на ваше долголетие, ни на ваш брокерский счет. Но все же я надеюсь, что наши атомные «расследования» позволили вам лучше понять и историю, и науку, и наше место во Вселенной.

Глоссарий

Хотя я попытался подробно раскрыть все научные термины, которые встречаются в тексте, я не удивлюсь, если к главе 13 читатели уже и не вспомнят, что такое ион или как устроен механизм изотопного фракционирования. Поэтому для удобства я привожу здесь глоссарий терминов с краткими определениями, которые, на что я очень рассчитываю, оживят вашу память; в большинстве случаев более подробные сведения можно найти в самом тексте.

Альфа-распад. Радиоактивное превращение, в ходе которого атомное ядро испускает ядра Гелия (два протона и два нейтрона). Этот тип превращения меняет атомный номер ядра на –2 и атомную массу на –4.

Антивещество. Зеркальные версии элементарных частиц, идентичные обычным частицам, за исключением того, что их электрические заряды поменяны местами. Антиэлектрон (или позитрон) имеет заряд +1, а анти-верхний кварк – заряд —2/3. Антинейтрон сохраняет нулевой заряд, но вместо комбинации udd для него характерна другая: анти-u, анти-d, анти-d. Частицы антивещества обозначаются символом частицы с горизонтальной линией сверху (например, антинейтрон – это ￼).

Атомная масса. Сумма числа протонов и нейтронов в атоме. Она не равна массе, измеряемой в килограммах, поскольку некоторая часть массы-энергии теряется при слиянии ядерных частиц, из которых состоит атом.

Атомный номер. Число протонов (а для нейтрального атома – и число электронов) в атоме. Все атомные номера от 1 до 118 представлены в Периодической таблице химических элементов.

Атомы. Основные строительные блоки всей материи, состоящие из массивного положительно заряженного ядра, сформированного из протонов и нейтронов и окруженного облаком легких отрицательно заряженных электронов.

Бета-распад. Радиоактивное превращение атомного ядра, предполагающее испускание или поглощение электрона или его античастицы – позитрона. Этот тип трансформации изменяет атомный номер ядра на ±1, но оставляет неизменной атомную массу.

Бозон. Класс элементарных частиц с квантовым спином 0, 1 или2. Фотоны, глюоны и другие частицы, переносящие взаимодействия, относятся именно к бозонам, как и любая сложная частица, например Гелий-4 и другие стабильные ядра с четным массовым числом.

Взаимодействие. Толчок или тяга. Существует четыре фундаментальных природных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное.

Газ. Совокупность частиц одного или разных видов (в последнем случае называется смесью), в которой частицы могут двигаться свободно и независимо, упруго сталкиваясь (как бильярдные шары) друг с другом и со стенками своего сосуда. В воздухе у поверхности Земли расстояние между частицами примерно в десять раз превышает их диаметры. Пар – это газообразное состояние H_2O.

Гамма-луч. Фотон высокой энергии (E > 10^5 эВ).

Гамма-распад. Высвобождение фотонов гамма-излучения из энергетически возбужденного ядра. Часто следует за альфа- или бета-распадом, преобразившим ядро и оставившим его в возбужденном состоянии. Гамма-распад не меняет ни атомную массу, ни атомный номер ядра.

Глюон. Частица, несущая сильное ядерное взаимодействие (бозон), которая сохраняет кварки связанными в протоны и нейтроны и удерживает атомные ядра от разлета.

Гравитация. Самое слабое из четырех природных взаимодействий (в 10–36 раз слабее электромагнитного), которое заставляет все объекты, обладающие массой, притягивать друг друга. В представлении Альберта Эйнштейна наличие массы искажает ткань пространства-времени, что, в свою очередь, ограничивает способы перемещения объектов.

Деление. Расщепление атомного ядра, происходящее самопроизвольно (редко) либо в результате столкновения с внешним нейтроном или гамма-лучами. У тяжелых элементов этот процесс создает два ядра более легких элементов и протекает с выделением энергии.

Джоуль. Метрическая единица энергии, равная 1 кг × м^2/с^2. Один ватт – это расход 1 джоуля в секунду.

Жидкость. Совокупность частиц одного и того же или разных видов (в последнем случае называется смесью), в которой частицы соприкасаются друг с другом, но могут свободно скользить, так что жидкость принимает форму сосуда, в который ее наливают. Вода – это жидкое состояние H_2O.

Заряд. Фундаментальное свойство вещества, благодаря которому порождается электромагнитное взаимодействие и реакция на него.

Изотоп. Различные версии атома (элемента) определенного типа, которые отличаются друг от друга по количеству содержащихся в них нейтронов. Все такие атомы химически эквивалентны, но обладают разной массой и поэтому могут вступать в химические реакции с разной скоростью.

Изотопное соотношение. 13C/12C – количество атомов C-13 по сравнению с числом атомов C-12. Его часто сравнивают со стандартом – например, соотношение изотопов в каком-либо веществе сопоставляют с их соотношением в воздухе.

Ион. Атом, ставший электрически положительным или отрицательным вследствие потери одного или нескольких электронов или приобретения дополнительных электронов.

Квантовые числа. Числа, соответствующие энергии элементарной частицы (n), орбитальному моменту (l) и спину (s). В атоме никакие две частицы не могут иметь одинаковый набор квантовых чисел; благодаря этому свойству исключения элементарных частиц формируется электронная энергетическая конфигурация атомов с оболочками и подоболочками.

Кварки. Группа элементарных частиц (фермионов), которые в современной Вселенной всегда связаны в пары (мезоны), тройки (протоны и нейтроны и множество нестабильных конфигураций) или группы более высокого порядка. Верхние (заряд +2/3) и нижние (заряд —1/3) кварки образуют протоны (uud) и нейтроны (udd).

Конкордия. Метод радиоизотопного датирования, учитывающий возможный выход дочерних ядер из исследуемого образца (см. рис. 12.1).

Лептоны. Набор «легких» элементарных частиц, куда входят электрон (и его более тяжелые собратья мюон и таон), а также соответствующие им нейтрино и античастицы.

Молекулы. Частицы, содержащие четко определенное количество одного или нескольких элементов. Эти элементы связаны между собой относительно слабыми электрическими силами, которыми обмениваются их самые внешние электроны. Кислород, который мы вдыхаем, состоит из двух атомов Кислорода, соединенных в молекулу Кислорода (O_2). Углекислый газ, который мы выдыхаем, – это один атом Углерода, соединенный с двумя атомами Кислорода (CO_2). Размер молекул может варьироваться от 2 атомов до более чем 10 миллиардов атомов.

Накопительные часы. Метод радиоизотопного датирования (несколько упрощенный), который предполагает, что образец изначально не содержит ни одного дочернего изотопа, соответствующего ряду распада, и что ни один из дочерних изотопов, образовавшихся в ходе распада, не вытек из образца. В этом случае соотношение материнских и дочерних изотопов напрямую дает возраст выборки (см. рис. 6.5).

Нейтрино. Частица чрезвычайно малой массы (< 1 эВ или < 1/500 000 массы электрона), участвующая в реакциях, которые, в свою очередь, предполагают слабое ядерное взаимодействие.

Нейтрон. Нейтральная частица, присутствующая в атомном ядре. Обладает массой немного большей, чем у протона, и состоит из трех кварков (udd).

Период полураспада. Время, необходимое для распада половины образца радиоактивных атомов (или, иными словами, временной промежуток, в течение которого вероятность распада одного радиоактивного ядра составляет 50 %). Период полураспада варьируется от крошечных долей микросекунды до возраста, превышающего возраст Вселенной. Период полураспада того или иного радиоактивного ядра невозможно изменить под воздействием внешних сил, благодаря чему он становится невозмутимыми часами.

Периодическая таблица химических элементов. Краткая классификация 118 известных элементов. Строки соответствуют уровням энергии первичных электронов (n), а в столбцах сгруппированы атомы со схожими внешними электронными конфигурациями (и, следовательно, со схожими химическими свойствами).

Позитрон. Античастица электрона с зарядом +1.

Протон. Положительно заряженная частица, присутствующая в атомном ядре. Обладает массой немного меньшей, чем нейтрон, и состоит из трех кварков (uud). Количество протонов однозначно определяет идентичность элемента.

Радиоактивность. Самопроизвольное и невозмутимое превращение атомного ядра в другое (или, по крайней мере, в менее возбужденное) ядро.

Радиоактивный изотоп. Изотоп, который распадается с фиксированной скоростью; таким образом, его можно использовать как часы. 14С радиоактивен; половина его атомов распадается за 5730 лет.

Рентгеновское излучение. Поток электромагнитных фотонов относительно высокой энергии (примерно от 100 до 100 000 эВ).

Сильное ядерное взаимодействие. Одно из четырех природных взаимодействий, которое действует только на кварки и их свойство цветового заряда и только на масштабах < 10–14 метра (иными словами, внутри атомного ядра). Сильное взаимодействие примерно в 100 раз сильнее электромагнитного и отвечает за удержание атомного ядра.

Синтез. Слияние двух атомных ядер с образованием более тяжелого ядра. У элементов легче Железа-56 в ходе этого процесса выделяется энергия, обычно составляющая от десятков до сотен Мэ В. В ходе синтеза создается топливо для звезд.

Слабое ядерное взаимодействие. Одно из четырех природных взаимодействий, действующее только на масштабах < 10–14 метра (иными словами, внутри атомного ядра). Оно в значительной степени является посредником радиоактивного распада и составляет примерно 1/10 000 силы электромагнитного взаимодействия, или 10–6 сильного ядерного взаимодействия.

Стабильный изотоп. Изотоп, который не подвергается радиоактивному распаду, по крайней мере, за время, которое в триллион раз превышает возраст Вселенной. В его ядре превосходно уравновешены нейтроны и протоны. В природе существует 254 стабильных изотопа.

Твердое тело. Совокупность частиц одного и того же или разных видов (в последнем случае называется смесью), в которой частицы соприкасаются друг с другом и имеют четко определенное положение, поэтому не могут свободно двигаться. Лед – это твердое состояние H_2O.

Температура. Мера средней кинетической энергии совокупности частиц. Нулевая точка абсолютной температурной шкалы Кельвина, когда любое движение прекращается, находится на отметке –273,15 °C.

