Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Рис. 9.1. Этапы приготовления и затвердевания раствора. Известняк нагревают до температуры более 900 °C, чтобы удалить CO₂ и получить негашеную известь. При смешивании негашеной извести с водой и песком формируется раствор. По мере высыхания раствора H₂O испаряется, и ей на смену приходит CO₂ из воздуха, превращая смесь в известняк

3. Раствор затвердевает, выделяя воду (H₂O) в атмосферу (сохнет), и поглощает CO₂ из воздуха, снова превращаясь в CaCO₃ (см. рис. 9.1).

Последний этап – ключ к углеродному датированию: строительный раствор «вдыхает» CO₂, 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 ошибка¹.

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.