Фермион. Класс элементарных частиц со спином ±½. Электроны, нейтрино, кварки и соответствующие им античастицы относятся к фермионам, как и ядра с нечетными номерами.

Фотон. Небольшая порция электромагнитного излучения с массой, равной нулю, и энергией, обратно пропорциональной ее длине волны.

Фракционирование. Процесс, при котором химическая реакция либо отвергает, либо отдает предпочтение определенному изотопу элемента, из-за чего изотопная сигнатура продукта реакции отличается от таковой в источнике, из которого взяты атомы. Классический пример – фотосинтез, когда растения, использующие разные пути фотосинтеза, по-разному реагируют на более тяжелый изотоп Углерода-13 по сравнению с Углеродом-12. Поэтому говорят, что разные виды растений имеют разные коэффициенты фракционирования.

Химическая реакция. Превращение, затрагивающее самые внешние электроны атомов, в ходе которого они объединяются или разрывают свои связи с другими атомами, либо поглощая, либо высвобождая энергию. Типичные энергии при этом не превышают 1 эВ на атом более чем в десять раз.

Электромагнетизм. Одно из четырех природных взаимодействий, которое заставляет объекты, обладающие зарядом, притягивать (если заряды противоположны) или отталкивать (если заряды одинаковы) друг друга. Фотон – переносчик электромагнетизма.

Электромагнитный спектр. Диапазон длин волн электрической и магнитной энергии, которые способны усиливать себя самих. Они перемещаются в вакууме со скоростью света (3 × 10^8 м/с). Видимый свет представляет собой одну октаву спектра, причем в природе этот спектр охватывает более 60 октав; в их число входят радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Электрон. Элементарная частица, принадлежащая к классу фермионов и несущая электрический заряд –1.

Электронвольт (эВ). Единица энергии, подходящая для взаимодействия фундаментальных частиц на атомном уровне, где 1 эВ = 1,6 × 10–19 Дж. Взаимодействия между атомами в молекулах обычно происходят с выделением энергии от 0,1 до 10 эВ, электроны удерживают связь с ядрами с помощью энергии от нескольких до нескольких сотен тысяч эВ (100 кэВ), а для ядерных процессов, как правило, характерна энергия в миллионы эВ (МэВ).

Элементы. 118 (от 1 до 94 – природные; от 95 до 118 – искусственные) основных строительных блоков всех веществ. Они определяются атомным номером (числом протонов; все версии от 1 до 118 способны существовать).

Энергия. Концепция, представляющая способность совершать работу – изменять величину или направление движения. Ее полезность проистекает из того, что энергия, способная принимать множество форм, никогда не создается и не уничтожается. Основные метрические единицы ее измерения – калория, которая представляет собой количество энергии, необходимое для поднятия температуры 1 грамма воды на 1 градус Цельсия, и джоуль; 4,184 Дж = 1 калория.

Ядро. Положительно заряженный массивный центр атома с характерным размером примерно 10–15 мкм, состоящий из протонов и нейтронов.

Примечания

Вступление

1. Изначально секунда определялась как 1/86 400 дня (24 часа × 60 минут (час) × 60 секунд (минута) = 86 400 секунд). Однако, поскольку продолжительность дня зависит от скорости вращения Земли и эта скорость меняется со временем, в 1967 году было принято новое определение, основанное на сверхтонком переходе Cs‐133. Современные атомные часы настолько точны, что набирают погрешность в 1 секунду за 3 миллиарда лет – это примерно четверть возраста Вселенной.

Глава 2. Осмысление атома: от философии к науке

1. Bhaskar Jha, “A Critical Study About the Nyaya-Vaisesika Theory of Atomism”, International Journal of Research and Critical Reviews 5, no. 3 (2018): 920–923.

2. Это журнал с открытым доступом и платной публикацией, он не фигурирует в списке подозрительных хищнических журналов, который приводится по адресу https://predatoryjournals. com/journals/, поэтому я предполагаю, что это источник, достойный доверия.

3. Опровергаемость ввел в качестве критерия истинной научной работы философ Карл Поппер в «Логике научного исследования» (1934).

4. Книга Стивена Гринблатта The Swerve: How the World Became Modern (New York: Norton, 2012) была удостоена Пулитцеровской премии и Национальной книжной премии. Цитата приводится на странице 187.

5. Поразительная история этой потери и возвращения блестяще рассказана в книге Гринблатта The Swerve, указанной в предыдущем примечании, хотя следует отметить, что, хотя история открытия, приведенная у Гринблатта, не подвергалась сомнению, характеристику Средневековья, которую он привел, резко критиковали (например, J. Hinch, “Why Stephen Greenblatt Is Wrong and Why It Matters”, Los Angeles Review of Books, December 1, 2012, и ссылки в книге).

6. S. Greenblatt, The Swerve, 220.

7. Saul Fisher, “Pierre Gassendi”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy, ed. Edward N. Zalta, Stanford University, 2014, sec. 10, https://plato. stanford. edu/archives/spr2014/entries/gassendi/.

8. G. Schilling, Ripples in Spacetime: Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2017).

9. Antoine Lavoisier, Traité élémentaire de chimie, présenté dans un ordre nouveau et d’après les découvertes modernes (Paris: Chez Cuchet; Bruxelles: Cultures et Civilisations, 1965). Перевести название можно так: «Начальный учебник химии, изложенный в новом порядке и в соответствии с современными открытиями».

10. M. Bachtold, “Saving Mach’s View on Atoms”, Journal for General Philosophy of Science/Zeitschrift für allgemeine Wissenschaftstheorie, 41, no. 1 (June 2010): 1–19.

11. B. J. Ford, “Brownian Motion in Clarkia Pollen: A Reprise of the First Observations”, The Microscope, 40, no. 4 (1992): 235–241.

12. S. Greenblatt, The Swerve, xx. Следует отметить, что танец пылинок в солнечном свете не совсем уместно сравнивать с микроскопическим движением пыльцевых зерен по Брауну, поскольку движущей силой последнего в действительности становятся статистически случайные столкновения отдельных молекул, тогда как макроскопические частички пыли перемещаются по воле воздушных потоков, представляющих собой скоординированное направленное движение триллионов молекул воздуха; однако в качественном отношении аналогия разумна. [Русский текст цит. по: Тит Лукреций Кар. О природе вещей / Пер. с лат. Ф. Петровского. – М., 1983. – С. 62–63.]

13. J. J. Thompson, “Cathode Rays”, The Electrician 39 (1897): 104. В этой статье были представлены первые экспериментальные доказательства того, что атомы действительно не являются «неделимыми», а состоят из более мелких частиц – Томпсон назвал их «корпускулами» – с отрицательным зарядом (теперь их называют электронами). Позже он представил атомы как «сливовый пудинг», в котором электроны были подобны изюминкам, хаотично распределенным в уравновешивающем, положительно заряженном тесте.

14. Ernest Rutherford, “The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom”, Philosophical Magazine 21, no. 125 (1911): 669–688. В этой статье Резерфорд сообщает о поразительном результате эксперимента, который он провел вместе с Эрнестом Марсденом, в котором они рассеивали альфа-частицы (теперь известные как ядра Гелия), пропуская их через тонкую золотую фольгу, и обнаружили, что некоторые из них изменили направление и вернулись обратно к источнику. Резерфорд, как известно, заметил: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а он возвратился бы и поразил вас». Единственное правдоподобное объяснение заключалось в том, что положительный заряд альфа-частиц отталкивался положительным зарядом атома, который, в отличие от гипотетического рассредоточенного распределения атомной модели Томпсона, был сконцентрирован в крошечной части атома – в том, что мы теперь называем ядром.

15. Niels Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I”, Philosophical Magazine 26, no. 151 (1913): 1–24. В этой статье Бор излагает свою модель атома, учитывающую компактное ядро Резерфорда, и вводит в атомную структуру понятие кванта.

16. Max Planck, “On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum”, in Verhandl. Dtsch. Phys. Ges. 2 (1900), p. 237. [Русский перевод: К теории распределения энергии излучения нормального спектра / Избранные научные труды: [пер. с нем. под ред. А. П. Виноградова] / М. Планк. – М.: Наука, 1975. – С. 251.] В этой статье, опубликованной на заре нового века, Планк вводит понятие «кванта» света, который мы теперь называем фотоном.

17. Albert Einstein, “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt” [ «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света»] Annalen der Physik 17, no. 6 (1905): 132–148. Эта статья, в которой объясняется, как свет высвобождает электроны из атомов, стала первой из четырех статей Эйнштейна, созданных в 1905 году, его annus mirabilis, и именно за нее он был удостоен Нобелевской премии в 1921 году.

Глава 3. Атом: утилитарный взгляд

1. Есть и четвертое состояние материи, которое, по сути, составляет большую часть Вселенной, но очень редко встречается на Земле: плазма. Она обнаруживается только там, где температура превышает примерно 10 000 °C. Плазма состоит из вещества, в котором электроны оторваны от материнских атомов.

2. Если не верите, возьмите крышку банки размером с чашку кофе и попытайтесь сжать жидкость так, чтобы она занимала меньше места, – но подождите, пока кофе остынет, чтобы не получить ожогов первой степени.

3. Частицы воздуха в вашей комнате движутся удивительно быстро. Связь между температурой и скоростью равна v(макс) = 145 м/с sqrt {T[K]/м[а. е. м]}, где v(макс) – скорость частиц на пике распределения (распространенная скорость), T – температура (в Кельвинах – пояснения в тексте, m – масса частицы в атомных единицах массы (см. гл. 4). Таким образом, частицы воздуха в помещении при температуре 20 °C движутся почти со скоростью, равной половине километра в секунду (1800 км/ч).

4. Температура кипения воды зависит прежде всего от скорости ее частиц (т. е. ее температуры), а также от внешнего давления, испытываемого ею со стороны воздуха. Молекулам воды требуется меньше энергии, чтобы вырваться из жидкости, когда меньше частиц воздуха возвращают их в жидкое состояние. Поэтому температура, при которой закипает вода, снижается примерно на 0,5 °C на каждые 150 метров высоты; в Денвере, «городе на высоте мили», вода кипит при 95 °C.

5. Если предположить, что температура воды в ванне выше, чем у окружающего воздуха, то каждый раз, когда частица воздуха сталкивается с частицей воды, она получает удар и уносит некоторую дополнительную энергию. Поэтому воздух становится немного теплее, а вода в ванне – немного прохладнее. Так продолжается до тех пор, пока они не достигнут равновесия, при котором каждое столкновение воздуха и воды с одинаковой вероятностью будет и передавать энергию воде, и забирать ее у воды – вода становится «комнатной температуры».

6. Атмосфера состоит из частиц, обладающих массой, и все, что имеет массу, подвергается воздействию гравитации; таким образом, атмосфера действительно падает. Однако, как описано выше, в примечании 3, частицы воздуха движутся быстро – в среднем со скоростью примерно 500 метров в секунду, причем самые быстрые из них в пять или десять раз быстрее. Поэтому они могут достигать больших высот, прежде чем замедлиться, остановиться и упасть обратно к Земле. Вот почему на большой высоте труднее дышать: туда поднимаются только самые быстрые частицы, и частиц Кислорода, которыми можно дышать, меньше.

7. Велосипедный насос нагревается, потому что вы ускоряете частицы воздуха в нем, а чем выше скорость, тем выше температура, о чем я не устаю напоминать.

8. Кондиционер охлаждает комнату, приводя быстро движущиеся (горячие) частицы воздуха в контакт с медленно движущимися частицами охлаждающей жидкости. Частицы воздуха при взаимодействии теряют часть своей энергии, и тем самым в помещении становится прохладнее.

9. Скорее всего, из школьного курса вы узнали, что в природе существует девяносто два элемента. В этой книге я говорю о девяноста четырех, поскольку и Нептуний (номер 93), и Плутоний (номер 94) встречаются в следовых количествах в горных породах. Однако на самом деле это число в какой-то мере условно. Всего восемьдесят элементов (см. гл. 4) имеют хотя бы один стабильный изотоп (см. гл. 5); остальные двенадцать или четырнадцать (или даже восемнадцать, потому что элементы с 94-го по 98-й тоже пусть и в мимолетных количествах, но встречаются на Земле) представляют собой продукты радиоактивного распада (глава 6). Кроме того, по всей видимости, и они, и еще более тяжелые элементы образуются в ходе интенсивных событий – взрывов сверхновых и слияний нейтронных звезд (глава 16), – в которых создаются все тяжелые элементы, правда, их жизнь настолько коротка, что в земной коре их нет. И все же их можно назвать «природными».

10. Даже это число, тридцать один, в каком-то плане условно. Например, как отмечено в тексте, кварки обладают дополнительным свойством «цветового заряда», у которого три разновидности и которое, если считать по отдельности, превратило бы двенадцать кварков в тридцать шесть. По-прежнему не решен вопрос, не являются ли нейтрино своими собственными античастицами (что сократило бы мой подсчет на три). Впрочем, главное в том, что в современной стандартной модели физики частиц невероятно много предположительно «фундаментальных» частиц.

11. Теория струн – изящное математическое построение, в котором воображается десяти- или одиннадцатимерное пространство, где сущности, предстающие в нашем четырехмерном пространстве-времени как частицы, оказываются проявлениями различных форм колебаний крошечных «струн». Поскольку эта математика еще не сделала опровергаемых предсказаний о материальном мире, вопрос о том, следует ли называть ее наукой, остается спорным; пылких защитников много и с той и с другой стороны.

12. Размеры ядер варьируются от единственного протона ядра Водорода с радиусом 1,7 × 10–15 м до Урана, у которого 238 протонов и нейтронов втиснуты в пространство менее чем в семь раз больше: 11,7 × 10–15 м.

13. Изначально слово «элемент» обозначало один из четырех многогранников, олицетворяющих землю, воздух, огонь и воду, из которых, как считалось, состояло все остальное.

Глава 4. Элементы: наш набор «кирпичиков»

1. Само слово «элементы» (stoicheia) впервые упоминается в трактате Платона «Тимей» (ок. 360 г. до н. э.), где разделяются воззрения Эмпедокла, возникшие столетием ранее. Аристотель также использовал этот термин и дал ему определение.

2. J. R. Partington, A Short History of Chemistry (New York: Dover, 1937). Наполненный Водородом дирижабль с пассажирской кабиной, расположенной внизу, попытался приземлиться в Лейкхерсте, штат Нью-Джерси, после трансатлантического перелета из Германии и загорелся. В бедствии погибли тринадцать пассажиров, двадцать два члена экипажа и один человек из наземной команды.

3. Это так называемые благородные газы, неспособные вступать в связь с другими элементами (и даже, в отличие от людей-аристократов, между собой), поскольку их внешние электронные оболочки заполнены.

4. Октава – интервал, в котором соотношение частот между двумя звуками различной высоты составляет один к двум. Например, «ля» выше среднего «до» – это вибрация с частотой 440 колебаний в секунду, тогда как «ля» ниже среднего «до», на одну октаву ниже – это вибрация с частотой 220 циклов в секунду. Скорость вибрации струны определяется ее длиной, толщиной и натяжением, но при фиксированном натяжении и толщине удвоение длины производит звук ровно на октаву ниже исходной ноты.

5. Калория с заглавной «С», Calorie (именно такой вариант применен на упаковке пищевых продуктов) – это килокалория, или 1000 калорий. Калория – это энергия, необходимая для повышения температуры одного грамма воды на 1 °C.

Глава 5. Изотопы: разновидности элементов

1. Термин «изотоп» химику Фредерику Содди предложила подруга семьи Маргарет Тодд, одна из первых абитуриенток Эдинбургской медицинской школы для женщин (1886 г.).

2. У 83-го элемента, Висмута, есть изотоп со 126 нейтронами, и долгое время он считался самым тяжелым стабильным изотопом. В 2003 году ученые обнаружили, что он может подвергаться альфа-распаду (см. гл. 6). Период полураспада Висмута‐209 составляет 1,9 × 10^19 лет, или 19 квинтиллионов лет, что примерно в 1,5 миллиарда раз больше возраста Вселенной.

3. Радиоактивность, описанная в главе 6, – это процесс, посредством которого атомные ядра самопроизвольно превращаются из одного элемента или изотопа в другой.

4. В лаборатории Берцелиуса были обнаружены восемь элементов: Церий, Селен, Цирконий, Литий, Лантан, Ванадий, Кремний и Торий. Имена двум последним элементам дали другие люди, но Берцелиус был первым, кто изолировал их и измерил их свойства.

5. Britannica. com, “The Discovery of Isotopes” [ «Открытие изотопов»], дата обращения: 2 февраля 2023 г., https://www. britannica. com/science/isotope/The-discovery-of-isotopes.

6. F. W. Aston, “A Positive Ray Spectrograph”, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 38 (1919): 707–714.

7. Обратите внимание, что 35 × 0,7577 + 37 × 0,2423 = 35,485, а не 35,45, но не забывайте, что при создании ядер масса теряется, превращаясь в энергию связи ядра. См. главу 3.

8. Остальные элементы с одним стабильным изотопом: Фосфор (номер 15), Скандий (21), Ванадий (23), Марганец (25), Кобальт (27), Мышьяк (33), Рубидий (37), Иттрий (39), Ниобий (41), Родий (45), Индий (49), Йод (53), Цезий (55), Лантан (57), Празеодим (59), Европий (63), Тербий (65), Гольмий (67), Тулий (69), Лютеций (71), Рений (75) и Золото (79).

9. Минерал, из которого добывают Уран, ныне называемый уранинитом, изначально назывался настураном. Уран впервые выделили из него в 1789 году. Марии Кюри пришлось переработать тонны Урана, чтобы в 1910 году открыть Радий. Небольшие концентрации изотопов, таких как Технеций, Прометий и Франций, обнаруженные в уранините, – это продукты спонтанного деления Урана (см. гл. 6). Свинец и Гелий также встречаются как продукты радиоактивного альфа-распада элементов.

10. Исключение – реактор CANDU, разработанный в Канаде как реактор с водой под давлением. В отличие от большей части коммерческих ядерных технологий, в нем роль замедлителя вместо Бора или Углерода (графита) играет оксид дейтерия (тяжелая вода, в которой атомы Водорода заменены дейтерием, или 2H). Кроме того, в реакторах CANDU применяется природная урановая руда, в которой доля Урана‐235 составляет всего 0,7 %, что устраняет необходимость в обогащении (и потенциальное использование в качестве оружия, свойственное этому этапу).

11. H. L. Rosenthal, J. E. Gilster, and J. T. Bird, “Strontium‐9 °Content of Deciduous Human Incisors”, Science 140, no. 3563 (1963): 176–177.

12. На графике из источника Rosenthal et al., “Strontium‐9 °Content of Deciduous Human Incisors” показан резкий рост накопления Sr‐90 в детских зубах.

Глава 6. Радиоактивность: невозмутимые часы

1. Henri Becquerel, “Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents”, Comptes Rendus 122 (1896): 501–503, перевод: Carmen Giunta, дата обращения: 02.03.2019.

2. Я не могу не отметить, что, хотя широкая публика смертельно боится отходов атомных электростанций из-за небольших объемов долгоживущих радиоактивных изотопов, производимых ими, на протяжении более двух столетий она была блаженно равнодушна к гораздо более разрушительным отходам сжигания ископаемого топлива – углекислого газа, метана и оксидов Азота, которые преобразуют атмосферу Земли и оказывают пагубное воздействие на наш климат. На самом деле, в то время как самые экстремальные оценки смертности на атомных электростанциях за последние 65 лет исчисляются несколькими тысячами человек, ежегодное число погибших от загрязнения, созданного электростанциями, которые работают на ископаемом топливе, превышает 3 миллиона человек, даже не считая тех, кто погиб в результате климатических изменений.

3. B. Wang et al., “Change of the 7Be Electron Capture Half-Life in Metallic Environments”, The European Physical Journal A – Hadrons and Nuclei 28 (2006): 375–377.

Глава 7. О кражах и подделках: судебная история искусств

1. F. Caro and I. M. Sokrighy, “Khmer Sandstone Quarries of Kulen Mountain and Koh-Ker: A Petrographic and Geochemical Study”, Journal of Archeological Science 39, (2012): 1455–1466.

2. В основе историй об «испанском фальсификаторе» и подделках Блейклока, представленных в этой главе, лежит рассказ об экспериментах, описанных в источнике: Maurice Cotter, “Neutron Activation Analysis of Paintings”, American Scientist 69, no. 1 (1981): 17–27, и отсылки, указанные в статье.

3. После двадцати периодов полураспада количество оставшихся радиоактивных ядер составит (½)20 = 9,5 × 10–7, или чуть меньше одного на миллион.

4. Этот пигмент настолько токсичен, что его больше не используют. Наполеон, сосланный на остров Святой Елены, жил в доме, стены которого были выкрашены в его любимый цвет – ярко-зеленый. Вскрытие его волос выявило высокий уровень Мышьяка, связанный с раком желудка – непосредственной причиной его смерти.

5. Cotter, “Neutron Activation Analysis of Paintings”.

6. H. Smith, “Genius in the Madhouse”, in The Saturday Review, March 31, репринт: The Saturday Review 50th Anniversary Reader: The Golden Age, ed. Richard L. Tobin and S. Spencer Grin (New York: Bantam Books, 1974).

7. H. S. Ching, Z. Q. Zhang, and F. J. Yang, “Non-Destructive Analysis and Identification of Jade by PIXE”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 219–220 (2004): 30–34.

8. P. Del Carmine, L. Giuntini, W. Hooper, F. Lucarelli, and P. A. Mando, “Further Results from PIXE Analysis of Inks in Galileo’s Notes on Motion”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 113 (1996): 354–358.

Глава 8. Углеродные часы: установление дат

1. Заголовок статьи: B. Booker, “Carbon Dating Suggests Early Quran Is Older Than Muhammad”, August 31, 2015, https://www. digitaljournal. com/world/carbon-dating-suggests-early-quran-is-older-than-muhammad/article/442550 – это один из многих примеров с очень сходными формулировками, которые появились в медиасфере всего мира летом 2015 года.

2. Данные о том, где сейчас находится и с какой скоростью меняется местоположение Северного магнитного полюса, полученные Национальным управлением океанических и атмосферных исследований, можно найти здесь: https://www. ngdc. noaa. gov/geomag/Geo MagneticPoles. shtml.

3. Данные о напряженности магнитного поля Земли от Европейского космического агентства можно найти по адресу: https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Swarm/Swarm_probes_weakening_of_Earth_s_Magnetic_field.

4. Описание так называемого бомбового импульса C‐14 в атмосфере, сделанное Ливерморской национальной лабораторией им. Э. Лоуренса, можно найти по адресу: https://cams. llnl. gov/cams-competency/forensics/14c-bomb-pulse-forensics. Измерения, показывающие снижение излишка почти до нуля в 2021 году, взяты из работы: H. Graven et al., “Radiocarbon Dating: Going Back in Time”, Nature 607 (2022): 449.

5. P. J. Reimer et al., “The INTCAL20 Northern Hemisphere Radiocarbon Age Calibration Curve (0–55 CAL kBP)”, Radiocarbon 62, no. 4 (2020): 725–757.

6. Обратите внимание, что в качестве «настоящего времени» принят 1950 год (эпоха, когда радиоуглеродное датирование применили впервые), чтобы не пришлось постоянно обновлять графики и таблицы с текущими датами.

7. F. Miyake, K. Nagaya, K. Masuda, and T. Nakamura, “A Signature of Cosmic Ray Increase in AD774–775 from Tree Rings in Japan”, Nature 486 (2012): 240–242.

8. Взято из онлайн-версии «Англосаксонской хроники» Йельского университета, по адресу: https://avalon. law. yale. edu/medieval/ang08. asp.

9. В экспериментах по подсчету (будь то подсчет голосов или высокоскоростных электронов от радиоактивного распада) неопределенность результата определяется квадратным корнем из количества подсчетов. Таким образом, для неопределенности в 1 % необходимо 10 000 подсчетов ± sqrt(10 000) = 10 000 подсчетов ± 100 подсчетов, что дает относительную погрешность 100/10 000 = 0,01 = 1 %.

10. С учетом того, что пергаменту примерно 1420 лет, количество оставшихся атомов C‐14, N, можно будет подсчитать (начиная с p xx***), умножив изначальное количество на (½)1420/5730 = 0,86. Половина оставшихся атомов распадется в течение следующих 5730 лет, а значит, количество распавшихся за следующий восьмичасовой день в лаборатории составит N{2 × 5730 (годы) × 365 (дни) × 3 (8-часовые интервалы в день)}, или N/1,25 × 10^7. Напомним, что на каждый атом C‐12 приходится всего 10–12 атомов C‐14; нам нужно совершить 10 000 подсчетов за восьмичасовой день (см. прим. 9 выше). Вследствие этого потребуется 10^4 × 1,25 × 10^7 × 10^12/0,86 = 1,5 × 10^23 атомов Углерода в нашем образце. Поскольку каждый атом Углерода имеет массу 12 × 1,67 × 10–24 г, а на Углерод приходится около 20 % массы пергамента, нам необходимо 5 × 12 × 1,67 × 10–24 г/атом × 1,5 × 10^23 атома = 15 г пергамента – вся масса нескольких листов рукописи.

11. Возраст в 35 000 лет – это чуть больше шести периодов полураспада C‐14, а это означает, что в исходном живом объекте осталось только (½)6 атомов (1,6 %). Но 0,01 г Углерода содержит (0,01 г)/(12 а. е. м./атом × 1,67 × 10–24 г/а. е. м.) = 5 × 10^20 атомов Углерода, 10–12 из которых первоначально были изотопом C‐14, что дает 5 × 108 атомов С‐14. Даже сейчас, когда остался только 1 %, в образце все еще есть 5 миллионов атомов C‐14.

12. Неопределенность измерения обычно выражается как одно- или двукратное стандартное отклонение измерения – статистическое описание разброса одной и той же величины при повторных измерениях. Плюс-минус два стандартных отклонения дают нам уверенность в 95 % (если быть точным, 95,4 %) в том, что истинное значение находится в указанном диапазоне лет. Это означает, что одно стандартное отклонение составляет (645–568)/4 = 77/4 = 19 лет, и поэтому величина в ± 3 стандартных отклонения (дающая 99 % уверенности) составит от 549 до 663 лет.

13. https://www. rawstory. com/2015/08/carbon-dating-suggests-worlds-oldest-koran-is-even-older-than-the-prophet-muhammad/. Обратите внимание, что существуют в прямом смысле десятки новостей о датировке этого Корана, включая оригинальную историю Британской вещательной корпорации (BBC) от июля 2015 года (найденную по адресу https://www. bbc. com/news/business‐33436021), основанную на пресс-релизе Бирмингемского университета (https://www. birmingham. ac. uk/news/latest/2015/07/quran-manuscript‐22–07–15. aspx), но я не смог найти публикации результата в рецензируемом научном журнале.

14. I. Hajdas, “Applications of Radiocarbon Dating Methods”, Radiocarbon 51, no. 1 (2009): 79–90.

15. Этот раздел по большей части основан на статьях специального весеннего выпуска журнала The Skeptical Inquirer за 1982 год (№ 3, том 6), посвященного Туринской плащанице.

16. M. Mueller, “The Shroud of Turin: A Critical Appraisal”, Skeptical Inquirer 6, no. 3 (1982): 18.

17. https://www. christianitytoday. com/ct/2004/december/32.56. htm.

Глава 9. История без слов: известь, Свинец и экскременты

1. Благодаря крупице удачи, а также осторожному и творческому подходу группа ученых и искусствоведов решила эту проблему, как описано в следующем разделе, который во многом основан на статье J. Hale, J. Heinemeier, L. Lancaster, A. Lindroos, and A Rongbom “Dating Ancient Mortar”, American Scientist 91 (2003): 130–137.

2. H. Delile, J. Blichert-Toft, J.-P. Goiran, S. Keay, and F. Albarede, “Lead in Ancient Rome’s City Waters”, PNAS111, no. 18 (2014): 6594–6599.

3. См.: F. P. Retief and L. Cilliers, “Lead Poisoning in Ancient Rome”, Acta Theologica Supplementum 7 (2005): 147, где приводится обширное исследование свинца в Древнем Риме.

4. J. Russ, M. Hyman, H. J. Shafer, and M. Rowe, “Radiocarbon Dating of Prehistoric Rock Painting by Selective Oxidation of Organic Carbon”, Nature 348 (1990): 710–711.

5. A. Quiles et al., “A High-Precision Chronological Model for the Decorated Upper Paleolithic Cave of Chauvet-Pont d’Arc, Ardèche, France”, PNAS113, no. 17 (2016): 4670–4675.

6. P. Guibert et al., “When Were the Walls of the Chauvet-Pont d’Arc Cave Heated? A Chronological Approach by Thermoluminescence”, Quaternary Geochronology 29 (2015): 36–47.

7. M. Aubert, A. Brumm, and J. Huntley, “Early Dates for ‘Neanderthal Cave Art’ May Be Wrong”, Journal of Human Evolution 125 (2018): 215–217.

8. M. Aubert et al., “Earliest Hunting Scene in Prehistoric Art”, Nature 576 (2019): 442–445.

9. https://www.ancient-origins.net/news-history-archaeology/stone-tools‐0012061.

10. По источнику: G. Wagner and P. van den Haute, Fission Track Dating (Dordrecht: Kluwer, 1992).

11. При совокупной энергии деления 170 МэВ каждый фрагмент уносит примерно половину, то есть 85 Мэ В. Типичная молекулярная связь в минерале имеет энергию примерно 5 эВ, а это значит, что фрагмент деления может разорвать примерно 85 × 10^6 эВ/5 эВ = 1,7 × 10^7 молекул. Если каждая молекула имеет размер примерно 0,5 нм, фрагмент может пройти 1,7 × 10^7 молекул × 0,5 × 10–9 м/молекулу, и это примерно 8,5 × 10–3 м, или 8 мм.

12. M. J. Morwood, P. B. O’Sullivan, F. Aziz, and A. Raza, “Fission-Track Ages of Stone Tools and Fossils on the East Indonesian Island of Flores”, Nature 392 (1998): 173.

13. J.-J. Hublin et al., “New Fossils from Jebel Irhoud Morocco and the Pan-African Origin of Home Sapiens”, Nature 546 (2017): 289–292.

14. J.-J. Hublin, N. Sirakov, and T. Tsenka, “Initial Upper Paleolithic Homo Sapiens from Bacho Kiro Cave, Bulgaria”, Nature 581 (2020): 299–302.

15. G. A. Person and J. W. Ream, “Clovis on the Caribbean Coast of Venezuela”, Current Research in the Pleistocene 22 (2005): 28–31.

16. D. L. Jenkins et al., “Clovis-Age Western Stemmed Projectile Points and Human Coprolites at the Paisley Caves”, Science 337 (2012): 223–228.

17. L.-M. Shillito et al., “Pre-Clovis Occupation of the Americas Identified by Human Fecal Biomarkers in Coprolites from Paisley Caves, Oregon”, Science Advances 6 (2020): eaba6404.

18. A. J. Lesnek, J. P. Briner, C. Lindqvist, J. F. Baichtal, and T. H. Heaton, “Deglaciation of the Pacific Coast Corridor Directly Preceded the Human Colonization of the Americas”, Science Advances 4, no. 5 (2018): eaar5040.

Глава 10. Ты есть то, что ты ешь

1. R. B. Richardson, D. S. Allan, and Y. Le, “Greater Organ Involution in Highly Proliferative Tissues Associated with the Early Onset and Acceleration of Ageing in Humans”, Experimental Gerontology 55 (2014): 80–91.

2. Оценка рассчитана на взрослого мужчину весом 70 кг. Если вам трудно представить себе 3000 триллионов триллионов, вообразите склад, покрывающий всю поверхность Земли (сушу и море) и высотой с Эмпайр-стейт-билдинг, заполненный маковыми семенами. Это 3000 триллионов триллионов маковых семян.

3. N. J. van der Merve, “Carbon Isotopes, Photosynthesis, and Archeology”, American Scientist 70 (1982): 596–606.

4. R. J. Forbes, “Metallurgy in Antiquity”, (Leiden: E. J. Brill, 1950), как процитировано в источнике: Nikolaas J. van der Merwe and M. Stuiver, “Dating Iron by the C‐14 Method”, Current Anthropology 9, no. 1 (1968): 48–53.

5. Оценки мирового производства зерна на 2018–2019 годы можно найти по адресу https://www. statista. com/statistics/263977/world-grain-production-by-type/. Они воспроизведены в следующей таблице:

6. Стандарт соотношения 13C/12C, выбранный столь же произвольно, как и любой другой стандарт, например метр или килограмм, – это ископаемая морская ракушка из Южной Каролины. В 1890-х годах, когда проводилось исследование, соотношение в воздухе по сравнению с этой оболочкой составляло –0,7 %. Чтобы избежать усложнения, я просто использовал значение воздуха в качестве стандарта, с которым сравниваются все остальные. Однако, чтобы сравнить мои цифры с научной литературой, нужно добавить –0,7 % ко всем приведенным здесь значениям.

7. Хотя мы не будем обсуждать их в дальнейшем, стоит сказать, что CAM‐растения имеют соотношение, близкое к таковому у C4-растений. См.: R. H. Tykot, “Stable Isotopes and Diet: You Are What You Eat”, in Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi” Course CLIV, ed. M. Martini, M. Milazzo, and M. Piacentini (Amsterdam: IOS Press, 2004), 435.

8. Кость примерно на 18 % состоит из Углерода, поэтому 1 г кости содержит 1 г/(12 а. е. м./атом × 1,67 × 10–24 г/а. е. м.) × 0,18 = 1,6 × 10^21 атома Углерода, из которых 1,2 % составляют C‐13 и расхождение между диетами из C3 и C4-растений составляет 1,4 % от этой суммы, то есть 1,6 × 10^21 × 0,012 × 0,014 = 2,7 × 10^17 атомов, или 270 000 триллионов атомов.

9. D. R. Piperno and K. V. Glannery, “The Earliest Archeological Maize (Zea mays L.) from Highland Mexico: New Accelerator Mass Spectrometry Dates and Their Implications”, PNAS98, no. 4 (2001): 2101–2103.

10. https://www. statista. com/statistics/263977/world-grain-produc- tion-by-type/.

11. Сочетание продуктов питания с соотношением изотопов Углерода –1,45 (C3-растения) × 30 % + соотношение 0,0 (C4-растения) × 70 % = наблюдаемое значение –0,45 %.

12. A. C. Roosevelt, “The Development of Prehistoric Complex Societies: Amazonia, a Tropical Forest”, in Complex Polities in the Ancient Tropical World, ed. E. A. Bacus, L. J. Lucero, and J. Allen (Arlington, VA: American Anthropological Association, 1999), 13–34.

13. E. Medina and P. E. H. Minchin, “Stratification of 13C in Amazonian Rainforests”, Oecologia 45 (1980): 337–378.

14. Это не единственный способ отклонения воздуха от нормального соотношения изотопов Углерода. Например, это соотношение в воздухе Лос-Анджелеса на –0,2 % ниже стандарта из-за постоянного добавления автомобильных выхлопов, которые, конечно же, образуются в результате сжигания бензина, растительного материала с обедненным содержанием 13C, возникшего 200 миллионов лет назад. По сути, глобальное значение 13C/12C упало с –0,64 % по сравнению со стандартом в доиндустриальные времена до –0,86 % в современную эпоху в результате сжигания ископаемого топлива.

15. Quod erat demonstrandum – латинская фраза, обычно сокращается до QED, которая следует за математическим доказательством и означает «что и требовалось доказать».

16. Некоторые представители царства архей, самой примитивной формы жизни, все еще существующей на Земле, также фиксируют Азот, что особенно важно в почвах с низким содержанием Кислорода, где бактерии не могут выжить.

17. N. A. Campbell and J. B. Reece, “Biology”, (San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2005).

18. M. J. Schoeninger, M. J. DeNiro, and H. Tauber, “Stable Nitrogen Isotope Ratios of Bone Collagen Reflect Marine and Terrestrial Components of Prehistoric Human Diet”, Science 220, no. 4604 (1983): 1381–1383.

19. B. Buchardt, V., Bunch V., and P. Helin, “Fingernails and Diet: Stable Isotope Signatures of a Marine Hunting Community from Modem Uummannaq, North Greenland”, Chemical Geology 244 (2007): 316–329.

20. K. A. Hobson, R. T. Alisauskas, and R. G. Clark, “Stable-Nitrogen Isotope Enrichment in Avian Tissues Due to Fasting and Nutritional Stress: Implications for Isotopic Analyses of Diet”, The Condor 95, no. 2 (1993): 388.

21. L. J. Reitsema, “Beyond Diet Reconstruction: Stable Isotope Applications to Human Physiology, Health, and Nutrition”, American Journal of Human Biology 25 (2013): 445–456.

22. C. M. Cook, A. L. Alvig, Y. Q. Liu, and D. A. Schoeller, “The Natural 13C Abundance of Plasma Glucose is a Useful Biomarker of Recent Dietary Caloric Sweetener Intake”, Journal of Nutrition 140, no. 2 (2010): 333–337.

23. P. S. Patel et al., “Serum Carbon and Nitrogen Stable Isotopes as Potential Biomarkers of Dietary Intake and Their Relation with Incident Type 2 Diabetes: The EPIC-Norfolk Study.” The American Journal of Clinical Nutrition 100 (2014): 708–718.

24. K. J. Petzke, T. Feist, W. E. Fleig, and C. C. Metges, “Nitrogen Isotopic Composition in Hair Protein is Different in Liver Cirrhotic Patients”, Rapid Communications in Mass Spectrometry 20, no. 19 (2006): 2973–2978.

25. T.-C. Kuo et al., “Assessment of Renal Function by the Stable Oxygen and Hydrogen Isotopes in Human Blood Plasma”, PLOS ONE7, no. 2 (2012): e32137.

26. R. Prinoth-Fornwagner and T. R. Niklaus, “The Man in the Ice: Results from Radiocarbon Dating”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 92, no. 1–4 (1994): 282–290.

27. W. Muller, H. Fricke, S. A. N. Halliday, M. T. McCulloch, and J. Wartho, “Origin and Migration of the Alpine Iceman”, Science 302, no. 5646 (2003): 862–866.

28. M. J. Wooller, C. Bataille, P. Druckenmeir, G. M. Erickson, P. Groves, N. Haubenstock, T. Howe, J. Irrgeher, D. Mannm, and A. D. Willis, “Lifetime Mobility of an Arctic Woolly Mammoth”, Science 373, no. 6556 (2021): 806–808.

29. J. H. Miller, D. C. Fisher, B. E. Crowley, and B. A. Konomi, “Male Mastodon Landscape Use Changed with Maturation”, PNAS119, no. 25 (2022): e2118329119.

Глава 11. Палеоклимат: измерение температуры Земли в давние времена

1. Уоллес Брокер перешел в Колумбийский колледж из Уитон-колледжа в Иллинойсе и в 1953 году, после летнего исследовательского опыта в Обсерватории Земли Ламонт-Доэрти, расположенной в Колумбийском университете, получил степень бакалавра. Он оставался в университете все шестьдесят шесть лет, вплоть до своей смерти в феврале 2019 года. Он – автор более 500 журнальных статей по геохронологии, радиоуглеродному датированию и химической океанографии. Брокер предложил идею «океанского конвейера», на котором отображались бы течения, переносящие энергию по миру, внес плодотворный вклад в науку об изменении климата и на протяжении сорока пяти лет напоминал об опасностях глобального потепления, утверждая, что климат – это «злобный зверь», которого лучше не раздражать. Брокер был лауреатом премии Крафорда и премии Ветлесена, а также получил Национальную научную медаль из рук президента Билла Клинтона в 1996 году. Дополнительные сведения о его выдающемся и вдохновляющем творческом пути см. в статье в «Википедии» и на следующей странице: https://www. Earth. columbia. edu/articles/view/2246.

2. W. S. Broecker, “Climatic Change: Are We on the Brink of a Pronounced Global Warming?”, Science 189 (1975): 460–463.

3. Broecker, “Climatic Change”.

4. Остальные 0,028 % – это солнечный свет, отраженный Луной и другими планетами (0,00013 %); свет других звезд (менее 0,0001 %); приливное трение, вызванное Луной (0,0019 %); утечка тепла из-под поверхности Земли из-за первоначального нагрева при образовании планеты, а также радиоактивный распад долгоживущих изотопов в земной коре (0,026 %, другой преобладающий компонент) и падение вещества на Землю (что, за редким исключением, когда речь идет о столкновениях астероидов – см. гл. 12) составляет менее 0,000001 %.

5. Наши глаза не случайно чувствительны к одной октаве света, соответствующей максимальной мощности Солнца; это продукт эволюции посредством естественного отбора. За 400 миллионов лет эволюции наши световые рецепторы настроились на то, чтобы использовать преимущества самого распространенного источника света, присутствующего на поверхности Земли, хотя на самом деле он – всего лишь функция температуры Солнца и прозрачности земной атмосферы на этих длинах волн. Если бы мы эволюционировали на звезде с другой температурой или на планете с другим составом атмосферы, нам следовало бы ожидать, что световые сенсоры будут настроены на разные длины волн.

6. В 1950-х годах Чарльз Дэвид Килинг, научный сотрудник Калифорнийского технологического института, разработал первый прибор, способный надежно измерять концентрацию углекислого газа (CO_2) в атмосфере. В 1956 году он присоединился к исследовательскому коллективу Института океанографии Скриппса, а в 1958 году применил свой прибор на Гавайях, на Мауна-Лоа, где обновленные версии продолжают ежедневно измерять концентрацию CO_2 под наблюдением Ральфа Килинга, сына Дэвида, также занимающего профессорскую должность в Институте Скриппса.

7. Самые последние измерения см. на сайте www. co2. earth/daily-co2.

8. J. R. Dean, M. J. Leng, and A. W. Mackay, “Is There an Isotopic Signature of the Anthropocene?”, The Anthropocene Review 1, no. 3 (2014): 276–287.

9. H. Graven, “Impact of Fossil Fuel Emissions on Atmospheric Radiocarbon and Various Applications of Radiocarbon over This Century”, PNAS112, no. 31 (2015): 9542–9545.

10. Поскольку Австрия не имеет выхода к морю, может показаться странным, что изотопный стандарт океанской воды назван в честь Вены. Но Венский стандарт был определен в 1968 году Международным агентством по атомной энергии со штаб-квартирой в Вене. В настоящее время Венскому стандарту следуют Национальный институт стандартов и технологий США и Европейский институт эталонных материалов и измерений.

11. Масса молекулы H_2^18O – 20 а. е. м., что на 11,1 % больше, чем у H_2^16O, тогда как 2H^1HO имеет массу 19 а. е. м., то есть она всего на 5,6 % тяжелее.

12. M. F. Porter, J. Pisaric, S. V. Kokelj, and T. W. D. Edwards, “Climatic Signals in δ13C and δ18O of Tree-rings from White Spruce in the Mackenzie Delta Region, Northern Canada”, Arctic, Antarctic, and Alpine Research 41, no. 4 (2009): 497–505.

13. T. W. D. Edwards et al., “13C Response Surface Resolves Humidity and Temperature Signals in Trees”, Geochimica et Cosmochimica Acta 64, no. 2 (2000): 161–167.

14. C. Loehle, “Correction to a 2000-Year Global Temperature Reconstruction Based on Non-Tree Ring Proxies”, Energy and Environment 18, no. 7 (2007): 1049–1058.

15. Loehle, “Correction to a 2000-Year Global Temperature Reconstruction.”

16. L. L. Dorman, “Chapter 30 – Space Weather and Cosmic Ray Effects”, in Climate Change, 2nd ed., ed. T. M. Letcher (Amsterdam: Elsevier, 2016), 513–544.

17. C. A. Woodhouse, D. M. Meko, G. M. MacDonald, D. W. Stahle, and E. R. Cook, “A 1,200-Year Perspective of 21st Century Drought in Southwestern North America”, PNAS107, no. 50 (2010): 21283–21288.

18. J. Esper, “Orbital Forcing of Tree-ring Data”, Nature Climate Change 2 (2012): 862–866.

19. L. Loulergue, “Orbital and Millennial-Scale Features of Atmospheric CH4 over the Past 800,000 Years”, Nature 453 (2008): 383–386.

20. https://www3. nd. edu/~nsl/Lectures/phys20054/15Lecture%2011 %2 °Climate%20Proxies‐2. pdf.

21. Loulergue, “Orbital and Millennial-Scale Features of Atmospheric CH4.”

22. Существует множество версий этой схемы; пример можно найти в источнике: Ngai Weng Chan, Seow Wee, David Martin, Kai Chen Goh, and Hui Hwang Goh, “Global Warming”, in Sustainable Urban Development Textbook, ed. Ngai Weng Chan, Hidefumi Imura, Akihiro Nakamura, and Masazumi Ao (Water Watch Penang & Yokohama City University), 67–73.

23. Rebecca Lindsey and Luann Dahlman, “Climage Change: Ocean Heat Content”, Climate. gov, August 17, 2020, https://www. climate. gov/news-features/understanding-climate/climate-change-ocean-heat-content.

24. Nick Bradford, “A Warming Ocean”, National Environmental Education Center, n. d., дата обращения 02.02.2023, https://www. neefusa. org/nature/water/warming-ocean, и приведенные отсылки.

25. Похожие истории можно найти через поисковую систему в Интернете, например https://www. bing. com/search?q=news-features/climate-and/climate-lobsters&FORM=ATUR01&PC=ATUR&PTAG=ATUR01RAND.

26. В феврале 2015 года, после снежной бури в Вашингтоне, округ Колумбия, сенатор Джеймс Инхоф, республиканец от Оклахомы, слепил снежок возле Капитолия, принес его в зал сената и бросил; так он абсурдно пытался поддержать свою теорию о том, что изменение климата, вызванное деятельностью человека, представляет собой, если процитировать название его книги, «Величайший обман» (The Greatest Hoax). См., например, https://thehill. com/policy/energy-environment/234026-sen-inhofe-throws-snowball-to-disprove-climate-change.

27. Hannah Bailey et al., “Arctic Sea-Ice Loss Fuels Extreme European Snowfalls”, Nature Geoscience 14 (2021): 283–288.

28. M. Sigl, “Timing and Climate Forcing of Volcanic Eruptions for the Past 2,500 Years”, Nature 523 (2015): 543–549.

29. F. Lavigne et al., “Source of the Great A. D. 1257 Mystery Eruption Unveiled, Samalas Volcano, Rinjani Volcanic Complex, Indonesia”, PNAS110, no. 42 (2013): 16742–16747.

30. Richard B. Stothers, “Climatic and Demographic Consequences of the Massive Volcanic Eruption of 1258”, Climatic Change 45 (2000): 361–374.

31. A. V. Kurbatov et al., “A 12,000-Year Record of Explosive Volcanism in the Siple Dome Ice Core, West Antarctica”, Journal of Geophysical Research 111 (2006): D12307.

32. Sigl, “Timing and Climate Forcing of Volcanic Eruptions”.

33. F. Mikhaldi et al., “Multiradionuclide Evidence for the Solar Origin of the Cosmic-Ray Events of AD774/5 and 993/4”, Nature Communications 6, no. 8611 (2015).

34. https://science. nasa. gov/science-news/science-at-nasa/2009/ 21jan_severespaceweather/.

35. Полярные сияния, как правило, редко можно увидеть на юге, в Новой Англии, не говоря уже о достаточно ярких явлениях, способных осветить небо; их никогда не видели к югу от линии Мэйсона – Диксона, за исключением этого случая.

36. “Solar Storm Risk to the North American Electric Grid”, https://www. lloyds. com/~/media/lloyds/reports/emerging%20risk%20reports/solar%20storm%20risk%20to%20the%20north%20american%20electric%20grid. pdf.

37. Когда свет, космические лучи или что-то еще покидают объект, вокруг источника образуется сферическая оболочка. Площадь поверхности этой сферы растет пропорционально квадрату ее радиуса (R2); таким образом, когда сфера увеличится в десять раз, ее воздействие будет в 100 раз меньше на каждый квадратный метр объекта, на который она попадает (если речь идет о свете, то источник будет казаться только на 1 % ярче). Следовательно, для сверхновой, расположенной в тридцать раз ближе, эффект будет в 30^2, или 900 раз сильнее.

38. B. Schwarzschild “Recent Nearby Supernovae May Have Left Their Marks on Earth”, Physics Today 55, no. 5 (2002): 19.

39. D. Koll et al., “Interstellar 60Fe in Antarctica”, Physical Review Letters 123 (2019): 072701–1–6.

40. Кальцитовые раковины фораминифер и кокколитов (их растительных аналогов), а также раковины радиолярий (животных) и диатомей (крошечных растений), состоящие из диоксида кремния, содержат Кислород.

41. Сходным образом можно использовать и озерные отложения.

42. Y. Morono, “Aerobic Microbial Life Persists in Oxic Marine Sediment as Old as 101.5 Million Years”, Nature Communications 1, no. 3626 (2020): 1–9.

Глава 12. Гибель динозавров: атомный взгляд

1. Род находится на ступень выше вида в классификации организмов и описывает группу близкородственных, сходных видов.

2. J. Phillips, Life on Earth: Its Origins and Successions (Cambridge: MacMillan, 1860), 58–59.

3. G. Ceballos, P. R. Ehrlich, and R. Dirzo, “Biological Annihilation Via the Ongoing Sixth Mass Extinction Signaled by Vertebrate Population Losses and Declines”, PNAS114, no. 30 (2017): E6089–E6096.; E. Kolbert, The Sixth Extinction: An Unnatural History (New York: Henry Holt, 2014).

4. Раньше она называлась «границей К-Т», где «К» обозначало «мело- вой период» в переводе с немецкого, а «Т» – третичный период. В 2008 году Международная комиссия по стратиграфии разделила третичный период на палеоген и неоген. Палеоген начинается 66,0 млн лет назад.

5. L. W. Alvarez, W., Alvarez, F. Asaro, and H. V. Michel, “Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction”, Science 208, no. 4448 (1980): 1095–1108.

6. Гравитационные аномалии – это отклонения от гравитационного притяжения, которого можно было бы ожидать в данном месте на Земле, если бы Земля была идеально гладкой сферой. Магнитные аномалии – это отклонения от того, что можно было бы ожидать, если бы магнитное поле Земли было гладким и идеальным диполем (магнит с одинаково сильными северным и южным полюсами). Оба вида аномалий возникают на месте ударного кратера.

7. Чикшулуб, в переводе с языка майя – «демон клещей»; так называется деревня, ближайшая к центру кратера. V. R. Bricker, E. O. Yah, and O. D. de Po’ot, A Dictionary of the Mayan Language (Salt Lake City: University of Utah Press, 1998).

8. T. E. Krogh, S. L. Kamo, and B. F. Bohor, “Fingerprinting the K/T Impact Site and Determining the Time of Impact by UPb Dating of Single Shocked Zircons from Distal Ejecta”, Earth and Planetary Science Letters 199 (1993): 425–429.

9. У Аргона три стабильных изотопа: 36Ar, 38Ar и 40Ar, но последний составляет 99,6 % от общего количества.

10. P. R. Renne et al., “Timescales of Critical Events Around the Cretaceous-Paleogene Boundary”, Science 339 (2013): 648.

11. J. A. Wolfe, “Paleobotanical Evidence for the June ‘Impact Winter’ at the Cretaceous/Tertiary Boundary”, Nature 352 (1991): 420.

12. J. Vellekoop et al. “Rapid Short-Term Cooling Following the Chicxulub Impact at the Cretaceous-Paleogene Boundary”, PNAS111, no. 21 (2014): 7537–7541.

13. B. K. Nelson, G. K. MacLeod, and P. D. Ward, “Rapid Change in Strontium Isotopic Composition of Sea Water Before the Cretaceous/Tertiary Boundary”, Nature 351 (1991): 644–647.

14. J. Hess, M. L. Bender, and J.-G. Schilling, “Evolution of the Ratio of Strontium‐87 to Strontium‐86 in Seawater from Cretaceous to Present”, Science 231, no. 4741 (1986): 979–984.

15. J. D. MacDougall, “Seawater Strontium Isotopes, Acid Rain, and the Cretaceous-Tertiary Boundary”, Science 239, no. 4839 (1987): 485–487.

16. J. Smit, “Cretaceous-Tertiary Boundary Impact Ejecta”, Annual Review of Earth and Planetary Sciences 27 (1999): 75–113.

17. W. S. Wolbach, R. S. Lewis, and E. Anders, “Cretaceous Extinctions: Wildfires and the Search for Meteoritic Material”, Science 230, no. 4722 (1985): 167–170.

18. J. Morgan, N. Artemieva, and T. Goldin, “Revisiting Wildfires at the K-Pg Boundary”, Journal of Geophysics Research Biosciences 118, no. 4 (2013): 1508–1520.

19. R. A. DePalma et al., “A Seismically Induced Onshore Surge Deposit at the K-Pg Boundary, North Dakota”, PNAS116, no. 17 (2019): 8190–8199.

20. DePalma et al., “A Seismically Induced Onshore Surge Deposit”.

Глава 13. Эволюция: от метеоритов до цианобактерий

1. Домашняя страница израильской науки и технологий: https://www. science. co. il/elements/?s=Earth.

2. Причина в том, что для опознания молекулы нужно знать ее спектр; множество других спектральных линий принадлежат еще не опознанным молекулам.

3. “List of Interstellar and Circumstellar Molecules”.

4. S. A. Wilde, J. W. Valley, W. H. Peck, and C. M. Graham, “Evidence from Detrital Zircons for the Existence of Continental Crust and Oceans on the Earth 4.4 Gyr Ago”, Nature 409 (2001): 175–177.

5. J. O. O’Neil, J.-L. Paquette, J.-L. and D. Francis, “Formation Age and Metamorphic History of the Nuvvuagittuq Greenstone Belt”, Precambrian Research 220–221 (2012): 23–44.

6. T. Tashiro et al., “Early Trace of Life from 3.95 Ga Sedimentary Rocks in Labrador, Canada”, Nature 549 (2017): 516–518.

7. W. Lenz, “A Short History of Thalidomide Embryopathy”, Teratology 38 (1988): 203–213.

8. На самом деле история несколько сложнее. См.: E. Tokunaga, Scientific Reports 8 (2018): 17131.

9. Еще две обнаружены у некоторых видов бактерий и архей.

10. S. H. Gellman and D. N. Woolfson, “Designing a 20-Residue Protein”, Nature Structural Biology 9, no. 6 (2002): 425–430; and K. H. Mok et al., “A Pre-existing Hydrophobic Collapse in the Unfolded State of an Ultrafast Folding Protein”, Nature 447 (2007): 7140.

11. J. E. Elsila et al., “Meteoritic Amino Acids: Diversity in Compositions Reflect Parent Body Histories”, ACS Central Science 2, no. 6 (2016): 370–379.

12. J. Sokol, “An Unusual Meteorite, More Valuable Than Gold, May Hold the Building Blocks of Life”, Science (2020), doi:10.1126/science. abe.3025.

13. D. P Glavin et al., “Unusual Non-terrestrial L‐proteinogenic Amino Acid Excesses in the Tagish Lake Meteorite”, Meteoritics & Planetary Science 47 (2012): 1347–1364.

14. T. Lee and Y. K. Lin, “The Origin of the Life and the Crystallization of Aspartic Acid in Water”, Crystal Growth and Design 10 (2010): 1652–1660.

15. A. Dylewski, “Meteorites Delivered the “Seeds” of Earth’s Left-Hand Life”, пресс-релиз Американского химического общества, https://www. acs. org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2008/april/meteorites-delivered-the-seeds-of-earths-left-hand-life. html; M. Levine, C. S. Kenesky, D. Mazori, and R. Breslow, “Enantioselective Synthesis and Enantiomeric Amplification of Amino Acids Under Prebiotic Conditions”, Organic Letters 10 (2008): 2433–2436.

16. Следует отметить, что сахара, которые мы можем перева- ривать, – правосторонние.

17. D. P. Glavin and J. P. Dworkin, “Enrichment of the Amino Acid l-Isovaline by Aqueous Alteration on CI and CM Meteorite Parent Bodies”, PNAS106, no. 14 (2009): 5487–5492.

18. M. Peplow, “Meteorite Molecules Spin Sugars”, Nature (2004), https://doi. org/10.1038/news040216–18.

19. Y. Furukawaa et al., “Extraterrestrial Ribose and Other Sugars in Primitive Meteorites”, PNAS116 (2019): 24440–24445.

20. Иногда называется просто последним универсальным предком (LUA).

Глава 14. Что там, в воздухе? Эволюция земной атмосферы

1. Космический корабль «Вояджер‐1», запущенный в 1977 году и несущий знаменитую золотую пластинку с поздравлением человечества космосу, пересек границу Солнечной системы с межзвездным пространством примерно в 2012 году. «Вояджер‐2» пересек эту границу в ноябре 2018 года, находясь на расстоянии 17,8 миллиарда километров от Земли.

2. D. C. Catling, and K. J. Zahnle, “The Escape of Planetary Atmospheres”, Scientific American 300, no. 5 (2009): 36–43.

3. Считается, что полосчатые железистые кварциты возникли из морской воды, в которой первые фотосинтезирующие организмы производили Кислород, впоследствии вступивший в реакцию с Железом и образовавший оксид железа на морском дне.

4. A. J. Charles et al., “Constraints on the Numerical Age of the Paleocene-Eocene Boundary”, Geochemistry, Geophysics, Geosystems 12, no. 6 (2011):1–19

5. M. Guthar et al., “Very Large Release of Mostly Volcanic Carbon During the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum”, Nature 548, no. 7669 (2017): 573–577.

6. Массивный (6,6 миллиона кубических километров) поток магмы, в настоящее время составляющий Исландию и некоторые части Норвегии, Шотландии, Ирландии и Гренландии.

7. G. H. Denton et al., “The Last Glacial Termination”, Science 328, no. 5986 (2010): 1652–1656.

8. J. F. McManus, R. Francois, J.-M. Gherardi, L. D. Keigwin, and S. Brown-Leger, “Collapse and Rapid Resumption of Atlantic Meridional Circulation Linked to Deglacial Climate Changes”, Nature 428 (2004): 834–837.

9. R. F. Anderson, “Wind-Driven Upwelling in the Southern Ocean and the Deglacial Rise in Atmospheric CO2”, Science 323, no. 5920 (2009): 1443–1448.

10. Временной промежуток позднего дриаса, в котором происходит быстрое изменение климата, назван в честь дриады восьмилепестной (Dryas octopetala), тундрового полевого цветка, листья которого часто встречаются в отложениях скандинавских озер этого периода. Недавнее датирование основано на анализе деревьев, захороненных в земле во время одного из крупнейших извержений вулкана в Европе – этим вулканом был Лах на озере Лахер-Зе. Анализ позволил согласовать данные об озерных отложениях и ледяных кернах и дал нам возможность датировать начало позднего дриаса с поразительной точностью, лучше, чем 0,1 % (как если бы вы посмотрели на меня и угадали мою дату рождения с точностью до месяца). См.: R. Reinig et al., “Precise Date for the Laacher See Eruptions Synchronizes the Younger Dryas”, Nature 595 (2021): 66–69.

11. K. Andreassen et al., “Massive Blow-out Craters Formed by Hydrate-Controlled Methane Expulsion from the Arctic Seafloor”, Science 356 (2017): 948–953.

12. D. D. Catling and K. J. Zahnle, “The Escape of Planetary Atmospheres”, Scientific American 300, no. 5 (2009): 36–43.

13. Вопреки распространенному мнению, проблема озоновых дыр не связана с глобальным потеплением. Химические вещества, содержащие Хлор, например хладагенты, в которых используются хлорфторуглеродные соединения, дрейфуют в стратосферу и разрушают там молекулы озона, позволяя большему количеству ультрафиолетового света проникать через атмосферу. Хотя это может повредить обитателям океана и суши – которые, как правило, развивались под защитным озоновым слоем, – это не влияет на температуру Земли. Однако приземный (тропосферный) озон – это парниковый газ, и он добавляет почти 10 % к эффекту потепления, вызываемому CO_2, H_2O, метаном и другими подобными газами.

Глава 15. День рождения Солнца: формирование Солнечной системы

1. Физикам это известно как сохранение углового момента; для объекта, движущегося по кругу, произведение массы × скорость × радиус круга остается постоянным, если на сам объект не действует внешняя сила.

2. Основной компонент всего вещества во Вселенной – темная материя. Ее происхождение остается загадкой. Масса темной материи примерно в семь раз больше массы обычного вещества во Вселенной. Но похоже, что темная материя в лучшем случае взаимодействует слабо; иными словами, она не сталкивается ни с обычной материей, ни с самой собой. В результате она остается в сферическом ореоле, внутри которого формируется уплощенный диск.

3. 87Rb(t) = 87Rb(t = 0) × e—0,693 t/T, где t – время; T – период полураспада.

В наши дни использование измеренных значений 87Rb,8 7Sr и 86Sr в образце позволяет напрямую определить его возраст, измерив наклон линии, описывающей изотопные отношения: «e» – это основание натурального логарифма, равное 2,718 – e–0,693 t/T ½ = (½) t/t½, как указано выше.

Уравнение 1 – это просто стандартное уравнение радиоактивного распада, в котором говорится, что количество 87Rb, присутствующее в любой момент времени t, равно разности количества в начале (при t = 0), и распавшегося количества.

(1)

Уравнение 2 просто преобразует уравнение 1 в более удобную форму.

87Sr(t) =87Sr(t = 0) + количество, добавленное в ходе распада 87Rb. (2)

Уравнение 3 говорит, что имеющееся количество 87Sr – это сумма количества, бывшего в начале, и того, которое добавилось за счет распада 87Rb; последнее количество – просто разность количества 87Rb, бывшего в начале, и оставшегося количества (остальное уже распалось – см. уравнение 4).

(3)

(4)

Теперь, подставив уравнение 2 в уравнение 4, мы получим уравнение 5 для количества^87Sr, которое имеется в нашем образце.

Затем мы делим обе части этого уравнения на количество стабильного изотопа 86Sr и переставляем члены, получая уравнение 6.

(6)

Удобнее представить уравнение 6 в такой форме:

y = b + x × m или y = mx + b,

которое (как, я уверен, вы помните) представляет собой простое уравнение прямой линии на графике с осями x и y, где b – точка, в которой линия пересекает ось y (т. е. значение y при x = 0), а m – наклон линии.

Величина y в данном случае – это левая часть уравнения, отношение 87Sr(t) / 86Sr(t), которое легко измерить, – это просто количество атомов каждого изотопа, имеющееся в образце. Точно так же x равен 87Rb(t)/86Sr(t), современному соотношению этих двух изотопов. Член b, 87Sr (t = 0)/ 86Sr(t) – это точка пересечения оси y, и по графику можно непосредственно считать исходное количество 87Sr в образце. В конце концов нужно просто измерить наклон линии, установить его равным [e+0,693t/T – 1] и подставить известный период полураспада, чтобы найти t, возраст.

4. J. N. Connelly et al. “The Absolute Chronology and Thermal Processing of Solids in the Solar Protoplanetary Disk”, Science 338, no. 6107 (2012): 651–655.

5. E. Gaidos, A. N. Krot, J. P. Williams, and S. N. Raymond, “26Al and the Formation of the Solar System from a Molecular Cloud Contaminated by Wolf-Rayet Winds”, The Astrophysical Journal 696 (2009): 1854–1863.

Глава 16. Создание звездной пыли: как построились «кирпичики»

1. Размеры Луны и Солнца ежедневно кажутся почти одинаковыми; небольшие изменения происходят из-за их эллиптических орбит, из-за которых расстояние между Землей и этими телами периодически меняется на несколько процентных пунктов.

2. Для сравнения: средняя плотность Земли составляет 5,5 г/см^3.

3. Столь высокая температура требуется из-за особенностей изотопов, о которых мы кратко упоминали в главе 6. Единственный легкий элемент, наиболее стабильное ядро которого не имеет равного числа протонов и нейтронов – это Бериллий. Период полураспада 8Be составляет всего 8,2 × 10–8 секунд, и поэтому он не может стать следующим очевидным звеном в процессе термоядерного синтеза, в котором 4He + 4He → 8Be (вернее, так и происходит, но он сразу же распадается и забирает обратно произведенную энергию). 9Be – стабильный изотоп, а изотопа с атомной массой 5, который можно было бы слить с Гелием для его получения, не существует. Поэтому нам придется подождать, пока температура не станет достаточно высокой, чтобы высокие скорости двенадцати положительных зарядов трех ядер 4He могли преодолеть силу отталкивания, сблизиться в достаточной степени и слиться в 12C под влиянием сильного взаимодействия.

4. Можно было бы подумать, что чем больше топлива у звезды, тем дольше она проживет, но на самом деле все обстоит с точностью до наоборот: нужно учитывать еще и скорость, с которой она расходует топливо. У более массивных звезд выше температура и плотность ядра, а поскольку скорость ядерной реакции в высшей степени зависима от температуры, более массивные звезды сжигают запасы топлива быстрее. Общая продолжительность жизни такой звезды, как Солнце, составляет почти 12 миллиардов лет, тогда как звезда, масса которой при рождении в двадцать пять раз больше, живет всего 7 миллионов лет.

5. NuSTAR – спутник, спроектированный и построенный в Калифорнийском технологическом институте и Колумбийском университете. Это первая миссия, перед которой стоит задача получить изображение неба в высокоэнергетическом рентгеновском излучении – и, таким образом, она первой непосредственно обнаружила только что синтезированные радиоактивные элементы в остатках сверхновых, включая остатки взрыва, наблюдавшегося в соседней галактике в 1987 году. См.: S. E. Boggs et al., Science, 348 (2015): 670.

6. W. Baade and F. Zwicky, “Cosmic Rays from Super-Novae.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 20, no. 5 (1934): 259–263.

7. Baade and Zwicky, “Cosmic Rays from Super-Novae.”

8. Двести земных масс Золота стоят около 275 000 триллионов долларов, что в 225 триллионов раз превышает мировой валовой внутренний продукт (ВВП). Впрочем, оно довольно далеко; если путешествовать со скоростью света, на его поиск уйдет четверть миллиарда лет.

Глава 17. В начале

1. A. Penzias and R. W. Wilson, “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s”, Astrophysical Journal 142 (1965): 419–421.

2. Фраза «всего через 390 000 лет» может показаться странной, но мы сравниваем это с возрастом современной Вселенной, составляющим 13,81 миллиарда лет. Для вашего семидесятитрехлетнего автора это эквивалентно фотографии, сделанной через 18 часов после рождения, поэтому, кажется, уместно назвать это картиной детства Вселенной.

3. Цит. по: Мысли / Блез Паскаль [пер. с фр. Ю. Гинзбург]. – М.: АСТ, 2019. – С. 175.

Эпилог: история кварка

1. E. R. Harrison, Cosmology: The Science of the Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 1981).

Content

Дэвид Хелфанд
Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Благодарности

Вступление

Глава 1 Призыв свидетелей истории

Глава 2 Осмысление атома: от философии к науке

Атомы в Индии

Атомы в Греции и Риме

Атомы в исламском мире

Возвращение Ренессанса

Появление науки об атомах

Глава 3 Атом: утилитарный взгляд

Иерархия вещества

Температура: мера движения

Те самые «частицы» – атомы и молекулы

Разделить неделимое: строительные блоки атомов

Ядро

Атом

Молекула

Глава 4 Элементы: наш набор «кирпичиков»

Энергия

Энергия связи электрона

Энергия связи ядра

Энергия химической связи

Глава 5 Изотопы: разновидности элементов

Открытие изотопов

Инвентарь изотопии

Искусственные изотопы

Интересные изотопы

Глава 6 Радиоактивность: невозмутимые часы

Открытие радиоактивности

В поисках стабильности

Альфа-распад

Бета-распад

Гамма-распад

Спонтанное и вынужденное деление

Время жизни и полураспад

Невозмутимые часы

Глава 7 О кражах и подделках: судебная история искусств

Безногие стражи

Испанский фальсификатор

Творческое наследие Блейклока

Немецкие подделки и PIXE

Применение PIXE

Глава 8 Углеродные часы: установление дат

Датирование пергамента

Откуда берется 14С?

Изменчивая скорость образования частиц

Углеродная «калибровка»

Измерение крошечных образцов

Возраст Корана

Туринская плащаница: исторический обман

Глава 9 История без слов: известь, Свинец и экскременты

Возраст раствора

Аландские церкви

Накопление Свинца

Первое искусство

Древние и древнейшие

Каменные орудия

Датирование экскрементов

Глава 10 Ты есть то, что ты ешь

Растения – это их пища

C3 против С4

История кукурузы

«Ты есть то, что ты ешь» – новые истории

Другие изотопы и диета

Современное применение изотопных отношений

Путешествие Этци: сила изотопов

Глава 11 Палеоклимат: измерение температуры Земли в давние времена

Настройка термостата

Откуда взялся новый CO2?

Температуры со времен последнего ледникового периода

Долгосрочные климатические влияния

Температура и атмосфера за минувший миллион лет

Погода и климат

Вулканы, солнечные бури и взрывные звезды

Другие климатические «посредники»

Глава 12 Гибель динозавров: атомный взгляд

История жизни на Земле

Поиски виновника

Место столкновения

Датирование события

Стремительное изменение климата

87Sr/86Sr в морской воде

Другие свидетельства удара

Глава 13 Эволюция: от метеоритов до цианобактерий

Химические предшественники

Древнейшая жизнь

Левонаправленная жизнь

Откуда взялась хиральность?

Эволюция с изначальных времен

Глава 14 Что там, в воздухе? Эволюция земной атмосферы

Первозданная атмосфера

Атмосферные изменения: термический максимум после катастрофы

Атмосферные изменения: конец последнего ледникового периода

Будущее

Глава 15 День рождения Солнца: формирование Солнечной системы

Сценарий формирования

Древнейшее вещество

День рождения

Прежде начала

Глава 16 Создание звездной пыли: как построились «кирпичики»

Звездные кузницы: все начинается с Гелия

Звездные кузницы: что потом?

Звездные кузницы: вклад массивных звезд

Другие места создания элементов

Глава 17 В начале

Эпилог: История кварка

Глоссарий

Примечания